（电力系统及其自动化专业论文）涟钢电网安全稳定性研究.pdf

a b s t r a c t a tp r e s e n t m a n yo ft h el a r d g eo rm e d i u mi r o na n ds t e e le n t e r p r i s e sp u t u pal o to fg e n e r a t o r sb yu s eo fb l a s tf r u n a c eg a s c o k eo v e ng a sa n dr e d u n t s t e a mf o rs a v i n gr e s o u r c ea n dg a i n i n gm o r eb e n e f i t s 1 1 1 eg e n e r a t o r sd i s t r i b u t e e v e r y w h e r ei nf a c t o r y r e s t r i c t e db yf o r m e rd i s t r i b u t e dn e t w o r ka n de c o n o m i c p r o f i t s a l m o s te v e r yg e n e r a t o rs y n c h r o n i z e s a tt h em e d i u m v o l t a g e l e v e l 10 k vo r3 5 k v i te n l a r g e st h es c a l eo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n d c o m p l i c a t e st h ee l e c t r i cp o w e rn e t w o r kc o m p o s i t i o nw h e nb u i l d i n gs om a n y g e n e r a t o rs e t s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep o w e rs y s t e md r a w i n go fl i a n y u a ni r o na n d s t e e lg r o u pc o m p a n y v a l i d a t e st h ee n l a r g e m e n to ft h es h o r tc i r c u i tc u r r e n t c a p a b i l i ta f t e rd i s t r i b u t e dg e n e r a t o r ss y n c h r o n i z i n gb yu s eo fp o w e rs y s t e m a n a l y s i ss y n t h e t i c a lp r o g r a m e i ts u g g e s t sa d d i n gr e a c t o ra c c o m p a n i e dw i t h q u i c ks w i t c h i nt h eo n eh a n d t h er e a c t o rr e d u c e st h es h o r tc i r c u i tc u r r e n t o n t h eo t h e rh a n d i td o e sn o ti n c r e a s ee n e r g yl o s so nt h er e a c t o r i ta n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kp r o t e c t i o ns y s t e mb y d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n i nt h i sf o u n d a t i o n t h i sp a p e rp o i n t so u tt h a ti tm u s t m o d i f yt h ed e f i n i t ev a l u eo fr e l a yp r o t e c t i o na n do p t i m i z ed i s t r i b u t i o n n e t w o r k m e a n w h i l ei td i s c u s s e sd e t a i l e d l yt h eo p e r a t i o no fz c ha n d b z t w h e nn e w g r i df a c i n gs y s t e mf a i l u r e t h i sp a p e re r e c t st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fl i a n y u a ni r o na n ds t e e l g r o u pc o m p a n yp o w e rg r i d s t u d i e st h et r a n s i e n ts t a b i l i t yw h e ne n t e r p r i s e p o w e rg r i di s o l a t e dt h em a i np o w e rg r i db yu s i n gb p a 1 1 1 ew o r ko fs t u d y i n g p r o v i d e st h e o r yf o u n d a t i o nf o rp o w e r 鲥ds a f e t ya n ds t a b i l i t yo p e r a t i o na n d p u tf o r w a r dr e f e r e n c ef o ro t h e rh o m o l o g o u se n t e r p r i s e t h ec r e a t i v i t yi nt h i st h e s i sl i e si na p p l y i n ge x c i t a t i o ns y s t e mm o d e l i n g m e t h o du s e di na r e ag r i di n t oe n t e r p r i s eg r i d sg e n e r a t o r s o b t a i n i n gp r e c i s e p a r a m e t e r so fe x c i t a t i o ns y s t e m a s s u r i n gc o r r e c t n e s so ft h es i m u l a t i o n k e y w o r d s e n t e r p r i s ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k s h o r tc i r c u i tc a p a b i l i t y r e l a yp r o t e c t i o n t r a n s i e n ts t a b i l i t y 玎 原创性声明 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 工作及取得的研究成果 尽我所知 除了论文中特 l l j n 以标注和致谢 的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明 作者签名 鏖鲎坚 日期 丛年上月挈日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论文 同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服务 作者签名 生鲨星导师签名兰笙日期 二竺生年上月旦日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 涟钢电网概况 1 1 1 涟钢电网发电设备概述 涟钢电网是一个包含多个小型自备电源的系统 目前己开始并网发电的发电 机组有1 0 台 其中有2 台高炉余压发电 t r t 单机容量为1 万k w 干熄焦c c d q 发电机组一台 单机容量为2 万k w 燃煤机组3 台 其中6 m w 机组2 台 3 m w 机组 l 台 2 5 万k w 汽轮发电机组2 台 燃气蒸汽联合循环发电机组一套 两台发电机 共5 万k w t r t 发电原理是将高炉炉顶散放出来的煤气进行回收 利用煤气压 力带动透平机从而驱动同步发电机发电 这样的发电工艺不仅获取了廉价的电 能 同时剩余煤气不放散还可防止环境污染 有比较显著的经济效益 c d q 是 将赤热的焦炭导入密闭设备中 利用n 2 c 0 2 等惰性气体进行冷却 使焦炭温度 从1 0 5 0 0 c 冷却至t 2 5 0 0 c 再将n 2 c 0 2 带走的热量加热锅炉产生蒸汽用来发电 燃气蒸汽联合循环发电机组首先是将煤气燃烧产生的高温高压燃气推动透平机 做功发电 再将透平后的工质加热锅炉产生蒸汽发电 十五 期间经过一系列大型技改工程的建设 使涟钢整体工艺装备水平得到 很大提高 十一五 期间规划继续建设诸 t l i 3 2 0 0 m 3 高炉等一些技改和节能减排工 程项目 企业副产低热值高炉煤气将增幅较快 煤气综合平衡除满足企业主体单 位生产用气体燃料外 还富余高炉煤气 b f g 3 0 万n m 3 h 焦炉煤气 c o g 6 0 0 0 多n m 3 l l 若煤气科学合理调度 停运效率较低的现有发电机 可留作备用 本站可用高炉煤气 b f g 量达3 8 万n m 3 h 遵循循环经济和节能减排的要求 涟钢拟建5 0 m w 燃气一蒸汽联合循环发电 站 简称c c p p 两套 4 0 m w 蒸汽轮发电机组一套 1 0 m w 余热发电机组一套 每套燃气轮发电机扣除煤气压缩机耗功后输出功率2 8 5 m w 汽轮发电机输出功 率2 2 5 m w 大量自备发电机组的并网对涟钢电网的安全可靠运行既有利也有弊 若机组 的并网点选择合理 则可以部分消除涟钢电网的过负荷和堵塞现象 对系统电压 起到一定的支持作用 改善电压的整体水平 但自备发电机组的并网也有可能降 低系统的安全可靠性 若机组不具备低电压穿越能力 则在系统发生故障时通常 要求该机组从电网中切除 当其所接的线路故障重合时 自备发电机组不但不能 起到电压支持的作用 反而会加重电压跌落 如果自备发电机组没有及时解列 造成的非同期重合可能造成保护误动作 设备受损 线路无法及时恢复运行 反 而增加了用户的停电时间 硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 涟钢电网变配电概述 涟钢电网目前运行2 2 0 k v 变电站2 座 3 5 k v 变电站5 座 1 0 k v 变电站1 5 座 6 k v 变电站1 2 座 2 2 0 k v 电源进线3 条 分别为民钢线 豹钢线 早钢线 其中 民钢线 豹钢线供涟钢i i 站 早钢线供涟钢i 站 i 站与i i 站正常情况下通过钢 联线互为热备用 另外 为配合新的大高炉 炼钢线和薄板线的投产 公司将现在将涟钢i 站 拆除 在原址新建一座2 2 0 k v 变电站 仍称之为涟钢i 站 变电站终期规模为 4 1 5 0 m v a 相双绕组有载调压变压器 2 2 0 k v 出线3 回 至娄底城西变电站2 回 至涟钢i i 站l 回 每台主变按6 回3 5 k v 出线考虑 1 1 3 用电负荷预测 表1 1 2 0 0 9 年 2 0 1 1 年预计用电负荷表 表1 220 0 9 年 2 0 11 年电量平衡表 2 0 0 9 年2 0 1 1 年 最大用电负荷 m w 年用电量 f f k w h 年 7 l o 4 6 8 8 2 0 5 3 3 装机容量 m w 1 5 5 51 5 5 5 供电出力 m w 1 4 6 21 4 6 2 涟钢现有机组年供电电量 亿k w h 年 9 79 7 电力平衡 m 5 6 3 8 6 7 3 8 电量平衡 亿k w h 年 3 7 1 4 3 6 新增装机容量 m w 1 5 0 01 5 0 0 燃气一蒸汽联合循环 新增发电出力 m w 1 5 0 01 5 0 0 机组投运后 年运行 新增供电出力 m w 1 4 3 2 51 4 3 2 5 新增年供电电量 亿k w h 年 1 0 3 1 41 0 3 1 4 小时数按7 2 0 0 考虑 电力平衡 m w 4 2 0 5 5 5 3 0 5 5 电量平衡 亿k w h 年 2 6 7 8 6 3 3 2 8 6 截至2 0 0 7 年底 除系统供电外 涟钢拥有各类自备电源总装机容量 1 5 5 5 m w 全部接至涟钢i i 站 2 0 0 7 年用电量2 0 亿k w h 其中自发电量9 7 2 硕士学位论文 第一章绪论 亿k w h 十一五 期间 涟钢新批准建设一些项目 随着这些项目的陆续投产 2 0 0 9 年将新增负荷约4 3 0 m w 其中3 4 0 m w 负荷由涟钢i 站供带 2 0 1 1 年将再新 增负荷1 0 0 m w 全部由涟钢i 站供带 新增负荷均为一级负荷 按照此发展规划 涟钢i l i 站2 0 0 9 年 2 0 1 1 年预计用电负荷见表1 1 涟 钢i i l 站2 0 0 9 年 2 0 11 年电量平衡如表1 2 所示 1 2 涟钢电网的特点 涟钢电网是一个小规模综合性的电力系统 发电 供电 配电自成一体 同 时又与地方电网相连 自备电厂虽是并网发电 但并不存在电能余量上网的情况 正常生产情况下 自备电厂发电总量只占负荷总量的一半 年检情况下 由于自 备电厂一次能源都来自高炉和焦炉煤气 自备电厂只能随着高炉和焦炉的检修而 停产 因而也不可能有余电上网 这是钢铁企业自备电厂的一个特点 涟钢电网的负荷大部分为一 二类负荷 对电压质量要求很高 且负荷具有 明显的典型性 如电动机多 电动机冲击电流大而且很频繁 负荷波动大 容易 引起电压波动和谐波污染 另外 非计划性停电会给现场作业人员的生命带来极 大威胁 从涟钢整个生产工艺来看 各负荷之间是紧密联系不可分割的整体 某 一环节出线断电事故 不仅会给本环节生产造成损失 相应的上下环节都会受到 不同程度的影响 因此 停电事故带来的直接与间接经济损失是巨大的 涟钢电网馈线大部分为电缆馈线 且长度一般不超过2 k m 采用传统的过流 保护难以取得满意的效果 因此 2 0 0 4 年公司将馈线保护全部改造为光纤纵差保一 护 涟钢l i 站l 撑 少主变负荷量已达到变压器容量的9 0 在负荷高峰时会超负 荷运行 两台主变之间经常存在倒负荷的现象 但往往是 跷跷板 老电厂与 i i 站l 2 号主变之间的联络线负荷也偏重 但由于地域和电缆隧道安排上的困难 只能将c d q 在l i 站6 k v 母线并网发电 因此老电厂的运行存在一定的安全隐患 涟钢i i 站3 撑 矿 5 撑主变目前负荷率均不超过5 0 主变高压侧装有有载调 压装置 但此功能一般不用 1 3 仿真工具介绍 电力系统仿真工具一般可以分为以下三类1 1 l 1 物理模拟系统 常见的是动模试验 2 实时数字仿真器 3 数字仿真程序 如p s s e b p a p s a s p e m t p 等电力系统机电或电磁暂 态仿真程序 硕士学位论文第一章绪论 物理模拟系统是根据相似原理 采用按比例缩小的电力系统元件建立起来的 物理模型 模型中包含了发电机组 可以试验电力系统中发生的各种机电暂态过 程 模型中的发电机 变压器只是在外特性上与原型相似 不能试验内部短路 输电线路是用集中参数模拟的 不能获得短路电流的波过程 电器设备的非线性 特性很难模拟 实时数字仿真器是基于数学模型来实现的 在这一点上 与数字仿真程序没 有任何区别 所不同的是实时数字仿真器通常采用多处理器并行计算 计算速度 可以达到实时的要求 而数字仿真程序则采用串行计算 计算速度较慢 但对于 系统研究 计算速度并不很重要 实时与否无关紧要 因此 在这一点上 实时 数字仿真器与数字仿真程序相比并不占优势 但在模拟系统的规模上 目前的数 字仿真程序已没有任何限制 大多数商业化的电力系统分析软件模拟的系统规模 在数万节点以上 而实时数字仿真器所能模拟的系统规模是有限的 特别对节点 个数有严格的限制 因此 实时数字仿真器的主要用途与物理模拟系统类似 主 要用来考核继电保护和自动控制装置的性能 两者几乎可以互相替代 但很少用 于对大规模电力系统做仿真研究 数字仿真程序主要分为两种类型 一种是电力系统机电暂态仿真程序 另一 种是电力系统电磁暂态仿真程序 电力系统机电暂态仿真程序的特点是 1 从电力大系统整体考虑的稳定性分析 核心问题是研究发电机转子相互 之间的摇摆过程 因此主要关注的是能量的传递 与能量传递关系不密切的因素 都可以忽略不计 2 在数学模型上 忽略发电机定子侧暂态过程 即不计p a r k 方程中的变 压器电动势 网络用正序基频阻抗表示 采用代数方程描述 物理量为基频相量 电力系统机电暂态仿真程序常见的有美国p t i 公司的p s s e 德国西门子公司 的n e t o m a c 瑞典a b b 公司的s i m p o w 加拿大p o w e r t e c h 公司的d s a p o w e r t o o l s 中国电力科学研究院的p s a s p 和b p a 等 电力系统电磁暂态仿真程序的特点是 1 考虑某个局部的详细动态过程 通常将待研究部分之外的系统做一定的 等值 传统上 只用于研究持续时间很短的过程 如大气过电压和操作过电压等 问题 过程的持续时间在几十毫秒之内 但目前电磁暂态仿真程序可能更多地被 用于研究h v d c 输电和f a c t s 等电力电子装置以及次同步振荡 铁磁谐振等问题 上 因而被研究过程的持续时间也可能很长 达数十秒并不稀奇 2 数学模型上 根据研究的过程不同 发电机模型可以是相当简化的等效 电源模型 也可以是详细的p a r k 方程模型 甚至是考虑转子多刚体结构的模型 4 硕士学位论文 第一章绪论 电力网络采用相坐标系统 即采用a b e 相模型或更一般的全相模型 且必 须用微分方程描述 系统中的物理量为瞬时值而不是向量 电力系统电磁暂态仿真程序常见的有各种版本的e m t p 程序 以及由加拿大 m a n i t o b a 直流输电研究中心开发的p s c a d e m t d c 程序和由德国西门子公司开 发的n e t o m a c 程序等 国内使用较多的是2 0 世纪8 0 年代初美国b p a 公司开发的 b p a e m t p 程序 目前国际主流版本的e m t p 程序是a t p e m t p 1 3 1p s a s p 软件简述 1 p s a s p 简介 电力系统分析综合程序 2 l p o w e rs y s t e ma n a l y s i ss o f t w a r ep a c k a g e p s a s p 是一套技术成熟 功能强大 使用方便的电力系统专用仿真软件 是高度集成的 大型软件包 基于电网基础数据库 固定模型库以及用户自定义模型库的支持 p s a s p 可进行电力系统 输电 供电和配电系统 的各种计算 包括 稳态分析的潮流 计算 网损分析 最优潮流和无功优化 静态安全分析 谐波分析 静态等值等 故障分析的短路计算 复杂故障计算以及继电保护整定计算等 机电暂态分析的 暂态稳定计算 直接法暂态稳定计算 电压稳定计算 小干扰稳定计算 动态等 值 马达启动 控制系统参数优化与协调以及电磁一机电暂态分析的次同步谐振 计算等 p s a s p 是电力系统规划设计人员确定经济合理 技术可行的规划设计方案的 重要工具 是运行调度人员确定系统运行方式 分析系统事故 寻求反事故措施 的有效手段 是科研人员研究新设备 新元件投入系统等新问题的得力助手 是 高等院校用于教学和研究的软件设施 2 p s a s p 的体系结构 p s a s p 结构如图1 i 所示 分为三层 第一层是公用数据和模型资源库 第 二层是应用程序包 第三层是应用结果和分析工具 报表 图形 曲线 其它工具 潮流计算短路计算 稳定分析 静态安全分析电压稳定谐波分析等 tttt 电网基施数据库 固定模型库用户自定义模型库固定模型库 图1 1 p s a s p 的三层体系结构图 3 p s a s p 的使用方法 以文本支持环境下的短路计算为例 5 硕士学位论文第一章绪论 输入电网数据 形成电网基础数据库及元件公用参数数据库 也可以使用用户自定义模型 u d 在此 可将数据合理组织成若干数据组 以便下一步形成不同的计算方案 点击 数据 菜单项 执行 基础数据 和 公用参数 命令 可依次输入 各元件的参数 方案定义 从基础数据库中抽取数据组 组合成不同方案 以确定电网的规模 结构和 运行方式 点击 计算 菜单项 执行 方案定义 命令 数据检查 对确定的电网结构进行检查 检查网架结构的合理性 计算规模是否超出范 围 点击 计算 菜单项 执行 数据检查 命令 作业定义 给出计算控制信息 明确具体的计算任务 点击 计算 菜单项 执行 短路 命令 执行计算 在上述 短路计算信息 窗口 完成作业定义之后 点击 计算 按钮即可 报表输出结果 用户可选择期望的输出范围 输出内容和输出方式 点击 结果 菜单项 执行 短路 命令 4 p s a s p 建模方法 以往人们大都把p s a s p 应用于大型和高压 超高压电力系统中 无论是潮流 计算还是短路电流计算都得到了满意的结果 本论文把它应用在大型企业的内部 电网这个小型电网中 在软件的使用上做了一些必要的改进 根据从企业电网收集的元件的物理参数 整理出完备的物理参数 然后根据 p s a s p 用户手册建立企业电网的基础数据库 因为这种小型电网有它不同于常规 电力系统的特别之处 因此重点介绍如何处理各元件的物理参数和建立数据库的 特殊之处 基本元件数据包括以下内容 母线数据 企业电网一般研究的是3 5 k v 或1 0 k v 的发 供电网络 与电力系统的连接处 为l1 0 k v 或2 2 0 k v 因此建立母线数据库时 必须考虑变电所内高压侧母线的分 段情况 按照实际情况做母线数据 而低压侧母线则对研究没有影响 为了减少 6 硕士学位论文 第一章绪论 内存占用量 减少程序报错率 须尽量简化电网结构 忽略不必要的低压母线分 段 合并为一条母线 以下是几个特殊的情况 a 变电所的几台变压器在实际中是分别带负荷的 为了准确的模拟实际情 况 应将变电所的低压侧母线做成几段 b 变电所的高压侧是双母线接线方式 但p s a s p 不支持一台变压器同侧接 两条母线 因此在计算中应将变电所高压侧设为一条母线 c 需增设母线的情况 无论发电机是否为发变组接线方式 发电机出口均 需增设母线 三绕组变压器的中心点必须设为母线 但这种母线不必指定基准电 压 交流线数据 在p s a s p 软件中 交流线是指架空线和电缆线路 编辑交流线数据库时需根 据线路的排列方式 结合相关线路手册查取单位长度阻抗和导纳值 再输入线路 长度即可 变压器数据 p s a s p 的变压器数据包括双绕组变压器数据和三绕组变压器数据 只需知道 变压器的铭牌数据和各侧绕组的接线组别及抽头信息 程序自动计算出它的阻 抗 导纳 变比和零序阻抗 发电机数据 根据收集的发电机数据 直接录入数据库 需要指出的是 企业电网的主变 电站本区域的电源 若仅用母线表示 则p s a s p 无法识别它的特殊地位 因此 应该在主变电站高压侧母线处设虚拟发电机 这类发电机的功率因数为o 8 设 置其出力时要比本区域负荷大很多 这样设置的目的是将企业以外的电网作为一 个非常稳定的系统 方便对企业内部电网进行研究 负荷数据 负荷数据的建立相对简单 只需统计出所研究电网的下一级母线负荷数据即 可 本文首先应用p s a s p 对涟钢部分电网进行了短路计算 其次应用p s a s p 对发 电机励磁系统数学模型进行参数校核1 3 s l 实际发电机励磁控制系统是复杂的高 阶系统 在电力系统稳定性计算中应用的励磁系统模型都是对实际系统进行简化 后得到的降阶模型 因此 将稳定性计算用模型的仿真结果与现场试验的结果进 行校核 以确认实际励磁系统模型参数 1 3 2b p a 介绍 1 b p a 程序概述 7 硕士学位论文 第一章绪论 b p a 程序 9 1 是美国联邦政府能源部下属邦纳维尔电力局 b p a 计算方法开 发组自二十世纪六十年代初期开发的大型电力系统离线分析程序 国内目前电力 系统多数单位使用的b p a 程序是中国电力科学研究院在美国b p a 程序1 9 8 3 年9 月 版本的基础上 经过消化吸收 开发而成的中国版程序 且已在我国电力系统规 划设计 调度运行和试验研究等各部门得到了广泛应用 成为我国电力系统分析 计算的重要工具之一 2 电力系统分析软件包b p a 总体概貌 平台 p s a p 界面 潮流计算界面 稳定计算界面 数据文件编辑器界面 t e x t e d i t 核心程序 中国版b p a 潮流计算程序 中国版b p a 暂态稳定计算程序 辅助分析程序 单线图格式潮流图程序 j o y 地理接线图格式潮流图程 序 c l i q u e 稳定曲线作图工具 c u r v e m a k e r b p a 稳定程序用于分析电力系统在稳态下受到各种扰动时的系统动态行为 程序采用的基本解法是 所有微分方程线性化后用梯形积分法求解 网络方程可 用导纳阵三角分解后迭代求解 也可用牛顿法求解 稳定程序分为求解和输出两 部分 求解部分分成两个求解文件 以保存求解过程中所有母线的输出信息和复 故障计算信息 输出部分利用求解文件 潮流库文件以及稳定输出文件进行输出 这种结构允许用户运行求解部分并保存求解文件 然后不用重新求解而能够任意 地有选择地进行输出 稳定程序有以下模型 发电机模型5 种 励磁系统模型2 2 种 电力系统稳定器模型4 种 调速器 原动机综合模型3 种 单独的调速器模型3 种 单独的原动机模型7 种 直流系统控制和调制模型 静止无功补偿器模型 不对称故障和复故障模型 负荷模型 本文应用b p a 程序对涟钢电网稳定性进行仿真计算 1 4 企业小型自备发电机组并网的研究现状 企业小型自备发电机属于分布式发电的一种 分布式发电的概念是从1 9 7 8 年美国公共事业管理政策法公布后正式在美国推广 然后在其它发达国家所接 受 目前 国内外研究分布式发电对电力系统的影响主要集中在以下几个方面 8 硕士学位论文 第一章绪论 1 分布式发电对输电系统暂态特性及稳定性影响的研究 国外目前这方面的研究比较多 比如针对实际大电网中的单一类型分布式发 电进行暂态和静态稳定性分析 分析过程中主要考虑了分布式发电装置的数量 发电容量在整个电网中的比例 以及分布式发电装置的主要控制器 如励磁器 调速器 p s s 等 采用了电力系统仿真软件进行仿真分析 在文献 1 0 中考虑了分布式发电不同类型的因素 主要是针对燃气轮机和燃 料电池这两个主要的类型不同比例的组合来研究简单系统的稳定性 研究表明 燃气轮机和燃料电池的不同比例的组合对系统产生的影响也不同 但目前还只是 对简单理想系统的仿真分析 没有考虑在复杂电网模型中进行仿真分析 2 分布式发电对电力系统规划 特别是对配电网规划影响的研究 分布式发电装置一般都安装在大功率负荷附近 直接对负荷供电 以并联方 式通过配电网接入大电力系统 相对于输电系统而言 配电网经常受到各种各样 的扰动 稳定性较差 分布式发电的接入改变了电网结构 势必要影响到配电网 的暂态特性 文献 l1 1 研究了配电网接入燃气轮机组后 配电系统电压及燃气轮 机功率输出的变化 但文献中没有考虑燃气轮机励磁系统及调速系统的调节特 性 也没有考虑分布式发电机组容量变化对配电网暂态特性的影响 3 分布式发电对配电网继电保护及安全自动装置影响的研究 分布式发电机组并网后会改变故障电流大小 持续时间及方向 分布式发电 机组本身的故障行为也会对系统运行和保护产生影响 当包含分布式发电机组的 配网与主网分离后 分布式发电机组仍向所在的独立电网输电 这就是所谓的孤 岛 在与主网解列后 孤岛必须保持足够的调节容量来应付干扰 如具有足够的 动态有功无功调节能力和维持稳定运行能力 馈线潮流的不确定性 将会对电力 系统继电保护设置和动作整定带来一定的困难 1 5 课题研究内容及意义 1 研究涟钢自备发电机组的并网对故障电流的影响 2 研究涟钢自备发电机组接入配电网后对继电保护的影响及改进措施 3 研究优化后涟钢电网的暂态稳定性 在分散电源兴起的初级阶段 一般 认为含分散电源的小系统运行不存在暂态稳定的问题1 1 2 1 然而如果大量分散电 源接入电网 则应当考虑暂态稳定问题 钢铁企业中每一期发电项目的建设都是 独立完成的 很少顾及发电机组之间 发电机组与系统之间在扰动情况下电网暂 态稳定性的问题 4 研究提高涟钢电网安全稳定运行的措施 近年来 随着国民经济的飞速发展 国有大中型企业发展迅速 钢铁 石化 行业对生产过程中产生的附加产品进行回收利用 新建了大量自备发电机组 并 9 硕士学位论文第一章绪论 在企业内部并网 自备发电机组的并网一方面减少了企业从外网的购电量 降低 了网损 降低了企业生产成本 另一方面增加了企业电网的复杂程度 给电网原 有继电保护和安全稳定性带来了深远影响 本文从企业实际电网出发 全面分析 了自备发电机组并网后带来的负面影响 并提出了一种有效的解决办法 对其他 类似电网具有参考价值 1 6 本章小结 本章对华菱涟钢电网已经投入运行和正在建设的发电设备 变配电一次接线 图 华菱涟钢电网的特点及未来几年内的用电负荷预测作了详细介绍 为本文后 续电网短路计算 电网改造方案的提出及暂态稳定性仿真计算作了很好的铺垫 对本文使用的仿真软件p s a s p b p a 作了简单介绍 指出这两套软件是全国各 大型电力设计研究院 电网公司和科研院所常用的工具软件 其中对p s a s p 的 具体使用方法结合了短路电流计算进行了详细说明 最后对本文研究的重点问题 进行了表述 全文围绕着电网结构的优化进行展开 1 0 硕士学位论文第二章自备发电机的并网对涟钢电网短路电流及继电保护的影响 第二章自备发电机的并网对涟钢电网短路电流及继电保护 的影响 2 1 电力系统短路故障及短路计算概述 2 1 1 短路的定义 短路是指电力系统正常运行状态以外的一切相与相之间或相与地之间的 短 接 在电力系统正常运行时 除中性点外 相与相或相与地之间是绝缘的 如 果由于某种原因使其绝缘破坏而构成了通路 我们就称电力系统发生了短路故 障 电力系统短路的类型主要有 三相短路 两相短路 单相接地短路和两相接 地短路 由于三相短路时各相阻抗相同 三相对称 所以又称为对称故障 其余 属于不对称故障 除不对称短路外 电力系统的不对称故障还有一相或两相断开 的情况 称为非全相运行 在同一时刻 电力系统仅有一处发生上述某一种类型的故障 称为简单故障 同时有两处或两处以上发生故障 或在同一处同时发生两种或两种以上类型的故 障 称为复故障 2 1 2 短路的原因及后果 产生短路故障的主要原因是电气设备载流部分的绝缘破坏 引起绝缘破坏的 主要原因有 1 各种形式的过电压 如遭受雷击 绝缘的自然老化 脏污 直接的机 械损伤等 绝缘的破坏在大多数情况下是由于没有及时发现和消除设备中的缺陷 以及设计 安装和运行维护不良所致 2 人为事故 例如运行人员带负荷拉刀闸或者线路检修后未拆除接地线就 送电等误操作 3 恶劣的气候条件 例如雷击造成的闪络放电 架空线路由于大风或者导 线覆冰过厚引起的倒杆断线等 4 其它 例如挖沟损伤电缆 鸟兽跨接在裸露的载流部分等 短路的后果具有破坏性 具体表现在以下几个方面 1 短路点的电弧有可能烧坏电气设备 同时很大的短路电流通过电气设备 会使发热增加 当短路持续时间较长时 可能使设备过热而损坏 2 很大的短路电流通过导体时 要引起导体间很大的机械应力 如果导体 和它们的支架不够坚固 则可能遭到破坏 3 短路时 系统电压大幅度下降 对用户供电影响很大 系统中最重要的 电力负荷是异步电动机 它的电磁转矩与其端电压的平方成正比 电压下降时 硕士学位论文第二章自备发电机的并网对涟钢电网短路电流及继电保护的影响 电磁转矩将显著下降 使电动机停转 以致造成产品报废及设备损坏等严重后果 4 当电力系统发生短路故障时 有可能使并列运行的发电厂失去同步 破 坏系统稳定 使整个系统的运行遭到破坏 引起大片地区停电 5 不对称接地短路所造成的不平衡电流将产生零序不平衡磁通 会在邻近 的平行线路中 如通讯线路 铁道信号系统等 感应出很大的电动势 这将造成 对通讯的干扰并危及设备和人身安全 实际上 短路问题已经成为电力技术方面的基本问题之一 在发电厂以及电 力系统设计和运行的许多工作中都必须有短路电流计算的结果作为依据 2 1 3 短路电流计算的主要目的 短路电流计算的结果可以用于电力系统的设计和运行 包括 1 电气主接线方案的比较和选择 或确定是否需要采取限制短路电流的措 施 2 电气设备及载流导体的动 热稳定校验和开关电器 管型避雷器等的开 断能力的校验 3 接地装置的设计 4 继电保护装置的设计与整定 5 输电线对通信线路的影响 6 故障分析 短路电流计算的结果也可以用于实时应用 如在配电网网络重构时进行保护 自动整定和设置以及故障定位等 在保护自动整定和设置中 由短路计算得到的 最大 最小故障电流用于确保保护设备能够保护整个保护区域并且在规定之间内 切除故障 这些数据还可以用于确保保护设备能够相互协调以及校验过载设备 更进一步 为了进行故障定位 短路分析的结果可以用于比较在变电站记录的切 除时间内所有可能故障部分的保护动作次数 2 2 配电网继电保护 2 2 1 继电保护的作用 继电保护是电力系统不可分割的一部分 它的基本任务是f 1 3 1 当电力系统发生故障时 迅速地有选择地将故障设备从电力系统中切 除 保证系统的其余部分快速恢复正常运行 2 当电网发生不正常工作状况时 迅速地有选择地发出报警信号 由运行 人员手动切除那些继续运行会引起故障的电气设备 可见 继电保护对保证系统安全 稳定和经济运行 阻止故障的扩大和事故 的发生 发挥着及其重要的作用 因此 合理配置继电保护装置 提高整定和校 核工作的快速性和准确性 以满足现代电力系统安全稳定运行的要求 理所当然 1 2 硕士学位论文第二章自备发电机的并网对涟钢电网短路电流及继电保护的影响 地得到了国内外继电保护工作者的重视 实践表明 继电保护装置或断路器有拒绝动作的可能性 因此每一电气元件 一般都设主保护和后备保护 必要时增设辅助保护 主保护反应被保护元件自身的故障并以尽可能短的延时切除故障 当主保护 拒绝动作时 由相邻断路器保护动作切除故障称为后备保护 为补充主保护和后 备保护的不足而增设的较简单的保护称为辅助保护 2 2 2 继电保护的基本要求 继电保护装置应满足选择性 可靠性 灵敏性和速动性的基本要求 1 3 l 1 选择性 选择性含义是保护装置动作时 仅将故障元件从电力系统中切除 使停电范 围尽量减小 以保证系统中非故障部分继续安全运行 为此 保护要尽量跳开离 故障点最近的断路器 如图2 1 所示 d 1 d 2 d 3 田 么 囝圈 么 图 么 固 1 q f i f 2 0 f 5 0 f 6 0 f 8 q f 图田团 3 q f4 q f7 q f 图2 1电网保护选择性动作 当d 点发生故障时 由保护6 动作切除6 q f 其余非故障部分仍继续运行 这 是有选择性的动作 若d 点故障 由保护装置1 和2 动作 断路器1 0 f 2 q f 跳 闸切 除故障线路 也满足选择性要求 若3 q f 4 q f 也跳闸 扩大停电范围 这样属于 非选择性动作 2 可靠性 保护装置的可靠性是指在规定的保护区内发生故障时 它不应该拒绝动作 而在正常运行或保护区外故障时 则不应该误动作 可靠性主要指保护装置本身 的质量和运行维护水平而言 不可靠的保护本身就成了事故的根源 因此 可靠 性是对继电保护装置的最根本要求 3 速动性 速动性是指继电保护装置应以尽可能快的速度断开故障元件 这样可以减轻 故障设备的损坏程度 减少用于在低电压情况下工作的时间 提高电力系统运行 的稳定性 故障切除时间t 等于保护装置的动作时间和断路器动作时间之和 目 前保护动作速度最快的约o 0 2 s 加上断路器的动作时间 故障可在o 1 s 以内切 硕士学位论文 第二章宣备发电机的并隧对涟镶电瞒短路电流及继电保护的影响 除 应根据不同的电网对故障切除时间的具体要求 经济性 运行维护水平等条 件确定合理的保护动作时闻 灵敏性 保护装置的灵敏性是指保护装置对其保护区发生故障或异常运行状态的反 应能力 满足灵敏性要求的保护装置应该是在规定的保护区内短路时 不论短路 点位置 短路形式及系统酌运行方式如何 都能灵敏反应 保护装置的灵敏性一 般用灵敏系数凰拜来衡量 灵敏系数应根据常见的最小运行方式下两相短路形式 计算 在继电保护的整定计算中 通常要考虑系统最大运行方式和最小运行方式 所谓最小运行方式 是指系统等值阻抗最大 短路电流最小时的运行方式 反之 系统等值阻抗最小 短路电流最大时的运行方式为最大运行方式 2 2 3 企业电网继电保护发展现状和趋势 同大区电网继电保护的发展一样 我国企业电网的继电保护从硬件设备上来 讲也经历了机电式 半导体式和微机式三个发展阶段 早期的继电保护装置都是 由电磁型 感应型或电动型继电器组成的 这些继电器都具有枕械转动部件 统 称为机电式继电器 它们在钢铁 石化企业中获得了广泛的应用 但这种保护装 置体积大 功耗高 动作速度慢 机械转动部分和触点容易磨损或粘连 不便于 调试与维护 在上世纪5 0 年代 随着半导体晶体管技术的发展 开始患现了晶体管式继电 保护装置 与机电式继电保护装置相比 晶体管保护装置具有体积小 功耗低 动作速度快等优点 但容易受到电磁干扰的影响从而造成保护误动或损坏 可靠 性差 覆且保护功能也不完善 近4 0 年来 计算机技术发展日新月异 它的广泛应用给各行各业带来了翻天 覆地的变化 计算机技术也同样影响了继电保护技术的发展 七十年代中 后期 国外已有少数样机在电力系统中试运行 到八十年代裙 各圈都在这方面做了很 多努力 使计算机保护逐渐趋予实用 微机弓l 入继电保护领域 扩展了继电保护 装置的应用功能 基于微处理器的继电保护装置 具有一系列的特点 可以集主 保护 后备保护的完整功能于一身 大大简化了继电保护的二次接线 扩展了远 方通信功能 管理人员可以随时监测保护装置的运行状态 调用数据 修改定值 为现代化管理提供了必要的物质技术基础 自检功能 自动故障定位 及时发出 警报 用备用插件置换故障部件 这一切都为提高保护装置的安全运行水平 显 著地延长运行检修周期和减少运行检测项目提供了可能 目前国内新土的发电 变电项霹 无一例外 全部采用微机保护 近年来 随着智能技术的进一步发展 人工智能技术开始逐渐应用到电力系 统中 主要解决一些传统技术难以解决的问题 如绝缘在线检测 故障类型判断 1 4 硕士学位论文第二章自备发电机的并网对涟钢电网短路电流及继电保护的影响 等 并取得了一定的进展 专家预测 未来智能技术在控制领域必将得到更为广 泛的应用 如何将智能技术更好的应用到企业电网保护系统中 使其保护功能更 加完善 动作更加可靠 这是企业电网继电保护技术发展的方向之一 2 3 涟钢电网短路电流计算及限制短路电流方案 根据涟钢供电系统主接线分析可知 涟钢i i 站3 撂主变带有涟钢主要负荷 特别是大高炉 冷轧 热轧等分厂直接关系到涟钢公司的效益 供电可靠性要求 特别高 涟钢i i 站供电负荷集中在3 5 k v 母线上 为了保证各点供电互不影响 一般 3 5 k v 及1 0 k v 母线 v 段分列运行 涟钢i i 站3 钆5 主变投运后主要存在如下问题 1 3 5 k v 及1 0 k v 母线上的电源点 发电机及同步电动机 较多 造成母线 上短路电流比较大 表2 1 短路计算结果综合列表 2 由于负荷相对集中 造成一点短路母线上电压影响较大 某 点1 0 k v 母线上短路时 相对应的3 5 k v 母线上剩余电压低 供电系统事故影响面大 当 1 0 k v 系统 3 5k v 系统发生短路时 母线残压低 当1 0 k v 系统的某一个回路发 生短路时 不仅该回路所在1 0 k v 母线残压低 而且为其供电的2 2 0 k v 主变的 1 5 硕士学位论文 第二章自备发电机的并网对涟钢电网短路电流及继电保护的影响 3 5 k v 母线残压也低 当3 5 k v 系统的某一回路发生短路时 不仅该回路所在3 5 k v 母线残压低 而且为其供电的2 2 0 k v 主变的1 0 k v 母线残压也低 这就造成当某 一个回路发生短路而可能影响到其它负荷因低电压跳闸 3 1 0 k v 母线上接有多台较大容量异步电动机 当1 0 k v 系统发生短路时 异步电动机提供较大的冲击电流 搜集涟钢i i 站与民钢线相关电气元件的物理参数 使用p s a s p 对这部分电网 进行短路计算 短路计算结果如表2 1 所示 表2 1 中d 4 2 d 3 1 指t 5 退出运行 t 4 带3 5 k v 负荷 t 3 带1 0 k v 负荷的运行 方式情况下的短路 d n l d n 2 指一台主变带全部负荷的极端运行方式情况下的 短路 由短路计算结果可知 三段发电厂发电机母线上的短路电流都超过3 1 5 k a 总降1 0 k v i i i 段母线上的短路电流2 8 5 5 k a 也接近3 1 5 k a 等级 若考虑系统远期 发展 则i i 站1 0 k v 母线上的短路电流都可能达到3 1 5 k a 等级 为了解决短路电流和短路剩余电压的问题 可在涟钢变i i 站各出线侧安装限 流电抗器 电抗器安装后总降3 5 k v 母线上的短路电流限制到2 3 l 认左右 总降 1 0 k v 母线上的短路电流限制到2 7 k a 左右 相关回路电抗器选取如下 1 3 5 k v 出线4 0 6 4 1 6 至高炉鼓风站 i e 1 0 0 0 a 短路电流限制值满足要求 计算后高炉鼓风站1 0 k v 母线