企业电网低频减载与马达低压保护优化协调

杨琦，韩天真，2，郭庆奎，原永禹，孙建军

（1.中国电力科学研究院，北京100192；2.华北电力大学电气与电子工程学院，保定071003；3.中国石油化工股份有限公司天津分公司，天津300271）

企业电网低频减载与马达低压保护优化协调

杨琦1，韩天真1，2，郭庆奎3，原永禹3，孙建军3

（1.中国电力科学研究院，北京100192；2.华北电力大学电气与电子工程学院，保定071003；3.中国石油化工股份有限公司天津分公司，天津300271）

基于轨迹的时域动态仿真分析方法，分析得出大型工业电网在孤岛运行时低频减载措施与马达低压保护配置间普遍存在的问题，提出了低频减载措施与电动机低压保护协调配合策略。文中以某大型炼化企业电网为例，模拟了严重故障下企业电网孤岛运行全过程，校核了现有企业电网低频减载措施与电动机低压保护定值间的配合情况，采取搜索+校验的方法，结合电压、频率变化轨迹，给出企业电网低频减载与低压保护定值的协调配合方案，确保了企业电网安全稳定运行。

低频减载；低压脱扣；协调配置；孤岛运行；频率

随着智能电网技术的发展，“源-网-荷”协调控制已成未来发展的趋势。大型工业电网通过技术革新、电网升级改造，建立了完善的控制和通讯系统，具备了自治、自愈的部分功能，特别是在大电网严重故障下，企业电网能独立稳定运行，保证了重要工业负荷的供电可靠性，避免了企业停车，降低了经济损失。因此，如何保证企业电网在外部电网故障后快速、稳定运行，减少负荷损失是当前研究的热点问题之一。

文献[1]以广州石化企业电网为例，结合石化企业自身特点，对企业电网低频减载方案进行了整定分析。文中所述方法设定简单，应用最为广泛，但由于考虑故障场景有一定的局限性，会导致负荷过切、欠切情况时有发生，不能满足企业实际运行要求。文献[2-6]揭示了辐射性电网电压崩溃与感应电动机堵转直接的耦合关系，同时给出了感应电动机连锁堵转的分析方法。文献[7-9]分析了低频切负荷与低压切负荷之间的耦合关系，指出孤立整定低频减载UFLS（under-frequency load shedding）和低压减载UVLS（under-voltage load shedd-ing）即可能造成严重过控，又可能由于控制负效应形成欠控的现象。研究主要针对传统输电网进行分析，对于大型工业电网而言，所提方法缺乏适应性，没有考虑工业电网自身的特点。

本文基于轨迹的时域动态仿真分析方法，得出大型工业电网在孤岛运行时低频减载措施与马达低压保护配置间普遍存在的问题，通过仿真模拟分析，基于电压、频率变化轨迹，定量分析给出了低频减载措施与电动机低压保护协调配合策略，构建了目标函数。最后，通过实际算例验证了方法的有效性、实用性。

1 外部电网严重故障后大型工业电网孤岛运行特性分析

1.1 工业电网暂态电压变化规律

目前，大型工业电网一般集发电、供电、用电于一体，网内负荷以异步电动机为主（如：风机、压缩机、造粒机等），电动机负荷比例达85%～95%左右。计及机电暂态过程中选取感应电动机三阶模型[11]作为研究对象，电动机在dq0坐标系下，其描述方程如下。

电动机转子运动方程和电磁暂态方程为

式中：Rs、Xs、XM、RR、XR分别为定子电阻、定子电抗、激磁电抗、转子电阻和转子电抗；f0=50 Hz。

正常运行时，电动机电磁转矩和机械转矩相互平衡，电磁转矩公式为

式中：scr为临界转差；Memax为最大转矩，Memax≈为电动机定转子漏抗之和。

当外部联络线发生严重故障后，企业电网母线电压会发生大幅暂降，电压过低时，异步电动机会迅速减速甚至停转，同时，在停转过程中，异步电动机吸收的有功功率变小，而吸收的无功功率反而迅速上升，导致压降增大，端电压进一步下降，转子滑差单调上升直至电动机堵转失稳。在恶劣情况下，感应电动机群将由单台电动机开始堵转发展到大量感应电动机连锁堵转的情况，将会引发电机转子的相对运动，甚至使发电机之间失去同步[12]，导致系统失稳。

在实际生产中，企业电网为了保证电动机自身设备安全，网内电动机按照负荷重要程度、母线电压等级等配置了电动机低压保护UVT（under voltage tripping），实现了设备的保护。

1.2 工业企业电网频率变化规律

外部联络线故障，大型工业电网孤岛运行后，系统有功功率不平衡，企业电网出现一系列动态响应，企业电网内的频率变化速率及最终稳态值由4个因素[13]决定：企业电网功率缺额量、剩余发电机转动惯量，负荷频率特性以及系统旋转备用容量。

企业电网频率变化量可表示为

式中：f0为系统初始频率；DT为系统总阻尼系数；PG为企业电网内发电机输出有功功率；PL为在系统频率为f0时的负载有功功率；ω为发电机组的转子角速度；M为系统惯性常数；KL为负荷的频率调节系数。其中，企业电网内负荷功率会随着频率波动而变化，单位频率变化对应的负荷功率变化关系由KL表示，KL值的选取[14]一般参考表1所示。

企业电网受电方式下，断开外部联络线孤岛运行后，网内发电机不能快速增加功率输出，频率变化程度很大程度取决于负荷（马达负荷）的频率敏感特性。为了防止电网长时间运行于非正常频率范围，需要配置低频减载装置切除部分负荷，保证企业电网安全、稳定运行[15-19]。

1.3 工业企业电网频率和电压耦合关系

企业电网中电动机低压保护（UVT）和低频减载（UFLS）一般都是按照离线预决策实时匹配的模式进行配置，在设置定值时，分别针对企业电网内可能出现的电压波动（晃电事故）和低频问题分别进行配置。实际上，在一些事故过程中，低压问题和低频问题会同时出现、相互耦合。

某大型工业企业电网0 s其外部联络线发生三相短路故障，0.12 s后故障切除、相应开关动作，企业电网转为孤岛运行方式。企业电网中电压、频率变化情况如图1所示。

表1 负荷频率特性值Tab.1Load frequency characteristic specifications

图1 企业电网孤岛运行、电压频率变化曲线Fig.1Voltage and frequency curves when the enterprise under island operation

短路故障发生后前期，此时系统没有足够的无功电源储备，母线电压大幅跌落，电动机会迅速减速，部分大型电机甚至停转，加剧了系统内无功功率的需求，使电压水平进一步恶化。为了避免电动机堵转或者连锁堵转现象的发生，如图1所示，在此过程中，0～1.5 s内企业电网会有部分电动机因低压保护配置自动切除，有效遏制电压的降落，一定程度上有利于电网频率的恢复。

同时，由于企业电网正常运行方式为受电方式，当联络线断开后，造成一定的有功功率缺额，会导致低频问题的发生，系统频率的变化轨迹取决于发电机、负荷及系统的频率调节特性，相较电压的变化而言，频率降落速度和恢复速度都相对缓慢，低频减载各轮次设定的启动频率与时延，也影响了频率快速恢复。

在故障发生后的前期，电网内负荷功率的变化主要取决于电网内电压的变化，而后期主要取决于系统频率的变化。

2 当前低频减载措施与电动机低压保护定值存在的问题

工业企业电网低频减载配置方案同传统大电网类似，首先预估出企业电网可能出现的最大功率缺额，依据“逐步逼近法”理论，配置出适当的轮次动作频率，以达到稳定电网频率的目的。在企业电网中低频减载配置一般选3～7轮，级差0.2～0.3 Hz，延时0.2～0.3 s。企业电网中发生电压跌落等问题时，通常依赖马达低压脱扣装置以保证企业电网电压稳定[15]，马达低压脱扣时间在考虑设备承受能力的基础上，依据生产流程中各电机不同重要程度分组进行整定，按照马达重要程度、容量、电压等级分为3～4个低压脱扣轮次，如某企业典型的低压脱扣轮次配置如下：

第1轮次：延时0.1～0.2 s，电压0.6～0.7 p.u.；

第2轮次：延时0.5 s左右，电压0.6～0.7 p.u.；

第3轮次：延时0.5～1.5 s左右，电压为0.4～0.5 p.u.；

第4轮次：延时5～10s左右，电压0.4～0.5p.u.；

通过上述分析可知，目前，工业企业电网在低频减载设置和马达低压脱扣配置过程中均是针对于低压、或者低频状况单一场景进行的，两者间完全孤立、缺乏相互协调。在外部电网发生严重故障，大型工业电网由并网转为孤网运行的过程中，电压大幅跌落和低频问题均会发生，两者相互耦合、共同存在，此时采取单一的控制策略将很难同时保证电压和频率的有效控制，相反，由于电动机低压保护定值设置不当或与低频减载措施不协调，导致原有低频减载措施“失配”，过切或欠切时有发生。

3 企业电网低频减载措施与电动机低压保护配置协调控制策略

3.1 低频减载措施与电动机低压保护定值协调配合目标企业电网低频减载措施和电动机低压保护定值协调控制的目标为：在发生严重故障条件下，企业电网孤岛运行过程中，在保证系统电压、频率在安全约束运行范围的前提下，使系统损失的负荷最小。其目标函数为

式中：PCUT为电网孤岛运行整个过程中总切除有功功率；为电动机因低压保护动作切除有除的有功功率为企业电网内低频减载共同切除的有功功率为第m个负荷母线第t轮低频减载切除的有功功率。

整个过程的约束条件分别为

1）功率平衡约束

企业电网故障发生切除相应的负荷后仍然要保持系统功率的平衡，公式为式中：

PGi为第i台发电机有功出力；PLm为第m个负荷母线的有功功率；Ploss为企业电网有功损耗；PD为由扰动引起的有功偏差；PC为控制引起的有功偏差；一般，当企业电网稳定状态下PC、PD较小；为第m个负荷母线初始有功功率。

2）发电机的运行约束条件

式中：PGi、PGimin、PGimax分别为第i台发电机有功出力及其上下限；QGi、QGimin、QGimax分别为第i台发电机无功出力及其上下限。

3）电网电压约束条件

式中，Ui为系统孤岛稳定运行后母线电压的标幺值。

4）电网频率的约束条件

本文选取某实际炼化企业电网进行分析，电网内装机总量为440 MW，共包含8台发电机组：其中100 MW机组两台，60 MW、30 MW机组各两台，电网内负荷总量为430 MW，电网采取“以热定电”的开机方式，正常运行时机组出力在300 MW～400 MW之间，企业电网为受电方式。炼化企业中负荷曲线变化较小，用电负荷相对平稳，网内负荷主要是大型异步电动机负荷，以大型异步电动机拖动的风机、压缩机以及隔爆或增安型异步电动机拖动的机泵为主，电动机负荷占总用电负荷的85%以上，同时有少量的照明等静态负荷。

式中，fi为系统孤岛稳定运行后电网频率最终稳定值，Hz。

3.2 低频减载措施与电动机低压保护定值协调配合流程

整个优化配置流程如图2所示，优化的目标为：保证企业电网安全稳定运行的同时，损失负荷量最小。在此过程中，考虑了可能的各种组合方案、故障形式，最终，综合比较选择出适用于不同功率缺额下的最优方案。

图2 企业电网低频低压保护协调配合方案流程Fig.2Flow chart of the coordination scheme of low frequency and low voltage protection for the enterprise

4 实例结果与分析

企业电网中电动机参数IEEE推荐的典型感应电动机参数，10 kV以上大型电动机对应典型工业大型感应电动机参数，6 kV及380 V电机选用小型工业电机参数，具体电动机参数见附表1所示。原电网内仅部分低压电动机设定了低压脱扣保护（2%左右），定值为0.6 p.u.，0.1 s，其余电动机低压脱扣功能闭锁。企业电网低频减载原始方案如表2所示。

表2 企业电网低频减载方案配置Tab.2UFLS scheme for the enterprise

鉴于篇幅所限，以受电功率60 MW为例，选取迭代计算过程中3种典型配置方案进行分析。

配置方案1初始电动机低压脱扣配置方案，低频减载方案不变。

炼化企业电网外部联络线0.2 s发生三相短路故障，0.32 s故障切除，企业电网孤岛运行。从图3可以看出，0.32 s故障切除后，电网内母线电压不能完全恢复，异步电动机吸收的无功功率迅速上升，导致压降增大，端电压进一步下降，导致大面积电动机连锁堵转，最终引起网内发电机功角失稳，如图4所示。

图3 配置方案1苯酚6 kV母线电压变化情况Fig.3Voltage of phenol 6 kV substation under scheme 1

图4 配置方案1发电机功角变化曲线（6#机组为例）Fig.4Power angle curve of the 6#generationunder scheme 1

因此，在外部联络线发生严重故障的情形下，电压问题和频率问题同时存在于企业电网中，若电动机低压脱扣配置不合理时（比例较低），将导致企业电网电压无法控制至安全范围内，相反，加剧电网事故的进一步恶化。

配置方案2提高电动机低压脱扣比例，按照电动机重要程度将电动机低压脱扣配置按照如下比例进行配置。

第1轮：延时0.1 s，电压0.6 p.u.，所占比例为10%；

第2轮：延时0.5 s左右，电压0.6～0.7 p.u.，所占比例15%；

第3轮：延时5～10 s左右，电压0.4～0.5 p.u.，其余电动机。

炼化企业电网外部联络线0.2 s发生三相短路故障，0.32 s故障切除，企业电网孤岛运行。0.6 s左右，大约10 MW左右电动机低压脱扣，网内母线电压迅速恢复稳定，如图5所示，此过程中频率持续下降，下降致49.0 Hz时，触发低频减载第1轮动作，切除电动机负荷25 MW左右。由于，低压脱扣动作，切换了部分负荷，导致低频减载第2轮没有触发，低频减载方案失配，最终，电网频率稳定在49.2 Hz左右，未达到电网孤岛运行要求，如图6所示。

图5 配置方案2苯酚6 kV母线电压变化情况Fig.5Voltage of phenol 6 kV substation under scheme 2

图6 配置方案2企业电网频率变化情况Fig.6Frequcncy of the enterprise under scheme 2

此配置方案下，由于电动机低压脱扣方案与低频减载方案失配，最终导致系统“欠切负荷”，系统频率不能恢复至安全稳定运行区域。

配置方案3按照电动机重要程度将电动机低压脱扣配置按照如下比例进行配置：

第1轮：延时0.1 s，电压0.6 p.u.，所占比例25%；

第2轮：延时0.5 s左右，电压0.6～0.7 p.u.，所占比例25%；

第3轮：延时5～10 s左右，电压0.4～0.5 p.u.，其余电动机。

炼化企业电网外部联络线0.2 s发生三相短路故障，0.32 s故障切除，企业电网孤岛运行。频率最终稳定在50.6 Hz左右，全过程中低频减载不动作，如图7所示。0.6 s左右，大约95 MW左右电动机低压切除，网内母线电压恢复至1.07 p.u.，如图8所示。

图7 配置方案3企业电网频率变化情况Fig.7Frequcncy of the enterprise under scheme 3

图8 配置方案3苯酚6 kV母线电压变化情况Fig.8Voltage of phenol 6 kV substation under scheme 3

此配置方案下，电动机低压配置比例不合理，导致故障过程中“过切负荷”，系统频率、电压严重偏高，系统频率由低频问题变为高频问题。当电动机脱扣量较大时，甚至会触发发电机超速保护反复动作，电网振荡失稳。

通过上述典型3种配置方案对比分析可知，为了保障企业电网孤岛条件下安全、稳定运行，电动机低压脱扣配置方案与低频减载方案必须进行协调配合，按照第3.1、3.2节的目标函数及流程步骤，最终企业电网低压减载方案及电动机低压脱扣方案配置如表3所示。

低压脱扣配置方案如下：

第1轮：延时0.1 s，电压0.6 p.u.，所占比例为15%；

第2轮：延时0.5 s左右，电压0.7 p.u.，所占比例15%；

第3轮：延时1.0 s左右，电压0.5 p.u.，所占比例25%；

第4轮：延时5～10 s左右，电压0.4～0.5 p.u.，其余电动机。

企业电网低频减载措施将与外部联络线相关保护相互配合，保护动作后将触发低频减载装置投入运行。

表3 企业电网低频减载方案配置Tab.3TheUFLS scheme for the enterprise

5 结语

本文针对大型工业电网在孤岛运行时低频减载措施与马达低压保护配置间普遍存在的失配问题，基于轨迹的时域动态仿真分析方法，构建了保证企业电网孤岛稳定运行最优协调控制策略。并以某大型炼化企业电网为例，对该地区的低频减载方案、马达低压保护配置方案进行综合评价分析，得出了最佳配置方案，保证了大型工业电网在严重故障扰动下，电网能稳定运行，损失负荷量最小。

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Coordination Strategy of Low Frequency Load Shedding and Under-voltage Tripping of Motors in Large Industrial Power Grid

YANG Qi1，HAN Tianzhen1，2，GUO Qingkui3，YUAN Yongyu3，SUN Jianjun3
（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；2.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China；3.China Petroleum&Chemical Corporation Tianjin Branch，Tianjin 300271，China）

Trajectory-based time-domain dynamic simulation method is used to analyze problems of the configuration of low frequency load shedding and under-voltage tripping of the large industrial enterprise grids when island operation.In this paper，take a large petrochemical enterprise grid for example，simulations of island operation caused by the serious fault are made and the existing configurationof low frequency load shedding and the low voltage protection of motors are checked.Taking search and check method and combining the voltage and frequency curves，the coordination scheme is proposed to ensure the operation of the enterprise grid safe and stable.

under-frequency load shedding；under-voltage tripping；coordination configuration；island operation；frequency

附表1IEEE推荐的典型感应电动机参数Schedule.1IEEE Recommended typical induction motor parameters

TM727

A

1003-8930（2015）12-0070-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.12.13

杨琦（1981—），男，通信作者，博士，高级工程师，主要研究方向为电力系统运行分析、微型电网的并网、控制和保护技术。Email：yangqi@epri.sgcc.com.cn

韩天真（1988—），女，硕士研究生，研究方向为电力系统保护与控制。Email：lily19880325@126.com

郭庆奎（1963—），男，本科，高级工程师，研究方向为工业电气自动化。Email：guoqingkui.tjsh@sinopec.com

2013-11-28；

2014-11-11