（检测技术与自动化装置专业论文）企业电网在外部系统故障时的安全稳定性研究.pdf

摘要 伴随着砒界电力系统向大释量、商电压和人电网互联的发腱，受政治、经济、环境、 技术簿因素的制约，快速发展中的电网必定要走多样化电源的发展道路。随着电网中分 散式并两电源的稽多，主霹故障时，鲡簿保证这些分散方式发嗽系统自身的安全稳定成 为电力系统工作者研究的问题之一。 终秀电耀串势教式并耀耄添躲一耱澎式，企、监鑫备邋厂基经藏为我疆电力系统懿重 要组成部分。在当前形势下，外部系统故障时，如何保证企业电网的安全稳定已成为我 国大中型企业所亟待勰抉的| 、礤题。企业盆备电厂与电网中存在的小电源发电系绞具有楣 似的电礴结构，在此炭问题的分析方法和解决措施上可戳相互储鉴。本文借鉴成熟的电 力系统稳定分析理论和方法，在综合现有文献研究成果的基础上，研究了外部系统故障 时企照电嚼瓣安全稳定经阂藤，分辑了主霹敲簿辩企照鸯备毫厂豹遥渡过程税壤，并放 企业电网稳定的角度，分析了企业电网所应具肖的配嚣。为今厝企业电网的技术改造提 供了理论参考依据，黪为稷关镁域的进一步磷究提供了淫论分辑框架。 本文曹巍描述了课题的研究背景，结台企北电网特殊的运行方式，阐述了溉有文献 所关注的研究角度和磺究现状；通过分析总结，提出了典型的众业电网结构和欺型的外 部系统敲障类墅，并莆l 雳毫力系统努耩综台程序构建7 企韭奄圈及其与乡 部系统互联酶 数学模型；进而选取了一种典避的故障类型，对不同运行方式下故障后企业电阐的过渡 过程避霉亍7 饶爽分攒，莠缝合众韭电瓣懿骚京越矍，探讨了金攮毫瓣现鸯配置豹不是耱 改进措旋。 雀全文的结论中，总结了本文的主簧工作翱不足之处，著对下一步的上作做了展望。 美键淫：并耀，解裂，孤毽运费，超逮绦护，缓受蘸 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n t st ol a r g ec a p a c i t y , h i 曲v o l t a g ea n di n t e r c o n n e c t e dl a r g e p o w e rn e t w o r k s ，t h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fl a r g ep o w e rn e t w o r ki sa l w a y sas t u d yh o t s p o t ， r e s e a r c h e r sh a v ed o n es u b s t a n t i v ew o r ka n da c h i e v e de n o t f l o n sp r o g r e s sa n dag r e a td e a jo f p r o d u c t i o n t h em a i np o w e rg r i di ss t r e n 甄h e n e da n dc o n s u m m a t e d t h e r e a r eal o to f r e g i o n a ls y s t e m si nl a r g e rp o w e rn e t w o r k s ，s u c ha si n d u s t r i a lp o w e rp l a n t s ，t h e yu s u a l l y s u p p l i e sp o w e rt or e g i o n a li m p o r t a n tc u s t o m e r s ，b u tt h ep r o b l e m sa b o u tt h es e c u r i t ya n d s t a b i l i t yo fr e g i o n a ls y s t e m si nl a r g e rp o w e rn e t w o r k sa r eu r g e n t l yn e e d e dt or e s o l v e 0 n eo f t h ep r o b l e m si st h eh o wt oe n s u r et h es t a b i l i t yo ft h er e g i o n a ls y s t e m sw h e nt h em a i ng r i d l o s t c o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c a lp r o j e c t ，t h i sp a p e rf u l l ys t u d i e st h es t a b i l i t yo f t h ei n d u s t r i a l p o w e rn e t w o r kw h e ne x t e r n a lf a u l t so c c u r i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h ep r o j e c tf i r m l yi si n t r o d u c e d ，a n dt h em a i n l y r e s e a r c hp e r s p e c t i v e so f p o w e rp l a n t sw h i c hh a v es i m i l a rs p e c i a ls t r u c t u r eb ya c a d e m i cc i r c l e s h o m ea n d 曲r o a di ss u r v e y e d t h e nt h ea n a l y s i sm e t h o do ft h ep r o j e c ti sp r e s e n t e di nd e t a i l a n dt h em a t h e m a t i cm o d e lw a sd e v e l o p e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et l l e l l n a lp o w e r p l a n to ft i a n j i np e t r o c h e m i c a lc o m p a n y p s a s pi sa p p l i e dt or e a l i z et h es i m u l a t i o no ft h e d y n a m i cb e h a v i o ro ft h ep o w e rp l a n tu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，b yt h i sw a y , t h ew e a kp a r t s t h a tm a yc a u s ep o w e r p l a n to u t a g ea r ed i s c o v e r e d a n dt h ei m p r o v e m e n t sa r ee x p l o r e d t h u s i tp r o v i d e st h e o r yb a s i sf o rt e c h n i c a lm o d i f i c a t i o n si nf u t u r e a n da l s og i v e sar e f e r e n c ef o r s t a b i l i t yc o n t r o io f s i m i l a rp o w e rn e t w o r k s k e y w o r d s ：g r i d - c o n n e c t e d ，s p l i t t i n g ，i s o l a t e dp o w e rs y s t e mo p e r a t i o n ，o v e r s p e e d p r o t e c t i o n ，l o a ds h e d d i n g 独稍性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得静研究残莱，除了文中特羽翻以标注釉致谢之处外，论文中不包含萁谴 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 墨望堡苎盘鲎 或 其 电教育机构的学位或证书而使堵过的材料。与我一闻工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文雄拳签名：南庶l 訇 签字毽期：2 # 彩韦3 舞场鼙 学位论文版权使景授权书 本学位论文作者完全了解叁盗堡墨盘甓有关保留、使用学位论文 豹规定。特授权墨盗堡墨太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 淡供查阅秘售溪。嚣意学校自国家畜关部门或撬捣送交论文懿复本秘电子 文件。 裸密麴学位论文在瓣密嚣逶鬻本授权说骥) 学位论文作者签名：南庆雨 签字q 期：勃薛岁月f 舂髓 导坪獬：易劬毽 签字辩期：劫茹年亏月9 牙 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电力供应中电能不能大量储存，如果希望能够提供可靠的电力，就必须保证拥有足 够的发电、输电和配电容量，并且运行人员必须保证发电和用电需求始终保持平衡，以 控制系统的电压和频率。一旦系统失衡，电力系统稳定遭到破坏，就有可能带来严重的 后果。但是，电力系统稳定与否受到电网结构、地理位置等一系列因素的影响，电力系 统的控制需要随着上述因素的变化而改变。电力系统的非线性、复杂等特点，更是为电 力系统的安全稳定性研究带来了许多难题。在电力系统中，解决某一系统变化的法则可 能不适用于其他系统，甚至可能无法适用于同一系统中的任何两种变化。因此，针对电 力系统稳定问题中的不同对象和特点，电力系统稳定分析和控制逐渐形成了各自不同的 风格和理论体系。 当前，大中型企业自备电厂作为电力系统和行业中一个特殊的独立主体，已经成为 我国电力系统和电力行业的重要组成部分。在我国一些典型地区( 如辽宁、广东、上海、 山东及湖南等地) 自备电厂装机容量占总装机容量达2 0 以上i lj 。企业自备电厂作为大 型企业的电能供应中心，为保证其供电的可靠性和调度的灵活性，许多都与外部大电网 并联运行i “。对于并网运行的企业自备电厂来说，其调度运行、继电保护的配置和稳 定控制装置的设计一方面要受到并网协议的约束，需要满足并网运行的要求；另一方面， 在外部系统故障危及企业安全生产时，要能够确保自各电厂与主网可靠解列，并能够过 渡到稳定的企业电网孤网运行状态。当外部系统故障危及企业电网的稳定运行时，如果 没有完善的紧急处理方案，有可能带来严重的后果。2 0 0 0 年6 月1 4 日，受外部系统故 障的冲击，天津石化公司电网与外部电网解列，形成独立电力系统的运行方式。但随后 电力潮流出现剧烈变化，电厂机组有功、无功、电流和电压大幅度摆动，由于自备电厂 没有相应的事故处理方案，几分钟后系统瓦解，造成全公司停电的重大事故，带来巨大 的经济损失。一旦主网出现自备电厂必须解列的状态，现有的保护设备和调节控制装置 能否满足需要，整定是否合适，紧急控制措施是否满足实际需要，是否可以保证自备电 厂可靠解列，并保证解列后企业电网自身的稳定运行，对此应该进行深入的分析和研究。 根据调研，针对这一问题，国内许多具有自备电厂的企业并没有制定完善的应急措施， 甚至没有考虑这一事故。虽然某些电厂考虑了这一事故的发生，并制定了较完善的控制 方案，但随着企业的发展，电厂扩容以及一些新设备的应用和电网结构的变化，原有的 控制方案已不能适应新形势下的要求。如果不能尽快并有效地解决这问题，随着企业 的发展，发生类似事故所带来的损失也越来越大。尤其是近几年电网供电形势严峻，系 统几乎在无旋转备用的情况下运行，拉闸限电或发生事故的概率加大，在当前形势下， 解决这一问题显得尤为重要与追切。 对于电力系统的安全稳定分析与控制，无论是在理论上还是在应用上，前人已经研 第一章绪论 究出了许多有擞的成果，并且j ! 到了广泛的、i 用。但是，现有的文献人多基于大f 瓴网的 焦度过i 幸亍研究，丽对于类似具鸯自鍪电厂的企业瞧网来说，它们同大电网有共刚的面， 同时也具有自己独特的特点。现有的研究成果川以为研究企业电网韵稳定性问题所借 鉴，但必须根据企业电网独特的约束条件进行相应的改进。根据这一思想，本文借鉴国 杰钤撼关文献钓磺突残粱，对予我国金鼗生产实黢舞瑟睡静实琢鹚题金遂毫瓣在辫 部系统故障时的安全稳定性进行了研究，以期对于类似结构电网的安全稳定研究提 供理论分辑框絮。 1 2 研究背景 伴随着世界电力系统向大容量、高电压和大电网互联的发展，主网网架结构得到逐 步女l 强。熬纛，受政治、经谤、嚣境、技拳等因素致裁麴，挟速发矮孛豹毫网必定要走 多样化电源的发展道路。在过去一个多世纪以来，分布斌发电作为一种有竞争力的发电 方式得到了迅速发展，强黄已成为世界魄力系统发展的一车申耨趋势”“。 照任俺特定形式 分布式发电的麓展进程都将不断面临技术上的挑战。尤箕是对予并网运幸亍的分布式发电 系统来说，系统的联网特性使得这一问题更加复杂。由于分布式发电系统接入配电网， 整褥黧毫系统静潮流、藏悉调节孩及甏溉系统调渲都发黛了深蠢l 豹交纯# “，无论获主疆 的角度还是从分布式发电系统的角度来褥，新的发展趋势为电力系统研究人员提出了新 的课题。每一令联网的发电设藏影酶系绞的同时瞧被系绫氍影响。铡如，如果与系统劳 列运行的小型缎电系统无法跟上配电系统5 0 周波的频率，它就会被系统拖着运行直至 拖垮。反之，小型发电系统的故障也会影响配电系统甚至整个电力系统的供电安全。对 予矗者，为了貉止分蠢式发电系统著溺对主网运彳亍可琵带来的安全豫患，备蓬对予分布 式发电系统并闷作了严格的要求，并制定了一系列指导原则陋”1 ；前者主要涉及联络线 解列装霪设诗i r a - 2 + l 及瓣列鑫熬孤惩稳定羧割等溺题1 2 2 _ 2 “，由于分布式发滚系统斡援划、 安装、技术和遮行方式不同，研究特殊形式分布式发电祭统的孤网稳定控制和适用于各 种分布式发电系统的解列策略成为研究人员关注的热点。 分布式发电在莓肉喇丽兴越，目前程并弼运行分布戏发电系统相关领域豹研究几乎 是空自1 2 6 j 。但熄，在我国的电网结构中，存在着大量并网运行的地区小电源，它们在并 孵运褥濒带来瓣一系嬲阉蓬上( 摇国内萋嚣究的联络线重台阑配鐾| 、蠢嚣戳及夺电源系统的 解列和控制问题t 2 i - 3 3 1 ) 与分布式发电系统有许多相似之处。地区小电源并网接入系统， 是我隧主网向外发展、小电网势入主啜运行时经常出现魄一弛运毒予方式，并目这种运章亍 方式也将在我溺长期存在。地方小电源并网接入系统，对主网和小电厂的安全都带来了 不可预测的影响。由于电网中大型机组的不断增加及主嗍的发展，人们比较多的关心主 两稳定溺瑟，徽了大量豹努辛厅、谤算帮磷竞王佟，露不太注意蟪嚣电弱静稳定禚惩，籍 别是对小电厂的安全问题则往往忽略。对于如何确保主系统电网的安全运行，部颁标准 已有蹲确趣定，但如馋提毫小电源遣区电隧的安全运行秘供电可露蛙却蠖特魍决t 3 + - 3 s j 。 这些小电源往往担负着一些地鹾重要负荷的供电，但这臻小系统容量较小，运行条件较 差，发电出力与地区负荷之问一般都难以平衡。由于小电厂均经联络线与系统相联，困 第一章绪论 此系统中靠近小电厂的任何一次大的事故冲击，都会使小电厂显得不堪一击，如果发生 小系统与主网解列，难以保持正常运行，若发生停电事故，危害也极为严重。这与地区 经济发展对供电可靠性不断提高的要求很不相适应，也影响了供电部门的经济效益。然 而，类似事故在国内并非罕见。从现有国内文献来看，研究人员多为现场工作人员，研 究或基于事故后分析，或只针对其中存在的某一问题，而不能够从系统化的角度对这一 问题进行比较全面的分析。所以，在主网日益加强的今天，合理利用安全自动装置，确 保小系统的安全运行，同样具有重要的意义。 随着电网中分散式并网电源的增多，一方面对于电力系统的规划设计和稳定控制带 来了许多新问题，另一方面也给解决大电网发展所面临瓶颈问题的解决提供了一种新的 思路。 多次电力系统灾变事故告诉我们，只按现有的可靠性准则来保证电力系统的安全是 不够的，为此应建立电力系统的第三道防线1 3 9 j 。第三道防线是指当系统需要解列时，应 当给出合理的解列策略以防止恶性连锁反应从而避免美加系统“8 1 4 ”那样“全死”的灾难 性后果，使每个解列后形成的“孤岛”中发和供的功率基本平衡，故可继续供电。最后还 有一道措施，它的任务是解决如何使已经崩溃的电力系统以最短的时间重新恢复供电的 问题，即“黑启动”。因此，某些研究人员集中于这样一个角度：在电力系统遭受扰动 而即将发生崩溃时，在合适的解列点将系统解列成容量比较小的“孤岛”，并采取紧急 控制措施使其过渡到稳定的系统t 4 0 - “j 。利用这些“孤岛”，配合电网的黑启动方案，尽 快恢复供电 4 7 - 4 9 】。如捷克和意大利都把“孤岛”运行能力和“黑启动”作为电力系统的 辅助服务吲。事实上，无论是2 0 0 3 年8 月美加大停电还是以往国外大停电后的事故恢复， “孤岛”运行方式都起了重要作用1 5 0j 。如果从互联电网的角度来研究这一问题，依靠现 有的理论，还无法得到一种比较完善的解决方案。对于电网中大量存在的分散方式发电 系统来说，在大电网出现瘫痪，大部分机组跳闸的情况下，如果在选定的解列点解列， 机组能够带就近地区负荷稳定运行，不但可以减少停电范围，还可以作为“黑启动”电 源，减少停电时间，对于电网的快速恢复无疑将起到非常关键的作用l 4 7 1 。这对于目前的 电网将增加一道保护手段。尤其是对于企业自备电厂来说，是可能实现的，对于企业来 说也是必要的。如2 0 0 5 年9 月2 6 日，台风造成海南电网瓦解，由于多个电厂“黑启动” 成功，历时4 个小时，部分变电站和主线路开始恢复供电，“金海浆纸”自备电厂就作为 一个关键的启动电源点1 5 “。 无论是所谓的分布式发电系统，还是地区小电源系统，它们与拥有自备电厂的企业 电网具有相似的结构，在外部系统故障时面临着类似的问题，并且在相关问题的研究分 析和解决方法上都可以相互借鉴。总之，从课题研究背景来看，本文的研究工作不仅是 国内企业发展所面临的现实问题，其研究成果也可以为上述相关领域的研究起到“抛砖 引玉”的作用，同时对互联电网反事故措施的研究也具有一定的理论指导意义和应用价 值。 类似事故的经验教训和分析方法对本课题的分析提供了许多参考思路，而现有的研 究成果为处理相关问题提供了不同的视角和强有力的理论依据。另外本文的研究依托于 中石化集团公司项目“发电机组在外部系统故障时的安全稳定性研究”，工程项目的背 第一章绪论 景则可以得到实际的参数数据和现场人员的技术支持，因而可以保证使研究工作不至于 陷入无法进行的困境之中。 1 3 企业电网在外部系统故障时的稳定性 对于电力系统的稳定性，国际上还没有完全统一的定义和分类方法。南于本文主要 研究企业电网在故障后的稳定性，主要着眼于系统的物理本质，故将系统的安全稳定问 题分为功角稳定、电压异常和频率异常等来分析讨论1 ”j 。 功角稳定一般指遭受扰动后电力系统维持同步运行的能力，这一稳定的状况受发电 机转予角的动态和功角关系的影响。功角稳定的问题在大电网的稳定性研究中一直非常 突出。企业自备电厂一般通过配电网与系统并联，如果配电网中还接入其它电厂，则在 配电网失去系统支持时，两个电厂的机组就有可能存在功角稳定问题。企业自备电厂都 具有一定的规模，在其附近很少存在其它电厂，配电网中一般接入一个电厂，因此这种 情况在国内很少出现。由于企业自备电厂的装机容量与整个系统相比很小，其并网运行 的结构可以看成一单机无穷大系统，则在联络线发生瞬时性短路故障时，也存在着功角 稳定问题，企业自备电厂机组的励磁系统对此起着关键的作用。 当系统供电中断时，一般情况下常出现自备电厂机组带本企业负荷运行，或者还继 续为外部配电网的部分或全部负荷供电，此时自备电厂机组作为独立电力系统中的唯一 电源。由于厂内机组一般通过变压器联接于同一母线，在电气上联系紧密，机组间的功 角振荡很小，此时企业电网常出现频率或电压异常的现象。电压和频率有可能稳定于某 一超出限值的水平，使系统达到一种新的稳定状态；也有可能发生电压或频率崩溃事故， 这一现象在国内外分散方式发电系统的事故中普遍存在。 1 4 电力系统仿真概述 为保证电力系统安全、可靠、经济地运行，在规划、分析和研究电力系统时必须确 切完整地考察实际电力系统的静态和动态特性。数字仿真分析是进行电力系统稳定性分 析的基础。采用计算机数字仿真来研究电力系统的稳定性，不仅可以模拟电力系统的动 态过程，还可以利用计算机的丰富图形功能，进行各种动态过程的曲线显示。而且在仿 真过程中，可以对动态过程施加影响，以研究电气新现象的机理和新型控制技术方案的 技术实现等问题。利用数字仿真程序可以形象地模拟企业电网的实际运行状态，并对企 业电网故障后的稳定性进行有效分析。本文研究企业在外部系统故障时的安全稳定性， 从现有文献的分析来看，研究故障后的机电暂态过程可以满足需要。机电暂态过程的仿 真主要研究电力系统受到扰动后的电力系统的动态行为和保持同步运行的能力，并可以 给出频率和电压的变化过程。电力系统机电暂态仿真的算法是联立求解电力系统微分方 程和代数方程，以获得物理量的时域解。微分方程组的求解方法主要有隐式梯形积分法、 改进欧拉法和龙格一库塔法等，其中隐式积分法由于数值稳定性好而得到越来越多的应 用，代数方程组的求解方法主要采用适于求解非线性代数方程组的牛顿法。按照微分方 第一章绪论 景1 j | i j 廿j 以得到实际的参数数据和现场人员的技术支持，因而可以保证使研究工作不至于 陷入无法进行的困境之中。 1 3 企业电网在外部系统故障时的稳定性 对于电力系统的稳定性，国际上还没有完全统一的定义利分类方法。甫于本文丰要 研究企业电网在故障后的稳定性，丰要着眼于系统的物理本质，故将系统的安全稳定问 题分为功角稳定、电压异常和频率异常等米分析讨论l ”j 。 功角稳定一般指遭受扰动后电力系统维持同步运行的能力，这一稳定的状况受发电 机转子角的动态和功角关系的影响。功角稳定的问题在大电网的稳定性研究中一直非常 突出。企业白备电厂一般通过配电网与系统并联，如果配电网中还接入其它电厂- 则在 配电网失去系统支持时，两个电厂的机组就有可能存在功角稳定问题。企业自备电j 都 具有定的规模，在其附近很少存在其它电厂，配电网中一般接入一个电厂，因此这种 r 青况在国内很少出现。由于企业自备电厂的装机容量与整个系统相比很小，其并网运行 的结构可以看成一单机无穷大系统，则在联络线发生瞬时性短路故障时，也存在着功角 稳定问题，企业自备电厂机组的励磁系统对此起着关键的作用。 当系统供电中断时，一般情况下常出现自各电厂机组带本企业负荷运行，或者还继 续为外部配电网的部分或全部负荷供电，此时自各电厂机组作为独立电力系统中的唯一 电源。由于厂内机组一般通过变压器联接于同一母线，在电气上鞋系紧密，机组问的功 角振荡1 1 1 4 ，此时企业电网常出现频率或电压异常的现象。电压和频率有可能稳定于某 一超出限值的水平，使系统达到一种新的稳定状态；也有可能发生电压或频率崩溃事故， 这一现象在国内外分散方式发电系统的事故中普遍存在。 1 4 电力系统仿真概述 为保证电力系统安全、可靠、经济地运行，在规划、分析和研究电力系统时必须确 切完整地考察实际电力系统的静态和动态特性。数字仿真分折是进行电力系统稳定性分 析的基础。采用计算机数字仿真来研究电力系统的稳定性，不仅可以模拟电力系统的动 态过程，还可以利用计算机的丰富图形功能，进行各种动态过程的曲线显示。而h 存仿 真过程中，可以对动态过程施加影响咀研究电气新现象的机理和新型控制技术方案的 技术实现等问题。利用数字仿真程序可以形象地模拟企业电网的实际运行状态，并对企 业电网故障后的稳定性进行有效分析。本文研究企业在外部系统故障时的安全稳定性， 从现有文献的分析来看，研究故障后的机电暂态过程可以满足需要。机电暂悉过程的仿 真主要研究电力系统受到扰动后的电力系统的动态行为和保持同步运行的能力并可蛆 给出频率和电压的变化过程。电力系统机电暂态仿真的算法是联立求解电力系统微分方 程和代数方程，咀获得物理量的时域解。微分方程组的水解方法主要有隐式梯形积分法、 改进欧拉法和龙格一库塔法等，其中隐式积分法由于数值稳定性好而得到越来越多的应 用代数方稗组的求解方法丰要采用适于求解非线性代数方程组的牛顿法。按照微分方 用代数方程组的求解方法主要采用适于求解非线性代数方程组的牛顿法。按照微分力 第一章绪论 程和代数方程的求解顺序可分为交替解法和联立解法。 目前，现有的机电暂态仿真程序主要用于大电网，专用于独立小电网分析的机电暂 态稳定分析程序还比较少，但是我们还是可以使用这种仿真程序分析企业电网的稳定 性。国内常用的仿真程序有电力系统分析综合程序( p s a s p ) 和中国版b p a 电力系统 分析程序。仿真程序中包含了发电机、变压器、输电线路、负荷、励磁系统、调速系统、 静止无功补偿、切负荷装置等电网基本元件的数据库，用户只要按照实际系统的特点， 根据仿真需要，通过软件设置就可以方便地建立整个电力系统的仿真模型。在本文的仿 真分析中，采用了p s a s p 仿真程序。 1 5 外部系统故障和企业电网结构 电力系统的稳定与否只能是对于某一特定电力系统在特定的初始条件和干扰下而 言的，而不能笼统地说某个系统是稳定的或者是不稳定的。因此研究电力系统的稳定性 必须明确故障形式和初始条件( 潮流分布、电网结构) 。企业电网在外部系统故障时的 安全稳定性同样受许多因素的制约，是一个任务量很大的课题。但是企业电网在机组类 型及其控制系统、电网结构、负荷、运行方式、保护及自动化装置的配置上都不相同。 要对这一问题进行系统化的研究，并且使得结果具有通用性，必须提供一个典型的企业 电网。 根据上述企业电网在外部系统故障时的稳定性分析，综合不同文献的分析角度，企 业电网并网运行可以等效成图1 - 1 所示的结构，这主要是基于选取故障类型来考虑的。 帮藤掰爨獭的零一 p 4 ，2 “、一+ l 一1 典型的企业电网联网示意图 企业外部电网从不可能完全处于稳态，经常会由于一些故障或操作( 如短路故障、 电网操作、供用电不平衡等) 而出现过渡过程。这些过渡过程都会对企业电网带来不硎 程度的影响，在分析中不可能对所有的故障或操作进行模拟，那么如何来选择故障类 型? 这需要从故障或操作引起的扰动现象来入手，不管是何种故障或操作，它彳j 对企业 第一章绪沧 电网的扰动类型总可分为以下几类： ( 1 ) 外部系统崩溃使企业电网失去支持； ( 2 ) 线路故障跳闸，或从电厂至_ 变电站间的联络线，或从变电站至主网间的联络 线，造成保护动作使系统供电中断； ( 3 ) 外部电网频率和电压波动； ( 4 ) 失步振荡。 在前两种扰动下都有必要尽快将电，在解列点解列以保证企业内部系统实现稳定。 而对于后两种要根据振荡或波动的强度以及机组控制系统的性能来判断出是否解列。一 般情况下，企业自备电厂通过一回或两回输电线与配电网相联，配电网变电站与系统都 通过两回线路联接，如果系统不发生故障，供电可靠性是比较高的。但是在一回线路检 修或故障情况下，则供电可靠性将会降低。如果变电站与系统间联络线一条停运，另一 条就有可能因故障断开造成系统供电中断。企业自备电厂瞬间带电网其它负荷形成小网 运行方式，频率和电压的变化将取决于故障前交换功率、厂内机组备用容量与电网负荷 水平。这种情况下必须在联络线出口尽快解列，以减少故障冲击。这种故障后企业电网 的稳定性将涉及解列装置原理及整定、故障前交换功率和运行方式、机组控制系统的性 能、负荷水平以及紧急控制装置等一系列问题。同样的故障也可能发生在自备电厂与变 电站间联络线上，从扰动类型来说，解决方法是一样的，但现象可能不同。另外交电站 母线的馈线有可能发生短路接地故障，自备电厂容量与外部系统容量相比甚小，可以将 图1 - 1 看成一单机无穷大系统，则在上述短路接地故障后必然造成厂内机组与系统的功 角振荡，并伴随频率和电压的波动。此时，厂内机组的稳定性将取决于企业电网阻尼的 大小，其中励磁系统的设计对机组的稳定具有重大意义。同样对于联络线也可能发生短 路接地故障，其现象相同。在实际的电力系统中，还存在另一种情况：即可能有多个小 电源系统与变电站联接，这样在变电站与系统间联络线断开时，不同电厂问的机组有可 能发生功角振荡。这在分布式发电系统或某些地区小电源系统是存在的。 根据上述分析，选取下列几种外部电网故障： ( 1 ) 上古林变电站与系统联线因故造成系统供电中断； ( 2 ) 热电厂与变电站联络线因故断线； ( 3 ) 上古林变电站母线馈线出口三相短路接地； ( 4 ) 热电厂与变电站一回联络线三相短路接地。 几种故障的选取不但涵盖了现有文献所考虑的故障，而且能够反映外部系统对企业 电网的不同扰动类型，通过对这几种故障后企业自备电厂的动态过程分析，可以研究企 业电网的各种稳定性问题。 从以往的研究来看，在外部系统故障时，以下几点对于分散方式发电系统的稳定分 析和控制可能具有决定性的影响。 ( 1 ) 机组的类型及其调节系统。1 i 同发电机的励磁系统和汽轮机调节系统对于电 力系统的控制可能产生的效果不同，而一般的企业自备电厂中都有多台机组，这些机组 可能具有不同的励磁系统和汽轮机调节系统，因此必须考虑它们之间不同组合的影响。 多台机组运行涉及机组间功率分配的问题，而这也将影响到自备电厂机组的稳定问题。 第一章绪论 ( 2 ) 嶷备电_ 厂鑫霹联终线交换凌率懿变纯。大爨戆文献磷究表鹾，无论跫解歹藿装 置的可靠性还是解列后企业电网的稳定控制都与交换功率有着重要的关系。企业自各电 厂w 能从终郄系统受避，也露可能憋多余毂戡量上嬲，荠且联络线交换功率麴炭纯可麓 很大。 ( 3 ) 负荷分布。企业自各电厂解列后有功不足悬许多事故发生时的现象，而负荷 隶乎稻分奄对于蠢受蘅措施瓣锈定鸯繁重要彩镌。 因此，个典型的企业电网要能够充分体现上述几点，并且在并网运行时可以用图 1 - 1 采等效。 1 ，6 本文燕要工作 本文依托中石化巢团公司项目的工程研究背景，借鉴现禽的研究成果和分析方法， 提爨了一令典鍪豹众建毫秘终梅帮葵嫠魏钤帮系统敖薄类鍪，并禳据念盈电秘的籍点， 利用电力系统分析综合程序构建了众业电网及其与外部系统互联的数学模型，在大量仿 真诗箨分撰螅基础上，磺究了金业魄弼在外帮系统故障垂豹避渡过程糗理，豺慰国蠹企 业电网的典挺配置，分析了蕻不足之处，并提出了改进建议。 本文完成的主要工作如下： ( 1 ) 综合翳久研究类钕事馥酌方法稻观点，劳将其应焉予企韭秘网的研究，通道 仿真分析，从企业电网的角度上对这些观点进行了分析和论诚。 ( 2 ) 巍予嚣使惩傍真较终戆局羧性，对于电力豢绞中无法避嚣纛接模拟瓣菜些元 件戏操作。本文通谶合理的假设，构建了企业电网及其与外部系统互联的数学模型，并 通过数字仿真得到了较理想的结果。 ( 3 ) 本文遭邋对企韭魄阏现有配宣的分析评价，指出了现有研究( 如裔餐电厂 f l 口联络线的解列策略、汽轮机调节系统的设计以及紧急控制方案的制定) 的不足之处， 菇今嚣金鼗奄羯豹按零改选攘餐理论绞攥。 髂二章课题分析及相关环节处理 第二章典型企韭电网及其数学模型 2 。 关津磊稼企翌邈弱麓余 天津石溯亿工公瑚是集石油、纯工、亿纾、乙烯等一俸的大型生产企髓，耩予高耗 能用电大户，建立企业自备电厂是提商企业经济效益的途径之。天津石化热电厂作为 企业自备电厂。主要受责企业的供电、供熟饪务。为像证石化生产动力供应的稳定性， 祝缀鼯置采鞘多种鼙式、小容量的配鬣，在运行上互桶 充。原一期工程盼设计规模为 1 0 0 m w ，共鼗有2 2 0 t h 高压煤粉炉四裔，2 c c 2 5 - 8 8 3 1 2 7 0 1 1 7 + 2 c b 2 5 8 8 3 4 ，0 2 1 2 7 供熟机缓瓣套。隧菪2 0 万晦年聚聚顼娶豹建设，舔亿热电厂耀应遽嚣扩建，扩建麓 模为1 0 0 m w ，共装商4 1 0 t f n 高压煤粉炉两台2 c c 5 0 8 8 3 4 1 2 1 1 2 7 双抽供热机组。 扩建后燃煤热电厂的总规模为2 0 0 m w ，共装有六炉六机，采用母管制运行，机组问联 系紧密。另外俸麦一个老厂，疆羞金渡豹发展，动力供应夔扩建增容，造戒设备躲技本 水平、基本状况差剐搬大，而且整体的设备水平不高，自动化水平较低，机纽的调度运 行主要依靠缀验。 阁2 - 1 企监电网及其与外部系统互联的等值结构 第二章课题分析及相关环节处理 电厂目前的电负荷包括化纤厂、炼油厂以及生活区等用电，全公司电负荷约在8 0 1 2 0 m w ，其中工业电负荷基本常年不变，而生活区电负荷变化较大，变化范围在8 2 0 m w 。 热负荷包括长年性工业热负荷和季节性采暖热负荷两种。在媒质不好的特殊情况下，石 化企业电网需要从外部系统受电，有时达4 0 m w ，但一般受电量在2 0 m w 以下：在大多数 情况下，厂内发电量有一定的余量，多余电量根据电力公司要求上网，并在夏季参与调 峰，送电量最高达6 0 多m w ，因此联络线交换有功功率变化较大。由于并网协议的约束， 天津石化热电厂无功功率稍有输出，联络线无功功率交换可以忽略。厂内机组或4 台运 行( 两大机两小机、一大机三小机) ，或3 台运行( 两大机一小机、一大机两小机) ，或 2 台运行( 两大机) 。为防止企业电网被外部系统故障拖垮，在自备电厂出口联络线上装 有低频解列装置，低频整定值为4 8 5 h z ，延时0 2 s 。 天津石化企业电网由发电、输电、变电和用电设备等组成，可以形成一个独立的电 力系统。但是与传统大电网相比，石化企业电网有其独特的特点。 ( 1 ) 自备电厂建立的最初目的就是为了使电力“自给自足”，因此，系统容量较小， 一般选用中小型发电机组，其孤网运行稳定性差。出于经济利益和主网安全的需要，电 力公司也对企业自各电厂的上网电量进行严格控制。 ( 2 ) 热电负荷密集，电网比较小，输配电网络比较简单。但其生产具有高压、高 温、易燃、易爆，且连续生产的特点，有些化工装置的动力负荷一旦瞬间故障停电，还 会引起装置爆炸、起火等恶性事故，因此对热、电系统运行的安全可靠性以及热、电能 源的质量要求特别高。 ( 3 ) 除生活区用电具有季节性外，企业的负荷主要是以大型异步电动机拖动的风 机、压缩机以及隔爆或增安型异步电动机拖动的机泵为主，负荷是相对平稳的，日负荷 曲线的变化很小，生产装置运行正常后，负荷几乎数周甚至数月不变。 ( 4 ) 热电联产，背压机组“以热定电”，效率高；抽凝机组热、电负荷自整调节， 负荷适应性强。二者结合既保证了效率又提高了灵活性，适于企业“自发自用”的调度 原则。但这种机组多种配置、热电联，一的形式为事故情况下运行人员的调度带来了很大 困难。 ( 5 ) 自备电厂并网运行，其运行状态常常因需要而改变。发电量受媒质条件和并 网协议的双重约束，联络线交换功率变化较大。 ( 6 ) 用电负荷逐步扩容，系统设计一定要考虑留有足够的余地。 天津石化企业电网及其与系统的联结等效结构如图2 - 1 所示，对于天津石化自备电 厂来说，随着交换功率的大小以及方向的变化，故障后过渡过程以及控制方案会有较大 的变化。在同一交换功率下，机组开机工况( 开机组合及功率分配) 变化，也会得出不 同的结论。另外企业负荷水平的变化要影响切负荷方案的制定，上古林外电网负荷的变 化也会影响结果。因此，运行方式的确定要考虑交换功率大小及方向、开机工况、企业 负荷水平以及上古林电网负荷水平的不同组合。根据第一章中分析的结果，这一特殊的 企业电网具有典型性。因此，本文以天津石化企业电网作为研究对象，通过分析其在外 部系统故障时的安全稳定性，来探讨国内企业电网现有保护和控制系统的合理性，并得 出了一些有实际意义的结果。 第二章课题分析及相关环节处理 2 2 数学模型的构建 2 2 1p s a s p 软件简介 电力系统分析综合程序( p s a s p ) 是中国电科院开发的一套软件，其用数学模型和 数值方法对系统的运行特性进行研究，可用来确定规划设计方案、拟订运行方式、整定 自动装置的控制参数、进行事故分析以辅助运行人员做出正确的决策，具有潮流计算、 暂态稳定、短路计算、网损分析、小干扰稳定分析的功能，并开发了接口程序和自定义 横块等多种功能，目前该软件功能强大，应用很广。 综合程序比较注重于大型电力系统的开发，因而，比较适合省级以上的大型电网的 计算分析，而对于地区及以下电网计算分析，尚有不足之处，如文献 5 3 所说，该程序没 有考虑厂站主接线图、交流线路“t ”型接线、一个母线( 节点) 挂多台发电机组( 综合 程序中一个母线只能挂一台发电机组) 和系统等值发电机等功能。图2 - 1 所示的电网等 效电路实际上就是按照p s a s p 的约束修改后的图形。 外部系统故障时，企业电网的稳定性与汽轮发电机及调节系统、负荷特性、保护和 操作等因素的制约，稳定计算涉及上述各个方面的模型和参数。而p s a s p 已经基本上 具备了这些元件的通用模型，我们所要做的工作是，根据电网特点和研究目的，选择合 适的模型和参数。 2 2 2 汽轮发电机数学模型 电力系统的电能主要靠同步发电机产生，电力系统的稳定性在很大程度上是同步发 电机的稳定运行问题，理解同步发电机的特性和建立其精确的数学模型是极重要的基 础。工程仿真使用的同步发电机模型为用d q 0 坐标表示的实用数学模型。天津石化热电 厂6 台发电机组的数据充分，本文仿真中所用的汽轮发电机采用碟、鹾、e ：、e 电 势变化的6 阶模型，是发电机最精细的实用模型。模型中发电机转子d 轴励磁绕组f 及 阻尼绕组d 的次暂态和暂态电磁过程分别以日和e ：电势变化表示；q 轴考虑阻尼绕组 q 和g 的次暂态和暂态电磁过程，分别以日和e 电势变化表示。隐极机考虑g 的电磁 暂态过程，以描述隐极转子等值阻尼绕组电感和时间常数大，对应暂态过程阻尼强的物 理本质。 模型方程式如下： r 。, d 出e ；= 一暇+ ( x 。- x a ，。+ ( x 。一1 ) 乓 警川h 小肋”乓+ 碥等 。警- - e ：+ ( x q - 2 ；) j ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 第二章课题分析及捅芙环节处理 强鲁- 彰+ ( 菇一z ；强十鬈+ 蜀警 ( 2 书 r 。d 藏o , = 告一( 一致毛) 一d 扫一焉) 2 薅 ( 2 * 5 ) 掣= 一0 2 r f o ( 2 - 6 ) 备方程均黻标幺镳影式写密，萁中发电撬角度毒静擎位受孤凄；角蘧度。静攀往是 以额定角速度2 z r f o ( 弧度，秒) 为基准的标幺值； 为5 0 h z ；时问t 的单位为秒。饱和 系数k ，；：1 十竺e ：i n - 1 ，a , b , n 尧稳秘参数；d 受疆愿系数，摹整为移，由予本摸型 已详细计入阻尼绕组的电气阻尼，仅机械阻尼很小，d 取为零，不考虑饱和影响。方程 式中其它参数戆含义霹以参考电力系统分援综合程序用户手越，本文不锋介绍 ( 以下相同) 。 2 。2 。3 羚部大电弼模掇 仿真分攒蠲籁化电阚结掬热圈2 1 联示。夕 韶大电网可以等效为一无穷大电源，模 型采用e 电势恒定的2 阶同步发电枫模型。横型的微分方程只有2 阶的转子运幼方程： 巧等一鲁一a i q - - q l a ) 一d 如一磊) 2 砥 ( 缸7 ) i d 6 = 一1 ) 2 确 ( 2 8 ) 模黧采用驻下参数；- - 9 9 9 9 m v a ，簿效髫；哟1 ，霉- - - 1 0 0 s ，) = - 2 0 。 2 。2 ，4 负萄 负荷模型是决定仿真结果可信度的关键因素之一，长期以来，在电力系统动态分析 中，我国电力部门采糟感应奄动梳和德阻抗并联的综合受荷搂麓，如湖南电嚼采用6 5 的感应电动机和3 5 恒定阻抗负荷模毅。我国来用感应电动机模型的参数一直以来是所 疆鹣“典型参数”。综合受骛囊嚣态受薅毒动杰受蕊蘸帮分势联缱藏，黪态絮分薅洹定 导纳等值；动态部分用一台感应电动机等值。对于实际的电网，目前遥凭法提出准确的 模型及获褥参数。对予天津礤化公司来说，生活区负荷和企业照明负荷所占容擞很少， 其余基本上龛为电动梳负荷，本文中，负荷采用9 0 的感应电动杌和1 0 的恒定阻抗受 荷模型，参数采用“典型参数”。 为了更辩遮理薅程系统颠率交纯对受蕊夔变耽情溅，在魏麓萃奔绥魄力系统受蕊静 静态频率特性p “。 当电力系统频率交鬏二对，受蔚有功也将发生变诧。系统中蠢功受萄照频率覆变化的 特性称为负荷的静态频率特憾。电力系统负穗，是由备种类型的负荷缀合而成，不同类 型负赫对频率变化的灵敏程度不同：些负荷有功与频率变化麓本无关，如照明，电热 等；蠢的受稀有瑰与频率变诧袋歪魄，如球纛枫薄；凌有的与频率奎健平方( 鞠变压嚣 涡流损耗) 、三次方戏( 如通风机) 更高次方( 如静水头阻力很大的给水泵) 成正比等。 第二章课题分析及相关环节处理 电力系统负荷有功与频率的关系可以表示为： fff 丘= r 。+ 口1 只。( 9 + 口：只。( 却2 + + c f n r 。( - ) ” ( 2 9 ) jejej8 式中：p ，为系统频率为厂时整个系统的有功负荷；只。为额定频率疋时整个系统的有功 负荷；口。，口，a ：，分别为与频率无若、与频率1 次方、2 次方成正比的负荷功率所占 的比例系数，口。+ o r + 口，+ + 口。= 1 。一般与频率三次方以上成正比的负荷比重很小， 可以忽略。这种关系式可以用曲线来表示，在较小的频率变化范围内，如4 5 5 0 h z ， 这种关系接近于一直线。图2 - 3 示出负荷的静态频率特性曲线。 气 秘 图2 - 3 负荷的静态频翠特 从中可以看出，频率略有下降时，负荷有功也成比例减少。图中直线斜率为 k ，：a p l ( m w h z )( 2 1 0 ) 醚 或用标幺值表示为 k ，- 6 t l p l , ：些 ( 2 1 1