潮流推演在火電廠電氣工程中的應(yīng)用

王曉華，徐智偉

（浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325600）

0 引言

為了提高供電可靠性和運(yùn)行方式靈活性，現(xiàn)代火電廠電氣系統(tǒng)接線方式越來(lái)越復(fù)雜。系統(tǒng)方式的調(diào)整往往涉及解、合環(huán)操作，較大合環(huán)電流可能造成設(shè)備損壞或保護(hù)裝置誤動(dòng)等異常情況。根據(jù)操作方式要求，進(jìn)行全方位的潮流推演，可驗(yàn)證接線的合理性，并且為運(yùn)行方式調(diào)整提供依據(jù)，對(duì)提高火電廠安全性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 現(xiàn)狀

大容量火電機(jī)組電氣接線普遍采用單元制接線。通常高壓廠變接至主變低壓側(cè)降壓后為6kV系統(tǒng)提供正常電源，另設(shè)啟動(dòng)/備用變壓器作為后備電源。對(duì)于不配置發(fā)電機(jī)出口開關(guān)的機(jī)組，機(jī)組在啟停過(guò)程中及發(fā)生事故時(shí)需要對(duì)廠用電源進(jìn)行切換。6kV母線均配置電源快速切換裝置控制工作電源和備用電源實(shí)現(xiàn)切換。380V系統(tǒng)普遍采用各類低壓廠用變壓器降壓至380V后帶單段母線，同類變壓器低壓側(cè)母線配置聯(lián)絡(luò)開關(guān)，及互為暗備用。

為了提高供電可靠性，廠用電系統(tǒng)各母線工作電源、備用電源一般引接至不同的電源系統(tǒng)，并且切換方式往往采用并聯(lián)切換即不停電切換。不同電氣系統(tǒng)合環(huán)可能會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，可能造成繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)；穩(wěn)定后的合環(huán)電流也可能較大，若不及時(shí)解環(huán)，將造成電氣設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間過(guò)負(fù)荷而損壞。目前火電廠電氣系統(tǒng)缺少?zèng)Q策依據(jù)，無(wú)法針對(duì)當(dāng)前的潮流分布情況對(duì)后續(xù)的合環(huán)狀況進(jìn)行預(yù)判。潮流推演的基礎(chǔ)是潮流計(jì)算，推演的過(guò)程是利用實(shí)際運(yùn)行方式的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹l(fā)電、負(fù)荷參量條件的重組，求解關(guān)注節(jié)點(diǎn)的電壓幅值和相角，以及相關(guān)支路的功率分布等。因此，通過(guò)全方面的潮流推演可得出邊界條件和變化規(guī)律，從而驗(yàn)證運(yùn)行方式的合理性并且指導(dǎo)實(shí)際操作。

2 理論分析

分析典型的大容量火電機(jī)組電氣主接線，6kV母線電源并列切換是，發(fā)電機(jī)-變壓器組與啟備變合環(huán)后形成了一個(gè)閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建等值電路圖，如圖1所示。在功角大的情況下采用并列切換將產(chǎn)生較大的合環(huán)電流，其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)計(jì)算方法不同，對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備的影響也各有不同。

2.1 穩(wěn)態(tài)合環(huán)電流計(jì)算

對(duì)于簡(jiǎn)單的環(huán)網(wǎng)潮流計(jì)算在工程中可用近似計(jì)算方法，在功率分點(diǎn)將環(huán)網(wǎng)分開為輻射網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算。為工作電源側(cè)阻抗，為備用電源側(cè)阻抗，為工作電源運(yùn)算負(fù)荷，為備用電源運(yùn)算負(fù)荷，為循環(huán)功率。沖擊系數(shù)衰減時(shí)間常數(shù)ta=X/2πfR，衰減時(shí)間t取0.01s；X為合環(huán)回路等值電抗，R為合環(huán)回路等值電阻。

2.2 暫態(tài)合環(huán)電流計(jì)算

根據(jù)對(duì)合環(huán)回路的暫態(tài)分析理論，一般合環(huán)后1/2周期（0.01s）時(shí)沖擊電流（有效值）最大，工作電源側(cè)沖擊電流有效值Icj可用式（5）計(jì)算。沖擊電流的幅值較大，但衰減非常快，不會(huì)造成電源開關(guān)的速斷、過(guò)流保護(hù)動(dòng)作。沖擊電流的危害在于使電氣設(shè)備將承受巨大的電動(dòng)力沖擊，致使導(dǎo)線變形、設(shè)備損壞。另外，可能引起電流互感器過(guò)飽和，造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。

圖1 發(fā)電機(jī)-變壓器組等值電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of generator-transformer unit

3 仿真計(jì)算

對(duì)于復(fù)雜電氣系統(tǒng)，仿真計(jì)算是目前普遍采用的分析方法。現(xiàn)在通用的電力系統(tǒng)仿真軟件功能強(qiáng)大、計(jì)算速度快、結(jié)果精度高，基本可適用任何復(fù)雜電力網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示，一般的仿真過(guò)程是在圖形化界面利用元件模塊構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置元件參數(shù)；根據(jù)運(yùn)行方式要求確定邊界條件，選擇相應(yīng)的仿真功能進(jìn)行分析。如進(jìn)行潮流分析、暫態(tài)仿真、電機(jī)啟動(dòng)分析、短路計(jì)算等。目前，應(yīng)用較廣泛的綜合電力系統(tǒng)仿真軟件有EMTP、PSCAD、PSS/E、BPA和PSASP等。

4 推演策略

潮流推演的目的是評(píng)估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式的合理性，尋找潮流變化的規(guī)律，驗(yàn)證調(diào)節(jié)手段的有效性，為系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行操作提供決策支持。為了實(shí)現(xiàn)潮流推演的目的，在實(shí)施過(guò)程中要充分考慮以下因素。首先是保證準(zhǔn)確性，搭建的模型是能準(zhǔn)確表征實(shí)際的系統(tǒng)；二是目的明確，圍繞著需要解決的問(wèn)題構(gòu)建方案；三是需要系統(tǒng)化的視角，預(yù)設(shè)的邊界的組合方式要典型、全面，便于歸納分析，推演運(yùn)行方式組合要完整，要涵蓋所有正常操作及可能的事故狀態(tài)；四是實(shí)用性要強(qiáng)，推演的狀態(tài)組合必須是合理的、符合實(shí)際的，歸納得出的措施應(yīng)注重實(shí)用性和可操作性。

5 應(yīng)用實(shí)例

某大型火電廠為了適應(yīng)外部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的要求，對(duì)#4、#5機(jī)組（330MW）的接入系統(tǒng)進(jìn)行改造。改造后機(jī)組的廠用電工作電源與備用電源引接至不同的220kV電氣供區(qū)。為了分析改造后接線方式對(duì)運(yùn)行及操作的影響，尋求合適的并列點(diǎn)及減小合環(huán)電流的措施，進(jìn)行了全面的潮流推演。Ig為合環(huán)后工作電源電流，Ib為合環(huán)后備用電源電流，dq為220kVⅢ段電壓相位超前220kVⅡ段角度，dq1為6kV母線工作電源供電時(shí)，備用電源電壓相位超前母線角度，dq2為6kV母線備用電源供電時(shí)，工作電源電壓相位超前母線角度。

圖2 #5機(jī)100%+#4機(jī)50%-潮流Fig.2 #5 machine 100% + #4 machine 50%-trend

表1 理論計(jì)算/仿真計(jì)算/裝置記錄對(duì)比Table 1 Comparison of theoretical calculation/simulation calculation/device record

推演主要基于仿真計(jì)算，同時(shí)也選取了典型方式進(jìn)行理論計(jì)算，與仿真計(jì)算及實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)對(duì)比，驗(yàn)證仿真計(jì)算構(gòu)建的模型及方案的正確性。以#5機(jī)組2018年6月24日啟動(dòng)過(guò)程中的廠用電切換為例分析，P=197.1MW,Q=84.5Mvar，廠用電由備用電源切至工作電源。對(duì)比表1數(shù)據(jù)，判斷仿真模型可用。

表2 220kV系統(tǒng)方式Table 2 220kV System mode

基于接線方式及機(jī)組實(shí)際可能出現(xiàn)的運(yùn)行狀態(tài)，分析得出推演所需模型組合。如各機(jī)組帶高、中、低負(fù)荷的狀態(tài)組；運(yùn)行與檢修狀態(tài)的組合；工作電源及備用電源的切換方向等。此次推演一共列舉分析了9種組合。如圖2所示，#5機(jī)組100%負(fù)荷且#4機(jī)組50%負(fù)荷時(shí)，潮流分布情況。

推演過(guò)程中所需的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的設(shè)定應(yīng)與機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)相匹配。如不同的6kV母線負(fù)荷隨著機(jī)組處在不同的負(fù)荷區(qū)間而呈現(xiàn)顯著變化。機(jī)組啟、停過(guò)程的帶低負(fù)荷段，6kVB段上大容量的電動(dòng)給水泵處于運(yùn)行，則6kVB段的備用電源側(cè)明顯較大。此次推演均采用出現(xiàn)概率較高的歷史數(shù)據(jù)，是實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的還原。

由于6kV母線電源并列切換dq整定值為15°，根據(jù)推演可求得dq邊界值。由表3、表4可見(jiàn)機(jī)組高負(fù)荷段時(shí)，dq邊界范圍較機(jī)組中間負(fù)荷段明顯縮小，并且對(duì)照表發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行方式5、方式6及方式1超機(jī)組高負(fù)荷段dq邊界。

表3 #4、#5機(jī)組高負(fù)荷段dq（°）邊界值Table 3 #4、#5 Unit high load section dq (°) boundary value

圖3 6kV4B段推演趨勢(shì)Fig.3 Deduction trend of 6kV4B segment

對(duì)于超限的運(yùn)行方式應(yīng)尋求解決的措施。因此，推演的另外一個(gè)重要環(huán)節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)預(yù)設(shè)調(diào)節(jié)手段，反復(fù)模擬，歸納數(shù)據(jù)，從而尋求變化規(guī)律及驗(yàn)證措施的有效性。如為了了解發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、變壓器有載調(diào)壓裝置、6kV母線負(fù)荷配置對(duì)的綜合影響就需要進(jìn)行多次組合推演。因篇幅所限，列舉在實(shí)際運(yùn)行中最普遍的#4、#5機(jī)組處于中間負(fù)荷段時(shí)6kV4B、6kV5A的推演趨勢(shì)圖。

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)性的推演，歸納得出潮流規(guī)律。首先，明確了改造方案是可行的，機(jī)組適合進(jìn)行廠用電并列切換的時(shí)機(jī)為帶30%～70%左右負(fù)荷段；二是調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率對(duì)于改變dU的作用明顯，對(duì)于dq1、dq2的影響不大，對(duì)合環(huán)電流穩(wěn)態(tài)值的大小影響不大。dU、dq的變化趨勢(shì)與發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率變化方向有關(guān)聯(lián)性，視運(yùn)行方式而定；三是dq＞0，則#4機(jī)組dq1、dq2絕對(duì)值明顯大于#5機(jī)組；dq＜0，則反之。dq絕對(duì)值越大，則#4、#5機(jī)組6kV母線dq1、dq2越大。dq＞0，#4機(jī)組dq1、dq2隨著機(jī)組出力增大而增大，#5機(jī)組則變化趨勢(shì)相反；四是廠用電負(fù)荷為感性，備用電源帶運(yùn)行時(shí)的dq2絕對(duì)值明顯大于工作電源帶時(shí)的dq1絕對(duì)值。

表4 #4、#5機(jī)組中間負(fù)荷段dq（°）邊界值Table 4 #4、#5 Unit intermediate load section dq (°) boundary value

圖4 6kV5A段推演趨勢(shì)Fig.4 The deduction trend of 6kV5A

6 結(jié)論

某廠#4、#5機(jī)組接入系統(tǒng)改造完成后，依據(jù)推演規(guī)律，數(shù)次廠用電切換操作均順利完成。潮流推演不是簡(jiǎn)單重復(fù)計(jì)算，而是遵循實(shí)際情況，圍繞明確目標(biāo)的有效的分析手段，為系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行操作提供極大便利。今后潮流推演應(yīng)向?qū)崟r(shí)的人工智能仿真沙盤推演發(fā)展，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)推演與評(píng)估。