邢華棟，慕 騰，陶 軍，王宇強(qiáng)，景志濱，齊 軍，張紅光

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古電力調(diào)度控制中心，呼和浩特 010010）

0 引言

仿真計(jì)算是黑啟動試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作的重要環(huán)節(jié)，貫穿于整個(gè)準(zhǔn)備工作的始末?；诜抡嬗?jì)算結(jié)果，方案編制人員可以對試驗(yàn)的安全性和可行性進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)潛在的問題，并對試驗(yàn)方案進(jìn)行合理化修改；結(jié)合廠站調(diào)研情況，修改仿真條件，指導(dǎo)方案調(diào)整，如此反復(fù)迭代，最終形成一套切實(shí)可行的黑啟動試驗(yàn)方案。

仿真的準(zhǔn)確性對黑啟動試驗(yàn)的成敗至關(guān)重要，若仿真結(jié)果不能反映實(shí)際情況，則會誤導(dǎo)試驗(yàn)方案的制訂，增加試驗(yàn)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行評估，進(jìn)而找出仿真的不足，以便為日后相關(guān)工作積累經(jīng)驗(yàn)[1-5]。2004 年北方某省級電網(wǎng)首次實(shí)施電網(wǎng)黑啟動現(xiàn)場試驗(yàn)[6]，此后隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化對電網(wǎng)黑啟動方案進(jìn)行了重新規(guī)劃設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證方案的可行性，2021 年，該區(qū)域電網(wǎng)實(shí)施了以水電機(jī)組為啟動電源的電網(wǎng)黑啟動試驗(yàn)[7-8]。本文基于黑啟動試驗(yàn)的實(shí)測數(shù)據(jù)對仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，進(jìn)而證明仿真工作對黑啟動試驗(yàn)的重要性。

1 潮流仿真驗(yàn)證

1.1 空充聯(lián)通線路

W 水電廠經(jīng)W 升壓站220 kV B 母、220 kV WSⅠ線、S 變電站220 kV 1 號母線、SN 線、N 變電站220 kV 2號和4號母線、220 kV NX Ⅰ線充電至X變電站220 kV 1 號母線，同時(shí)經(jīng)220 kV ZN Ⅰ線充電至Z 火電廠220 kV 1 號母線，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較如表1 所示。X 變電站電壓偏差2 kV，線路充電功率偏差2 Mvar，說明潮流仿真用的π型輸電線路模型參數(shù)不夠準(zhǔn)確；線路充電功率比實(shí)際約低2 Mvar，說明仿真用的輸電線路對地電納參數(shù)偏小；X變電站電壓仿真結(jié)果比實(shí)際低2 kV 左右，說明仿真用的輸電線路電抗參數(shù)偏小。

表1 W水電廠空充至聯(lián)通線路潮流比較Tab.1 Comparison of power flow when W hydraulic-power plant charging the connecting lines

1.2 Z火電廠1號機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷

Z 火電廠并網(wǎng)后帶30 MW 有功負(fù)荷，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，潮流仿真結(jié)果見圖1，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較如表2所示。

圖1 仿真潮流圖Fig.1 Simulation power flow diagram

表2 Z火電廠1號機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷潮流比較Tab.2 Comparison of grid connected and loaded power flow of unit 1 of Z thermal power plant

仿真計(jì)算中X 變電站主變壓器220 kV 側(cè)下送負(fù)荷為（25.0+j23.6）MVA，110 kV 側(cè)負(fù)荷為（25.0+j22）MVA，Z 火電廠啟備變壓器下送負(fù)荷按（10.0+j6.9）MVA 計(jì)算，全網(wǎng)負(fù)荷為（35+j30.5）MVA，現(xiàn)場試驗(yàn)中X 變電站主變壓器220 kV 下送負(fù)荷約（26+j24）MVA，Z 火電廠啟備變壓器下送負(fù)荷約（8.6+j7.5）MVA，全網(wǎng)負(fù)荷合計(jì)約（34.6+j31.5）MVA，仿真用負(fù)荷和實(shí)際負(fù)荷比較接近，因此整個(gè)黑啟動試驗(yàn)過程中W 水電廠發(fā)電機(jī)組、Z 火電廠發(fā)電機(jī)組以及各輸電線路的有功功率相對一致。

1.3 潮流仿真評價(jià)

整體來說，輸電線路模型參數(shù)引起的仿真誤差較小，在工程應(yīng)用中可以接受。試驗(yàn)前X 變電站和Z 火電廠對各自負(fù)荷估算比較準(zhǔn)確，為仿真條件設(shè)置提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，潮流仿真正確地給出了黑啟動試驗(yàn)中各個(gè)重要環(huán)節(jié)執(zhí)行后的穩(wěn)態(tài)潮流結(jié)果，為黑啟動試驗(yàn)提供了重要的數(shù)據(jù)參考。

2 動態(tài)仿真驗(yàn)證

2.1 X變電站啟動負(fù)荷

根據(jù)仿真結(jié)果，X變電站啟動4 MW恒阻抗負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)頻率偏差達(dá)-0.5 Hz。根據(jù)黑啟動試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，X變電站分批次逐步投入負(fù)荷，系統(tǒng)頻率偏差始終在±0.5 Hz 以內(nèi)波動，與仿真結(jié)果一致。其中，最大一次啟動約3.8 MW負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)頻率最大偏差為-0.444 Hz，該過程中W水電廠升壓站實(shí)測數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 X變電站啟動負(fù)荷時(shí)W水電廠升壓站實(shí)測數(shù)據(jù)Fig.2 Measured data of booster station of W hydropower plant during starting load of X substation

2.2 Z火電廠啟動輔機(jī)

2.2.1 給水泵啟動

Z火電廠啟動給水泵過程的仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比如表3所示。仿真和實(shí)際中給水泵啟動引起的6 kV 母線電壓跌落比較一致，但仿真啟動時(shí)間、最大啟動電流和最大頻率偏差都比實(shí)際大，主要原因?yàn)榉抡嬷薪o水泵帶負(fù)荷啟動，而實(shí)際給水泵幾乎空載啟動，因此給水泵實(shí)際啟動時(shí)對黑啟動小系統(tǒng)的頻率沖擊遠(yuǎn)低于仿真預(yù)期。

表3 Z火電廠啟動給水泵主要指標(biāo)對比Tab.3 Comparison of main indexes of startup feedwater pump in Z thermal power plant

2.2.2 引風(fēng)機(jī)啟動

Z火電廠所有輔機(jī)中對系統(tǒng)沖擊最大的為引風(fēng)機(jī)，其引起的系統(tǒng)頻率偏差為-0.64 Hz，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際邊界條件和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行引風(fēng)機(jī)啟動仿真反演，對比驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。

由于Z火電廠引風(fēng)機(jī)啟動過程中6 kV段錄波儀沒有完整的實(shí)測數(shù)據(jù)，只能使用Z 火電廠升壓站錄波儀的實(shí)測數(shù)據(jù)，基于ZNⅠ線（Z 火電廠側(cè)）有功、無功功率和電壓實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算出從啟備變壓器高壓側(cè)等效的Z 火電廠廠用負(fù)荷阻抗數(shù)據(jù)，等效電阻R和等效電感L計(jì)算公式分別見式（1）和式（2）。

式中：U—Z 火電廠220 kV 母線電壓，kV；

P—ZNⅠ線有功功率，MW。

式中：Q—ZN Ⅰ線無功功率，Mvar；

f—系統(tǒng)額定頻率，Hz。將等效阻抗數(shù)據(jù)導(dǎo)入PSCAD 模型中，用于模擬啟備變壓器及其負(fù)荷變化，如圖3 所示。圖3 中，Test_data.txt 文件存儲著Z 火電廠升壓站錄波數(shù)據(jù)，第1列數(shù)據(jù)為時(shí)間，第2至5列依次為220 kV 母線電壓、ZN Ⅰ線有功功率、ZN Ⅰ線無功功率和頻率，第6 列和第7 列為根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算出的等效電阻和等效電感。

圖3 Z火電廠啟備變壓器負(fù)荷等效模型Fig.3 Load equivalent model of standby transformer in Z thermal power plant

引風(fēng)機(jī)啟動過程仿真與實(shí)測曲線對比見圖4。從圖4（a）看出，仿真中220 kV母線電壓跌落略低于實(shí)測值，由于仿真用的輸電線路電抗參數(shù)比實(shí)際略小，導(dǎo)致線路壓降小于實(shí)際，進(jìn)而導(dǎo)致230 kV 母線電壓跌落略小于實(shí)際情況，但仿真曲線變化趨勢與實(shí)際一致，說明仿真用的勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性與實(shí)際一致。從圖4（b）看出，系統(tǒng)頻率仿真曲線與實(shí)測曲線比較接近，仿真中系統(tǒng)頻率最低接近49.42 Hz，實(shí)際頻率下降至49.36 Hz，證明了仿真用的調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性與實(shí)際一致。

圖4 引風(fēng)機(jī)啟動過程仿真與實(shí)測曲線對比Fig.4 Comparison between simulation and measured curves of induced draft fan starting process

綜上分析，仿真驗(yàn)證表明W水電廠水電機(jī)組建模是比較準(zhǔn)確的。

2.3 Z火電廠機(jī)組并網(wǎng)

Z火電廠1號機(jī)組并網(wǎng)時(shí)，并網(wǎng)瞬間初負(fù)荷最高上升至12.19 MW，系統(tǒng)頻率最高上升至50.99 Hz，之后系統(tǒng)頻率振蕩衰減，約60 s 后頻率偏差恢復(fù)到±0.5 Hz 以內(nèi)。仿真時(shí)由于不確定機(jī)組并網(wǎng)后的初負(fù)荷情況，因此分別對初負(fù)荷為0 MW、10 MW以及20 MW 三種工況進(jìn)行了仿真，其中初負(fù)荷為10 MW 的仿真結(jié)果與實(shí)際情況比較相符。Z 火電廠1號機(jī)組并網(wǎng)仿真與實(shí)測曲線對比如圖5所示。

圖5 Z火電廠1號機(jī)組并網(wǎng)過程仿真與實(shí)測曲線對比Fig.5 Comparison between simulation and measured curves of grid connection process of unit 1 in Z thermal power plant

從圖5看出，Z火電廠機(jī)組并網(wǎng)時(shí)1號機(jī)組有功功率的仿真與實(shí)測結(jié)果比較一致；并網(wǎng)后45 s 內(nèi)頻率仿真曲線與實(shí)測曲線高度吻合，仿真頻率最大值為50.96 Hz，實(shí)測頻率最大值為50.99 Hz，隨后頻率走勢和錄波呈較大偏差，仿真頻率最小值為49.73 Hz，錄波頻率最小值為49.38 Hz，仿真頻率在150 s前后穩(wěn)定在50 Hz 左右，而實(shí)測頻率則需要較長的時(shí)間才能恢復(fù)。Z火電廠機(jī)組并網(wǎng)最主要的指標(biāo)為并網(wǎng)后頻率最大偏差，仿真給出了正確結(jié)果，體現(xiàn)出了仿真的意義。后續(xù)頻率波動走勢與實(shí)測偏差較大，一方面是因?yàn)榉抡嬷兄豢紤]了兩臺機(jī)組的慣量，沒有考慮負(fù)荷慣量，而兩臺機(jī)組的慣量由于沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用的設(shè)計(jì)值與實(shí)際有偏差；另一方面，仿真時(shí)間為分鐘級，在時(shí)間尺度上屬中長期仿真范疇[9]，該過程中鍋爐溫度和主汽壓力也會發(fā)生變化，而本次仿真未考慮這些因素，因此數(shù)十秒后的仿真結(jié)果參考意義不大。

2.4 動態(tài)仿真評價(jià)

仿真結(jié)果是否準(zhǔn)確不僅取決于建模的準(zhǔn)確性，還取決于仿真條件設(shè)置是否符合實(shí)際情況。在前期仿真階段，試驗(yàn)方案根據(jù)X 變電站啟動負(fù)荷仿真結(jié)果，明確要求每次啟動負(fù)荷不得超過4 MW；在實(shí)際試驗(yàn)過程中，X 變電站嚴(yán)格按照試驗(yàn)方案啟動負(fù)荷，因此仿真條件與實(shí)際情況一致，仿真結(jié)果也與實(shí)際一致。

在Z 火電廠啟動輔機(jī)方面，基于引風(fēng)機(jī)啟動過程的實(shí)測數(shù)據(jù)對該過程進(jìn)行了仿真反演，從而驗(yàn)證了W 水電廠3 號機(jī)組建模的正確性，但由于前期仿真時(shí)錯(cuò)誤估計(jì)了給水泵的負(fù)荷情況，導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)際偏差較大。建議火電廠在黑啟動試驗(yàn)前專門進(jìn)行大容量輔機(jī)啟動試驗(yàn)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為仿真條件設(shè)置的參考依據(jù)，進(jìn)而保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在Z 火電廠機(jī)組并網(wǎng)方面，得益于機(jī)組建模的準(zhǔn)確性，前45 s仿真結(jié)果與實(shí)際較為一致，為現(xiàn)場試驗(yàn)提供了重要參考。但由于仿真中沒有建立動力系統(tǒng)中長期模型，因此分鐘級的仿真結(jié)果對實(shí)際參考意義不大。

綜上分析，黑啟動試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)證明了仿真模型的準(zhǔn)確性，前期仿真除了在火電廠啟動輔機(jī)方面出現(xiàn)較大偏差外，在其他關(guān)鍵操作方面均與實(shí)際比較一致，為本次黑啟動試驗(yàn)提供了重要參考。

3 結(jié)論

本文基于黑啟動試驗(yàn)的實(shí)測數(shù)據(jù)對仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析與評價(jià)，可以得出結(jié)論如下：建立的黑啟動試驗(yàn)系統(tǒng)模型足夠準(zhǔn)確，能夠正確模擬黑啟動試驗(yàn)過程中各類元件的動態(tài)特性；對大部分操作的仿真條件預(yù)測與實(shí)際相符，為黑啟動試驗(yàn)系統(tǒng)的電壓、頻率等指標(biāo)提供了準(zhǔn)確的數(shù)值邊界和發(fā)展趨勢。事實(shí)證明，電力系統(tǒng)仿真在黑啟動試驗(yàn)方案制訂階段發(fā)揮了重要作用，是保證黑啟動試驗(yàn)順利實(shí)施和安全運(yùn)行的有力手段。