企業自主小型發配電系統智能穩控技術的設計與應用

李兆華

（山東鋼鐵股份有限公司濟南分公司，山東濟南250101）

企業自主小型發配電系統智能穩控技術的設計與應用

李兆華

（山東鋼鐵股份有限公司濟南分公司，山東濟南250101）

為實現企業自主發電—配電—用電的模式，深入研究電力小網發配電特性，研制開發出一套智能穩控系統，解決電力小網發供電負荷不易控制的難題。本套智能穩控技術分為發電機控制部分、配電負荷控制部分、低周減載備用控制部分三個部分，相互融合的一個整體。該技術應用以來，確保了區域電網的安全穩定性。

電力小網；智能穩控；發電機；配電負荷；低周減載

1 引言

冶金企業自主發電—配電—用電的模式因其優越的經濟性得到廣泛應用。該模式電網具有發電機數量及總容量過小的顯著特點，屬于典型的小網（甚至是微網），與大網（系統供電網絡）相比，電力小網的發、供電平衡的調節難度大，抵抗各種外界擾動以及自身故障的能力弱。尤其是冶金行業，對電能的安全性、穩定性、連續性的要求又極高，因此有必要對電力小網發配電特性進行深入研究，研制開發出一套智能穩控系統，解決電力小網發供電負荷不易控制的難題。

2 現狀調研

以某公司二降壓區域電網為例（見圖1），電網內有3臺發電機，總容量為115.5 MVA（42× 2+31.5），單機占比42/115.5=36.4%，3臺發電機組構成該區域的電力小網，當機組甩負荷時，就會危及整個電網的穩定運行，甚至會發生電網系統崩潰的重大事故。

2.1 突出問題

（1）在大網中，與各汽輪機相配的鍋爐群儲存有龐大的能力勢能，為發電機的穩定運行提供了雄厚的基礎條件，而該小網不具備。

（2）在大網中，各發電機組和被驅動的機械具有巨大的旋轉慣量，其儲存的動能可以在瞬間釋放出來，支持負荷變化，使得電網頻率變化維持較小的變化速率，起到動態穩頻作用，很容易保持較高的電能質量，而小網很難實現。

（3）在大網中,電能的供應可在地區間相互支援，保證供電的可靠性和連續性能力強，而小網不具備。

2.2 運行控制優勢分析

（1）發電機組和負荷在地域上相對集中，在專業運營管理層次上比較統一，便于實施發、配電集中統一管理，為在全局層次上的優化控制提供了現實的基礎。

表1 智能控制系統的典型功能框架

圖1 二降壓區域電網系統圖

（2）發電機組和配電、用電設備的運行狀態，如：實時功率、故障信號、投退狀態等均可以實現實時測量，并可相對容易地實現信息實時匯總、運算、邏輯分析并發出控制指令，在實施發、配、用電實時集中閉環控制方面具有電力大網所不具備的優勢。

（3）該小網與電力大網存在一定的聯系，如加以充分利用，可大大增強電力小網自身的穩定能力。

3 智能穩控系統的設計

3.1 總體方案

通過分析，確定智能控制系統的總體方案：通過實施發、配、用電實時集中閉環控制及低周減載備用控制，滿足電力小網多種可能運行方式下的發、配、用電負荷平衡控制需求，實現電力小網的安全、穩定運行。

3.2 典型功能框架和典型系統架構

結合二降壓區域電網具體結構和參數，編制了智能控制系統的典型功能框架（見表1）和典型系統架構（見圖2）。

4 智能穩控技術的研制

該技術分為發電機控制部分、配電負荷控制部分、低周減載備用控制部分三個部分，相互融合的一個整體。

4.1 發電機控制部分

在孤網方式下，發電機控制系統自動識別并轉入頻率調節模式，通過實時跟蹤系統頻率的變化，實時調節汽輪機汽門的開度，以保持電網頻率的穩定。

在半孤網方式下，小網與大網通過同期隔離變壓器同步運行，通過實施同期變穿越功率的遠調控制，實現小網與大網在基本無功率交換的條件下還能實時保持同期運行。

在并大網方式下，小網與大網通過并網開關直接并網運行，此時發電機控制系統轉入負荷控制模式，維持發電機平穩運行。

4.1 .1汽輪發電機調節系統

實現功能：在并大網運行和孤網運行方式下，系統能夠自動識別運行方式并自動進入相應控制模式，完成控制任務。

（1）優化DEH（數字電液控制系統）控制邏輯，在DEH中引入孤網運行控制狀態，當轉速偏差超過一定范圍時，DEH自動進入孤網控制狀態。

（2）在DEH中將與一次調頻相關的轉速采樣、轉速三值優選、一次調頻計算、調速指令輸出都設置為快速運行，運行周期約50 ms，轉速采樣和模擬量輸出模塊采用高速硬件，使控制周期小于100 ms。

（3）增加快速二次調頻功能。主要是為了保證電網的頻率維持在恒定值，屬于動態調頻。一次調頻是有差調頻，不能完全消除孤網頻率的偏差，為此，DEH系統設計了二次調頻功能，當出現孤網運行或快速減負荷時，能迅速穩定電網頻率。

（4）提高一次調頻速度。按照負荷需求變化率做前饋，實現調門的開度。在非孤網狀態時，前饋取負荷需求延時2 s，當孤網調節器進入自動方式時，延時取消，前饋取當前負荷需求。實現進入孤網時的調門快速動作。

（5）在進入孤網控制時，采用轉速加速度計算預估的轉速最高值，當預估的轉速最高值高于設定值時，超速控制系統的保護迅速動作。由于這個系統的動作回路比調節閥動作回路要快200 ms左右，這種設計將大大減小轉速飛升。

（6）減小DEH控制周期，將伺服卡直接接在IO總線上的，省去了輸出卡的環節，控制器的控制周期減小到50 ms，轉速卡的測量時延減小到1 ms，整個系統的延時在51 ms內，由此產生的轉速飛升減少80%以上。

此外，為滿足發電機功率因數自動控制和強勵的要求，對發電機的勵磁調節系統也進行了相應改造。將原強勵倍數由2.5升到3.0，強勵最大時限由15 s升級到50 s，以保證系統電壓的穩定性。

4.1 .2遠調發電機控制系統

在半孤網方式下，通過采集同期隔離變壓器的穿越功率，將功率信號（0～±10 V）轉換為DEH控制汽門開度所需的4～20 mA信號，通過光纖網絡傳送至DEH，以控制汽輪機汽門的開度，使同期隔離變壓器的穿越功率控制在±500 kW以內。以此來實現三臺發電機“大環”運行功率控制，即DEH以“外部設定功率”方式運行，從而取代原三臺發電機各自“小環”運行調節控制。目的是實現小網與大網在基本無功率交換的條件下還能實時保持同期運行，為借助大網維護小網的穩定提供熱備用的基礎條件。

同期隔離變正向穿越功率記為正值，當其大于500 kW時，控制發電機減負荷，需要減少的負荷即為穿越功率值；

同期隔離變逆向穿越功率記為負值，當去絕對值大于500 kW時，控制發電機增負荷（發電機存在可調余量的情況下），需要增加的負荷為穿越功率的絕對值。

由于同期隔離變的穿越功率是實時采集的，當DEH調節完成后，穿越功率實時變化，如此往復形成一個閉環控制。在線試驗證實，可以將同期隔離變壓器的穿越功率調整到±500 kW以內。

圖2 智能控制系統的典型架構

4.2 配電負荷控制部分

4.2 .1在孤網方式下運行時，若發生發電機故障跳機，發電量隨之將急劇減少，而DEH由于調節機構的限制，無法在很短時間內將其他發電機的負荷增加上來，此時電網的負荷需求卻未發生變化，如不對負荷進行快速控制，電網頻率將迅速降低，甚至引起電網崩潰。因此，配電負荷控制系統必須有效解決這一問題。在發電機故障跳機瞬間，負荷快切系統采集到系統故障后，主控系統在100～200 ms內快速下達切除負荷指令，在300 ms內切除相應負荷，在電網頻率惡化前迅速完成發、用電平衡調節，從而維持電網持續穩定運行。

4.2 .2在半孤網方式下運行時，大網與小網通過同期隔離變壓器始終保持同步。當出現發電機故障跳機時，首先啟動快合母聯系統，合上一降壓母聯開關A312，將小網并入大網，從而保證小網的穩定運行。當并大網不成功，經少量延時（300 ms）后，負荷快切系統會啟動，切除相應負荷維持電網持續穩定運行。

4.2 .3在并大網方式下運行時，必須考慮兩種情況：一是并網容量不能超過上級系統容量，出現容量越限時要切除多出部分的負荷；二是出現非計劃轉孤網時，要迅速切除轉孤網前大網向小網的供電功率對應的負荷，確保小網中的發電機不受到沖擊，從而實現持續穩定運行。

4.3 低周減載備用控制部分

低周減載系統是負荷快切系統的后備系統，與負荷快切系統同時運行。當負荷快切系統失效，且系統的頻率降到設定值時，低周減載系統啟動，按預案切除相應的負荷，使系統的頻率能盡快恢復到正常狀態。為此，主要做了如下優化：

（1）針對電力小網系統的功率缺額更容易引起頻率快速下降的特性，增設了df/dt加速切負荷的功能，在切第一輪時可加速切第二輪，以盡早制止頻率的下降，防止出現頻率崩潰事故。

（2）針對電力小網系統由于短路故障、負荷反饋、頻率或電壓的異常情況更容易導致低周減載備用系統誤動作的情況，增設了df/dt、du/dt閉鎖功能。

5 應用效果及結論

智能穩控技術自2012年12月1日正式上線運行以來，各項性能參數穩定，成功處置多次發電機非計劃停機故障。在實現了快速、智能穩定區域小電網的基礎上，還有效避免了電力中斷供應情況的發生，取得了顯著的經濟效益，具有較高的推廣應用價值。

[1]國家經濟貿易委員會.電力系統安全隱定導則DL 755-2001[S]，中華人民共和電力行業標準.北京：中國電力出版社，2001.

Design and Application of Intelligent Stability Control System for Small Scale Self-provided Power Generation and Distribution Network

LI Zhaohua
(Jinan Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan,Shandong 25010,China)

In order to realize independent power generation-distribution-consumption of the company,an intelligent power stability control system was developed through deepened study of the characteristics of small scale power generation and distribution system,to solve the problem of difficult control of power supply load in small networks.This intelligent stability control system is consisted of three parts,i.e.generator control,load control and low-cycle load shedding control,which are integrated into one system.Application of the technology has ensured safety and stability of the local power grid.

small power network;intelligent stability control;generator;distribution load;low-cycle load shedding

TM7

B

1006-6764(2014)06-0004-04

2014－02－10

李兆華（1966－），女，1987年畢業于山東工業大學電機專業，本科學歷，高級工程師，現從事能源開發應用及技術管理工作。