煤化工系統供電電源突發脫網下的安全運行技術研究

李 鋒，趙慧勉

（1.浙江浙能溫州發電有限公司，浙江 溫州 325602；2.浙江省火力發電高效節能與污染物控制技術研究重點實驗室，杭州 311121）

0 引言

某煤化工企業生產系統由兩條煤制氣生產線系統組成，其供電電源由3臺自備發電機組為主，電網系統為輔（通過兩條同桿平行架設的110 kV線路到對側變電所與電網相連接），在各種不同運行工況下，電網供電范圍約在20 MW～100 MW之間。當運行中電網供電一旦失去（自備電廠與電網解列）時，將造成化工系統不同程度的供電缺額現象，如果不采取有效措施，則會引起頻率和電壓迅速下降，嚴重時導致機組跳閘，使生產線不受控制地因停電而停車等聯鎖反應。另一方面，當電廠與電網解列運行時，一旦機組或負荷跳閘，也將危及孤網系統的穩定運行。因此，對于合理解決突發脫網、孤網下的機組，及化工生產系統的安全問題的研究，具有深遠意義。

本文基于現有的電力系統穩控裝置，分析了某煤化工系統電網的多種運行方式下的風險和需求，并對電網穩定特性進行研究，為供電電源突發脫網下的安全運行技術提供了有力支持。

1 電網運行風險及需求分析

基于該煤化工弱聯網、“大機小網”問題，并結合發電機組及負荷特性，需構建相比常規電網要求更高更完善的控制系統，通過合理的控制來保證企業電網的頻率、電壓、功角等穩定。安全運行控制系統包含如下幾個部分：

1）安全運行信息管理系統。

2）能實現機組快速調節控制的機網協調功能，包括實時二次調頻、實時二次調壓、自動潮流控制、帶負荷同期。

3）穩控功能包括切機控制、切負荷控制、高頻切機、低頻減載、全廠快切控制、主動解列控制。

安全運行控制系統應包含3個系統主站，即穩控裝置主站、實時二次調頻調壓主站和供熱母管管理主站。穩控裝置主站監控并網聯絡線/發電機組的各電氣量信息和下游電負荷的用電量，在線路故障、機組故障等情況下，聯切下游電負荷或發電機組出力指令。實時二次調頻調壓主站通過調整發電機組的有功和無功出力，聯網時自動維持并網聯絡線潮流在合理范圍、孤網時，自動維持站內電網的頻率、電壓和功角穩定。

1.1 聯網運行控制

1）實時監測發電機組出力、并網聯絡線潮流，以及負荷側用電變化，自動識別機組和電網當前的運行方式。

2）需根據聯絡斷面潮流實時調整發電機組出力，控制聯絡斷面潮流在安全范圍內；出現機組出力損失、負荷跳閘（包括低壓脫扣損失的負荷）等緊急情況下，系統采取調機組出力、切機或切負荷措施，確保聯絡斷面上下網不越限、聯絡斷面不過載。

3）通過對機組勵磁系統的調節控制，保證聯絡線在正常運行下的功率因數在允許范圍內波動。

1.2 聯網切孤網控制

1）由聯網主動解列為孤網或由被動跳閘突變為孤網后，系統控制方式需由聯網模式迅速切換為孤網模式，系統采取調機組出力，切機或切負荷措施，維持企業電網孤網頻率電壓穩定，不應造成機組保護動作，不觸發高頻、低頻動作。

2）企業電網由聯網突變為孤網，若事故前企業電網從大電網受電，需采用聯切負荷措施，維持系統穩定運行；若事故前企業電網給大電網送電，需穩控系統和機網協調系統，采用下調機組出力或聯切機組相結合措施，維持系統穩定運行。

3）聯網切孤網后，由于涉網保護等定值均采用大電網給定定值，不能滿足孤網長期運行需求，聯網運行切孤網后不建議長時間運行[1]。

1.3 孤網運行控制

1）孤網方式下，出現機組出力損失（包括機組故障跳閘、非計劃停機、鍋爐跳閘），應協調企業電網內多臺發電機組的快速變負荷能力，有必要時需快速切除負荷。低頻減載作為第三道防線，控制電網電壓及機組出力滿足下游負荷生產的需求，保證孤網運行穩定[2]。

2）孤網方式下，出現甩負荷，穩控系統和機網協調系統需結合電網高頻輔助判據，根據情況采取快速下壓機組出力，切除部分機組來維持孤網穩定運行。

3）在出現嚴重或多重故障的情況下，孤網頻率偏差不應導致企業電網崩潰，盡可能保證其中一臺機組帶部分重要負荷可靠穩定地運行。

4）企業電網內部部分斷面（線路、主變）斷開，會導致企業電網由整體孤網變為幾個局部孤網，需依靠穩定系統和機網協調系統采取必要的措施，使局部孤網功率達到新的平衡，維持穩定運行[3]。

5）具備高頻切機、低頻減載功能。

6）穩定系統應具備對低壓脫扣損失的負荷進行有效判定，主動采取措施維持系統頻率穩定。

1.4 主動解列控制

聯網運行時，根據頻率、電壓和功率信息，結合相關輔助判據，由穩控系統準確判定大電網嚴重故障或地區電網孤網，并具備主動解列功能，主動解列聯絡斷面內側開關；再由協調系統按照聯網突變為孤網控制，由機網協調系統和穩控系統進行穩定控制，保證解列后孤網的安全穩定運行。

2 電網穩定特性研究

根據當前電網網架、規劃網架，以及考慮負荷特性、機組運行方式等情況，來詳細分析電網穩定特性[4,5]。

2.1 潮流分析

2.1.1 四爐兩機兩套生產線聯網方式

110 kV煤化工電網對外與220 kV巴彥岱變雙線連接，煤化工近區電網潮流與大電網相連接，雙回110 kV架空線情況下，不考慮斷面潮流，屬正常供電，本文不做過多研究。

2.1.2 三爐兩機兩套生產線聯網方式

新天變對外聯絡斷面功率接近于0，潮流圖如圖1所示。

2.1.3 三爐兩機兩套生產線孤網方式

自備電廠開兩機，電網孤網運行。潮流圖如圖2所示。

圖1 三爐兩機兩套生產線聯網方式潮流Fig.1 Trend of networking mode of three furnaces, two machines and two sets of production lines

圖2 三爐兩機兩套生產線孤網方式潮流Fig.2 Trend of isolated network mode of three furnaces, two machines and two sets of production line

圖3 110kV彥新線有功功率Fig.3 Active power of 110kV Yanxin line

圖4 新天110kV母線電壓Fig.4 Voltage of 110kV bus in Xintian

圖5 自備電廠機組功角曲線Fig.5 Power angle curve of self provided power plant unit

圖6 自備電廠機組頻率曲線Fig.6 Unit frequency curve of self provided power plant

表1 不同開機方式下某煤化工三相短路電流水平（kA）Table 1 Three phase short circuit current level (kA) of a coal chemical plant under different startup modes

2.2 三相短路電流分析

煤化工電網在不同方式下的母線三相短路電流水平見表1。

2.3 暫態穩定研究

對于該煤化工電網，基于實際運行情況選擇聯網方式、孤網方式下的穩定特性分析?？紤]企業電網內部機組跳閘、負荷跳閘、對外聯絡斷面N-1跳閘、對外聯絡斷面斷開等各類故障形式，進行仿真模擬[6]。

2.3.1 機組跳閘

1）在聯網方式、四爐兩機兩套生產線方式下，自備電廠#1機組N-1跳閘后，系統損失機組出力45.6 MW，不采取措施，企業電網出現功率缺額。由于功率重新分配后，新疆電網對本企業電網來說等同于無窮大容量機組，最終穩態下功率缺額絕大部分分配到大電網，即聯絡線分擔功率缺額的絕大部分功率。110 kV彥新線有功功率由之前的下網12.7 MW變為下網57.51 MW，自備電廠無電壓問題，#2機組未出現功角失穩，煤化工電網能維持穩定運行，各曲線如圖3～圖6所示。

若需維持系統對外潮流斷面零功率，需采取以下措施：梳理出可切負荷進行切除，進行減負荷操作或進行機組增出力操作。

圖7 自備電廠母線電壓曲線Fig.7 Bus voltage curve of self provided power plant

圖8 自備電廠機組功角曲線Fig.8 Power angle curve of self provided power plant unit

圖9 彥新線功率曲線Fig.9 Power curve of Yanxin line

圖10 自備機組頻率曲線Fig.10 Frequency curve of self-contained unit

圖11 自備電廠母線電壓曲線Fig.11 Bus voltage curve of self-contained power plant

圖12 自備電廠機組頻率曲線Fig.12 Unit frequency curve of self provided power plant

圖13 自備電廠機組功率曲線Fig.13 Unit power curve of self provided power plant

圖14 自備電廠機組轉速曲線Fig.14 Speed curve of self-contained power plant

圖15 110kV母線電壓曲線Fig.15 Voltage curve of 110kV bus

圖16 系統頻率曲線Fig.16 System frequency curve

2）在聯網方式、三爐兩機兩套生產線方式下，自備電廠#2機組N-1跳閘后，系統損失機組出力44.3 MW，不采取措施，企業電網出現功率缺額。由于功率重新分配后，新疆電網對本企業電網來說，等同于無窮大容量機組，最終穩態下功率缺額絕大部分分配到大電網，即聯絡線分擔功率缺額的絕大部分功率。110 kV彥新線有功功率由之前的0MW變為下網43.7 MW，自備電廠無電壓問題，自備電廠#1機組未出現功角失穩，煤化工電網能維持穩定運行，各曲線如圖7～圖10所示。

3）在孤網方式下，自備電廠開兩臺機組（#1、#2機），#1機組N-1跳閘后，系統損失電源出力32.4 MW，由穩控切除負荷32.7 MW，自備電廠無電壓問題，#1機組未出現功角失穩，頻率最終穩定在50.04 Hz。自備電廠電網能維持穩定運行，各曲線如圖11～圖13所示。

2.3.2 化工負荷跳閘

1）在聯網方式、四爐兩機兩套生產線下，負荷損失20 MW，不采取措施，企業電網出現的負荷功率缺額同樣基本都由大電網承擔。110 kV匯新線有功功率由之前的下網12.8 MW變為上網5.8 MW，無電壓問題，機組未出現功角失穩，電網能維持穩定運行。

若對外聯絡斷面需保持零功率，可考慮由調度下發機組出力命令，使對外斷面潮流維持零功率即可。

2）在聯網方式、三爐兩機兩套生產線下，負荷損失20 MW，不采取措施，企業電網出現的功率缺額同樣基本都由大電網承擔。110 kV匯新線有功功率由之前的0 MW變為上網19.8 MW，新自備電廠機組未出現功角失穩，煤化工電網無電壓問題，能維持穩定運行。

3）在孤網方式下，自備電廠開兩臺機組，煤化工損失20 MW負荷。

①切除#1機組（故障前出力32.4 MW），存在功率不平衡12.4 MW，系統出現低頻問題。

②切除#1發電機組，同時切除負荷12.43 MW，站內孤網無電壓問題，#2機組未出現功角失穩，電網能維持穩定運行，頻率最終穩定在49.97 Hz。

2.3.3 110kV 彥新雙線N-1跳閘

1）在聯網方式、四爐兩機兩套生產線下，110 kV彥新一線三相永久性故障N-1跳閘后，110 kV彥新二線功率由事故前的下網6.33 MW變為下網12.8 MW；自備電廠機組未出現明顯的振蕩，最終穩定運行。

2）在聯網方式、三爐兩機兩套生產線下，110 kV彥新一線三相永久性故障N-1跳閘后，110 kV彥新二線功率由事故前的 0MW變為下網0.1 MW，斷面維持零功率不變；自備電廠機組未出現明顯的振蕩，最終穩定運行。

2.3.4 110 kV彥新雙線N-2跳閘

1）在聯網方式、四爐兩機兩套生產線下，110 kV彥新斷面下網12.8 MW，發生110 kV彥新雙線N-2跳閘。若不采取措施，企業電網將低頻。企業電網系統頻率曲線如圖16所示。

2 s彥新I線三相永跳，2.12 s彥新二線N-2跳閘。在2.42 s采取切除負荷11 MW，電網在事故前下網12.8 MW，事故后系統頻率最終為49.94 Hz，能維持電網穩定運行。

2）在聯網方式、三爐兩機兩套生產線下，110 kV彥新斷面0 MW，發生110 kV彥新斷面斷開故障，不采取措施，該煤化工電網穩定運行。

3 結語

本文介紹了安全運行控制系統，對系統功能需求進行分析，繪制了四爐兩機兩套生產線聯網、三爐兩機兩套生產線聯網和三爐兩機兩套生產線孤網3種運行方式下的潮流圖，并基于實際運行情況，在企業電網內部機組跳閘、負荷跳閘、對外聯絡斷面斷開等多種故障狀況下，對該煤化工電網進行暫態穩定分析。

研究表明，該煤化工電網存在較大概率的孤網風險。電網在針對下列不同運行方式下企業電網或外部發生的不同故障，還需穩控，及時采取措施，才能維持系統穩定運行。

1）在孤網方式下，自備電廠開兩臺機組，其中一臺機組跳閘后，通過穩控系統切除相應負荷，使企業電網無電壓問題，運行機組未出現功角失穩。

2）在孤網方式下，自備電廠開兩臺機組，系統負荷損失20 MW：通過切除一臺機組，同時切除部分負荷，使企業電網無電壓問題，運行機組未出現功角失穩，電網能維持穩定運行。

3）在聯網方式、四爐兩機兩套生產線下，110 kV彥新斷面下網12.8MW：發生110 kV彥新雙線N-2跳閘，若不采取措施，該煤化工企業電網將低頻。

4）在聯網方式，N-1機組跳閘或負荷跳閘，該煤化工電網無穩定問題。

該煤化工電網正常時的運行方式，應盡量保證對外斷面零功率或者不超過機組向上一次調頻能量的下網潮流；應盡量避免長期孤網方式運行，以提高供電安全穩定可靠性。