稳定供电有了新保障

文／张恺 刘玉林 张志强 杜磊

油田企业电网发展到一定规模时，电网内部呈现复杂动态特性，有必要开展电网安全稳定仿真评估。

目前，中国石化胜利油田开展了以《油田电网安全经济运行保障技术研究》为题的系列科研项目，并委托中国电力科学研究院进行全面电网建模和仿真分析工作，以评估油田电网的正常运行表现和对故障扰动的承受能力。

电网安全稳定分析至关重要

任何现实工程中的电网都无法杜绝故障发生。石油石化企业的生产是连续性的，一旦供电中断，将带来巨大经济损失和安全隐患。提前开展电网安全稳定分析可有效减少电网故障导致的供电中断。

●油田企业十分关心稳定供电问题。 摄影/朱克民

但是，电网是规模巨大且构成复杂的机器系统。需要分析评估电网特性时，既难以通过物理实验进行模拟，也无法仅凭徒手计算或主观经验得出准确结论。工程师只有借助仿真手段并建立详细模型，才能评估电网承受故障扰动的能力，进而评价电网结构合理性，提供整改建议或评估增加设备投资的必要性。

当工业企业自有电网发展到一定规模时，有必要开展完整的电力系统仿真分析，以保证当前或规划电网正常运行表现良好，并能在一般故障情况下维持稳定。以油田为例，电网发展伴随油气勘探开发而不断扩建。但扩建工程设计阶段，一般仅围绕工程本身计算，而缺少从整体电网角度的安全稳定考量。

电网的规划、设计、运行、接入新设备等阶段，都需要开展持续全面的安全稳定仿真评估。这对公用电网公司来说是周期进行且必不可少的常规工作，而工业企业一般对电网仿真重要性认识不足，缺少系统性的相关研究，或仅开展了较为基础的类似工作。以油田为代表的工业企业，确有必要进行电网安全稳定仿真分析，规避潜在的用电风险。

电网安全稳定评估手段

电网安全稳定分析包括静态安全分析和暂态安全分析。石油石化企业电气工程师一般熟悉前者，而对后者较为陌生。

静态安全分析是在某些电网元件开断情况下进行潮流计算，以评估电网平稳运行状态的表现。所谓潮流计算，就是已知电网各点负荷发电、求解支路功率和母线电压。静态安全分析不考虑故障动态。

暂态安全分析主要关注电网受故障扰动时，从一个平稳运行状态向另一个平稳状态过渡的动态过程。我们常说的“稳定性”主要就是关于过渡过程中系统呈现的动态响应特性。

常见的稳定性问题包括：功角稳定、频率稳定、电压稳定。功角稳定主要关心多台联网发电机之间维持同步运行的能力。频率稳定和电压稳定主要关心系统频率和电压能否在较短时间内恢复到额定值附近的允许范围内。

稳定性评估方法可表述为：在各种可能的初始运行状态下，分别逐一模拟各种可能发生的一般电网故障，并根据仿真结果评估系统特性。模拟的初始状态一般至少包括几种典型的运行方式，例如发电和负荷为最大或最小的极端情况。模拟的故障类型一般包括线路故障、主变压器故障、发电机故障等。

正常运行时，短时间内电网各处电压、频率、电流均保持基本不变。如果一个系统是稳定的，当发生一般故障，保护正常动作后，扰动带来的波动应迅速衰减并在几秒内基本平息。

要通过仿真准确再现这几秒内的动态过程，必须建立详细的动态仿真电网模型。动态模型有别于潮流计算采用的静态模型。静态模型仅包含网架支路参数、稳态功率等信息。而动态电网模型又包含了电网中某些旋转元件和控制系统的动态响应特性，例如发电机、马达、调速器、励磁、继电保护、安自装置等。

解决油田重点关心的问题

由于油田发电厂已通过实测建模取得了较为准确的参数，因此动态建模重点是负荷模型。负荷模型结构和参数对仿真结果有较大影响。

胜利油田发电机均集中接入一处，并且该电厂与外电网联系紧密，一般故障不易导致油田机组相对其他机组振荡。同时，油田主网架采用220kV 环网、110kV 辐射结构，并有多回联络线，一般故障不易导致油田形成孤岛。因此，油田电网不容易发生功角稳定或频率稳定问题。

油田电网工业负荷主要为采油厂。除采油厂外，其他负荷主要为民用或商用。采油厂负荷以抽油机和注水电机为主。因此，油田负荷中工业马达比例较高。

当发生短路故障时，电阻类负荷可在短路消失后立刻恢复电压，而感应马达电压则不能。短路存续过程中，马达无法产生驱动电磁力矩，导致转速下降。马达特性决定了低转速时吸收电流较大，从而造成低电压。马达电压恢复过程也是马达转速恢复过程。如果大量马达转速难以恢复并保持联网，严重情况甚至可导致系统电压崩溃。所以，电压稳定是油田重点关心的稳定性问题。

●中国电力科学研究院为油田电网提供了安全稳定的负荷模型。

高比例马达负荷造成的低电压问题，本质上是马达转速降低后难以重新加速的问题。抽油机是油田电网的典型负荷，属于正排量式泵，转速降低时所需驱动力矩维持不变。而一般常见马达负荷属于类似于离心式水泵的机械负载，其原理为利用动能驱动流体，转速降低时所需驱动力也大幅减少。因此，从拖动转矩特性看，抽油机比一般马达负荷更难以重新加速，更不利于电压稳定。

感应马达固有特性决定了转速降低时电流将大幅增加。而马达转速变化取决于电磁驱动力矩和拖动负载力矩的叠加作用。当二者相等时，转速不变；当电磁转矩低于拖动转矩时，转速降低；反之，就升高。

因此，油田电网稳定性计算负荷模型基本结构选用感应马达加恒阻抗模型。马达模型对应实际电网中的抽油机和注水电机负荷，阻抗对应电网中的其他负荷。

负荷模型基本结构确定后，需要确定马达具体参数。通过马达特性仿真分析，可将抽象的马达等值电路参数转化为直观的马达特性曲线，或者反过来将典型特性曲线转化为供模型使用的阻抗参数，由此达到准确评估电压稳定性的目的。