李兆華

（山東鋼鐵股份有限公司濟(jì)南分公司，山東濟(jì)南250101）

企業(yè)自主小型發(fā)配電系統(tǒng)智能穩(wěn)控技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李兆華

（山東鋼鐵股份有限公司濟(jì)南分公司，山東濟(jì)南250101）

為實(shí)現(xiàn)企業(yè)自主發(fā)電—配電—用電的模式，深入研究電力小網(wǎng)發(fā)配電特性，研制開發(fā)出一套智能穩(wěn)控系統(tǒng)，解決電力小網(wǎng)發(fā)供電負(fù)荷不易控制的難題。本套智能穩(wěn)控技術(shù)分為發(fā)電機(jī)控制部分、配電負(fù)荷控制部分、低周減載備用控制部分三個(gè)部分，相互融合的一個(gè)整體。該技術(shù)應(yīng)用以來，確保了區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

電力小網(wǎng)；智能穩(wěn)控；發(fā)電機(jī)；配電負(fù)荷；低周減載

1 引言

冶金企業(yè)自主發(fā)電—配電—用電的模式因其優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性得到廣泛應(yīng)用。該模式電網(wǎng)具有發(fā)電機(jī)數(shù)量及總?cè)萘窟^小的顯著特點(diǎn)，屬于典型的小網(wǎng)（甚至是微網(wǎng)），與大網(wǎng)（系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)）相比，電力小網(wǎng)的發(fā)、供電平衡的調(diào)節(jié)難度大，抵抗各種外界擾動(dòng)以及自身故障的能力弱。尤其是冶金行業(yè)，對(duì)電能的安全性、穩(wěn)定性、連續(xù)性的要求又極高，因此有必要對(duì)電力小網(wǎng)發(fā)配電特性進(jìn)行深入研究，研制開發(fā)出一套智能穩(wěn)控系統(tǒng)，解決電力小網(wǎng)發(fā)供電負(fù)荷不易控制的難題。

2 現(xiàn)狀調(diào)研

以某公司二降壓區(qū)域電網(wǎng)為例（見圖1），電網(wǎng)內(nèi)有3臺(tái)發(fā)電機(jī)，總?cè)萘繛?15.5 MVA（42× 2+31.5），單機(jī)占比42/115.5=36.4%，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組構(gòu)成該區(qū)域的電力小網(wǎng)，當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，就會(huì)危及整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至?xí)l(fā)生電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰的重大事故。

2.1 突出問題

（1）在大網(wǎng)中，與各汽輪機(jī)相配的鍋爐群儲(chǔ)存有龐大的能力勢(shì)能，為發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了雄厚的基礎(chǔ)條件，而該小網(wǎng)不具備。

（2）在大網(wǎng)中，各發(fā)電機(jī)組和被驅(qū)動(dòng)的機(jī)械具有巨大的旋轉(zhuǎn)慣量，其儲(chǔ)存的動(dòng)能可以在瞬間釋放出來，支持負(fù)荷變化，使得電網(wǎng)頻率變化維持較小的變化速率，起到動(dòng)態(tài)穩(wěn)頻作用，很容易保持較高的電能質(zhì)量，而小網(wǎng)很難實(shí)現(xiàn)。

（3）在大網(wǎng)中,電能的供應(yīng)可在地區(qū)間相互支援，保證供電的可靠性和連續(xù)性能力強(qiáng)，而小網(wǎng)不具備。

2.2 運(yùn)行控制優(yōu)勢(shì)分析

（1）發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷在地域上相對(duì)集中，在專業(yè)運(yùn)營(yíng)管理層次上比較統(tǒng)一，便于實(shí)施發(fā)、配電集中統(tǒng)一管理，為在全局層次上的優(yōu)化控制提供了現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。

表1 智能控制系統(tǒng)的典型功能框架

圖1 二降壓區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)圖

（2）發(fā)電機(jī)組和配電、用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如：實(shí)時(shí)功率、故障信號(hào)、投退狀態(tài)等均可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，并可相對(duì)容易地實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)匯總、運(yùn)算、邏輯分析并發(fā)出控制指令，在實(shí)施發(fā)、配、用電實(shí)時(shí)集中閉環(huán)控制方面具有電力大網(wǎng)所不具備的優(yōu)勢(shì)。

（3）該小網(wǎng)與電力大網(wǎng)存在一定的聯(lián)系，如加以充分利用，可大大增強(qiáng)電力小網(wǎng)自身的穩(wěn)定能力。

3 智能穩(wěn)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 總體方案

通過分析，確定智能控制系統(tǒng)的總體方案：通過實(shí)施發(fā)、配、用電實(shí)時(shí)集中閉環(huán)控制及低周減載備用控制，滿足電力小網(wǎng)多種可能運(yùn)行方式下的發(fā)、配、用電負(fù)荷平衡控制需求，實(shí)現(xiàn)電力小網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 典型功能框架和典型系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合二降壓區(qū)域電網(wǎng)具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)，編制了智能控制系統(tǒng)的典型功能框架（見表1）和典型系統(tǒng)架構(gòu)（見圖2）。

4 智能穩(wěn)控技術(shù)的研制

該技術(shù)分為發(fā)電機(jī)控制部分、配電負(fù)荷控制部分、低周減載備用控制部分三個(gè)部分，相互融合的一個(gè)整體。

4.1 發(fā)電機(jī)控制部分

在孤網(wǎng)方式下，發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并轉(zhuǎn)入頻率調(diào)節(jié)模式，通過實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)頻率的變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)汽門的開度，以保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。

在半孤網(wǎng)方式下，小網(wǎng)與大網(wǎng)通過同期隔離變壓器同步運(yùn)行，通過實(shí)施同期變穿越功率的遠(yuǎn)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)小網(wǎng)與大網(wǎng)在基本無功率交換的條件下還能實(shí)時(shí)保持同期運(yùn)行。

在并大網(wǎng)方式下，小網(wǎng)與大網(wǎng)通過并網(wǎng)開關(guān)直接并網(wǎng)運(yùn)行，此時(shí)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)入負(fù)荷控制模式，維持發(fā)電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

4.1 .1汽輪發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)功能：在并大網(wǎng)運(yùn)行和孤網(wǎng)運(yùn)行方式下，系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別運(yùn)行方式并自動(dòng)進(jìn)入相應(yīng)控制模式，完成控制任務(wù)。

（1）優(yōu)化DEH（數(shù)字電液控制系統(tǒng)）控制邏輯，在DEH中引入孤網(wǎng)運(yùn)行控制狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差超過一定范圍時(shí)，DEH自動(dòng)進(jìn)入孤網(wǎng)控制狀態(tài)。

（2）在DEH中將與一次調(diào)頻相關(guān)的轉(zhuǎn)速采樣、轉(zhuǎn)速三值優(yōu)選、一次調(diào)頻計(jì)算、調(diào)速指令輸出都設(shè)置為快速運(yùn)行，運(yùn)行周期約50 ms，轉(zhuǎn)速采樣和模擬量輸出模塊采用高速硬件，使控制周期小于100 ms。

（3）增加快速二次調(diào)頻功能。主要是為了保證電網(wǎng)的頻率維持在恒定值，屬于動(dòng)態(tài)調(diào)頻。一次調(diào)頻是有差調(diào)頻，不能完全消除孤網(wǎng)頻率的偏差，為此，DEH系統(tǒng)設(shè)計(jì)了二次調(diào)頻功能，當(dāng)出現(xiàn)孤網(wǎng)運(yùn)行或快速減負(fù)荷時(shí)，能迅速穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。

（4）提高一次調(diào)頻速度。按照負(fù)荷需求變化率做前饋，實(shí)現(xiàn)調(diào)門的開度。在非孤網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，前饋取負(fù)荷需求延時(shí)2 s，當(dāng)孤網(wǎng)調(diào)節(jié)器進(jìn)入自動(dòng)方式時(shí)，延時(shí)取消，前饋取當(dāng)前負(fù)荷需求。實(shí)現(xiàn)進(jìn)入孤網(wǎng)時(shí)的調(diào)門快速動(dòng)作。

（5）在進(jìn)入孤網(wǎng)控制時(shí)，采用轉(zhuǎn)速加速度計(jì)算預(yù)估的轉(zhuǎn)速最高值，當(dāng)預(yù)估的轉(zhuǎn)速最高值高于設(shè)定值時(shí)，超速控制系統(tǒng)的保護(hù)迅速動(dòng)作。由于這個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作回路比調(diào)節(jié)閥動(dòng)作回路要快200 ms左右，這種設(shè)計(jì)將大大減小轉(zhuǎn)速飛升。

（6）減小DEH控制周期，將伺服卡直接接在IO總線上的，省去了輸出卡的環(huán)節(jié)，控制器的控制周期減小到50 ms，轉(zhuǎn)速卡的測(cè)量時(shí)延減小到1 ms，整個(gè)系統(tǒng)的延時(shí)在51 ms內(nèi)，由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速飛升減少80%以上。

此外，為滿足發(fā)電機(jī)功率因數(shù)自動(dòng)控制和強(qiáng)勵(lì)的要求，對(duì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)也進(jìn)行了相應(yīng)改造。將原強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)由2.5升到3.0，強(qiáng)勵(lì)最大時(shí)限由15 s升級(jí)到50 s，以保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

4.1 .2遠(yuǎn)調(diào)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)

在半孤網(wǎng)方式下，通過采集同期隔離變壓器的穿越功率，將功率信號(hào)（0～±10 V）轉(zhuǎn)換為DEH控制汽門開度所需的4～20 mA信號(hào)，通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳送至DEH，以控制汽輪機(jī)汽門的開度，使同期隔離變壓器的穿越功率控制在±500 kW以內(nèi)。以此來實(shí)現(xiàn)三臺(tái)發(fā)電機(jī)“大環(huán)”運(yùn)行功率控制，即DEH以“外部設(shè)定功率”方式運(yùn)行，從而取代原三臺(tái)發(fā)電機(jī)各自“小環(huán)”運(yùn)行調(diào)節(jié)控制。目的是實(shí)現(xiàn)小網(wǎng)與大網(wǎng)在基本無功率交換的條件下還能實(shí)時(shí)保持同期運(yùn)行，為借助大網(wǎng)維護(hù)小網(wǎng)的穩(wěn)定提供熱備用的基礎(chǔ)條件。

同期隔離變正向穿越功率記為正值，當(dāng)其大于500 kW時(shí)，控制發(fā)電機(jī)減負(fù)荷，需要減少的負(fù)荷即為穿越功率值；

同期隔離變逆向穿越功率記為負(fù)值，當(dāng)去絕對(duì)值大于500 kW時(shí)，控制發(fā)電機(jī)增負(fù)荷（發(fā)電機(jī)存在可調(diào)余量的情況下），需要增加的負(fù)荷為穿越功率的絕對(duì)值。

由于同期隔離變的穿越功率是實(shí)時(shí)采集的，當(dāng)DEH調(diào)節(jié)完成后，穿越功率實(shí)時(shí)變化，如此往復(fù)形成一個(gè)閉環(huán)控制。在線試驗(yàn)證實(shí)，可以將同期隔離變壓器的穿越功率調(diào)整到±500 kW以內(nèi)。

圖2 智能控制系統(tǒng)的典型架構(gòu)

4.2 配電負(fù)荷控制部分

4.2 .1在孤網(wǎng)方式下運(yùn)行時(shí)，若發(fā)生發(fā)電機(jī)故障跳機(jī)，發(fā)電量隨之將急劇減少，而DEH由于調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的限制，無法在很短時(shí)間內(nèi)將其他發(fā)電機(jī)的負(fù)荷增加上來，此時(shí)電網(wǎng)的負(fù)荷需求卻未發(fā)生變化，如不對(duì)負(fù)荷進(jìn)行快速控制，電網(wǎng)頻率將迅速降低，甚至引起電網(wǎng)崩潰。因此，配電負(fù)荷控制系統(tǒng)必須有效解決這一問題。在發(fā)電機(jī)故障跳機(jī)瞬間，負(fù)荷快切系統(tǒng)采集到系統(tǒng)故障后，主控系統(tǒng)在100～200 ms內(nèi)快速下達(dá)切除負(fù)荷指令，在300 ms內(nèi)切除相應(yīng)負(fù)荷，在電網(wǎng)頻率惡化前迅速完成發(fā)、用電平衡調(diào)節(jié)，從而維持電網(wǎng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 .2在半孤網(wǎng)方式下運(yùn)行時(shí)，大網(wǎng)與小網(wǎng)通過同期隔離變壓器始終保持同步。當(dāng)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)故障跳機(jī)時(shí)，首先啟動(dòng)快合母聯(lián)系統(tǒng)，合上一降壓母聯(lián)開關(guān)A312，將小網(wǎng)并入大網(wǎng)，從而保證小網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)并大網(wǎng)不成功，經(jīng)少量延時(shí)（300 ms）后，負(fù)荷快切系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)，切除相應(yīng)負(fù)荷維持電網(wǎng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 .3在并大網(wǎng)方式下運(yùn)行時(shí)，必須考慮兩種情況：一是并網(wǎng)容量不能超過上級(jí)系統(tǒng)容量，出現(xiàn)容量越限時(shí)要切除多出部分的負(fù)荷；二是出現(xiàn)非計(jì)劃轉(zhuǎn)孤網(wǎng)時(shí)，要迅速切除轉(zhuǎn)孤網(wǎng)前大網(wǎng)向小網(wǎng)的供電功率對(duì)應(yīng)的負(fù)荷，確保小網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)不受到?jīng)_擊，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 低周減載備用控制部分

低周減載系統(tǒng)是負(fù)荷快切系統(tǒng)的后備系統(tǒng)，與負(fù)荷快切系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行。當(dāng)負(fù)荷快切系統(tǒng)失效，且系統(tǒng)的頻率降到設(shè)定值時(shí)，低周減載系統(tǒng)啟動(dòng)，按預(yù)案切除相應(yīng)的負(fù)荷，使系統(tǒng)的頻率能盡快恢復(fù)到正常狀態(tài)。為此，主要做了如下優(yōu)化：

（1）針對(duì)電力小網(wǎng)系統(tǒng)的功率缺額更容易引起頻率快速下降的特性，增設(shè)了df/dt加速切負(fù)荷的功能，在切第一輪時(shí)可加速切第二輪，以盡早制止頻率的下降，防止出現(xiàn)頻率崩潰事故。

（2）針對(duì)電力小網(wǎng)系統(tǒng)由于短路故障、負(fù)荷反饋、頻率或電壓的異常情況更容易導(dǎo)致低周減載備用系統(tǒng)誤動(dòng)作的情況，增設(shè)了df/dt、du/dt閉鎖功能。

5 應(yīng)用效果及結(jié)論

智能穩(wěn)控技術(shù)自2012年12月1日正式上線運(yùn)行以來，各項(xiàng)性能參數(shù)穩(wěn)定，成功處置多次發(fā)電機(jī)非計(jì)劃停機(jī)故障。在實(shí)現(xiàn)了快速、智能穩(wěn)定區(qū)域小電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，還有效避免了電力中斷供應(yīng)情況的發(fā)生，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).電力系統(tǒng)安全隱定導(dǎo)則DL 755-2001[S]，中華人民共和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).北京：中國電力出版社，2001.

Design and Application of Intelligent Stability Control System for Small Scale Self-provided Power Generation and Distribution Network

LI Zhaohua
(Jinan Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan,Shandong 25010,China)

In order to realize independent power generation-distribution-consumption of the company,an intelligent power stability control system was developed through deepened study of the characteristics of small scale power generation and distribution system,to solve the problem of difficult control of power supply load in small networks.This intelligent stability control system is consisted of three parts,i.e.generator control,load control and low-cycle load shedding control,which are integrated into one system.Application of the technology has ensured safety and stability of the local power grid.

small power network;intelligent stability control;generator;distribution load;low-cycle load shedding

TM7

B

1006-6764(2014)06-0004-04

2014－02－10

李兆華（1966－），女，1987年畢業(yè)于山東工業(yè)大學(xué)電機(jī)專業(yè)，本科學(xué)歷，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事能源開發(fā)應(yīng)用及技術(shù)管理工作。