原标题:电网交互式实时仿真平台破解孤网发电难题

style=”font-size: 16px;”>由中冶京诚旗下北京京诚瑞达电气工程技术有限公司自主研发的企业电网交互式实时仿真平台,成功应用在沧州中铁环网工程,解决了孤网发电机协调控制等一系列企业电网难题,并提前进行了电网故障模拟仿真演练与预防措施,实现了精准控制,为企业减少了非计划停产,提高了企业电网运行的稳定性。

结合PSCAD进行电网模型解算,企业电网交互式实时仿真平台采用实时操作系统内核,通过CFC图形化编程或者Visual
Studio等高级语言进行程序开发,通过Profibus网络与国内外其他厂商设备、控制器进行数据交换,采用资源丰富的WinCC软件显示模拟故障画面、操作运行画面、在线数据曲线趋势、历史数据归档、电网网络诊断等信息(图1)。

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图1 企业电网交互式实时仿真平台

发电机五道防线控制策略及仿真

为了保障企业生产连续性,环网工程必须能够承受电源、电网、负荷侧的各种故障冲击。根据发电机组和负荷特性,其一次系统显然是不稳定的,必须在二次系统中制定完善的、经过工程实践验证的控制策略,来保障环网系统的安全,维持频率、电压、功角等参数的稳定。为了能够完整地控制整个企业电网的各个电源和负荷,根据相关之间的关系发出协调控制指令,维持环网的长期稳定运行,中冶京诚瑞达电气提出了发电机五道防线控制策略(图2)。

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图2 发电机五道防线架构

第一道防线:在小负荷冲击的情况下,充分利用各台发电机组调节能力,同时与负荷侧进行合理的协调管理,维护环网频率、电压的稳定。同时合理调度有功负荷,使得系统的热备用最大化,合理调度无功负荷,调平功率因素和功角,使得系统的暂态稳定水平最优,要求发电机组的调频调压特性快速而且稳定。

第二道防线:在出现大负荷冲击的情况下,利用特殊控制系统快速定位故障类型和故障程度,采用相对应的快减发电负荷,尽量不直接切机,以维持系统的热备用容量,或快切用电负荷的手段,重建发电和用电的平衡,保证频率和电压快速恢复平稳。

第三道防线:作为第二道防线的后备保护。在出现大负荷冲击的情况,如果特殊控制系统失灵,或者出现特殊控制系统策略没有考虑到的事故工况,在频率和电压出现大幅度偏差的情况下,启动切负荷切机动作,以重建发电和用电的平衡,使得频率和电压恢复平稳。

第四道防线:机组甩负荷带厂用电功能。即使出现小概率的极端工况,造成环网崩溃,发电机组仍然能够甩负荷自带厂用电(电厂的厂用电)运行以及其它少量重要工业生产设施的一级用电负荷。

第五道防线:在出现厂用电全失的情况下,保障机组安全停机。第五道防线由发电机组保安电源系统、润滑油系统等构成。环网中的发电机组失去厂用电的风险高于大网,因此发电机组的UPS电源、保安电源、润滑油系统和汽包紧急上水等确保发电机组安全停机的设备会经受更多的考验。

能源“再平衡”

针对厂区检修或者部分重要设备故障导致生产线骤停的情况,交互式实时电网仿真平台可以分析出该事故对于整体电网的影响过程,也可以分析出该事故对于其他厂区电网的影响,为其他厂区正常生产提供足够的预警;同时,还可以通过调配企业内部发电机组的运行,实现发电能力与用电能力的“再平衡”,尽快让电网回归到一个稳定、平衡的状态(图3)。

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图3 企业电网能源动态再平衡过程

当发生部分生产线故障退出运行时,企业电网中发电和供电电能的功率大于生产消耗电能的功率,会导致电网频率变化。这时候就需要动态降低发电机组的发电功率,同时还需要协调其他相邻厂区的用电负荷。当大型生产机组投入运行时,电网供电功率小于生产消耗功率时,特别是无功功率冲击较大时,电网电压波动剧烈,容易引起电网的短时震荡,损坏其他电气系统和设备。这时候就需要启用发电机组的备用发电能力,为该次“启车冲击”提前准备好,等待冲击结束后,再回到正常运行状态。

能源“再平衡”不单单是发电和耗电之间的平衡,更重要的是不同厂区能源结构的“再平衡”,甚至针对某个厂区的不同发展阶段,能源消耗的特点也不相同。对于某个具体的厂区,交互式实时电网仿真平台可以分析当前电网的利用率、传输效率,什么时候需要增加供电回路来扩充输电能力。通过对不同负荷情况下的模拟运行试验,交互式实时电网仿真平台可以优化电网结构,给出更加合理的电网传输路径。

故障演练与防范

针对电网设备老化、外部自然条件恶劣等情况,部分长线传输电缆出现了破损、短路故障,交互式实时电网仿真平台可以预估该事故导致的最恶劣情况,会对哪些厂区电网造成影响、影响范围多大。这些问题往往是电网系统运行、维护人员最头痛的问题,特别是生产流程长、工艺复杂的企业,电网建设也是多次分批完成的。

对于在建项目和生产改造项目来说,临时用电设备杂乱、无序,更加影响电网的安全有序运行。面对如此复杂的用电设备,只有现场安全督导和检查的话,是完全不够的,也是无法切实保障安全生产的;必须采用交互式实时电网仿真平台进行全工况的模拟,甚至是最恶劣情况的模拟运行,从而科学指导和安排安全生产进度。

大容量电机会影响电机转速降低,带来的就是生产节奏的变慢,同时为了保证最终产品质量,需要增加部分生产工序。而如果短时三相短路故障点被维护人员及时发现,并且排除故障后投入备用装置,那么带来的非检修停机时间就会大大缩短,进一步实现降本增效。(图4)

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图4 发电机故障对大型电机运行的影响

由上至下的组织各类故障仿真和模拟测试,交互式实时电网仿真平台建立不同厂区分别故障情况下的电网运行数据,同时找出不同厂区之间的电网耦合和深层次的联系;还可以建立和模拟不同工艺段故障情况下的电网运行数据,为科学有序组织、安排生产工序提高了有利的数据支撑。

经过2年多的工程应用,中冶京诚交互式实时电网仿真平台为沧州中铁集团企业电网提供了数十项改进意见,不断优化电网设计方案。其中故障模拟功能,成功预测了几次企业内部电网故障,并提前给出了最优的处理方案,确保了企业电网对生产的影响最小,有效保障企业的连续生产过程,为用户节约了大量的故障处理时间,减小了故障影响范围,赢得了企业效益。交互式实时电网仿真平台,逐渐成为了企业电网设计、建设和维护的重要手段。
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