摘要：文章深入分析了大型煤化工项目电力系统顶层设计的实施原则、策略、方法与效果评估措施，明确了顶层设计的核心原则，包括安全性、稳定性、节能环保、数字化和智慧化，并提出了相应的设计策略和实施步骤。如电力系统结构优化设计、电气设备选型与配置、监控与调度系统建设等具体方法，并强调了风险管理与应对措施以及效果评估与优化调整的重要性，为大型煤化工项目电力系统的顶层设计提供了有益的参考和指导。
关键词：电力系统,顶层设计,数字化,智能化,大型煤化工项目
0引言
在全球能源结构转型的大背景下，煤炭作为我国的主要能源之一，将其高效、清洁利用已经成为当前研究的焦点。随着煤炭消耗的减少，我国煤炭消费比例显著降低，对煤化工行业的未来发展提出了严峻挑战，迫使其朝着低碳和高质量方向转型[1]。大型煤化工项目作为煤炭资源综合利用的重要途径，其电力系统的设计与优化不仅关乎生产效益，更对环保性能有着深远的影响。因此，如何通过对大型煤化工项目电力系统的顶层设计与优化，提升电力系统的运行效率，降低能耗，促进煤化工产业的可持续发展，成为一个亟待解决的问题。随着科技智能化发展，电力系统的数字化、智慧化水平提升。顶层设计在大型煤化工项目电力系统中具有重要意义，可明确整体架构和功能需求，优化运行方式和管理模式，确保安全、稳定、节能和环保。为此，积极响应国家政策，推动电力系统智能化、数字化发展，实现绿色、低碳、高效生产是大型煤化工企业的必要之举。
1大型煤化工项目电力系统现状
当前，大型煤化工项目的电力系统作为整个生产流程的核心支撑，其构成和特点对于项目的稳定运行至关重要。通常，大型煤化工项目的电力系统主要由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成，形成了一个复杂而庞大的网络。在构成方面，电力系统以大型发电机组为核心，包括火电机组、燃气机组等，为煤化工项目提供稳定的电力供应。输电环节则主要通过高压输电线路将电能输送到各个变电所，变电所则将高压电能转换为适合煤化工项目使用的低压电能。配电环节则是将电能分配到各个生产设备上，确保生产的正常进行。
大型煤化工项目的电力系统具有负荷稳定、对供电可靠性要求高等特点。由于煤化工项目通常采用连续生产方式，因此电力系统的稳定性对于生产的连续性和安全性至关重要。煤化工项目的生产过程涉及多个环节和设备，供电负荷大，用电负荷曲线较平稳，部分企业电力负荷很高[2]，对电力的需求量大且稳定，这就要求电力系统具有足够的容量和可靠性。在实际运行过程中，大型煤化工项目的电力系统也面临着一些问题和挑战。由于设备老化、维护不当等原因，电力系统的故障率相对较高，直接影响生产的稳定性和安全性。随着生产规模的不断扩大和技术不断更新，电力系统的容量和性能需求也在不断提高，对电力系统的设计和运行提出了更高的要求。国内外在大型煤化工项目电力系统设计方面也有一些值得借鉴的案例。例如，一些先进的企业采用了智能化的电力系统设计方案，通过引入物联网、大数据等技术，实现了对电力系统的实时监测、故障预警和智能调度，大大提高了电力系统的运行效率和安全性。这些案例提供了宝贵的经验和启示，有助于在未来电力系统设计中更好地应对挑战和问题。
2“双碳”背景下电力系统顶层设计的必要性
双碳目标，即碳达峰和碳中和目标，对电力系统产生了深远的影响。
首先，“双碳”目标要求电力系统在能源结构上进行根本性的调整，减少化石能源的使用，增加可再生能源的占比。这意味着传统的以煤炭为主的电力系统需要向清洁、低碳的能源结构转变。顶层设计在应对“双碳”目标中发挥着至关重要的作用。通过顶层设计，可以明确电力系统的发展方向和目标，制定出科学合理的规划方案。顶层设计能够统筹考虑电力系统的各个方面，包括发电、输电、配电、用电等各个环节，确保电力系统的整体优化和协调发展。同时，顶层设计还能够充分考虑电力系统与外部环境的关系，如与能源、环境、经济等领域的协调发展，实现电力系统的可持续发展。
其次，顶层设计与电力系统可持续发展的关系密不可分。电力系统的可持续发展需要在满足当前电力需求的同时，考虑到未来能源需求和环境约束。通过顶层设计，可以制定出符合可持续发展要求的电力系统规划，确保电力系统长期稳定运行和环境友好性。
最后，顶层设计还能够推动电力系统的技术创新和产业升级，提高电力系统的效率和可靠性，降低运行成本，为电力系统的可持续发展提供有力保障。通过顶层设计，可以应对“双碳”目标对电力系统的影响，推动电力系统的能源结构转型和可持续发展。同时，顶层设计还能够确保电力系统的整体优化和协调发展，为未来的能源安全和环境保护作出重要贡献。
3大型煤化工项目电力系统顶层设计的原则与策略
3.1设计原则
(1)安全性。电力系统的安全性是首要考虑的因素。设计应确保系统在各种运行状态下都能保持稳定，防止因设备故障或操作失误导致安全事故。(2)稳定性。电力系统的稳定运行对煤化工项目的连续生产至关重要。设计应充分考虑系统的冗余性和容错性，确保在部分设备故障或外部干扰下，系统仍能维持正常运行。(3)节能环保。在“双碳”目标背景下，电力系统的节能环保性能成为重要考量。设计应优先选用高效、低能耗的设备和技术，减少能源消耗和环境污染。(4)数字化。利用数字技术提升电力系统的智能化水平，实现数据的实时采集、传输和处理，为系统的监控、调度和优化提供有力支持。(5)智慧化。通过引入人工智能、大数据等先进技术，实现电力系统的自适应、自学习和自优化，提高系统的运行效率和可靠性。
3.2设计策略
(1)整体规划。从全局角度出发，对电力系统进行统筹规划，明确系统的功能定位、容量需求和发展方向，确保设计的系统性与完整性。(2)分步实施。根据项目的实际情况和需求，将设计分为若干阶段进行实施，确保每个阶段的目标明确、重点突出，实现逐步优化和升级。(3)持续优化。在系统运行过程中，根据实际运行数据和反馈意见，对设计进行持续优化和改进，提升系统的性能和效益。(4)顶层设计与各子系统的协调与配合。电力系统作为整个煤化工项目的重要组成部分，需要与其他子系统如生产控制系统、安全监控系统等紧密配合，实现数据共享、互通和协同工作。通过合理的接口设计和通信协议，确保各子系统之间无缝衔接和高效运行。
3.3电气专业顶层设计的要点
(1)智慧运行。打造多电源包括新能源和储能在内的高可靠性的主网结构。在智能寻优系统、安全稳控装置、快切装置、BZT、ATS及新型继电保护系统的支持下，当系统出现局部问题时，能快速切除故障并自我恢复，实现“自愈”。通过智能巡检(机器人)、程序倒闸操作、智能绝缘检测等系统，解决人员直接进行的高风险工作，真正实现变电所无人化值守模式。系统性解决“晃电”问题。(2)智慧维护。通过智能设备在线监测和自我诊断，实现设备隐患提前发现，及时处理。执行TnPM全生命周期管理、绝缘监督、继保监督确保电气设备完好。通过智能化、标准化作业系统，实现电气作业本质安全。(3)智慧安防。建立最新的电气“五防”和“锁控”系统，杜绝电气误操作，解决设备作业挂牌上锁、能量隔离问题。利用智能视频系统和人员定位系统建立电子围栏，确保工作场所人员安全。(4)智慧策略。利用数字模型和Etap软件建立模拟仿真系统和绝缘、继保核算监督系统，进行系统仿真及各类自主分析，给出维护策略，辅助决策。建立电能质量管理系统，智能分析、管控高耗能设备，优化用能结构，提高清洁能源占比，节能减碳。
4电力系统顶层设计的具体方法与措施
4.1电力系统结构优化
电力系统结构优化的重点在于电源的合理布局、电网结构设计的科学性和电压等级的合理分配。通过精心规划和布局，旨在提升电力系统的供电能力和运行效率，降低损耗，实现能源的高效利用。在规划过程中，需综合考虑电网布局与远期负荷密度的匹配，构建适宜的网架结构和电力系统。
4.2电气设备选型与配置
电气设备的选型与配置是电力系统顶层设计的核心环节。在选择电机类型时，根据应用需求选择直流电机、交流电机、步进电机等合适的类型。同时，还要根据负载大小和转速要求，选择合适的电机功率以满足实际需求。在控制器选型方面，根据控制需求选择合适的控制器类型，如PLC、单片机、DSP等，并根据系统集成和通讯需求，选择支持相应通讯协议的控制器。
4.3电源可靠性提升
打造多电源包括新能源和储能在内的高可靠性的主网结构。建立强大的应急保障电源系统。建成安全可靠的控制电源系统。选用安全可靠的配电设备，降低故障率，主要设备采用国际一线品牌。谨慎使用变频器、软起动器等电力电子设备，防止5～6年后电力电子元件老化，导致故障频发。除此之外，合理选择元器件和设计元器件布局也能起到抗干扰的作用，有利于提高工控系统运行的可靠性和稳定性[3]。
4.4数字化管理与交付
建立电气专业数字化管理驾驶舱，实现电气设备的全方位运行和维护管理。根据网络安全防护要求，将电力系统划分为三个大区，并实行横向隔离、纵向加密的安全策略。统一所有数据格式和通讯协议，符合IEC61850标准。建设智能配电系统，确保一、二次设备均选用智能设备。利用数字孪生技术建立电力系统数字模型，实现智能化操作。通过智能巡检、程序倒闸操作、智能绝缘检测等系统，减少高风险的人工操作，实现变电所无人化值守。建立电气“五防”和“锁控”系统，杜绝电气误操作，解决设备作业挂牌上锁、能量隔离问题。推动动力电缆带光芯方案，构建强大的数据网络。
4.5超大功率电机应用与示范
在空分系统采用电驱方案，国产化示范43.7 MW空压机和22.5 MW增压机电机。启动方式采用变频器(国产化)1台带6台电机的方式，实现同步电机功率因数的调节，取消无功补偿装置。
4.6“晃电”问题解决方案
低压系统普遍采用宽电压范围接触器(如ABB AF系列)和永磁接触器。能引起装置停车的重要设备控制电源采用UPS或直流电源。重要设备尽量不使用变频器、软启动器，必须采用的应配套防“晃电”装置。取消0.69 kV系统，高压煤浆泵、液氧泵使用高压变频器。重点部位可使用基于快速开关的快切装置(20 ms完成切换)。
4.7节能减碳方面
电气节能技术主要可以应用于电力控制、稳定电压、优化照明等多个方面[4]。加强电力设备的维护和管理，确保设备的正常运行和能效发挥。还可以采用节能型电力设备和节能技术，如高效电机、节能变压器等，以降低能耗和提高能源利用效率。建立电能质量管理系统(驾驶舱)，智能分析、管控高耗能设备。变压器选用符合GB 20052—2020《电力变压器新能效等级》一级能效等级的产品。电动机选用符合GB 18613—2020《电动机能效限定值及能效等级》一级能效等级的产品。低转速、大转矩设备可选择开关磁阻电机和永磁电机。低压系统采用永磁接触器或低功耗接触器。集中式光伏发电接入110 kV系统，扩大绿电使用比例。全厂照明采用智能化节能照明系统。减少电加热器、电伴热的使用，尽可能使用低品质蒸汽进行加热。
5结语
煤化工企业电力系统节能降耗应从系统规划时就予以考虑[5]，电力系统设计的优劣，对日后的维护、运行以及改造有着极大的影响。对于大型煤化工项目电力系统的顶层设计，仍有诸多值得深入研究的领域。未来，可以进一步探索数字化、智能化技术在电力系统中的应用，提升电力系统的智能化水平和运行效率。关注可再生能源的利用和电力系统的碳排放问题，推动电力系统的绿色转型和可持续发展。还可以加强与其他行业的交流与合作，借鉴其他行业的成功经验和技术手段，推动大型煤化工项目电力系统的技术创新和进步。
参考文献：
[1]胡迁林，赵明.“十四五”现代煤化工发展思考[J].中国煤炭，2021，47(3)：1-8.
[2]胡海燕，刘全桢，刘宝全，等.基于BPA的石油化工电力系统可靠性评估[J].电气应用，2013，32(23)：34-36，67.
[3]马明武.神华榆林公司供电可靠性研究[J].机电信息，2015(18)：26-29.
[4]周正武.电气节能技术在石油化工工程设计中的应用[J].中国设备工程，2024(2)：197-199.
[5]陈红洋，王刚，王新.浅谈化工企业电力系统节能降耗措施[J].氮肥技术，2023，44(5)：16-17，40.
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