山东电网500 kV系统黑启动试验方案研究

乔立同，刘传良，廖大鹏，傅磊，王勇，邱夕兆

（山东电力调度控制中心，山东济南250001）

山东电网500 kV系统黑启动试验方案研究

乔立同，刘传良，廖大鹏，傅磊，王勇，邱夕兆

（山东电力调度控制中心，山东济南250001）

研究山东电网500 kV系统黑启动试验，确定黑启动电源和方案。分析黑启动过程中的发电机自励磁、工频过电压、频率和电压稳定、厂用负荷恢复以及小系统的稳定性等问题，首次提出利用零起升压方式进行通道恢复的概念和方法，并进一步分析黑启动过程中应注意的问题。山东电网500 kV系统黑启动试验的成功证明所选方案及分析计算的有效性和合理性。

黑启动；试验方案；自励磁；过电压；稳定性

0 引言

随着电力系统相关理论和技术的不断成熟，电网建设得到空前迅速的发展，世界各国相继出现了许多跨地区甚至跨国的大电网和超级大电网，电网结构日趋合理，防范和抵御事故的能力日益提高。但是因为大电网的复杂性和庞大性，一旦发生大面积停电或电网全网停电事故，电网的恢复过程也变得空前复杂，因此现代大电网并不是无懈可击。从20世纪60年代开始，一些国际著名的大电网就相继出现了大停电事故。尤其是近几年来发生的多起大停电事故，如2003年8月14日美国加拿大大面积停电和意大利停电事故、2005年5月25日俄罗斯莫斯科大面积停电事故和2005年8月18日涉及首都雅加达在内的印尼大停电事故等，都给国民经济和人民生活，以及电力系统本身带来了空前的损失，并造成了严重影响。因此，如何使电网尽快恢复供电，以减少停电带来的损失，成为各大电网所面临的严峻问题。

在大停电事故屡有发生的背景下，黑启动试验作为黑启动能力维持水平的检验方式已经被逐渐接受。意大利较早开展了黑启动例行试验，取得的成果在2003年全国大停电中发挥了显著作用［1］。受美加8.14大停电影响，北美电力可靠性委员会在新制定的电力可靠性标准中要求各大电网公司每5年进行1次黑启动试验以考核电网黑启动实际能力［2］。近年来，我国也相继开展了黑启动试验［3-8］。2000年5月5日华北电网利用十三陵蓄能电厂水电机组进行了国内首例电网黑启动试验［4］；2002年1月16日湖北电网利用天堂抽水蓄能电厂在实际电网中进行了黑启动试验［5］；2006年6月，天津电网利用燃气轮机进行了电网黑启动试验［6］。国内部分学者也对电网黑启动进行了深入研究［9-14］。在此背景下，山东电网于2012年11月成功进行了500 kV系统黑启动试验，试验采用零起升压方式。

1 黑启动电源及方案的选择

黑启动电源通常首选是水电机组，如抽水蓄能机组。与火电、核电机组相比，水轮发电机结构简单，没有复杂的辅机系统，厂用电少，启动速度快，因此是理想、方便的启动电源［9-11］。山东电网以火电机组为主，只有泰山抽水蓄能电站具有大型可自启动水电机组。泰山电站机组自投产后，就将机组黑启动作为一个独立工况和电站必备功能。泰山电站全停后，首先由站内柴油发电机启动厂用电，然后启动水轮机发电。一次接线如图1所示。

图1 泰山电站一次接线

装机容量达4 575 MW的邹县电厂是山东电网内部的重要电源之一。黑启动状态下邹县电厂发电机组的首先恢复，对于山东电网的快速全面恢复意义重大。同时，泰山电站与邹县电厂电气距离较近，可以在短时间内，以尽量少的操作步骤恢复邹县电厂500 kV母线，进而可以通过其2号联变为5号机组提供作为机组启动电源的厂用电。试验选择邹县电厂5号机组（600 MW）作为被启动机组。邹县电厂一次接线如图2所示。

根据黑启动路径选择原则，选择一条距离最短，操作次数最少，操作时间最短的路径，同时还要确保电网的安全可靠。结合邹县电厂的接线方式，选取的黑启动路径如图3所示。

图2 邹县电厂一次接线图

图3 黑启动路径

2 试验方案仿真计算

2.1 邹县电厂6 kV动力负荷

邹县电厂6 kV动力负荷启动顺序有两种方式。

方式1：开式水泵→电动给水泵→循环水泵→凝结水泵→真空泵→前置泵→凝升泵→循环水泵→前置泵。

方式2：循环水泵→开式水泵→吸风机→送风机→一次风机→磨煤机→吸风机→送风机→一次风机→磨煤机→磨煤机→磨煤机→磨煤机。

两种方式同时进行，且规程规定不允许同时启动两台6 kV设备。邹县电厂6 kV动力负荷情况见表1。

表1 邹县电厂6 kV动力负荷

2.2 仿真计算过程

由于存在500 kV长线路大容量充电无功与大容量电动机高无功冲击的矛盾，在仿真验证时首次运用了加拿大的全数字实时仿真系统RTDS进行计算，为实际操作提供安全量化指标。

为了避免泰山电站1号机黑启动邹县电厂5号机过程中出现各类安全问题，对整个黑启动过程进行了暂态过电压、电压稳定、潮流计算、小干扰稳定、电动机启动、发电机自励磁、暂态稳定、变压器充电励磁涌流与谐振计算。经过全面的分析和校验，推荐图4所示的黑启动运行方式。

2.2.1 泰山电站1号机带系统零起升压（阶段1）

经仿计算，泰山电站1号机黑启动带220 kV蓄泰I线、泰山站2号主变、500 kV邹泰线、邹县电厂2号联变及03A、03B号高备变零起升压，可以成功进行黑启动。泰山电站1号机端电压零起升压至1.02 pu，即16.065 kV时，系统运行方式如图5所示。

零起升压时，邹泰线末端电压、泰山电站1号机的机端电流逐渐上升，没有谐波成分，如图6所示。

2.2.2 邹县电厂5号机厂用大型电动机负荷顺序投入（阶段2）

图4 推荐的黑启动运行方式

图5 泰山电站1号机端电压为1.02 pu时系统运行方式

电压暂态稳定校验。电动机容量越大，对电网的冲击越大。试验中容量较大的电机有6 650 kW电动给水泵、2 500 kW循环水泵和2 640 kW吸风机。在推荐方式下，启动时暂态电压下降幅度处于可接受范围内。其中，邹县厂6 650 kW电动给水泵投入时母线电压降落幅度最大。投入前母线电压为6.8 kV，投入后母线电压最低为5.36 kV（0.85 pu），恢复时间需要9 s，如图7所示。

图6 零起升压时邹泰线末端电压

图7 邹县厂电动给水泵投入时母线电压下降过程

电压静态稳定安全域。在推荐的运行方式下，如果带厂用电过程中不进行变压器分接头和机端电压二次调整，负荷带到一定程度将会发生电压崩溃事件。因此，严格按照给定的运行方式，在不做调整的情况下，计算了电压稳定安全域。设5号机的厂用电负荷在6 kV I段到IV段平均分布，则每段有功的上限都为23.7 MW，无功功率的上限为21.7 Mvar。随着厂用电负荷的增加，静态电压将逐渐下降，在总负荷超过94.8 MW+86.8 Mvar时，将发生电压崩溃，如图8所示。黑启动过程中邹县电厂厂用电负载总量为35.262 MW，处于安全域范围内。

2.3 仿真计算结论

电压。采用零起升压方式，泰山电站1号机组带220 kV蓄泰I线、500 kV泰山站2号主变、500 kV邹泰线、邹县电厂2号联变、邹县电厂03A、03B号高备变，从零电压以秒级以上时间升到1.02倍额定电压。

图8 推荐黑启动运行方式电压稳定极限

并联电抗、电容器。500 kV泰山站与邹县电厂的35 kV低压并联电抗器和并联电容器全部退出。

变压器。泰山电站1号主变，泰山站2号主变，邹县厂2号联变的分接头保持不变。邹县厂03A、03B号高备变分接头由位置7调整到位置17。

3 试验实施

3.1 泰山电站操作时序

黑启动试验操作时序包括依次执行的5个部分：试验前准备、初始方式调整、二次系统调整、黑启动试验、黑启动子系统恢复。从2012年11月20日零时开始，至14∶40结束。

试验前准备（00∶00—00∶20）。泰山电站所有设备均已满足黑启动试验前要求，上下水库水位均在试验要求范围内；故障录波器已接入试验系统并调试正常（确认能够测量1号机机端电压、发电机定子电流、发电机励磁电流、发电机励磁电压、发电机频率、发电机有功、无功，220 kV 1号母线电压、蓄泰I线电压、电流、试验系统频率）。现场试验接线、安全措施已做好，人员已撤离，黑启动试验可以开始。

黑启动试验初始方式调整（00∶20—06∶20）。停用220 kV蓄泰I线重合闸；泰山电站黑启动系统转冷备用，做好黑启动准备。

黑启动试验二次系统调整（06∶20—08∶20）。确认1号机强励、失磁保护已退出，试验系统中所有元件的启动非试验系统元件失灵保护的压板（控制字）已退出；确认1号机过压、过流、定子过负荷保护时间定值均已改为0.3 s。

黑启动试验（8∶20—11∶50）。校对时间，启动测量录波器；1号机黑启动，带黑启动系统（含03A、03B号高备变）零起升压；1号机机端电压目标值1.02 pu，频率调整目标值为50.20 Hz（励磁调节系统、调速系统按自动方式调整）；邹县电厂5号机开机，与主网同期并列。

黑启动子系统恢复（11∶50—15∶30）。将1号机频率调整目标值改为50.10 Hz，试验子系统与主网同期并列；1号机解列，恢复厂用电正常方式；按定值单要求恢复1号机过压、过流、定子过负荷保护时间定值；泰山电站一、二次系统恢复方式；按定值单要求恢复试验系统所有元件启动非试验系统元件失灵保护的压板（控制字），拆除试验线及测量装置。

3.2 邹县电厂操作时序

依据火电厂黑启动操作规范规定，邹县电厂5号机黑启动操作时序包括5个阶段：试验前检查设备运行条件；试验线路、母线空出操作；试验机组进入黑启动可控状态；黑启动阶段操作；系统恢复正常状态操作。时间从2012年11月19日13时开始，至20日16∶20结束。

试验前准备（19日13∶00—20日00∶00）。11月19日下午5号机组各系统运行正常，所有试验测量装置已准备好，接线工作已经结束，具备测量条件。

初始方式调整，空出试验路径（20日00∶00—05∶06）。20日零点黑启动试验正式开始，02∶57空出220 kV 1号母线，05∶06空出500 kV 1号母线。

进入黑启动可控状态操作（05∶55—08∶50）。检查5号机6 kV、400 V各母线运行正常，各辅机等设备运行正常；5号机安全停机；将03号高备变分接头由7调至14，6kV母线电压6.85kV，拉开220kV母联210开关及210-1、210-2刀闸，5号机组进入黑启动初始方式。

黑启动阶段操作（08∶50—13∶35）。泰山电站1号机黑启动带220 kV蓄泰I线、泰山站2号主变、500 kV邹泰线、邹县电厂2号联变及03A、03B号高备变零起升压；检查确认03A、03B号高备变充电正常，检查5号机6 kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段备用电源进线电压正常；5号机6 kV母线送电。220 kV 1号母线电压达到226.9 kV，6 kV母线电压为6.6 kV，将03号高备变分接头由14调至16，6 kV母线电压6.8 kV；5号机汽机、锅炉400 V PDC变压器及母线送电，恢复厂用电系统至正常运行方式；根据黑启动试验尽量带负荷要求，启动5号机组大功率设备；5号机主汽压力6.6MPa，再热汽压力1.2MPa，主汽温度462℃，再热汽温度446℃，旁路流量240 t／h，凝汽器真空-96.2 kPa，汽轮机冲转，停用盘车电机备用；500 kV第四串联络5042开关与主网同期并列，阀切换后增带负荷；启动B前置泵运行，B小机冲转；试验子系统与主网并列。

系统恢复正常状态操作（13∶35—16∶20）。调整恢复03A、03B号高备变分接头，6 kV段母线切至正常电源供电；5号机正常升带负荷。

4 数据分析

4.1 试验数据分析

泰山电站1号机组空转到100%额定转速，GCB合闸，励磁起励至30%；1号机组空转到100%转速时间09∶05∶10；1号机组GCB合闸时间09∶05∶16；1号机组励磁ON时间09∶05∶20；1号机组机端电压升至30%额定时间09∶05∶27。09∶08∶16泰山电站励磁控制方式切为现地控制，09∶08∶22开始手动逐步升压，09∶13∶59机端电压手动升至为102%额定电压（16.06 kV）。泰山电站黑启动机组零起升压录波如图9示。

图9 泰山电站1号机组零起升压期间电压录波

一般情况下，变压器在空载合闸，电压恢复过程对变压器冲击较大，往往会造成变压器励磁涌流，励磁涌流一般可达6～8倍的额定电流。同时当空载线路进行合闸操作时，在系统工作状态转变的过渡过程中，由于线路的分布参数特性，所以振荡电压将由工频稳态分量和无限多个快速衰减的谐波分量叠加组成，其峰值数倍于正常运行电压即合闸操作过电压，对于500 kV线路因为一般距离比较长，电容效应显著，并且容许的操作过电压水平定得较低（不超过2 Uφ）。对于薄弱的黑启动系统而言，合闸操作过电压及主变充电时的励磁涌流都极易导致系统失稳，最终导致黑启动失败。

通过对建立的黑启动试验仿真子系统进行逐频的扫描，得到黑启动试验仿真子系统自谐振频率扫描如图10，可以看出试验子系统自振频率分别为：A相和B相有两个自振频率108 Hz和117 Hz、C相一个自振频率为108 Hz。由于泰山电站—泰山站—邹县电厂的山东电网黑启动试验子系统的自谐振频率为100 Hz左右，线路或者主变操作暂态过程产生的多次高频谐波的激发下，系统在其自振频率上出现了一个线性谐振现象，最终导致抽水蓄能电站1号机组跳闸，黑启动终止。通过仿真计算和试验证明零起升压能较好的避免了谐波的产生，避免全电压冲击线路和变压器时产生巨大的谐波电流，从而导致电压波形畸变使泰抽机组保护动作跳机。

图10 黑启动试验仿真子系统自谐振频率扫描

邹县电厂黑启动过程及关键数据分析。邹县电厂黑启动从20日凌晨开始；03∶57空出500 kV 1号母线和220 kV 1号母线；06∶36 5号机组与系统解列；08∶05 5号机组厂用电全部失去机组进入黑启动试验初始方式；08∶50泰山电站1号机组黑启动升压开始向邹县电厂03号高备变供电；09∶13恢复5号机组厂用电系统；10∶58 5号炉点火；13∶00 5号机用500 kV第四串联络5042开关与主网同期并列；13∶35 5号机厂用电恢复正常方式。

机组启动过程中电网能否承受大型电动机负荷的冲击是启动成败的关键，以邹县厂电泵的启动为例，启动瞬间冲击负载为38.74 MW+45.02 MVar，且电动机快速稳定，满足电网电压安全域，与仿真计算结论符合。

4.2 电压调整与分析

试验过程中多次调整03A、03B号高备变分接头调整6kV母线电压。5号机安全停机后，将03号高备变分接头由7调至14，6kV母线电压调至6.85kV。03A、03B号高备变充电正常后，5号机6 kV段母线送电，将03号高备变分接头由14调至16，6 kV段母线电压由6.6 kV调至6.8 kV。启动电动给水泵前将03A号高备变分接头调至17。泰山站用500 kV 5042开关将试验子系统与主网同期并列前，为防止5号机6 kV段母线过电压，将03A、03B号高备变分接头分别由17、16调至13，5号机6 kV段母线电压由6.6 kV降至6.3 kV。泰山站用500 kV 5042开关将试验子系统与主网同期并列后，5号机6 kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段母线电压由6.3 kV升至6.5 kV，将03A、03B号高备变分接头分别由13调至8准备切换厂用电，5号机6 kV段母线电压由6.5 kV降至6.1 kV。邹县电厂主要设备操作对母线电压的影响见表2。

表2 邹县厂设备操作对母线电压的影响

以邹县厂最大厂用电设备电泵投入时母线电压降落幅度和恢复时间为例进行对比。仿真计算电泵投入母线电压降落至5.36 kV（0.85 pu），恢复时间需要9 s，黑启动试验过程中电泵投入母线电压降落至5.24 kV（0.83 pu），恢复时间6 s。试验过程中电压波动情况与实验前计算结论基本一致，完全满足实际需求。

5 结语

山东电网基于500 kV黑启动现场试验是山东电网第二次大规模黑启动试验，试验的成功验证了山东电网基于500 kV网架黑启动研究方案和国内首次抽水蓄能机组远距离黑启动600 MW大型火电机组的可行性，提出了山东电网第二条黑启动路径，进一步提高了山东电网的黑启动能力。

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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

乔立同（1979—），男，工程师，从事电网调度、运行与管理；

刘传良（1983—），男，工程师，从事电网调度、运行与管理；

廖大鹏（1974—），男，高级工程师，从事电网调度、运行与管理；

傅磊（1974—），男，高级工程师，从事电网调度、运行与管理；

王勇（1974—），男，高级工程师，从事电网调度、运行与管理；

邱夕兆（1963—），男，高级工程师，从事电网调度、运行与管理。