薄板坯连铸连轧冲击性用电负荷接入企业电网可行性研究及应用

刘建平

（酒钢集团公司能源中心，甘肃嘉峪关 735100）

引言

某钢铁企业为实现产品升级，组织建设了200万t薄板坯连铸连轧（以下简称CSP）项目。考虑到接入当地供电企业电网后，由于国家电网收费高会降低企业新建项目竞争能力，企业决定将CSP项目接入企业内部电网。由于企业内部电网供电裕度不大，而CSP项目用电负荷大并且属于典型的冲击性负载，对企业电网的安全稳定运行有一定影响，需要对CSP用电负荷接入企业电网后，电网内电力平衡、电网的稳态、暂态稳定能力等相关参数和特征进行分析，并根据分析结果制定对应的措施及解决方案，以实现项目接入实施后能保证企业电网的安全稳定运行。

1 企业电网现状

1.1 发、用电负荷情况

企业电网总发电能力为380 MW，平均用电负荷360 MW，最大用电负荷460 MW。

企业电网内安装有7台发电机组，分别为6台燃煤机组和1台余能机组，各机组容量如下：

燃煤发电机组：2×125 MW、2×50 MW、1×12+1×10 MW；

高炉煤气余能发电机组：1×8 MW。1.2 企业电网结构及潮流分布情况

企业电网通过110 kV嘉总双回线接入国家电网110 kV系统，主网架结构是以110 kV热电厂变电站、110 kV一总降变电站、110 kV三总降变电站、110 kV四总降变电站为支撑的环形供电系统。两个电厂分别接于四角环网的两个对角即110 kV三总降变电站及110 kV热电厂变电站。另外，110 kV万立制氧变双回110 kV线路（110 kV万立制氧一、二回线）接入110 kV一总降变电站；110 kV铁前变双回110 kV线路（110 kV铁前一、二回线）接入110 kV四总降变电站；110 kV二总降变双回110 kV线路（110 kV热总三、四回线）接入110 kV热电厂变电站，110 kV北区变以单回110 kV线路（110 kV热北线）接入110 kV热电厂变电站。

为便于潮流计算，将企业电网的110 kV系统各变电站的连接方案进行简化，简化原则为：将110 kV主网架之外的110 kV变电站的用电负荷相对应纳入其接入110 kV变电站的用电负荷统计之中。根据企业电网的实际情况，具体简化情况如下：

将110 kV万立制氧变电站的用电负荷并入110 kV一总降变电站；

将110 kV铁前变电站的用电负荷并入110 kV四总降变电站；

将110 kV二总降变电站、110 kV北区变电站的用电负荷并入110 kV热电厂变电站。

简化后各110 kV变电站的用电负荷为：一总降变电站90 MW、四总降变电站140 MW、热电厂变电站100 MW、三总降变电站30 MW。简化后的企业电网结构图如图1所示。

1.3 企业电网安全自动装置配置及安稳策略

为保证国网的安全稳定运行，该省电力调度通信中心分别在国家电网330 kV变电站、企业电网110 kV三总降变两侧各装了一套安全稳控装置。其主要功能有跳机切负荷功能和长期受电切负荷功能，具体设置如下：

（1）跳机切负荷功能（等效为冲击负荷）

根据公司电网及用电负荷的特点，安全稳定控制装置的启动值为50 MW，在受侧系统有功负荷达到50 MW以上时，视受侧系统有功负荷情况分四个轮次切除用电负荷。策略如表1。

表1 跳机切负荷策略

（2）长期受电切负荷功能

对由于用电负荷增长或发电机组缓慢降出力导致的于系统超允许受电进行相应的限制用电负荷的功能。其整定值为60 MW、10 s，分四个轮次依次切铁前变、一总降变（两轮）、三总降变负荷，每个轮次间隔10 s，直至受电负荷低于60 MW。

2 接入方案分析及对策

CSP项目用电负荷从企业电网110 kV四角环网的110 kV四总降变电站配出，通过分析CSP项目负荷特点、电力平衡情况、潮流分步情况、安稳策略适用性及调整方案，对接入方案进行分析。

2.1 CSP项目生产用电负荷特点

薄板坯连铸连轧项目是某企业产品升级项目，设计年产200万t碳钢热轧薄板。项目主要建设有2台薄板坯连铸机组、6台机架连轧机组及其配套公辅设施，项目年平均用电负荷40 MW，最大用电负荷64.9 MW，冲击负荷37 MW。根据CSP轧制有功负荷曲线，其对应的时间及有功负荷见表2。

表2 CSP轧制有功负荷和时间对应表

从表2可以看出，有功从28.3 MW变化到64.9 MW或从64.9 MW变化到28.3 MW均用时23 s，呈阶梯状递增（递减）。单块钢坯轧制全过程时间为218 s。

2.2 发、用电负荷平衡分析

CSP项目未热负荷试车前，企业电网内电厂的最大发电出力为380 MW，平均用电负荷360 MW，最大冲击负荷460 MW；CSP项目热负荷生产之后，公司总平均用电负荷将达到430 MW（随着CSP生产后薄板坯用量增加，与之配套的炼钢精炼炉产量增加，用电负荷相应地增加30M W），最大冲击用电负荷预计将达到524.9 MW。而公司同期的最大发电能力为380 MW，平均用电负荷缺口50 MW，最大受系统用电负荷144.9 MW（未考虑同时系数）。受生产工艺条件限制，各用电负荷产生的冲击性负荷不可能同时达到最大值，因此最大受系统用电负荷可不按极值考虑，综合考虑各种生产条件，其最大值不会大于125 MW。

2.3 公司电网110 kV系统运行方式及潮流分布分析

CSP双流热负荷调试期间公司110 kV线路传输潮流情况见表3、表4。

表3 企业电网发用电负荷参数表 MW/Mvar

表4 企业电网110 kV系统输电线路参数

以潮流计算软件为计算工具，将公司电网各类典型运行方式及电网参数录入潮流计算软件进行计算，整理得表5。

表5 公司电网潮流计算表 MW/Mvar

从表5可以看出，CSP热负荷及正常生产期间，企业电网110 kV系统均在双线运行方式下，110 kV总联一、二回线线路潮流较重，其余线路潮流较合理，能够满足使用要求；在110 kV总联一、二回线，110 kV总联三、四回线分别出现“N-1”运行方式后，110 kV总联一、二回线将出现线路出现接近满载现象。在事故情况下，110 kV线路没有出现线路过载问题，能够满足电网最低安全运行要求。

2.4 110 kV嘉总双回线潮流变化分析

由于110 kV嘉总双回线是企业电网与国家电网的唯一联络线，在事故情况下尤其需要考虑其安全稳定运行的要求。线路在事故情况下原则上不应出现间歇性过载（瞬时性过载暂不考虑），需要分别考虑发电机组正常及跳机情况下，联络线的潮流变化情况。

（1）发电机组均正常运行

根据电力平衡分析，发电机组均正常运行方式下，110 kV嘉总线传输功率将达到50 MW（事故情况下110 kV嘉总双回线最大传输功率220 MW）。

（2）一台125 MW发电机组跳闸

①不考虑冲击负荷

一台125 MW发电机组发生跳机事故后，公司电网的总发电能力将由380 MW降至255 MW，平均用电负荷没有发生变化，110 kV嘉总双回线传输功率将达到175 MW。

②考虑冲击负荷

在CSP生产期间最大用电负荷524.9 MW，在CSP轧制过程中110 kV嘉总线短时间歇性传输功率将达到269.9 MW，超过了110 kV嘉总线允许的传输能力。在对企业电网内的铁合金用电负荷（65 MW）全部进行限制后，110 kV嘉总双回线短时间歇性传输功率仍将达到204.9 MW，接近110 kV嘉总双回线长期允许运行容量要求。

2.5 110 kV嘉总双回线稳定运行的控制措施

CSP生产后公司总平均用电负荷将达到430 MW，最大用电负荷将达到524.9 MW，除380 MW能够自已供应外，其余需从系统购进。但目前安装于国家电网330 kV变电站110 kV系统、企业电网110 kV三总降变电站的安全自动装置定值过小无法满足企业从系统购电的需求，故须对企业电网内的用电负荷进行限制或者对安全自动装置定值进行调整，以满足不间断用电需求，具体分析如下：

措施一：限制北郊工业园区、大友铁合金的大部分用电负荷（60 MW）。

通过限制大部分铁合金用户的用电负荷，将公司总平均用电负荷降低至370 MW，最大用电负荷将达到464.9 MW，需从嘉总线受电84.9 MW，虽未超过线路的额定传输能力，但超过了安全自动装置的动作整定值，无法满足用电负荷的用电需求。

措施二：对安全自动装置的有关定值进行调整。

具体调整内容为：跳机切负荷功能第一轮定值由50 MW调整为125 MW；长期负向受电功能定值由60 MW调整为125 MW。根据企业用电负荷的重要程度，按照铁合金用电负荷、选矿用电负荷、烧结用电负荷、中板用电负荷、一高线用电负荷及制氧用电负荷的顺序，同时根据限负荷的数值要求进行匹配。

比较措施一与措施二，措施一即使采取了限电措施也无法满足用电负荷的用电需求，还需要对安全自动装置的定值进行适当调整，公司在对部分用电负荷采取停止供电的措施后也无法满足其他产业的正常用电需求；措施二要调整安全自动装置的部分功能，将涉及到备用容量及备用容量费大幅上调的问题，公司每年需向电力公司多支付1980万元的备用容量费。

综合考虑，措施二对于企业电网的安全稳定运行好于措施一，建议采用措施二。

2.6 增加安全自动装置功能，提升企业电网内部安全稳定运行水平

考虑到企业电网110 kV系统是环网运行方式，需要考虑企业电网与系统解列后再次并网时可能引起的非同期并列事故；也需要考虑由于四角环网内的发电机组跳闸故障后，运行线路有可能出现的过载现象。为防止出现上述事故，需要对安装于企业电网内各110 kV变电站安全稳控装置增设下述判断及控制逻辑。

（1）在三总降侧110 kV嘉总线解列备自投功能中增加110 kV系统的跳闸开路，即在发出跳开110 kV热总一、二回线、热总五、六回线的同时，跳开三总降侧110 kV总联三、四回线（以确保电源不会送至热电厂）。

（2）当检测到三总降变110 kV总联一、二回线的电流值（应分别检测的两线为“或”逻辑）超过线路允许载流量的105%时认为线路过载，延时1.8 s后分轮次向一热电、铁前变发出切负荷指令,即以110 kV总联一、二回线过负荷的时间为基准1.8 s后向一热电110 kV热北线发出切负荷指令；延时0.5 s检测110 kV总联一、二回线仍过载，则向热电厂110 kV热总三、四回线发出切负荷指令；再延时0.5 s检测110 kV总联一、二回线仍过载，则向铁前变发出切负荷命令。为了能够区分故障与过负荷，三总降变侧应检测电流与有功功率，电流与有功功率之间为“与”逻辑，线路过负荷定值及延时应可以随时调整。

（3）三总降变发出跳机切负荷、长期负向过载切负荷命令应能同时发至铁前变与热电厂变，切荷量保持现状不变。

（4）热电厂变侧实现功能：当接到三总降变安全稳控装置发来的切负荷指令后分别切除110 kV热北线、热总三、四回线。

（5）铁前变实现功能：当接到三总降变安全稳控装置发来的切负荷指令后切除铁前变八条开路30 MW负荷（与跳机切负荷相同）。

2.7 冲击负荷对发电机组及系统造成的影响

CSP项目生产后公司将出现4台LF炉（二炼钢3台+不锈钢炼钢1台）同时生产的局面。生产期间产生的所有冲击负荷主要由河西电网、企业网内的发电机组承担，根据国家电网电能质量中心《关于某企业新增薄板连轧冲击负荷对河西330 kV电网暂态影响的分析计算》的结论，在企业电网内的2台机组运行期间，CSP热负荷调试及生产产生的冲击负荷不会引起公司110 kV电网及河西330 kV电网出现暂态失稳。

综上所述，CSP项目接入企业电网后，对于企业电网内部110 kV系统来说，能够满足电网“N-1”的安全运行要求，为保证企业电网内各110 kV变电站不出现非同期并列及线路过载等故障，对企业电网的安全自动装置的功能进行补充与完善，确保企业电网内部110 kV系统的安全稳定运行水平。另外，由于企业电网与国家电网之间的联络线受国家电网安装的安全自动装置允许功率限制不属于“强联络”，在出现125 MW发电机组跳机事故后，联络线受安全自动装置限制，无法满足 “N-1”的安全运行要求。因此，根据企业电网内电力电量平衡的结果，需要对安装于国家电网及企业电网的安全自动装置整定值进行适当调整，具体内容如下：

（1）将跳机切负荷定值由50MW调整至125MW。

（2）将长期受电负荷定值由60MW调整至125MW。

按照调整后的整定值，企业电网与国家电网之间的联络线供电能力将得到大幅提高，国家电网对于企业电网的支撑作用将得到显著改善，新建CSP项目接入企业电网能够满足其安全供电的需求。

3 结论

经过与当地供电公司充分协商，当地供电公司同意了企业提出的供电方案。CSP项目接入企业电网后，经过调试热负荷试生产，企业电网110 kV系统的潮流分布与与计算分析数据一致；在出现发电机组跳机事故后，企业电网的安全自动装置能够准确切除用电负荷，能够保证企业电网的安全稳定运行。供电方案满足了CSP项目正常生产用电需求，保证了项目按期投产的要求。