大型石化企業智能甩負荷方案設計

／中石化股份天津分公司設備管理部 郭慶奎／

大型石化企業智能甩負荷方案設計

／中石化股份天津分公司設備管理部 郭慶奎／

本文提出一種全新的智能甩負荷方案。該方案以石化企業電網實時運行潮流和運行拓撲為基礎，通過對預定義的關鍵擾動事件進行在線“預演”，動態刷新各種關鍵事件下對應的實時減載負荷列表。該實時減載負荷列表駐留在負荷終端設備中，當系統檢測到擾動發生后，通過GOOSE網絡即時驅動負荷終端實現智能減載。

頻率穩定；智能甩負荷；GOOSE

0 引言

大型石化企業的負荷規模一般都在100MW及以上，企業內部電網電壓等級為220kV/110kV/35kV/6（10）kV/0.4kV，同時企業具有自備熱電廠，為生產提供可靠的蒸汽和電能。企業經由220kV關口變電站與國網系統并網。由于石化企業最大的用電負荷為電動機，所以在正常的并網運行時，企業電網穩定性集中在電壓穩定性上，通過SVC、電源快切、電動機再起動控制等成熟的措施，可以在電網電壓晃動時取得良好的控制效果，保證生產的連續。然而，一旦企業電網與地方電網發生解列，企業孤網運行，視解列前關口交換有功功率的情況，可能會給企業孤網帶來嚴重的頻率穩定性問題，最終造成企業孤網的頻率穩定崩潰。利用ETAP搭建一集約化的石化電網模型作以仿真，正常運行時企業內部電網從地方電網受入64110kW有功（約占企業總負荷的56.3%），0.1s時系統聯絡線發生故障，一個周波后跳開，企業變孤網運行，頻率持續下降，不采取穩控措施會快速導致企業孤網頻率失穩，如圖1a所示。如果在0.4s時引入穩控措施，甩掉25000kW的負荷，其仿真結果如圖1b所示，能明顯地控制孤網頻率的下降，維持系統穩定。可見，對于大型石化企業，當其孤網運行時，準確及時地甩負荷控制，是有效的穩控方案。

1 傳統低頻減載的缺陷

為保證頻率穩定性的傳統的甩負荷方案為低頻減載，然而該方案存在著以下本質缺陷：

1）被動啟動。必須待到系統頻率降低到低頻定值以下時才能啟動，失去了主動防御的意義。

2）無法明確實際減載的負荷容量。低頻減載按系統最為嚴重的擾動下的功率缺額來決定接入減載裝置的功率總量，對系統實時運行狀態的適應能力差。

3）分級、分輪次控制，各輪次的整定復雜，且容易出現輪次重疊現象。

圖1 企業孤網運行時頻率特性仿真

4）動態響應過慢。由于負荷的頻率特性以及為了實現與繼電保護的配合，低頻減載的動作時間往往較長。

5）判據的依賴信息太少，無法全面獲取系統知識。對于故障類型、故障點距離、系統運行方式等無法確定，整定時選取的運行方式與故障方式作為一種固定模式應用于所有的方式，其不合理性是顯而易見的。

造成傳統低頻減載缺陷的原因主要是：

1）該方案不是建立在系統實時運行方式與運行潮流的基礎上。

2）該方案的設計不是以實時檢測系統的擾動為基礎的，而是以在系統擾動發生后，被動的反應擾動后果為基礎。這就決定了其應用的正確定位應該是穩定控制的后備手段，而不是作為主措施來實施。

根據以上分析，對于石化企業，應該設計一種全新的、基于電網實時運行數據與擾動主動識別的智能甩負荷方案。

2 智能甩負荷方案設計

2.1 智能甩負荷方案的系統要求

有別于傳統低頻減載，智能甩負荷方案（ILS）應具有以下系統要素：

1）能夠進行系統結構拓撲的構建，自動對系統的變化進行跟蹤和分析。

2）主動識別，并確認擾動范圍，實時啟動減載方案。

3）能自動記憶當負荷增減時系統的配置（運行方式）、運行條件，以及所有運行方式下，系統對擾動的反應。

4）識別不同的系統模式，以預期系統對不同擾動的反應。

5）根據每個負荷的實際狀態（斷路器狀態），快速準確可靠地來確定甩負荷優先級。

6）能夠在維持系統穩定的前提下，最小化負荷切除容量。

7）能夠優化組合候選的被甩負荷。

8）具有一定的后備措施。

9）仿真功能。在進行在線實時運行前，可以校驗和確定甩負荷方案的邏輯和操作。

2.2 智能甩負荷系統的構建

基于2.1節的系統要求，ILS采用圖2所示的系統架構。智能減載系統由站控層和間隔層構成：站控層的核心設備為ILS中控單元和工程師站；間隔層由ILS核心終端和ILS負荷終端組成。

（1） ILS 中控單元

這是ILS系統的核心，提供友好的監控界面和強大的計算引擎和完備的數據庫功能。實際實施時，部署在企業穩控系統主站內（一般即在企業的關口變電站內）。

圖2 ILS系統架構

1）甩負荷相關信息配置：負荷優先級配置、甩負荷觸發條件配置、甩負荷觸發邏輯編輯編譯等。

2）構建系統拓撲結構，并實時分析識別系統的運行拓撲。

3）接收系統實時運行信息：潮流、回路狀態等，進行動態刷新。

4）根據預定義的系統擾動關鍵事件，并根據實時運行潮流與運行方式，模擬對應擾動事件發生時，根據1）中的配置信息，確定應該切除的負荷。

5）根據4）的結果，動態優化甩負荷列表，并實時下載到ILS負荷終端。

（2）ILS核心終端

ILS 核心終端的任務是實時識別與系統穩控相關的關鍵擾動事件，一旦事件發生，通過IEC 61850的GOOSE協議，將具體的關鍵擾動事件信息廣播至所有的ILS負荷終端。

核心終端一般部署在企業的關口變電站和自備電廠。

（3） ILS負荷終端

ILS負荷終端負責采集對應負荷間隔的實時運行潮流與負荷狀態，并通過IEC 61850或調度網絡104規約將實時遙測、遙信數據上傳給ILS 中控單元。同時，ILS負荷終端接收ILS 中控單元下載的實時甩負荷列表。一旦ILS負荷終端接收到ILS核心終端的GOOSE廣播信號，就會對發生的擾動事件與當前的甩負荷列表做對比，需要跳閘時，則該負荷終端即刻執行跳閘命令，完成減載。

負荷終端按受控的減載間隔，逐一部署。

2.3 受控負荷的定義

石油化工企業的負荷不同于電網負荷，其與生產工藝的關聯性非常緊密。在設計石化企業智能甩負荷方案時，怎樣確定可控的減載負荷是關鍵。下表總結了相關的設計要素點。

表 石化企業負荷特點及穩控措施

3 結束語

本文在分析了傳統低頻減載本質缺陷的基礎上，提出了一種全新的適用于大型石化企業的智能甩負荷方案。石化企業的負荷特點決定了其電網的穩控措施與地方電網有很大的不同。另外，電氣負荷與熱力負荷的穩控配合是要進一步研究的重點。最后，大型石化企業電網穩定性的根本在于主網結構的合理性與可靠性，這是進行企業電網規劃與設計的根本。