基于“無人值班 少人值守”的大型水電站“一鍵黑啟動(dòng)”方案探究

（云南華電金沙江中游水電開發(fā)有限公司梨園發(fā)電分公司，云南 麗江 674100）

近年來，世界范圍內(nèi)發(fā)生了多起電力系統(tǒng)大停電事故，造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。海南電網(wǎng)2005年9.26大停電事故是我國近年來第一次發(fā)生的由自然災(zāi)害引起的省級(jí)電網(wǎng)大面積停電而進(jìn)行的電網(wǎng)黑啟動(dòng)的事故，在此次事故處理過程中，除南豐水電站在0.5h內(nèi)黑啟動(dòng)成功外，多數(shù)電站黑啟動(dòng)時(shí)間均超過1.5h，歷時(shí)4h電網(wǎng)黑啟動(dòng)才取得較大進(jìn)展。不斷發(fā)生的大停電事故表明，雖然電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制理論及技術(shù)在不斷發(fā)展、電網(wǎng)控制手段在不斷進(jìn)步，但是電網(wǎng)大面積停電風(fēng)險(xiǎn)依然存在。海南大停電事故后的黑啟動(dòng)表明，在最緊急的情況下，利用常規(guī)黑啟動(dòng)，僅僅依靠人的反應(yīng)和操作，很難滿足緊急事故情況下的電網(wǎng)恢復(fù)要求，因此需要在監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一種類似自動(dòng)開機(jī)功能的“一鍵黑啟動(dòng)”功能，使運(yùn)行人員在黑啟動(dòng)時(shí)只需在上位機(jī)上下達(dá)“一鍵黑啟動(dòng)”命令，程序即能自動(dòng)完成全部黑啟動(dòng)操作，提高黑啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間和安全性。

1 “一鍵黑啟動(dòng)”的提出

梨園水電站為金沙江中游電站群已投運(yùn)的第一級(jí)電站，總裝機(jī)240萬千瓦。根據(jù)南方電網(wǎng)有關(guān)規(guī)定，該電站作為500kV金官站的典型黑啟動(dòng)路徑之一，直接擔(dān)負(fù)著啟動(dòng)金官換流站的重要任務(wù)，在發(fā)生電網(wǎng)大面積停電或者全停事故時(shí)，在無法依靠外部供電恢復(fù)廠用電條件下，該電站應(yīng)具備通過調(diào)速系統(tǒng)自身儲(chǔ)能或啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，迅速恢復(fù)全廠用電以及對(duì)電網(wǎng)送電的黑啟動(dòng)能力。近年來，隨著梨園電站提出“無人值班、少人值守”管理目標(biāo)，計(jì)劃將所有運(yùn)行功能轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)在數(shù)百公里外的集控中心，現(xiàn)場僅留有少量值守人員。此種模式下，在電網(wǎng)大面積停電情況下，僅僅依靠現(xiàn)場值守人員進(jìn)行手動(dòng)操作黑啟動(dòng)，操作的安全性和快速響應(yīng)性顯然難以保證，因此要求需要在監(jiān)控系統(tǒng)中增加“一鍵黑啟動(dòng)”功能，采用“技防”的手段，提高黑啟動(dòng)可靠性。

2 梨園水電站廠用電及黑啟動(dòng)現(xiàn)狀

2．1 廠用電系統(tǒng)

梨園水電站廠用電系統(tǒng)采用10kV和400V兩級(jí)電壓供電，10kV供電系統(tǒng)分設(shè)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五段，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段相鄰段之間設(shè)有一個(gè)聯(lián)絡(luò)斷路器，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段與Ⅴ段之間均設(shè)有兩個(gè)聯(lián)絡(luò)斷路器，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四段電源分別取自與1B#、2B#、3B#、4B#四臺(tái)主變低壓側(cè)直接相連的廠高變，Ⅴ段電源取自電站10kV外來電源和廠房柴油發(fā)電機(jī)電源；正常運(yùn)行情況下，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ各段獨(dú)立運(yùn)行，Ⅴ段為備用電源段；所有400V廠用電母線均分為A、B兩段，每段電源均取自10kV系統(tǒng)，經(jīng)廠低變降壓后接入400V配電盤，兩回電源互為備用，400V系統(tǒng)分為機(jī)組自用電、全廠公用電、照明用電、壩區(qū)用電四部分。廠內(nèi)設(shè)有一臺(tái)1500kW柴油發(fā)電機(jī)，經(jīng)升壓變升壓后接至10kV Ⅰ、Ⅴ段。目前所有10kV開關(guān)和400V開關(guān)（含廠房柴油發(fā)電機(jī)出口開關(guān)439）均具備上位機(jī)遠(yuǎn)方操作功能，400V用電系統(tǒng)配置有備自投裝置。柴油發(fā)電機(jī)具備上位機(jī)遠(yuǎn)方啟動(dòng)功能。

2．2 黑啟動(dòng)電源

梨園水電站機(jī)組在廠用交流動(dòng)力電源消失的情況下, 主要受技術(shù)供水、推力、水導(dǎo)外循環(huán)、高壓油頂起裝置和調(diào)速、筒閥壓油裝置限制, 機(jī)組無法正常開機(jī), 不具備A類黑啟動(dòng)能力。機(jī)組需要依靠事故備用電源柴油發(fā)電機(jī)供發(fā)電機(jī)輔助設(shè)備交流用電的黑啟動(dòng)方式，即滿足B類黑啟動(dòng)能力。廠房內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)，經(jīng)升壓變升壓后分別接至10kV Ⅰ、Ⅴ段，根據(jù)梨園水電站運(yùn)行規(guī)程規(guī)定，正常運(yùn)行方式下，接入10kVⅠ段的0039Ⅰ處在試驗(yàn)位置，為滿足黑啟動(dòng)快速響應(yīng)要求和實(shí)現(xiàn)操作流程化、標(biāo)準(zhǔn)化，各臺(tái)機(jī)組黑啟動(dòng)均由廠房柴油發(fā)電機(jī)供電至10kVⅤ段后再分別聯(lián)絡(luò)10kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段。

2．3 直流系統(tǒng)

梨園水電站配置有機(jī)組直流系統(tǒng)、公用直流系統(tǒng)、開關(guān)站直流系統(tǒng)、壩區(qū)直流系統(tǒng)，均使用雙電源配置，主要供給全廠繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、自動(dòng)控制、操作電源及信號(hào)電源、事故照明、UPS輸入電源、二次試驗(yàn)電源等負(fù)荷，當(dāng)全廠失壓時(shí)，各直流系統(tǒng)可以連續(xù)運(yùn)行10h以上，滿足機(jī)組黑啟動(dòng)要求。

2．4 目前黑啟動(dòng)方式

若外來廠用電源和送出系統(tǒng)故障全停，需要黑啟動(dòng)時(shí)，由上位機(jī)遠(yuǎn)方啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，恢復(fù)10kV廠用電V段供電，并通過遠(yuǎn)程操作恢復(fù)機(jī)組自用電，遠(yuǎn)程操作機(jī)組至空轉(zhuǎn)，合上GCB后，現(xiàn)地手動(dòng)操作發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓，升壓至額定電壓后，再通過遠(yuǎn)方倒閘操作合上高廠變低壓側(cè)開關(guān)，利用機(jī)組發(fā)電給10kV相應(yīng)母線供電。目前方式下，平均黑啟動(dòng)時(shí)間在1h左右。

3 梨園水電站“一鍵黑啟動(dòng)”可行性分析

以1號(hào)機(jī)組黑啟動(dòng)為例，所謂“一鍵黑啟動(dòng)”，就是根據(jù)黑啟動(dòng)各個(gè)環(huán)節(jié)的要求，通過對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)流程的設(shè)計(jì)，在上位機(jī)上下達(dá)“1號(hào)機(jī)組黑啟動(dòng)”命令，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的程序進(jìn)行自動(dòng)黑啟動(dòng)直至機(jī)組啟動(dòng)成功帶上廠用電為止。其基本流程為：首先完成1號(hào)機(jī)組與系統(tǒng)的電氣隔離，然后斷開10kV Ⅰ、Ⅲ段母線及相應(yīng)400V 1號(hào)機(jī)組自用電，啟動(dòng)廠區(qū)柴油發(fā)電機(jī)恢復(fù)廠區(qū)供電，之后開啟1號(hào)機(jī)組至空轉(zhuǎn)狀態(tài)，然后1號(hào)發(fā)電機(jī)帶1號(hào)主變和1號(hào)廠高變（11B）零起升壓至額定電壓，再依次恢復(fù)相應(yīng)的10kV系統(tǒng)及400V系統(tǒng)，再然后停止柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行，1號(hào)機(jī)組黑啟動(dòng)結(jié)束。因此，實(shí)現(xiàn)“一鍵黑啟動(dòng)”的必備條件如下：一是所涉及設(shè)備的所有操作均可以在上位機(jī)上完成，包括機(jī)組帶主變零起升壓；二是由于有高頂、推力外循環(huán)等自用電負(fù)荷，保險(xiǎn)起見，機(jī)組空載后倒換廠用電過程中，需盡量保證機(jī)組自用電不失電；三是監(jiān)控系統(tǒng)中需有相應(yīng)的“一鍵黑啟動(dòng)”程序和畫面。

3．1 不能遠(yuǎn)方操作發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓問題

應(yīng)對(duì)措施：在勵(lì)磁系統(tǒng)中加入機(jī)組“柔性起勵(lì)建壓模式”，也就是模擬手動(dòng)零起升壓的過程，將機(jī)組給定電壓從25%、50%、75%逐步給定至100%，避免一步建壓至100%對(duì)主變的沖擊。

3．2 倒閘操作過程中，機(jī)組自用電存在短時(shí)失電的問題

應(yīng)對(duì)措施：利用現(xiàn)有廠用電接線方式上，各機(jī)組自用電兩段母線均分別取自10kVⅠ、Ⅲ段或者Ⅱ、Ⅳ段，因此每臺(tái)機(jī)組黑啟動(dòng)時(shí)，可利用10kVⅠ、Ⅲ段或Ⅱ、Ⅳ段母線分別引入柴油發(fā)電機(jī)電源和機(jī)組高廠變電源，也就是如果是1號(hào)機(jī)組，則柴油發(fā)電機(jī)供電至Ⅲ段（對(duì)應(yīng)400V自用電B段），2號(hào)機(jī)組則供電至Ⅳ段（對(duì)應(yīng)400V自用電B段），3號(hào)機(jī)組則供電至Ⅰ段（對(duì)應(yīng)400V自用電A段），4號(hào)機(jī)組則供電至Ⅱ段（對(duì)應(yīng)400V自用電A段），倒換廠用電過程中，400V備自投退出，400V聯(lián)絡(luò)開關(guān)在斷開位置。據(jù)此，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組空載后倒換廠用電過程中400V機(jī)組自用電不失電。至于在監(jiān)控系統(tǒng)中增加相關(guān)程序和畫面，基本沒有什么難度，在此不做贅述。綜上，通過增加勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中“遠(yuǎn)方柔性起勵(lì)建壓”模式，調(diào)整黑啟動(dòng)過程中廠用電供電方式，在監(jiān)控系統(tǒng)中增加“一鍵黑啟動(dòng)”程序和相關(guān)邏輯判據(jù)，完全可以實(shí)現(xiàn)梨園水電站“一鍵黑啟動(dòng)”，因此，“一鍵黑啟動(dòng)”是可行的。

4 “一鍵黑啟動(dòng)”與常規(guī)黑啟動(dòng)試驗(yàn)的區(qū)別

應(yīng)當(dāng)明確的是，本文所述一鍵黑啟動(dòng)是建立在電網(wǎng)已經(jīng)大面積停電，全廠機(jī)組停機(jī)，所有外來電源均已消失這種極端情況基礎(chǔ)上的，根據(jù)南網(wǎng)兩個(gè)細(xì)則要求，要求電廠每半年做一次內(nèi)部黑啟動(dòng)試驗(yàn)，每兩年請第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行黑啟動(dòng)驗(yàn)證性試驗(yàn)。受運(yùn)行方式影響，黑啟動(dòng)試驗(yàn)條件一般為單臺(tái)機(jī)組與系統(tǒng)隔離，其余三臺(tái)機(jī)組均正常運(yùn)行，因此，試驗(yàn)條件和本文所述的“一鍵黑啟動(dòng)”條件相去甚遠(yuǎn)，最主要的區(qū)別就是“一鍵黑啟動(dòng)”情況下，可以將10kV四段母線中的兩段停電進(jìn)行倒換機(jī)組自用電，而在常規(guī)試驗(yàn)條件下，10kVⅠ、Ⅲ段不能同時(shí)停電，10kVⅡ、Ⅳ段不能同時(shí)停電。因此常規(guī)試驗(yàn)時(shí)，在倒換機(jī)組廠用電時(shí)，由于其余三段工作正常，可以利用其余三段母線電源為機(jī)組自用電的某一段供電，因此可以先停柴油發(fā)電機(jī)后將試驗(yàn)10kV母線空出，再利用機(jī)組高廠變帶電從而供電至機(jī)組自用電的另一段。

5 結(jié)語

為適應(yīng)“無人值班、少人值守”要求，提升電站運(yùn)行安全性，保證在極端情況下黑啟動(dòng)成功，梨園電站在目前的設(shè)備條件下，經(jīng)過一些適應(yīng)性改造，是可以實(shí)現(xiàn)“一鍵黑啟動(dòng)”功能的。主要的適應(yīng)性改造一是要解決勵(lì)磁系統(tǒng)遠(yuǎn)方柔性啟勵(lì)建壓的問題，二是要解決“一鍵黑啟動(dòng)”過程中機(jī)組啟動(dòng)后自用電可能失電的問題。