山西電網(wǎng)利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)研究

劉志良，包 磊，李鳴鏑

（國網(wǎng)山西省電力公司電力調(diào)度控制中心，山西 太原 030001）

山西電網(wǎng)利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)研究

劉志良，包 磊，李鳴鏑

（國網(wǎng)山西省電力公司電力調(diào)度控制中心，山西 太原 030001）

通過分析山西電網(wǎng)的網(wǎng)架特點(diǎn)，論述山西電網(wǎng)具備利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)的條件，提出黑啟動(dòng)過程中需要遵循的原則，選擇山西電網(wǎng)利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)的啟動(dòng)路徑，并利用仿真軟件驗(yàn)證了黑啟動(dòng)路徑的穩(wěn)態(tài)電壓及操作過電壓均滿足電壓控制要求。

黑啟動(dòng)；區(qū)外電源；啟動(dòng)路徑；過電壓；大面積停電

0 引言

隨著超特高壓技術(shù)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模越來越大，復(fù)雜程度不斷增加，同時(shí)電網(wǎng)運(yùn)行面臨的危險(xiǎn)因素也越來越多[1-2]。電網(wǎng)運(yùn)行中一個(gè)小的誘因引起發(fā)展性的故障，導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，容易引發(fā)大面積停電，甚至局部電網(wǎng)全停，造成災(zāi)難性的后果，這方面國內(nèi)外都有過慘痛的教訓(xùn)，比如2012年7月印度大停電就是典型的事例。電網(wǎng)發(fā)生大面積停電事故，將給社會(huì)安全、國民經(jīng)濟(jì)以及電力系統(tǒng)本身帶來巨大損失[3]。而成功快速的黑啟動(dòng)能夠減少因大停電帶來的巨大損失，因此關(guān)于電網(wǎng)黑啟動(dòng)的研究十分必要[4-7]。

山西電網(wǎng)地處黃土高原，重要輸變電設(shè)備多處于高山峻嶺、煤礦采空區(qū)、地震斷裂帶上，運(yùn)行環(huán)境十分惡劣；電源與負(fù)荷分配不均，形成北電南送、西電東送的格局，造成大規(guī)模電力長距離輸送，局部網(wǎng)架薄弱，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較大。因此，山西電網(wǎng)發(fā)生大面積停電和全部停電的風(fēng)險(xiǎn)始終存在，許多電力工作者對山西電網(wǎng)黑啟動(dòng)進(jìn)行了一些研究[8-10]。但是，這些研究基本都局限在利用山西電網(wǎng)內(nèi)部具備自啟動(dòng)能力的機(jī)組進(jìn)行黑啟動(dòng)，這種黑啟動(dòng)方式相較于利用區(qū)外運(yùn)行電網(wǎng)作為電源的黑啟動(dòng)方式，具有恢復(fù)難度大、速度慢、容易失敗等缺點(diǎn)。因此，本文重點(diǎn)對山西電網(wǎng)利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)進(jìn)行分析、研究。

1 山西電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分析

山西電網(wǎng)是華北電網(wǎng)的重要組成部分，目前已建成以1 000 kV長南I線與華中電網(wǎng)相連，500 kV為骨干電網(wǎng)和220 kV為主干電網(wǎng)；形成從北到南500 kV電網(wǎng)雙回路和中南部雙環(huán)網(wǎng)，220 kV電網(wǎng)形成大同、忻朔、中部、南部4個(gè)獨(dú)立區(qū)域電網(wǎng)。按照行政區(qū)域劃分，山西電網(wǎng)包括11個(gè)地區(qū)電網(wǎng)，其中，大同區(qū)域電網(wǎng)包括大同電網(wǎng)；忻朔區(qū)域電網(wǎng)包括忻州、朔州電網(wǎng)；中部區(qū)域電網(wǎng)包括太原、陽泉、晉中、呂梁電網(wǎng)；南部區(qū)域電網(wǎng)包括長治、晉城、臨汾、運(yùn)城電網(wǎng)。

山西省作為電力外送的大省，山西電網(wǎng)對外的主要聯(lián)絡(luò)通道有五通道十回線：通過1 000 kV長南I線與華中電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行；通過500 kV大房三回線、神保雙回線、陽北雙回線、潞辛雙回線與京津唐、河北南網(wǎng)相連。因此，山西電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)具備利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)的條件。

2 山西電網(wǎng)利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)方法分析

山西電網(wǎng)全停后的恢復(fù)初期，電網(wǎng)網(wǎng)架薄弱、出力不足，恢復(fù)的過程中存在電壓控制、系統(tǒng)穩(wěn)定、負(fù)荷恢復(fù)順序、優(yōu)先并網(wǎng)機(jī)組選擇、啟動(dòng)路徑選擇的問題，為能夠快速有效地恢復(fù)電網(wǎng)，需采取措施綜合考慮、協(xié)調(diào)處置。

2.1 電壓控制原則

電網(wǎng)恢復(fù)初期，網(wǎng)架薄弱，空載或輕載的超高壓輸電線路釋放大量無功，線路末端因容升效應(yīng)電壓升高，不但容易損壞絕緣設(shè)備，而且可能導(dǎo)致黑啟動(dòng)失敗。為避免這種情況，可采取以下措施。

a）超高壓線路送電前，投入一定容量的電抗。

b）適當(dāng)安排部分發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行。

c）及時(shí)有序地開放部分重要負(fù)荷。

2.2 恢復(fù)初期的分區(qū)運(yùn)行原則

山西電網(wǎng)全停后，將電網(wǎng)分成多個(gè)子系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行電網(wǎng)恢復(fù)，不但能快速有效地恢復(fù)電網(wǎng)，還便于掌控系統(tǒng)恢復(fù)進(jìn)程、控制電網(wǎng)潮流，避免黑啟動(dòng)失敗。

a）利用區(qū)外電源進(jìn)行黑啟動(dòng)時(shí)，將全停區(qū)域合理劃分為數(shù)個(gè)子系統(tǒng)，利用各自的區(qū)外電源通道同時(shí)展開黑啟動(dòng)。

b）電網(wǎng)恢復(fù)初期，子系統(tǒng)的內(nèi)部電網(wǎng)也可采取分區(qū)供電的方式。

c）電網(wǎng)恢復(fù)中后期，各子系統(tǒng)網(wǎng)架足夠堅(jiān)強(qiáng)且有強(qiáng)電源支撐的情況下，才可將分區(qū)供電模式轉(zhuǎn)為合環(huán)運(yùn)行方式。

2.3 負(fù)荷恢復(fù)原則

電網(wǎng)恢復(fù)初期，在系統(tǒng)出力不足的情況下，根據(jù)負(fù)荷的重要及危險(xiǎn)程度，負(fù)荷恢復(fù)需遵循先后順序，可遵循以下原則。

a）合理分配用電指標(biāo)，優(yōu)先恢復(fù)調(diào)度指揮用電、變電站站用電、發(fā)電廠啟備變、易發(fā)生群死群傷用戶的保安電源。

b）按照最低保安負(fù)荷提供電力支援。最低保安負(fù)荷包括：調(diào)度指揮、電廠廠用電、站用電、政府、醫(yī)院、交通指揮、通信、新聞媒體、煤礦、化工等高危用戶保安電。

2.4 優(yōu)先并網(wǎng)機(jī)組的選擇原則

電網(wǎng)恢復(fù)的初期優(yōu)先啟動(dòng)抽蓄機(jī)組、水電機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組等啟動(dòng)速度快的機(jī)組，其次選擇啟動(dòng)能力強(qiáng)、負(fù)荷中心的大容量火電機(jī)組。

2.5 啟動(dòng)路徑的選擇原則

全停電網(wǎng)啟動(dòng)路徑的選擇至關(guān)重要，直接關(guān)系電網(wǎng)恢復(fù)的快慢及成功與否。啟動(dòng)路徑的選擇可遵循以下原則。

a）啟動(dòng)路徑盡量短，便于電壓控制。

b）盡量減少不同電壓等級間變換，可減少設(shè)備操作，加快電網(wǎng)恢復(fù)的速度，減少大量潮流在不同電壓等級之間穿越。

c）盡量先啟動(dòng)大容量機(jī)組，因大容量機(jī)組可靠、啟動(dòng)能力強(qiáng)。

d）盡量先啟動(dòng)負(fù)荷中心機(jī)組，便于負(fù)荷中心恢復(fù)、就地平衡、系統(tǒng)穩(wěn)定。

3 山西電網(wǎng)利用區(qū)外電網(wǎng)黑啟動(dòng)路徑選擇

根據(jù)山西電網(wǎng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電源分布、對外聯(lián)絡(luò)的特點(diǎn)，山西電網(wǎng)黑啟動(dòng)范圍可劃分為4個(gè)區(qū)域：大同區(qū)域、忻朔區(qū)域、中部區(qū)域、南部區(qū)域。4個(gè)區(qū)域分別利用各自區(qū)域與華北主網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線作為區(qū)外電源黑啟動(dòng)通道，即：500 kV大房三回線、神保雙回線、陽北雙回線、潞辛雙回線。1 000 kV長南I線因涉及兩大型區(qū)域電網(wǎng)、多級調(diào)度、線路太長電壓不易控制，故不利用其作為山西電網(wǎng)區(qū)外電源黑啟動(dòng)通道。

利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)中黑啟動(dòng)路徑的選擇及電壓的控制直接關(guān)系電網(wǎng)恢復(fù)的成功與否。根據(jù)利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)需遵循的原則，山西電網(wǎng)4個(gè)區(qū)域分別選取一條黑啟動(dòng)路徑，利用仿真軟件對黑啟動(dòng)路徑進(jìn)行穩(wěn)態(tài)電壓及暫態(tài)操作過電壓進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算條件為：將山西電網(wǎng)以外的網(wǎng)絡(luò)等值為理想電源和等值阻抗，線路采用π型等值模型，主變、線路、各高抗、各待啟電廠啟備變參數(shù)均采用實(shí)際設(shè)備參數(shù)。

3.1 大同區(qū)域利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)路徑分析

大同區(qū)域電網(wǎng)黑啟動(dòng)路徑選擇房山—大同二電廠—雁同變電站—塔山電廠。啟動(dòng)路徑示意圖見圖1所示。

圖1 大同區(qū)域啟動(dòng)路徑示意圖

大同區(qū)域利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)路徑各站點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電壓情況見表1所示，操作過電壓值及倍數(shù)見表2所示。

表1 大同區(qū)域啟動(dòng)路徑穩(wěn)態(tài)電壓情況kV

表2 大同區(qū)域啟動(dòng)路徑操作過電壓情況kV

表3 忻朔區(qū)域啟動(dòng)路徑穩(wěn)態(tài)電壓情況kV

表4 忻朔區(qū)域啟動(dòng)路徑操作過電壓情況kV

從表1計(jì)算結(jié)果可以看出，若房山電壓為520.15 kV，整個(gè)啟動(dòng)過程中塔山電廠穩(wěn)態(tài)電壓最高，達(dá)到535.38 kV，所有母線電壓滿足穩(wěn)態(tài)電壓控制要求。從表2計(jì)算結(jié)果可以看出，整個(gè)啟動(dòng)過程中最大操作過電壓倍數(shù)值發(fā)生在合大同—房山時(shí)，大同側(cè)為1.846 3倍，均未超過2倍，滿足暫態(tài)操作過電壓的要求。

3.2 忻朔區(qū)域利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)路徑分析

忻朔區(qū)域電網(wǎng)黑啟動(dòng)路徑選擇“保北—神頭二電廠—忻州變電站—軒崗電廠”。啟動(dòng)路徑示意圖見圖2所示。

圖2 忻朔區(qū)域啟動(dòng)路徑示意圖

忻朔區(qū)域利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)路徑各站點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電壓情況見表3所示，操作過電壓值及倍數(shù)見表4所示。

從表3計(jì)算結(jié)果可以看出，若保北電壓519.66 kV，整個(gè)啟動(dòng)過程中最高穩(wěn)態(tài)電壓發(fā)生在合忻州—軒崗時(shí)，神堡站達(dá)到526.80 kV，所有母線電壓滿足穩(wěn)態(tài)電壓控制要求。從表4計(jì)算結(jié)果可以看出，整個(gè)啟動(dòng)過程中最大操作過電壓倍數(shù)值發(fā)生在合保北—神堡時(shí)，神堡側(cè)大小為1.875 3倍，均未超過2倍，滿足暫態(tài)操作過電壓的要求。

3.3 中部區(qū)域利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)路徑分析

中部區(qū)域電網(wǎng)黑啟動(dòng)路徑選擇“石北—陽泉變電站—侯村變電站—侯村主變—新店—馬莊—瑞光電廠”。啟動(dòng)路徑示意圖見圖3所示。

圖3 中部區(qū)域啟動(dòng)路徑示意圖

中部區(qū)域利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)路徑各站點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電壓情況見表5所示，操作過電壓值及倍數(shù)見表6所示。

表5 中部區(qū)域啟動(dòng)路徑穩(wěn)態(tài)電壓情況kV

表6 中部區(qū)域啟動(dòng)路徑操作過電壓情況kV

從表5計(jì)算結(jié)果可以看出，若石北電壓520.84 kV，整個(gè)啟動(dòng)過程中最高穩(wěn)態(tài)電壓發(fā)生在合瑞光啟備變時(shí)，陽泉站達(dá)到526.96 kV，瑞光電廠230.57 kV，所有母線電壓滿足穩(wěn)態(tài)電壓控制要求。從表4計(jì)算結(jié)果可以看出，整個(gè)啟動(dòng)過程中最大操作過電壓倍數(shù)值發(fā)生合石北—陽泉時(shí)，陽泉側(cè)大小為1.877 5倍，均未超過2倍，滿足暫態(tài)操作過電壓的要求。

3.4 南部區(qū)域利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)路徑分析

南部區(qū)域電網(wǎng)黑啟動(dòng)路徑選擇 “辛安—潞城—左權(quán)電廠”。啟動(dòng)路徑示意圖見圖4所示。

圖4 南部區(qū)域啟動(dòng)路徑示意圖

南部區(qū)域利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)路徑各站點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電壓情況見表7所示，操作過電壓值及倍數(shù)見表8所示。

表7 南部區(qū)域啟動(dòng)路徑穩(wěn)態(tài)電壓情況kV

表8 南部區(qū)域啟動(dòng)路徑操作過電壓情況kV

從表7計(jì)算結(jié)果可以看出，若辛安電壓520.39 kV，整個(gè)啟動(dòng)過程中最高穩(wěn)態(tài)電壓發(fā)生在合左權(quán)電廠啟備變時(shí)，左權(quán)電廠達(dá)到532.18 kV，所有母線電壓滿足穩(wěn)態(tài)電壓控制要求。從表8計(jì)算結(jié)果可以看出，整個(gè)啟動(dòng)過程中最大操作過電壓倍數(shù)值發(fā)生在合辛安—潞城時(shí)，潞城側(cè)大小為1.830 7倍，均未超過2倍，滿足暫態(tài)操作過電壓的要求。

4 總結(jié)

研究山西電網(wǎng)利用區(qū)外電源黑啟動(dòng)，對山西電網(wǎng)全停后快速而有效的恢復(fù)意義重大。2013年10月山西省電力公司依據(jù)本文提出黑啟動(dòng)原則及路徑，對山西中部區(qū)域電網(wǎng)成功進(jìn)行了利用區(qū)外電源啟動(dòng)模擬演練，演練結(jié)果表明本文的黑啟動(dòng)研究具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。本文的研究離實(shí)際編制出的具體的調(diào)度可實(shí)施方案還有一定距離，還需進(jìn)行大量細(xì)致的工作，才能切實(shí)指導(dǎo)調(diào)度運(yùn)行人員在山西電網(wǎng)發(fā)生全停后快速、有效、有序地按照預(yù)定方案恢復(fù)山西電網(wǎng)。

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Study On Black-start of Shanxi Power Grid Using Offsite Power Source

LIU Zhiliang,BAO Lei,LIM ingdi

（State Grid Shanxi Electric Power Corporation Dispatching&Control Center, Taiyuan,Shanxi 030001,China)

By analyzing the features of Shanxi Power Grid, it is proved that the black- start of Shanxi Power grid using offsite power source is feasible. The principles and start path of black- start are presented. Simulation analysis results indicated that steady- state voltage and operating over- voltage during the black- start process could meet the requirements of voltage control.

black-start;offsite power source;starting circuit;over-voltage;large scale blackouts

TM73

A

1671-0320（2016）02-0001-05

2015-11-19，

2016-01-20

劉志良（1984），男，山西屯留人，2010年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，碩士，工程師，從事調(diào)動(dòng)運(yùn)行工作；

包 磊（1981），男，山東蓬萊人，2003年畢業(yè)于武漢水利電力大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，高級工程師，從事調(diào)動(dòng)運(yùn)行工作；

李鳴鏑（1969），男，江蘇豐縣人，1992年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，高級工程師，從事調(diào)動(dòng)運(yùn)行工作。