濟(jì)南電網(wǎng)應(yīng)對大面積停電事故有關(guān)問題研究

汪 湲 ，馬 強(qiáng) ，黃光政 ，呂天光

（1.山東電力集團(tuán)公司，山東 濟(jì)南 250001；2.濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012；3.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

近二十年來，國內(nèi)外電力系統(tǒng)大面積停電事故時有發(fā)生，均造成了嚴(yán)重后果。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，系統(tǒng)的動態(tài)行為愈加復(fù)雜，運(yùn)行條件變得更加苛刻，更難預(yù)測，由局部故障引發(fā)大面積停電事故的風(fēng)險有所增加。國內(nèi)外電力系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐充分說明，已經(jīng)采用的新設(shè)備和新技術(shù)固然能為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障，但無法從根本上避免大停電事故的發(fā)生。大部分惡性停電事故的擴(kuò)大，大都因為缺乏行之有效和恰當(dāng)?shù)幕謴?fù)方案使得恢復(fù)過程被延誤造成的。為了減少停電事故造成的損失，電力部門對恢復(fù)控制愈加重視。我國從1998年開始要求各省公司制定區(qū)域電網(wǎng)黑啟動方案，并在2000年頒布的《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)導(dǎo)則》中增加了恢復(fù)控制一章。由此可見，研究區(qū)域電網(wǎng)應(yīng)對大面積停電事故的有關(guān)問題并制定相關(guān)應(yīng)急啟動措施對于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 濟(jì)南電網(wǎng)恢復(fù)供電應(yīng)急啟動原則

濟(jì)南電網(wǎng)是山東電網(wǎng)的重要組成部分，現(xiàn)有大型火電廠3座，機(jī)組12臺，裝機(jī)容量3 570 MW；地方電廠24座，裝機(jī)容量1 053.2 MW。除個別地方電廠具備全黑狀態(tài)下自啟動能力外，其余發(fā)電機(jī)組啟動均需借助外部電源。3座大型發(fā)電廠周邊均有具備自啟動能力或借助外供電能夠快速啟動的地方電廠。基于濟(jì)南電網(wǎng)上述特點(diǎn)，在確定恢復(fù)供電應(yīng)急啟動路經(jīng)時制定下列原則。

1.1 化整為零、分片啟動

當(dāng)電網(wǎng)事故引發(fā)系統(tǒng)失去安全運(yùn)行能力而進(jìn)入“黑狀態(tài)”時，不可能在短時間內(nèi)將電網(wǎng)恢復(fù)到正常方式和對全部負(fù)荷的供電。應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理劃分區(qū)域，各區(qū)域必須安排一至兩臺具備黑啟動能力機(jī)組，并合理分布［1］。各區(qū)域分別啟動，條件成熟時進(jìn)行并列，進(jìn)而恢復(fù)全網(wǎng)的正常運(yùn)行。啟動過程中，一是速度要快，二是恢復(fù)或重新構(gòu)建新的運(yùn)行方式的過程必須是有序的，三是新的運(yùn)行方式必須是一個穩(wěn)定的方式［2］。

基于以上思路，按照各電廠最低啟動時所需負(fù)荷，確定以3個大型火電廠為中心，以對重要負(fù)荷的恢復(fù)為路徑的原則，將濟(jì)南電網(wǎng)劃分為3個應(yīng)急啟動子系統(tǒng)。這3個子系統(tǒng)基本覆蓋了濟(jì)南電網(wǎng)主網(wǎng)架，同時對電鐵等重要負(fù)荷有多個子系統(tǒng)覆蓋，可多途徑恢復(fù)供電。各子系統(tǒng)在重要區(qū)域的相互重疊保證了恢復(fù)路徑的多選性，可有效提高應(yīng)急啟動的靈活性和可靠性。

1.2 先主后次、有序供電

交流消失后，各廠站的站用電由直流蓄電池供給。由于蓄電池的容量和供電時間有限，若停電時間太長可能導(dǎo)致開關(guān)無法操作，從而延誤恢復(fù)。因此，在電網(wǎng)全停后，調(diào)度應(yīng)及時將連接應(yīng)急啟動電源到最重要廠站必經(jīng)通道上的有關(guān)開關(guān)合上，保證通道的暢通。在各子系統(tǒng)應(yīng)急啟動電源建立后，應(yīng)首先恢復(fù)重要廠站的站用電，以及調(diào)度中心和電信部門的供電以保證通訊暢通。

在電網(wǎng)恢復(fù)的初期，為保證應(yīng)急啟動電源在低負(fù)荷水平下穩(wěn)定運(yùn)行，需及時恢復(fù)部分負(fù)荷。但負(fù)荷恢復(fù)速度過快又可能造成電網(wǎng)頻率和電壓的重新崩潰，也可能因負(fù)荷分配不合理造成線路潮流過重引發(fā)低頻振蕩，導(dǎo)致啟動過程失敗。因此，需根據(jù)負(fù)荷的重要程度制定恢復(fù)輪次，在頻率、電壓穩(wěn)定的前提下逐級恢復(fù)。

此外，由于對應(yīng)急啟動機(jī)組以及應(yīng)急啟動過程的不可預(yù)知性，需對應(yīng)急啟動電源留出備用容量，增加負(fù)荷分配方案的可操作性。同時，由于各子系統(tǒng)應(yīng)急啟動電源不但需滿足本子系統(tǒng)需要，還可能作為相鄰子系統(tǒng)的啟動電源，因此在制定負(fù)荷分配方案時需為相鄰子系統(tǒng)留有備用。

子系統(tǒng)的劃分。根據(jù)上述原則，將全停后的濟(jì)南電網(wǎng)劃分為3個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)內(nèi)均有獨(dú)立的應(yīng)急啟動電源。

子系統(tǒng)一（黃臺電廠片區(qū)）如圖1所示，子系統(tǒng)二（章丘電廠片區(qū)）如圖2所示，子系統(tǒng)三（石橫電廠片區(qū)）如圖3所示。

2 濟(jì)南電網(wǎng)應(yīng)急啟動措施概述

考慮電網(wǎng)崩潰后，所有發(fā)電廠從機(jī)端解列，線路開關(guān)并不會跳閘，所有線路的保護(hù)和安控裝置保持在投入位置，以此作為應(yīng)急啟動的初始狀態(tài)。

圖1 黃臺電廠片區(qū)系統(tǒng)圖

圖2 章丘電廠片區(qū)系統(tǒng)圖

圖3 石橫電廠片區(qū)系統(tǒng)圖

2.1 子系統(tǒng)一應(yīng)急啟動措施

以明湖熱電廠1～3號機(jī)組（15 MW+12 MW+30 MW）作為主要啟動電源，經(jīng)北郊站啟動北郊熱電廠5號機(jī)組（60 MW）后，再經(jīng)水屯站為黃臺電廠7號機(jī)組（330 MW）提供廠用電源。同時，令濟(jì)鋼燃電乙站啟動6號燃油機(jī)組，經(jīng)歷城站為黃臺電廠7號機(jī)組提供廠用電源。兩路啟動路經(jīng)同時進(jìn)行，互為備用。黃臺電廠7號機(jī)組啟動后，逐步恢復(fù) 8～10 號機(jī)組（3×330 MW）運(yùn)行，同時恢復(fù)省調(diào)、地調(diào)及黃臺電廠周邊220 kV變電站運(yùn)行。小系統(tǒng)建立后，應(yīng)逐步增加電廠出力并逐級恢復(fù)負(fù)荷，保證安控裝置的可靠投入，并分別經(jīng)黃濟(jì)Ⅰ線、許清線與子系統(tǒng)二、子系統(tǒng)三并列運(yùn)行，提高小系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。小系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步恢復(fù)對黃臺片區(qū)內(nèi)東門、美里湖、清河、韓倉站及所帶負(fù)荷的供電。

子系統(tǒng)一啟動步驟1：啟動黃臺電廠7號機(jī)組，圖4所示。

圖4 黃臺電廠7號機(jī)組啟動路徑圖

子系統(tǒng)一啟動步驟2：逐級啟動黃臺片區(qū)，圖5所示。

圖5 黃臺電廠片區(qū)逐級啟動路徑圖

啟動過程中黃臺片區(qū)各變電站電壓情況如表1。

表1 啟動過程中黃臺片區(qū)各變電站電壓

2.2 子系統(tǒng)二應(yīng)急啟動方案

以瑯溝熱電廠1～3號機(jī)組（5 MW+12 MW+30 MW）及明水熱電1～3號機(jī)組（6 MW+15 MW+12 MW）作為主要啟動電源，經(jīng)明水站為章丘電廠1號機(jī)組（145 MW）提供廠用電源。 章丘電廠1號機(jī)組啟動后，逐步恢復(fù) 2～4號機(jī)組（145 MW+2×330 MW）運(yùn)行，并逐級恢復(fù)章丘電廠周邊220 kV變電站運(yùn)行。小系統(tǒng)建立后，應(yīng)逐步增加電廠出力并逐級恢復(fù)負(fù)荷，保證安控裝置的可靠投入，并經(jīng)黃濟(jì)Ⅰ線與子系統(tǒng)一并列運(yùn)行，提高小系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。濟(jì)南站220 kV母線帶電后，待500 kV主網(wǎng)架啟動后經(jīng)濟(jì)南站主變與500 kV系統(tǒng)并網(wǎng)。

子系統(tǒng)二啟動步驟1：啟動章丘電廠1號機(jī)組，圖6所示。

圖6 章丘電廠1號機(jī)組啟動路徑圖

子系統(tǒng)二啟動步驟2：逐級啟動章丘片區(qū)，圖7所示。

圖7 章丘電廠片區(qū)逐級啟動路徑圖

章丘片區(qū)啟動后各變電站電壓情況如表2。

表2 章丘片區(qū)啟動后各變電站電壓情況

2.3 子系統(tǒng)三應(yīng)急啟動方案

以琦泉熱電廠 1～5號機(jī)組（6×3 MW+12×2 MW）作為主要啟動電源，經(jīng)北土站、平陰站為石橫甲站4號機(jī)組（315 MW）提供廠用電源。石橫甲站4號機(jī)組啟動后，逐步恢復(fù)1～3號機(jī)組（3×315 MW）運(yùn)行，并逐級恢復(fù)周邊220 kV變電站運(yùn)行。小系統(tǒng)建立后，應(yīng)逐步增加電廠出力并逐級恢復(fù)負(fù)荷，保證安控裝置的可靠投入，并經(jīng)清美線與子系統(tǒng)一并列運(yùn)行，經(jīng)邢姚Ⅰ線與子系統(tǒng)二并列，提高小系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。長清站220 kV母線帶電后，待500kV主網(wǎng)架啟動后經(jīng)長清站主變與500kV系統(tǒng)并網(wǎng)。

子系統(tǒng)三啟動步驟1：啟動石橫電廠4號機(jī)組，圖8所示。

圖8 石橫電廠4號機(jī)組啟動路徑圖

子系統(tǒng)三啟動步驟2：逐級啟動平陰片區(qū)，圖9所示。

圖9 石橫電廠片區(qū)逐級啟動路徑圖

平陰片區(qū)啟動后各變電站電壓情況如表3。

表3 平陰片區(qū)啟動后各變電站電壓情況

3 應(yīng)急啟動過程中需注意的問題

電網(wǎng)應(yīng)急啟動過程中會出現(xiàn)空載線路及變壓器充電、變壓器帶小負(fù)荷、小網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行、不同啟動子系統(tǒng)間并列等多種情況，應(yīng)注意有功、無功功率平衡，防止發(fā)生自勵磁和電壓失控及頻率的大幅度波動。

3.1 初始可控狀態(tài)的設(shè)定

在系統(tǒng)崩潰后，啟動電源點(diǎn)及快速通道上的變電站自行拉開各電壓等級出線開關(guān)，快速通道上非同期點(diǎn)開關(guān)需置于合閘狀態(tài)。其他失壓廠站應(yīng)拉開母聯(lián)開關(guān)和其他電源開關(guān)，但每組母線上保留一個可能來電的電源開關(guān)，這樣有助于簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)。

3.2 恢復(fù)過程

在恢復(fù)初期，為保證各子系統(tǒng)啟動電源在最低負(fù)荷水平下穩(wěn)定運(yùn)行，保持合適的電壓水平，需及時接入一定容量負(fù)荷，同時盡快向本子系統(tǒng)中的其他電廠送電，以加速全系統(tǒng)的恢復(fù)。電源點(diǎn)機(jī)組的啟動和用戶端負(fù)荷的恢復(fù)應(yīng)交替進(jìn)行，并密切監(jiān)視頻率及電壓變化。對負(fù)荷的送電應(yīng)考慮系統(tǒng)容量與沖擊負(fù)荷的關(guān)系，留出出力裕度。

3.3 機(jī)組逆功率保護(hù)

在啟動初期，系統(tǒng)規(guī)模較小，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定或具有一定備用啟動容量，啟動電源點(diǎn)一般安排了2臺及以上機(jī)組同時并網(wǎng)，并有一個并列空載的過程。因未帶負(fù)荷，機(jī)組的勵磁電流、功角等很難達(dá)到完全一致，逆功率保護(hù)容易誤動。因此，啟動過程中應(yīng)將該保護(hù)臨時改為只投信號，待機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定并帶有一定負(fù)荷后再行恢復(fù)跳閘功能。

3.4 直流系統(tǒng)運(yùn)行情況

事故發(fā)生后，直流系統(tǒng)浮沖裝置因交流電源消失而自動退出運(yùn)行，僅靠蓄電池供電。因此，事故處理應(yīng)注意節(jié)約直流電源，盡量采取手動操作。對于利用直流系統(tǒng)起勵的機(jī)組，可將直流母線聯(lián)絡(luò)，使多組蓄電池并聯(lián)運(yùn)行。對于變電站，應(yīng)提前對直流系統(tǒng)容量進(jìn)行校驗。

3.5 啟動通道上主變調(diào)壓系統(tǒng)操作機(jī)構(gòu)選擇

對啟動通道中有關(guān)線路或主變充電時，可能出現(xiàn)工頻過電壓，因此應(yīng)通過調(diào)整啟動機(jī)組機(jī)端電壓和變壓器分接頭的方式來防止電壓越限［3］。在啟動通道上的主變調(diào)壓系統(tǒng)的操作機(jī)構(gòu)應(yīng)改為直流電動機(jī)，或配置應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)。

3.6 調(diào)度命令的執(zhí)行

啟動過程中，省調(diào)與地調(diào)應(yīng)及時溝通，統(tǒng)一調(diào)度命令口徑，防止調(diào)度命令的錯誤執(zhí)行。

4 結(jié)語

電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)乎人民生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會穩(wěn)定，是電網(wǎng)企業(yè)首要的社會責(zé)任。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，特別是特高壓電網(wǎng)的發(fā)展，需要進(jìn)一步研究特高壓聯(lián)網(wǎng)情況下區(qū)域電網(wǎng)應(yīng)對大面積停電事故的有關(guān)問題和措施，進(jìn)一步提高措施的可操作性，為有關(guān)人員處理事故提供科學(xué)和有效依據(jù)，防止事故擴(kuò)大，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。