大型石化企业智能甩负荷方案设计

／中石化股份天津分公司设备管理部 郭庆奎／

大型石化企业智能甩负荷方案设计

／中石化股份天津分公司设备管理部 郭庆奎／

本文提出一种全新的智能甩负荷方案。该方案以石化企业电网实时运行潮流和运行拓扑为基础，通过对预定义的关键扰动事件进行在线“预演”，动态刷新各种关键事件下对应的实时减载负荷列表。该实时减载负荷列表驻留在负荷终端设备中，当系统检测到扰动发生后，通过GOOSE网络即时驱动负荷终端实现智能减载。

频率稳定；智能甩负荷；GOOSE

0 引言

大型石化企业的负荷规模一般都在100MW及以上，企业内部电网电压等级为220kV/110kV/35kV/6（10）kV/0.4kV，同时企业具有自备热电厂，为生产提供可靠的蒸汽和电能。企业经由220kV关口变电站与国网系统并网。由于石化企业最大的用电负荷为电动机，所以在正常的并网运行时，企业电网稳定性集中在电压稳定性上，通过SVC、电源快切、电动机再起动控制等成熟的措施，可以在电网电压晃动时取得良好的控制效果，保证生产的连续。然而，一旦企业电网与地方电网发生解列，企业孤网运行，视解列前关口交换有功功率的情况，可能会给企业孤网带来严重的频率稳定性问题，最终造成企业孤网的频率稳定崩溃。利用ETAP搭建一集约化的石化电网模型作以仿真，正常运行时企业内部电网从地方电网受入64110kW有功（约占企业总负荷的56.3%），0.1s时系统联络线发生故障，一个周波后跳开，企业变孤网运行，频率持续下降，不采取稳控措施会快速导致企业孤网频率失稳，如图1a所示。如果在0.4s时引入稳控措施，甩掉25000kW的负荷，其仿真结果如图1b所示，能明显地控制孤网频率的下降，维持系统稳定。可见，对于大型石化企业，当其孤网运行时，准确及时地甩负荷控制，是有效的稳控方案。

1 传统低频减载的缺陷

为保证频率稳定性的传统的甩负荷方案为低频减载，然而该方案存在着以下本质缺陷：

1）被动启动。必须待到系统频率降低到低频定值以下时才能启动，失去了主动防御的意义。

2）无法明确实际减载的负荷容量。低频减载按系统最为严重的扰动下的功率缺额来决定接入减载装置的功率总量，对系统实时运行状态的适应能力差。

3）分级、分轮次控制，各轮次的整定复杂，且容易出现轮次重叠现象。

图1 企业孤网运行时频率特性仿真

4）动态响应过慢。由于负荷的频率特性以及为了实现与继电保护的配合，低频减载的动作时间往往较长。

5）判据的依赖信息太少，无法全面获取系统知识。对于故障类型、故障点距离、系统运行方式等无法确定，整定时选取的运行方式与故障方式作为一种固定模式应用于所有的方式，其不合理性是显而易见的。

造成传统低频减载缺陷的原因主要是：

1）该方案不是建立在系统实时运行方式与运行潮流的基础上。

2）该方案的设计不是以实时检测系统的扰动为基础的，而是以在系统扰动发生后，被动的反应扰动后果为基础。这就决定了其应用的正确定位应该是稳定控制的后备手段，而不是作为主措施来实施。

根据以上分析，对于石化企业，应该设计一种全新的、基于电网实时运行数据与扰动主动识别的智能甩负荷方案。

2 智能甩负荷方案设计

2.1 智能甩负荷方案的系统要求

有别于传统低频减载，智能甩负荷方案（ILS）应具有以下系统要素：

1）能够进行系统结构拓扑的构建，自动对系统的变化进行跟踪和分析。

2）主动识别，并确认扰动范围，实时启动减载方案。

3）能自动记忆当负荷增减时系统的配置（运行方式）、运行条件，以及所有运行方式下，系统对扰动的反应。

4）识别不同的系统模式，以预期系统对不同扰动的反应。

5）根据每个负荷的实际状态（断路器状态），快速准确可靠地来确定甩负荷优先级。

6）能够在维持系统稳定的前提下，最小化负荷切除容量。

7）能够优化组合候选的被甩负荷。

8）具有一定的后备措施。

9）仿真功能。在进行在线实时运行前，可以校验和确定甩负荷方案的逻辑和操作。

2.2 智能甩负荷系统的构建

基于2.1节的系统要求，ILS采用图2所示的系统架构。智能减载系统由站控层和间隔层构成：站控层的核心设备为ILS中控单元和工程师站；间隔层由ILS核心终端和ILS负荷终端组成。

（1） ILS 中控单元

这是ILS系统的核心，提供友好的监控界面和强大的计算引擎和完备的数据库功能。实际实施时，部署在企业稳控系统主站内（一般即在企业的关口变电站内）。

图2 ILS系统架构

1）甩负荷相关信息配置：负荷优先级配置、甩负荷触发条件配置、甩负荷触发逻辑编辑编译等。

2）构建系统拓扑结构，并实时分析识别系统的运行拓扑。

3）接收系统实时运行信息：潮流、回路状态等，进行动态刷新。

4）根据预定义的系统扰动关键事件，并根据实时运行潮流与运行方式，模拟对应扰动事件发生时，根据1）中的配置信息，确定应该切除的负荷。

5）根据4）的结果，动态优化甩负荷列表，并实时下载到ILS负荷终端。

（2）ILS核心终端

ILS 核心终端的任务是实时识别与系统稳控相关的关键扰动事件，一旦事件发生，通过IEC 61850的GOOSE协议，将具体的关键扰动事件信息广播至所有的ILS负荷终端。

核心终端一般部署在企业的关口变电站和自备电厂。

（3） ILS负荷终端

ILS负荷终端负责采集对应负荷间隔的实时运行潮流与负荷状态，并通过IEC 61850或调度网络104规约将实时遥测、遥信数据上传给ILS 中控单元。同时，ILS负荷终端接收ILS 中控单元下载的实时甩负荷列表。一旦ILS负荷终端接收到ILS核心终端的GOOSE广播信号，就会对发生的扰动事件与当前的甩负荷列表做对比，需要跳闸时，则该负荷终端即刻执行跳闸命令，完成减载。

负荷终端按受控的减载间隔，逐一部署。

2.3 受控负荷的定义

石油化工企业的负荷不同于电网负荷，其与生产工艺的关联性非常紧密。在设计石化企业智能甩负荷方案时，怎样确定可控的减载负荷是关键。下表总结了相关的设计要素点。

表 石化企业负荷特点及稳控措施

3 结束语

本文在分析了传统低频减载本质缺陷的基础上，提出了一种全新的适用于大型石化企业的智能甩负荷方案。石化企业的负荷特点决定了其电网的稳控措施与地方电网有很大的不同。另外，电气负荷与热力负荷的稳控配合是要进一步研究的重点。最后，大型石化企业电网稳定性的根本在于主网结构的合理性与可靠性，这是进行企业电网规划与设计的根本。