全国石油和化学工业电气技术委员会

2. 美国欧特艾远东(南京)计算机技术有限公司江苏省南京市 210008

摘要：本文针对大型石化企业电力系统的特点及其建模和分析计算的重要性，介绍了ETAP软件的主要交流设备的模型、不同的分析模块需要的数据以及包含数据版本、单线图和连接方式的三维数据库的概念和应用。文章根据实际的大型石化企业电力系统建模和仿真分析的实践，具体讨论了使用ETAP的经验。文章最后提供了潮流实测数据和ETAP潮流分析结果的比较，以及短路手算结果和ETAP短路计算结果的比较，比较结果充分了证实ETAP软件的高效性、便捷性和有效性。

关键词：电力系统建模，石化电力系统，电力系统运行，仿真计算，ETAP软件

大型石化企业的电力系统具有其本身固有的特殊性。对于系统来说，它既是负荷点，又是一个电源点，而且电源和负荷的规模都比较大；就其自身而言，发电厂部分的复杂程度与电力系统的其它发电厂是一样的，供配电部分的用电量而言相当于一个中等城市的用电量，供配电网的复杂程度也相当于一个中等城市，而且要考虑大量的中低压电机。也就是说，其调度部门的要求与中等城市的供电公司相当。由于整个石化企业的电力系统涉及到电源、供配电网络、大量的电动机负荷，生产管理、技术管理的要求在一定条件下要高于中等城市的供电公司。

大型石化电力系统的特点决定了如此复杂的电力系统的生产管理、运行调度、技术改造、确定每年的运行方式等是一件庞大、复杂的工程。首先需要建立整个系统的模型，站在系统的角度，完成相关分析计算，输出报告，作为处理日常事务、新的变电站的投运、增容改造、新的大型电机的投运、调度员和值班员高级分析培训等的依据。

ETAP是国际通用的电力及电气系统分析计算商业软件，由美国OTI公司于1984年开发，1986年正式发布。目前，ETAP软件具有潮流分析、短路计算、继电保护配合和选择、电动机加速分析、暂态稳定分析等二十多个模块，广泛地应用于各行业的发电、输配电和用电部门。

美国欧特艾远东(南京)计算机有限公司为美国OTI公司在海外的唯一一家独资公司。经过努力，几年以来，ETAP软件在中国石化系统的电气工程界已经具有相当的知名度和影响力，也得到各级领导和工程师们的肯定和赞扬。目前，ETAP软件在中国石化系统拥有上海石化、仪征化纤、扬子－巴斯夫、扬子石化、巴陵石化、荆门石化、青岛石化等具有代表性的用户，ETAP软件已经成为这些大公司的电气部门领导和工程师们解决相关问题、判断和决策的得力助手。中国欧特艾公司除了销售ETAP软件和技术支持等工作之外，还向用户提供咨询服务和工程服务。我们与用户共同完成的工程项目有上海石化、长城铝业、大亚湾核电等单位的ETAP建模和分析工程。

本文介绍了上海石化在使用ETAP对电力系统建模过程中所取得的一些经验和体会。由于篇幅关系，我们重点讨论了有关潮流和短路计算所需数据的准备和录入、完成的相关计算以及给生产管理、运行调度到来的前所未有的效益。

本章首先对一些主要交流设备的模型包括支路设备、等效电网、同步发电机、感应电动机、等效负荷等及其在程序中的表示方法进行必要的介绍。

变压器、传输线、电缆、电抗器和阻抗等支路设备采用等值电路模型，需要输入的数据包括： Z、R、X或X/R；阻抗基准电压和基准容量；支路数值和单位,电缆和传输线的长度和单位；变压器额定电压和额定容量、分接头和LTC。

ETAP软件建立的等效电网模型是带有内阻抗的恒定电压源，不同分析模块需要的数据不一样。首先指定恒定电压源的额定电压，等效电网的实际母线电压可以通过额定电压的百分数来指定。潮流分析仅仅需要等效电网的母线电压和相角；短路计算需要指定等效电网的内阻抗，也就是三相短路容量和单相电路容量以及电抗和电阻之比。在电动机加速分析和暂态稳定分析等模块，等效电网需要的数据与短路计算相同。

ETAP软件的同步发电机的模型是带有内阻抗的电压源，在ETAP软件的不同模块需要的数据不一样。首先输入其额定值和阻抗值。发电机的实际电压通过额定电压的百分数来指定。潮流分析需要指定发电机的运行模式和相关数据；短路计算需要输入发电机的额定值和阻抗值以及相关数据；电动机加速分析模块需要的发电机数据包含运行模式、电压源的电压大小以及Xd’和X/R。暂态稳定分析模块除了需要发电机的额定值和阻抗值之外，还需要其动态模型数据以及控制系统模型(励磁器、调速器等)。

潮流分析需要感应电动机的铭牌数据和实际负荷百分数等；短路计算除了需要电动机的铭牌数据之外，还需要堵转、时间常数等数据；电动机加速分析则需要建立其电路模型。

在电力系统分析计算中，通常需要将某一区域内的各种负荷合并为一个等效负荷，接在某一个电压等级的母线上。每一个负荷都代表一定数量的各类用电设备及相关的变配电设备的组合，这样的组合称为等效负荷，亦称为综合负荷。ETAP 软件的等效负荷模型由两个部分组成，第一部分为恒功率的电动机负荷；第二部分与电压的平方成正比，代表恒阻抗消耗的功率，二者所占百分数之和等于100％。在等效负荷所接母线及其附近母线发生短路故障的情况下，因为等效负荷包含电动机，所以它对故障点有一个反馈电流，此电流是衰减的。

ETAP软件的所有分析模块需要的设备模型和相关数据在其用户手册皆有详细说明。表1列出了用于潮流分析和短路计算的各种交流设备数据。

设备	潮流分析	短路计算
支路 (变压器、电缆等)	Z,R,X,或 X/R,阻抗基准电压和基准容量支路数值和单位,电缆和传输线的长度和单位变压器额定电压和额定容量,分接头,和LTC	Z,R,X,或X/R,基准电压和基准容量,支路数值和单位,电缆和传输线长度和单位,变压器额定电压和容量,分接头,和LTC,零序阻抗,变压器连结,接地类型和参数
等效电网	额定电压,运行模式:平衡节点(V,θ),电压控制(P,V),无功控制(P,Q),功率因数控制(P,PF)	额定电压,电压百分数和相角,三相短路容量, 单相短路容量和X/R,接地类型和参数
发电机	额定电压,运行模式:平衡节点(V,θ),电压控制(P,V),无功控制(P,Q),功率因数控制(P,PF)	额定功率,电压,和功率因数,Xd", Xd’和X/R, X₀, X₂ 发电机类型,IEC励磁器类型
感应电动机	额定功率和额定电压,功率因数和效率,负荷类型的负荷百分数,设备电缆数据	额定功率和额定电压,极对数,X/R,X₀,X₂,堵转电流百分数,堵转功率因数,Xd和Td’
同步电动机	额定功率和额定电压,功率因数和效率,想要的负荷类型的负荷百分数,设备电缆数据	额定功率和额定电压,极对数,Xd"和X/R,X₀,X₂,接地类型和参数,堵转电流百分数,Xd,和Tdo’(IEC短路计算)
等效负荷	负荷名称,额定电压,额定容量,功率因数电动机负荷百分数,负荷类型的负荷百分数	额定容量和额定电压,电动机负荷百分数,堵转电流百分数,X/R,X”和Td’(IEC短路计算),接地类型和参数

ETAP软件的三维数据库是指ETAP工程的数据版本、单线图和连接方式共用同一个数据库，三者相互独立。三维数据库的设计思想是考虑到在实际工程中的下列变化和组合。

（1）实际电力系统运行方式（连接方式）是经常变化的，也就是说用于分析的网络拓扑结构是变化的。ETAP软件以同一个数据库为基础，可以生成多个单线图。通过不同单线图的开关设备的打开或闭合的变化，生成多个系统的连接方式，亦即多个网络拓扑结构。两种连接方式如图11和12所示。

（2）以同一个单线图为基础，需要完成多个不同的分析功能，例如潮流分析和短路计算等；或者需要完成在多种情况下的某个分析功能，例如在不同连接方式下的潮流分析。ETAP软件以同一个数据库为基础，可以生成多个单线图，用于显示和对应不同的输出报告。两种单线图如图13和14所示。

（3）系统的交流设备在不同的情况下会有不同的数据，ETAP软件是通过多个数据版本来实现的。例如，等效电网的短路容量有最大和最小运行方式；变压器或发电机在改造前后的不同额定值等等。两种数据版本如图15和16所示。

说明：“化二总降投入”表示化二总降投入的连接方式，区别于把其负荷接到其它电源的连接方式；“负荷等效”表示为了与实测潮流做比较而对应的连接方式。

说明：“潮流分析”表示用于潮流分析调试、结果显示等的单线图；“短路计算” 表示用于短路计算调试、结果显示等的单线图

说明：“最大运行方式“表示系统短路容量最大的数据版本；“05.8.3最大负荷”表示整个系统负荷取2005年8月3日的最大负荷的数据版本。

总之，通过三维数据库，ETAP软件可以很方便地实现多种组合，对应实际系统的多种状况，易于对大型系统的管理和分析计算。

基于ETAP软件的电力系统建模分为两步，即建立单线图和输入数据。

ETAP软件采用图形化建立单线图的方式。在新建工程的编辑模式下，把各种系统需要的设备拖到绘制单线图的图纸上，通过每个设备的连接端子把单个的设备连接成系统单线图。如图12所示：

（1）因为在电气计算中支路设备皆是静止设备，所以输入支路设备的数据是最简便的。支路设备包括：变压器、传输线、电缆、电抗器和阻抗等支路设备，其参数一般从设备铭牌、厂家标准数据以及安装、施工和试验记录中获得。

（2）根据从电网公司或供电公司获得的相关数据，输入等效电网的实际运行电压和短路容量。在不知道X/R比值的情况下，可以输入《电力工程设计手册（一次部分）》推荐的典型值。因为平衡节点的P、Q不能预先给出，所以该节点的V和θ就应预先给出，该节点也称为Vθ节点，其PQ值由潮流计算来确定，大型工业电力系统潮流计算的平衡节点选在与主网的连接点。在初次潮流计算结束时，若平衡节点的有功功率和无功功率和实际情况不符，就要调整其它节点给定的边界条件以使平衡节点的功率在实际允许的范围之内。

（3）根据同步发电机的产品说明书，输入其额定值、阻抗和模型(稳态、暂态和此暂态)等数据。

（4）基于ETAP软件输入负荷的方法要区别对待。对于感应电动机和同步电动机，可以直接输入电机铭牌值及其它数据；也可以从ETAP软件自带的设备数据库提取典型电机数据。在部分电动机原始资料不全的情况下，ETAP软件自带的强大的设备数据库充分发挥了其优越性。如果要完成电动机加速分析，那么就需要建立电动机的电路模型。ETAP软件具有电机参数估计模块，根据电机的铭牌值应用此模块可以获得该电机的电路模型的电气参数。

对于等效负荷，建立其静态模型有两种方法：总体测辨法和统计综合法。在上海石化的ETAP工程中，我们采用统计综合法。根据该等效负荷包含的电动机的比例，在等效负荷的铭牌值属性页指定电动机所占比例的百分数。例如常减压6kV一段所接的等效负荷的电动机比例为86％，恒阻抗负荷所占比例为14％。

每一台发电机可定义10个发电类型，即设计、正常、夏季和冬季等，用户也可以根据实际情况指定更合适的名称。在不同的情况下，发电机输出的有功功率也不同，ETAP软件通过不同的发电类型指定不同的输出有功功率。例如，热电二站#3机输出有功功率的“设计”类型为60MW，“正常”类型为54MW，“夏季”类型为54MW等等。再根据发电机的实际控制方式选择其运行模式，即选择平衡节点、电压控制、无功控制或者功率因数控制。如果电网的调度部门没有要求本企业的发电机组的投入“一次调频”，那么发电机组皆是根据日负荷曲线的恒功率发电方式，即设定发电机组输出的有功功率为定值，再根据实际情况选择运行模式是电压控制、无功控制或者功率因数控制。例如，上海石化ETAP工程的18台发电机组运行模式皆是无功控制。

每一台电动机或者每一个等效负荷也可定义10个负荷类型，即“设计”、“正常”、“夏季”和“冬季”等，用户也可以根据实际情况指定更合适的名称，例如“最大”、“最小”和“平均”等。电动机实际所带负荷可以由其负荷类型来指定。例如，2变-6kV3#氧压机的“设计”类型为100％，即520kW；“正常”类型为90%；“夏季”类型为90％。等效负荷也可以通过负荷类型(额定容量的百分数)来指定负荷的大小。

在每一个模块的分析案例编辑器，ETAP软件可以设定与分析计算相关的参数或者动作等。

除了通过负荷类型指定负荷的变化之外，还可以同时调整每一条母线所接的负荷，以及同时分类“全部”调整负荷(增加或减少)。“母线最大”表示在分析计算时母线所接负荷增加到其额定值总和的最大百分数，例如125％；“母线最小”表示在分析计算时母线所接负荷减少到其额定值总和的最小百分数，例如80％。分类“全部”调整负荷是指同时增加或减少等效负荷或者静态负荷。这些功能使得应用ETAP软件完成具有工程意义的潮流分析是一件非常简便的事情。例如，研究在系统接线不变的情况下3年后负荷增加20％后的系统潮流，应用“母线最大”或者“负荷类型”和“全部”即可很方便地实现。

在短路计算模块的分析案例编辑器，可以调整电压c因子，以及是否考虑变压器的实际变比等。在校验断路器的开断能力时，可以采用全部母线故障电流或者最大通过电流。

电机加速分析和暂态稳定分析模块均有分析案例编辑器可以用来设置动作和仿真时间等参数。

上海石化是目前全国特大型石化企业之一。上海石化电力系统的最大供电负荷在50万kW以上，全年供电量约40亿度。在2005年7月采购ETAP软件之后，上海石化组织公用事业公司供电所调度室的工程技术人员完成了系统建模工程，并且在2005年12月通过总公司的验收。

目前上海石化电力系统模型包括：母线(含连接节点)1339条，电缆938条，传输线4条，电容器83组，充电器4台，高压断路器1717台，低压断路器660台，复合网络193个，熔断器19个，发电机18台，等效负荷243个，感应电动机570台，同步电动机18台，双绕组变压器443台，三绕组变压器8台。

完成在多种运行方式下的“最大负荷”、“最小负荷”和“平均负荷”的潮流计算。获得在几种特殊情况下的调压方式和无功分配情况。完成在几种故障情况下的“操作预演”，校验了关键线路的潮流。表2列出2005年8月3日在最大负荷情况下的潮流实测数据和仿真计算结果的比较。实测数据表明，ETAP仿真计算结果和实测数据是一致的。

完成系统目前最大和最小方式的短路计算。校验主要高压和中压母线的三相短路计算结果和以往手算数据。表3列出三段35kV母线三相短路手算结果和ETAP软件计算结果的比较。根据与上海电网连接点几年以后的短路容量和上海石化电网的发展规划，完成电网近期规划的初步工作。

此外，应用ETAP软件的继保配合模块及其插入故障校验继保动作顺序功能，有选择地校验了典型线路和馈线以及典型设备(变压器和大型电动机)的保护动作情况。

完成新增电动机的加速分析和老电机软起动改造的仿真分析。完成在系统负荷最大的情况下，与上海电网连接线路一回故障跳闸的暂态稳定分析，重点考察发电机组和几台大型电动机的动态特性。也初步完成在上海石化电网与上海电网脱离情况下的暂态稳定分析，对于现有的保护和控制方式做了校验，以及发电机组失磁的分析。

	电压数据	35kV电压				220kV潮流
站点	电压数据	正一段	正二段	正零段	副母	金煤 2251	金石 2252	煤石 2253	煤石 2254	阳金 2119	阳石 2110
热电一站	实测	36.3	36.2		35.6	-25	15	60	62	5	-20
热电一站	计算	36.25	36.08		36.4	-23.2	17.3	66.6	65.2	5.5	-20
热电二站	实测	35.3	36.5	35.6	36.5
热电二站	计算	35.52	36.47	35.52	36.47
石化变	实测	36.7	36.0		36.2
石化变	计算	36.63	36.11		36.89

6 应用ETAP软件建立工业电力系统模型和完成仿真计算的意义

ETAP软件在上海石化电力系统建模和仿真分析的成功经验说明了以下几点：

（1）应用ETAP软件建立了系统模型,大型工业电力系统的调度部门就可以简便、高效地完成多种运行方式、多种发电和负荷状况的分析计算工作，为各种典型调度方案以及一些特殊方案和临时方案提供理论依据，而不仅仅凭经验做事。

（2）应用ETAP软件建立了系统模型，对于一次接线更改、设备新增或扩容乃至企业电网的远景规划都具有相当的指导意义，即分析这些变化将对系统造成什么样的影响，可采取什么措施等等。

（3）应用ETAP软件建立了系统模型，对于系统可能出现的故障做“操作预演”分析。这样便于发现存在的问题，找到解决方案。特别是对于涉及整个系统安全稳定运行的“操作预演”分析，有了好的应急处理预案，明确甩负荷的数量和地点以及设置解列点的位置，能节省大量不必要的投资，也会在大的事故面前处变不惊，急中不乱。

（4）应用ETAP软件，短路计算和继保配合及校验工作集成到一起。可以通过“故障插入”模拟系统发生短路故障，校验所有根据短路电流原理的继电保护的整定计算结果，预先发现问题，进而提出改进方案。ETAP软件使得短路计算和继保配合这两项最基础、最重要、最耗时的电力系统运行和管理工作变得简便而富有效率，最大程度地降低出错率，保证分析计算和继保配合的正确性。

（5）在建模必需的设备原始资料不全的条件下，可以利用ETAP软件强大的典型设备的数据库，加快建模进度，保证工作质量。在上海石化系统建模过程中，ETAP软件的电动机数据库发挥了极大的作用。

（6）目前大型工业电力系统的调度员和值班员培训采用仿真培训系统侧重于倒闸操作、“事故预想”、事故处理、“反事故演习”等工作，所有正常操作信号、故障信号和保护动作等都是预先设定的。在拥有基于ETAP软件建立的电力系统模型之后，正常操作之后的系统潮流、故障发生之后的母线电压、支路电流和机组动态过程以及保护动作顺序等完全是根据系统的仿真分析计算结果而定的。基于ETAP建立的系统模型一方面可以弥补常规仿真培训系统的不足之处，加深调度员和值班员对于系统正常运行、异常状态、故障状态以及保护机理的理解，强化他们预见、分析、判断和处理系统异常和事故的能力；另一方面可以加强对危险源预防和控制能力的培训，使调度员和值班员认识到工作环境的危险性和工作本身的危险性，减少他们习惯性违章行为，从而减少各类事故的发生。

（7）应用ETAP软件，可以完成分析计算功能。同时，还兼有数据和设备管理功能。ETAP软件的继保配合和选择模块可以保存所有设备和馈线的电流保护配合的TCC曲线，便于查找、修正和打印等。在变压器、电缆和电动机等每一台设备的注释和评论属性页，可以记录设备的地理位置、隶属部门、检修和缺陷状况等。一旦完成系统建模工作，基于ETAP软件可以随时分类查找、调出各类设备数据，用于技术管理工作。

1. 鞠　平，马大强，电力系统负荷建模，北京:水利电力出版社，1995