基于不同電源類型的內(nèi)蒙古電網(wǎng)黑啟動方案制訂及仿真分析

武海燕，張愛軍，邢華棟，劉石川，慕 騰，劉紫玉，雷 軻

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

近年來，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷壯大，內(nèi)蒙古電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨合理，同時也變得更加復(fù)雜，未來新能源的大規(guī)模接入以及直流工程的建設(shè)也將使電網(wǎng)大面積停電的風(fēng)險繼續(xù)增加[1-2]。盡管為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行采取了各種安控措施，但電網(wǎng)發(fā)生超過校核水平的嚴(yán)重故障仍可能演變成全網(wǎng)的災(zāi)難性事故。此外，在不可預(yù)見的極端自然災(zāi)害情況下，發(fā)生全網(wǎng)失電的風(fēng)險依然存在[3]。在電網(wǎng)大面積停電或全停后，為了能夠快速有序地恢復(fù)，最大限度地減少因停電帶來的經(jīng)濟(jì)損失，需事先制訂黑啟動方案[4-5]。

內(nèi)蒙古電網(wǎng)于2004年首次實施了電網(wǎng)黑啟動現(xiàn)場試驗，將萬家寨水電機(jī)組作為黑啟動電源，成功啟動準(zhǔn)格爾電廠火電機(jī)組；2009年研究了以水電機(jī)組為黑啟動電源點的電網(wǎng)黑啟動方案并編制調(diào)度執(zhí)行方案，但沒有進(jìn)行現(xiàn)場試驗[6-7]。目前，內(nèi)蒙古電網(wǎng)規(guī)模和結(jié)構(gòu)已發(fā)生較大變化，準(zhǔn)格爾電廠機(jī)組已退役，薛家灣地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大變化，早期制訂的黑啟動方案對電網(wǎng)指導(dǎo)意義有限，亟待制訂符合電網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r的新的黑啟動方案。內(nèi)蒙古電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)的不斷完善為黑啟動電源點提供了更多選擇，除了利用萬家寨水電機(jī)組作為黑啟動電源之外，還可以選取抽水蓄能機(jī)組及具備快速甩負(fù)荷（Fast Cut Back，F(xiàn)CB）[8-9]功能的火電機(jī)組作為黑啟動電源，并基于這些不同類型的電源制訂符合電網(wǎng)實際情況的黑啟動方案，為內(nèi)蒙古電網(wǎng)黑啟動提供更多的可選方案。

1 黑啟動方案

1.1 啟動電源點的選取

黑啟動的關(guān)鍵是電源點啟動，要實現(xiàn)系統(tǒng)快速恢復(fù)供電，首先要保證系統(tǒng)不同區(qū)域內(nèi)有足夠的具備黑啟動能力的電源點，充足的黑啟動電源數(shù)量、容量及合理的位置分布能夠加快電網(wǎng)恢復(fù)進(jìn)程[8]。水輪發(fā)電機(jī)組具有輔助設(shè)備簡單、廠用電少，啟動速度快等優(yōu)點[10-11]，一直以來是黑啟動電源的首選，內(nèi)蒙古電網(wǎng)以往制訂的黑啟動方案均選取萬家寨水電機(jī)組作為唯一的黑啟動電源。隨著內(nèi)蒙古地區(qū)能源結(jié)構(gòu)的不斷完善，萬家寨水電站不再是網(wǎng)內(nèi)唯一的水電機(jī)組，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市的抽水蓄能電站共有4臺單機(jī)容量為300 MW的可逆式水泵水輪機(jī)組[12]，總裝機(jī)容量為1200 MW，以單回500 kV輸電線路接入武川變電站，距離呼和浩特市中心約20 km，主要承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰填谷、事故備用任務(wù)，同時兼有調(diào)頻、調(diào)相的作用。因其獨特的地理位置和具有自啟動功能、裝機(jī)容量大等特點，可以作為黑啟動電源。除水電機(jī)組外，具備快速甩負(fù)荷功能的火電機(jī)組可以在電網(wǎng)出現(xiàn)突發(fā)性故障時，快速減負(fù)荷并立刻轉(zhuǎn)為帶廠用電進(jìn)行孤島運行，并在電網(wǎng)恢復(fù)后快速恢復(fù)對外供電[13-14]。位于鄂爾多斯市的伊旗電廠是網(wǎng)內(nèi)唯一具有大容量旁路系統(tǒng)、可實現(xiàn)100%FCB功能的火電機(jī)組[15-16]，其裝機(jī)容量為2×660 MW，以雙回500 kV輸電線路接入布日都變電站。因此本文黑啟動方案選取萬家寨水電站、呼市抽水蓄能電站及伊旗電廠作為系統(tǒng)的黑啟動電源。

1.2 啟動路徑的規(guī)劃

在確定啟動電源后，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，確定被啟動電廠和供電路徑，構(gòu)成一個子系統(tǒng)[17]。啟動路徑應(yīng)遵循最基本的路徑規(guī)劃原則：啟動路徑盡量短且盡量減少不同電壓等級的變換；在最短時間內(nèi)以最少的操作步驟恢復(fù)供電；盡量先啟動大容量或離重要負(fù)荷近的機(jī)組[5，18-19]。

萬家寨水電站附近的火電廠有京泰、國華準(zhǔn)格爾、準(zhǔn)大、準(zhǔn)能矸石（Ⅰ期、Ⅱ期）電廠；呼市抽水蓄能電站附近的火電廠有金橋、豐泰、金山電廠等；伊旗電廠附近的火電廠有康巴什、國電東勝、上灣電廠。依據(jù)選擇子系統(tǒng)原則，對萬家寨水電站、抽水蓄能電站和伊旗電廠作為黑啟動電源的所有可能的送電路徑進(jìn)行列舉，如表1所示，路徑接線圖見圖1—圖3。

圖1 黑啟動方案一路徑接線圖

圖3 黑啟動方案三路徑接線圖

表1所列的所有啟動路徑能否實施還需通過計算分析來進(jìn)一步校驗其自勵磁、鐵磁諧振及過電壓水平是否滿足DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》[20]要求，最后結(jié)合選取啟動路徑的基本原則，綜合考量得到最優(yōu)黑啟動路徑。

表1 黑啟動方案啟動路徑列表

1.3 負(fù)荷恢復(fù)路徑的規(guī)劃

黑啟動系統(tǒng)機(jī)組全部啟動之后，需要按照不同路徑逐步恢復(fù)地區(qū)重要負(fù)荷以保證系統(tǒng)的頻率和電壓水平，維持系統(tǒng)的功率平衡。本文遵循在盡可能小的有功功率需求下盡快恢復(fù)重要等級的負(fù)荷的原則，同時兼顧電網(wǎng)的穩(wěn)定及恢復(fù)速度進(jìn)行負(fù)荷的有序投切來規(guī)劃恢復(fù)供電路徑[5，21-22]。表2對萬家寨水電站、抽水蓄能電站和伊旗電廠作為黑啟動電源的黑啟動系統(tǒng)所有可能的恢復(fù)供電路徑進(jìn)行列舉。

表2所列黑啟動方案的所有恢復(fù)路徑能否實施，同樣還需要通過對不同恢復(fù)供電路徑進(jìn)行計算分析來校驗路徑的可行性以及是否滿足DL/T 620—1997要求。在遵循負(fù)荷恢復(fù)的原則下，綜合考量得到最優(yōu)黑啟動恢復(fù)路徑。

表2 黑啟動方案恢復(fù)供電路徑列表

2 黑啟動方案仿真計算分析

對黑啟動方案中不同啟動電源點的不同路徑分別進(jìn)行自勵磁、工頻過電壓、操作過電壓以及鐵磁諧振的仿真。通過分析不同路徑下的計算結(jié)果，結(jié)合啟動路徑應(yīng)遵循最基本的路徑規(guī)劃原則，選出每種方案的最優(yōu)啟動路徑。下面以表1中萬家寨水電站為例，分別對3個啟動路徑進(jìn)行仿真計算。

2.1 自勵磁

機(jī)組的自勵磁是一種諧振現(xiàn)象，會危及系統(tǒng)正常運行和設(shè)備安全，也直接關(guān)系到黑啟動方案是否可行，因此需對每個路徑進(jìn)行自勵磁判斷。發(fā)電機(jī)的自勵磁判據(jù)可用容量比較法或阻抗判別法進(jìn)行判斷[22]，本文采用容量比較法判別，即發(fā)電機(jī)不產(chǎn)生自勵磁的條件為：

式中：SG—發(fā)電機(jī)額定容量，MVA；

QC—線路充電功率，MVA；

Xd—發(fā)電機(jī)等值同步電抗標(biāo)幺值（包括升壓變漏抗，以發(fā)電機(jī)電壓為基準(zhǔn)值計算）。

已知萬家寨水電站1號機(jī)額定容量為200 MVA，因此路徑一自勵磁計算：線路充電功率QC=5.995MVA，發(fā)電機(jī)和升壓變的電抗標(biāo)幺值之和Xd=2.784 5，QCXd=16.693 MVA。滿足SG>QCXd，所以路徑一不會產(chǎn)生自勵磁過電壓。

同理，對路徑二、三分別進(jìn)行計算，結(jié)果為路徑二、三均不會產(chǎn)生自勵磁過電壓。

2.2 工頻過電壓

根據(jù)黑啟動方案的啟動路徑，分別計算調(diào)試方式及過渡方式工頻過電壓。黑啟動調(diào)試方式是指黑啟動電源空充啟動路徑，在該方式下，計算啟動路徑中空載線路容升效應(yīng)（K0）和線路末端單相短路（K1）兩種情況下的相對地工頻過電壓。黑啟動過渡方式是指黑啟動受端電廠啟備變負(fù)荷帶電，在該方式下，計算啟動路徑中線路末端發(fā)生無故障跳閘后空載線路電壓升高（K0）和線路末端單相短路甩負(fù)荷（K1）兩種情況下的相對地工頻過電壓。

2.2.1 調(diào)試方式

調(diào)試方式合空載線路采取兩種合閘操作，一是將整條送電通道看作全部處于連通狀態(tài)，然后從電源送出母線側(cè)進(jìn)行合閘試驗；二是按照實際合閘操作步驟進(jìn)行分段合閘試驗。對路徑一、二、三分別進(jìn)行空載線路合閘仿真試驗，計算空載線路容升效應(yīng)（K0）和線路末端單相短路（K1）兩種情況下的相對地工頻過電壓。計算結(jié)果中，220 kV系統(tǒng)工頻過電壓基準(zhǔn)值為252/3=145.50 kV。將仿真結(jié)果折合成標(biāo)幺值，路徑一計算結(jié)果見表3。

表3 路徑一合空載線路工頻過電壓仿真計算結(jié)果

2.2.2 過渡方式

過渡方式線路末端甩負(fù)荷采取逐級線路分閘操作。對路徑一、二、三分別進(jìn)行線路末端甩負(fù)荷仿真試驗，計算線路末端發(fā)生無故障跳閘后空載長線路電壓升高（K0）和線路末端單相短路甩負(fù)荷（K1）兩種情況下的相對地工頻過電壓。將仿真結(jié)果折合成標(biāo)幺值，結(jié)果見表4。

表4 路徑一甩負(fù)荷工頻過電壓仿真計算結(jié)果

2.2.3 計算結(jié)果

由以上計算結(jié)果可知，路徑一在調(diào)試方式和過渡方式下斷路器的線路側(cè)工頻過電壓不超過基準(zhǔn)值的1.4倍、母線側(cè)工頻過電壓不超過基準(zhǔn)值的1.3倍，滿足DL/T 620—1997要求。同理，對路徑二、三進(jìn)行調(diào)試方式和過渡方式下的工頻過電壓計算，計算結(jié)果均滿足規(guī)程要求。

2.3 操作過電壓

根據(jù)黑啟動方案啟動路徑，計算調(diào)試方式及過渡方式操作過電壓。調(diào)試方式合空載線路采取兩種合閘操作，一是將整條送電通道看作全部處于連通狀態(tài)，然后從電源送出母線側(cè)進(jìn)行合閘試驗；二是按照實際合閘操作步驟進(jìn)行分段合閘試驗。

2.3.1 調(diào)試方式

對路徑一、二、三分別進(jìn)行120次空載線路合閘統(tǒng)計計算，通過蒙特卡洛法求取其120次操作過電壓的平均值Umean和最大值U2。計算結(jié)果中，220 kV系統(tǒng)操作過電壓基準(zhǔn)值為252 2/3=205.73 kV，將仿真結(jié)果折合成標(biāo)幺值，合空載線路操作過電壓計算結(jié)果見表5。

表5 路徑一合空線操作過電壓仿真計算結(jié)果

調(diào)試方式下，對路徑一聯(lián)通狀態(tài)送電通道進(jìn)行合閘仿真試驗，各節(jié)點操作過電壓仿真波形如圖4所示。

圖4 路徑一合空載線路操作過電壓仿真波形

2.3.2 過渡方式

總之，本研究在神經(jīng)細(xì)胞中證實，VPA可通過激活miR-34c-5p/ATG4B信號通路而抑制自噬，這可能是其影響神經(jīng)細(xì)胞功能的一條重要通路，而靶向這一通路可能有助于改善其不良反應(yīng)。

在過渡方式下逐級線路故障進(jìn)行單相重合閘操作，將仿真結(jié)果折合成標(biāo)幺值，單相重合閘操作過電壓計算結(jié)果見表6。

表6 路徑一單相重合閘操作過電壓仿真計算結(jié)果

過渡方式下，路徑一萬寧Ⅰ線單相重合閘操作過電壓、短路電流仿真波形如圖5所示。

圖5 路徑一萬寧Ⅰ線單相重合閘操作過電壓、短路電流仿真波形

2.3.3 計算結(jié)果

由以上計算結(jié)果可知，路徑一在調(diào)試方式和過渡方式下220 kV線路合閘和重合閘操作過電壓不超過3.0（p.u.），滿足DL/T 620—1997要求。路徑二、三計算結(jié)果也均滿足規(guī)程要求。因此，在各路徑下，合閘操作過電壓不會對系統(tǒng)絕緣造成威脅。

2.4 鐵磁諧振

由于變壓器勵磁支路的飽和特性，在某些條件下，合空載變壓器時有產(chǎn)生諧振過電壓的可能性，因此黑啟動方案需要在電廠合空載啟備變。路徑一合空載啟備變高壓側(cè)母線電壓仿真波形如圖6所示。

圖6 路徑一準(zhǔn)大電廠啟備變高壓側(cè)母線電壓仿真波形

由圖6可以看出，在準(zhǔn)大電廠合空載啟備變時無諧振過電壓產(chǎn)生。同理，通過仿真可得，路徑二中矸石Ⅰ期電廠和路徑三中矸石Ⅱ期電廠合空載啟備變時無諧振過電壓產(chǎn)生，因此均不會出現(xiàn)鐵磁諧振現(xiàn)象。

2.5 最優(yōu)路徑選擇

萬家寨水電站作為黑啟動電源，3種路徑的仿真計算結(jié)果均滿足DL/T 620—1997要求。依據(jù)選擇子系統(tǒng)原則，啟動路徑一（萬家寨—寧格爾—準(zhǔn)大）路徑較短且涉及的合閘操作步驟最少，因此推薦路徑一作為黑啟動方案一的啟動路徑，路徑接線路見圖1（a）。

同理，對呼市抽水蓄能電站和伊旗電廠作為黑啟動電源的不同啟動路徑進(jìn)行工頻過電壓、自勵磁、鐵磁諧振以及操作過電壓的仿真計算。方案二和方案三的3種路徑的仿真計算結(jié)果均滿足規(guī)程要求，但因方案二、三的500 kV系統(tǒng)過電壓水平較高，可能會造成發(fā)電機(jī)過電壓保護(hù)和避雷器動作，建議采用降壓啟動方式，空充線路或變壓器前盡量降低合閘母線電壓，同時應(yīng)保證發(fā)電機(jī)電壓不低于額定值的90%；且伊旗電廠作為黑啟動電源時，建議在布日都主變壓器低壓側(cè)投入1組電抗器。

依據(jù)選擇子系統(tǒng)原則，方案二的啟動路徑三路徑較短，分段啟動過電壓水平相對較低，金山電廠機(jī)組容量大，推薦該路徑（抽蓄電站—武川—可鎮(zhèn)—烏素圖—臺閣牧—金山電廠）作為黑啟動方案二的啟動路徑，路徑接線圖見圖2（c）。方案三的啟動路徑一路徑較短，國電東勝電廠機(jī)組容量較大，距離重要負(fù)荷較近，推薦該路徑（伊旗電廠—布日都—東勝北郊—國電東勝電廠）作為黑啟動方案三的啟動路徑，路徑接線圖見圖3（a）。

圖2 黑啟動方案二路徑接線圖

3 恢復(fù)供電方案仿真計算

為了確定黑啟動方案最優(yōu)的恢復(fù)供電路徑，需要對表2中各黑啟動方案不同的恢復(fù)供電路徑進(jìn)行工頻過電壓、鐵磁諧振以及操作過電壓的仿真計算，其計算方法同上，本文不再贅述。通過分析計算，得出萬家寨水電站、抽水蓄能電站和伊旗電廠分別作為黑啟動電源的黑啟動系統(tǒng)的恢復(fù)供電最優(yōu)路徑方案。

3.1 黑啟動系統(tǒng)一恢復(fù)供電方案仿真計算結(jié)果

黑啟動系統(tǒng)一的恢復(fù)供電方案選擇昭君220 kV變電站作為呼和浩特地區(qū)恢復(fù)供電的第一座變電站，昭君變電站位于呼和浩特市玉泉區(qū)以南，是永圣域500 kV變電站向呼和浩特地區(qū)供電的樞紐變電站，可以為金橋、南郊、友誼等重要110 kV變電站供電，滿足政府、居民、商業(yè)以及醫(yī)院等重要負(fù)荷的用電需求。

對黑啟動系統(tǒng)一不同恢復(fù)供電路徑進(jìn)行仿真計算分析。恢復(fù)供電路徑一（黑啟動系統(tǒng)一—永圣域—昭君）在永圣域500 kV側(cè)合空載主變壓器相對地操作過電壓較高，主變壓器發(fā)生了明顯的鐵磁諧振，對變壓器絕緣及安全運行非常不利，淘汰該路徑。其余恢復(fù)路徑仿真計算結(jié)果均滿足DL/T 620—1997要求，為了快速恢復(fù)呼和浩特地區(qū)重要負(fù)荷的供電，推薦路徑為：黑啟動系統(tǒng)一—薛家灣—大路—云中—永圣域—昭君，如圖7所示。

圖7 黑啟動系統(tǒng)一恢復(fù)供電路徑二接線圖

3.2 黑啟動系統(tǒng)二恢復(fù)供電方案仿真計算結(jié)果

黑啟動系統(tǒng)二的恢復(fù)供電方案選擇昭君220 kV變電站或東郊220 kV變電站作為呼和浩特地區(qū)恢復(fù)供電的變電站。東郊變電站位于呼和浩特市新城區(qū)與賽罕區(qū)交界處，是呼和浩特地區(qū)供電的樞紐變電站，可以為如意、丁香、新華等重要110 kV變電站供電，滿足政府、居民、商業(yè)以及醫(yī)院等重要負(fù)荷的用電需求。另外，昭君變電站和東郊變電站可互相供電。

對黑啟動系統(tǒng)二恢復(fù)供電路徑進(jìn)行仿真計算，恢復(fù)供電路徑（黑啟動系統(tǒng)二—科爾沁—東郊—昭君—青城—臺閣牧）的工頻過電壓、鐵磁諧振以及操作過電壓的仿真計算結(jié)果均滿足DL/T 620—1997要求，推薦的恢復(fù)路徑如圖8所示。

圖8 黑啟動系統(tǒng)二恢復(fù)供電路徑接線圖

3.3 黑啟動系統(tǒng)三恢復(fù)供電方案仿真計算結(jié)果

黑啟動系統(tǒng)三的恢復(fù)供電方案分別選擇東勝北郊220 kV變電站和康巴什220 kV變電站作為鄂爾多斯地區(qū)恢復(fù)供電的第一座變電站。東勝北郊變電站位于鄂爾多斯市東勝區(qū)，是樞紐變電站，可以為越山、東郊、神山、高頭窯等重要110 kV變電站供電?？蛋褪沧冸娬疚挥诙鯛柖嗨故锌蛋褪残聟^(qū)，是樞紐變電站，可以為景觀河、伊旗南郊、空港、幸福、察哈素、商混等重要110 kV變電站供電，滿足政府、居民、商業(yè)、交通及醫(yī)院等重要負(fù)荷的用電需求。

對黑啟動系統(tǒng)三不同恢復(fù)供電路徑進(jìn)行仿真計算，3種恢復(fù)路徑的工頻過電壓、鐵磁諧振以及操作過電壓計算結(jié)果均滿足DL/T 620—1997要求，由于路徑二無需啟動線路，只需在黑啟動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上啟動?xùn)|勝北郊變電站主變壓器，因此推薦黑啟動系統(tǒng)—東勝北郊作為恢復(fù)供電路徑，如圖9所示。

圖9 黑啟動系統(tǒng)三恢復(fù)供電路徑二接線圖

4 結(jié)論

本文選取萬家寨水電站、呼市抽水蓄能電站及伊旗電廠作為系統(tǒng)的黑啟動電源，結(jié)合電網(wǎng)實際情況重新考慮多個啟動路徑和恢復(fù)供電路徑的選取，并對各啟動路徑和恢復(fù)供電路徑進(jìn)行工頻過電壓、操作過電壓、自勵磁等仿真計算分析，從而制訂如下新的黑啟動方案。

（1）黑啟動系統(tǒng)一：推薦萬家寨—寧格爾—準(zhǔn)大作為啟動路徑，推薦黑啟動系統(tǒng)一—薛家灣—大路—云中—永圣域—昭君作為恢復(fù)供電路徑；

（2）黑啟動系統(tǒng)二：推薦抽蓄電站—武川—可鎮(zhèn)—烏素圖—臺閣牧—金山作為啟動路徑，推薦黑啟動系統(tǒng)—科爾沁—東郊—昭君—青城—臺閣牧作為恢復(fù)供電路徑；

（3）黑啟動系統(tǒng)三：推薦伊旗電廠—布日都—東勝北郊—國電東勝電廠作為啟動路徑，推薦黑啟動系統(tǒng)三—東勝北郊作為恢復(fù)供電路徑。

仿真分析結(jié)果校驗了基于不同電源類型的黑啟動方案在內(nèi)蒙古電網(wǎng)的可行性，為今后黑啟動的現(xiàn)場試驗及具體實施提供了依據(jù)。