电网黑启动中500 kV线路过电压研究

梁海平，王丽莎，陈国荣，王 勇，贾京华，顾雪平

(1.华北电力大学，河北 保定 071003；2.河北省电力公司，石家庄 050021)

越来越多的大停电事故表明，停电后尽快恢复供电可以大量减少经济损失。黑启动是保证电力系统大面积停电后快速恢复供电的有效措施。 “黑启动(Black-start)”是指整个系统因故障停运后，不依赖其他电网的帮助，通过系统中具有自启动能力机组的启动，带动无自启动能力的机组，逐步扩大电力系统的恢复范围，最终实现整个电力系统的恢复。

在黑启动过程中，将空载线路合闸到电源是一种常见操作，此时线路各点电压由零值过渡到由电容效应决定的工频稳态电压值，期间会出现操作过电压。操作过电压的持续时间虽然十分短暂(一般持续0.1 s以内)，但操作过电压倍数过大可能会导致断路器合闸失败，甚至设备绝缘被击穿，从而导致黑启动不成功。以下对河北省南部电网(简称“河北南网”)黑启动时线路过电压进行仿真计算。

1 电力系统黑启动过电压的原理分析

过电压通常由两部分组成：工频过电压和操作过电压。由于工频过电压为稳态性质过电压，幅值一般较小，而操作过电压幅值一般较大，因此，在校验黑启动空载充电输电线路过电压时主要考虑操作过电压。在没有补偿装置的情况下，线路末端的过电压程度最高，所以通常情况下只需校验线路末端的过电压情况即可。

根据电力系统的基本理论，可推导出距离线路末端a处的电压Ua为：

(1)

利用分解定理，求出Ua的原函数：

ua(t)=U2cosλacos(ωt+θ)-

(2)

由于实际中长线路存在分布参数特性和线路损耗，操作过电压将由工频稳态分量和无限个迅速衰减的谐波分量叠加而成。由式(2)可见，等式右边第一项为过渡过程电压ua(t)的工频稳态分量(强制分量)，后一项是暂态分量(自由振荡分量)，合闸后线路各点的电压由零值过渡到由电容效应决定的工频稳态电压，从而出现振荡过电压。由此可见，操作过电压是在工频过电压的基础上振荡产生的，工频过电压越高，操作过电压的幅值也就越高。

2 河北南网500 kV线路空载充电过电压分析

2.1 系统结构

不同的黑启动方案的启动路径可能不同，但整体的系统结构很相似，充电路径通常是由发电机、变压器和线路组成的一条串联路径，一般情况下线路总长度较长、电压等级较高，过电压情况比较严重。

结合河北省南部电网黑启动方案的研究，选择张河湾抽水蓄能发电有限公司(简称“张河湾电厂”)作为系统恢复的黑启动电源，对河北南网500 kV线路黑启动过程中的过电压问题进行详细的仿真计算和分析研究。张河湾电厂出线只有一条500 kV线路，并通过此线路与廉州变电站相连，因此，在实际的黑启动方案中张河湾电厂必须通过500 kV线路送电至廉州变电站220 kV母线、龙岗220 kV母线来启动裕华热电厂。具体的黑启动方案实际系统的等值电路接线如图1所示，变压器参数、输电线路参数分别如表1、表2所示。

图1 系统的等值电路接线

表1 变压器参数

表2 输电线路参数

2.2 MATLAB/Simulink和PSCAD/EMTDC建模

作为黑启动过程中制定恢复方案的重要决策依据，研究过电压问题不仅应得出其是否发生的结论，而且一旦发生过电压，还应给出过电压产生和发展的过程，进而通过改变网络参数或增加调控手段来降低过电压的倍数或避免过电压的产生。为此，选择了集强大科学计算和可视化功能于一体的MATLAB/Simulink和目前在电力系统中广泛使用的电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC分别建立黑启动过电压仿真模型[2]，并将结果进行比较验证，从而保证仿真结果的可靠性。

过电压属于电磁暂态计算的范畴，暂态过程非常短暂，在具体研究中一般不考虑发电机等效电势和等效电抗随时间的变化，因此发电机模型可采用相对简单的三相电压源模块来模拟，只需输入电源电压值、频率、电源电抗等基本参数；提供的张河湾电厂升压变压器参数为忽略励磁支路的阻抗参数，在Simulink的张河湾变压器模型中将此阻抗参数值放在高压侧，低压侧的阻抗数值理论上应该输入0值，但在SPS(SimPower Systems)中需要用一个很小的数值如1.0e-6代替；为了模拟实际的小系统，断路器采用带有并联泄漏电阻和并联泄漏电容的计算模型[3]；线路采用输入分布参数的线路模型。

2.3 线路的分段空载充电试验

对张河湾电厂合闸空载充电长线路至裕华热电厂母线的过程进行分段空载充电试验，即在0.5 s的时候先只空载充电张廉500 kV线路，等电压到达稳定后再合闸充廉州三绕组变压器，在2 s的时候合闸充廉龙和龙裕220 kV线路。运用MATLAB/Simulink和PSCAD/EMTDC 2种仿真软件对方案进行仿真研究，线路合闸后末端(裕华热电厂220 kV母线)电压波形如图2所示。MATLAB/Simulink仿真结果为U相电压最大值254.8 kV，V相电压最大值-275.1 kV，W相电压最大值344.7 kV，过电压倍数为1.835 5。工频电压相电压幅值为212.1 kV，过电压倍数为1.127 4。MATLAB/Simulink和PSCAD/EMTDC仿真结果的操作过电压和工频过电压有效值对比可见表3。

(a) MATLAB/Simulink仿真波形

(b) PSCAD/EMTDC仿真波形

表3 过电压对比分析(有效值) kV

结果表明，线路末端操作过电压倍数和工频过电压倍数均未超过过电压保护规程规定220 kV电压等级的3倍限值和1.4倍限值。

2.4 线路全充电试验

下面是用以上2种仿真软件仿真张河湾电厂一次性合闸空载充电裕华热电厂母线的充电过程。运用MATLAB/Simulink和PSCAD/EMTDC 2种仿真软件对方案进行仿真研究，线路合闸后末端(裕华热电厂220 kV母线)电压波形见图3，MATLAB/Simulink仿真结果为U相电压最大值327.3 kV，V相电压最大值-327.3 kV，W相电压最大值344.7 kV，过电压以W相为最大，过电压倍数为1.748 7。工频电压相电压幅值为213.3 kV，过电压倍数为1.135 8。

(a) MATLAB/Simulink仿真波形

(b) PSCAD/EMTDC仿真波形

结果表明，线路末端操作过电压倍数和工频过电压倍数均未超过过电压保护规程规定220 kV电压等级的3倍限值和1.4倍限值。

2.5 2种充电过程仿真结果分析

由表3给出的仿真结果可以看出，分段空载充电线路和全充电线路2种充电过程对龙裕线路末端的工频过电压无影响，测量值间的误差主要是仿真计算误差造成的，而这2种充电过程对其操作过电压的影响很大，分段空载充电220 kV线路时的操作过电压倍数要比全充电时的大。

3 空载充电500 kV线路最大允许线路长度分析

4 结论

运用MATLAB/Simulink和PSCAD/EMTDC分别建模仿真张河湾电厂空载充电裕华热电厂的过电压过程，所测得的各线路末端操作过电压倍数均未超过过电压保护规程规定的500 kV电压等级的2倍与220 kV电压等级的3倍限值。仿真图形表明用这2种仿真软件所得到的过电压波形峰值的幅值和出现时刻几乎完全一致，证明了仿真结果的可靠性，为制定河北南网实际系统黑启动方案提供了重要参考。通过仿真还得出由张河湾电厂空载充电500 kV线路的最大允许长度不得超过93 km，否则必须在线路两端加装补偿装置来保证过电压不超过规程规定的2倍限值。

参考文献：

[1] 李膨源，顾雪平.基于神经网络的黑启动操作过电压快速预测[J].电网技术，2006，30(3)：66-70.

[2] 梁思聪，王维庆．基于PSCAD/EMTDC软件的空载线路工频过电压分析[J]．华东电力，2009，37(2)：253-255.

[3] 王丹昕，房鑫炎. MATLAB在系统灾变恢复相关问题研究中的应用[J]．继电器，2002，30(4)：22-25.