山東電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)

袁 森，邱夕兆，房光華

（山東電力調(diào)度中心，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

2005年9月，受“達(dá)維”臺(tái)風(fēng)的影響，海南電網(wǎng)全停，引起了各方的高度關(guān)注。國(guó)網(wǎng)公司要求各網(wǎng)、省開(kāi)展黑啟動(dòng)試驗(yàn)，完善黑啟動(dòng)方案。2000年5月5日華北電網(wǎng)利用十三陵蓄能電廠水電機(jī)組進(jìn)行的“黑啟動(dòng)”試驗(yàn)在我國(guó)是首例成功的試驗(yàn)。2002年1月16日湖北電網(wǎng)利用天堂抽水蓄能電廠在實(shí)際電網(wǎng)中成功地進(jìn)行了黑啟動(dòng)試驗(yàn)。2003年3月19日華中電網(wǎng)隔河巖電廠黑啟動(dòng)聯(lián)合試驗(yàn)。2005年3月，上海電網(wǎng)在閘電燃機(jī)廠進(jìn)行了大規(guī)模黑啟動(dòng)試驗(yàn)。2008年3月9日國(guó)內(nèi)首次60萬(wàn)機(jī)組黑啟動(dòng)試驗(yàn)在福建成功進(jìn)行，但試驗(yàn)小系統(tǒng)頻率波動(dòng)很大，達(dá)1.7 Hz以上。

山東電網(wǎng)于2002年制定了詳細(xì)的分層分區(qū)的黑啟動(dòng)方案，括省調(diào)、各地調(diào)、各電廠的詳細(xì)預(yù)案。并結(jié)合基于分層案例推理技術(shù)，開(kāi)發(fā)了黑啟動(dòng)決策支持的原形系統(tǒng)，將黑啟動(dòng)方案納入了專家系統(tǒng)中，便于培訓(xùn)調(diào)度員。2006年7月泰山電站1號(hào)機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行后，在對(duì)國(guó)內(nèi)外黑啟動(dòng)現(xiàn)狀進(jìn)行廣泛調(diào)查研究的基礎(chǔ)上[1-4]，開(kāi)展了以泰山抽水蓄能電站為黑啟動(dòng)電源的山東電網(wǎng)黑啟動(dòng)研究[5-8]，制定了詳細(xì)的黑啟動(dòng)試驗(yàn)方案。在充分準(zhǔn)備和局部試驗(yàn)的前提下，成功地進(jìn)行了初具實(shí)戰(zhàn)規(guī)模的電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)，得到了豐富的電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了計(jì)算分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

1 黑啟動(dòng)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)子系統(tǒng)

泰安電網(wǎng)以220 kV系統(tǒng)為主網(wǎng)架，內(nèi)有石橫乙站、圣城熱電兩座電廠和具備自啟動(dòng)能力的泰山抽水蓄能電站，總裝機(jī)容量2480 MW；地區(qū)負(fù)荷以農(nóng)業(yè)、旅游負(fù)荷為主約1200 MW。

根據(jù)黑啟動(dòng)子系統(tǒng)選擇原則，結(jié)合石橫電廠的接線方式，選擇一條距離最短，操作次數(shù)最少和操作時(shí)間最短的路徑。經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析，山東電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)選擇路徑為：泰山電站1號(hào)機(jī)－蓄泰I線－泰山站220 kV 1A號(hào)母線－泰天I線－天平站220 kV 1號(hào)母線－天園線－桃園站220 kV 2號(hào)母線－高園線－高余站220 kV 1號(hào)母線－石高I線－石橫電廠56 A號(hào)啟備變。該路徑全長(zhǎng)101.66 kM。圖2為試驗(yàn)路徑示意圖。

圖1 泰安電網(wǎng)示意圖

圖2 試驗(yàn)路徑示意圖

經(jīng)計(jì)算分析，選擇該試驗(yàn)路徑，泰安地區(qū)西部和中部電網(wǎng)運(yùn)行方式可以建立，安全可靠，無(wú)穩(wěn)定問(wèn)題；泰山電站機(jī)組帶空線路恢復(fù)石橫電廠廠用電時(shí)，不會(huì)發(fā)生自勵(lì)磁；試驗(yàn)過(guò)程中引起的工頻過(guò)電壓、操作過(guò)電壓和諧振電壓均在允許范圍之內(nèi)。

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

黑啟動(dòng)試驗(yàn)工作組在泰山電站、石橫電廠等單位的大力協(xié)助下，逐一完成了黑啟動(dòng)理論研究、方案調(diào)研、仿真計(jì)算、方案編制等準(zhǔn)備工作。并對(duì)相關(guān)廠站設(shè)備現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)估，進(jìn)行了多次階段性試驗(yàn)。在綜合調(diào)研結(jié)論、設(shè)備評(píng)估、計(jì)算結(jié)果和電網(wǎng)實(shí)際的基礎(chǔ)上對(duì)在黑啟動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中涉及到的直流浮充、電力通訊、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、方式安排、子系統(tǒng)隔離、注意事項(xiàng)、應(yīng)急管理等諸多方面做了明確安排，對(duì)相關(guān)單位的安全要求和組織措施也做了詳盡部署。特別是一次系統(tǒng)，對(duì)子系統(tǒng)與運(yùn)行主網(wǎng)的隔離做了明確安排，所有路徑上各廠站的方式調(diào)整都必須有明顯斷開(kāi)點(diǎn)；二次系統(tǒng)考慮系統(tǒng)盡快恢復(fù)和試驗(yàn)的逼真性，黑啟動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，220 kV系統(tǒng)快速保護(hù)正常投入，定值和投退方式不做調(diào)整，變壓器分接頭和中性點(diǎn)接地方式不做調(diào)整，黑啟動(dòng)路徑上各線路重合閘停用，區(qū)域性安全自動(dòng)裝置停用等。

1.3 試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程可分為四個(gè)階段。

第一階段：初始方式調(diào)整。為盡量縮短電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化的時(shí)間，初始方式的調(diào)整在兩個(gè)發(fā)電廠、四個(gè)變電站同步操作。本階段的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是：一是試驗(yàn)子系統(tǒng)安全隔離。在所有路徑各廠、站空出試驗(yàn)?zāi)妇€后必須有明顯斷開(kāi)點(diǎn)，在開(kāi)放式母線上至少拉開(kāi)母聯(lián)開(kāi)關(guān)的一把刀閘，在GIS母線上斷開(kāi)母聯(lián)開(kāi)關(guān)的兩側(cè)刀閘并做好相關(guān)嚴(yán)格的技術(shù)安全措施以保證母聯(lián)刀閘不會(huì)誤操作。二是準(zhǔn)確選擇解列點(diǎn)。試驗(yàn)子系統(tǒng)隔離的最后關(guān)鍵一步是子系統(tǒng)與主網(wǎng)的解列，而被解列的子系統(tǒng)實(shí)際上是多級(jí)的狹長(zhǎng)的空充線路，因此選擇設(shè)備健康狀況良好、開(kāi)關(guān)遮斷容量大、保護(hù)健全的開(kāi)關(guān)尤為重要。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)選擇了500 kV泰山站的220 kV母聯(lián)200 A開(kāi)關(guān)作為解列點(diǎn)。在初始方式調(diào)整完畢后，還安排了試驗(yàn)采集設(shè)備和試驗(yàn)線的安裝工作。盡管設(shè)備多、操作量大，但初始方式調(diào)整僅歷時(shí)3 h 14 min。

第二階段：石橫電廠機(jī)組安全停機(jī)。對(duì)于火電機(jī)組啟動(dòng)，廠用電是關(guān)鍵，要模擬系統(tǒng)全停，還要模擬被啟動(dòng)電源廠用電全停，油、汽系統(tǒng)的保安電源、直流浮充等相關(guān)調(diào)整十分復(fù)雜。因此6 kV、400 V廠用電系統(tǒng)的調(diào)整是整個(gè)階段的難點(diǎn)。本階段歷時(shí)50 min。

第三階段：黑啟動(dòng)試驗(yàn)。在設(shè)定泰山電站1號(hào)機(jī)調(diào)整子系統(tǒng)頻率、電壓的目標(biāo)值（設(shè)定泰山電站調(diào)整電壓目標(biāo)值為230 kV，調(diào)整頻率目標(biāo)值為50.20 Hz），和確認(rèn)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)按自動(dòng)方式調(diào)整后，省調(diào)值班調(diào)度員令各廠站啟動(dòng)測(cè)量錄波器，校對(duì)時(shí)間。隨后泰山電站開(kāi)啟柴油發(fā)電機(jī)帶自身廠用電，泰山電站1號(hào)機(jī)組開(kāi)機(jī)，全電壓沖擊啟動(dòng)路徑，石橫電廠啟備變、廠用電送電，石橫電廠5號(hào)機(jī)開(kāi)機(jī)并列。本階段歷時(shí)2 h 50 min。

第四階段：試驗(yàn)子系統(tǒng)恢復(fù)。黑啟動(dòng)試驗(yàn)成功后子系統(tǒng)與主網(wǎng)的并列恢復(fù)關(guān)鍵是同期并列，也是試驗(yàn)收尾階段的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。并列點(diǎn)也自然選擇在泰山站。根據(jù)華北電網(wǎng)的要求，泰山站于2008年底調(diào)整了新的同期并列裝置定值，新定值對(duì)于子系統(tǒng)和主網(wǎng)并列十分不利。針對(duì)此技術(shù)難題，項(xiàng)目組在三個(gè)方面開(kāi)展工作：一是改進(jìn)泰山電站機(jī)組調(diào)節(jié)能力，控制頻差和角差在技術(shù)范圍內(nèi)；二是定檢泰山站自同期并列裝置并集中培訓(xùn)操作人員；三是按照現(xiàn)場(chǎng)指揮的商定創(chuàng)造性的拉大合閘頻差，在可控范圍內(nèi)犧牲小部分系統(tǒng)穩(wěn)定性從而提高同期并列的成功率。試驗(yàn)過(guò)程中，這些舉措十分有效可行，子系統(tǒng)和主網(wǎng)一次并列成功,全部方式恢復(fù)歷時(shí)1 h 24 min，大大縮短了試驗(yàn)成功后的系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 泰山電站1號(hào)機(jī)組數(shù)據(jù)分析

黑啟動(dòng)試驗(yàn)期間，1號(hào)機(jī)組（278 MVA）及試驗(yàn)相關(guān)設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，具體的參數(shù)曲線如圖3所示。

從 11∶15到 11∶25，經(jīng)歷了柴油機(jī)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)、1號(hào)機(jī)組自用配電盤(pán)帶電、1號(hào)機(jī)組升速、1號(hào)機(jī)組到達(dá)額定轉(zhuǎn)速（300 r/m）等操作步驟后，泰安抽水蓄能電站機(jī)組自身的黑啟動(dòng)成功。11∶25∶33，1號(hào)機(jī)組出口開(kāi)關(guān)合閘，帶變壓器零啟升壓，1號(hào)機(jī)組機(jī)端電壓在14 s內(nèi)升至額定電壓。

1號(hào)機(jī)組運(yùn)行期間頻率變化范圍在49.90～50.25 Hz之間，電網(wǎng)的頻率波動(dòng)不超過(guò)0.25 Hz。發(fā)電機(jī)出口電壓變化范圍在15.87～15.60 kV之間。

1號(hào)機(jī)組運(yùn)行期間，參數(shù)基本正常，雖然各部振動(dòng)測(cè)點(diǎn)數(shù)值較機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)有所增大，但基本在正常范圍內(nèi)。機(jī)組頂蓋振動(dòng)1號(hào)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)多次瞬時(shí)報(bào)警，3號(hào)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)2次瞬時(shí)報(bào)警，主軸振動(dòng)1號(hào)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)2次瞬時(shí)報(bào)警，這些振動(dòng)報(bào)警均出現(xiàn)在機(jī)組帶小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，說(shuō)明機(jī)組帶小負(fù)荷運(yùn)行，雖然整體情況允許，但機(jī)組振動(dòng)尤其是機(jī)組尾水的水力脈動(dòng)要遠(yuǎn)惡劣于正常情況，因此應(yīng)盡量減少機(jī)組帶超低負(fù)荷運(yùn)行，即使需要超低負(fù)荷運(yùn)行，也應(yīng)盡量縮短運(yùn)行時(shí)間。

圖3 1號(hào)機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)曲線

2.2 黑啟動(dòng)送電線路數(shù)據(jù)分析

11∶54∶37，220 kV 蓄泰 Ι線 211 開(kāi)關(guān)合閘，1 號(hào)機(jī)組充長(zhǎng)線路成功。線路末端暫態(tài)過(guò)電壓峰值380.85 kV，為額定峰值188 kV的2.02倍，在安全范圍內(nèi)，過(guò)電壓倍數(shù)與仿真計(jì)算數(shù)值完全一致，如圖4所示。

圖4 泰抽廠1號(hào)機(jī)組空充220 kV線路，線路末端石橫廠母線暫態(tài)電壓

2.3 石橫電廠數(shù)據(jù)分析

2.3.1 啟備變空載充電

11∶56∶48，泰山電站帶空載長(zhǎng)線的黑啟動(dòng)小系統(tǒng)送電到石橫電廠220 kV變電站，對(duì)石橫廠啟備變進(jìn)行空載充電。此過(guò)程中，變壓器勵(lì)磁涌流所引起的暫態(tài)電壓在安全范圍內(nèi)，高壓側(cè)電流最大值70 A，電壓峰值253.95 kV，為額定峰值188 kV的1.35倍，不存在諧振過(guò)電壓?jiǎn)栴}，電壓的暫態(tài)波形如圖5所示。

圖5 空充石橫廠啟備變時(shí)變壓器電壓波形

2.3.2 啟動(dòng)3300 kW的電動(dòng)給水泵

石橫廠輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程依次包括凝輸泵（75 kW）、空預(yù)器（18.5 kW*2）、閉式水泵（280kW*2）、循泵（1600 kW*2）、開(kāi)式泵（220 kW*2）、凝泵(1000 kW*2)、 定冷泵 （30 kW*2）、 電動(dòng)給水泵 （3300 kW）、爐水泵（210 kW*3）、送風(fēng)機(jī)（1800 kW*2）、一次風(fēng)機(jī)（1120 kW*2）、掃描風(fēng)機(jī)（5.5 kW*2）、EH油泵（30 kW*2）、真空泵（60 kW*3）。 在啟動(dòng)電動(dòng)給水泵時(shí)，啟備變電壓暫態(tài)跌落幅值最大，達(dá)到了15.3%，在低壓保護(hù)的限值內(nèi)，與仿真校驗(yàn)的預(yù)期結(jié)果一致。如圖6所示。

圖6 石橫廠啟動(dòng)3300 kW的電泵，電壓暫態(tài)跌落15.3%

2.4 黑啟動(dòng)子系統(tǒng)與主網(wǎng)并列

14∶59∶13，泰山站 200 A 開(kāi)關(guān)合閘，黑啟動(dòng)子系統(tǒng)與主網(wǎng)并列。并列時(shí)刻，黑啟動(dòng)子系統(tǒng)頻率為50.165 Hz，主系統(tǒng)頻率50.005 Hz。泰山電站1號(hào)在2～4 s之內(nèi)無(wú)功出力由進(jìn)相運(yùn)行16.34 MVar轉(zhuǎn)而發(fā)出29.14 MVar，有功出力由11.92 MW增加到16.53 MW。如圖7所示。

圖7 泰山電站1號(hào)機(jī)在并網(wǎng)后無(wú)功出力變化

3 試驗(yàn)結(jié)論

獲得了大量的黑啟動(dòng)研究理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)數(shù)據(jù)的多廠站同期記錄，為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深度分析提供了有力的保障。

泰山電站水電機(jī)組能維持子系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定,能滿足空充線路安全運(yùn)行的要求, 低負(fù)荷運(yùn)行穩(wěn)定要求,具有較強(qiáng)的進(jìn)相能力和較好的強(qiáng)勵(lì)能力,可作為山東電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)的可靠電源點(diǎn)。

各級(jí)運(yùn)行人員黑啟動(dòng)實(shí)戰(zhàn)能力得到鍛煉。無(wú)論是省調(diào)值班員還是相關(guān)電廠、變電站運(yùn)行人員在實(shí)際試驗(yàn)操作中積累了經(jīng)驗(yàn)，得到了培訓(xùn)，檢驗(yàn)了黑啟動(dòng)實(shí)戰(zhàn)能力，提高了處理大面積停電等突發(fā)事件的應(yīng)急能力。

試驗(yàn)的順利進(jìn)行,驗(yàn)證了山東電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案的可行性,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

基礎(chǔ)工作扎實(shí)。針對(duì)黑啟動(dòng)試驗(yàn)的諸多難點(diǎn)，工作組協(xié)同各相關(guān)試驗(yàn)單位作了較深入的研究，對(duì)于可能出現(xiàn)的異常情況在方案中編制了預(yù)案，通過(guò)調(diào)研和咨詢解決了許多技術(shù)難題，通過(guò)預(yù)備性階段試驗(yàn)提前暴露出問(wèn)題并提前解決，使整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程少走了很多技術(shù)彎路，種種前期鋪墊的基礎(chǔ)工作都扎實(shí)有效。

技術(shù)、安全、組織措施得力。在黑啟動(dòng)試驗(yàn)及后期方案修訂的過(guò)程中，工作組在管理制度、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上發(fā)現(xiàn)了一些影響黑啟動(dòng)順利成功的問(wèn)題，這些問(wèn)題主要表現(xiàn)在：黑啟動(dòng)電源點(diǎn)的管理、變電站同期設(shè)備管理、地區(qū)主力火電廠的管理、調(diào)度操作管理、應(yīng)急預(yù)案的專項(xiàng)管理五個(gè)方面。因此試驗(yàn)籌備階段，工作組就子系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)廠站設(shè)備的直流系統(tǒng)、電力通信、繼電保護(hù)、安全自動(dòng)裝置、調(diào)度自動(dòng)化、方式安排等多個(gè)技術(shù)方面都做了詳盡的安排。在人員管理、設(shè)備特巡、電鐵保電、事故預(yù)想、注意事項(xiàng)等組織、安全要求也做了具體部署。

科學(xué)計(jì)算與試驗(yàn)實(shí)際的充分結(jié)合。為保證試驗(yàn)安全、順利的進(jìn)行，工作組對(duì)黑啟動(dòng)子系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、泰山電站機(jī)組帶空線路自勵(lì)磁問(wèn)題、試驗(yàn)過(guò)程中引起的工頻、操作和諧振電壓等問(wèn)題進(jìn)行了詳盡的仿真計(jì)算。利用仿真計(jì)算結(jié)果，多次修改了試驗(yàn)細(xì)節(jié)，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)步驟、優(yōu)化了試驗(yàn)方案，為試驗(yàn)提供了有效的理論數(shù)據(jù)保障。

5 結(jié)束語(yǔ)

本次黑啟動(dòng)試驗(yàn), 是在山東電網(wǎng)中的首次嘗試,也是對(duì)山東電網(wǎng)黑啟動(dòng)預(yù)案相關(guān)各項(xiàng)工作的驗(yàn)證和肯定，為進(jìn)一步完善山東電網(wǎng)抗災(zāi)應(yīng)急機(jī)制和提高電力供應(yīng)與安全保障能力提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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