煤化工系统供电电源突发脱网下的安全运行技术研究

李 锋，赵慧勉

（1.浙江浙能温州发电有限公司，浙江 温州 325602；2.浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术研究重点实验室，杭州 311121）

0 引言

某煤化工企业生产系统由两条煤制气生产线系统组成，其供电电源由3台自备发电机组为主，电网系统为辅（通过两条同杆平行架设的110 kV线路到对侧变电所与电网相连接），在各种不同运行工况下，电网供电范围约在20 MW～100 MW之间。当运行中电网供电一旦失去（自备电厂与电网解列）时，将造成化工系统不同程度的供电缺额现象，如果不采取有效措施，则会引起频率和电压迅速下降，严重时导致机组跳闸，使生产线不受控制地因停电而停车等联锁反应。另一方面，当电厂与电网解列运行时，一旦机组或负荷跳闸，也将危及孤网系统的稳定运行。因此，对于合理解决突发脱网、孤网下的机组，及化工生产系统的安全问题的研究，具有深远意义。

本文基于现有的电力系统稳控装置，分析了某煤化工系统电网的多种运行方式下的风险和需求，并对电网稳定特性进行研究，为供电电源突发脱网下的安全运行技术提供了有力支持。

1 电网运行风险及需求分析

基于该煤化工弱联网、“大机小网”问题，并结合发电机组及负荷特性，需构建相比常规电网要求更高更完善的控制系统，通过合理的控制来保证企业电网的频率、电压、功角等稳定。安全运行控制系统包含如下几个部分：

1）安全运行信息管理系统。

2）能实现机组快速调节控制的机网协调功能，包括实时二次调频、实时二次调压、自动潮流控制、带负荷同期。

3）稳控功能包括切机控制、切负荷控制、高频切机、低频减载、全厂快切控制、主动解列控制。

安全运行控制系统应包含3个系统主站，即稳控装置主站、实时二次调频调压主站和供热母管管理主站。稳控装置主站监控并网联络线/发电机组的各电气量信息和下游电负荷的用电量，在线路故障、机组故障等情况下，联切下游电负荷或发电机组出力指令。实时二次调频调压主站通过调整发电机组的有功和无功出力，联网时自动维持并网联络线潮流在合理范围、孤网时，自动维持站内电网的频率、电压和功角稳定。

1.1 联网运行控制

1）实时监测发电机组出力、并网联络线潮流，以及负荷侧用电变化，自动识别机组和电网当前的运行方式。

2）需根据联络断面潮流实时调整发电机组出力，控制联络断面潮流在安全范围内；出现机组出力损失、负荷跳闸（包括低压脱扣损失的负荷）等紧急情况下，系统采取调机组出力、切机或切负荷措施，确保联络断面上下网不越限、联络断面不过载。

3）通过对机组励磁系统的调节控制，保证联络线在正常运行下的功率因数在允许范围内波动。

1.2 联网切孤网控制

1）由联网主动解列为孤网或由被动跳闸突变为孤网后，系统控制方式需由联网模式迅速切换为孤网模式，系统采取调机组出力，切机或切负荷措施，维持企业电网孤网频率电压稳定，不应造成机组保护动作，不触发高频、低频动作。

2）企业电网由联网突变为孤网，若事故前企业电网从大电网受电，需采用联切负荷措施，维持系统稳定运行；若事故前企业电网给大电网送电，需稳控系统和机网协调系统，采用下调机组出力或联切机组相结合措施，维持系统稳定运行。

3）联网切孤网后，由于涉网保护等定值均采用大电网给定定值，不能满足孤网长期运行需求，联网运行切孤网后不建议长时间运行[1]。

1.3 孤网运行控制

1）孤网方式下，出现机组出力损失（包括机组故障跳闸、非计划停机、锅炉跳闸），应协调企业电网内多台发电机组的快速变负荷能力，有必要时需快速切除负荷。低频减载作为第三道防线，控制电网电压及机组出力满足下游负荷生产的需求，保证孤网运行稳定[2]。

2）孤网方式下，出现甩负荷，稳控系统和机网协调系统需结合电网高频辅助判据，根据情况采取快速下压机组出力，切除部分机组来维持孤网稳定运行。

3）在出现严重或多重故障的情况下，孤网频率偏差不应导致企业电网崩溃，尽可能保证其中一台机组带部分重要负荷可靠稳定地运行。

4）企业电网内部部分断面（线路、主变）断开，会导致企业电网由整体孤网变为几个局部孤网，需依靠稳定系统和机网协调系统采取必要的措施，使局部孤网功率达到新的平衡，维持稳定运行[3]。

5）具备高频切机、低频减载功能。

6）稳定系统应具备对低压脱扣损失的负荷进行有效判定，主动采取措施维持系统频率稳定。

1.4 主动解列控制

联网运行时，根据频率、电压和功率信息，结合相关辅助判据，由稳控系统准确判定大电网严重故障或地区电网孤网，并具备主动解列功能，主动解列联络断面内侧开关；再由协调系统按照联网突变为孤网控制，由机网协调系统和稳控系统进行稳定控制，保证解列后孤网的安全稳定运行。

2 电网稳定特性研究

根据当前电网网架、规划网架，以及考虑负荷特性、机组运行方式等情况，来详细分析电网稳定特性[4,5]。

2.1 潮流分析

2.1.1 四炉两机两套生产线联网方式

110 kV煤化工电网对外与220 kV巴彦岱变双线连接，煤化工近区电网潮流与大电网相连接，双回110 kV架空线情况下，不考虑断面潮流，属正常供电，本文不做过多研究。

2.1.2 三炉两机两套生产线联网方式

新天变对外联络断面功率接近于0，潮流图如图1所示。

2.1.3 三炉两机两套生产线孤网方式

自备电厂开两机，电网孤网运行。潮流图如图2所示。

图1 三炉两机两套生产线联网方式潮流Fig.1 Trend of networking mode of three furnaces, two machines and two sets of production lines

图2 三炉两机两套生产线孤网方式潮流Fig.2 Trend of isolated network mode of three furnaces, two machines and two sets of production line

图3 110kV彦新线有功功率Fig.3 Active power of 110kV Yanxin line

图4 新天110kV母线电压Fig.4 Voltage of 110kV bus in Xintian

图5 自备电厂机组功角曲线Fig.5 Power angle curve of self provided power plant unit

图6 自备电厂机组频率曲线Fig.6 Unit frequency curve of self provided power plant

表1 不同开机方式下某煤化工三相短路电流水平（kA）Table 1 Three phase short circuit current level (kA) of a coal chemical plant under different startup modes

2.2 三相短路电流分析

煤化工电网在不同方式下的母线三相短路电流水平见表1。

2.3 暂态稳定研究

对于该煤化工电网，基于实际运行情况选择联网方式、孤网方式下的稳定特性分析。考虑企业电网内部机组跳闸、负荷跳闸、对外联络断面N-1跳闸、对外联络断面断开等各类故障形式，进行仿真模拟[6]。

2.3.1 机组跳闸

1）在联网方式、四炉两机两套生产线方式下，自备电厂#1机组N-1跳闸后，系统损失机组出力45.6 MW，不采取措施，企业电网出现功率缺额。由于功率重新分配后，新疆电网对本企业电网来说等同于无穷大容量机组，最终稳态下功率缺额绝大部分分配到大电网，即联络线分担功率缺额的绝大部分功率。110 kV彦新线有功功率由之前的下网12.7 MW变为下网57.51 MW，自备电厂无电压问题，#2机组未出现功角失稳，煤化工电网能维持稳定运行，各曲线如图3～图6所示。

若需维持系统对外潮流断面零功率，需采取以下措施：梳理出可切负荷进行切除，进行减负荷操作或进行机组增出力操作。

图7 自备电厂母线电压曲线Fig.7 Bus voltage curve of self provided power plant

图8 自备电厂机组功角曲线Fig.8 Power angle curve of self provided power plant unit

图9 彦新线功率曲线Fig.9 Power curve of Yanxin line

图10 自备机组频率曲线Fig.10 Frequency curve of self-contained unit

图11 自备电厂母线电压曲线Fig.11 Bus voltage curve of self-contained power plant

图12 自备电厂机组频率曲线Fig.12 Unit frequency curve of self provided power plant

图13 自备电厂机组功率曲线Fig.13 Unit power curve of self provided power plant

图14 自备电厂机组转速曲线Fig.14 Speed curve of self-contained power plant

图15 110kV母线电压曲线Fig.15 Voltage curve of 110kV bus

图16 系统频率曲线Fig.16 System frequency curve

2）在联网方式、三炉两机两套生产线方式下，自备电厂#2机组N-1跳闸后，系统损失机组出力44.3 MW，不采取措施，企业电网出现功率缺额。由于功率重新分配后，新疆电网对本企业电网来说，等同于无穷大容量机组，最终稳态下功率缺额绝大部分分配到大电网，即联络线分担功率缺额的绝大部分功率。110 kV彦新线有功功率由之前的0MW变为下网43.7 MW，自备电厂无电压问题，自备电厂#1机组未出现功角失稳，煤化工电网能维持稳定运行，各曲线如图7～图10所示。

3）在孤网方式下，自备电厂开两台机组（#1、#2机），#1机组N-1跳闸后，系统损失电源出力32.4 MW，由稳控切除负荷32.7 MW，自备电厂无电压问题，#1机组未出现功角失稳，频率最终稳定在50.04 Hz。自备电厂电网能维持稳定运行，各曲线如图11～图13所示。

2.3.2 化工负荷跳闸

1）在联网方式、四炉两机两套生产线下，负荷损失20 MW，不采取措施，企业电网出现的负荷功率缺额同样基本都由大电网承担。110 kV汇新线有功功率由之前的下网12.8 MW变为上网5.8 MW，无电压问题，机组未出现功角失稳，电网能维持稳定运行。

若对外联络断面需保持零功率，可考虑由调度下发机组出力命令，使对外断面潮流维持零功率即可。

2）在联网方式、三炉两机两套生产线下，负荷损失20 MW，不采取措施，企业电网出现的功率缺额同样基本都由大电网承担。110 kV汇新线有功功率由之前的0 MW变为上网19.8 MW，新自备电厂机组未出现功角失稳，煤化工电网无电压问题，能维持稳定运行。

3）在孤网方式下，自备电厂开两台机组，煤化工损失20 MW负荷。

①切除#1机组（故障前出力32.4 MW），存在功率不平衡12.4 MW，系统出现低频问题。

②切除#1发电机组，同时切除负荷12.43 MW，站内孤网无电压问题，#2机组未出现功角失稳，电网能维持稳定运行，频率最终稳定在49.97 Hz。

2.3.3 110kV 彦新双线N-1跳闸

1）在联网方式、四炉两机两套生产线下，110 kV彦新一线三相永久性故障N-1跳闸后，110 kV彦新二线功率由事故前的下网6.33 MW变为下网12.8 MW；自备电厂机组未出现明显的振荡，最终稳定运行。

2）在联网方式、三炉两机两套生产线下，110 kV彦新一线三相永久性故障N-1跳闸后，110 kV彦新二线功率由事故前的 0MW变为下网0.1 MW，断面维持零功率不变；自备电厂机组未出现明显的振荡，最终稳定运行。

2.3.4 110 kV彦新双线N-2跳闸

1）在联网方式、四炉两机两套生产线下，110 kV彦新断面下网12.8 MW，发生110 kV彦新双线N-2跳闸。若不采取措施，企业电网将低频。企业电网系统频率曲线如图16所示。

2 s彦新I线三相永跳，2.12 s彦新二线N-2跳闸。在2.42 s采取切除负荷11 MW，电网在事故前下网12.8 MW，事故后系统频率最终为49.94 Hz，能维持电网稳定运行。

2）在联网方式、三炉两机两套生产线下，110 kV彦新断面0 MW，发生110 kV彦新断面断开故障，不采取措施，该煤化工电网稳定运行。

3 结语

本文介绍了安全运行控制系统，对系统功能需求进行分析，绘制了四炉两机两套生产线联网、三炉两机两套生产线联网和三炉两机两套生产线孤网3种运行方式下的潮流图，并基于实际运行情况，在企业电网内部机组跳闸、负荷跳闸、对外联络断面断开等多种故障状况下，对该煤化工电网进行暂态稳定分析。

研究表明，该煤化工电网存在较大概率的孤网风险。电网在针对下列不同运行方式下企业电网或外部发生的不同故障，还需稳控，及时采取措施，才能维持系统稳定运行。

1）在孤网方式下，自备电厂开两台机组，其中一台机组跳闸后，通过稳控系统切除相应负荷，使企业电网无电压问题，运行机组未出现功角失稳。

2）在孤网方式下，自备电厂开两台机组，系统负荷损失20 MW：通过切除一台机组，同时切除部分负荷，使企业电网无电压问题，运行机组未出现功角失稳，电网能维持稳定运行。

3）在联网方式、四炉两机两套生产线下，110 kV彦新断面下网12.8MW：发生110 kV彦新双线N-2跳闸，若不采取措施，该煤化工企业电网将低频。

4）在联网方式，N-1机组跳闸或负荷跳闸，该煤化工电网无稳定问题。

该煤化工电网正常时的运行方式，应尽量保证对外断面零功率或者不超过机组向上一次调频能量的下网潮流；应尽量避免长期孤网方式运行，以提高供电安全稳定可靠性。