ETAP冶金企业解决方案


一、钢铁行业概述


钢铁工业是我国国民经济的重要基础产业,是国家经济水平和综合国力的重要标志,钢铁发展直接影响着与其相关的国防工业及建筑、机械、造船、汽车、家电等行业。同时钢铁行业也是高耗能行业,据初步估算,2012年钢铁工业总能耗占全国总能耗的16.1%,用电占全国总用电量的12.36%左右,可见电力系统是钢铁企业能源系统的重要组成部分,如果对钢铁企业的电力系统从发电、输电到配电进行全方位的优化和控制,那么钢铁企业将避免不必要的电力浪费,提高电力利用效率,具有非常重要的意义。

二、
大型钢铁企业供配电特点

钢铁厂的生产用电与一般性企业的用电不同,有很多独有的特点。

对供配电的可靠性要求非常高

钢铁厂的供配电设备中有很多精密度高、连续性生产的设备,高炉、卸船机、轧机等设备,如果电压骤降或突然断电,都会对设备造成很大损坏,带来重大经济损失。

单机容量大

在钢铁企业,数千kW的电动机应用较多,如烧结的抽风机、炼钢炼铁的除尘风机等等。随着现代钢铁企业的发展,工艺的规模越来越大,单机容量也越来越大。单台电动机容量增大带来了起动等一系列问题。

谐波源多,且谐波电流大

钢铁厂的供配电系统大都是采用大中型冶金设备,这种设备大多是非线性负荷,电弧炉、卸船机、轧机以及各种交直流调速设备等,在运行中都会产生谐波电流。谐波注入系统会导致电容器、电动机等设备被损坏,对继电保护系统等的安全有效运行造成威胁,使电线等的损耗增加,使测量仪表误差增大,通信受到干扰。由此,对钢铁企业一定要制定谐波抑制方案,统筹进行谐波潮流和谐振计算。

冲击负荷大

钢铁企业由于有轧机及电炉等车间,会产生有功冲击负荷及无功冲击负荷,这都需要电力系统全部承担。例如当轧机主传动采用直流调速、交-交变频调速时,在轧机(咬钢)加速期间,不仅仅产生有功冲击负荷,还产生很大的无功冲击负荷,当交-交变频调速传动电机采用异步电动机时,情况更为严重,在加速期间的功率因数可低到0.2,无功冲击负荷巨大,从而造成严重的电压波动及闪变。因此在钢铁企业供电系统设计阶段必须考虑负荷冲击的问题。

TRT自备热电厂

现代大型钢铁企业,用电负荷越来越大,单靠电网供电是有困难的,势必要建设相应的发电厂,为钢厂供电。钢铁企业的自备电厂一方面可以消耗钢厂的剩余煤气,保护环境,另一方面又可以作为钢铁企业的保安电源。自备电厂发电机一般接入钢铁企业内部配电网,可以减少钢铁企业与电力系统连接的主变容量,减少电费。因此自备电厂的建设对钢铁企业来说是一项既经济又可靠的措施,但是自备电厂又增加了钢铁厂供电系统的复杂性,由此带来的很多系统稳定性问题需要我们去考虑。

短路容量大

钢铁企业内总降压变电所的(110/10kV、110/35kV/10kV等)变压器63MVA容量比较常见,甚至有80MVA、90MVA的变压器,10kV断路器的开断电流往往要选31.5kA,再考虑电动机反馈的情况,以及余压、余热发电机提供的短路电流,都需要我们在设计初期进行精确的短路计算分析。

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三、ETAP软件简介


ETAP是国际通用的电力及电气系统分析计算商业软件,由美国ETAP公司于1984年开发1986年正式发布。目前产品和服务已经涵盖全世界100多个国家,全球有40,000多家用户,60,000多个许可证授权,70多家分公司及代理。同时ETAP也是功能全面的综合型电力及电气分析计算软件,能为发电系统、输电系统、配电系统、微电网系统以及工业电力电气系统提供从规划到设计,从分析、计算、仿真到实时运行控制全面、强大的解决方案。

针对以上钢铁企业供配电系统的一系列特点和问题,ETAP软件可以提供一整套全面、可靠的解决方案。首先在钢铁企业供配电系统设计阶段,我们可以采用ETAP下列离线分析计算模块辅助设计:

潮流计算

短路计算

谐波分析

暂态稳定

电动机起动分析

保护设备配合和动作序列


 ……


在钢铁企业供配电系统运行阶段,我们可以使用ETAP实时系统以下功能对整个钢铁厂的电力进行全面的监测、管理和优化控制等:

PSMS高级监测和仿真

EMS能量管理系统

ILS智能切负荷

ISub变电站自动化

……

鉴于ETAP强大的功能以及各种权威机构的认证,目前在中国已经有相当大一批钢铁企业用户也在使用ETAP帮他们解决电力系统的各种问题:

宝山钢铁股份有限公司

济南钢铁集团总公司

马鞍山钢铁股份有限公司

江苏永钢集团有限公司

中冶东方工程技术有限公司

中冶赛迪工程技术股份有限公司

中冶长天国际工程有限公司


……


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四、工程应用实例


下面是某个钢铁厂电力系统部分单线图,该单线图主要考虑了电网、发电机、变压器(主要是220kV/110kV部分),低压配电部分进行了简化,用等效负荷来代替。接下来我们通过这个实例来演示一下ETAP如何解决前面提到的钢铁企业电力系统的几个问题。

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图1 钢铁厂供配电系统简图

潮流计算


ETAP潮流计算程序能够计算系统母线电压,支路功率因数,电流以及系统中的功率流向。它同时适用于辐射型系统和环网系统。如图2所示,该钢铁厂电力系统通过潮流计算直接在单线图上就能看到系统中各母线电压、支路(传输线或电缆)压降和损耗、发电机和负荷的运行状态等,从而指导运行人员制定合理的系统运行方式。比如通过计算发现某条母线电压比较低,我们可以在相关变压器的分接头页面设置相应的参数,从而使变压器进行自动有载调压,计算最佳的变压器分接头位置,从而使母线电压运行百分数接近100%。
另外,ETAP软件还提供了三维数据库的管理,利用工程数据版本、开关分合状态以及案例编辑器你可以仿真系统各种各样的运行方案,并进行仿真结果的比较分析。


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图2 系统潮流计算结果显示图

短路计算

短路故障是电力系统最严重的故障,短路所产生的短路电流会对系统造成极大的危害。钢铁厂的电网一般都是国内最大的企业电网之一,其运行的安全稳定直接关系到全厂生产的顺利进行,因此对钢铁厂供配电系统进行短路计算是钢铁厂进行电网规划、设计与运行管理的主要依据。

ETAP短路计算模块依据IEC60909和IEC61363标准,既可以计算三相对称短路也可以计算三相不对称短路,计算结果包括初始对称有效值、峰值电流、直流分量、全电流有效值等,对于你进行开关设备选型、继电保护整定带来极大的便利。

如图3所示,在杨行站母线故障时,我们通过短路计算可以求得母线总的故障电流以及各支路的反馈电流。

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图3 系统短路计算结果显示图

谐波分析

前面介绍过钢铁厂配电系统由于有很多非线性负荷,导致系统中谐波含量特别大,利用ETAP谐波分析模块不仅可以计算系统谐波潮流的分布,还可以根据计算出来各次谐波的大小,设计滤波器降低谐波含量,而且利用频率扫描功能可以扫描出系统中存在的并列谐振点,制定合理的方案,消除谐振点。

如图4所示,我们假设Load1负荷为电弧炉模型,并将其设为谐波源,通过谐波计算在单线图上我们可以看到各母线电压、支路电流的谐波畸变度以及各次谐波的含量,并通过画图选项可以绘制各谐波电压和谐波电流的频谱图与波形图。

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图4 系统谐波计算结果显示图

暂态稳定分析

ETAP暂态稳定分析模块主要是用来分析系统变化或发生干扰时电力系统的动态响应和稳定极限。程序模拟电力系统的动态特性,执行用户设定的事件和动作,解系统网络方程和机械微分方程,发现系统和电机在时域内的响应。通过这些响应,用户可以确定系统的暂态特性,作稳定评估,校验保护设备设定,并运用必要的补偿和加强措施来提高系统稳定性。

冲击负荷是钢铁厂电力系统常见的负荷,通过ETAP暂态稳定模块我们可以模拟系统中发生负荷冲击时,系统电压和频率的变化,检验系统的稳定性,如图5所示,我们对热轧负荷的冲击进行了暂态稳定仿真,可以看到在冲击过程中系统的电压、频率变化以及发电机的功角特性。

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图5 系统暂态稳定仿真结果显示图

电动机加速分析

钢铁企业中有很多大容量的电动机,这些电机在启动时从系统中吸取很大的电流,相当于电机额定电流的六倍左右,使系统产生很大的电压降,并对系统其他负荷的正常动作产生干扰。因为电机加速转矩由电机终端电压决定,所以很多情况下,正在起动的电机由于终端电压较低而无法达到额定速率。这使得钢铁企业中电机起动分析变得特别重要。

ETAP 提供了两种电机起动计算方法:动态电机加速和静态电机起动。在动态电机加速计算中,以动态模型模拟发动机,用程序模拟电机的整个加速过程。用这种方法来确定电机是否可以以这种形式起动,电机要用多长时间达到它的额定速率,以及确定电压降对系统的影响。在静态电机起动方法中,在加速期间,用堵转的方法,起动电机,模拟对正常运行负荷最坏的影响。同时ETAP还可以模拟电机各种起动方式,比如定子串联电阻、电抗,Y/△接法,软起动,变频起动等。图6是制氧空压机起动过程中电机电流、转差率及母线电压的曲线图。

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图6 制氧电机起动仿真结果显示图

保护设备配合及动作序列

ETAP Star过流保护及配合模块提供一个直观的时间-电流特性曲线(TCC)分析方法,来进行保护设备的定值整定及校验,易于使用的图形用户界面、准确的保护装置建模、设备设置报告以及大量的经过V&V认证的保护装置数据库所有都包括在一个集成的、基于规则的设计中。

钢铁厂的供配电设备中有很多精密度高、连续性生产的设备,这些设备对供电可靠性要求特别高,所以保护设备的整定配合务必要准确可靠,再加上钢铁厂供电系统本身比较复杂,保护设备种类也多,所以钢铁厂保护设备整定工作给设计及运行人员带来很大的挑战。选择使用ETAP保护配合模块不仅可以帮用户节约时间,而且整定结果也更加准确可靠。图7是上述钢铁电力系统中一个电机支路的TCC曲线配合视图,从图上可以直观的看出各保护设备的配合关系以及插入故障后保护设备的动作序列。

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图7 保护设备配合TCC曲线图

五、ETAP实时系统解决方案


由于钢铁企业长期以来都是能源消耗大户,为了提高企业内部资源综合利用率、大幅降低单位能耗指标,给企业创造显著的经济效益,在钢铁企业电力系统中采用高级的监控系统或能量管理系统是一个非常明智的选择。

ETAP实时企业解决方案是一套综合的软件产品,提供智能电力监测、能量管理、系统优化和自动化、实时预测等功能,适用于实时电力管理系统。ETAP实时系统的强大功能必定会使钢铁企业从中受益。

如下图所示,ETAP实时系统主要分为四部分,高级监测和预测模拟、能量管理系统、智能变电站以及智能切负荷。



5.1高级监测和预测模拟


电力系统监测和模拟(PSMS)是ETAP实时管理应用程序的核心。对于大型的和小型的电力系统、发电厂、工厂、制造厂和海上采油平台,PSMS都是理想的选择。PSMS利用电气和物理参数、负载以及发电水平、网络拓扑和控制逻辑,能够对各种改变和扰动做出适当的系统响应。另外,PSMS能够确定潜在问题的根源并能提出纠正动作的建议,从而避免断电的发生。

通过智能的图形化用户界面、单线图和数字仪表提供直观、完整的实时监测。监测功能包括校验系统网络状况、估计缺失的系统状态、检测网络异常、趋势测量值和报警通知。

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PSMS可以用事件日志和报警工具跟踪并记录不正常的动作。系统可以在临界故障发生之前发现并通知问题。另外系统信息的变化可以图形化的显示和记录下来。它可将计算结果同测量值作比较,对有缺失数据和存在越限数据的设备将弹出报警框。

PSMS拥有状态和负荷估计功能。电力系统实时运行和控制需要掌握系统的真实运行工况,由于测量和数据通信等方面的原因,得到的数据难免存在误差,甚至出现坏数据,ETAP状态估计能在一定程度上剔除坏数据,准确地实时掌握系统的拓扑结构,提高数据的精度。

事件回放的全部信息包括:系统拓扑、系统负荷(有功、无功)、状态和负荷估计的结果、发电(有功、无功和机端电压)、潮流(线路、变压器和馈线的功率和电流)以及报警和警告等。

事件回放和历史分析主要用于:(1)分析事故或故障的原因和影响;(2)系统运行方式的改进;(3)各种可能的操作的探究;(4)“操作预演”案例的讨论。

负荷预测对于工业用户和电网来说都是一个理想的工具,它可以准确可靠地预测系统中的未来短期负荷。一个好的预测对昂贵的发电系统单元的开机和停机、能源采购、系统需求的管理以及根据预测的负荷增长的调度系统升级有直接、重要的影响。

ETAP负荷预测利用经典的算法将多个输入变量关联在一起,如把预测的天气状况连同像仪表端负荷和天气状况这样的历史数据关联在一起,来构建预测模型。

ETAP数据趋势是一个用户友好并且灵活的趋势应用功能,既支持实时数据也支持存档的历史数据。

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允许通过实时和存档数据的应用预测对操作员动作和事件的系统响应。例如分析在当前系统运行方式和负荷状况下操作员的动作(例如断路器打开或关闭),或者事件(例如a、起动某台大容量电动机;b、假定系统发生大扰动如短路、跳机、与主网脱离等)。当然,也可以在事件回放模式下的存档数据重现的系统运行方式和负荷状况下分析操作和事件的系统响应。

5.2能量管理系统(EMS)

ETAP能量管理系统(EMS)是一套用于监测、控制、优化发电和输电系统性能的应用软件。这个智能的能量管理系统被设计来减少能量消费、增加系统利用率、提高可靠性和预测电气系统性能以及优化能量使用减少成本。

自动发电控制(AGC)计算必需的参数或变化从而优化发电机组的运行。该应用软件使用实时数据如频率、实际发电、联络线潮流和机组控制器状况来提供发电的变化。AGC也能计算必需的参数去控制负载频率,同时提供要求的数据去维持频率和功率按照预定值与相邻的系统进行交换。

AGC是完全与经济调度和交易安排相结合的,因此可自动地确保发电调节器按照预定的最经济的方式运行。AGC为最佳的电气系统运行提供指导,以满足每个发电机的功率需求、蒸汽需求和最小的燃料成本。这个过程显著减小了决策过程的复杂性。


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经济调度(ED)分配电力系统中的发电机组的发电变化,以达到最适宜的区域经济性能。ED为最佳的电气系统运行提供指导,以满足每个发电机的功率需求、蒸汽需求和最小的燃料成本。

ED采用先进的优化潮流算法以确定最佳的发电模式,同时维持适当的储备裕度。计算出并分配个别发电机组的发电量,以满足最低成本下的负荷要求。ED考虑到发电成本与发电水平不成比例、系统在地理上分散、输电损失依靠发电模式而定的事实。

交易安排(IS)提供从一个控制区域到另一个控制区域的能量转移的容量安排,同时考虑线路、调度辅助服务、能源交易的财务跟踪。IS专注于电力调度交换和安排,结合了能源调度、交易管理、能源成本分析和报告。

ETAP IS提供了一个用户界面,可以在每个地点创建能源交易。这个界面允许用户为每个地点分别指定合同,并为每个地点分配不重迭的进度表。从IS应用程序中,交易区域控制误差(ACE)就可以被提供给自动发电控制(AGC)计算。

5.3智能切负荷(ILS)

智能切负荷(ILS)为电气扰动和发电量丢失提供最佳的、快速的切负荷。根据扰动的类型和位置、实际的运行发电、旋转备用、负荷、配置、负荷分配和优先权,ILS为每个子系统计算必需切掉的有功负荷最小值。然后ILS将选择最好的负荷组合(CBs)来满足这个需求。执行所有这些,对于瞬时事件就在系统中的扰动发生之后的几个毫秒内,对于稳态过负荷情形就在自定义延时之后的几个毫秒内。



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在扰动中切除负荷所需时间越长,最终必须切除的负荷越多。因为ILS的智能和速度,使用ILS切除负荷的实际数量远远少于使用常规方法例如像频率继电器和PLC装置切除的负荷数量。

ILS提供无限数量的负荷时间表供操作员选择。在扰动或发生紧急情况的时候,这个紧急情况下负荷减少的灵活性在系统的灵活性中产生最终作用。每个负荷时间表能被定义不同的优先级表格、负荷组、选项、计算方法等等。这对于那些负荷优先级可能不同的系统的不同运行周期是十分必要的。有了ILS,操作员可以用最小的工作量实现负荷时间表的转换。

负荷恢复应用程序通过自动恢复系统可用部分供电同时保持故障隔离来最小化扰动之后的停机时间,不超过备用电源和线路的容量。

操作员通告和确认提供了允许调度员重新启动负荷的途径。有了开关管理,可以一步一步地或在一个动作重新启动负荷。在重新启动被认为是无效的或不安全的地方,ETAP将自动地禁止重新启动并告知系统操作员该负荷不能启动。

使用ETAP的仿真功能如潮流分析和暂态稳定能确认和分析稳态及动态响应。ILS仿真器使用模拟和实时运行数据。这是对操作预演或修改现有切负荷计划、负荷添加和联锁修改,预测系统响应和切负荷动作的完美工具。用适当的访问权限确认ILS逻辑之后,控制器可以很容易地更新服务器而不需引入在线系统或中断服务器的运行。


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5.4智能变电站(ISub)

智能变电站(iSub)是指由ETAP指导新建或改造的综合变电站,iSub作为一个变电站综合解决方案的一部分,提供保护、控制、自动化、监测和通信等功能。iSub是变电站的核心,对于系统状态的动态变化,它最先作出响应。

iSub技术弥补了其它变电站自动化解决方案的缺点。为了系统监测、评估和自动化,ETAP的智能分析方法被用于管理采集到的数据。嵌入式的可编程逻辑编辑器提供了一个友好的用户界面,来创建几乎任何变电站自动化应用程序。iSub能从变电站的数字设备中采集数据,无论什么设备协议或是数据格式。

开关管理允许调度员使用图形化的用户界面建立一个完整的开关程序,并且可以一步执行这个开关计划的所有动作。这个开关序列包含了断路器、负荷隔离和接地隔离的开关设备以及执行时间的清单。执行任何开关序列之前,应用程序会校核这个次序是否顺从安全开关程序,并且在执行每一步时进行下一步前要求确认,为了避免疏忽的开关。

可以为双端引线母线结构的母线负荷转移设置开关计划,从而取代一步步的切换方法。开关序列能排列基于断电时间、未交付能源和开关次序,可以很容易的比较计划的不同变化。


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智能负荷管理(ILM)可以帮助执行控制策略,从而避免不能预料的高峰需求时段可能带来的高昂电费影响月平衡。ILM在电气扰动时自动执行有序系统循环,可以防止昂贵的原料损失以及减少不安全的操作情况。


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六、结语


ETAP综合计算分析系统帮您从钢铁厂的设计、施工、运行到维护每个阶段都提供了智能、可靠的解决方案,为您的企业电力系统安全、稳定、经济运行保驾护航,从而使您的企业发展迈上更高一个台阶。