钢铁企业自备电厂孤网运行控制策略

黄　忻，胡　翃，葛芦生（.安徽工业大学电气与信息工程学院，安徽马鞍山4303；.国网安徽省电力公司和县供电公司，安徽马鞍山3800）

钢铁企业自备电厂孤网运行控制策略

黄忻1，胡翃2，葛芦生1
（1.安徽工业大学电气与信息工程学院，安徽马鞍山243032；2.国网安徽省电力公司和县供电公司，安徽马鞍山238200）

为解决钢铁企业自备电厂在孤网状态下不能稳定运行的问题，在对某钢铁企业自备电厂电气运行规则和实时电气数据调研的基础上，结合其电气一次系统图，利用电力系统仿真软件PSASP，构建自备电厂供电网络的仿真模型。按照企业的实际布局，将获取的基础数据按区域输入到PSASP构建的模型，采用潮流计算法分析该自备电厂并网运行和孤网运行时的工况，提出市网失点时自备电厂孤网运行的控制策略。仿真结果验证了所提策略的可行性。

自备电厂；孤网；PSASP；潮流计算；控制策略

如何在停电事故发生之后以最快的速度恢复电力供应是钢铁企业面临的一大课题。由于企业电网不属于大电网的管辖范围，电力部门对大电网进行稳定性分析时往往不考虑企业电网内部结构，因而针对企业需求及其特点开展相关研究以加强其自身电网建设具有重要意义。目前，学者们对此也进行了相关研究，如王春江［1］针对南钢用电负荷性质及其电厂设备情况，依据孤网运行的原理，提出了一套南钢自发电由并网切换成孤网的可行性方案；吴作君等［2］从孤网检测、孤网运行中高频切机与低频减载方面分析了孤网行中应注意的问题；包自力等［3］给出了一种基于系统频率信息和负荷重要性程度的企业自备电厂甩负荷策略。

基于协调方程的经典经济调度方法具有算法简单、可实时计算等优点，但协调方程式不能计及安全性约束。随着配电系统规模的不断扩大，以数学规划为模型的潮流计算由于其可将系统经济性、安全性及电能质量这3个指标统一起来，成为研究电力系统运行和规划方案的重要手段［4-5］。如周波等［6］针对某大型企业集团孤网运行的可行性，采用潮流计算等方法论证了该集团电网主接线方式的合理性与安全性；刘杨华等［7］针对传统潮流计算一般需先设定系统的平衡节点（往往由具有调节能力大、反应速度较快的大型水电厂承担）问题，提出了一种将各分布式电源视为松弛节点的、改进的潮流计算方法；刘明波等［8］针对微电网中电源与负载的随机性，采用基于半不变量和Gram-Charlier级数展开的随机潮流计算方法对实际孤岛微电网的潮流进行分析。本文针对某钢铁企业自备电厂的供电网络布局，运用电力系统分析综合程序（PSASP，7.0版）构建其自备电厂供电网络的仿真模型，采用潮流计算等方法分析该自备电厂并网运行和孤网运行时的工况，并给出孤网运行策略，以期解决自备电厂在孤网情况下难以稳定运行的问题。

1　自备电厂供电网络的布局

某钢铁企业自备电厂有2个分厂，即一分厂和二分厂。其中：一分厂有3台高温高压煤粉掺烧高炉煤气锅炉、3台全烧高炉煤气锅炉和4台60 MW发电机组，主要向钢铁企业老区（老厂区）送电；二分厂有1台153 MW燃气多电机组（蒸汽联合循环发电机组），1台与掺烧高炉煤气锅炉配套的135 MW抽凝式发电机组，主要向企业新区（新厂区）供电。所有机组均通过升压变压器接于110 kV供电母线，整个企业电网属于有功输入型，由自备电厂和市电网共同供电，其中自备电厂供电量占70%以上。目前企业发电机组不具备孤网运行条件，一旦主网失电，发电机组将自动脱离电网并停机，造成巨大的经济损失。

该企业电网110 kV系统网络拓扑分为两部分，一部分由市电220 kV经刘村变电站接入71#变电站向企业老区供电，如图1所示。老区110 kV主网网架以一分厂和71#变电站为中心，分别连接11#变、76#变、61#变、63#变、72#变和62#变。71#变电站的2台249 MVA主变压器只投入1台运行，当该线路跳闸时，一分厂将带老厂区主要负荷孤网运行。另一部分由市电220 kV经由恒兴变电站接入钢轧变电站向企业新区供电，如图2所示。新厂区110 kV主网网架将二分厂和钢轧变电站作为中心，分别连接21#变、73#变、29#变负荷及92#炼钢变、93#新轧变、94#冷轧变、93#风机变、LF炉负荷。96#新高变的主要负荷是高炉，由恒兴变电所直接供电。钢轧变电站有2台240 MVA主变压器，为保证经济运行，正常情况下只投入1台运行，当这条线路跳闸时，二分厂将带动企业新区主要负荷孤网运行。

图1　企业老区供电网络拓扑简图Fig.1 Electronic network topology diagram of the old area in the enterprise

图2　企业新区供电网络拓扑简图Fig.2　Electronic network topology diagram of the new area in the enterprise

2　仿真模型的建立及自备电厂并网运行的潮流计算与结果分析

该企业自备电厂平均发电量约为额定容量的86%，厂用电约5%，上网约5%。

2.1供电网络仿真模型的建立

根据企业自备电厂电气一次系统图在PSASP中搭建单线仿真模型，如图3。图中：黑色小长方形代表断路器，与断路器紧连的开关为隔离开关；11#、12#、13#3台发电机组成二分厂供电网络，为双母线接线方式，标注为钢塘线（731）、钢岔线（732）的2条线路用于模拟二分厂与市电网的联络线；由1#、2#、3#和4#发电机供电部分代表一分厂供电网络，为双母线分段带旁母接线方式，标注为热电Ⅰ回线（869）和热电Ⅱ回线（868）的2条线路用于模拟一分厂与市电网的联络线。正常运行时，除热电Ⅰ回线（869）、热电Ⅱ回线（868）为联络线，其余热氧线（873）、热烧线（817）、热棒Ⅰ回线（875）、热棒Ⅱ回线（876）、热轧线（814）、热焦线（874）、热特线（872）、硅钢线（877）、预留线路（8ZZ）为负荷线。71#变电站2台249 MVA的主变压器只投入1台运行，当该线路跳闸，自备电厂将带企业主要负荷孤网运行。

图3　自备电厂电气一次系统仿真图Fig.3 Simulation diagram of the electrical system of the self-provided power plant

2.2基础数据库的建立

基础数据库包括基本元件数据库和元件公用参数数据库。其中：基本元件数据库中主要存放发电机、变压器、输电线、负荷、直流线等系统元件的数据；元件公用参数数据库存放基本元件数据库中具有相同参数的元器件数据，如同步机、调压器、调速器等。本文根据自备电厂一分厂、二分厂电气运行规程、远程监控系统的实时数据以及生产厂家提供的发电机使用手册，按照基础数据库的建立顺序完成母线、变压器、发电机等数据的填写。

2.3潮流计算

潮流计算是电力系统中最重要的计算，即根据已知电网结构、参数和发电机、负荷等元件的运行条件，计算电力系统稳态运行各母线电压、各支路电流与功率和网损等。系统中与市电网母线连接的发电机代表市电网发电机，选择其为slack（平衡）节点。在潮流分布算出之前，网络中的功率损失是未知的，且至少有1个有功功率不能给定，平衡节点承担系统有功功率平衡，市电网用无穷大母线代替。一分厂的1#、2#、3#和4#共4台发电机，属于PQ节点，其有功功率和无功功率是给定的，待求量为电压。电压上、下限分别为+5%和-5%偏差，潮流计算的方法选择牛顿法［9］，迭代次数的上限为50次。

潮流计算所得结果见表1～4，分别包括2个分厂各台发电机、各条负荷线路的有功功率、无功功率、功率因数及各条物理母线的电压幅值、相角等。由表1可以看出，自备电厂总有功负荷大于其发电总有功功率，验证了该企业电网需由自备电厂和市电网共同供电的假设。表2中发电机有功功率、功率因数、无功功率数据与生产厂家提供的发电机使用手册完全一致。表3中各条母线电压幅值在110 kV附近，均在设定的电压上下限范围内，说明计算结果是有效的。表4中各负荷功率因数均接近于1，表明设备利用率较高，线路损耗小。

表1　功率计算结果Tab.1 Calculation results of power

表2　发电机计算结果Tab.2 Calculation results of generators

表3　物理母线计算结果Tab.3 Calculation results of physical bus

表4　负荷计算结果Tab.4 Calculation results of load

2.4暂态计算

暂态计算在潮流计算的基础上进行。计算前定义：系统频率为50 Hz，计算总时间为5 s，自备电厂正常并网。计算结果如图4，其中横坐标表示时间，纵坐标以标幺值（相对值）形式表示。由表4可看出，自备电厂正常并网运行时，发电机之间功角随时间变化一直保持稳定，系统运行稳定。

图4　正常情况下暂态计算结果Fig.4 Calculation result of Transient under normal condition

3　自备电厂孤网运行控制策略及仿真结果分析

刘村变电站是一分厂与市电网的连接点，刘村变电站全停时，整个一分厂将孤网运行，此时，一分厂的4台发电机均为含一次调频的功频运行方式；恒兴变电站是企业自备电厂二分厂与市电网的连接点，当恒兴变电站全停时，相当于整个二分厂孤网运行。由PSASP软件模拟此时2个分厂孤网运行，结果如表5。由表5可见，孤网运行时一分厂、二分厂功角失稳，系统不能保持稳定。

表5　孤网运行全网暂态稳定性判别结果Tab.5 Results of transient stability of whole grid under isolated operation

若刘村变电站全停，则一分厂处于有功功率缺额的状态，此时须令自动低频减负荷装置动作，使保留下来继续运行的负荷容量与运行中的发电容量基本一致，保证向重要负荷不间断供电。自动低频减负荷装置需满足如下基本要求：

1）当电力系统正常运行时，因突发故障导致有功功率不足，必须及时切除相应容量的负荷，使保留下来继续运行的系统能够快速恢复到额定频率附近，没有频率崩溃，且不会使故障后的系统频率长时间处于某一较高或偏低的数值；

2）按负荷的重要性设定自动低频减负荷装置动作的先后顺序；

3）充分利用系统的备用容量，当出现有功功率不足导致系统稳态频率下降但不少于49.5 Hz时，自动减负荷装置不动作［10］。

根据低频减负荷的要求以及自备电厂负荷的重要程度，将负荷分为三级，当发电机输出的有功功率小于负荷有功功率时，从三级负荷开始切除，直至发电机有功功率与负荷有功功率基本平衡。一分厂的5条线路分别为热轧814线路、热特872线路、热烧817线路、硅钢877线路和热棒Ⅰ回875线路，二分厂三级负荷为冷轧735线路和热轧736线路。对于一分厂来说，若切除三级负荷后仍不能稳定运行，则需进一步切除二级负荷，但二级负荷的切除会使整个钢铁厂无法正常运行。因此，当处于孤网运行状态时，对2个分厂采用不同的切负荷策略：二分厂逐级切除；一分厂切除每级负荷中可切除的部分，占总负荷的8%左右［11-12］。采用PSASP分别对二分厂切三级负荷、一分厂切8%负荷及一分厂切8%负荷后再切三级负荷3种切负荷方式进行仿真，判别其系统运行状态，结果见表6。

表6　不同切负荷策略下孤网运行结果Tab.6 Operation results of the isolated power grid with different cutting load strategy

表6表明：孤网运行状态时，二分厂切断三级负荷后，系统可以稳定运行；一分厂孤网运行状态时，切除每级8%负荷时，发电机组间功角仍不能稳定，为此，再切除三级负荷热轧814线路、硅钢877线路和热烧817线路，此时发电机间的功角稳定，发电机的频率稳定在50 Hz，发电机的端电压稳定在106.8 kV，系统电压和频率在允许变化范围内，系统可稳定运行，进一步表明本文采取的控制策略是可行的。

4　结　论

利用PSASP软件对某钢铁企业自备电厂供电网络并网运行和孤网运行时的工况进行潮流计算和暂态稳定计算，结果表明，该自备电厂孤网运行时发电机之间的功角差过大，功角失稳，导致发电机不能维持同步运行。为此，提出一种企业自备电厂孤网运行时可行的控制策略，即投入低频减负荷装置。当自备电厂孤网运行电网不能保持稳定时，根据负荷的重要性对自动低频减负荷装置动作的先后顺序进行安排，从三级负荷开始切负荷，或者根据实际情况切除每级负荷中可切除的部分，再按照负荷等级从低到高切除负荷，从而保证电网频率和发电机端电压及功角的稳定。本文的研究结果可为钢铁企业自备电厂的安全供电提供参考，同时对其他大型企业的自备电厂也有一定的参考价值。

［1］王春江.南钢自发电孤网运行的可行性［J］.冶金动力，2013（159）：11-13.

［2］吴作君，苏国友，包自力，等.钢铁厂自备电厂孤网运行若干问题的研究［J］.安徽科技，2012（9）：41-42.

［3］包自力，苏国友，陈权.企业自备电厂孤网运行频率控制［J］.安徽科技，2012（7）：39-41.

［4］张仕刚，孟庆霖.配电系统潮流计算综述［J］.天津电力技术，2011（2）：1-5.

［5］秦景，牛路璐，路一平，等.电力系统潮流计算的最新进展［J］.河北建筑工程学院学报，2008，26（4）：61-63.

［6］周波，娄素华.大型化纤企业集团孤网运行可行性研究［J］.电气时代，2012（8）：82-84.

［7］刘杨华，吴政球.孤岛运行的微电网潮流计算方法研究［J］.电力系统保护与控制，2010，38（23）：16-20.

［8］刘明波，简淦杨，董萍.孤岛微电网的随机潮流计算［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2014，42（4）：13-17.

［9］杨清，高雁.基于PSASP的潮流计算及其应用［J］.电测与仪表，2010，47（7A）：78-81.

［10］刘智洋.地区电网孤网运行低压减载的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009：37-45.

［11］苏国友，包自力，吴作君，等.马钢新区孤网运行仿真研究［J］.安徽科技，2012（8）：51-52.

［12］吴作君.钢铁厂自备电厂孤网稳定运行研究［D］.合肥：安徽大学，2013：37-39.

责任编辑：何莉

Control Strategy for Isolated Power Grid of Self-provided Power Plant of Iron and Steel Enterprise

HUAMG Xing1，HU Hong2，GE Lusheng1
（1.School of Electrical and Information Engineering，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243032，China；2.Hexian Electric Company，State GridAnhui Electric Power Company，Ma'anshan 238200，China）

In order to solve the stable running problem for self-provided power plant of iron and steel enterprise under the isolated situation，after analyzing the electronic operation rules and real-time electronic data of the power plant，and combining with its electrical diagrams，a simulation model of power supply network of self-provided power plant was constructed by using power system simulation software PSASP.According to the layout，basic data acquired from the power plant were put into the model with respect to different areas，then operating conditions of the self-provided power plant connecting and isolated with grid were analyzed with the method of flow calculation，and an isolated operation control strategy was proposed.Simulation results verified the feasibility of the proposed strategy.

self-provided power plant；isolated power grid；PSASP；flow computation；control strategy

TM744

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7872.2016.02.011

1671-7872（2016）02-0148-06

2016-03-31

国家自然科学基金项目（E070602）

黄忻（1963-），女，安徽芜湖人，实验师，主要研究方向为工厂供电。