企业自主小型发配电系统智能稳控技术的设计与应用

李兆华

（山东钢铁股份有限公司济南分公司，山东济南250101）

企业自主小型发配电系统智能稳控技术的设计与应用

李兆华

（山东钢铁股份有限公司济南分公司，山东济南250101）

为实现企业自主发电—配电—用电的模式，深入研究电力小网发配电特性，研制开发出一套智能稳控系统，解决电力小网发供电负荷不易控制的难题。本套智能稳控技术分为发电机控制部分、配电负荷控制部分、低周减载备用控制部分三个部分，相互融合的一个整体。该技术应用以来，确保了区域电网的安全稳定性。

电力小网；智能稳控；发电机；配电负荷；低周减载

1 引言

冶金企业自主发电—配电—用电的模式因其优越的经济性得到广泛应用。该模式电网具有发电机数量及总容量过小的显著特点，属于典型的小网（甚至是微网），与大网（系统供电网络）相比，电力小网的发、供电平衡的调节难度大，抵抗各种外界扰动以及自身故障的能力弱。尤其是冶金行业，对电能的安全性、稳定性、连续性的要求又极高，因此有必要对电力小网发配电特性进行深入研究，研制开发出一套智能稳控系统，解决电力小网发供电负荷不易控制的难题。

2 现状调研

以某公司二降压区域电网为例（见图1），电网内有3台发电机，总容量为115.5 MVA（42× 2+31.5），单机占比42/115.5=36.4%，3台发电机组构成该区域的电力小网，当机组甩负荷时，就会危及整个电网的稳定运行，甚至会发生电网系统崩溃的重大事故。

2.1 突出问题

（1）在大网中，与各汽轮机相配的锅炉群储存有庞大的能力势能，为发电机的稳定运行提供了雄厚的基础条件，而该小网不具备。

（2）在大网中，各发电机组和被驱动的机械具有巨大的旋转惯量，其储存的动能可以在瞬间释放出来，支持负荷变化，使得电网频率变化维持较小的变化速率，起到动态稳频作用，很容易保持较高的电能质量，而小网很难实现。

（3）在大网中,电能的供应可在地区间相互支援，保证供电的可靠性和连续性能力强，而小网不具备。

2.2 运行控制优势分析

（1）发电机组和负荷在地域上相对集中，在专业运营管理层次上比较统一，便于实施发、配电集中统一管理，为在全局层次上的优化控制提供了现实的基础。

表1 智能控制系统的典型功能框架

图1 二降压区域电网系统图

（2）发电机组和配电、用电设备的运行状态，如：实时功率、故障信号、投退状态等均可以实现实时测量，并可相对容易地实现信息实时汇总、运算、逻辑分析并发出控制指令，在实施发、配、用电实时集中闭环控制方面具有电力大网所不具备的优势。

（3）该小网与电力大网存在一定的联系，如加以充分利用，可大大增强电力小网自身的稳定能力。

3 智能稳控系统的设计

3.1 总体方案

通过分析，确定智能控制系统的总体方案：通过实施发、配、用电实时集中闭环控制及低周减载备用控制，满足电力小网多种可能运行方式下的发、配、用电负荷平衡控制需求，实现电力小网的安全、稳定运行。

3.2 典型功能框架和典型系统架构

结合二降压区域电网具体结构和参数，编制了智能控制系统的典型功能框架（见表1）和典型系统架构（见图2）。

4 智能稳控技术的研制

该技术分为发电机控制部分、配电负荷控制部分、低周减载备用控制部分三个部分，相互融合的一个整体。

4.1 发电机控制部分

在孤网方式下，发电机控制系统自动识别并转入频率调节模式，通过实时跟踪系统频率的变化，实时调节汽轮机汽门的开度，以保持电网频率的稳定。

在半孤网方式下，小网与大网通过同期隔离变压器同步运行，通过实施同期变穿越功率的远调控制，实现小网与大网在基本无功率交换的条件下还能实时保持同期运行。

在并大网方式下，小网与大网通过并网开关直接并网运行，此时发电机控制系统转入负荷控制模式，维持发电机平稳运行。

4.1 .1汽轮发电机调节系统

实现功能：在并大网运行和孤网运行方式下，系统能够自动识别运行方式并自动进入相应控制模式，完成控制任务。

（1）优化DEH（数字电液控制系统）控制逻辑，在DEH中引入孤网运行控制状态，当转速偏差超过一定范围时，DEH自动进入孤网控制状态。

（2）在DEH中将与一次调频相关的转速采样、转速三值优选、一次调频计算、调速指令输出都设置为快速运行，运行周期约50 ms，转速采样和模拟量输出模块采用高速硬件，使控制周期小于100 ms。

（3）增加快速二次调频功能。主要是为了保证电网的频率维持在恒定值，属于动态调频。一次调频是有差调频，不能完全消除孤网频率的偏差，为此，DEH系统设计了二次调频功能，当出现孤网运行或快速减负荷时，能迅速稳定电网频率。

（4）提高一次调频速度。按照负荷需求变化率做前馈，实现调门的开度。在非孤网状态时，前馈取负荷需求延时2 s，当孤网调节器进入自动方式时，延时取消，前馈取当前负荷需求。实现进入孤网时的调门快速动作。

（5）在进入孤网控制时，采用转速加速度计算预估的转速最高值，当预估的转速最高值高于设定值时，超速控制系统的保护迅速动作。由于这个系统的动作回路比调节阀动作回路要快200 ms左右，这种设计将大大减小转速飞升。

（6）减小DEH控制周期，将伺服卡直接接在IO总线上的，省去了输出卡的环节，控制器的控制周期减小到50 ms，转速卡的测量时延减小到1 ms，整个系统的延时在51 ms内，由此产生的转速飞升减少80%以上。

此外，为满足发电机功率因数自动控制和强励的要求，对发电机的励磁调节系统也进行了相应改造。将原强励倍数由2.5升到3.0，强励最大时限由15 s升级到50 s，以保证系统电压的稳定性。

4.1 .2远调发电机控制系统

在半孤网方式下，通过采集同期隔离变压器的穿越功率，将功率信号（0～±10 V）转换为DEH控制汽门开度所需的4～20 mA信号，通过光纤网络传送至DEH，以控制汽轮机汽门的开度，使同期隔离变压器的穿越功率控制在±500 kW以内。以此来实现三台发电机“大环”运行功率控制，即DEH以“外部设定功率”方式运行，从而取代原三台发电机各自“小环”运行调节控制。目的是实现小网与大网在基本无功率交换的条件下还能实时保持同期运行，为借助大网维护小网的稳定提供热备用的基础条件。

同期隔离变正向穿越功率记为正值，当其大于500 kW时，控制发电机减负荷，需要减少的负荷即为穿越功率值；

同期隔离变逆向穿越功率记为负值，当去绝对值大于500 kW时，控制发电机增负荷（发电机存在可调余量的情况下），需要增加的负荷为穿越功率的绝对值。

由于同期隔离变的穿越功率是实时采集的，当DEH调节完成后，穿越功率实时变化，如此往复形成一个闭环控制。在线试验证实，可以将同期隔离变压器的穿越功率调整到±500 kW以内。

图2 智能控制系统的典型架构

4.2 配电负荷控制部分

4.2 .1在孤网方式下运行时，若发生发电机故障跳机，发电量随之将急剧减少，而DEH由于调节机构的限制，无法在很短时间内将其他发电机的负荷增加上来，此时电网的负荷需求却未发生变化，如不对负荷进行快速控制，电网频率将迅速降低，甚至引起电网崩溃。因此，配电负荷控制系统必须有效解决这一问题。在发电机故障跳机瞬间，负荷快切系统采集到系统故障后，主控系统在100～200 ms内快速下达切除负荷指令，在300 ms内切除相应负荷，在电网频率恶化前迅速完成发、用电平衡调节，从而维持电网持续稳定运行。

4.2 .2在半孤网方式下运行时，大网与小网通过同期隔离变压器始终保持同步。当出现发电机故障跳机时，首先启动快合母联系统，合上一降压母联开关A312，将小网并入大网，从而保证小网的稳定运行。当并大网不成功，经少量延时（300 ms）后，负荷快切系统会启动，切除相应负荷维持电网持续稳定运行。

4.2 .3在并大网方式下运行时，必须考虑两种情况：一是并网容量不能超过上级系统容量，出现容量越限时要切除多出部分的负荷；二是出现非计划转孤网时，要迅速切除转孤网前大网向小网的供电功率对应的负荷，确保小网中的发电机不受到冲击，从而实现持续稳定运行。

4.3 低周减载备用控制部分

低周减载系统是负荷快切系统的后备系统，与负荷快切系统同时运行。当负荷快切系统失效，且系统的频率降到设定值时，低周减载系统启动，按预案切除相应的负荷，使系统的频率能尽快恢复到正常状态。为此，主要做了如下优化：

（1）针对电力小网系统的功率缺额更容易引起频率快速下降的特性，增设了df/dt加速切负荷的功能，在切第一轮时可加速切第二轮，以尽早制止频率的下降，防止出现频率崩溃事故。

（2）针对电力小网系统由于短路故障、负荷反馈、频率或电压的异常情况更容易导致低周减载备用系统误动作的情况，增设了df/dt、du/dt闭锁功能。

5 应用效果及结论

智能稳控技术自2012年12月1日正式上线运行以来，各项性能参数稳定，成功处置多次发电机非计划停机故障。在实现了快速、智能稳定区域小电网的基础上，还有效避免了电力中断供应情况的发生，取得了显著的经济效益，具有较高的推广应用价值。

[1]国家经济贸易委员会.电力系统安全隐定导则DL 755-2001[S]，中华人民共和电力行业标准.北京：中国电力出版社，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

李兆华（1966－），女，1987年毕业于山东工业大学电机专业，本科学历，高级工程师，现从事能源开发应用及技术管理工作。