基于EDSA的油田電力系統暫態穩定性研究

劉漢文

摘 ? 要：暫態穩定性分析對提高海上油田電力系統的安全穩定性、供電可靠性具有重要意義，在本文中EDSA軟件用于某海上油田電力系統的暫態穩定分析。首先介紹了EDSA軟件的特點及其暫態穩定性分析功能;其次，從功角穩定性、電壓穩定性、頻率穩定性三個方面描述了暫態穩定性判據;然后通過建立仿真模型與設置電氣參數，在切機、海纜故障、電動機起動三種不同擾動方式下進行了仿真分析，得到了包括發電機相對功角、頻率、電壓的仿真曲線，并對仿真結果進行了比較和總結。

關鍵詞：暫態穩定性 ?EDSA ?油田 ?電力系統

中圖分類號：TM71 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（b）-0009-03

隨著海上油田電力系統的逐步擴大，運行方式越來越復雜，確保系統安全穩定運行的難度也越來越大，使得電網的安全穩定性問題更加突出。與陸地電網相比，海上油田電力系統容量較小，局部小干擾或運行異常即可引起整個系統的鏈式負反應，甚至導致大面積系統崩潰。暫態穩定性分析是電力系統安全穩定運行不可或缺的過程，對提高海上油田電力系統的安全穩定性具有重要價值[1-2]。EDSA電氣仿真軟件操作簡單、計算功能齊全，因此通過使用該軟件分析不同類型故障下對電力系統的影響，研究油田電力系統的暫態穩定性。

1 ?EDSA暫態穩定計算功能概述

EDSA軟件是由美國開發的用于電力系統仿真分析/計算的高級應用軟件，該軟件操作簡單、功能齊全，尤其適用于海上石油平臺、核電站等高可靠性供電場所。EDSA軟件計算功能包括諧波分析、潮流計算、短路計算、暫態穩定計算、可靠性分析等。暫態穩定計算功能中，用戶可以準確地模擬靜態元件和旋轉設備，可以使用簡單模型或完整的雙軸模型，甚至可以自定義新的調速器/透平模型。

EDSA暫態穩定計算功能可用于模擬電力系統中的大擾動事件，例如，各種故障的發生/清除（三相短路、兩相短路、單相接地、兩相短路接地）、電動機的起動/停止、線路的斷開/接入、電機跳閘、分流器斷開/接入、增加/減少負荷、串聯電容器、改變電機負載轉矩、循環載荷、變壓器涌流模擬等。

2 ?基于EDSA的暫態穩定性分析

2.1 暫態穩定判據

電力系統暫態穩定可從功角、頻率和電壓三個方面是否穩定進行判斷，若三者均穩定，則可判定系統穩定;否則即認為系統不穩定。

（1）功角穩定的判據：系統故障后，同一系統中任意兩個機組的相對功角的擺角同步衰減。

（2）電壓是否穩定可通過判斷：故障排除后，主要樞紐變電站的母線電壓標幺值是否能夠恢復到0.8以上，母線電壓標幺值持續0.75的時間是否小于1s來決定。

（3）頻率穩定的判據為：系統暫態高周時，頻率不超過51.5Hz;系統暫態低周時，頻率能夠恢復到49.5Hz～50.5Hz范圍內[3]。

2.2 仿真模型的構建

本文以南海海域某油田電力系統為案例，通過EDSA軟件進行暫態穩定計算分析，該仿真模型包括3臺額定功率為6200kW的透平發電機，如圖1所示。

2.3 仿真模型設備參數

（1）發電機模型。

根據仿真模型中原油發電機的電氣參數調研，結合《Paladin Design Base高級暫態穩定性分析程序手冊》上的發電機模型說明，在本文的計算中，發電機使用考慮阻尼繞組的雙軸模型（次暫態模型）。

（2）發電機參數。

穩定性計算中發電機的主要參數如表1所示。

3 ?仿真分析

本文中暫態穩定性分析模擬故障類型有：正常切機;海纜發生三相短路故障;負荷突變。通過EDSA軟件進行仿真得到結果如下。

（1）正常切機對系統的影響。

正常運行時一臺發電機在t=1s時刻切除后，系統受到一個擾動，系統頻率、電壓出現波動，同時由發電機供電的負荷轉移至系統繼續運行的發電機，因此在t=1s時繼續運行的發電機有功輸出都有所增加，相對功角變大，頻率有所下降，電壓發生波動，最終在自動調節裝置的作用下，系統重新恢復穩定運行，頻率穩定在49.6Hz，電壓標幺值穩定在1.0，均滿足暫態穩定判據。仿真圖形如圖2所示。

（2）海纜三相故障對系統的影響。

正常運行時，一10.5kV海纜在t=1s時發生三相短路故障，并在0.2s后被切除，一部分負荷脫離系統，系統總負荷低于發電機總出力，最終在自動調節裝置的作用下，發電機出力迅速減小，相對功角、系統頻率、電壓系統波動后重新恢復穩定運行。仿真圖形如圖3所示。

（3）負荷突變對系統的影響。

正常運行時一臺1570kW大電機起動，系統相對功角、頻率、電壓出現波動，系統總負荷突然增加，在自動調節裝置的作用下，發電機增加出力，系統恢復穩定運行。仿真圖形如圖4所示。

4 ?結語

本文首先介紹了EDSA軟件的特點及其暫態穩定性分析功能;其次，從功角穩定性、電壓穩定性、頻率穩定性三個方面闡述了暫態穩定性判據;然后以某海上油田為例通過建立仿真模型與設置電氣參數，在切機、海纜故障、電動機起動三種不同擾動方式下進行了仿真分析，獲得發電機相對功角、頻率、電壓相應的變化曲線，根據曲線分析油田電力系統暫態穩定性的影響，進而驗證了所述案例油田電力系統的安全穩定性。

參考文獻

[1] 高博，趙毅，王一鳴，等.基于ETAP軟件的電力系統暫態穩定性仿真研究[J]. 沈陽工程學院學報：自然科學版， 2016，12（1）：48-54.

[2] 平朝春.基于ETAP的海洋石油工程電力系統暫態穩定性分析[A].度海洋工程學術會議[C].2010.

[3] 李璇.海上石油平臺的電力系統暫態穩定研究[D].天津大學，2014.