大型用电企业稳控方案研究

张正伟

摘要：随着我国科技的发展与进步，变电站智能化的发展正随着时代的变化而不断提升。采用先进技术使电网免于断电，是孤岛电力系统保护和控制之创举。本文主要讲述了通过SEL硬件平台和灵活的软件编程技术的应用，加上IEC61850和SEL Mirroerred Bits的通讯技术的应用，让稳定控制技术达到了新的高度。

关键词：稳控；POWERMAX；孤岛；负荷；投切

近年来，中国大型工况企业飞速成长，生产流程日益庞大，设备品类繁多，企业内部影响电力系统稳定性的因素成倍增长，同时中国电网大互联的趋势，电网稳定的局面也较以前更为复杂，使得企业外部电网输入的电力也面临更多不确定性。随着目前变电站智能化水平的提高，稳控系统的方案也在逐步优化。

1 大型工况企业面临的主要挑战

（1）近年来频现的不可控自然灾害，如：台风、雷击、冰灾等恶劣天气，造成电网设施短路或跳闸事故；

（2）外部电网设备自身故障或缺陷引起的电网扰动；

（3）外部电网操作时，人为过失所造成的电网扰动；

（4）企业生产、环境的特点，对电力系统稳定性造成冲击。

企业的一些生产过程中，受其生产特点的影响，存在较大的冲击负荷。如：钢铁企业的电炉负荷、热轧负荷等。工况企业的灰尘、热冲击、腐蚀性的环境，对设备的工况影响更突出，设备故障对电力系统稳定性的影响更为明显。

2电力系统失稳的影响

电力系统失稳对企业造成的损失，无法估量。例如电解铝厂，一旦全部失电，电解槽和铝水将会完全报废。电力系统的扰动造成企业生产问题，如：石化企业90%用电负荷为电动机负荷，而电动机对电力系统的扰动尤为敏感；一旦失电，设备停车发生后，恢复生产过程长。如：石化企业PP＼PE装置环管泵失电后需要很多天恢复；聚酯装置一旦物料聚合在反应釜中，则需要几个月恢复；危害到设备、人员安全，如：石化企业的氧化装置在失电情况下停车，可能发生安全事故。

3 POWERMAX 稳控技术

POWERMAX系统采用美国SEL硬件平台，和灵活的模块化编程技术，可以监测电力系统的发电量和用电量，一旦发生电力系统失稳情况[1]，则根据监测到的实际发电量和负荷量，按照用户设定的优先级原则，动态调整发电量和负荷量，使电力系统快速回到平衡运行状态。

3.1系统孤岛自动侦查

持续监测电网联络接点，判断电力系统是否从一个或更多个电网断开成孤岛系统。在孤岛发生期间，SEL孤岛控制一台选定的发电机在“恒速”模式下运行，保持频率控制。

3.2自动解裂系统

迅速将电力系统从一个不稳定的电力网切断出来，并建立一个独立孤岛系统。

3.3同步向量测量

使POWERMAX以史无前例的高精度和高速度进行系统监测和控制。SEL低频振荡分析工具持续计算谐振和振荡频率，优化发电机保护方案[2]。

3.4POWERMAX通讯

使用IEC61850 GOOSE报文和SEL Mirroerred Bits传送重要控制命令。

3.5POWERMAX更快速、更可靠

传统低周减载的稳控方案是等到电力系统的频率发生变化后，才能监测到并作出反应。动作时间长，不区分站内关键与非关键负荷，经常会造成重要设备损坏，离线的预置动作策略，与实际负载偏差很大，并且过切和欠切严重，同时可能会使孤岛系统崩溃瓦解。

而POWERMAX实时监测发电和用电是否平衡，在第一时间发现系统失去稳定的可能性，为电力系统提供了第一层保护，同时将传统的低频减载作为后备方案，为电力系统的稳定运行提供了更为快捷、可靠的保护。

3.6POWERMAX更精确

电力系统一旦出现失稳情况，传统失稳控制方案的核心，是根据离线计算的策略表，切除负荷。而离线计算的策略表与实际运行情况并非匹配，那么根据策略表切负荷的方案，会造成实际欠切/过切负荷，不能达到电力系统重新平衡的目的，很可能導致电力系统的进一步瓦解。

3.7POWERMAX更智能

POWERMAX是综合SCADA系统和安稳控制于一体的智能系统，大大节约了用户在设备、人力资源的投资，简化现场操作人员的工作量，从而使得系统在实际应用中更为安全。

3.8技术参数

在计算机平台CPU负荷不超过45%，和服务器CPU负荷不超过25%的时候，可以监控不少于60000个信息Tag；

执行操作员的控制命令，改变变电站保护的输出接点状态的平均时间少于200ms；

传输变电站保护状态变化信息，更新每个系统操作站的平均时间少于2.5秒；

每个系统操作站的测量量更新的平均时间少于5秒；

保持所有IED时间同步，精度达到5ms；

带时标的顺序时间记录SER具有1ms分辨率。

4 典型案例

4.1 概述

两条66kV电源进线锦油1#和锦油2#，每条进线容量约50MVA。正常情况下并列运行。两台主变2#和3#主变容量均为31.5MVA，正常情况下并列运行。6.3kV共计三段母线。一、二段之间或二、三段之间均通过1母联断路器和1母分断路器相连。正常情况下，全合闸处并列运行。6.3kV I母下1#降变连接1#发电机母线，6.3kV III母下2#降变连接2#发电机母线，两段母线并列运行。3#发电机连接6.3kV II母，4#发电机连接6.3kV III母。

4.2 确定负荷特性

动力所的总负荷约为63MW；稳控系统只针对由动力所供电的部分负荷进行减载操作。稳控系统同时切除具有2条馈线的同一负荷，避免下级变电站快切/备投装置动作引起的负荷变化[3]。

4.3稳控策略设计

4.3.1系统警戒和跳闸

正常运行时，进线和主变高低压侧的断路器的6台断路器均处于合闸状态，两路66KV进线可以给所有的6.3KV的负荷供电。任意一台断开，系统将处于N-1的风险中，即只有一路电源在给6.3KV母线供电，认定为N-1警戒。当两路66KV电源全部消失（即进线断路器均断开或两台主变的高低压侧均有断路器断开），即出现N-2的情形，系统进入孤岛运行状态。N-2发生瞬间，稳控系统会根据决策表的要求，切除必要的负荷以确保系统的稳定性[4]。

4.3.2切除负荷量计算

N-2情形下，需要切除的负荷量为两条6.3KV进线的功率之和与系统中备用发电容量的差值。孤岛条件下事故时，需要切除的负荷量为退出运行的发电机的功率，而不再考虑系统的备用发电容量。稳控系统设置了过切，即当“选择切除的负荷量”大于“需要切除的负荷量”时，稳控系统将停止选择切除更多的负荷。负荷优先级针对负荷，根据其重要性的不同进行排序，优先级高的负荷先选择切除。

4.3.3负荷减载决策表

根据负荷的状况和“需要切除的负荷量”判定切除多少负荷，以及切除哪些负荷。负荷的状况包括：负荷的优先级、负荷的功率值、负荷的断路器状态。采用交叉点开关计算。

4.3.4稳控闭锁条件

稳控功能启用/禁止的转换开关在非运行位置；

任意一台同步向量测控装置出现故障；

前置机检测到有装置GOOSE离线；

6.3KV母线完全分段运行，即三条6.3KV母线均分段运行；

前置机断电；

前置机处于演示模式；

两台前置机都处于运行模式下，出现决策表或者负荷优先级不同步。

4.3.5、稳控的时序和时间特性

当N-2事件发生并持续20ms，稳控系统将判定N-2发生。前置机发出负荷减载命令给相关的同步向量测控装置。同步向量测控装置接收到两台前置机命令后，进行或运算，发出切除负荷跳闸命令，脉宽为220ms。从前置机判断切除命令到同步向量测控装置检测到与N-2相关的断路器断开，其时间间隔在30ms左右（含前置机判断事件延时的20ms）。

5.总结

随着变电站智能化的水平日益提升，采用先进控制技术，在发生电网扰动和孤网时确保供电系统的稳定，确保企业电网的安全化、信息化，是一个大的趋势。POWERMAX稳定控制方案目前已在多个大型工况系统项目中投入使用，效果顯著。在电力异常或故障情况下确保了整个供电系统及设备的稳定运行，减少了企业的损失，带来了巨大的经济效益。

参考文献：

[1]谢惠藩，梅勇，周剑，徐光虎，赵晓斌，施健.新东特高压直流孤岛运行闭锁策略[J].电力系统自动化，2018，42（17）：184-191.

[2]熊雪君.含大规模风电的大型新能源基地集中防孤岛保护研究[D].华中科技大学，2016.02（5）：35-37

[3]傅宁涛，叶国华，张茂强.大型发电厂启备变带公用负荷结线方式厂用电安全性论证[J].电工技术，2018（18）：36-38+56.

[4]罗云.大型商业中心建筑用电负荷密度研究[J].中国标准化，2018（12）：230-231.

[5]Zhongqing.Design of power supply for large hydroelectric power station[J].Yunnan electric power technology，2018，46（04）：76-78.