青海油田电能质量管理与电网科学调度研究

李亚宁

摘要：针对青海油田电力系统在逐步与国家电网并网运行期间，油田电力供应出现的一些突出问题及矛盾，从调整机组运行方式、修订继电保护定值等举措入手，对油田电网电能质量管理与电网科学调度展开研究。

关键词：电能质量;电网科学调度;运行方式 ;控制模式

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）16-0255-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1电能质量与电网科学调度的定义

电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的质量。理想状态的公用电网应以恒定的频率、标准正弦波和额定电压对用户供电。同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值大小应相等、相位对称且相差120度。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想的状态并不存在，因此产生了电网运行、电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量管理的概念。

电网科学调度又称电网经济调度，它是在保证安全、可靠运行和满足电能质量、用电需要的前提下，根据经济调度的基本原理，制定各厂（站）之间或机组之间的最优负荷分配方案，使整个电网的能耗或运行费用最少，从而获得最大的经济效益。

电能质量管理及电网科学调度是电力行业中极其重要的两个单元，完善两个单元的工作庞大而又艰巨。

2 青海油田电能质量管理与电网科学调度现状及存在问题

青海油田电力系统经过近60年发展，目前地区电网已形成一定规模的110kV—35kV—10kV网架，以330kV花土沟变为电源点，形成辐射式网架结构。虽然油田的电力网架结构日趋合理，供电能力有所提高，但是随着油田电力系统与青海电网并网运行，长久以来孤网运行模式下的油田电力供应出现了以下突出问题及矛盾：

1）发供电能力制约供电可靠性。虽然油田电网已并入国家电网系统，但是在330kV电网接入的过渡时期，一旦国家电网失电，油田自备发电机组（燃气轮机发电机组，燃料为天然气）由于天然气供气量调整需要时间、启动备用机组需要时间，人员、设备调整等客观因素，会造成短时间内无法保障油田供电。

2）由于系统负荷预测功能欠缺，系统科学调度能力薄弱，电网系统调整基本处于半自动化，多数情况需要人为调整阶段，没有健全自动化的分析体系。

3 解决方案

3.1发电机组运行模式调整

1）结合国家电网海西供电公司分时电价特点，调整生产运行方式，通过合理分配峰谷负荷，在“峰、平”时段应尽量多发少购，“谷”时段应尽量少发多购，做到随负荷、季节变化及时调整，保证油田电力系统安全、经济运行。

2）调整燃机机组控制程序，完成油区故障下机组控制模式的自动切换，确保机组与大网并网中电压波动及故障时的安稳运行。

青海油田电网与海西电网间的电力分配系统包括各级变电站和负载，中间由一个联络开关互联。燃机机组上网运行采用有功有差控制和无功功率因数自动控制模式，在电力分配系统下远端故障时，会有大量的无功产生，此无功量超出发电机的承载能力，导致发电机电压下降，进而会导致发电机延时10 秒跳机。故障情况下如果发电机组与大网的联络开关断开，负载需要及时切断、调配，以减少对发电机组的冲击。与大网脱离时如果机组不能及时响应，冲击会马上造成机组被动调整，根据目前的有差控制模式发电机很快降低频率，电力系统低频率将激发各级保护跳闸以及系统低频优先脱扣动作，结果是大网故障的同时，油田发电机组也由于本身问题同时解列。

所有机组都在早期设计时考虑到了与大网并列的需要，每台机组都预留了大网联络开关的状态反馈以便于自动在孤岛和并网运行间切换运行模式。以 1#机与 2#机上网的情况为例（如图 1），在机组启动后正常上网后，将控制模式全部转换为自动上网控制，即为功率自动控制和功率因数控制。机组的功率在 0-7MW的范围内有轻微波动，但基本稳定。在随后的 7.2MW 以上带载运行时，自动发生剧烈抖动，功率波动发散，严重时需要手动干预。考虑负载就近原则，极有可能发生与其他机组不同步的情况，通常情况下这类不同步会引起机组间负载波动。上网后在有差状态时，負载自动分配和横流补偿无法投入，在同一段母线下的机组差异太大时会造成机组间不同步。

目前，主要问题集中在机组转速控制和负载控制响应方面：首先，经过多年使用，部分燃料控制阀运行时在相对固定的 75%开度左右磨损及滞后，线性变差，控制精度下降，与大网并列后有关燃料控制阀的增益应该需要调整;其次，机组从孤网运行转到并列运行后，负载控制增益和功率控制增益需要重新调试。

以1#机为例，在燃料控制系统中与实际负载相关的两个增益，空载增益F13：76和满载增益 F13：77在控制程序中仍然保持为上网前控制状态的常数值0.24 和 0.24。此两个增益与实际负载和负载转速控制的线性函数关系如下：

（满载增益-空载增益）×有功载荷% + 空载增益 = 负载转速增益

通常来说合适的负载转速增益要兼顾负载控制漂移（小波动）和负载冲击时的阶跃响应，并与其他在网机组负载特性尽量保持一致，以减少负载扰动时不同步超出正常控制的可能性。经确认其他机组的增益也保持为上网前的有关值。由于每台发动机的机械性能都会有一定差别，现场负荷特性不一致，所以这两个增益需要经过现场测试后稍做调整。而关于电网并列机组的稳定性涉及复杂的动力系统的稳定性问题。由于生产过程对电力系统的各类干扰一直会存在，所以隐患会一直存在。

在一个典型互相连接的发电动力系统内，所有同步发电机的转子都旋转于相同的平均转速（不考虑极性、变频、减速齿轮等因素）。发电机输出上网的电能与原动机提供的机械能对等。在理想稳定工况下输出的电能与输入的机械能保持平衡。原动机输入到发电机转子的机械能等于力矩和转速的乘积 Pm=Tm*ω，而且力矩的方向为转子的旋向。而施加在发电机转子上的电力矩 Te 是转子旋转的反向（图 2）。

当电力系统由于故障或负载冲击会造成发电机输出的电能发生变化。发电机侧电能变化相对原动机侧机械能的改变通常要快速的多。由于这个差异造成对频率/转速的不同响应，会瞬时打破上述的电能和机械能的平衡。力矩的不平衡将造成转子根据向不平衡方向加速或减速。

数个发电机并列的动力系统的暂态稳定性可以用以下橡皮筋吊挂解释。每一个重量都是一个发电机和原动机系统的转动惯量。任何一个节点的有效扰动都会造成整个系统的振荡。由于系统的阻尼作用，在下一次干扰前振荡会最终平衡。振荡的频率与系统中的重量和橡皮筋的张力相关，所以不同系统的固有振荡频率是不一样的。如果干扰持续不断的存在于某个节点，并且每次干扰发生于系统振荡从上一次干扰完全恢复之前，则系统会在一定的阻尼因素下持续振荡，并且随干扰的强度和频率保持变化。如果干扰的频率与系统固有频率恰好一致，会造成振幅叠加，严重的情况会造成系统走向临界状态。

同理，故障或负载冲击可以看作是一个对局域的电力系统的瞬态干扰，会打破发电机的输出电能和输入机械能的平衡，造成系统振荡。另外与如上所说橡皮筋吊挂不同，每个发电机本身的惯量是动态的自身控制平衡，即是潜在的对系统的干扰来源之一。由此可知每个发电机的状态都对系统的影响是很大的。

综上所述，电站机组间在运行时偶发振荡是由于有干扰破坏了系统的稳定性，在网的一台机组由于控制失衡随即自身控制产生波动变成干扰来源，对系统進一步干扰。此干扰与当时就近其他机组及电网的振荡和阻尼作用恰好同频并互相激励，所以持续不断。好在电网的阻尼作用相对单台机组来说较大，单机的波动强度有限所以一般不会造成事故。

根据以上初步分析结果，机组应该运行在上网自动控制模式，即有功和无功负载根据设定点自动控制。当大网的联络开关断开时，机组应该自动转为频率和电压有差控制以应对孤网模式。为了解决机组上网稳定性问题，制定了以下调整方案：

1） 将大网联络线断路器开关状态信号引入索拉机组控制系统，以便燃机机组在孤网或并网运行时自动切换运行模式。

2） 将机组电压调节量由5%改为7%，减少系统发生事故时电压波动对机组影响。

3）加装10MVAR “SVG”自动无功补偿装置，对系统无功变化量进行自动全补偿，解决无功波动引起的电压波动，减少系统故障时对机组的冲击，保证机组可靠运行。

3.2修订继电保护定值

3.2.1校核继电保护定值

对油田所有35kV、10（6）kV线路的继电保护定值进行了逐一校核，及时调整不符合目前运行负荷要求的线路保护定值，保证继电保护装置的快速、可靠、有选择的动作。

3.2.2调整线路时限，防止越级跳闸

鉴于青海油田所属油砂山变电站35 kV出线投入了线路距离保护功能（为保护线路全长，该保护范围已延升至下属的降压变电站的10 kV部分线路），导致10 kV线路故障时，会引起35 kV线路越级跳闸，可以对油砂山35 kV馈出线下属的其他变电所的所有10（6）kV线路的II段延时定值进行调整，以杜绝越级跳闸事故的发生。

3.2.3完善低压低频减载装置保护功能

为了保障发电机组故障甩负荷后油田电网的稳定运行，在重要枢纽变电站安装低压低频减载系统，并投入低压低频减载功能，对装置的参数及时进行修正和完善。

4 结语

电能质量问题的重要性日益突出，引起了广大电力工作者的高度重视。本文针对青海油田电网电能质量管理与电网科学调度中存在问题提出的解决方案，不论是运行方式的优化调整还是继电保护定值的核对修订，都确保了油田供电的安全平稳可靠;同时为油田大电网引入后，如何经济、安全购、发、供电，探索新型运行模式提供了宝贵经验，有力提高油田电网管理水平。

参考文献：

[1] 程浩忠.电能质量[M].清华大学出版社，2006.

[2] 石俊杰，孟碧波，顾锦文.电网调度自动化专业综述[J].电力系统自动化，2004，28（8）：1-5.

【通联编辑：光文玲】