ETAP软件在大型石化企业电力系统中的应用

ETAP软件在大型石化

企业电力系统中的应用

上海石化公用事业公司供电所调度室 唐春华

摘要本文针对大型石化企业电力系统的特点及其建模和分析计算的重要性，介绍了应用ETAP软件的设备模型、不同的分析模块需要的数据以及数据版本、单线图和连接方式的三维数据库的概念和应用。

关键词：电力系统建模；石化电力系统；电力系统运行；仿真计算；ETAP软件

1引言

大型石化企业的电力系统具有其本身固有的特殊性。对于系统来说，它既是负荷点，又是一个电源点，且电源和负荷的规模都比较大；就其自身而言，发电厂部分的复杂程度与电力系统的其他发电厂是一样的，供配电部分的用电量相当于一个中等城市的用电量，供配电网的复杂程度也相当于一个中等城市，且要考虑大量的中低压电机，即其调度部门的要求与中等城市的供电公司相当。由于整个石化企业的电力系统涉及到电源、供配电网络、大量的电动机负荷，生产管理、技术管理等要求在一定程度上要高于中等城市的供电公司。

大型石化电力系统的特点决定了如此复杂的电力系统的生产管理、运行调度、技术改造、确定每年的运行方式等是一件庞大、复杂的工程。首先需要建立整个系统的模型，站在系统的角度，完成相关分析计算，输出报告，作为处理日常事务、新的变电站的投运、增容改造、新的大型电机的投运、调度员和值班员高级分析培训等的依据。

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OTI公司于1984年开发，1986年正式发布。目前，ETAP软件具有潮流分析、短路计算、继电保护配合和选择、电动机加速分析、暂态稳定分析等20多个模块，广泛地应用于各行业的发电、输配电和用电部门。

2ETAP软件的设备模型

首先对一些主要设备的模型包括支路设备、等效电网、同步发电机、感应电动机、等效负荷等及其在程序中的表示方法进行介绍。2.1支路设备的模型

变压器、传输线、电缆、电抗器和阻抗等支路设备采用等值电路模型，需要输入的数据包括：Z、R、X或X/R；阻抗基准电压和基准容量；支路数值和单位，电缆和传输线的长度和单位；变压器额定电压和额定容量、分接头和LTC。

2.2等效电网的模型

ETAP软件建立的等效电网模型是带有内阻抗的恒定电压源，不同分析模块需要的数据不一样。首先指定恒定电压源的额定电压，等效电网的实际母线电压可以通过额定电压的百分数来指定。潮流分析仅仅需要等效电网的母线电压和相角；短路计算需要指定等效电网的内阻抗，也就是三相短路容量和单相电路容量以及电抗和电阻之比。在电动机加速分析和暂态稳定分析等模块，等效电网需要的数据与短路计算相同。

2.3同步发电机的模型

ETAP软件的同步发电机的模型是带有内阻抗的电压源，在ETAP软件的不同模块需要的数据不一样。首先输入其额定值和阻抗值。发电机的实际电压通过额定电压的百分数来指定。潮流分析需要指定发电机的运行模式和相关数据；短路计算需要输入发电机的额定值和阻抗值以及相关数据；电动机加速分析模块需要的发电机数据包含运行模式、电压源的电压大小以及X d’和X/R。暂态稳定分析模块除了需要发电机的额定值和阻抗值之外，还需要其动态模型数据以及控制系统模型（励磁器、调速器等）。

2.4感应电动机的模型

潮流分析需要感应电动机的铭牌数据和实际负荷百分数等；短路计算除了需要电动机的铭牌数据

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之外，还需要堵转、时间常数等数据；电动机加速分析则需要建立其电路模型。 2.5 等效负荷的模型

在电力系统分析计算中，通常需要将某一区域内的各种负荷合并为一个等效负荷，接在某一个电压等级的母线上。每一个负荷都代表一定数量的各类用电设备及相关的变配电设备的组合，这样的组合称为等效负荷，也称为综合负荷。ETAP 软件的

等效负荷模型由两个部分组成，第一部分为恒功率的电动机负荷；第二部分与电压的平方成正比，代表恒阻抗消耗的功率，二者所占百分数之和等于100％。在等效负荷所接母线及其附近母线发生短路故障的情况下，因为等效负荷包含电动机，所以它对故障点有一个反馈电流，此电流是衰减的。

表1列出了用于潮流分析和短路计算的各种交流设备数据。

表1 用于潮流分析和短路计算的主要交流设备数据

设备 潮流分析

短路计算

支路 (变压器、 电缆等) Z ，R ，X ，或 X /R ，阻抗基准电压和基准容量 支路数值和单位，电缆和传输线的长度和单位 变压器额定电压和额定容量，分接头，和LTC Z ，R ，X ，或X /R ，基准电压和基准容量，支路数值和单位，电缆和传输线长度和单位，变压器额定电压和容量，分接头，和LTC ，零序阻抗，变压器连结，接地类型和参数

等效电网 额定电压，运行模式:平衡节点(V ，θ

)，电压控制(P ，V )，无功控制(P ，Q )，功率因数控制(P ，PF ) 额定电压，电压百分数和相角，三相短路容量， 单相短路容量和X /R ，接地类型和参数

发电机 额定电压，运行模式:平衡节点(V ，θ)，电压控制(P ，V )，无功控制(P ，Q )，功率因数控制(P ，PF )

额定功率，电压，和功率因数，X d "， X d ’和X /R ，X 0，X 2

发电机类型，IEC 励磁器类型

感应电 动机 额定功率和额定电压，功率因数和效率，负荷类型的负荷百分数，设备电缆数据

额定功率和额定电压，极对数，X /R ，X 0，X 2，堵转电流百分数，堵转功率因数，X d 和T d ’

同步电 动机 额定功率和额定电压，功率因数和效率，想要的负荷类型的负荷百分数，设备电缆数据

额定功率和额定电压，极对数，X d "和X /R ，X 0，X 2，接地类型和参数，堵转电流百分数，X d ，和T do ’(IEC 短路计算) 等效负荷

负荷名称，额定电压，额定容量，功率因数 电动机负荷百分数，负荷类型的负荷百分数

额定容量和额定电压，电动机负荷百分数，堵转电流百分数，X /R ，X ”和T d ’(IEC 短路计算)，接地类型和参数

3 ETAP 软件的三维数据库

ETAP 软件的三维数据库是指ETAP 工程的数据版本、单线图和连接方式共用同一个数据库，三者相互独立。三维数据库应用于实际工程中的不同的运行方式、分析模块及数据版本。实际电力系统运行方式（连接方式）是经常变化的，也就是说用于分析的网络拓扑结构是变化的，同时系统的交流设备在不同的情况下会有不同的数据，在电力系统计算中还需对同一方式进行多种分析或几个不同方式的比较分析。利用通过定义各种数据版本、开关设备的开闭可以很方便地实现多种组合，对应实际系统的多种状况，易于对大型系统的管理和分析计算。

例如，等效电网的短路容量有最大和最小运行方式；整个系统的年度最大和最小负荷等等。两种数据版本如图1、图2所示。

4 系统建模

基于ETAP 软件的电力系统建模分为两步，首先建立单线图，然后输入数据。 4.1 建立单线图

ETAP 软件采用图形化形成建立单线图。在新建工程的编辑模式下，把各种系统需要的设备拖到

绘制单线图的图纸上，通过每个设备的连接端子把单个的设备连接成系统单线图。如图3所示。

图1 使用不同数据版本—“最大运行方式”

图2 使用不同数据版本—“05.8.3最大负荷”

说明：“最大运行方式”表示系统短路容量最大的数据版本；“05.8.3最大负荷”表示整个系统负荷取2005年8月3日的最大负荷的数据版本。

图3应用ETAP软件建立的系统单线图

4.2输入数据

（1）系统设备数据

1）因为在电气计算中支路设备皆是静止设备，所以输入支路设备的数据是最简便的。支路设备包括：变压器、传输线、电缆、电抗器和阻抗等支路设备，其参数一般从设备铭牌、厂家标准数据以及安装、施工和试验记录中获得。

2）根据从电网公司或供电公司获得的相关数据，输入等效电网的实际运行电压和短路容量。在不知道X/R比值的情况下，可以输入《电力工程设计手册（一次部分）》推荐的典型值。因为平衡节点的P、Q不能预先给出，所以该节点的V和θ就应预先给出，该节点也称为Vθ节点，其PQ值由潮流计算来确定，大型工业电力系统潮流计算的平衡节点选在与主网的连接点。在初次潮流计算结束时，若平衡节点的有功功率和无功功率和实际情况不符，就要调整其他节点给定的边界条件以使平衡节点的功率在实际允许的范围之内。

3）根据同步发电机的产品说明书，输入其额定值、阻抗和模型（稳态、暂态和此暂态）等数据。

4）基于ETAP软件输入负荷的方法要区别对待。对于感应电动机和同步电动机，可以直接输入电机铭牌值及其他数据；在部分电动机原始资料不全的情况下，也可以从ETAP软件自带的设备数据库提取典型电机数据。如果要完成电动机加速分析，那么就需要建立电动机的电路模型。ETAP软件具有电机参数估计模块，根据电机的铭牌值应用此模块可以获得该电机的电路模型的电气参数。

对于等效负荷，建立其静态模型有两种方法：总体测辨法和统计综合法。在上海石化的ETAP工程中，采用统计综合法。根据该等效负荷包含的电动机的比例，在等效负荷的铭牌值属性页指定电动机所占比例的百分数。例如常减压6kV一段所接的等效负荷的电动机比例为86％，恒阻抗负荷所占比例为14％。

（2）发电和负荷数据

每一台发电机可定义10个发电类型，即设计、正常、夏季和冬季等，可以根据实际情况指定更合适的名称。在不同的情况下，发电机输出的有功功率也不同，通过不同的发电类型指定不同的输出有功功率。例如，热电二站#3机输出有功功率的“设计”类型为60MW，“正常”类型为45MW，“夏季”类型为54MW等等。再根据发电机的实际控制方式选择其运行模式，即选择平衡节点、电压控制、无功控制或者功率因数控制。如果电网的调度部门没有要求本企业的发电机组的投入“一次调频”，那么发电机组皆是根据日负荷曲线的恒功率发电方式，即设定发电机组输出的有功功率为定值，再根据实际情况选择运行模式是电压控制、无功控制或者功率因数控制。例如，上海石化ETAP工程的9台发电机组运行模式皆是无功控制。

每一台电动机或者每一个等效负荷也可定义

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10个负荷类型，即“设计”、“正常”、“夏季”和“冬季”等，也可以根据实际情况指定更合适的名称，例如“最大”、“最小”和“平均”等。电动机实际所带负荷可以由其负荷类型来指定。例如，2变-6kV3#氧压机的“设计”类型为100％，即520kW ；“正常”类型为90%；“夏季”类型为90％。等效负荷也可以通过负荷类型（额定容量的百分数）来指定负荷的大小。 4.3 分析参数

在每一个模块的分析案例编辑器，ETAP 软件可以设定与分析计算相关的参数或者动作等。

（1）潮流分析

除了通过负荷类型指定负荷的变化之外，还可以同时调整每一条母线所接的负荷，以及同时分类“全部”调整负荷（增加或减少）。“母线最大”表示在分析计算时母线所接负荷增加到其额定值总和的最大百分数，例如125%；“母线最小”表示在分析计算时母线所接负荷减少到其额定值总和的最小百分数，例如80%。分类“全部”调整负荷是指同时增加或减少等效负荷或者静态负荷。充分利用这些功能使得完成具有工程意义的潮流分析是一件非常简便的事情。例如，研究在系统接线不变的情况下3年后负荷增加20%后的系统潮流，应用“母线最大”或者“负荷类型”和“全部”即可很方便地实现。

（2）短路计算

在短路计算模块的分析案例编辑器（见图4、图5），可以调整电压c 因子，以及是否考虑变压器的实际变比等。在校验断路器的开断能力时，可以采用全部母线故障电流或者最大通过电流。

图4 短路分析案例编辑器的“标准”属性页

图5 短路分析案例编辑器的“信息”属性页

（3）其他分析

电机加速分析和暂态稳定分析模块均有分析案例编辑器可以用来设置动作和仿真时间等参数。

5 ETAP 软件在大型石化企业电力系统分

析计算中的工程应用

5.1 基于ETAP 软件的上海石化电力系统建模概况

目前上海石化电力系统模型包括：母线（含连接节点）1676条，电缆1147条，传输线4条，电容器83组，高压断路器2280台，低压断路器900台，复合网络218个，主发电机9台，等效负荷382个，感应电动机786台，同步电动机44台，双绕组变压器618台，三绕组变压器8台。 5.2 完成的分析计算

（1）潮流分析

完成在多种运行方式下的“最大负荷”、“最小负荷”和“平均负荷”的潮流计算。获得在几种特殊情况下的调压方式和无功分配情况。完成在几种故障情况下的“操作预演”，校验了关键线路的潮流。表2列出2005年8月3日在最大负荷情况下的潮流实测数据和仿真计算结果的比较。实测数据表明，ETAP 仿真计算结果和实测数据是一致的。

（2）短路计算和继保校验

完成系统目前最大和最小方式的短路计算。校验主要高压和中压母线的三相短路计算结果和以往手算数据。表3列出三段35kV 母线三相短路手算结果和ETAP 软件计算结果的比较。根据与上海电网连接点几年以后的短路容量和上海石化电网的发展规划，完成电网近期规划的初步工作。

表3以往手算结果和ETAP计算结果的比较

ETAP计算数据(kA) 手算数据(kA)

35kV 一段(石二879) 7.28 7.21 35kV二段(石二885) 7.30 7.27 35kV三段(金二615) 18.12 18.32 此外，应用ETAP软件的继保配合模块及其插入故障校验继保动作顺序功能，有选择地校验了典型线路和馈线以及典型设备(变压器和大型电动机)的保护动作情况。

（3）电动机加速分析和暂态稳定分析

完成新增电动机的加速分析和老电机软起动改造的仿真分析。完成在系统负荷最大的情况下，与上海电网连接线路一回故障跳闸的暂态稳定分析，重点考察发电机组和几台大型电动机的动态特性。也初步完成在上海石化电网与上海电网脱离情况下的暂态稳定分析，对于现有的保护和控制方式做了校验，以及发电机组失磁的分析。

6建立工业电力系统模型和完成仿真计算的意义

应用ETAP软件在上海石化电力系统建模和仿真分析的经验说明了以下几点：

（1）大型工业电力系统的调度部门可以简便、高效地完成多种运行方式、多种发电和负荷状况的分析计算工作，为各种典型调度方案以及一些特殊方案和临时方案提供理论依据，而不仅仅凭经验做事。

（2）对于一次接线更改、设备新增或扩容乃至企业电网的远景规划都具有相当的指导意义，即分析这些变化将对系统造成什么样的影响，可采取什么措施等等。

（3）对于系统可能出现的故障做“操作预演”分析。这样便于发现存在的问题，找到解决方案。特别是对于涉及整个系统安全稳定运行的“操作预演”分析，有了好的应急处理预案，明确甩负荷的数量和地点以及设置解列点的位置，能节省大量不必要的投资，也会在大的事故面前处变不惊，急中不乱。

（4）在设备原始资料不全的条件下（使用时间长的电动机普遍存在参数不齐），可以在ETAP软件的典型设备的数据库中选取，以便进行分析计算，也可加快建模进度。

（5）目前大型工业电力系统的调度员和值班员培训采用仿真培训系统侧重于倒闸操作、“事故预想”、事故处理、“反事故演习”等工作，所有正常操作信号、故障信号和保护动作等都是预先设定的。在完成基于ETAP软件建立的电力系统模型，正常操作之后的系统潮流、故障发生之后的母线电压、支路电流和机组动态过程以及保护动作顺序等完全是根据系统的仿真分析计算结果而定的。一方面可以弥补常规仿真培训系统的不足之处，加深调度员和值班员对于系统正常运行、异常状态、故障状态以及保护机理的理解，强化他们预见、分析、判断和处理系统异常和事故的能力；另一方面可以加强对危险源预防和控制能力的培训，使调度员和值班员认识到工作环境的危险性和工作本身的危险性，减少他们习惯性违章行为，从而减少各类事故的发生。

（7）应用ETAP软件，可以完成分析计算功能。同时，还兼有数据和设备管理功能。ETAP软件的继保配合和选择模块可以保存所有设备和馈线的电流保护配合的TCC曲线，便于查找、修正和打印等。在变压器、电缆和电动机等每一台设备的注释和评论属性页，可以记录设备的地理位置、隶属部门、检修和缺陷状况等。一旦完成系统建模工作，基于ETAP软件可以随时分类查找、调出各类设备数据，用于技术管理工作。

参考文献

[1]鞠平, 马大强. 电力系统负荷建模. 北京: 水利电力

出版社, 1995.

[2]Operation Technology, Inc. ETAP PS 5.5.0用户手册.

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