提高煤炭企业电力系统供电可靠性综合防御体系仿真方法

摘要

本发明提供提高煤炭企业电力系统供电可靠性综合防御体系仿真方法，包括以下步骤：确定煤炭企业电力系统供电模式；计算并分析继电保护定值；确定煤炭企业电力系统安全稳定运行控制策略；进行备用电源切换；采取辅助措施。本发明通过潮流分析、短路电流计算、静态安全分析和暂态稳定性分析，整体、全面、综合的评估提高煤炭企业电力系统供电可靠性措施的有效性。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统时域仿真技术领域，具体涉及一种提高煤炭企业电力系统供电可靠性综合防御体系仿真方法。 

背景技术

随着国家经济的飞速发展，大型工矿（如煤田、石化、钢铁和港口等）及商业企业或开发区内部电网的规模也随之不断扩大，电网严重故障可能导致设备损坏、负荷损失和直接的生产流程的中断，经济损失巨大。同时企业电网与公共电网的相互影响也越来越显著。这些企业内部电网与公共电网既有共性问题，也有自己的独特之处，有必要建立企业电网的仿真模拟数据，深入研究企业内部电网供电模式、负荷特点、供电可靠性、电能质量、自动控制措施、孤网运行、节能降损等一系列问题，为煤炭企业的安全生产保驾护航，同时提高企业内部电网的综合运行效益。 

大型煤矿企业，虽然其用电负荷较大，但在国家互联电网的稳定分析中仅能按照一个“负荷点”来考虑，未详细模拟企业电力系统本身电力设备和电力负荷的特点，也未充分考虑内、外部电网故障对煤矿企业电力系统安全稳定运行的影响。此外，目前应用于煤矿企业电力系统的继电保护整定软件和安全自动装置五花八门，缺乏统一的标准，且均是从保护设备自身出发来进行定值整定，未从保证煤矿企业电力系统安全稳定运行的角度综合考虑各种继电保护定值间的相互配合，难以保证煤矿企业电力系统长期安稳运行。 

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种提高煤炭企业电力系统供电可靠性综合防御体系仿真方法，通过潮流分析、短路电流计算、静态安全分析和暂态稳定性分析，整体、全面、综合的评估提高煤炭企业电力系统供电可靠性措施的有效性。 

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案： 

提供提高煤炭企业电力系统供电可靠性综合防御体系仿真方法，所述方法包括以下步骤： 

步骤1：确定煤炭企业电力系统供电模式； 

步骤2：计算并分析继电保护定值； 

步骤3：确定煤炭企业电力系统安全稳定运行控制策略； 

步骤4：进行备用电源切换； 

步骤5：采取辅助措施。 

所述步骤1中，供电模式包括一用一备模式、分裂运行模式和并列运行模式： 

A)一用一备模式：煤炭企业电网双回路电源进线中一回路带负荷运行，另一回路带电热备用，而变电站高压母线的母联开关为合位； 

B)分裂运行模式：煤炭企业电网双回路电源进线均带负荷运行，两回进线接变电站高压母线的不同分段，高压母联开关为开位； 

C)并列运行模式：煤炭企业电网双回路电源进线均带负荷运行，两回进线接变电站高压母线的不同分段，高压母联开关为合位。 

所述步骤2中，根据地方电网提供的系统阻抗，作为煤炭企业电力系统的等值阻抗，再依据煤炭企业电力系统内部电网结构和电气设备阻抗参数得到煤炭企业电力系统阻抗分布情况，计算母线短路电流，进而确定各支路的继电保护类型，并计算各支路的继电保护定值。 

影响所述母线短路电流准确性的因素包括负荷模型、发电机电抗、等效电压源电压初值和运行方式，所述负荷模型中影响所述母线短路电流准确性最大的因素为大功率感应电动机。 

所述步骤3中，煤炭企业电力系统安全稳定运行控制策略包括震荡解列、低频减载和低压减载。 

所述震荡解列包括被动解列和主动解列。 

所述低频减载的频率定值、时间定值及负荷切除量值的设定采取以下措施： 

A)将频率定值均匀分配于给定区间内，并且每级切除相同的负荷； 

B)从尽快制止频率下降出发，在给定区间的高频段切除较多负荷，低频段切除较少负荷； 

C)为防止频率超调，可在给定区间的高频段切除较少负荷，低频段切除较多负荷。 

通过暂态稳定分析计算，采取集中切除机组或集中切除负荷措施后仍不能满足煤炭企业电力系统稳定或电压运行要求情况下，进行低压减载，以改善煤炭企业电力系统电压稳定性。 

所述步骤4中，采集包括电流、电压、频率、相位角和进线开关位置的参数，通过备用电源快速切换装置内的逻辑程序对以上参数进行判断，判断出故障点并切除故障，同期捕捉到煤炭企业电力系统残压相位角，以同相角投入备用电源，减小对设备和电网的冲击，达到电动机负荷不间断运行的效果。 

所述步骤5中，采取包括动态无功补偿设备和低压保护装置的辅助措施，确保备用电源正确切换，并满足主通风机、主提升机、瓦斯抽放泵和排水泵的重要负荷电压运行要求。 

与现有技术相比，本发明的有益效果在于： 

1.本专利所提的提高煤炭企业电力系统供电可靠性综合防御体系仿真方法可以充分考虑到煤炭企业的生产特点，通过潮流分析、短路电流计算、静态安全分析和暂态稳定性分析，整体、全面、综合的评估提高煤炭企业电力系统供电可靠性措施的有效性； 

2.本专利所提方法首次较为全面及客观的计及外部地方电网对企业电网生产设备的影响，准确评估各种提高电力系统供电可靠性措施的有效性。 

3.有利于企业电网协调规划，对于指导制定合理的供电可靠性综合解决方案，保证企业电网的正常生产运行意义重大； 

4.为推动煤炭企业电网安全稳定运行提供了仿真分析的技术手段，扩展了煤炭企业电网规划仿真计算工作的深度和广度。 

附图说明

图1是本发明实施例中一用一备模式示意图； 

图2是本发明实施例中分裂运行模式示意图； 

图3是本发明实施例中并列运行模式示意图； 

图4是本发明实施例中大功率感应电动机静态等值电路图； 

图5是本发明实施例中短路故障够线路电流变化曲线图； 

图6是本发明实施例中母线残压与备用电源相位角差、幅值示意图； 

图7是本发明实施例中两个等值子系统之间的功率传递示意图； 

图8是本发明实施例中两个等值子系统之间的电压相量图； 

图9是本发明实施例中提高煤炭企业电力系统供电可靠性综合防御体系仿真方法流程图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。 

提供一种提高煤炭企业电力系统供电可靠性综合防御体系仿真方法，所述方法包括以下步骤： 

步骤1：确定煤炭企业电力系统供电模式；不同的供电模式直接决定了煤炭企业电网在发生失去某一外部电源回路时的应急方案、恢复供电时间等重要的可靠性指标。 

步骤2：计算并分析继电保护定值； 

步骤3：确定煤炭企业电力系统安全稳定运行控制策略； 

步骤4：进行备用电源切换； 

步骤5：采取辅助措施。 

所述步骤1中，供电模式包括一用一备模式、分裂运行模式和并列运行模式： 

A)一用一备模式：煤炭企业电网双回路电源进线中一回路带负荷运行，另一回路带电热备用，而变电站高压母线的母联开关为合位； 

如图1，现今煤炭企业电网主流的供电模式，此种供电模式也是地方电网供电部门首肯的供电模式，主要是因为该供电模式具有继电保护定值整定计算简单和企业电网内部运行方式灵活的优势；当然，一用一备供电模式的劣势也较为明显，即主供电源断开后合备用电源的过渡期间有短时停电的风险，且倒负荷操作过程中出现潮流穿越的问题。 

B)分裂运行模式：煤炭企业电网双回路电源进线均带负荷运行，两回进线接变电站高压母线的不同分段，高压母联开关为开位； 

如图2，总降变电站的两个高压母线分别由外部电源供电，母联开关断开。分裂运行供电模式的主要优点是继电保护定值整定计算简单，并且企业电网结构相对清晰，因为煤炭企业内部中低压电网结构基本为分裂运行；而主要的缺点则是两路电源切换时仍有短时停电的风险、倒负荷操作方式不灵活、倒负荷操作过程中出现潮流穿越的问题。 

C)并列运行模式：煤炭企业电网双回路电源进线均带负荷运行，两回进线接变电站高压母线的不同分段，高压母联开关为合位。 

如图3，总降变电站的两段高压母线间的母联开关闭合，由外部电网提供两回独立电源。并联运行供电模式最主要的优点是当一路外部电源发生故障停运后，可不用采取任何措施来倒负荷，也不会出现因倒负荷操作而产生的短时停电；而其主要的问题则是继电保护定值整定计算复杂、母线潮流穿越问题较为突出。 

综上所述，三种供电模式各有各的优缺点，也不能简单的根据地方电网情况而定，而需要采用电力系统仿真分析程序进行潮流计算后才能确定。 

所述步骤2中，根据地方电网提供的系统阻抗，作为煤炭企业电力系统的等值阻抗，再依据煤炭企业电力系统内部电网结构和电气设备阻抗参数得到煤炭企业电力系统阻抗分布情况，计算母线短路电流，进而确定各支路的继电保护类型，并计算各支路的继电保护定值。 

定值整定优化研究是在整定计算的基础上开展，与传统的整定计算不同的是优化研究采用了机电暂态仿真手段，考虑了电动机负荷对短路电流的贡献。目前，影响短路电流计算结果准确性的因素有负荷模型、发电机电抗、等效电压源电压初值、运行方式等。而负荷模型中影响最大的因素是大功率感应电动机，一般100kW以上的大功率感应电动机在故障后产生的电流不能忽略。企业电网中容量在100kW以上的感应电动机数量较多，因此在定值整定优 化研究中需要考虑电动机负荷的影响。 

图4为感应电动机静态等值电路图，图中，Rs为定子电阻，Xs为定子电抗，Xm为激磁电抗，Xr为转子电抗，Rr为转子电阻，S为转子滑差。 

感应电动机的参数应该由设备厂家给出，或者由电动机的铭牌参数计算得到，如果以上资料缺失，可采用IEEE推荐使用的感应电动机参数如表1所示。 

表1 

类型 Rs/pu Xs/pu Xm/pu Rr/pu Xr/pu T_JA B 功率因数 1 0.013 0.067 3.8 0.009 0.17 3.0 1.0 0 0.8

注：以上参数均为标幺值（基准容量是100MVA）其中：T_J为惯性时间常数。 

以某一煤炭企业电网35kV线路发生三相短路故障为例，说明定值整定优化研究的过程。如图5所示，35kV线路发生三相短路故障后，线路电流的变化曲线，0.2秒发生短路，线路电流增加接近6000A，0.5秒衰减并稳定至约3500A,设定1.35秒切除故障线路后，线路电流则降低至零。通过机电暂态仿真程序计算出短路后的线路电流变化曲线，再与故障侧线路保护定值（过流I段2900A0.2秒）比较，结论为线路电流满足保护定值动作条件，设备应该正确动作。 

影响所述母线短路电流准确性的因素包括负荷模型、发电机电抗、等效电压源电压初值和运行方式，所述负荷模型中影响所述母线短路电流准确性最大的因素为大功率感应电动机。 

企业电网安全稳定运行控制策略研究中主要考虑两部分内容，其一是企业电网内部及附近外部地方电网发生单一故障，故障清除后，企业电网应该保持稳定运行，不至于发生企业自备电厂失步运行情况，母线电压和电网频率可以满足运行要求，不损失负荷；其二是企业电网内部及附近外部地方电网发生严重故障，在采取适当的稳定控制措施和电网自身安全稳定自动装置正确动作后，也应该保持稳定运行，保证重要负荷不损失。针对系统发生严重故障后，煤炭企业电力系统安全稳定运行控制策略包括震荡解列、低频减载和低压减载。 

所述震荡解列包括被动解列和主动解列。在电力系统遭受严重扰动而失去稳定性后，如果系统采取紧急控制措施（例如切机切负荷）仍不能使系统达到新的稳定状态，系统可能由于部分线路或电力设备超过容量极限而自动跳闸使系统解列成若干电力孤岛，这种“被迫”使电网解列的方式称为被动解列。此时形成的电力孤岛往往出现功率不平衡的现象，因此同时必须采取适当的切机切负荷的紧急控制措施。 

相对于电网被动解列，电网的主动解列是指调度中心通过选择合理的解列策略（电网的 解列点）主动地将整个网络分解为2个或者更多电力孤岛。在电网解列后，各个电力孤岛将采取适当的紧急控制措施使其到达新的稳定平衡状态。因此，尽管电网处于不正常解列状态，但损失负荷较小。 

失步解列装置的核心技术是完善的失步判据、不同安装点解列装置动作的配合方法，防止各种情况下误动作的闭锁措施。目前国内外大量应用于电力系统的失步解列原理主要有阻抗轨迹失步解列判据、中轨迹失步解列判据、视在阻抗角失步解列判据、周期无功积分值判据、相角测量技术失步解列判据。由中国电力科学研究院系统所开发的、采用全新失步判据的PAC－l000电力系统失步快速解列装置在国内已被广泛应用，并且作用效果已得到验证，其根据输电线路功率的变化趋势、线路两端电压相角差的变化趋势以及系统振荡中心的位置等因素来形成失步解列判据。 

低频减载的目的是通过合理安排频率定值、时间定值及负荷切除量，尽可能提高低频减载方案对系统不同运行方式、不同干扰地点及不同功率缺额量的适应能力。为防止大扰动下低频减载装置动作不及时造成系统频率崩溃，低频减载基本轮可不设置人为延时，其设计任务主要是解决在给定频率区间内如何分配频率定值，以及如何将总切负荷量分配给各级的问题。 

所述低频减载的频率定值、时间定值及负荷切除量值的设定采取以下措施： 

A)将频率定值均匀分配于给定区间内，并且每级切除相同的负荷；早期采用这种方法较多，当低频减载总级数比较多时也有较好的效果。其特点是简单易行，且低频减载方案与系统条件无关，但当减载级数较少时易出现过切现象。 

B)从尽快制止频率下降出发，在给定区间的高频段切除较多负荷，低频段切除较少负荷；对于在高频段频率下降快的情况，这种切除方式可以获得较好的效果，但这种方法在级数较少时过切问题比前者更为严重，因而要求系统具有较强的频率调节能力。为避免频率超调，要求每一频率定值处所切除的负荷量不能大于一定量，且该定值随频率定值的降低而适当增加。 

C)为防止频率超调，可在给定区间的高频段切除较少负荷，低频段切除较多负荷。这种方案与前两种相比，制止频率下降的能力略差，但能有效地防止频率超调。 

电压稳定性是电力系统稳定的一个重要方面，也是涉及面广且时间跨度长的问题。其中，暂态电压稳定性时间跨度一般为几秒钟。这种情况容易发生在受电容量较大、电动机负荷比重较大的系统。当系统因短路等原因电压降低时，电动机制动，无功需求急剧增加，而并联补偿电容器提供的无功功率降低，严重时可导致电压崩溃。 

通过暂态稳定分析计算，采取集中切除机组或集中切除负荷措施后仍不能满足煤炭企业电力系统稳定或电压运行要求情况下，进行低压减载，以改善煤炭企业电力系统电压稳定性。 

低压减载措施也在20世纪90年代初被提了出来，并被认为是应对由极低概率事件引发的、系统极端工况下的一个性能价格比较优的方案，因而被许多国家的电力公司采用。 

但各国实施的低压减载方案，具体实施细节上差异较大。这主要是由于比较频率稳定而言，在大多情况下电压稳定更多地体现为一种局部的稳定问题，受局部地区电网结构和负荷特性的影响较大。WSCC在其研究报告中就明确指出，尽管许多的经验表明低压减载对防止电压崩溃是有利的，但仍存在例外的情况。因此对其所属电力公司成员，低压减载方案不是必须的，也没有一种普遍适用于所有成员公司的配置方案。如果成员公司决定实施低压减载，应根据自身情况确定相应配置原则。 

所述步骤4中，采集包括电流、电压、频率、相位角和进线开关位置的参数，通过备用电源快速切换装置内的逻辑程序对以上参数进行判断，判断出故障点并切除故障，同期捕捉到煤炭企业电力系统残压相位角，以同相角投入备用电源，减小对设备和电网的冲击，达到电动机负荷不间断运行的效果。它与备自投的本质区别就是具有同期捕捉功能，使电动机负荷平稳运行，减少启动冲击影响。 

一般来讲电动机负荷容量较大，电源故障断电后电机转子产生反向感应电势，形成反馈电压也较大，也就是我们常讲的残压。为尽量减少残压对备用电源造成合闸冲击，快速切换装置采用以下方法进行快速切换，同期捕捉和残压切换。如图6所示，电源刚失电，快速切换装置检测到母线残压与备用电源的相位角相差不大时，在区域一范围内，装置发出跳闸进线开关指令，返回信号后，合上备用电源，完成快速切换；此阶段对电源和主扇冲击最小，一般在50~180ms完成切换。由于种种原因失去区域一快速切换时机后，装置在区域二进行同相位角（相差±5°）切换，即同期捕捉功能，在此区域对电源和设备影响也不是很大，一般在100~200ms完成。当丧失以上两个区域后，装置在母线残压降到40%以下进行备自投合上备用电源，在这一区域对电源和设备有点影响，但比冷态起动要好的多。快速切换装置通过以上三种方式自动完成备用电源的投运功能，达到负荷平稳运行的目的。 

所述步骤5中，采取包括动态无功补偿设备和低压保护装置的辅助措施，确保备用电源正确切换，并满足主通风机、主提升机、瓦斯抽放泵和排水泵的重要负荷电压运行要求。 

交流输电系统中，通过可控的并联无功补偿，可以改变系统输电线路上的无功功率，这样就可以大大地提高系统运行电压并减少电力传输中功率损耗。 

以图7所示系统为例，两个子系统通过一条联络线相连，δ为负荷角，为功率因素角。 

线路上的电流$I=\sqrt{\frac{P_R^2+Q_R^2}{E_R^2}}---\left(1\right);$

其中，P_R为线路末端有功功率；Q_R为线路末端无功功率；E_R为线路末端电势； 

如果考虑网络上有电抗X和电阻R，则 

线路上无功损耗$Q_{\mathrm{loss}}={\mathrm{XI}}^2=X\frac{P_R^2+Q_R^2}{E_R^2}---\left(2\right)$

线路上有功损耗$P_{\mathrm{loss}}={\mathrm{RI}}^2=R\frac{P_R^2+Q_R^2}{E_R^2}---\left(3\right)$

电压降落的纵分量$\mathrm{\Delta U}=\frac{P_R.R+Q_R.X}{E_R}---\left(4\right)$

电压降落的横分量$\mathrm{\delta U}=\frac{P_R.X+Q_R.R}{E_R}---\left(5\right)$

由上公式可见，传输无功的增加，会引起有功及无功损耗的增加，因而应尽量减小传输的无功功率，以减小RI2和XI2，可以在两端采用无功补偿，分别提供线路无功损耗的一半，即来达到减小有功及无功损耗的目的。 

此外，在备用电源快速切换装置正确动作后，备用电源处的负荷增加，备用电源线路上的有功功率和无功功率均将增加，线路电压降也将增加，如果线路压降值低于负荷低电压保护动作阀值，则负荷将会失压。此时，动态无功补偿可以通过提供容性无功功率，减少线路压降，从而达到不损失重要负荷的目的。 

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。