电网黑启动的可行性分析

陈淑芳，金清江

（天台县龙溪水力发电站，浙江 天台 317200）

电网黑启动的可行性分析

陈淑芳，金清江

（天台县龙溪水力发电站，浙江 天台 317200）

摘要：主要介绍了黑启动对恢复电网的重要意义，并以龙溪电站水轮发电机组黑启动为例，对台州电网黑启动的可行性进行了定性分析和技术分析。并通过具体的试验验证，为地方电网快速恢复提供了实践指导作用，具有较高的推广价值。

关键词：电网；水轮机组；黑启动；可行性分析

1黑启动概述

1.1黑启动问题的提出

当前的电力行业，是一张“三纵三横一环”覆盖全国的大电网。由于各种原因，电网解列等大面积停电的恶性事故不可能绝对避免，若处理不当或缺乏完善可行的必要措施，势必扩大事故范围，延长停电时间，造成无法估量的经济损失和极其恶劣的社会、政治影响。美加19个省市拉闸限电的大面积停电事故影响之大，举世震惊，它给我国的各地电网敲响了警钟，也给我国电网的安全措施提出了更为严格的要求。因此，建立和完善重大电网事故的应急处理机制十分紧急而且重要。

黑启动方案的制定，成功的系统恢复方案的储备，将给系统在极端情况下的恢复提供有力的保障。作为制定应急处理机制的核心部分，电网安全管理措施之一的“黑启动”问题，即电力系统事故发生后，电力系统恢复问题的研究----如何快速有效地启动机组，恢复电力系统供电，尽量减少损失，将具有重大的理论意义和实践指导作用，具有较高的推广价值。

1.2黑启动电源的选择

黑启动，是一个复杂的系统工程，是指整个电网发生垮网事故时，通过启动系统内具有自我启动能力的机组，或通过外部电网的电力，给失去自我启动能力的机组提供自用电，使其逐步恢复工作。因此黑启动的关键，在于寻找具有自我启动能力的发电机组。

与火电、核电机组相比，水轮发电机组具有辅助设备简单、厂用电量少，启动速度快等特点，理所当然成为电网黑启动最理想、最快捷的首选电源。

1.3水电站黑启动

所谓水电站黑启动，是指电站所有交流电源停役，所有交流回路完全失压的情况下，在短短的数分钟内，仅仅利用电站储存的几种能量——直流系统蓄电池储存的电能量、油压系统储存的油压能量和气压系统储存的气压能量，依次打开水轮机组球阀、导叶，将机组启动至额定转速时，再利用机组剩磁或站内直流系统提供励磁起励电源，起励建压至机端额定电压，并网并恢复厂用电，进而作为恢复电网的黑启动电源。

2龙溪水电站作为台州电网黑启动电源的可行性分析

研究水电站快速经济的黑启动方式不仅是电站在全站失电情况下安全生产自救的必要措施，也是电网发展的必要技术。下面，以龙溪水电站为例，对台州电网黑启动的可行性进行定性分析和技术分析。

2.1机组定性分析

当电网发生大面积停电或系统解列、崩溃事故时，在无法依靠其他电网（外来电源）送电恢复的情况下，必须依靠电网内具有自启动能力的机组首先启动，作为电网黑启动电源，带动无自启动能力的机组，进而逐步扩大电力系统的恢复范围，才能最终实现整个电力系统的恢复。因此电网内具有自启动能力的机组，即黑启动电源是实现电网黑启动的关键。

龙溪水电站作为台州电网黑启动第一电源的优势有：

①龙溪水电站是台州电网装机最大的水电站，一直担负着台州电网的调峰任务，与天台供电局调度中心和台州电业局调度中心的距离都相对较近。

②发电机组性能良好，自动化程度较高，发、变、输电等过程均采用计算机监控系统，具有运行稳定可靠、控制准确快捷，流程直观可靠，使用和维护简单方便等优点。

③油、气等系统的辅助机械设备均配备工作泵和备用泵进行自动轮流启动打压，始终保证正常的油压和气压。当交流电消失时，油、气系统尚能在20min 至0.5 h内保证油、气系统的正常工作。

④技术供水系统：龙溪水电站经过顶盖取水和自然流域引水进入技术供水系统的技术改造，已经得到实际应用的证明，完全能满足在厂用电消失时机组对技术供水的要求。

⑤励磁系统具有自并励起励方式，同时接入了24V直流电压起励回路。

⑥直流系统具有自动充电功能，确保蓄电池容量充足。

⑦开机并网只需5～10min时间。

2.2网络自励磁参数分析

为避免出现黑启动电源机组对线路充电或带线路零起升压时发生自励磁现象，根据不落入（，）的范围内就不会发生自励磁（为线路等效电抗，为发电机等效横轴电抗的非饱和值，为发电机等效纵轴电抗）的实用判据，对龙溪电站－平镇变的机组，主变、线路参数计算如下：

简化电路如图1：

图1简化电路图

则机组对线路充电时，发电机以外的等效电路参数为：

考虑平镇变主变，则发电机以外的等效电路（加上图1右虚线部分）参数为：

2.3技术分析

2.3.1稳态充电过电压和机组低励定值

利用BPA程序对龙溪电站相关系统进行潮流仿真计算表明：单机运行送电到第一个电网变电所，通过控制机端电压在空充110 kV线路或主变时，电压升高能控制在一个较理想的范围，机端无功功率也均与其低励定值还有相当的空间。详细结果说明如下：

（1）空充龙平1834线路（不带平镇变主变），见表1。

（2）充龙平1834 线路（带平镇变主变），见表2。

表1空充电1834母线电压数据

表2充电1834母线电压数据

②表中电压单位：kV；功率单位：MW、MVar；

③机组的低励定值为-2MVar。

2.3.2 110 kV系统合闸过电压

在110 kV系统上合空载线路时的操作过电压，由于线路的电压等级较低，线路合闸时的冲击较小，一般不会达到线路相电压的3倍，这可以通过对合闸过电压的极值分析来说明这一点。

合闸时的暂态过电压是在工频稳态电压基础上产生的。合空载长线路时，由于长线路的电容效应，会使线路末端的工频稳态相电压值升高；而合空载短线路时，有可能线路上的电容效应不如线路的阻尼损耗，那么暂态过程的始端基础电压会大于末端。也就是说在进行计算时，应注意短线路的始端过电压数据，而长线路应注意末端过电压数据。

影响线路合闸过电压的另一因素是三相合闸的同期性和各相的合闸时间。不难证明：三相不同期合闸时的过电压大于同期合闸时的过电压，而在线路正弦电压达到峰值时合闸，过电压的值最大。

根据高电压理论中的无损耗（不计阻抗）线路波传播过程理论：

①同期合闸过电压

合闸后，线路由始端向末端输送一个峰值为Um的正弦波（电压）；由于线路末端开路，反射一个与入射波相等的反射波，在入射波反射到的地方与入射波叠加形成2倍的Um；在线路始端，由于线路始端理想电源一端接地，所以反射波为入射波的相反数，因为始端电压极值为Um，所以反射后的波为－Um；当这一电压波再次传播到线路末端时，同样入射波与反射波叠加后成为－2 Um，与上次传播到末端时的残余电荷2 Um正好抵消，末端的残余波成为0，与开始时情况相同，从而波传播完成一个周期。

也就是说，在无损耗线路的同期合闸过程中，最大暂态冲击电压为2Um。

②不同期合闸过电压

由于三相线路间存在耦合，所以先合一相会在其他两相上产生残余电荷。于是其他两相在电源电压与耦合产生的感性电压反极性合闸时，相当于线路重合闸的情况，即相当于线路初始在末端向始端存在一个－Um，此时产生的合闸过电压将达到最大值。过程简述如下：

合闸后，电源给始端输送一个Um的正弦波，因为原来存在－Um，所以线路始端向末端传送一个峰值为2Um的正弦波；这一正弦波到达线路末端后，由于线路末端开路，所以反射波等于入射波，叠加后使末端电压上升一倍，即4 Um，与残余电荷等价的－Um叠加，形成一个电压为3 Um再送向始端；同样由于线路始端理想电源一端接地，要保持始端电压值Um，则线路始端应向末端送一个－2 Um的电压波；电压波再次到达末端后，同样由于开路，在末端上反射波与入射波叠加形成－4 Um，与原来末端的3 Um叠加，形成一个－Um的电压波向始端反送，从而完成一个周期的波传播。

也就是说，在无损耗线路的不同期合闸过程中，最大冲击电压为3Um。

由于线路设计中，220 kV及以下电力系统的绝缘水平设计倍数为3.0～3.5Um，故110 kV系统合闸过电压不会威胁设备绝缘。也就是说在110 kV系统中，空载线路的暂态合闸过电压无需计算。

2.3.3频率调整与有功功率平衡

频率调整涉及到负荷恢复速度以及机组调速器的响应。为了保持系统稳定，首先必须指定调频厂来担任系统的调频任务，并尽可能控制一次接入的最大负荷数不使系统频率较接入前下跌0.5Hz（事故周波）以上，增加负荷的速度和机组增加出力的速度要保持近似同步，同时尽量控制系统频率≥49 Hz。其他非自启动机组不参与联合调频，而根据负荷情况以固定的（分配）出力运行，来保证系统的功率平衡。

频率调整与有功功率平衡均与系统的等效机组调差系统有关。

龙溪的机组调差系数为0.02，则单机的理论允许功率增量均为：△=8000×0.5/0.02×50＝4000kW在实际运行中，机组的稳定运行需要一个最小技术出力，其调频容量必定小于其额定容量，这应根据实际机组的状况通过实验来确定。龙溪电站的机组根据水位的不同，在2 000 kW左右。

3台州电网黑启动试验

3.1龙溪水电站黑启动试验

作为台州电网黑启动的第一电源，首先要解决的龙溪水电站本身的黑启动问题，全面了解黑启动的前提条件、设备配置、注意事项和应完善的技术措

施，掌握黑启动过程中的每一操作步骤的实施要点，有效防止电网恢复过程中的过电压问题和对变压器冲击造成的二次谐振等危及设备安全的重要技术问题，保证电网和设备的安全。龙溪黑启动试验全面模拟了电网黑启动后的整个恢复过程。

3.2台州电网黑启动试验

台州电网黑启动，即以龙溪水电站的黑启动为起点。当水轮机组进行零起升压，恢复厂用电后，进而恢复平镇110 kV变、国清220 kV变、县供电局调度中心，作为天台桐柏水电站等各小水电的启动电源；同时向台州市电业局调度中心供电，作为启动仙居下岸电站、黄岩富山电站的厂用电，以迅速恢复台州电网正常运行，尤其是恢复汛期厂用电、台州市重要负荷的供电，将事故损失降低到最低限度。

为加快台州电网的恢复进程，应根据其结构特点，建立龙溪黑启动子系统，并与富山子系统、下岸子系统结合，避免任何一个子系统因某些不可预料的因素导致恢复失败，而不影响其它子系统的恢复进程，确保台州电网能成功黑启动。

3.3何时起用黑启动

①当龙平1834线、龙溪3672线、天柱69线全部失电时，龙溪1号机组带1号主变零起升压，作为本站的厂用电源。

②当台州电网全部失电时，龙溪1号机组带1号主变、龙平1934线及平镇110 kV变零起升压，作为天台电网的所用电及其他水电站的启动电源，进一步作为恢复台州电网的所用电、台州电网的水电站、台州电厂的启动电源。

4结束语

电网规模的不断扩容，对电网运行的安全水平和要求也不断提高。国内外的电网事故案例提醒我们，电网运行必须要有高度的忧患意识，必须作最坏打算、做最好的准备。作为制定应急处理机制的核心部分，水电站黑启动的重要性也越来越被重视。龙溪水电站黑启动试验的成功进行，为恢复台州电网的正常运行，给系统在极端情况下的恢复提供了操作经验，具有实践指导意义。

参考文献：

[1]台州电业局.台州电力系统调度规程[S].2004.2.

[2]关金峰.电力系统稳态分析[M].北京：中国电力出版社，2004.4.

中图分类号：TM732

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）10-0001-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.10.001

收稿日期：2015-04-03

作者简介：陈淑芳（1976-），女，工程师，从事水利水电技术工作。