陳淑芳，金清江

（天臺縣龍溪水力發(fā)電站，浙江 天臺 317200）

電網(wǎng)黑啟動的可行性分析

陳淑芳，金清江

（天臺縣龍溪水力發(fā)電站，浙江 天臺 317200）

摘要：主要介紹了黑啟動對恢復(fù)電網(wǎng)的重要意義，并以龍溪電站水輪發(fā)電機組黑啟動為例，對臺州電網(wǎng)黑啟動的可行性進行了定性分析和技術(shù)分析。并通過具體的試驗驗證，為地方電網(wǎng)快速恢復(fù)提供了實踐指導(dǎo)作用，具有較高的推廣價值。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)；水輪機組；黑啟動；可行性分析

1黑啟動概述

1.1黑啟動問題的提出

當(dāng)前的電力行業(yè)，是一張“三縱三橫一環(huán)”覆蓋全國的大電網(wǎng)。由于各種原因，電網(wǎng)解列等大面積停電的惡性事故不可能絕對避免，若處理不當(dāng)或缺乏完善可行的必要措施，勢必擴大事故范圍，延長停電時間，造成無法估量的經(jīng)濟損失和極其惡劣的社會、政治影響。美加19個省市拉閘限電的大面積停電事故影響之大，舉世震驚，它給我國的各地電網(wǎng)敲響了警鐘，也給我國電網(wǎng)的安全措施提出了更為嚴(yán)格的要求。因此，建立和完善重大電網(wǎng)事故的應(yīng)急處理機制十分緊急而且重要。

黑啟動方案的制定，成功的系統(tǒng)恢復(fù)方案的儲備，將給系統(tǒng)在極端情況下的恢復(fù)提供有力的保障。作為制定應(yīng)急處理機制的核心部分，電網(wǎng)安全管理措施之一的“黑啟動”問題，即電力系統(tǒng)事故發(fā)生后，電力系統(tǒng)恢復(fù)問題的研究----如何快速有效地啟動機組，恢復(fù)電力系統(tǒng)供電，盡量減少損失，將具有重大的理論意義和實踐指導(dǎo)作用，具有較高的推廣價值。

1.2黑啟動電源的選擇

黑啟動，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是指整個電網(wǎng)發(fā)生垮網(wǎng)事故時，通過啟動系統(tǒng)內(nèi)具有自我啟動能力的機組，或通過外部電網(wǎng)的電力，給失去自我啟動能力的機組提供自用電，使其逐步恢復(fù)工作。因此黑啟動的關(guān)鍵，在于尋找具有自我啟動能力的發(fā)電機組。

與火電、核電機組相比，水輪發(fā)電機組具有輔助設(shè)備簡單、廠用電量少，啟動速度快等特點，理所當(dāng)然成為電網(wǎng)黑啟動最理想、最快捷的首選電源。

1.3水電站黑啟動

所謂水電站黑啟動，是指電站所有交流電源停役，所有交流回路完全失壓的情況下，在短短的數(shù)分鐘內(nèi)，僅僅利用電站儲存的幾種能量——直流系統(tǒng)蓄電池儲存的電能量、油壓系統(tǒng)儲存的油壓能量和氣壓系統(tǒng)儲存的氣壓能量，依次打開水輪機組球閥、導(dǎo)葉，將機組啟動至額定轉(zhuǎn)速時，再利用機組剩磁或站內(nèi)直流系統(tǒng)提供勵磁起勵電源，起勵建壓至機端額定電壓，并網(wǎng)并恢復(fù)廠用電，進而作為恢復(fù)電網(wǎng)的黑啟動電源。

2龍溪水電站作為臺州電網(wǎng)黑啟動電源的可行性分析

研究水電站快速經(jīng)濟的黑啟動方式不僅是電站在全站失電情況下安全生產(chǎn)自救的必要措施，也是電網(wǎng)發(fā)展的必要技術(shù)。下面，以龍溪水電站為例，對臺州電網(wǎng)黑啟動的可行性進行定性分析和技術(shù)分析。

2.1機組定性分析

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生大面積停電或系統(tǒng)解列、崩潰事故時，在無法依靠其他電網(wǎng)（外來電源）送電恢復(fù)的情況下，必須依靠電網(wǎng)內(nèi)具有自啟動能力的機組首先啟動，作為電網(wǎng)黑啟動電源，帶動無自啟動能力的機組，進而逐步擴大電力系統(tǒng)的恢復(fù)范圍，才能最終實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)的恢復(fù)。因此電網(wǎng)內(nèi)具有自啟動能力的機組，即黑啟動電源是實現(xiàn)電網(wǎng)黑啟動的關(guān)鍵。

龍溪水電站作為臺州電網(wǎng)黑啟動第一電源的優(yōu)勢有：

①龍溪水電站是臺州電網(wǎng)裝機最大的水電站，一直擔(dān)負著臺州電網(wǎng)的調(diào)峰任務(wù)，與天臺供電局調(diào)度中心和臺州電業(yè)局調(diào)度中心的距離都相對較近。

②發(fā)電機組性能良好，自動化程度較高，發(fā)、變、輸電等過程均采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)，具有運行穩(wěn)定可靠、控制準(zhǔn)確快捷，流程直觀可靠，使用和維護簡單方便等優(yōu)點。

③油、氣等系統(tǒng)的輔助機械設(shè)備均配備工作泵和備用泵進行自動輪流啟動打壓，始終保證正常的油壓和氣壓。當(dāng)交流電消失時，油、氣系統(tǒng)尚能在20min 至0.5 h內(nèi)保證油、氣系統(tǒng)的正常工作。

④技術(shù)供水系統(tǒng)：龍溪水電站經(jīng)過頂蓋取水和自然流域引水進入技術(shù)供水系統(tǒng)的技術(shù)改造，已經(jīng)得到實際應(yīng)用的證明，完全能滿足在廠用電消失時機組對技術(shù)供水的要求。

⑤勵磁系統(tǒng)具有自并勵起勵方式，同時接入了24V直流電壓起勵回路。

⑥直流系統(tǒng)具有自動充電功能，確保蓄電池容量充足。

⑦開機并網(wǎng)只需5～10min時間。

2.2網(wǎng)絡(luò)自勵磁參數(shù)分析

為避免出現(xiàn)黑啟動電源機組對線路充電或帶線路零起升壓時發(fā)生自勵磁現(xiàn)象，根據(jù)不落入（，）的范圍內(nèi)就不會發(fā)生自勵磁（為線路等效電抗，為發(fā)電機等效橫軸電抗的非飽和值，為發(fā)電機等效縱軸電抗）的實用判據(jù)，對龍溪電站－平鎮(zhèn)變的機組，主變、線路參數(shù)計算如下：

簡化電路如圖1：

圖1簡化電路圖

則機組對線路充電時，發(fā)電機以外的等效電路參數(shù)為：

考慮平鎮(zhèn)變主變，則發(fā)電機以外的等效電路（加上圖1右虛線部分）參數(shù)為：

2.3技術(shù)分析

2.3.1穩(wěn)態(tài)充電過電壓和機組低勵定值

利用BPA程序?qū)埾娬鞠嚓P(guān)系統(tǒng)進行潮流仿真計算表明：單機運行送電到第一個電網(wǎng)變電所，通過控制機端電壓在空充110 kV線路或主變時，電壓升高能控制在一個較理想的范圍，機端無功功率也均與其低勵定值還有相當(dāng)?shù)目臻g。詳細結(jié)果說明如下：

（1）空充龍平1834線路（不帶平鎮(zhèn)變主變），見表1。

（2）充龍平1834 線路（帶平鎮(zhèn)變主變），見表2。

表1空充電1834母線電壓數(shù)據(jù)

表2充電1834母線電壓數(shù)據(jù)

②表中電壓單位：kV；功率單位：MW、MVar；

③機組的低勵定值為-2MVar。

2.3.2 110 kV系統(tǒng)合閘過電壓

在110 kV系統(tǒng)上合空載線路時的操作過電壓，由于線路的電壓等級較低，線路合閘時的沖擊較小，一般不會達到線路相電壓的3倍，這可以通過對合閘過電壓的極值分析來說明這一點。

合閘時的暫態(tài)過電壓是在工頻穩(wěn)態(tài)電壓基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。合空載長線路時，由于長線路的電容效應(yīng)，會使線路末端的工頻穩(wěn)態(tài)相電壓值升高；而合空載短線路時，有可能線路上的電容效應(yīng)不如線路的阻尼損耗，那么暫態(tài)過程的始端基礎(chǔ)電壓會大于末端。也就是說在進行計算時，應(yīng)注意短線路的始端過電壓數(shù)據(jù)，而長線路應(yīng)注意末端過電壓數(shù)據(jù)。

影響線路合閘過電壓的另一因素是三相合閘的同期性和各相的合閘時間。不難證明：三相不同期合閘時的過電壓大于同期合閘時的過電壓，而在線路正弦電壓達到峰值時合閘，過電壓的值最大。

根據(jù)高電壓理論中的無損耗（不計阻抗）線路波傳播過程理論：

①同期合閘過電壓

合閘后，線路由始端向末端輸送一個峰值為Um的正弦波（電壓）；由于線路末端開路，反射一個與入射波相等的反射波，在入射波反射到的地方與入射波疊加形成2倍的Um；在線路始端，由于線路始端理想電源一端接地，所以反射波為入射波的相反數(shù)，因為始端電壓極值為Um，所以反射后的波為－Um；當(dāng)這一電壓波再次傳播到線路末端時，同樣入射波與反射波疊加后成為－2 Um，與上次傳播到末端時的殘余電荷2 Um正好抵消，末端的殘余波成為0，與開始時情況相同，從而波傳播完成一個周期。

也就是說，在無損耗線路的同期合閘過程中，最大暫態(tài)沖擊電壓為2Um。

②不同期合閘過電壓

由于三相線路間存在耦合，所以先合一相會在其他兩相上產(chǎn)生殘余電荷。于是其他兩相在電源電壓與耦合產(chǎn)生的感性電壓反極性合閘時，相當(dāng)于線路重合閘的情況，即相當(dāng)于線路初始在末端向始端存在一個－Um，此時產(chǎn)生的合閘過電壓將達到最大值。過程簡述如下：

合閘后，電源給始端輸送一個Um的正弦波，因為原來存在－Um，所以線路始端向末端傳送一個峰值為2Um的正弦波；這一正弦波到達線路末端后，由于線路末端開路，所以反射波等于入射波，疊加后使末端電壓上升一倍，即4 Um，與殘余電荷等價的－Um疊加，形成一個電壓為3 Um再送向始端；同樣由于線路始端理想電源一端接地，要保持始端電壓值Um，則線路始端應(yīng)向末端送一個－2 Um的電壓波；電壓波再次到達末端后，同樣由于開路，在末端上反射波與入射波疊加形成－4 Um，與原來末端的3 Um疊加，形成一個－Um的電壓波向始端反送，從而完成一個周期的波傳播。

也就是說，在無損耗線路的不同期合閘過程中，最大沖擊電壓為3Um。

由于線路設(shè)計中，220 kV及以下電力系統(tǒng)的絕緣水平設(shè)計倍數(shù)為3.0～3.5Um，故110 kV系統(tǒng)合閘過電壓不會威脅設(shè)備絕緣。也就是說在110 kV系統(tǒng)中，空載線路的暫態(tài)合閘過電壓無需計算。

2.3.3頻率調(diào)整與有功功率平衡

頻率調(diào)整涉及到負荷恢復(fù)速度以及機組調(diào)速器的響應(yīng)。為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定，首先必須指定調(diào)頻廠來擔(dān)任系統(tǒng)的調(diào)頻任務(wù)，并盡可能控制一次接入的最大負荷數(shù)不使系統(tǒng)頻率較接入前下跌0.5Hz（事故周波）以上，增加負荷的速度和機組增加出力的速度要保持近似同步，同時盡量控制系統(tǒng)頻率≥49 Hz。其他非自啟動機組不參與聯(lián)合調(diào)頻，而根據(jù)負荷情況以固定的（分配）出力運行，來保證系統(tǒng)的功率平衡。

頻率調(diào)整與有功功率平衡均與系統(tǒng)的等效機組調(diào)差系統(tǒng)有關(guān)。

龍溪的機組調(diào)差系數(shù)為0.02，則單機的理論允許功率增量均為：△=8000×0.5/0.02×50＝4000kW在實際運行中，機組的穩(wěn)定運行需要一個最小技術(shù)出力，其調(diào)頻容量必定小于其額定容量，這應(yīng)根據(jù)實際機組的狀況通過實驗來確定。龍溪電站的機組根據(jù)水位的不同，在2 000 kW左右。

3臺州電網(wǎng)黑啟動試驗

3.1龍溪水電站黑啟動試驗

作為臺州電網(wǎng)黑啟動的第一電源，首先要解決的龍溪水電站本身的黑啟動問題，全面了解黑啟動的前提條件、設(shè)備配置、注意事項和應(yīng)完善的技術(shù)措

施，掌握黑啟動過程中的每一操作步驟的實施要點，有效防止電網(wǎng)恢復(fù)過程中的過電壓問題和對變壓器沖擊造成的二次諧振等危及設(shè)備安全的重要技術(shù)問題，保證電網(wǎng)和設(shè)備的安全。龍溪黑啟動試驗全面模擬了電網(wǎng)黑啟動后的整個恢復(fù)過程。

3.2臺州電網(wǎng)黑啟動試驗

臺州電網(wǎng)黑啟動，即以龍溪水電站的黑啟動為起點。當(dāng)水輪機組進行零起升壓，恢復(fù)廠用電后，進而恢復(fù)平鎮(zhèn)110 kV變、國清220 kV變、縣供電局調(diào)度中心，作為天臺桐柏水電站等各小水電的啟動電源；同時向臺州市電業(yè)局調(diào)度中心供電，作為啟動仙居下岸電站、黃巖富山電站的廠用電，以迅速恢復(fù)臺州電網(wǎng)正常運行，尤其是恢復(fù)汛期廠用電、臺州市重要負荷的供電，將事故損失降低到最低限度。

為加快臺州電網(wǎng)的恢復(fù)進程，應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，建立龍溪黑啟動子系統(tǒng)，并與富山子系統(tǒng)、下岸子系統(tǒng)結(jié)合，避免任何一個子系統(tǒng)因某些不可預(yù)料的因素導(dǎo)致恢復(fù)失敗，而不影響其它子系統(tǒng)的恢復(fù)進程，確保臺州電網(wǎng)能成功黑啟動。

3.3何時起用黑啟動

①當(dāng)龍平1834線、龍溪3672線、天柱69線全部失電時，龍溪1號機組帶1號主變零起升壓，作為本站的廠用電源。

②當(dāng)臺州電網(wǎng)全部失電時，龍溪1號機組帶1號主變、龍平1934線及平鎮(zhèn)110 kV變零起升壓，作為天臺電網(wǎng)的所用電及其他水電站的啟動電源，進一步作為恢復(fù)臺州電網(wǎng)的所用電、臺州電網(wǎng)的水電站、臺州電廠的啟動電源。

4結(jié)束語

電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴容，對電網(wǎng)運行的安全水平和要求也不斷提高。國內(nèi)外的電網(wǎng)事故案例提醒我們，電網(wǎng)運行必須要有高度的憂患意識，必須作最壞打算、做最好的準(zhǔn)備。作為制定應(yīng)急處理機制的核心部分，水電站黑啟動的重要性也越來越被重視。龍溪水電站黑啟動試驗的成功進行，為恢復(fù)臺州電網(wǎng)的正常運行，給系統(tǒng)在極端情況下的恢復(fù)提供了操作經(jīng)驗，具有實踐指導(dǎo)意義。

參考文獻：

[1]臺州電業(yè)局.臺州電力系統(tǒng)調(diào)度規(guī)程[S].2004.2.

[2]關(guān)金峰.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].北京：中國電力出版社，2004.4.

中圖分類號：TM732

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）10-0001-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.10.001

收稿日期：2015-04-03

作者簡介：陳淑芳（1976-），女，工程師，從事水利水電技術(shù)工作。