關(guān)于電網(wǎng)黑啟動(dòng)中廠網(wǎng)配合機(jī)制的研究

王莉麗，韓 偉

(1.四川省電力公司調(diào)度中心，四川 成都 610041;2.四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗(yàn)所 四川 成都 610000)

0 引言

電力系統(tǒng)是現(xiàn)代社會(huì)中最重要、最龐雜的工程系統(tǒng)之一，由于自然災(zāi)害和單一事故引發(fā)的大停電事故在全世界范圍內(nèi)仍時(shí)有發(fā)生。

2004年美國8.14大停電源于1臺(tái)68 MW的燃?xì)廨啓C(jī)停運(yùn)，事故造成美國東北部和加拿大安大略省停電，影響人口5000萬，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)60億美元。調(diào)度員未經(jīng)過黑啟動(dòng)訓(xùn)練，操作不熟練，從外部電源恢復(fù)供電的速度緩慢，導(dǎo)致樞紐變電站站用直流電源耗盡，不能繼續(xù)操作，48 h后才逐步恢復(fù)。加拿大安大略地區(qū)則等了14 d才恢復(fù)。2008年四川的“5.12”汶川大地震使得四川電網(wǎng)負(fù)荷損失約4000 MWh，1座500 kV站及12座220 kV站停運(yùn)，位于震中天龍湖電廠、自一里電廠、紫坪鋪電廠按事先準(zhǔn)備好的黑啟動(dòng)方案在數(shù)小時(shí)內(nèi)成功啟動(dòng)機(jī)組自帶廠用電及向附近重要負(fù)荷供電，不僅避免了水庫漫壩的惡性事故，而且有力支援了抗震救災(zāi)工作，具有重大社會(huì)及經(jīng)濟(jì)意義。

目前三華(指華東、華中、華北電網(wǎng))同步運(yùn)行的交直流電網(wǎng)已經(jīng)初步形成，但自然災(zāi)害、人為誤操作、保護(hù)誤動(dòng)造成潮流大范圍轉(zhuǎn)移從而引發(fā)大停電的風(fēng)險(xiǎn)仍然存在，電網(wǎng)黑啟動(dòng)操作的可能性在局部電網(wǎng)及區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)都還存在。研究在黑啟動(dòng)操作中如何克服電網(wǎng)由小變大過程中遇到的各種問題、廠網(wǎng)間如何協(xié)調(diào)配合以及調(diào)度機(jī)構(gòu)間如何協(xié)調(diào)配合，對于構(gòu)建大電網(wǎng)的安全防御體系至關(guān)重要，也對于處理一般電網(wǎng)事故具有啟發(fā)作用。

1 黑啟動(dòng)過程中遇到的問題

黑啟動(dòng)是指整個(gè)電力系統(tǒng)因故障停運(yùn)后，不依賴別的網(wǎng)絡(luò)的幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力機(jī)組的啟動(dòng)，帶動(dòng)無自啟動(dòng)能力的機(jī)組，逐步擴(kuò)大電力系統(tǒng)的恢復(fù)范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力系統(tǒng)的恢復(fù)和向用戶供電，期間將會(huì)面臨電壓、頻率、振蕩等一系列問題。

1.1 電壓問題

電壓問題是首要問題。在由小容量的發(fā)電機(jī)對長線路零起升壓過程中，同步發(fā)電機(jī)定子回路中聯(lián)接有電容時(shí)(如與空載線路相連)就有可能因電樞反應(yīng)的助磁作用而發(fā)生定子電流、電壓幅值自發(fā)增大，產(chǎn)生自激磁現(xiàn)象。電網(wǎng)恢復(fù)初期輸電線路輕載運(yùn)行，由充電電流引起持續(xù)的工頻過電壓問題;在系統(tǒng)中斷路器操作如合空長線及合空載變壓器時(shí)產(chǎn)生的操作過電壓問題;在某些特殊方式下電壓互感器等非線性元件和系統(tǒng)中的電容元件組成許多復(fù)雜的振蕩回路，可能發(fā)生諧振過電壓。

系統(tǒng)恢復(fù)過程中應(yīng)及時(shí)投入電抗器、退出電容器、調(diào)整主變壓器分接頭、發(fā)揮接入電廠的進(jìn)相能力及對電壓的快速調(diào)整能力，對線路充電盡量采用帶有合閘電阻的開關(guān)進(jìn)行充電，同時(shí)安排一定容量的低功率因數(shù)的負(fù)荷也是保證電壓合格的必要條件。

1.2 頻率問題

頻率問題是另一個(gè)主要問題。頻率與系統(tǒng)出力和負(fù)荷有關(guān)，控制頻率涉及負(fù)荷恢復(fù)速度、機(jī)組調(diào)速器響應(yīng)速度。

首先應(yīng)保證小網(wǎng)的備用充足，以應(yīng)付負(fù)荷波動(dòng)，并入小電網(wǎng)的機(jī)組的旋轉(zhuǎn)備用容量應(yīng)大于發(fā)電負(fù)荷的30%;另一方面控制負(fù)荷恢復(fù)的節(jié)奏，負(fù)荷恢復(fù)不宜使頻率較前次下降大于0.5 Hz，且小系統(tǒng)的運(yùn)行頻率不低于49.5 Hz。每輪負(fù)荷恢復(fù)后，待頻率及電壓恢復(fù)到正常運(yùn)行水平時(shí)，再開始下一輪的恢復(fù);最后應(yīng)注意當(dāng)發(fā)電廠與小網(wǎng)并列后，應(yīng)盡可能將并網(wǎng)電廠的機(jī)組均開出，尤其是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的發(fā)電廠的機(jī)組，提高整個(gè)小網(wǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量水平。同時(shí)每臺(tái)機(jī)組所帶負(fù)荷盡量均勻，避免單一機(jī)組跳閘造成跨網(wǎng)。

1.3 低頻震蕩問題

系統(tǒng)建立初期易形成一個(gè)多電源的小系統(tǒng)。此時(shí)可出現(xiàn)低頻振蕩問題，其實(shí)質(zhì)是遠(yuǎn)距離送電系統(tǒng)缺乏足夠的阻尼，阻尼性能變差。

裝設(shè)在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中的PSS可以感受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速或電磁功率的變化，適當(dāng)調(diào)整勵(lì)磁電流，改變發(fā)電機(jī)端電壓，從而達(dá)到阻尼功率振蕩的目的，因此并入小網(wǎng)的電源應(yīng)及時(shí)投入PSS功能，同時(shí)在啟動(dòng)電源和被啟動(dòng)機(jī)組并列運(yùn)行的小網(wǎng)中，要注意協(xié)調(diào)機(jī)組間的調(diào)節(jié)特性。如果機(jī)組調(diào)節(jié)特性差別較大，則手動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)合使用，避免子系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩。另外調(diào)度機(jī)構(gòu)對子網(wǎng)內(nèi)電廠出力及時(shí)調(diào)整以達(dá)到合理的潮流分布可有效抑制和消除振蕩。

2 電廠的配合

2.1 黑啟動(dòng)電源的選擇

黑啟動(dòng)首先是電廠的恢復(fù)，可承擔(dān)黑啟動(dòng)任務(wù)的電廠為黑啟動(dòng)電源。一般黑啟動(dòng)電源有柴油發(fā)電機(jī)、燃?xì)鈾C(jī)組、水輪發(fā)電機(jī)、抽水蓄能電站。其中水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、沒有復(fù)雜的輔機(jī)系統(tǒng)、廠用電少、啟動(dòng)速度快，因此是理想、方便的“黑啟動(dòng)”電源。但是并不是所有的水電廠都可作為黑啟動(dòng)電源，如在一大流量低水頭的河流上建設(shè)的水電廠大多為燈泡式灌流機(jī)組，如四川青居電廠，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)過程短，轉(zhuǎn)速變化快，在低負(fù)荷區(qū)機(jī)組振動(dòng)較大，不僅不具備帶自身廠用電的條件，也不具備在黑啟動(dòng)初期負(fù)荷較輕時(shí)子網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓要求，僅能依靠外界電源完成自身機(jī)組的啟動(dòng)。火電機(jī)組也是需外界電源才可啟動(dòng)的機(jī)組。

2.2 水電廠的配合

水輪發(fā)電機(jī)組自啟動(dòng)的關(guān)鍵是停電后控制水輪機(jī)組導(dǎo)葉開啟的壓力油槽油壓能否維持在正常工作范圍內(nèi)(允許時(shí)間一般為30 min左右)。當(dāng)判斷為電網(wǎng)全黑后，水電廠應(yīng)馬上檢查水輪機(jī)組導(dǎo)葉開啟的壓力油槽油壓是否滿足啟動(dòng)機(jī)組的要求，迅速開出機(jī)組，帶廠用電，同時(shí)檢查泄洪閘等水工建筑，保證大壩及上下游居民的生產(chǎn)生活安全。不承擔(dān)黑啟動(dòng)任務(wù)的電廠也應(yīng)配備柴油發(fā)電機(jī)或其他備用電源。

2.3 火電廠的配合

對于火電廠，電網(wǎng)全黑后，應(yīng)依靠柴油發(fā)電機(jī)等設(shè)備采取人工盤車等措施，保證主機(jī)、主設(shè)備安全。火電廠作為需外界電源才能啟動(dòng)的電廠，其順利啟動(dòng)對于維持子網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性將起到關(guān)鍵的作用?；痣姀S的輔機(jī)系統(tǒng)包括電動(dòng)給水泵、引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵、一次風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵、閉式水泵、開式水泵等。一般1臺(tái)20 MW以上的水輪發(fā)電機(jī)就足以啟動(dòng)1臺(tái)300 MW的汽輪發(fā)電機(jī)［1］?；痣姀S啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的順序理論上應(yīng)考慮先啟動(dòng)大容量的電動(dòng)機(jī)，先啟動(dòng)大電機(jī)，線路上電容電流可補(bǔ)償一部分，但由于大容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流大，在后啟動(dòng)過程中有可能將初始系統(tǒng)拖垮。

2.4 電廠運(yùn)行方式的調(diào)整

對于電廠應(yīng)不待調(diào)度命令將本站的運(yùn)行方式調(diào)整為一條出線開關(guān)在合位，拉開其余線路開關(guān)。承擔(dān)黑啟動(dòng)電源的電廠，等待上級調(diào)度命令進(jìn)行零起升壓，不承擔(dān)黑啟動(dòng)電源的電廠，等待系統(tǒng)來電，恢復(fù)本廠的廠用電及準(zhǔn)備并列。

3 變電站的配合

3.1 運(yùn)行方式的調(diào)整

在電網(wǎng)全黑時(shí)，由于站內(nèi)蓄電池能提供正常運(yùn)行的時(shí)間范圍有限，最小應(yīng)能保證1～2 h內(nèi)的供電，因此在直流操作電源能夠供電時(shí)間范圍內(nèi)完成本廠站的方式調(diào)整是系統(tǒng)恢復(fù)的前提。運(yùn)行方式調(diào)整的最終目的在于減少操作次數(shù)，盡快恢復(fù)負(fù)荷及向下一級待受廠、站送電。

變電站方式調(diào)整一般應(yīng)遵循以下原則。

①變電站應(yīng)只保留1條無須操作即可直接受電的通道;

②若本站接有地方并網(wǎng)的小電源時(shí)，應(yīng)將并網(wǎng)斷路器斷開;

③避免高壓線路帶變壓器同時(shí)充電;

④各110 kV變電站的10 kV、35 kV分路轉(zhuǎn)為熱備用，以有利于控制負(fù)荷，站用變壓器保持運(yùn)行狀態(tài);

方式調(diào)整可在確認(rèn)電網(wǎng)全黑后由變電站包括電廠自行開始調(diào)整，調(diào)整完畢后向上級調(diào)度機(jī)構(gòu)匯報(bào)。調(diào)度機(jī)構(gòu)在進(jìn)行恢復(fù)操作前應(yīng)與現(xiàn)場核對狀態(tài)，不能以自動(dòng)化信息作為操作依據(jù)。

3.2 安穩(wěn)裝置及保護(hù)的調(diào)整

對于裝設(shè)在變電站包括電廠的安穩(wěn)裝置原則上退出穩(wěn)控裝置中的切機(jī)、切負(fù)荷出口壓板即可。對于保護(hù)裝置，原則上保護(hù)定值和投退方式不變，線路重合閘應(yīng)停用。

3.3 四川黑啟動(dòng)方案子網(wǎng)1

圖1是四川電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案子網(wǎng)1的初始狀態(tài)，二灘電廠是本子網(wǎng)的黑啟動(dòng)電源，二灘電廠保留1條出線500 kV二石1線1個(gè)開關(guān)在合位，拉開其余所有開關(guān)，在調(diào)度指揮下對500 kV二石1線及石板箐1臺(tái)主變壓器進(jìn)行零起升壓。其余不承擔(dān)黑啟動(dòng)電源任務(wù)的電廠及變電站應(yīng)將本廠站方式調(diào)整為等待來電方式，即保留1組來電開關(guān)在合位，拉開其余所有開關(guān)，原則上母聯(lián)開關(guān)應(yīng)保持在合位狀態(tài)。

圖1 四川黑啟動(dòng)方案子網(wǎng)1

4 各級調(diào)度機(jī)構(gòu)間的協(xié)調(diào)配合

4.1 中國調(diào)度機(jī)構(gòu)的劃分

中國現(xiàn)行調(diào)度模式為國、網(wǎng)、省、地、縣“五級調(diào)度”架構(gòu)，采用分層分區(qū)的運(yùn)行控制模式，基本上按電壓等級劃分電網(wǎng)結(jié)構(gòu)層級，以行政經(jīng)濟(jì)區(qū)域劃分電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行平衡區(qū)域。

國調(diào)、網(wǎng)調(diào)、省調(diào)是負(fù)責(zé)輸電網(wǎng)的調(diào)度，地調(diào)及縣調(diào)負(fù)責(zé)配電網(wǎng)的調(diào)度。在較大范圍內(nèi)發(fā)生的大停電事故，系統(tǒng)恢復(fù)過程將由多級調(diào)度機(jī)構(gòu)共同來完成。黑啟動(dòng)操作是由上級調(diào)度對下級調(diào)度實(shí)施統(tǒng)一協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了分區(qū)啟動(dòng)和分區(qū)協(xié)作的恢復(fù)調(diào)度。

4.2 調(diào)度關(guān)系的轉(zhuǎn)移

為方便下一級調(diào)度恢復(fù)本調(diào)度管轄范圍內(nèi)的系統(tǒng)，同時(shí)集中精力進(jìn)行本級調(diào)度機(jī)構(gòu)管轄的電壓等級的電網(wǎng)恢復(fù)，在黑啟動(dòng)準(zhǔn)備階段，部分電廠的調(diào)度權(quán)應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，由下級調(diào)度機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)度。如在一些水電資源豐富的重慶、四川電網(wǎng)，部分接入110 kV及以下系統(tǒng)的水電廠的調(diào)度權(quán)由省級調(diào)度管轄，其調(diào)度權(quán)在電網(wǎng)黑啟動(dòng)期間交由相應(yīng)地、縣調(diào)負(fù)責(zé)，發(fā)揮小水電站的能力多點(diǎn)開花，加速電網(wǎng)恢復(fù)。接入220 kV電壓等級由網(wǎng)調(diào)調(diào)度的電廠黑啟動(dòng)期間交由省級調(diào)度調(diào)度，方便220 kV系統(tǒng)的恢復(fù)。如華中網(wǎng)調(diào)調(diào)度的河南姚孟電廠、丹江電廠、湖北的隔河巖電、高壩州電廠、二江電站的調(diào)度權(quán)在黑啟動(dòng)期間交由各省調(diào)調(diào)度。各電廠調(diào)度權(quán)交出后，其廠用電的恢復(fù)及啟動(dòng)工作由相應(yīng)調(diào)度機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)。

調(diào)度權(quán)下放后，下級調(diào)度機(jī)構(gòu)建立的子網(wǎng)在與上級調(diào)度機(jī)構(gòu)恢復(fù)的系統(tǒng)進(jìn)行并列時(shí)應(yīng)防止非同期合閘。同時(shí)應(yīng)盡量多考慮并列點(diǎn)，一旦預(yù)設(shè)并列路徑遭到破壞后能迅速在其余路徑實(shí)現(xiàn)檢同期并列。因此調(diào)度機(jī)構(gòu)在對某些開關(guān)操作應(yīng)特別加以注意，在對這些開關(guān)下令操作前應(yīng)作到任務(wù)明確(合環(huán)、并列還是送饋電負(fù)荷)。對于合環(huán)或并列的操作還應(yīng)考慮是否滿足合環(huán)或并列條件并使用同期裝置。

4.3 各級調(diào)度機(jī)構(gòu)的任務(wù)

地調(diào)度管轄的小電廠可以滿足小的孤網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)壓，可先恢復(fù)孤網(wǎng)的運(yùn)行，視系統(tǒng)情況安排與系統(tǒng)并列。負(fù)荷恢復(fù)是地調(diào)的首要任務(wù)。按輕重緩急及重要程度分批次恢復(fù)是必須遵循的原則。負(fù)荷恢復(fù)方案可參考低頻減載方案。一般來說低頻減負(fù)荷方案中沒有涉及的負(fù)荷定為第1級，低頻減負(fù)荷輪次為“后備”的負(fù)荷定為第2級，低頻減負(fù)荷輪次為“特2”、“特1”輪的分別為第3、第4級，低頻減負(fù)荷輪次為第6、5、4、3、2、1 的分別定為第5、6、7、8、9和第10級。每1級還可按50 MW進(jìn)行輪次劃分［2］。

在負(fù)荷恢復(fù)中省地兩級調(diào)度應(yīng)做好配合，由省調(diào)根據(jù)子網(wǎng)的備用及潮流分布情況向地調(diào)下達(dá)負(fù)荷指標(biāo)，地調(diào)根據(jù)省調(diào)下達(dá)的負(fù)荷指標(biāo)，按級別輪次進(jìn)行負(fù)荷恢復(fù)，待頻率及電壓恢復(fù)到正常運(yùn)行水平時(shí)，再開始下一輪的恢復(fù)。負(fù)荷恢復(fù)不僅是黑啟動(dòng)的最終目的，也是建立一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行電網(wǎng)的必要手段。

省調(diào)負(fù)責(zé)省級電網(wǎng)發(fā)電和用電的平衡，負(fù)責(zé)省內(nèi)500(330)kV及220 kV環(huán)網(wǎng)及所轄發(fā)電廠的調(diào)度運(yùn)行管理。將子網(wǎng)做大做強(qiáng)是省調(diào)的主要職責(zé)。根據(jù)收集來的信息迅速確定黑啟動(dòng)路徑是省調(diào)調(diào)度員的首要要?jiǎng)?wù)。啟動(dòng)路徑應(yīng)由電源到負(fù)荷的電壓轉(zhuǎn)換的次數(shù)盡量少、路徑長度盡可能短為原則，并先啟動(dòng)離重要負(fù)荷近的機(jī)組，主網(wǎng)架先恢復(fù)單線聯(lián)系。在子網(wǎng)做大做強(qiáng)的過程中和地調(diào)密切配合保證頻率的穩(wěn)定，同時(shí)密切關(guān)注電壓情況，利用電容電抗及電廠進(jìn)行調(diào)壓，并合理分布子網(wǎng)的潮流。在子網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，盡快同步電氣孤島，擴(kuò)大子網(wǎng)的規(guī)模。

網(wǎng)調(diào)調(diào)度管轄的主要是500 kV系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)，在黑啟動(dòng)中負(fù)責(zé)各黑啟動(dòng)路徑中網(wǎng)調(diào)調(diào)度設(shè)備的送電，為各省、市調(diào)相關(guān)地區(qū)提供啟動(dòng)電源。省、市調(diào)選擇網(wǎng)調(diào)黑啟動(dòng)電源對其負(fù)荷供電后，與省調(diào)協(xié)調(diào)進(jìn)行頻率、電壓調(diào)整。對于從220 kV系統(tǒng)開始啟動(dòng)的子網(wǎng)，500 kV系統(tǒng)主要承擔(dān)了子網(wǎng)間并列的任務(wù)。因此網(wǎng)調(diào)的主要責(zé)任在于省調(diào)將子網(wǎng)啟動(dòng)起來后，選擇并網(wǎng)點(diǎn)，加強(qiáng)子網(wǎng)間的聯(lián)系，提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。根據(jù)各省調(diào)子網(wǎng)恢復(fù)的程度及先后次序研究省網(wǎng)黑啟動(dòng)子系統(tǒng)并列點(diǎn)和并列次序是網(wǎng)調(diào)調(diào)度的主要責(zé)任。

國調(diào)是電網(wǎng)調(diào)度的最高一級調(diào)度機(jī)構(gòu)，國調(diào)調(diào)度管轄的主要設(shè)備以網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線及直流系統(tǒng)為主，這已經(jīng)是黑啟動(dòng)過程中最后的一個(gè)環(huán)節(jié)。網(wǎng)間交流聯(lián)絡(luò)線主要視送受端的負(fù)荷平衡情況來恢復(fù)，對系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高并不具備顯著效應(yīng)。直流系統(tǒng)的恢復(fù)應(yīng)在系統(tǒng)送、受端的發(fā)電和負(fù)荷都恢復(fù)到停電前一半的水平以上，并根據(jù)送受端的電力電量平衡情況來考慮是否有必要恢復(fù)。

6 結(jié)語

一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的子網(wǎng)的建立需要電廠、變電站及各級調(diào)度機(jī)構(gòu)間的協(xié)調(diào)配合。黑啟動(dòng)操作是由上級調(diào)度對下級調(diào)度實(shí)施統(tǒng)一協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了分區(qū)啟動(dòng)和分區(qū)協(xié)作的恢復(fù)調(diào)度。廠網(wǎng)間協(xié)調(diào)配合才能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)建立一個(gè)穩(wěn)步運(yùn)行的電網(wǎng)，將對社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響降到最低。

［1］陳明.對電網(wǎng)黑啟動(dòng)中試驗(yàn)電源容量問題的探討［J］.華中電力，2009，22(5):55－57.

［2］楊春雨，李永鋒.地區(qū)電網(wǎng)“黑啟動(dòng)”方案研究［J］.云南電力技術(shù)，2008，36(1):14－16.