喬立同，劉傳良，廖大鵬，傅磊，王勇，邱夕兆

（山東電力調(diào)度控制中心，山東濟南250001）

山東電網(wǎng)500 kV系統(tǒng)黑啟動試驗方案研究

喬立同，劉傳良，廖大鵬，傅磊，王勇，邱夕兆

（山東電力調(diào)度控制中心，山東濟南250001）

研究山東電網(wǎng)500 kV系統(tǒng)黑啟動試驗，確定黑啟動電源和方案。分析黑啟動過程中的發(fā)電機自勵磁、工頻過電壓、頻率和電壓穩(wěn)定、廠用負荷恢復以及小系統(tǒng)的穩(wěn)定性等問題，首次提出利用零起升壓方式進行通道恢復的概念和方法，并進一步分析黑啟動過程中應(yīng)注意的問題。山東電網(wǎng)500 kV系統(tǒng)黑啟動試驗的成功證明所選方案及分析計算的有效性和合理性。

黑啟動；試驗方案；自勵磁；過電壓；穩(wěn)定性

0 引言

隨著電力系統(tǒng)相關(guān)理論和技術(shù)的不斷成熟，電網(wǎng)建設(shè)得到空前迅速的發(fā)展，世界各國相繼出現(xiàn)了許多跨地區(qū)甚至跨國的大電網(wǎng)和超級大電網(wǎng)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨合理，防范和抵御事故的能力日益提高。但是因為大電網(wǎng)的復雜性和龐大性，一旦發(fā)生大面積停電或電網(wǎng)全網(wǎng)停電事故，電網(wǎng)的恢復過程也變得空前復雜，因此現(xiàn)代大電網(wǎng)并不是無懈可擊。從20世紀60年代開始，一些國際著名的大電網(wǎng)就相繼出現(xiàn)了大停電事故。尤其是近幾年來發(fā)生的多起大停電事故，如2003年8月14日美國加拿大大面積停電和意大利停電事故、2005年5月25日俄羅斯莫斯科大面積停電事故和2005年8月18日涉及首都雅加達在內(nèi)的印尼大停電事故等，都給國民經(jīng)濟和人民生活，以及電力系統(tǒng)本身帶來了空前的損失，并造成了嚴重影響。因此，如何使電網(wǎng)盡快恢復供電，以減少停電帶來的損失，成為各大電網(wǎng)所面臨的嚴峻問題。

在大停電事故屢有發(fā)生的背景下，黑啟動試驗作為黑啟動能力維持水平的檢驗方式已經(jīng)被逐漸接受。意大利較早開展了黑啟動例行試驗，取得的成果在2003年全國大停電中發(fā)揮了顯著作用［1］。受美加8.14大停電影響，北美電力可靠性委員會在新制定的電力可靠性標準中要求各大電網(wǎng)公司每5年進行1次黑啟動試驗以考核電網(wǎng)黑啟動實際能力［2］。近年來，我國也相繼開展了黑啟動試驗［3-8］。2000年5月5日華北電網(wǎng)利用十三陵蓄能電廠水電機組進行了國內(nèi)首例電網(wǎng)黑啟動試驗［4］；2002年1月16日湖北電網(wǎng)利用天堂抽水蓄能電廠在實際電網(wǎng)中進行了黑啟動試驗［5］；2006年6月，天津電網(wǎng)利用燃氣輪機進行了電網(wǎng)黑啟動試驗［6］。國內(nèi)部分學者也對電網(wǎng)黑啟動進行了深入研究［9-14］。在此背景下，山東電網(wǎng)于2012年11月成功進行了500 kV系統(tǒng)黑啟動試驗，試驗采用零起升壓方式。

1 黑啟動電源及方案的選擇

黑啟動電源通常首選是水電機組，如抽水蓄能機組。與火電、核電機組相比，水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，沒有復雜的輔機系統(tǒng)，廠用電少，啟動速度快，因此是理想、方便的啟動電源［9-11］。山東電網(wǎng)以火電機組為主，只有泰山抽水蓄能電站具有大型可自啟動水電機組。泰山電站機組自投產(chǎn)后，就將機組黑啟動作為一個獨立工況和電站必備功能。泰山電站全停后，首先由站內(nèi)柴油發(fā)電機啟動廠用電，然后啟動水輪機發(fā)電。一次接線如圖1所示。

圖1 泰山電站一次接線

裝機容量達4 575 MW的鄒縣電廠是山東電網(wǎng)內(nèi)部的重要電源之一。黑啟動狀態(tài)下鄒縣電廠發(fā)電機組的首先恢復，對于山東電網(wǎng)的快速全面恢復意義重大。同時，泰山電站與鄒縣電廠電氣距離較近，可以在短時間內(nèi)，以盡量少的操作步驟恢復鄒縣電廠500 kV母線，進而可以通過其2號聯(lián)變?yōu)?號機組提供作為機組啟動電源的廠用電。試驗選擇鄒縣電廠5號機組（600 MW）作為被啟動機組。鄒縣電廠一次接線如圖2所示。

根據(jù)黑啟動路徑選擇原則，選擇一條距離最短，操作次數(shù)最少，操作時間最短的路徑，同時還要確保電網(wǎng)的安全可靠。結(jié)合鄒縣電廠的接線方式，選取的黑啟動路徑如圖3所示。

圖2 鄒縣電廠一次接線圖

圖3 黑啟動路徑

2 試驗方案仿真計算

2.1 鄒縣電廠6 kV動力負荷

鄒縣電廠6 kV動力負荷啟動順序有兩種方式。

方式1：開式水泵→電動給水泵→循環(huán)水泵→凝結(jié)水泵→真空泵→前置泵→凝升泵→循環(huán)水泵→前置泵。

方式2：循環(huán)水泵→開式水泵→吸風機→送風機→一次風機→磨煤機→吸風機→送風機→一次風機→磨煤機→磨煤機→磨煤機→磨煤機。

兩種方式同時進行，且規(guī)程規(guī)定不允許同時啟動兩臺6 kV設(shè)備。鄒縣電廠6 kV動力負荷情況見表1。

表1 鄒縣電廠6 kV動力負荷

2.2 仿真計算過程

由于存在500 kV長線路大容量充電無功與大容量電動機高無功沖擊的矛盾，在仿真驗證時首次運用了加拿大的全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)RTDS進行計算，為實際操作提供安全量化指標。

為了避免泰山電站1號機黑啟動鄒縣電廠5號機過程中出現(xiàn)各類安全問題，對整個黑啟動過程進行了暫態(tài)過電壓、電壓穩(wěn)定、潮流計算、小干擾穩(wěn)定、電動機啟動、發(fā)電機自勵磁、暫態(tài)穩(wěn)定、變壓器充電勵磁涌流與諧振計算。經(jīng)過全面的分析和校驗，推薦圖4所示的黑啟動運行方式。

2.2.1 泰山電站1號機帶系統(tǒng)零起升壓（階段1）

經(jīng)仿計算，泰山電站1號機黑啟動帶220 kV蓄泰I線、泰山站2號主變、500 kV鄒泰線、鄒縣電廠2號聯(lián)變及03A、03B號高備變零起升壓，可以成功進行黑啟動。泰山電站1號機端電壓零起升壓至1.02 pu，即16.065 kV時，系統(tǒng)運行方式如圖5所示。

零起升壓時，鄒泰線末端電壓、泰山電站1號機的機端電流逐漸上升，沒有諧波成分，如圖6所示。

2.2.2 鄒縣電廠5號機廠用大型電動機負荷順序投入（階段2）

圖4 推薦的黑啟動運行方式

圖5 泰山電站1號機端電壓為1.02 pu時系統(tǒng)運行方式

電壓暫態(tài)穩(wěn)定校驗。電動機容量越大，對電網(wǎng)的沖擊越大。試驗中容量較大的電機有6 650 kW電動給水泵、2 500 kW循環(huán)水泵和2 640 kW吸風機。在推薦方式下，啟動時暫態(tài)電壓下降幅度處于可接受范圍內(nèi)。其中，鄒縣廠6 650 kW電動給水泵投入時母線電壓降落幅度最大。投入前母線電壓為6.8 kV，投入后母線電壓最低為5.36 kV（0.85 pu），恢復時間需要9 s，如圖7所示。

圖6 零起升壓時鄒泰線末端電壓

圖7 鄒縣廠電動給水泵投入時母線電壓下降過程

電壓靜態(tài)穩(wěn)定安全域。在推薦的運行方式下，如果帶廠用電過程中不進行變壓器分接頭和機端電壓二次調(diào)整，負荷帶到一定程度將會發(fā)生電壓崩潰事件。因此，嚴格按照給定的運行方式，在不做調(diào)整的情況下，計算了電壓穩(wěn)定安全域。設(shè)5號機的廠用電負荷在6 kV I段到IV段平均分布，則每段有功的上限都為23.7 MW，無功功率的上限為21.7 Mvar。隨著廠用電負荷的增加，靜態(tài)電壓將逐漸下降，在總負荷超過94.8 MW+86.8 Mvar時，將發(fā)生電壓崩潰，如圖8所示。黑啟動過程中鄒縣電廠廠用電負載總量為35.262 MW，處于安全域范圍內(nèi)。

2.3 仿真計算結(jié)論

電壓。采用零起升壓方式，泰山電站1號機組帶220 kV蓄泰I線、500 kV泰山站2號主變、500 kV鄒泰線、鄒縣電廠2號聯(lián)變、鄒縣電廠03A、03B號高備變，從零電壓以秒級以上時間升到1.02倍額定電壓。

圖8 推薦黑啟動運行方式電壓穩(wěn)定極限

并聯(lián)電抗、電容器。500 kV泰山站與鄒縣電廠的35 kV低壓并聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器全部退出。

變壓器。泰山電站1號主變，泰山站2號主變，鄒縣廠2號聯(lián)變的分接頭保持不變。鄒縣廠03A、03B號高備變分接頭由位置7調(diào)整到位置17。

3 試驗實施

3.1 泰山電站操作時序

黑啟動試驗操作時序包括依次執(zhí)行的5個部分：試驗前準備、初始方式調(diào)整、二次系統(tǒng)調(diào)整、黑啟動試驗、黑啟動子系統(tǒng)恢復。從2012年11月20日零時開始，至14∶40結(jié)束。

試驗前準備（00∶00—00∶20）。泰山電站所有設(shè)備均已滿足黑啟動試驗前要求，上下水庫水位均在試驗要求范圍內(nèi)；故障錄波器已接入試驗系統(tǒng)并調(diào)試正常（確認能夠測量1號機機端電壓、發(fā)電機定子電流、發(fā)電機勵磁電流、發(fā)電機勵磁電壓、發(fā)電機頻率、發(fā)電機有功、無功，220 kV 1號母線電壓、蓄泰I線電壓、電流、試驗系統(tǒng)頻率）?，F(xiàn)場試驗接線、安全措施已做好，人員已撤離，黑啟動試驗可以開始。

黑啟動試驗初始方式調(diào)整（00∶20—06∶20）。停用220 kV蓄泰I線重合閘；泰山電站黑啟動系統(tǒng)轉(zhuǎn)冷備用，做好黑啟動準備。

黑啟動試驗二次系統(tǒng)調(diào)整（06∶20—08∶20）。確認1號機強勵、失磁保護已退出，試驗系統(tǒng)中所有元件的啟動非試驗系統(tǒng)元件失靈保護的壓板（控制字）已退出；確認1號機過壓、過流、定子過負荷保護時間定值均已改為0.3 s。

黑啟動試驗（8∶20—11∶50）。校對時間，啟動測量錄波器；1號機黑啟動，帶黑啟動系統(tǒng)（含03A、03B號高備變）零起升壓；1號機機端電壓目標值1.02 pu，頻率調(diào)整目標值為50.20 Hz（勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)按自動方式調(diào)整）；鄒縣電廠5號機開機，與主網(wǎng)同期并列。

黑啟動子系統(tǒng)恢復（11∶50—15∶30）。將1號機頻率調(diào)整目標值改為50.10 Hz，試驗子系統(tǒng)與主網(wǎng)同期并列；1號機解列，恢復廠用電正常方式；按定值單要求恢復1號機過壓、過流、定子過負荷保護時間定值；泰山電站一、二次系統(tǒng)恢復方式；按定值單要求恢復試驗系統(tǒng)所有元件啟動非試驗系統(tǒng)元件失靈保護的壓板（控制字），拆除試驗線及測量裝置。

3.2 鄒縣電廠操作時序

依據(jù)火電廠黑啟動操作規(guī)范規(guī)定，鄒縣電廠5號機黑啟動操作時序包括5個階段：試驗前檢查設(shè)備運行條件；試驗線路、母線空出操作；試驗機組進入黑啟動可控狀態(tài)；黑啟動階段操作；系統(tǒng)恢復正常狀態(tài)操作。時間從2012年11月19日13時開始，至20日16∶20結(jié)束。

試驗前準備（19日13∶00—20日00∶00）。11月19日下午5號機組各系統(tǒng)運行正常，所有試驗測量裝置已準備好，接線工作已經(jīng)結(jié)束，具備測量條件。

初始方式調(diào)整，空出試驗路徑（20日00∶00—05∶06）。20日零點黑啟動試驗正式開始，02∶57空出220 kV 1號母線，05∶06空出500 kV 1號母線。

進入黑啟動可控狀態(tài)操作（05∶55—08∶50）。檢查5號機6 kV、400 V各母線運行正常，各輔機等設(shè)備運行正常；5號機安全停機；將03號高備變分接頭由7調(diào)至14，6kV母線電壓6.85kV，拉開220kV母聯(lián)210開關(guān)及210-1、210-2刀閘，5號機組進入黑啟動初始方式。

黑啟動階段操作（08∶50—13∶35）。泰山電站1號機黑啟動帶220 kV蓄泰I線、泰山站2號主變、500 kV鄒泰線、鄒縣電廠2號聯(lián)變及03A、03B號高備變零起升壓；檢查確認03A、03B號高備變充電正常，檢查5號機6 kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段備用電源進線電壓正常；5號機6 kV母線送電。220 kV 1號母線電壓達到226.9 kV，6 kV母線電壓為6.6 kV，將03號高備變分接頭由14調(diào)至16，6 kV母線電壓6.8 kV；5號機汽機、鍋爐400 V PDC變壓器及母線送電，恢復廠用電系統(tǒng)至正常運行方式；根據(jù)黑啟動試驗盡量帶負荷要求，啟動5號機組大功率設(shè)備；5號機主汽壓力6.6MPa，再熱汽壓力1.2MPa，主汽溫度462℃，再熱汽溫度446℃，旁路流量240 t／h，凝汽器真空-96.2 kPa，汽輪機沖轉(zhuǎn)，停用盤車電機備用；500 kV第四串聯(lián)絡(luò)5042開關(guān)與主網(wǎng)同期并列，閥切換后增帶負荷；啟動B前置泵運行，B小機沖轉(zhuǎn)；試驗子系統(tǒng)與主網(wǎng)并列。

系統(tǒng)恢復正常狀態(tài)操作（13∶35—16∶20）。調(diào)整恢復03A、03B號高備變分接頭，6 kV段母線切至正常電源供電；5號機正常升帶負荷。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 試驗數(shù)據(jù)分析

泰山電站1號機組空轉(zhuǎn)到100%額定轉(zhuǎn)速，GCB合閘，勵磁起勵至30%；1號機組空轉(zhuǎn)到100%轉(zhuǎn)速時間09∶05∶10；1號機組GCB合閘時間09∶05∶16；1號機組勵磁ON時間09∶05∶20；1號機組機端電壓升至30%額定時間09∶05∶27。09∶08∶16泰山電站勵磁控制方式切為現(xiàn)地控制，09∶08∶22開始手動逐步升壓，09∶13∶59機端電壓手動升至為102%額定電壓（16.06 kV）。泰山電站黑啟動機組零起升壓錄波如圖9示。

圖9 泰山電站1號機組零起升壓期間電壓錄波

一般情況下，變壓器在空載合閘，電壓恢復過程對變壓器沖擊較大，往往會造成變壓器勵磁涌流，勵磁涌流一般可達6～8倍的額定電流。同時當空載線路進行合閘操作時，在系統(tǒng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過渡過程中，由于線路的分布參數(shù)特性，所以振蕩電壓將由工頻穩(wěn)態(tài)分量和無限多個快速衰減的諧波分量疊加組成，其峰值數(shù)倍于正常運行電壓即合閘操作過電壓，對于500 kV線路因為一般距離比較長，電容效應(yīng)顯著，并且容許的操作過電壓水平定得較低（不超過2 Uφ）。對于薄弱的黑啟動系統(tǒng)而言，合閘操作過電壓及主變充電時的勵磁涌流都極易導致系統(tǒng)失穩(wěn)，最終導致黑啟動失敗。

通過對建立的黑啟動試驗仿真子系統(tǒng)進行逐頻的掃描，得到黑啟動試驗仿真子系統(tǒng)自諧振頻率掃描如圖10，可以看出試驗子系統(tǒng)自振頻率分別為：A相和B相有兩個自振頻率108 Hz和117 Hz、C相一個自振頻率為108 Hz。由于泰山電站—泰山站—鄒縣電廠的山東電網(wǎng)黑啟動試驗子系統(tǒng)的自諧振頻率為100 Hz左右，線路或者主變操作暫態(tài)過程產(chǎn)生的多次高頻諧波的激發(fā)下，系統(tǒng)在其自振頻率上出現(xiàn)了一個線性諧振現(xiàn)象，最終導致抽水蓄能電站1號機組跳閘，黑啟動終止。通過仿真計算和試驗證明零起升壓能較好的避免了諧波的產(chǎn)生，避免全電壓沖擊線路和變壓器時產(chǎn)生巨大的諧波電流，從而導致電壓波形畸變使泰抽機組保護動作跳機。

圖10 黑啟動試驗仿真子系統(tǒng)自諧振頻率掃描

鄒縣電廠黑啟動過程及關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析。鄒縣電廠黑啟動從20日凌晨開始；03∶57空出500 kV 1號母線和220 kV 1號母線；06∶36 5號機組與系統(tǒng)解列；08∶05 5號機組廠用電全部失去機組進入黑啟動試驗初始方式；08∶50泰山電站1號機組黑啟動升壓開始向鄒縣電廠03號高備變供電；09∶13恢復5號機組廠用電系統(tǒng)；10∶58 5號爐點火；13∶00 5號機用500 kV第四串聯(lián)絡(luò)5042開關(guān)與主網(wǎng)同期并列；13∶35 5號機廠用電恢復正常方式。

機組啟動過程中電網(wǎng)能否承受大型電動機負荷的沖擊是啟動成敗的關(guān)鍵，以鄒縣廠電泵的啟動為例，啟動瞬間沖擊負載為38.74 MW+45.02 MVar，且電動機快速穩(wěn)定，滿足電網(wǎng)電壓安全域，與仿真計算結(jié)論符合。

4.2 電壓調(diào)整與分析

試驗過程中多次調(diào)整03A、03B號高備變分接頭調(diào)整6kV母線電壓。5號機安全停機后，將03號高備變分接頭由7調(diào)至14，6kV母線電壓調(diào)至6.85kV。03A、03B號高備變充電正常后，5號機6 kV段母線送電，將03號高備變分接頭由14調(diào)至16，6 kV段母線電壓由6.6 kV調(diào)至6.8 kV。啟動電動給水泵前將03A號高備變分接頭調(diào)至17。泰山站用500 kV 5042開關(guān)將試驗子系統(tǒng)與主網(wǎng)同期并列前，為防止5號機6 kV段母線過電壓，將03A、03B號高備變分接頭分別由17、16調(diào)至13，5號機6 kV段母線電壓由6.6 kV降至6.3 kV。泰山站用500 kV 5042開關(guān)將試驗子系統(tǒng)與主網(wǎng)同期并列后，5號機6 kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段母線電壓由6.3 kV升至6.5 kV，將03A、03B號高備變分接頭分別由13調(diào)至8準備切換廠用電，5號機6 kV段母線電壓由6.5 kV降至6.1 kV。鄒縣電廠主要設(shè)備操作對母線電壓的影響見表2。

表2 鄒縣廠設(shè)備操作對母線電壓的影響

以鄒縣廠最大廠用電設(shè)備電泵投入時母線電壓降落幅度和恢復時間為例進行對比。仿真計算電泵投入母線電壓降落至5.36 kV（0.85 pu），恢復時間需要9 s，黑啟動試驗過程中電泵投入母線電壓降落至5.24 kV（0.83 pu），恢復時間6 s。試驗過程中電壓波動情況與實驗前計算結(jié)論基本一致，完全滿足實際需求。

5 結(jié)語

山東電網(wǎng)基于500 kV黑啟動現(xiàn)場試驗是山東電網(wǎng)第二次大規(guī)模黑啟動試驗，試驗的成功驗證了山東電網(wǎng)基于500 kV網(wǎng)架黑啟動研究方案和國內(nèi)首次抽水蓄能機組遠距離黑啟動600 MW大型火電機組的可行性，提出了山東電網(wǎng)第二條黑啟動路徑，進一步提高了山東電網(wǎng)的黑啟動能力。

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Black Start Test Scheme for Shandong 500 kV Power Grid

The black start test scheme for Shandong 500 kV power grid was presented in this paper.The problems such as selfexcitation of generator，power frequency overvoltage，stability of voltage and frequency，restoration of auxiliary power，and stability of small power system during the black start were analyzed.The path restoration with the mode of raising voltage from zero was put forward for the first time，and the problems which should be paid attention to during black start were discussed.The validity and rationality of the selected scheme and calculation were demonstrated by the black start test of Shandong power grid.

black start；test scheme；self-excitation；overvoltage；stability

TM732

：A

：1007－9904（2014）05－0013－06

2014-04-15

喬立同（1979—），男，工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度、運行與管理；

劉傳良（1983—），男，工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度、運行與管理；

廖大鵬（1974—），男，高級工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度、運行與管理；

傅磊（1974—），男，高級工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度、運行與管理；

王勇（1974—），男，高級工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度、運行與管理；

邱夕兆（1963—），男，高級工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度、運行與管理。