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化学工程与装备 2023 年 第 7 期 164 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 7 月 仿真技术在炼化企业电力系统中的应用 仿真技术在炼化企业电力系统中的应用 张清宇（福建联合石油化工有限公司，福建 福州 350001）摘 要：摘 要：电力系统仿真可以模拟系统运行状态，并进行正常检修及特殊运行方式下的潮流计算，对日常运行方式的调整和工作指令的编制具有重要意义。同时仿真系统可以进行系统短路计算，用于校验继电保护装置定值是否准确、可靠。它还能提供马达启动分析、系统暂态稳定、电弧辐射强度计算等功能，对于我公司电力系统的稳定运行提供了理论依据和技术支持。关键词：关键词：模拟；潮流；短路；运行方式 1 电力系统仿真工具的意义 1 电力系统仿真工具的意义 电力系统是一个大规模的时变系统，随着日益增长的用户需求，电力系统正在不断扩大和网络化，实际电力网络拓扑系统变得越来越复杂1，数字仿真已成为电力系统研究、规划和设计的重要手段。电力系统的仿真就是通过建立适当的数学模型来模拟实际电路的一种研究方法，分析软件主要用来进行潮流计算、电磁暂态仿真、机电暂态仿真、控制保护仿真等，是电力系统工作者进行电力系统规划、保护、调度及故障研究的重要工具。现在包括 BPA、PSAPAC、NETOMAC等品牌的系统仿真分析软件正在全球范围内得到广泛应用。我司（某炼化企业）自一体化项目初期引进了由美国Power Analytics 公司开发的电气系统仿真分析软件 EDSA。作为世界顶级的电力系统设计和仿真分析软件平台，相比传统的电力系统计算分析软件而言，EDSA 不仅能够进行电力系统各种静态的计算和分析，还能提供动态的仿真分析，包括模拟和嵌入电力系统中新型的智能电子控制设备，从而帮助电气工程师提高其设计或维护系统的安全性、稳定性和经济性。其软件包含几十个功能模块，配合其强大的数据库文件,用户可以对其电力系统进行各种分析和优化，包括：故障分析，保护设备整定计算，电能质量分析和控制、暂态稳定性分析、设计优化及可靠性分析等。2009 年，通过大量原始资料的收集和整理，首次建立了我公司的配电网络的电气模型。数年间，通经过老总变改造、乙烯脱瓶颈等项目，我公司电力系统结构不断发生变化，数据模型也在进一步完善。历经数次系统的培训以及多人在使用过程中的积累、摸索，EDSA 在我公司电力系统中的应用已经初有成效。下面将结合实例浅谈一下 EDSA 在电气专业日常工作中发挥的作用。2 EDSA 在电力系统工作中的应用 2 EDSA 在电力系统工作中的应用 2.1 潮流计算 在电力系统运行方式和规划方案的研究中，都需要进行潮流计算以比较运行方式或规划供电方案的可行性、可靠性 和经济性。同时，为了实时监控电力系统的运行状态，也需要进行大量而快速的潮流计算。因此，潮流计算是电力系统中应用最广泛、最基本和最重要的一种电气运算。我公司在系统规划设计和安排系统的运行方式时，采用离线潮流计算。EDSA 提供图形与计算分析一体的潮流分析程序，程序利用导纳矩阵以及两种遗代方法(快速解藕法和牛顿一拉夫逊法)进行计算，用来分析复杂电力系统下的有功功率和无功功率2，可以进行任何网络配置的平衡三相系统潮流分析。在电气运行团队的日常工作中，倒闸工作是一项关键且高风险的操作内容。倒闸意味着系统运行方式的改变，伴随着系统负荷的再次分配系统可能产生不稳定的风险。因此在倒闸操作前就能提前计算出负荷流动情况，从而判断风险是否可控是很有必要的。2.1.1 模拟合环操作 我司电力系统最高电压等级为 220KV，220KV 及 110KV采用双母线合环的运行方式，因此对于合环操作，一直以来均是采用在需要合环的电压等级直接闭合母联的操作方式。此时可以提出疑问：对于两台 35KV 线变负荷偏差较大的情况时，如#1 线变二次负荷电流 200A，#2 线变二次负荷电流800A，此时合 6kV 母分，理论上母分将通过 300A 的环流，如果不合 6kV 母分，直接合 380V 的母分，其环流是否会造成事故。于是问题可以归纳为极端情况下，即两段母线负荷不对称时，是否需要改进操作方法，应采用自上而下逐级合环，避免环流产生危害。在 EDSA 中，可以用潮流分析功能来模拟合环前后的负荷分配情况。我以 CS11 变电所的 6KV I 段、II 段母线以及380V I 段、II 段母线来实现此次操作。将 6KV 两段母线负荷极端分配，即 601 处有功为 12.16MVA，602 处为 0，如图1。DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.07.070 张清宇：仿真技术在炼化企业电力系统中的应用 165 图 1 图 1 可以看到负荷电流为 1.19KA。此时直接合 6KV 母联开关 600，结果发现负荷重新分配，流过 600 的环流为 0.59KA。再进行低压母线的合环操作，可以看到 3800 开关处并无环流产生，如图 2 所示。图 2 图 2 最后是直接进行低压母线的合环操作。结果如图 3 所示。可以看到此时流经低压母联开关 3800 的环流为0.33KA，显然在开关遮断能力以内，且不会使保护动作。因此在我公司 220KV 母线合环的大前提下，同一变电所的两段低压母线其实是同一系统，且经过变压器等阻抗元件限制，下级母线并列所产生的环流会进一步削弱。可以得出直接合环运行而并不需要从上级母线往下逐级合环的可行性结论。166 张清宇：仿真技术在炼化企业电力系统中的应用 图 3 图 3 2.1.2 预测负荷分配 在此后大检修期间，我公司完成了 35KV 母线改造项目，新增联络开关和快切装置的投用为退出一台主变压器运行提供了技术保障。在极端情况下，三台运行主变出现一台故障时，负荷如何分配将决定剩余两台主变压器的负载率。而根据变压器过载能力的相关规定，负载率决定了系统可以继续保持稳定的时间。这将成为应急预案中的重要一环。模拟全公司总负荷为 26MW 时，#3 主变发生故障，快切动作成功，负荷全部由#1、#2 主变承担，如图 4 所示。图 4 图 4 从分析结果可以看到负荷近乎均匀分配至#1、#2 两台主变。两台主变过载 10%，根据规范可以持续运行 3 小时。这就意味着在 3 小时内切除故障并重新投用#3 变压器，或申请临时启用备用的#4 变压器都是可以保证系统的安全长期运行的。2.2 短路计算 张清宇：仿真技术在炼化企业电力系统中的应用 167 短路故障是电力系统的常见故障，在所有设备事故中所占比例最大，引发的其他故障也最多，危害也最大。三相系统中发生的短路有 4 种基本类型：三相短路，两相短路，单相对地短路和两相对地短路。其中，除三相短路时，三相回路依旧对称，因而又称对称短路外，其余三类均属不对称短路。在中性点接地的电力网络中，以一相对地的短路故障最多，约占全部故障的 90。在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各种相间短路。发生短路时，电力系统从正常的稳定状态过渡到短路的稳定状态，一般需 35秒。在这一暂态过程中，短路电流的变化很复杂。它有多种分量，其计算需采用电子计算机3。在短路后约半个周波（0.01 秒）时将出现短路电流的最大瞬时值，称为冲击电流，其大小可用来校验电工设备在发生短路时机械应力的动稳定性。因此短路电流的分析、计算是电力系统分析的重要内容之一，它为电力系统的规划设计和运行中选择电工设备、整定继电保护、分析事故提供了有效手段。为避免短路故障给系统带来严重影响，我们有必要制定合适的保护定值来确保继电保护装置灵敏、快速、正确地切断故障点。在各种短路故障中，无时限速断保护和定时限过流保护的应用格外广泛。今年 4 月份，老厂区常压变电所在进行正常倒闸操作中，发生低压进线开关定时限过流保护误动作导致部分低压负荷丢失的事件。为避免类似事件的再次发生，我公司电气专业开展了对老厂区低压进线开关保护定值的排查工作。在保护校验中所需的大量的系统短路电流作为基础数据，在缺少前期设计文件支持的情况下，我们使用 EDSA 对部分低压系统进行了短路计算。以常压变电所为例，将变压器和低压负荷模型代入，设置短路类型为两相短路。在短路计算模块中我们可以得到模拟系统发生短路故障时的现象，并得出最小运行方式低压侧三相短路超瞬态电流 Ik3.min。于是在灵敏度校验中：Ksen=Ik2.min/Iop=0.886 Ik3.min/Iop 计算得出 Ik2.min 为 33125A，而定时限过流保护定值设置为 6250A,因此得出灵敏度 5.3。说明此定值在日常负荷电流不误动的前提下也满足了灵敏度的要求，设置合理。2.3 马达启动分析 电力系统负荷模型是影响电力系统稳定分析和系统动态稳定控制的关键因素之一。在系统运行规划中，采用不精确的负荷模型可能会得到过于乐观的稳定运行条件，导致实际系统发生灾难性事故。在电力系统中最常见的干扰之一是负载的突然接入，如在同一时间开始启动电机或者电机组。电动机是电力系统综合负荷中最重要的动态负荷成分，其运行特性对系统运行行为有重要影响。在我公司的电力负荷中，电动机负荷比例超过 90%，且几十秒内的系统负荷动态过程大部分是由电动机引起的。因此在仿真计算中，通常都以感应电动机模型作为综合负荷的基本模型。最重要的是在工业行业中使用的电机，如果采用全电压启动，将产生一个相当于正常运行电流 5 至 8 倍的高电流。这种电流将使电机直接相连的配电母线上产生比较大的压降。随着电机电流浪涌值从高起点回复到正常运行值，电压将恢复到正常值。这个过程可能需要几个周波或几秒，取决于电机的规格和它的起动条件4。在启动的开始阶段，电压骤降会对附近的其他负载造成扰动。这种干扰反映在我公司实际情况中就是“晃电”。“晃电”发生时，该条母线或者相关数条母线电压在短时间内急剧下降，严重时可导致母线配出的负载停运。因此在电机起动前通过计算给出我们关心的相关节点的电压变化就显得很有意义，可以给出理论的判断，并作出相应措施，例如抬高系统电压，改变电机起动方式等来减少电压波动的影响。在实际应用中我们可以选择单独电机起动和多台电机同时起动，在我公司日常应用较多的是单台大机组起动分析。在计算前，我们将电机的设备参数进行输入，包括额定电压、额定效率、功率因素、额定功率、电机阻抗等。之后程序将在电机启动阶段运行一系列的潮流来确定电机作为时间函数的性能。在每次迭代中，电机的旋转方程也获得了电机的转速。电机的启动分析结果是基于时间的指标，包括电机电流、端电压、转矩等。以下是电机的等效电路5，也是 EDSA 马达启动分析的数据模型建立依据。接下来是电机启动输出的实例，研究对象为我们最关心的电压跌落 Vd%。以烟机为例，将启动方式设定为全压直启。系统运行方式为 50 变 6KV I 段、II 段母线合环运行，通过变压器调档将系统电压调节至 6.28KV，此电压值已是我公司 6KV 系统电压运行上限，因此烟机启动条件为最佳，无法再优化。168 张清宇：仿真技术在炼化企业电力系统中的应用 图 5 图 5 全压直接启动烟机，可见 50 变 6KV I、II 段母线跌落至 5.08KV。将输出报告设置为文档格式，可以得到以下数据。Bus Name Type System Volts Before(%)During(%)Vd(%)After StartMethod 烟机 Z-LOAD 6300 0.9934 0.7762 21.86 0.9666 full voltageN1 6kV 段 NONE 6300 0.9934 0.8059 18.88 0.9749 N1 6kV 段 NONE 6300 0.9934 0.8059 18.88 0.9749 可以看到烟机启动过程中，50 变 6KV I、II 段母线跌幅 Vd 达到 18.88%，而大部分电机的低电压动作值为 85%。因此直接启动烟机可能导致相关负荷大面积丢失，此方案在技术层面不可行。3 EDSA 的其他功能 3 EDSA 的其他功能 电力系统仿真软件在电力系统的计划、调度、运行的安全性与可靠性等方面,都提供了强大的技术支持,已经成为电力系统研究、计算、运行的有力工具。电力系统中有或预期会有产生谐波的设备，如整流器、交直流驱动装置时，需要进行谐波分析。为了谐波滤波器规格的选取，也需要用到谐波分析功能。EDSA 同样具备保护设备整定功能，内含丰富的继电器库，可以帮助用户制定最贴合设备实际的保护整定曲线。其电力系统优化功能可以帮助用户实现系统最损失最小、发电成本最小化、甩负荷最小化等计算，这些都是未来实际中需要进行的分析工作。合理、高效的电网调度运行方式可以提高电网的网络供电质量，提高整个电力系统的有效利用率，避免宝贵资源的浪费6。因此合理地利用仿真系统分析、优化电力系统是电气工作的一个发展方向。参考文献 参考文献 1 张昌钦.企业级电网分析与优化研究D.山东:山东大学,2008.2 陈亚民.电力系统计算程序及其实现M.北京:水利电力出版社,1995.3 何仰赞.电力系统分析M.高教出版社出版,2002.4 杨崇德.高压大型异步电动机启动压降的计算J.有色金属设计,2003(04).5 辜承林.电机学M.华中科技大学出版社,2001.6 屈良久.企业电网经济运行技术/2001 年冶金能源环保技术论文集C.2001.