大型有色冶金企业区域电网规划的分析与探讨

刘东斌，王淑庆

(金川集团股份有限公司， 甘肃 金昌 737100)

大型有色冶金企业区域电网规划的分析与探讨

刘东斌，王淑庆

(金川集团股份有限公司， 甘肃 金昌 737100)

通过对大型有色冶金企业区域电网特点的论述，阐述电网规划的相关要素。以实际案例阐述区域电网规划方案的设想，提出在电网建设和规划论证过程中应该注意的要点和事项，为大型企业的区域电网规划建设提供参考。

区域电网； 规划； 分析； 探讨

0 前言

大中型有色及冶金企业的电网系统都是在自有产业发展过程中，伴随着生产产品的发展壮大、为工艺配套而发展起来的，具有负荷种类多、负荷量大的特性，同时配套有自备电厂，在一定范围内都具备了发电、供电、配电、用电等一体化的独立管理及生产系统。

随着能源产品的日趋多样化和能源供应形式的发展，大中型有色及冶金企业在考虑自备电厂的基础上，通过自发自用和新能源的配套，探索如何利用自身的产能优势，进行合理配置电网架构达到降低电价成本，从而降低生产成本、提升产业竞争力的目的。

根据2015年国务院关于进一步深化电力体制改革的若干意见，明确提出有序放开竞争性业务，实现能源供应多元化，促进公平竞争。同时，进一步深化对区域电网建设的研究，形成并引导市场开展电力产品交易体系的落实。作为国有大型有色冶金企业，如何充分利用自身的产业条件，结合国家政策，在区域电网建设方面探索出一条可行之路，是广大的管理技术人员都应该迫切思考的问题。

1 大型有色冶金企业区域电网布局及供电特点

以两家典型的有色冶金企业为例：冶金A集团公司和有色B集团公司为例。

(1)电网布局形式

冶金A集团公司电网布局：以330 kV变电站为枢纽变电站，通过若干110 kV变电站环网布局，自备电厂在不同的变电站接入，总体形成了自发自用的格局。和国网接入点，以330 kV双回线联络。变电总容量约2 000 MVA。

有色B集团公司电网布局：以110 kV变电站为核心变电站，通过不同区域变电站完成了厂区电力负荷的供应，各110 kV变电站以点的形式分别接入国网330 kV变电站，由国网330 kV变电站形成地区环网供电。自备电厂在核心110 kV变电站计入，局部形成自发自用的格局。变电总容量约1 000 MVA。

(2)供电特点

冶金A集团公司企业电网供电负荷主要包括钢铁冶炼轧机、电动机等，供电特点以企业自备的多电源环网为主，供电独立性好，电源之间互为补充，供电可靠性好。同时和电力系统区域主网通过两回330 KV相联，保证了在企业发电系统发生故障时的区域外电源补充。供电调度灵活，系统整体经济性好。

有色B集团公司企业电网负荷主要是冶炼炉、电解、电动机等，供电特点分别以系统多电源放射式供电为主，以区外电网架构为依托，供电可靠性高。但自主发展环境较差，受限较多。

2 区域电网规划过程中的要素分析

2.1 可靠性

企业区域电网规划可靠性主要从电源系统的可靠性和区域电网系统可靠性两方面考虑。

2.1.1 电源系统的可靠性主要考虑基本容量和备用容量

从企业自备电厂的角度根据供热负荷需求平衡及供电负荷需求平衡，来确定基本的装机容量，满足用户正常生产状态下基本用电、用热需求。

另一方面，还要考虑备用容量。备用容量主要包括负荷备用、事故备用和检修备用，在装机容量中进行充分的考虑可以保证机组在正常的频率和电压下运行。负荷备用一般按最大发电负荷的2%～5%，事故备用一般按最大发电负荷的10%，并且不小于系统内1台最大单机容量考虑；检修备用一般按最大发电负荷的8%～15%考虑。

2.1.2 区域电网的可靠性主要指对用户能够连续供电，并保证用电的各项可靠性指标

重点考虑在N- 1状态下，系统中的变电所内任何一条进线、一台变压器或输配电网络的任一条回路出现故障，能够保证不损失负荷或采取措施后允许部分停电。

同时，能够保证：对两回路供电的用户，失去1回路后不应该停电；三回路供电的用户，失去1回路后保证全部供电，失去2回路后可保证原负荷50%～70%的供电。同时负荷愈大或愈重要的负荷，恢复供电的目标时间愈短。

区域电网构架的可靠性指标主要根据系统的区域网架结构，结合区域系统内的发电机及电动机、负荷、变配电设备、线路等电器元件的故障率、修复时间、替换设备时间等因素考虑。

网架结构要考虑分层分区，适应性强，并能保证对在各类事故和自然灾害下供电的能力。

内部供电网架是研究供电稳定性的基础，主要考虑一次系统的配置、内部发电系统的接入、保护和自动装置的配置、设备的选择等因素。

2.2 稳定性

区域电网稳定性主要指由电源、电网、联络线组成的区域电网系统受到各种型式的干扰后能够恢复到原来或预定的稳态运行方式的能力。具体包括运行稳定性、电压稳定性 、频率稳定性及网架结构的稳定配置。

同步运行稳定性主要指系统受到扰动后，同步电机过渡到新的或原系统稳定运行方式的能力；

频率稳定性是指有功功率平衡的能力。频率的稳定性通过考虑全厂有功在各种运行方式下是平衡的，在系统供电能力发生变化时如失去1台发电机，通过低频减载装置调节有功，保证系统频率稳定。

电压稳定性是指系统无功供需的平衡。通过合理的无功功率分配，使系统各点电压值满足要求，大容量电动机的启动、成批量电动机的启动，都会使系统电压产生起伏，起伏大小取决于启动电压水平和启动转矩。

同时，区域电网系统网架结构的稳定性取决于系统架构和运行方式以及配套的继电保护和自动装置。

2.3 区域网架结构的技术合理性

区域网架结构是规划设计的主要内容，着重考虑如下几个要素：电压等级、供电可靠性、容载比、企业网架接线形式、系统中性点运行方式、短路水平、无功补偿和电压调整、电压损失及其分配、节能环保以及通信干扰等。原则上，根据电源及负荷的不同发展水平分期考虑建设。

企业电网电压等级和最高电压等级的选择根据用电现状和远景规划选择。要求简化变压层次、优化配置电压等级序列，避免重复降压。主要从负荷的最终发展容量和负荷密度方面综合考虑。

容载比是指变电设备容量和负荷的比值，一般控制在1.5～2.2范围之间。合理的容载比和具体的网架结构相配合，能够保证故障状态下负荷的有序转移，确保供电可靠性。同时，能够适应一定规划期内的负荷增长。

企业网架线路由输电线路、高低压配电线路以及变电站和配电室组成。要求各级电压配比及配电网尽量简化。随着有色冶金企业的产能扩大，110 kV及以上的输电线路也逐渐成为企业主网架的组成部分，一般宜做成外围架空环网形式。在环网的适当位置设置枢纽变电站。高中压配电网是企业的主要网架形式，按架空线或电缆、变压器容量和台数选择接线方式，在考虑变电站位置、负荷密度、运行管理的需要等几个因素的基础上，以独立的分区配电网形式存在。用户配电站以中压10 kV为主，形成末端变电所，供厂区或生活区负荷。

企业供电网架中的中性点运行方式，分为直接接地及经低电阻接地的有效接地方式和不接地及经消弧线圈接地的非有效接地方式，具体为330 kV、110 kV为直接接地方式，35 kV、10 kV为不接地或经消弧线圈接地，380/220 V为直接接地方式。在35 kV和10 kV系统中，大量的使用了电缆，一般采用经消弧线圈接地的方式。

企业电网无功补偿主要是通过配置无功电源来满足区域网的无功负荷的需要，以达到额定电压条件下的平衡。一般采用并联电容器、电容器电抗器组作为补偿装置，通过分散和集中补偿相结合的方式保证无功平衡。

提高电压质量的综合措施主要采用无功功率就地平衡和足够的调压手段。调压手段主要包括发电厂和调相机调压、变电站调压及线路调压。

短路容量方面主要考虑电网各级网络设计、运行方式和电压等级、变压器容量和阻抗选择等因素进行调整，保证各级电压断路器的开断电流以及设备动热稳定电流在合理范围内。在变电所的母线短路水平一般控制在16 kA～40 kA范围。

在供电电压质量和最大电压损失方面，相关国标规定：35 kV及以上系统供电电压正负电压的绝对值之和不超过额定电压的10% ，10 kV系统要求7%，220 V单相及三相供电电压要求+7.5%～-10%之间。

其他在节能环保及通信干扰方面既要考虑投资，又要考虑环境影响，相应做了规定。

2.4 区域电网与地区接入系统的配合要求

区域电网建设包含上网性和离网型。对于离网型，由于不考虑与公用电网连接，不存在接入要求。对于上网型，则需考虑配合要求。

大型有色冶金企业的区域电网系统建设根据不同的历史发展呈现不同的模式，基本沿袭了从无到有、从小型化到规模化的发展路径。目前最典型的形式是企业根据产业的发展需求自建自备热电联产项目，从供热、供电两个方面满足企业自身的需求。

自备热电联产项目的核心是正常状态下自发自用，故障状态下从企业取得保安电源。公用电网接入的基本要求是自我平衡、自发自用、正常运行方式下严禁上网。同时，还要从公用系统网络框架下做好潮流分布、短路电路的计算复核，以保证公用系统网络的运行安全。

2.5 供电质量特性

供配电电能质量主要包括电压质量、波形质量和频率质量。具体包括：电压偏差、电压波动和闪变、电压不平衡度、谐波、频率偏差等。

区域电网在保证系统稳定性的前提下，使得供电频率和供电电压基本保证在合理波动范围内。通过进一步对配电设备的合理配置和调整，可以更好的保证对负荷及用户的用电参数要求。

2.6 经济合理性

主要从规划建设费用和自备运行费用两个方面考虑。

在企业区域电网规划建设中，电源、能源、交通运输、电网是一个有机的整体，投资费用需要从电厂、电网及铁路、公路运输和配套水、灰场、煤场方面考虑，年运行费用从发电燃料费、运输费、维护费、电能损失费等几个方面综合考虑。

在区域电网自备运行方面，企业自发自用的运行方式，直接以发电成本价供给负荷使用，减少了上下网之间的费用，大大降低了电价成本，综合效益非常显著。目前比较突出的区域电网模式就是煤电铝联营和煤电冶联营。

2.7 区域电网配套的安全自动装置、继电保护、系统通信设置及独立的区域网调度中心

区域电网能否保证安全、持续、稳定的运行，安全自动装置的配置是否适当、齐全、完备是个关键要素。主要包括线路自动重合闸装置、低周减负荷装置、甩负荷切机装置、备用电源自投装置、发电机快速强励装置、输电线路强行补偿装置、发电解列装置、快速关气门装置等，以及发电价、主变、供电线路的继电保护装置等。此外，作为区域电网系统，还要配有独立的区域电网调度自动化系统和完整的内部通信系统。

3 区域电网规划建设方案的设想

以某大型有色冶金行业企业为例，在现有发供输配系统基础上，建立独立完备的区域电网采取的主要方案。

3.1 电源实施的技术措施

(1)为满足不同运行工况机组N- 1的要求，新建N台350 MW热电联产机组。

(2)建设黑启动电源。仅考虑区域内1台150 MW机组的黑启动负荷，经对区域系统内核算，需新建42 MW燃气机组。

(3)对现有机组的旁路系统进行优化改造，满足切负荷后不停机及冲击负荷情况下，负荷快速调整的需要。

(4)对现有机组的控制系统进行完善优化，增强负荷变化时的快速自动调节功能。

(5)在电厂送出线路配置低周减载装置。

3.2 供电网络实施的技术措施

(1)针对不同区域供电网络方案，在各种运行方式下进行潮流分布、短路和稳定计算，校核现有网络中主要设备参数及主变电所的母线电压，提出改造的技术要求，确保供电网络分层、分区、分系统的可靠运行。

(2)为保证单台大机组(或一大一小两台)故障状态下的供电网络安全稳定运行，在负荷分级和分区的基础上，供电网络中配置低周减载装置，以保证分级分阶段切机的平稳性。

(3)配置和优化现有区域电网电力调度自动化装置和系统，建立完善的电力调度通信网，对35 kV及以上的变(配)电、整流所和大电机回路的运行状态进行实时监控、调度和运行管理，同时与生产调度系统协调统一。

(4)对区域网络内的冲击负荷、谐波源和无功进行专项分析计算，增加动态或静态的无功补偿设备、谐波治理设备，采取有效措施控制对系统供电的影响。

(5)重新对区域电网内各种运行方式下各级保护定值进行计算和整定，保护装置作适应性改造。

(6)提升整体控制水平，应用智能电网技术提高区域供电系统的管控水平。

3.3 供电负荷侧实施的技术措施

(1)对生产和工艺过程的负荷进行分区整合优化，配置相应的低周减载装置和自动分区运行装置。

(2)对矿山、冶炼和化工等主要的生产设备和工艺，完善非电气保安技术措施，避免停电时造成伤亡事故、重大设备及生产运行事故。

3.4 组织和管理措施

(1)建立由生产总调度室管辖的电力调度中心，配备专业电力调度人员，统一调度管理电厂和供电网络，及时与生产协调，为生产提供可靠的电力供应。

(2)组建区域电网统一的运行管理单位或部门，培训和配备专业的电力自动化和电力通信设备和系统的维护人员，为区域电网安全可靠运行提供保证。

(3)因冶金炉窑和矿山的负荷性质的特殊性，区域电网建设优先考虑安全性和现有生产系统的现状稳定，尽量减少对生产的干扰。考虑建设以330 kV变电站为主要节点的供电网架，设置公用电网连接点，分阶段建成区域电网。

(4)依据区域电网正常运行方式和故障运行方式，编制与此相适应的生产计划和生产组织预案，以便及时调整生产组织，最大限度减少电网异常或故障对生产造成的损失。

(5)加强负荷侧管理，通过合理组织生产系统，生产调度与电力调度联动，按削峰填谷的原则保持用电负荷平稳。

(6)因网内机组备用容量较小，机组年度检修充分考虑与生产系统的连片检修同步进行。

4 区域电网规划的注意事项和要点

区域电网规划建设，要注意现有系统的技术配置，还要着眼于企业未来的发展战略布局。主要从以下几个方面考虑：

4.1 近远期区域电网规划的主要参数

远期电网规划主要根据远期预测的负荷，充分考虑远期供电可靠性的要求和电压等级，以及接线方式等技术原则的前提下，来确定供电区域、规划变电站的容量和位置、高压线路的路径和结构、所需的电源容量和布局。

近期电网规划以现有电网着手，将现有负荷按现有或规划的变电站和线路分解，进行电力潮流、短路容量、无功优化、故障分析、电网可靠性等各项计算，检验确定电网的适应性和可行性。

4.2 区域电网布局过程的的小网大机问题

电力系统规划原则要求：电网规划中，应优先采用大容量机组，但要确保控制最大机组的容量一般不超过系统总容量的8～10%。对形成中的电力系统，可根据负荷增长情况和系统中的地位进行技术经济论证后，考虑较大容量机组。

大型有色冶金企业区域电网在产业产能发展过程中，分别经历了50 MW、100 MW、150 MW、350 MW的不同阶段的机型配置。在大型冶金企业中，存在着4种机型的组合，基本满足了配置要求。但在有色企业的区域电网中，机型配置相对薄弱，需要通过另外配置燃气轮机，同时配备快速切负荷装置，才能保证对小网大机的运行稳定。

4.3 区域电网黑启动的配置

区域电网必须考虑黑启动措施。根据在建机组的组合配置情况，需要选择能够快速启动、负荷恢复容易、对系统震荡影响不大的局部电厂作为黑启动主力电源。另外为保证电厂厂用电的可靠性，从保安角度，电网还必须有一定的保安电源。同时，还可以考虑在临近独立电网取得黑启动电源。

4.4 区域电网供电质量的保障

大型有色冶炼存在大量整流和电炉负荷，目前在与主网联结的情况下，其网内谐波都较为严重，如分出组成孤网运行，则谐波问题将会更为严重；另外生产设备中大电动机较多，其容量达上万kW，这些电机启动时所产生的3～4倍的额定启动电流对孤网将造成较大的冲击，将使孤网频率和电压造成较大波动。定性分析上，分出组建区域电网后，其供电质量将会受到影响。需要加大电网容量以减小其对区域电网的影响。对于有色冶炼有大量的整流和电炉负荷，其网内谐波和负荷的突变大大机启动时电流的冲击，需要采取专项措施治理。

4.5 负荷进行整合是个重点因素

大型有色冶金集团公司绝大部分均为一类负荷，停电后将可能导致人身伤亡和设备的损坏，内部负荷如何整合，难度较大；电网110 kV为主网调度，改造整合需一个较长过程，实施中须有公用电网配合、甚至涉及主网运行方式的调整。从技术角度来说，采用分级、分区、分阶段的平滑负荷切除装置，可以更好地保证区域电网的系统稳定性。

[1] 电力工业部电力规划设计总院.电力系统设计手册[M].北京：中国电力出版社，1998.

[2] 李爱民，注册电气工程师执业资格考试复习教材编委会.注册电气工程师执业资格考试复习指导书(发输电专业).北京：中国电力出版社，2007：715-743.

Analysis and Discussion of the Regional Power Grid Planning in Large Non-ferrous and Metallurgical Enterprises

LIU Dong-bin， WANG Shu-qing

Through the characteristics of the local power grid to the nonferrous and metallurgy enterprise, this paper expounds related factors of power grid planning. With practical cases in this paper, the idea of planning is explained. And in the process of power grid construction and planning argumentation something should pay attention to for the main points of the matters. This paper provides the reference for regional power grid construction of large enterprises.

power grid； construction and planning； analysis; discussion

2015-05-19

刘东斌(1969-)男，贵州凤岗人，教授级高级工程师，大学本科，国家注册电气工程师及注册监理工程师，主要从事集团公司电气项目监理及重点电气项目规划设计管理工作。

TM73

B

1003-8884(2015)05-0001-05