镇海炼化电网安全稳定分析
王 亮1
张毅威1
鲁宗相1
张军梁2
1.
清华大学电机工程及应用电子工程系 北京
100084
2.中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司
浙江宁波 315000
摘要：镇海炼化电网是一个有内部电源的大型企业电网，随企业规模的扩大，电网扩建，网架结构不同的新老电厂的并网运行，内部电网的安全稳定性更加复杂。针对这样一个系统，对其进行建模分析，并提出相应的措施提高其稳定性、可靠性，无疑对企业的正常生产有着重要的意义。
关键词：石化电网；安全稳定分析；低频减载
0
引言
大型石化企业，其生产对供电的安全有着特殊重要的需求。由企业性质决定，企业的用电量巨大，采用自备内部电网供电与外部电网供电结合的方式来满足生产需要。通常，大型石化企业电网特点主要有：电力负荷以电动机负荷为主且密度大、供电可靠性要求高、供配电线路以电力电缆为主[1]，企业内部多形成独立的低压、中压配电网。
目前我国较多大型石化企业的供配电系统是由中小型企业的供配电系统随企业发展逐步扩建起来的，这种特点使得大型石化企业电网新旧设备混杂，扩建电网与原有电网联合运行，其运行和维护工作就面临很大的挑战，如何选择合理的供配电方式[2]，确保企业供配电系统安全、可靠、经济、合理运行，成为企业电气工程师亟待解决的关键问题。本文以镇海炼化电网的乙烯扩建工程为例，分析扩建后的镇海炼化电网的安全稳定性，对选择合理的电网运行方式、提高系统稳定性的措施提出建议。
1
镇海炼化电网
1.1
电网简介
同其它石化电网[3]类似，镇海炼化电网一方面有企业内部电源，另一方面有外部电网支撑，正常运行时，内部电网供电满足本厂负荷，外部电网备用。镇海炼化公司原有装机5台，容量为189MW，可维持现有企业的正常运作，而随着乙烯扩建工程的实施，需要再规划4台机240MW装机容量的扩建电网，与原有电网共同完成全公司的工业生产供电任务。
企业电网内35kV及以上电压等级的变电所采用双母线运行；在35kV及以下电压等级的配电所采用单母线分段运行，其中110kV母线母联运行，35kV及以下等级母线母联热备用，以最大程度的提高供电可靠性。在老厂部分，发电机升压至6kV或35kV后接入系统；规划的新厂部分，发电机直接升压至110kV接入系统。
企业电网的新老两部分的网架结构不同，新规划部分结构相对更合理，可靠性高；而老厂部分的结构相对较弱，如何协调新老电网的并网运行并提高整个电网运行的可靠性，是本文关注的问题。
1.2
典型工况
根据电网的实际结构及运行特点，考虑系统设备的正常检修、紧急停运等，在电网的安全稳定分析中选择了四类典型的运行方式进行分析。具体如下：
方式A：正常运行方式，即电网内部机组全部运行，基本满足全厂负荷需求，与外电网有少量功率交换；
方式B：仅内部机组全部运行，与外电网联络线断开；
方式C：内部机组全部退出运行，外电网提供内部电网负荷需求，内部电网负荷水平受电气元件容量限制有所降低；
方式D：内部某电站进行检修，由其余机组和外电网联合供电满足全厂负荷。
2
镇海电网的潮流稳定计算
本文基于ETAP平台，对四种典型运行方式进行全面的安全稳定分析。
2.1
镇海炼化电网潮流计算
四种典型运行方式的潮流计算中，通过调整变压器变比使得潮流分布更为合理，以保持节点电压、支路功率在容许范围内。具体策略是先调整较高电压级别的变压器变比，最大范围地满足较低电压级别的电压水平；如果负荷端节点电压仍然不能满足条件，则进一步调整附近相关变压器的变比，以满足预期要求。
方式A下的系统规模为：发电机节点10个(包括平衡节点1个)，负荷节点231个，架空线12条，电缆141条，双绕组变压器167台，三绕组变压器2台。表1列出了四种运行方式下的潮流结果对比。
表1
四种运行方式下潮流结果
|
运行方式 |
外网供电 |
负荷水平 |
|
P |
PF |
|
方式A |
-0.7 |
|
354 |
|
方式B |
0 |
|
354 |
|
方式C |
289 |
0.820 |
316 |
|
方式D |
193 |
0.821 |
354 |
通过对四种运行方式的仿真计算，可以得到如下要点：
适当调整变压器变比，节点电压都能维持在合理的范围内工作；
适当调整变压器变比、发电机无功出力，系统的支路潮流符合运行要求；
方式B不需要外网支持，方式A外网作为备用，运行中有较少功率交换，内部发电机的无功出力均接近极限；
方式C全部需要外网提供电能，供电功率因数较低，仅为0.82；
方式D厂内发电机无功支持已接近极限，需要外网的支持较多，供电功率因数较低，仅为0.82。
2.2
镇海炼化电网暂稳计算
四种典型运行方式的暂态稳定计算中，通过仿真观察发电机功角摇摆、系统频率、负荷端节点电压的动态响应和支路过载等状况，分析系统的暂态稳定性。
由于系统的稳定性受系统动态模型和参数的影响较大，特作以下简要说明：
励磁器模型：采用IEEE 2 [4]
型，参数选用典型参数；
调速器模型：采用Woodward 505模型，参数选用典型参数；
负荷模型：结合企业实际特点，采用90%的电动机负荷与10%恒阻抗负荷组成的复合负荷模型。
表2为故障类型及动作时间列表。
表2故障类型及保护动作时间
|
故障类型 |
故障初始时间 |
故障切除时间 |
实际持续时间 |
|
架空线/电缆故障 |
0.5s |
0.6s |
0.1s |
|
110、220kV母线故障 |
0.1s |
0.2s |
0.1s |
|
35kV母线故障 |
0.1s |
0.6s |
0.5s |
|
变压器故障 |
0.1s |
0.2s |
0.1s |
在以上4种运行方式下，选择内部电网三相故障进行暂态稳定性分析，主要故障模式包括发电机故障、联络变压器故障、母线故障和线路故障等四种。
通过仿真计算，各种运行方式下系统的薄弱点都出现在老厂即现有电厂部分。图1(a)以新厂部分某110kV母线故障为例的系统保持稳定的发电机功角曲线；图1(b)以老厂某35kV配电所母线故障为例的系统极限稳定的发电机功角曲线。
3
提高系统安全稳定性的措施
3.1提高静态安全性措施
方式A的内部发电机组较大程度的满足了当地负荷的需求，系统内联络线及联络变压器上的潮流较轻，供电可靠性最好；
方式B缺乏外电网的支撑，内部发电机组的出力，尤其是无功出力已接近极限，供电可靠性较低；
方式C受电力器件容量限制，负荷水平较轻，外网功率因数相对较低，供电可靠性较低；
方式D外电网功率因数较低，供电可靠性较低。
针对方式B、C、D，需要做好事故后减载的方案，以满足系统主要设备运行的需要。
3.2提高动态安全性措施
综合分析以上四种方式，均需要在老厂的稳定薄弱点安装动作快的速断保护装置，以便在故障后能及时切除故障，保证系统其它机组的稳定运行。
方式B发生最严重故障时，系统频率最低可达48.5Hz，虽然调速器动作可以保证系统频率恢复正常，可频率低于49Hz的持续时间超过1.5s，需要安装低频减载装置；而故障后系统电压最低可跌落至0.92
p.u.，需要安装低压减载装置。
方式C没有内部发电机组，频率稳定和功角稳定由外电网来保证，发生最严重故障后，系统电压最低可跌落0.13
p.u.，需要安装低压减载装置保证系统的稳定性。
方式D故障后，系统电压跌落较大，需要安装低压减载装置；失去外电网的故障最严重，此时内部频率失稳，必须安装低频减载装置才能保证系统内主要设备的安全运行。图2(a)、(b)分别为系统无低频减载装置和安装低频减载装置后的系统频率曲线图。
4
结论
(1)
方式A、B、D存在相同功角稳定薄弱点，需要配置动作时间短且可靠性高的继电保护装置。
(2)
方式A是配置相对最合理，安全稳定性最高的运行方式，扩建后的整个电网能保证系统的稳定要求。
(3)
方式B、C、D都不同程度的存在电压稳定和频率稳定的问题，需要安装低压减载装置和低频减载装置，来满足系统稳定的要求。
参考文献：
1.
张军梁,周浩,马皓.大型石化企业配电系统中性点采用电阻接地方式的可行性研究[J].电气应用,2007,2:
20-23
2.
潘飞.大型石油化工企业供配电系统[J].电工技术杂志,
2003,12: 15-18
3.
刘玉璋,徐惠文.大型石化联合企业内部电网安全供电应当注意的问题[J].中国能源.2000,14:
26-29
IEEE COMMITTEE REPORT. Computer Representation of
Excitation Systems[J]. IEEE TRANSACTIONS ON POWER
APPARATUS AND SYSTEMS. 1968,NO.6. 1460-1464.
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