文／張愷 劉玉林 張志強(qiáng) 杜磊

油田企業(yè)電網(wǎng)發(fā)展到一定規(guī)模時(shí)，電網(wǎng)內(nèi)部呈現(xiàn)復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性，有必要開(kāi)展電網(wǎng)安全穩(wěn)定仿真評(píng)估。

目前，中國(guó)石化勝利油田開(kāi)展了以《油田電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行保障技術(shù)研究》為題的系列科研項(xiàng)目，并委托中國(guó)電力科學(xué)研究院進(jìn)行全面電網(wǎng)建模和仿真分析工作，以評(píng)估油田電網(wǎng)的正常運(yùn)行表現(xiàn)和對(duì)故障擾動(dòng)的承受能力。

電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析至關(guān)重要

任何現(xiàn)實(shí)工程中的電網(wǎng)都無(wú)法杜絕故障發(fā)生。石油石化企業(yè)的生產(chǎn)是連續(xù)性的，一旦供電中斷，將帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。提前開(kāi)展電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析可有效減少電網(wǎng)故障導(dǎo)致的供電中斷。

●油田企業(yè)十分關(guān)心穩(wěn)定供電問(wèn)題。 攝影/朱克民

但是，電網(wǎng)是規(guī)模巨大且構(gòu)成復(fù)雜的機(jī)器系統(tǒng)。需要分析評(píng)估電網(wǎng)特性時(shí)，既難以通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，也無(wú)法僅憑徒手計(jì)算或主觀經(jīng)驗(yàn)得出準(zhǔn)確結(jié)論。工程師只有借助仿真手段并建立詳細(xì)模型，才能評(píng)估電網(wǎng)承受故障擾動(dòng)的能力，進(jìn)而評(píng)價(jià)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)合理性，提供整改建議或評(píng)估增加設(shè)備投資的必要性。

當(dāng)工業(yè)企業(yè)自有電網(wǎng)發(fā)展到一定規(guī)模時(shí)，有必要開(kāi)展完整的電力系統(tǒng)仿真分析，以保證當(dāng)前或規(guī)劃電網(wǎng)正常運(yùn)行表現(xiàn)良好，并能在一般故障情況下維持穩(wěn)定。以油田為例，電網(wǎng)發(fā)展伴隨油氣勘探開(kāi)發(fā)而不斷擴(kuò)建。但擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)階段，一般僅圍繞工程本身計(jì)算，而缺少?gòu)恼w電網(wǎng)角度的安全穩(wěn)定考量。

電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、接入新設(shè)備等階段，都需要開(kāi)展持續(xù)全面的安全穩(wěn)定仿真評(píng)估。這對(duì)公用電網(wǎng)公司來(lái)說(shuō)是周期進(jìn)行且必不可少的常規(guī)工作，而工業(yè)企業(yè)一般對(duì)電網(wǎng)仿真重要性認(rèn)識(shí)不足，缺少系統(tǒng)性的相關(guān)研究，或僅開(kāi)展了較為基礎(chǔ)的類(lèi)似工作。以油田為代表的工業(yè)企業(yè)，確有必要進(jìn)行電網(wǎng)安全穩(wěn)定仿真分析，規(guī)避潛在的用電風(fēng)險(xiǎn)。

電網(wǎng)安全穩(wěn)定評(píng)估手段

電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析包括靜態(tài)安全分析和暫態(tài)安全分析。石油石化企業(yè)電氣工程師一般熟悉前者，而對(duì)后者較為陌生。

靜態(tài)安全分析是在某些電網(wǎng)元件開(kāi)斷情況下進(jìn)行潮流計(jì)算，以評(píng)估電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)的表現(xiàn)。所謂潮流計(jì)算，就是已知電網(wǎng)各點(diǎn)負(fù)荷發(fā)電、求解支路功率和母線(xiàn)電壓。靜態(tài)安全分析不考慮故障動(dòng)態(tài)。

暫態(tài)安全分析主要關(guān)注電網(wǎng)受故障擾動(dòng)時(shí)，從一個(gè)平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)向另一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài)過(guò)渡的動(dòng)態(tài)過(guò)程。我們常說(shuō)的“穩(wěn)定性”主要就是關(guān)于過(guò)渡過(guò)程中系統(tǒng)呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

常見(jiàn)的穩(wěn)定性問(wèn)題包括：功角穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定。功角穩(wěn)定主要關(guān)心多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)發(fā)電機(jī)之間維持同步運(yùn)行的能力。頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定主要關(guān)心系統(tǒng)頻率和電壓能否在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到額定值附近的允許范圍內(nèi)。

穩(wěn)定性評(píng)估方法可表述為：在各種可能的初始運(yùn)行狀態(tài)下，分別逐一模擬各種可能發(fā)生的一般電網(wǎng)故障，并根據(jù)仿真結(jié)果評(píng)估系統(tǒng)特性。模擬的初始狀態(tài)一般至少包括幾種典型的運(yùn)行方式，例如發(fā)電和負(fù)荷為最大或最小的極端情況。模擬的故障類(lèi)型一般包括線(xiàn)路故障、主變壓器故障、發(fā)電機(jī)故障等。

正常運(yùn)行時(shí)，短時(shí)間內(nèi)電網(wǎng)各處電壓、頻率、電流均保持基本不變。如果一個(gè)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，當(dāng)發(fā)生一般故障，保護(hù)正常動(dòng)作后，擾動(dòng)帶來(lái)的波動(dòng)應(yīng)迅速衰減并在幾秒內(nèi)基本平息。

要通過(guò)仿真準(zhǔn)確再現(xiàn)這幾秒內(nèi)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，必須建立詳細(xì)的動(dòng)態(tài)仿真電網(wǎng)模型。動(dòng)態(tài)模型有別于潮流計(jì)算采用的靜態(tài)模型。靜態(tài)模型僅包含網(wǎng)架支路參數(shù)、穩(wěn)態(tài)功率等信息。而動(dòng)態(tài)電網(wǎng)模型又包含了電網(wǎng)中某些旋轉(zhuǎn)元件和控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，例如發(fā)電機(jī)、馬達(dá)、調(diào)速器、勵(lì)磁、繼電保護(hù)、安自裝置等。

解決油田重點(diǎn)關(guān)心的問(wèn)題

由于油田發(fā)電廠已通過(guò)實(shí)測(cè)建模取得了較為準(zhǔn)確的參數(shù)，因此動(dòng)態(tài)建模重點(diǎn)是負(fù)荷模型。負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果有較大影響。

勝利油田發(fā)電機(jī)均集中接入一處，并且該電廠與外電網(wǎng)聯(lián)系緊密，一般故障不易導(dǎo)致油田機(jī)組相對(duì)其他機(jī)組振蕩。同時(shí)，油田主網(wǎng)架采用220kV 環(huán)網(wǎng)、110kV 輻射結(jié)構(gòu)，并有多回聯(lián)絡(luò)線(xiàn)，一般故障不易導(dǎo)致油田形成孤島。因此，油田電網(wǎng)不容易發(fā)生功角穩(wěn)定或頻率穩(wěn)定問(wèn)題。

油田電網(wǎng)工業(yè)負(fù)荷主要為采油廠。除采油廠外，其他負(fù)荷主要為民用或商用。采油廠負(fù)荷以抽油機(jī)和注水電機(jī)為主。因此，油田負(fù)荷中工業(yè)馬達(dá)比例較高。

當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，電阻類(lèi)負(fù)荷可在短路消失后立刻恢復(fù)電壓，而感應(yīng)馬達(dá)電壓則不能。短路存續(xù)過(guò)程中，馬達(dá)無(wú)法產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電磁力矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降。馬達(dá)特性決定了低轉(zhuǎn)速時(shí)吸收電流較大，從而造成低電壓。馬達(dá)電壓恢復(fù)過(guò)程也是馬達(dá)轉(zhuǎn)速恢復(fù)過(guò)程。如果大量馬達(dá)轉(zhuǎn)速難以恢復(fù)并保持聯(lián)網(wǎng)，嚴(yán)重情況甚至可導(dǎo)致系統(tǒng)電壓崩潰。所以，電壓穩(wěn)定是油田重點(diǎn)關(guān)心的穩(wěn)定性問(wèn)題。

●中國(guó)電力科學(xué)研究院為油田電網(wǎng)提供了安全穩(wěn)定的負(fù)荷模型。

高比例馬達(dá)負(fù)荷造成的低電壓?jiǎn)栴}，本質(zhì)上是馬達(dá)轉(zhuǎn)速降低后難以重新加速的問(wèn)題。抽油機(jī)是油田電網(wǎng)的典型負(fù)荷，屬于正排量式泵，轉(zhuǎn)速降低時(shí)所需驅(qū)動(dòng)力矩維持不變。而一般常見(jiàn)馬達(dá)負(fù)荷屬于類(lèi)似于離心式水泵的機(jī)械負(fù)載，其原理為利用動(dòng)能驅(qū)動(dòng)流體，轉(zhuǎn)速降低時(shí)所需驅(qū)動(dòng)力也大幅減少。因此，從拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性看，抽油機(jī)比一般馬達(dá)負(fù)荷更難以重新加速，更不利于電壓穩(wěn)定。

感應(yīng)馬達(dá)固有特性決定了轉(zhuǎn)速降低時(shí)電流將大幅增加。而馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化取決于電磁驅(qū)動(dòng)力矩和拖動(dòng)負(fù)載力矩的疊加作用。當(dāng)二者相等時(shí)，轉(zhuǎn)速不變；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩低于拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)速降低；反之，就升高。

因此，油田電網(wǎng)穩(wěn)定性計(jì)算負(fù)荷模型基本結(jié)構(gòu)選用感應(yīng)馬達(dá)加恒阻抗模型。馬達(dá)模型對(duì)應(yīng)實(shí)際電網(wǎng)中的抽油機(jī)和注水電機(jī)負(fù)荷，阻抗對(duì)應(yīng)電網(wǎng)中的其他負(fù)荷。

負(fù)荷模型基本結(jié)構(gòu)確定后，需要確定馬達(dá)具體參數(shù)。通過(guò)馬達(dá)特性仿真分析，可將抽象的馬達(dá)等值電路參數(shù)轉(zhuǎn)化為直觀的馬達(dá)特性曲線(xiàn)，或者反過(guò)來(lái)將典型特性曲線(xiàn)轉(zhuǎn)化為供模型使用的阻抗參數(shù)，由此達(dá)到準(zhǔn)確評(píng)估電壓穩(wěn)定性的目的。