基于不同電源類型的內蒙古電網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

（內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

近年來，隨著電網規模的不斷壯大，內蒙古電網結構日趨合理，同時也變得更加復雜，未來新能源的大規模接入以及直流工程的建設也將使電網大面積停電的風險繼續增加[1-2]。盡管為保障電網安全穩定運行采取了各種安控措施，但電網發生超過校核水平的嚴重故障仍可能演變成全網的災難性事故。此外，在不可預見的極端自然災害情況下，發生全網失電的風險依然存在[3]。在電網大面積停電或全停后，為了能夠快速有序地恢復，最大限度地減少因停電帶來的經濟損失，需事先制訂黑啟動方案[4-5]。

內蒙古電網于2004年首次實施了電網黑啟動現場試驗，將萬家寨水電機組作為黑啟動電源，成功啟動準格爾電廠火電機組；2009年研究了以水電機組為黑啟動電源點的電網黑啟動方案并編制調度執行方案，但沒有進行現場試驗[6-7]。目前，內蒙古電網規模和結構已發生較大變化，準格爾電廠機組已退役，薛家灣地區電網結構也發生了較大變化，早期制訂的黑啟動方案對電網指導意義有限，亟待制訂符合電網發展狀況的新的黑啟動方案。內蒙古電網能源結構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組作為黑啟動電源之外，還可以選取抽水蓄能機組及具備快速甩負荷（Fast Cut Back，FCB）[8-9]功能的火電機組作為黑啟動電源，并基于這些不同類型的電源制訂符合電網實際情況的黑啟動方案，為內蒙古電網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

黑啟動的關鍵是電源點啟動，要實現系統快速恢復供電，首先要保證系統不同區域內有足夠的具備黑啟動能力的電源點，充足的黑啟動電源數量、容量及合理的位置分布能夠加快電網恢復進程[8]。水輪發電機組具有輔助設備簡單、廠用電少，啟動速度快等優點[10-11]，一直以來是黑啟動電源的首選，內蒙古電網以往制訂的黑啟動方案均選取萬家寨水電機組作為唯一的黑啟動電源。隨著內蒙古地區能源結構的不斷完善，萬家寨水電站不再是網內唯一的水電機組，位于內蒙古自治區呼和浩特市的抽水蓄能電站共有4臺單機容量為300 MW的可逆式水泵水輪機組[12]，總裝機容量為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，主要承擔電網的調峰填谷、事故備用任務，同時兼有調頻、調相的作用。因其獨特的地理位置和具有自啟動功能、裝機容量大等特點，可以作為黑啟動電源。除水電機組外，具備快速甩負荷功能的火電機組可以在電網出現突發性故障時，快速減負荷并立刻轉為帶廠用電進行孤島運行，并在電網恢復后快速恢復對外供電[13-14]。位于鄂爾多斯市的伊旗電廠是網內唯一具有大容量旁路系統、可實現100%FCB功能的火電機組[15-16]，其裝機容量為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的黑啟動電源。

1.2 啟動路徑的規劃

在確定啟動電源后，應根據系統結構特點，確定被啟動電廠和供電路徑，構成一個子系統[17]。啟動路徑應遵循最基本的路徑規劃原則：啟動路徑盡量短且盡量減少不同電壓等級的變換；在最短時間內以最少的操作步驟恢復供電；盡量先啟動大容量或離重要負荷近的機組[5，18-19]。

萬家寨水電站附近的火電廠有京泰、國華準格爾、準大、準能矸石（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。依據選擇子系統原則，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和絕緣配合》[20]要求，最后結合選取啟動路徑的基本原則，綜合考量得到最優黑啟動路徑。

表1 黑啟動方案啟動路徑列表

1.3 負荷恢復路徑的規劃

黑啟動系統機組全部啟動之后，需要按照不同路徑逐步恢復地區重要負荷以保證系統的頻率和電壓水平，維持系統的功率平衡。本文遵循在盡可能小的有功功率需求下盡快恢復重要等級的負荷的原則，同時兼顧電網的穩定及恢復速度進行負荷的有序投切來規劃恢復供電路徑[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所有可能的恢復供電路徑進行列舉。

表2所列黑啟動方案的所有恢復路徑能否實施，同樣還需要通過對不同恢復供電路徑進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。在遵循負荷恢復的原則下，綜合考量得到最優黑啟動恢復路徑。

表2 黑啟動方案恢復供電路徑列表

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果，結合啟動路徑應遵循最基本的路徑規劃原則，選出每種方案的最優啟動路徑。下面以表1中萬家寨水電站為例，分別對3個啟動路徑進行仿真計算。

2.1 自勵磁

機組的自勵磁是一種諧振現象，會危及系統正常運行和設備安全，也直接關系到黑啟動方案是否可行，因此需對每個路徑進行自勵磁判斷。發電機的自勵磁判據可用容量比較法或阻抗判別法進行判斷[22]，本文采用容量比較法判別，即發電機不產生自勵磁的條件為：

式中：SG—發電機額定容量，MVA；

QC—線路充電功率，MVA；

Xd—發電機等值同步電抗標幺值（包括升壓變漏抗，以發電機電壓為基準值計算）。

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

同理，對路徑二、三分別進行計算，結果為路徑二、三均不會產生自勵磁過電壓。

2.2 工頻過電壓

根據黑啟動方案的啟動路徑，分別計算調試方式及過渡方式工頻過電壓。黑啟動調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（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荷帶電，在該方式下，計算啟動路徑中線路末端發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荷（K1）兩種情況下的相對地工頻過電壓。

2.2.1 調試方式

調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，然后從電源送出母線側進行合閘試驗；二是按照實際合閘操作步驟進行分段合閘試驗。對路徑一、二、三分別進行空載線路合閘仿真試驗，計算空載線路容升效應（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。計算結果中，220 kV系統工頻過電壓基準值為252/3=145.50 kV。將仿真結果折合成標幺值，路徑一計算結果見表3。

表3 路徑一合空載線路工頻過電壓仿真計算結果

2.2.2 過渡方式

過渡方式線路末端甩負荷采取逐級線路分閘操作。對路徑一、二、三分別進行線路末端甩負荷仿真試驗，計算線路末端發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荷（K1）兩種情況下的相對地工頻過電壓。將仿真結果折合成標幺值，結果見表4。

表4 路徑一甩負荷工頻過電壓仿真計算結果

2.2.3 計算結果

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

2.3 操作過電壓

根據黑啟動方案啟動路徑，計算調試方式及過渡方式操作過電壓。調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，然后從電源送出母線側進行合閘試驗；二是按照實際合閘操作步驟進行分段合閘試驗。

2.3.1 調試方式

對路徑一、二、三分別進行120次空載線路合閘統計計算，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。計算結果中，220 kV系統操作過電壓基準值為252 2/3=205.73 kV，將仿真結果折合成標幺值，合空載線路操作過電壓計算結果見表5。

表5 路徑一合空線操作過電壓仿真計算結果

調試方式下，對路徑一聯通狀態送電通道進行合閘仿真試驗，各節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，本研究在神經細胞中證實，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細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。

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

表6 路徑一單相重合閘操作過電壓仿真計算結果

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 計算結果

由以上計算結果可知，路徑一在調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、三計算結果也均滿足規程要求。因此，在各路徑下，合閘操作過電壓不會對系統絕緣造成威脅。

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母線電壓仿真波形如圖6所示。

圖6 路徑一準大電廠啟備變高壓側母線電壓仿真波形

由圖6可以看出，在準大電廠合空載啟備變時無諧振過電壓產生。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生，因此均不會出現鐵磁諧振現象。

2.5 最優路徑選擇

萬家寨水電站作為黑啟動電源，3種路徑的仿真計算結果均滿足DL/T 620—1997要求。依據選擇子系統原則，啟動路徑一（萬家寨—寧格爾—準大）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果均滿足規程要求，但因方案二、三的500 kV系統過電壓水平較高，可能會造成發電機過電壓保護和避雷器動作，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，同時應保證發電機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投入1組電抗器。

依據選擇子系統原則，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，金山電廠機組容量大，推薦該路徑（抽蓄電站—武川—可鎮—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，國電東勝電廠機組容量較大，距離重要負荷較近，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 恢復供電方案仿真計算

為了確定黑啟動方案最優的恢復供電路徑，需要對表2中各黑啟動方案不同的恢復供電路徑進行工頻過電壓、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的恢復供電最優路徑方案。

3.1 黑啟動系統一恢復供電方案仿真計算結果

黑啟動系統一的恢復供電方案選擇昭君220 kV變電站作為呼和浩特地區恢復供電的第一座變電站，昭君變電站位于呼和浩特市玉泉區以南，是永圣域500 kV變電站向呼和浩特地區供電的樞紐變電站，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、商業以及醫院等重要負荷的用電需求。

對黑啟動系統一不同恢復供電路徑進行仿真計算分析。恢復供電路徑一（黑啟動系統一—永圣域—昭君）在永圣域500 kV側合空載主變壓器相對地操作過電壓較高，主變壓器發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。其余恢復路徑仿真計算結果均滿足DL/T 620—1997要求，為了快速恢復呼和浩特地區重要負荷的供電，推薦路徑為：黑啟動系統一—薛家灣—大路—云中—永圣域—昭君，如圖7所示。

圖7 黑啟動系統一恢復供電路徑二接線圖

3.2 黑啟動系統二恢復供電方案仿真計算結果

黑啟動系統二的恢復供電方案選擇昭君220 kV變電站或東郊220 kV變電站作為呼和浩特地區恢復供電的變電站。東郊變電站位于呼和浩特市新城區與賽罕區交界處，是呼和浩特地區供電的樞紐變電站，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、商業以及醫院等重要負荷的用電需求。另外，昭君變電站和東郊變電站可互相供電。

對黑啟動系統二恢復供電路徑進行仿真計算，恢復供電路徑（黑啟動系統二—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果均滿足DL/T 620—1997要求，推薦的恢復路徑如圖8所示。

圖8 黑啟動系統二恢復供電路徑接線圖

3.3 黑啟動系統三恢復供電方案仿真計算結果

黑啟動系統三的恢復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恢復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，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^，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、交通及醫院等重要負荷的用電需求。

對黑啟動系統三不同恢復供電路徑進行仿真計算，3種恢復路徑的工頻過電壓、鐵磁諧振以及操作過電壓計算結果均滿足DL/T 620—1997要求，由于路徑二無需啟動線路，只需在黑啟動系統的基礎上啟動東勝北郊變電站主變壓器，因此推薦黑啟動系統—東勝北郊作為恢復供電路徑，如圖9所示。

圖9 黑啟動系統三恢復供電路徑二接線圖

4 結論

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的黑啟動電源，結合電網實際情況重新考慮多個啟動路徑和恢復供電路徑的選取，并對各啟動路徑和恢復供電路徑進行工頻過電壓、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）黑啟動系統一：推薦萬家寨—寧格爾—準大作為啟動路徑，推薦黑啟動系統一—薛家灣—大路—云中—永圣域—昭君作為恢復供電路徑；

（2）黑啟動系統二：推薦抽蓄電站—武川—可鎮—烏素圖—臺閣牧—金山作為啟動路徑，推薦黑啟動系統—科爾沁—東郊—昭君—青城—臺閣牧作為恢復供電路徑；

（3）黑啟動系統三：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，推薦黑啟動系統三—東勝北郊作為恢復供電路徑。

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