青海油田電能質量管理與電網科學調度研究

李亞寧

摘要：針對青海油田電力系統在逐步與國家電網并網運行期間，油田電力供應出現的一些突出問題及矛盾，從調整機組運行方式、修訂繼電保護定值等舉措入手，對油田電網電能質量管理與電網科學調度展開研究。

關鍵詞：電能質量;電網科學調度;運行方式 ;控制模式

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）16-0255-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1電能質量與電網科學調度的定義

電能質量是指通過公用電網供給用戶端的交流電能的質量。理想狀態的公用電網應以恒定的頻率、標準正弦波和額定電壓對用戶供電。同時，在三相交流系統中，各相電壓和電流的幅值大小應相等、相位對稱且相差120度。但由于系統中的發電機、變壓器和線路等設備非線性或不對稱，負荷性質多變，加之調控手段不完善及運行操作、外來干擾和各種故障等原因，這種理想的狀態并不存在，因此產生了電網運行、電力設備和供用電環節中的各種問題，也就產生了電能質量管理的概念。

電網科學調度又稱電網經濟調度，它是在保證安全、可靠運行和滿足電能質量、用電需要的前提下，根據經濟調度的基本原理，制定各廠（站）之間或機組之間的最優負荷分配方案，使整個電網的能耗或運行費用最少，從而獲得最大的經濟效益。

電能質量管理及電網科學調度是電力行業中極其重要的兩個單元，完善兩個單元的工作龐大而又艱巨。

2 青海油田電能質量管理與電網科學調度現狀及存在問題

青海油田電力系統經過近60年發展，目前地區電網已形成一定規模的110kV—35kV—10kV網架，以330kV花土溝變為電源點，形成輻射式網架結構。雖然油田的電力網架結構日趨合理，供電能力有所提高，但是隨著油田電力系統與青海電網并網運行，長久以來孤網運行模式下的油田電力供應出現了以下突出問題及矛盾：

1）發供電能力制約供電可靠性。雖然油田電網已并入國家電網系統，但是在330kV電網接入的過渡時期，一旦國家電網失電，油田自備發電機組（燃氣輪機發電機組，燃料為天然氣）由于天然氣供氣量調整需要時間、啟動備用機組需要時間，人員、設備調整等客觀因素，會造成短時間內無法保障油田供電。

2）由于系統負荷預測功能欠缺，系統科學調度能力薄弱，電網系統調整基本處于半自動化，多數情況需要人為調整階段，沒有健全自動化的分析體系。

3 解決方案

3.1發電機組運行模式調整

1）結合國家電網海西供電公司分時電價特點，調整生產運行方式，通過合理分配峰谷負荷，在“峰、平”時段應盡量多發少購，“谷”時段應盡量少發多購，做到隨負荷、季節變化及時調整，保證油田電力系統安全、經濟運行。

2）調整燃機機組控制程序，完成油區故障下機組控制模式的自動切換，確保機組與大網并網中電壓波動及故障時的安穩運行。

青海油田電網與海西電網間的電力分配系統包括各級變電站和負載，中間由一個聯絡開關互聯。燃機機組上網運行采用有功有差控制和無功功率因數自動控制模式，在電力分配系統下遠端故障時，會有大量的無功產生，此無功量超出發電機的承載能力，導致發電機電壓下降，進而會導致發電機延時10 秒跳機。故障情況下如果發電機組與大網的聯絡開關斷開，負載需要及時切斷、調配，以減少對發電機組的沖擊。與大網脫離時如果機組不能及時響應，沖擊會馬上造成機組被動調整，根據目前的有差控制模式發電機很快降低頻率，電力系統低頻率將激發各級保護跳閘以及系統低頻優先脫扣動作，結果是大網故障的同時，油田發電機組也由于本身問題同時解列。

所有機組都在早期設計時考慮到了與大網并列的需要，每臺機組都預留了大網聯絡開關的狀態反饋以便于自動在孤島和并網運行間切換運行模式。以 1#機與 2#機上網的情況為例（如圖 1），在機組啟動后正常上網后，將控制模式全部轉換為自動上網控制，即為功率自動控制和功率因數控制。機組的功率在 0-7MW的范圍內有輕微波動，但基本穩定。在隨后的 7.2MW 以上帶載運行時，自動發生劇烈抖動，功率波動發散，嚴重時需要手動干預。考慮負載就近原則，極有可能發生與其他機組不同步的情況，通常情況下這類不同步會引起機組間負載波動。上網后在有差狀態時，負載自動分配和橫流補償無法投入，在同一段母線下的機組差異太大時會造成機組間不同步。

目前，主要問題集中在機組轉速控制和負載控制響應方面：首先，經過多年使用，部分燃料控制閥運行時在相對固定的 75%開度左右磨損及滯后，線性變差，控制精度下降，與大網并列后有關燃料控制閥的增益應該需要調整;其次，機組從孤網運行轉到并列運行后，負載控制增益和功率控制增益需要重新調試。

以1#機為例，在燃料控制系統中與實際負載相關的兩個增益，空載增益F13：76和滿載增益 F13：77在控制程序中仍然保持為上網前控制狀態的常數值0.24 和 0.24。此兩個增益與實際負載和負載轉速控制的線性函數關系如下：

（滿載增益-空載增益）×有功載荷% + 空載增益 = 負載轉速增益

通常來說合適的負載轉速增益要兼顧負載控制漂移（小波動）和負載沖擊時的階躍響應，并與其他在網機組負載特性盡量保持一致，以減少負載擾動時不同步超出正常控制的可能性。經確認其他機組的增益也保持為上網前的有關值。由于每臺發動機的機械性能都會有一定差別，現場負荷特性不一致，所以這兩個增益需要經過現場測試后稍做調整。而關于電網并列機組的穩定性涉及復雜的動力系統的穩定性問題。由于生產過程對電力系統的各類干擾一直會存在，所以隱患會一直存在。

在一個典型互相連接的發電動力系統內，所有同步發電機的轉子都旋轉于相同的平均轉速（不考慮極性、變頻、減速齒輪等因素）。發電機輸出上網的電能與原動機提供的機械能對等。在理想穩定工況下輸出的電能與輸入的機械能保持平衡。原動機輸入到發電機轉子的機械能等于力矩和轉速的乘積 Pm=Tm*ω，而且力矩的方向為轉子的旋向。而施加在發電機轉子上的電力矩 Te 是轉子旋轉的反向（圖 2）。

當電力系統由于故障或負載沖擊會造成發電機輸出的電能發生變化。發電機側電能變化相對原動機側機械能的改變通常要快速的多。由于這個差異造成對頻率/轉速的不同響應，會瞬時打破上述的電能和機械能的平衡。力矩的不平衡將造成轉子根據向不平衡方向加速或減速。

數個發電機并列的動力系統的暫態穩定性可以用以下橡皮筋吊掛解釋。每一個重量都是一個發電機和原動機系統的轉動慣量。任何一個節點的有效擾動都會造成整個系統的振蕩。由于系統的阻尼作用，在下一次干擾前振蕩會最終平衡。振蕩的頻率與系統中的重量和橡皮筋的張力相關，所以不同系統的固有振蕩頻率是不一樣的。如果干擾持續不斷的存在于某個節點，并且每次干擾發生于系統振蕩從上一次干擾完全恢復之前，則系統會在一定的阻尼因素下持續振蕩，并且隨干擾的強度和頻率保持變化。如果干擾的頻率與系統固有頻率恰好一致，會造成振幅疊加，嚴重的情況會造成系統走向臨界狀態。

同理，故障或負載沖擊可以看作是一個對局域的電力系統的瞬態干擾，會打破發電機的輸出電能和輸入機械能的平衡，造成系統振蕩。另外與如上所說橡皮筋吊掛不同，每個發電機本身的慣量是動態的自身控制平衡，即是潛在的對系統的干擾來源之一。由此可知每個發電機的狀態都對系統的影響是很大的。

綜上所述，電站機組間在運行時偶發振蕩是由于有干擾破壞了系統的穩定性，在網的一臺機組由于控制失衡隨即自身控制產生波動變成干擾來源，對系統進一步干擾。此干擾與當時就近其他機組及電網的振蕩和阻尼作用恰好同頻并互相激勵，所以持續不斷。好在電網的阻尼作用相對單臺機組來說較大，單機的波動強度有限所以一般不會造成事故。

根據以上初步分析結果，機組應該運行在上網自動控制模式，即有功和無功負載根據設定點自動控制。當大網的聯絡開關斷開時，機組應該自動轉為頻率和電壓有差控制以應對孤網模式。為了解決機組上網穩定性問題，制定了以下調整方案：

1） 將大網聯絡線斷路器開關狀態信號引入索拉機組控制系統，以便燃機機組在孤網或并網運行時自動切換運行模式。

2） 將機組電壓調節量由5%改為7%，減少系統發生事故時電壓波動對機組影響。

3）加裝10MVAR “SVG”自動無功補償裝置，對系統無功變化量進行自動全補償，解決無功波動引起的電壓波動，減少系統故障時對機組的沖擊，保證機組可靠運行。

3.2修訂繼電保護定值

3.2.1校核繼電保護定值

對油田所有35kV、10（6）kV線路的繼電保護定值進行了逐一校核，及時調整不符合目前運行負荷要求的線路保護定值，保證繼電保護裝置的快速、可靠、有選擇的動作。

3.2.2調整線路時限，防止越級跳閘

鑒于青海油田所屬油砂山變電站35 kV出線投入了線路距離保護功能（為保護線路全長，該保護范圍已延升至下屬的降壓變電站的10 kV部分線路），導致10 kV線路故障時，會引起35 kV線路越級跳閘，可以對油砂山35 kV饋出線下屬的其他變電所的所有10（6）kV線路的II段延時定值進行調整，以杜絕越級跳閘事故的發生。

3.2.3完善低壓低頻減載裝置保護功能

為了保障發電機組故障甩負荷后油田電網的穩定運行，在重要樞紐變電站安裝低壓低頻減載系統，并投入低壓低頻減載功能，對裝置的參數及時進行修正和完善。

4 結語

電能質量問題的重要性日益突出，引起了廣大電力工作者的高度重視。本文針對青海油田電網電能質量管理與電網科學調度中存在問題提出的解決方案，不論是運行方式的優化調整還是繼電保護定值的核對修訂，都確保了油田供電的安全平穩可靠;同時為油田大電網引入后，如何經濟、安全購、發、供電，探索新型運行模式提供了寶貴經驗，有力提高油田電網管理水平。

參考文獻：

[1] 程浩忠.電能質量[M].清華大學出版社，2006.

[2] 石俊杰，孟碧波，顧錦文.電網調度自動化專業綜述[J].電力系統自動化，2004，28（8）：1-5.

【通聯編輯：光文玲】