企業電網低頻減載與馬達低壓保護優化協調

楊琦，韓天真，2，郭慶奎，原永禹，孫建軍

（1.中國電力科學研究院，北京100192；2.華北電力大學電氣與電子工程學院，保定071003；3.中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津300271）

企業電網低頻減載與馬達低壓保護優化協調

楊琦1，韓天真1，2，郭慶奎3，原永禹3，孫建軍3

（1.中國電力科學研究院，北京100192；2.華北電力大學電氣與電子工程學院，保定071003；3.中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津300271）

基于軌跡的時域動態仿真分析方法，分析得出大型工業電網在孤島運行時低頻減載措施與馬達低壓保護配置間普遍存在的問題，提出了低頻減載措施與電動機低壓保護協調配合策略。文中以某大型煉化企業電網為例，模擬了嚴重故障下企業電網孤島運行全過程，校核了現有企業電網低頻減載措施與電動機低壓保護定值間的配合情況，采取搜索+校驗的方法，結合電壓、頻率變化軌跡，給出企業電網低頻減載與低壓保護定值的協調配合方案，確保了企業電網安全穩定運行。

低頻減載；低壓脫扣；協調配置；孤島運行；頻率

隨著智能電網技術的發展，“源-網-荷”協調控制已成未來發展的趨勢。大型工業電網通過技術革新、電網升級改造，建立了完善的控制和通訊系統，具備了自治、自愈的部分功能，特別是在大電網嚴重故障下，企業電網能獨立穩定運行，保證了重要工業負荷的供電可靠性，避免了企業停車，降低了經濟損失。因此，如何保證企業電網在外部電網故障后快速、穩定運行，減少負荷損失是當前研究的熱點問題之一。

文獻[1]以廣州石化企業電網為例，結合石化企業自身特點，對企業電網低頻減載方案進行了整定分析。文中所述方法設定簡單，應用最為廣泛，但由于考慮故障場景有一定的局限性，會導致負荷過切、欠切情況時有發生，不能滿足企業實際運行要求。文獻[2-6]揭示了輻射性電網電壓崩潰與感應電動機堵轉直接的耦合關系，同時給出了感應電動機連鎖堵轉的分析方法。文獻[7-9]分析了低頻切負荷與低壓切負荷之間的耦合關系，指出孤立整定低頻減載UFLS（under-frequency load shedding）和低壓減載UVLS（under-voltage load shedd-ing）即可能造成嚴重過控，又可能由于控制負效應形成欠控的現象。研究主要針對傳統輸電網進行分析，對于大型工業電網而言，所提方法缺乏適應性，沒有考慮工業電網自身的特點。

本文基于軌跡的時域動態仿真分析方法，得出大型工業電網在孤島運行時低頻減載措施與馬達低壓保護配置間普遍存在的問題，通過仿真模擬分析，基于電壓、頻率變化軌跡，定量分析給出了低頻減載措施與電動機低壓保護協調配合策略，構建了目標函數。最后，通過實際算例驗證了方法的有效性、實用性。

1 外部電網嚴重故障后大型工業電網孤島運行特性分析

1.1 工業電網暫態電壓變化規律

目前，大型工業電網一般集發電、供電、用電于一體，網內負荷以異步電動機為主（如：風機、壓縮機、造粒機等），電動機負荷比例達85%～95%左右。計及機電暫態過程中選取感應電動機三階模型[11]作為研究對象，電動機在dq0坐標系下，其描述方程如下。

電動機轉子運動方程和電磁暫態方程為

式中：Rs、Xs、XM、RR、XR分別為定子電阻、定子電抗、激磁電抗、轉子電阻和轉子電抗；f0=50 Hz。

正常運行時，電動機電磁轉矩和機械轉矩相互平衡，電磁轉矩公式為

式中：scr為臨界轉差；Memax為最大轉矩，Memax≈為電動機定轉子漏抗之和。

當外部聯絡線發生嚴重故障后，企業電網母線電壓會發生大幅暫降，電壓過低時，異步電動機會迅速減速甚至停轉，同時，在停轉過程中，異步電動機吸收的有功功率變小，而吸收的無功功率反而迅速上升，導致壓降增大，端電壓進一步下降，轉子滑差單調上升直至電動機堵轉失穩。在惡劣情況下，感應電動機群將由單臺電動機開始堵轉發展到大量感應電動機連鎖堵轉的情況，將會引發電機轉子的相對運動，甚至使發電機之間失去同步[12]，導致系統失穩。

在實際生產中，企業電網為了保證電動機自身設備安全，網內電動機按照負荷重要程度、母線電壓等級等配置了電動機低壓保護UVT（under voltage tripping），實現了設備的保護。

1.2 工業企業電網頻率變化規律

外部聯絡線故障，大型工業電網孤島運行后，系統有功功率不平衡，企業電網出現一系列動態響應，企業電網內的頻率變化速率及最終穩態值由4個因素[13]決定：企業電網功率缺額量、剩余發電機轉動慣量，負荷頻率特性以及系統旋轉備用容量。

企業電網頻率變化量可表示為

式中：f0為系統初始頻率；DT為系統總阻尼系數；PG為企業電網內發電機輸出有功功率；PL為在系統頻率為f0時的負載有功功率；ω為發電機組的轉子角速度；M為系統慣性常數；KL為負荷的頻率調節系數。其中，企業電網內負荷功率會隨著頻率波動而變化，單位頻率變化對應的負荷功率變化關系由KL表示，KL值的選取[14]一般參考表1所示。

企業電網受電方式下，斷開外部聯絡線孤島運行后，網內發電機不能快速增加功率輸出，頻率變化程度很大程度取決于負荷（馬達負荷）的頻率敏感特性。為了防止電網長時間運行于非正常頻率范圍，需要配置低頻減載裝置切除部分負荷，保證企業電網安全、穩定運行[15-19]。

1.3 工業企業電網頻率和電壓耦合關系

企業電網中電動機低壓保護（UVT）和低頻減載（UFLS）一般都是按照離線預決策實時匹配的模式進行配置，在設置定值時，分別針對企業電網內可能出現的電壓波動（晃電事故）和低頻問題分別進行配置。實際上，在一些事故過程中，低壓問題和低頻問題會同時出現、相互耦合。

某大型工業企業電網0 s其外部聯絡線發生三相短路故障，0.12 s后故障切除、相應開關動作，企業電網轉為孤島運行方式。企業電網中電壓、頻率變化情況如圖1所示。

表1 負荷頻率特性值Tab.1Load frequency characteristic specifications

圖1 企業電網孤島運行、電壓頻率變化曲線Fig.1Voltage and frequency curves when the enterprise under island operation

短路故障發生后前期，此時系統沒有足夠的無功電源儲備，母線電壓大幅跌落，電動機會迅速減速，部分大型電機甚至停轉，加劇了系統內無功功率的需求，使電壓水平進一步惡化。為了避免電動機堵轉或者連鎖堵轉現象的發生，如圖1所示，在此過程中，0～1.5 s內企業電網會有部分電動機因低壓保護配置自動切除，有效遏制電壓的降落，一定程度上有利于電網頻率的恢復。

同時，由于企業電網正常運行方式為受電方式，當聯絡線斷開后，造成一定的有功功率缺額，會導致低頻問題的發生，系統頻率的變化軌跡取決于發電機、負荷及系統的頻率調節特性，相較電壓的變化而言，頻率降落速度和恢復速度都相對緩慢，低頻減載各輪次設定的啟動頻率與時延，也影響了頻率快速恢復。

在故障發生后的前期，電網內負荷功率的變化主要取決于電網內電壓的變化，而后期主要取決于系統頻率的變化。

2 當前低頻減載措施與電動機低壓保護定值存在的問題

工業企業電網低頻減載配置方案同傳統大電網類似，首先預估出企業電網可能出現的最大功率缺額，依據“逐步逼近法”理論，配置出適當的輪次動作頻率，以達到穩定電網頻率的目的。在企業電網中低頻減載配置一般選3～7輪，級差0.2～0.3 Hz，延時0.2～0.3 s。企業電網中發生電壓跌落等問題時，通常依賴馬達低壓脫扣裝置以保證企業電網電壓穩定[15]，馬達低壓脫扣時間在考慮設備承受能力的基礎上，依據生產流程中各電機不同重要程度分組進行整定，按照馬達重要程度、容量、電壓等級分為3～4個低壓脫扣輪次，如某企業典型的低壓脫扣輪次配置如下：

第1輪次：延時0.1～0.2 s，電壓0.6～0.7 p.u.；

第2輪次：延時0.5 s左右，電壓0.6～0.7 p.u.；

第3輪次：延時0.5～1.5 s左右，電壓為0.4～0.5 p.u.；

第4輪次：延時5～10s左右，電壓0.4～0.5p.u.；

通過上述分析可知，目前，工業企業電網在低頻減載設置和馬達低壓脫扣配置過程中均是針對于低壓、或者低頻狀況單一場景進行的，兩者間完全孤立、缺乏相互協調。在外部電網發生嚴重故障，大型工業電網由并網轉為孤網運行的過程中，電壓大幅跌落和低頻問題均會發生，兩者相互耦合、共同存在，此時采取單一的控制策略將很難同時保證電壓和頻率的有效控制，相反，由于電動機低壓保護定值設置不當或與低頻減載措施不協調，導致原有低頻減載措施“失配”，過切或欠切時有發生。

3 企業電網低頻減載措施與電動機低壓保護配置協調控制策略

3.1 低頻減載措施與電動機低壓保護定值協調配合目標企業電網低頻減載措施和電動機低壓保護定值協調控制的目標為：在發生嚴重故障條件下，企業電網孤島運行過程中，在保證系統電壓、頻率在安全約束運行范圍的前提下，使系統損失的負荷最小。其目標函數為

式中：PCUT為電網孤島運行整個過程中總切除有功功率；為電動機因低壓保護動作切除有除的有功功率為企業電網內低頻減載共同切除的有功功率為第m個負荷母線第t輪低頻減載切除的有功功率。

整個過程的約束條件分別為

1）功率平衡約束

企業電網故障發生切除相應的負荷后仍然要保持系統功率的平衡，公式為式中：

PGi為第i臺發電機有功出力；PLm為第m個負荷母線的有功功率；Ploss為企業電網有功損耗；PD為由擾動引起的有功偏差；PC為控制引起的有功偏差；一般，當企業電網穩定狀態下PC、PD較小；為第m個負荷母線初始有功功率。

2）發電機的運行約束條件

式中：PGi、PGimin、PGimax分別為第i臺發電機有功出力及其上下限；QGi、QGimin、QGimax分別為第i臺發電機無功出力及其上下限。

3）電網電壓約束條件

式中，Ui為系統孤島穩定運行后母線電壓的標幺值。

4）電網頻率的約束條件

本文選取某實際煉化企業電網進行分析，電網內裝機總量為440 MW，共包含8臺發電機組：其中100 MW機組兩臺，60 MW、30 MW機組各兩臺，電網內負荷總量為430 MW，電網采取“以熱定電”的開機方式，正常運行時機組出力在300 MW～400 MW之間，企業電網為受電方式。煉化企業中負荷曲線變化較小，用電負荷相對平穩，網內負荷主要是大型異步電動機負荷，以大型異步電動機拖動的風機、壓縮機以及隔爆或增安型異步電動機拖動的機泵為主，電動機負荷占總用電負荷的85%以上，同時有少量的照明等靜態負荷。

式中，fi為系統孤島穩定運行后電網頻率最終穩定值，Hz。

3.2 低頻減載措施與電動機低壓保護定值協調配合流程

整個優化配置流程如圖2所示，優化的目標為：保證企業電網安全穩定運行的同時，損失負荷量最小。在此過程中，考慮了可能的各種組合方案、故障形式，最終，綜合比較選擇出適用于不同功率缺額下的最優方案。

圖2 企業電網低頻低壓保護協調配合方案流程Fig.2Flow chart of the coordination scheme of low frequency and low voltage protection for the enterprise

4 實例結果與分析

企業電網中電動機參數IEEE推薦的典型感應電動機參數，10 kV以上大型電動機對應典型工業大型感應電動機參數，6 kV及380 V電機選用小型工業電機參數，具體電動機參數見附表1所示。原電網內僅部分低壓電動機設定了低壓脫扣保護（2%左右），定值為0.6 p.u.，0.1 s，其余電動機低壓脫扣功能閉鎖。企業電網低頻減載原始方案如表2所示。

表2 企業電網低頻減載方案配置Tab.2UFLS scheme for the enterprise

鑒于篇幅所限，以受電功率60 MW為例，選取迭代計算過程中3種典型配置方案進行分析。

配置方案1初始電動機低壓脫扣配置方案，低頻減載方案不變。

煉化企業電網外部聯絡線0.2 s發生三相短路故障，0.32 s故障切除，企業電網孤島運行。從圖3可以看出，0.32 s故障切除后，電網內母線電壓不能完全恢復，異步電動機吸收的無功功率迅速上升，導致壓降增大，端電壓進一步下降，導致大面積電動機連鎖堵轉，最終引起網內發電機功角失穩，如圖4所示。

圖3 配置方案1苯酚6 kV母線電壓變化情況Fig.3Voltage of phenol 6 kV substation under scheme 1

圖4 配置方案1發電機功角變化曲線（6#機組為例）Fig.4Power angle curve of the 6#generationunder scheme 1

因此，在外部聯絡線發生嚴重故障的情形下，電壓問題和頻率問題同時存在于企業電網中，若電動機低壓脫扣配置不合理時（比例較低），將導致企業電網電壓無法控制至安全范圍內，相反，加劇電網事故的進一步惡化。

配置方案2提高電動機低壓脫扣比例，按照電動機重要程度將電動機低壓脫扣配置按照如下比例進行配置。

第1輪：延時0.1 s，電壓0.6 p.u.，所占比例為10%；

第2輪：延時0.5 s左右，電壓0.6～0.7 p.u.，所占比例15%；

第3輪：延時5～10 s左右，電壓0.4～0.5 p.u.，其余電動機。

煉化企業電網外部聯絡線0.2 s發生三相短路故障，0.32 s故障切除，企業電網孤島運行。0.6 s左右，大約10 MW左右電動機低壓脫扣，網內母線電壓迅速恢復穩定，如圖5所示，此過程中頻率持續下降，下降致49.0 Hz時，觸發低頻減載第1輪動作，切除電動機負荷25 MW左右。由于，低壓脫扣動作，切換了部分負荷，導致低頻減載第2輪沒有觸發，低頻減載方案失配，最終，電網頻率穩定在49.2 Hz左右，未達到電網孤島運行要求，如圖6所示。

圖5 配置方案2苯酚6 kV母線電壓變化情況Fig.5Voltage of phenol 6 kV substation under scheme 2

圖6 配置方案2企業電網頻率變化情況Fig.6Frequcncy of the enterprise under scheme 2

此配置方案下，由于電動機低壓脫扣方案與低頻減載方案失配，最終導致系統“欠切負荷”，系統頻率不能恢復至安全穩定運行區域。

配置方案3按照電動機重要程度將電動機低壓脫扣配置按照如下比例進行配置：

第1輪：延時0.1 s，電壓0.6 p.u.，所占比例25%；

第2輪：延時0.5 s左右，電壓0.6～0.7 p.u.，所占比例25%；

第3輪：延時5～10 s左右，電壓0.4～0.5 p.u.，其余電動機。

煉化企業電網外部聯絡線0.2 s發生三相短路故障，0.32 s故障切除，企業電網孤島運行。頻率最終穩定在50.6 Hz左右，全過程中低頻減載不動作，如圖7所示。0.6 s左右，大約95 MW左右電動機低壓切除，網內母線電壓恢復至1.07 p.u.，如圖8所示。

圖7 配置方案3企業電網頻率變化情況Fig.7Frequcncy of the enterprise under scheme 3

圖8 配置方案3苯酚6 kV母線電壓變化情況Fig.8Voltage of phenol 6 kV substation under scheme 3

此配置方案下，電動機低壓配置比例不合理，導致故障過程中“過切負荷”，系統頻率、電壓嚴重偏高，系統頻率由低頻問題變為高頻問題。當電動機脫扣量較大時，甚至會觸發發電機超速保護反復動作，電網振蕩失穩。

通過上述典型3種配置方案對比分析可知，為了保障企業電網孤島條件下安全、穩定運行，電動機低壓脫扣配置方案與低頻減載方案必須進行協調配合，按照第3.1、3.2節的目標函數及流程步驟，最終企業電網低壓減載方案及電動機低壓脫扣方案配置如表3所示。

低壓脫扣配置方案如下：

第1輪：延時0.1 s，電壓0.6 p.u.，所占比例為15%；

第2輪：延時0.5 s左右，電壓0.7 p.u.，所占比例15%；

第3輪：延時1.0 s左右，電壓0.5 p.u.，所占比例25%；

第4輪：延時5～10 s左右，電壓0.4～0.5 p.u.，其余電動機。

企業電網低頻減載措施將與外部聯絡線相關保護相互配合，保護動作后將觸發低頻減載裝置投入運行。

表3 企業電網低頻減載方案配置Tab.3TheUFLS scheme for the enterprise

5 結語

本文針對大型工業電網在孤島運行時低頻減載措施與馬達低壓保護配置間普遍存在的失配問題，基于軌跡的時域動態仿真分析方法，構建了保證企業電網孤島穩定運行最優協調控制策略。并以某大型煉化企業電網為例，對該地區的低頻減載方案、馬達低壓保護配置方案進行綜合評價分析，得出了最佳配置方案，保證了大型工業電網在嚴重故障擾動下，電網能穩定運行，損失負荷量最小。

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Coordination Strategy of Low Frequency Load Shedding and Under-voltage Tripping of Motors in Large Industrial Power Grid

YANG Qi1，HAN Tianzhen1，2，GUO Qingkui3，YUAN Yongyu3，SUN Jianjun3
（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；2.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China；3.China Petroleum&Chemical Corporation Tianjin Branch，Tianjin 300271，China）

Trajectory-based time-domain dynamic simulation method is used to analyze problems of the configuration of low frequency load shedding and under-voltage tripping of the large industrial enterprise grids when island operation.In this paper，take a large petrochemical enterprise grid for example，simulations of island operation caused by the serious fault are made and the existing configurationof low frequency load shedding and the low voltage protection of motors are checked.Taking search and check method and combining the voltage and frequency curves，the coordination scheme is proposed to ensure the operation of the enterprise grid safe and stable.

under-frequency load shedding；under-voltage tripping；coordination configuration；island operation；frequency

附表1IEEE推薦的典型感應電動機參數Schedule.1IEEE Recommended typical induction motor parameters

TM727

A

1003-8930（2015）12-0070-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.12.13

楊琦（1981—），男，通信作者，博士，高級工程師，主要研究方向為電力系統運行分析、微型電網的并網、控制和保護技術。Email：yangqi@epri.sgcc.com.cn

韓天真（1988—），女，碩士研究生，研究方向為電力系統保護與控制。Email：lily19880325@126.com

郭慶奎（1963—），男，本科，高級工程師，研究方向為工業電氣自動化。Email：guoqingkui.tjsh@sinopec.com

2013-11-28；

2014-11-11