沈軍，李賀昌

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山063210）

供用電

首鋼京唐供電系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行的可行性研究

沈軍，李賀昌

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山063210）

首鋼京唐電力系統(tǒng)的特點(diǎn)是雖為用電負(fù)荷中心但與主電網(wǎng)聯(lián)系薄弱，一旦形成孤網(wǎng)后，自備發(fā)電機(jī)組成為唯一電源。在失去外部電源的情況下，維持發(fā)電機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行對(duì)鋼鐵廠的安全至關(guān)重要。由于鋼鐵廠沖擊性用電負(fù)荷比重較大，機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行有一定困難，從發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻、負(fù)荷平衡、低周減載方面探討維持機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行的可能并給出相關(guān)建議。

孤網(wǎng)運(yùn)行；頻率控制；低周減載

1 引言

局部電網(wǎng)故障、極端天氣或地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生以及人為操作失誤均可能導(dǎo)致與主網(wǎng)聯(lián)系薄弱的地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列，形成孤網(wǎng)運(yùn)行的情況。孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)頻率變化劇烈，如果控制措施不當(dāng)，極可能出現(xiàn)大面積停電事故。

2 發(fā)電機(jī)孤網(wǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)

孤網(wǎng)運(yùn)行最為突出的特點(diǎn)，是由負(fù)荷控制轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率控制，這就要求調(diào)速系統(tǒng)具有負(fù)荷要求的靜態(tài)特性、良好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，以保護(hù)在用戶負(fù)荷變化的情況下自動(dòng)保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定即一次調(diào)頻功能。如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)有功—負(fù)荷一次調(diào)頻示意圖

其中發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)的頻率特性與負(fù)荷頻率特性分別為圖1中為PG與PL直線，最初的原始運(yùn)行點(diǎn)為圖中O點(diǎn)，如果在O點(diǎn)運(yùn)行時(shí)負(fù)荷突然增加ΔPLO，即負(fù)荷的頻率特性突然向上移動(dòng)ΔPLO，則由于負(fù)荷突增時(shí)發(fā)電機(jī)組功率不能及時(shí)隨之變動(dòng)，機(jī)組將減速，系統(tǒng)頻率將下降。而在系統(tǒng)頻率下降的同時(shí)，發(fā)電機(jī)組的功率將因它的調(diào)速器的一次調(diào)整作用而增大，負(fù)荷的功率將因它本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少。前者沿原動(dòng)機(jī)的頻率特性向上增加，后者沿負(fù)荷的頻率特性向下減少，經(jīng)過(guò)一個(gè)衰減的震蕩過(guò)程，抵達(dá)一個(gè)新的平衡點(diǎn)即圖1中的O'點(diǎn)，而與此同時(shí)系統(tǒng)的頻率也由原來(lái)的f0減少到f'0，隨負(fù)荷的下降，頻率將繼續(xù)下降，如果負(fù)荷的變化超過(guò)一定值或者變化速度超出發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)速度，則會(huì)引起頻率過(guò)低，導(dǎo)致低頻甩負(fù)荷甚至發(fā)生發(fā)電機(jī)低頻跳機(jī)，進(jìn)而造成整個(gè)孤網(wǎng)系統(tǒng)瓦解。

從以上分析可以看出，為了維持孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，就要做到出現(xiàn)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的發(fā)供電負(fù)荷平衡，同時(shí)要避免出現(xiàn)較大的沖擊性負(fù)荷，否則會(huì)引起頻率崩潰。

3 京唐公司形成孤網(wǎng)的可能性

3.1 公司電網(wǎng)配置及負(fù)荷情況簡(jiǎn)介

首鋼京唐公司共有兩座220 kV變電站，電源均取自同一220 kV變電站。京唐公司2×300 MW煤氣混燒發(fā)電機(jī)組均為110 kV系統(tǒng)并網(wǎng)，具體接線如圖2所示，同時(shí)公司還配置6臺(tái)小發(fā)電機(jī)組，均并網(wǎng)于110 kV區(qū)域變電站10 kV母線，裝機(jī)容量及并網(wǎng)方式見(jiàn)表1。

圖2 電力系統(tǒng)運(yùn)行方式簡(jiǎn)圖

表1 發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量及并網(wǎng)方式

根據(jù)2011年度公司發(fā)供電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，總發(fā)電能力為773 MW，公司總用電負(fù)荷平均為670 MW，波動(dòng)范圍為610～780 MW。

3.2 京唐公司電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行可行性分析

京唐公司外接4路220 kV電源均來(lái)自同一220 kV變電站，一旦上級(jí)變電站失電則會(huì)導(dǎo)致京唐公司電力系統(tǒng)陷入孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，而能否維持300 MW發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行則成為我們必須要面對(duì)的問(wèn)題。因此，研究孤網(wǎng)運(yùn)行及其安全穩(wěn)定控制方案，具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

首先從發(fā)供電系統(tǒng)負(fù)荷平衡來(lái)說(shuō)，京唐公司發(fā)電能力（773 MW）足以滿足電網(wǎng)內(nèi)部用電需要（670 MW），而由于存在較大的沖擊性負(fù)荷(明細(xì)見(jiàn)表2)，有功最大沖擊負(fù)荷可達(dá)780 MW，變化速率可達(dá)42.5 MW/min，一旦機(jī)組的即時(shí)調(diào)節(jié)能力不能滿足沖擊性負(fù)荷及變化速率的需求，可能會(huì)造成機(jī)組解列停機(jī)，以下具體從發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)及負(fù)荷性質(zhì)方面進(jìn)行說(shuō)明。

表2 主要沖擊負(fù)荷明細(xì)表

3.2.1發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力及負(fù)荷性質(zhì)分析

單臺(tái)300 MW發(fā)電機(jī)組其調(diào)差系數(shù)為σ%=5，所以其單位調(diào)節(jié)功率：

急劇的負(fù)荷變化會(huì)使火電廠的鍋爐、汽輪機(jī)受損傷或因燃燒不穩(wěn)定而引起熄火，一般來(lái)說(shuō)，每分鐘調(diào)節(jié)范圍為2%～5%，對(duì)于2臺(tái)300 MW發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)范圍最大為30 MW/min，同時(shí)根據(jù)《華北電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻管理規(guī)定》：當(dāng)電網(wǎng)頻率變化達(dá)到一次調(diào)頻動(dòng)作值到機(jī)組負(fù)荷開(kāi)始變化所需的時(shí)間為一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)滯后時(shí)間，應(yīng)小于3 s。由于京唐公司大部分負(fù)荷具有波動(dòng)性，而非平穩(wěn)的用電負(fù)荷，尤其是當(dāng)LF爐、冷軋、熱軋等工藝系統(tǒng)在軋鋼時(shí)的沖擊負(fù)荷可以達(dá)到很高，主要表現(xiàn)為公司平均小時(shí)用電負(fù)荷670 MW，而沖擊負(fù)荷可達(dá)到780 MW（實(shí)時(shí)用電負(fù)荷情況見(jiàn)圖3所示），那么根據(jù)公式（1），則瞬間孤網(wǎng)運(yùn)行后的電網(wǎng)頻率改變1 Hz，即頻率瞬時(shí)下降到49 Hz，同時(shí)根據(jù)表3所示，此時(shí)會(huì)有部分負(fù)荷由于頻率降至低周減載定值以下自動(dòng)切除。由于沖擊負(fù)荷的瞬時(shí)性，當(dāng)軋制過(guò)程結(jié)束時(shí)，負(fù)荷降低180 MW，負(fù)荷瞬時(shí)降低頻率則會(huì)瞬時(shí)升高1.5 Hz，如此大范圍的頻率變化，會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻帶來(lái)嚴(yán)峻的考驗(yàn)，一旦出現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電負(fù)荷調(diào)節(jié)量無(wú)法響應(yīng)負(fù)荷要求值，則可能瞬時(shí)導(dǎo)致頻率崩潰而造成公司電網(wǎng)癱瘓，勢(shì)必對(duì)公司運(yùn)行造成巨大影響，因此一旦出現(xiàn)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，瞬間切除沖擊負(fù)載成為電網(wǎng)能否持續(xù)運(yùn)行的的關(guān)鍵性問(wèn)題。

圖3 有功負(fù)荷分時(shí)曲線

由于電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)公司電網(wǎng)外購(gòu)電負(fù)荷較?。ㄆ骄鶠?0 MW），當(dāng)電網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，瞬間切除沖擊性負(fù)荷約167 MW，機(jī)組的瞬時(shí)功率就會(huì)與孤網(wǎng)的負(fù)荷偏差較大，使機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速上升，根據(jù)公式（1），則系統(tǒng)頻率將會(huì)升高，一旦超過(guò)規(guī)定值，則超速保護(hù)控制OPC（Over speed Protection Control）觸發(fā)機(jī)組跳閘。因此，當(dāng)機(jī)組處于孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為了機(jī)組與孤網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)該適當(dāng)調(diào)高OPC動(dòng)作值，具體動(dòng)作值應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)而定，防止因超速導(dǎo)致發(fā)電機(jī)損壞甚至出現(xiàn)飛車現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2.2公司低周減載分布情況

當(dāng)一臺(tái)300 MW發(fā)電機(jī)組檢修期間，公司電力系統(tǒng)出現(xiàn)孤網(wǎng)運(yùn)行的情況下，由于發(fā)電能力降為473 MW，除了瞬間切除沖擊性負(fù)荷167 MW后，負(fù)荷仍高達(dá)493 MW，在這種情況下，頻率必然會(huì)有所下降，同時(shí)在下降過(guò)程中，為了保證電網(wǎng)頻率保持在50±0.2 Hz的范圍內(nèi)，必然還需切除部分負(fù)荷，使發(fā)供電負(fù)荷達(dá)到平衡，具體低周減載負(fù)荷情況如表3所示，總負(fù)荷為233.6 MW，頻率分為6個(gè)等級(jí)，按照負(fù)荷性質(zhì)等級(jí)不同，逐步實(shí)施甩負(fù)荷，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率在要求范圍內(nèi)，同時(shí)各發(fā)電機(jī)組也配置低頻解列保護(hù)，保證發(fā)電設(shè)備不受損害。

表3 京唐公司低周減載具體明細(xì)表

3.3 京唐公司區(qū)域電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行可行性分析

京唐公司電力系統(tǒng)形成孤網(wǎng)后，一旦出現(xiàn)電網(wǎng)電壓或頻率震蕩下行較大時(shí)，則極可能會(huì)發(fā)生300 MW機(jī)組解列停機(jī)。而TRT發(fā)電機(jī)組（煤氣壓差發(fā)電）及25 MW發(fā)電機(jī)組（煤氣鍋爐發(fā)電）受高爐多方面因素的制約難以保持正常生產(chǎn)，從而也就無(wú)法保證所在區(qū)域的孤網(wǎng)運(yùn)行。而對(duì)焦化工序來(lái)說(shuō)，從理論上講由于其受制約因素少，只要保證對(duì)其正常供電，就可以保證CDQ發(fā)電機(jī)組正常發(fā)電，由于其所在區(qū)域電網(wǎng)1#110 kV變電站不含沖擊性負(fù)荷，也就形成了孤網(wǎng)運(yùn)行的有利條件。否則300 MW機(jī)組停機(jī)最終必定會(huì)導(dǎo)致各小發(fā)電機(jī)組全部停機(jī)，因此當(dāng)4條220 kV進(jìn)線開(kāi)關(guān)變位或頻率下降到一定值時(shí)1#110 kV變電站的110 kV進(jìn)線開(kāi)關(guān)應(yīng)自動(dòng)與電網(wǎng)解列，從而可以保持此區(qū)域電網(wǎng)的繼續(xù)運(yùn)行，避免公司電網(wǎng)系統(tǒng)全部崩潰。要實(shí)現(xiàn)CDQ孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行需要在1#110 kV變電站與系統(tǒng)解列后，根據(jù)負(fù)荷平衡情況，及時(shí)切除部分用電線路，實(shí)現(xiàn)發(fā)供電負(fù)荷平衡，并在運(yùn)行中避免大功率設(shè)備的起停，維持其穩(wěn)定用電負(fù)荷，以確保發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

而對(duì)于孤網(wǎng)運(yùn)行成功后的再并網(wǎng)問(wèn)題可以在110 kV進(jìn)線加裝同期裝置，在系統(tǒng)恢復(fù)供電后與系統(tǒng)并網(wǎng)，這就避免了必須停電的可能。

3.4 京唐公司電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行情況總結(jié)

由于孤網(wǎng)出現(xiàn)后，發(fā)電機(jī)組成為唯一供電來(lái)源，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行成為關(guān)鍵。而確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行必須使發(fā)供電系統(tǒng)負(fù)荷達(dá)到平衡，才能保證頻率和電壓的質(zhì)量。根據(jù)以上分析公司目前只實(shí)現(xiàn)了部分低周甩負(fù)荷功能，然而對(duì)于如何檢測(cè)孤島情況的產(chǎn)生及在發(fā)生孤網(wǎng)情況下如何瞬時(shí)切除沖擊性負(fù)荷，這也是實(shí)現(xiàn)公司孤網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵，根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)以4條220 kV進(jìn)線斷路器狀態(tài)作為參考依據(jù)。

4 結(jié)論

孤網(wǎng)運(yùn)行發(fā)生后發(fā)電機(jī)組成為唯一供電來(lái)源，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行成為關(guān)鍵。根據(jù)本文分析，原則上必須保證部分區(qū)域電網(wǎng)孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，其次是實(shí)現(xiàn)京唐公司大電網(wǎng)孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。要維持機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，除了具備必要的低周減載手段，還需進(jìn)行以下三個(gè)方面的工作：

（1）發(fā)生孤網(wǎng)時(shí)需要瞬時(shí)切除沖擊性負(fù)荷，因此如何檢測(cè)出孤島情況的產(chǎn)生是實(shí)現(xiàn)公司孤網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵，根據(jù)公司情況應(yīng)該以4條220 kV進(jìn)線斷路器狀態(tài)作為依據(jù)。

（2）在檢測(cè)出發(fā)生孤網(wǎng)情況下，如何瞬時(shí)動(dòng)作切除沖擊負(fù)荷是防止孤網(wǎng)頻率崩潰，維持孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的另一關(guān)鍵因素，應(yīng)在沖擊負(fù)荷處加裝孤網(wǎng)運(yùn)行模式下的瞬時(shí)切除裝置，并應(yīng)考慮在沖擊性負(fù)荷停電后如何迅速開(kāi)啟如柴油發(fā)電機(jī)、柴油泵、事故水塔等應(yīng)急設(shè)備，保證重要設(shè)備的安全。

（3）在進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，適當(dāng)調(diào)高汽機(jī)超速保護(hù)的動(dòng)作值，防止超速保護(hù)動(dòng)作使發(fā)電機(jī)滅磁解列。

[1]陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[2]周志平，孫新良，付晨鵬等.電力系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，47(2)：78-79.

[3]曾文清.馬鋼新區(qū)鋼軋系統(tǒng)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行探討[C].全國(guó)冶金熱電專業(yè)年會(huì)論文集，2010：118-119.

Feasibility Study of Isolated Power Grid Operation of Power Supply System of Shougang Jingtang Co.

SHEN Jun，LI Hechang

(Shougang Jingtang Iron&Steel United Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063210,China)

The character of the power grid in Jingtang Co.is that although it is the power load center yet it has weak linkage with the main power grid.Once it becomes an isolated power grid,it’s generator set becomes the only power supply.Maintaining isolated grid operation of the generator set is very important for safety of iron and steel plants in the case of a loss of external power supply.The isolated grid operation of the generator set has certain difficulty due to large impact load proportion of the iron and steel plants.The feasibility to maintain the isolated grid operation of the generator set is discussed from generator’s primary frequency,load balancing and under frequency load shedding,and some suggestions are offered.

isolated grid operation;frequency control;under frequency load shedding

TM7

B

1006-6764(2013)07-0001-03

2013-02-18

沈軍（1972-），男，2010年年畢業(yè)于東北大學(xué)控制工程專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事電力系統(tǒng)運(yùn)行管理工作。