山東電網黑啟動試驗

袁 森，邱夕兆，房光華

（山東電力調度中心，山東 濟南 250001）

0 引言

2005年9月，受“達維”臺風的影響，海南電網全停，引起了各方的高度關注。國網公司要求各網、省開展黑啟動試驗，完善黑啟動方案。2000年5月5日華北電網利用十三陵蓄能電廠水電機組進行的“黑啟動”試驗在我國是首例成功的試驗。2002年1月16日湖北電網利用天堂抽水蓄能電廠在實際電網中成功地進行了黑啟動試驗。2003年3月19日華中電網隔河巖電廠黑啟動聯合試驗。2005年3月，上海電網在閘電燃機廠進行了大規模黑啟動試驗。2008年3月9日國內首次60萬機組黑啟動試驗在福建成功進行，但試驗小系統頻率波動很大，達1.7 Hz以上。

山東電網于2002年制定了詳細的分層分區的黑啟動方案，括省調、各地調、各電廠的詳細預案。并結合基于分層案例推理技術，開發了黑啟動決策支持的原形系統，將黑啟動方案納入了專家系統中，便于培訓調度員。2006年7月泰山電站1號機組投入商業運行后，在對國內外黑啟動現狀進行廣泛調查研究的基礎上[1-4]，開展了以泰山抽水蓄能電站為黑啟動電源的山東電網黑啟動研究[5-8]，制定了詳細的黑啟動試驗方案。在充分準備和局部試驗的前提下，成功地進行了初具實戰規模的電網黑啟動試驗，得到了豐富的電網黑啟動試驗數據，并進行了計算分析和經驗總結。

1 黑啟動試驗

1.1 試驗子系統

泰安電網以220 kV系統為主網架，內有石橫乙站、圣城熱電兩座電廠和具備自啟動能力的泰山抽水蓄能電站，總裝機容量2480 MW；地區負荷以農業、旅游負荷為主約1200 MW。

根據黑啟動子系統選擇原則，結合石橫電廠的接線方式，選擇一條距離最短，操作次數最少和操作時間最短的路徑。經過計算和分析，山東電網黑啟動試驗選擇路徑為：泰山電站1號機－蓄泰I線－泰山站220 kV 1A號母線－泰天I線－天平站220 kV 1號母線－天園線－桃園站220 kV 2號母線－高園線－高余站220 kV 1號母線－石高I線－石橫電廠56 A號啟備變。該路徑全長101.66 kM。圖2為試驗路徑示意圖。

圖1 泰安電網示意圖

圖2 試驗路徑示意圖

經計算分析，選擇該試驗路徑，泰安地區西部和中部電網運行方式可以建立，安全可靠，無穩定問題；泰山電站機組帶空線路恢復石橫電廠廠用電時，不會發生自勵磁；試驗過程中引起的工頻過電壓、操作過電壓和諧振電壓均在允許范圍之內。

1.2 試驗準備

黑啟動試驗工作組在泰山電站、石橫電廠等單位的大力協助下，逐一完成了黑啟動理論研究、方案調研、仿真計算、方案編制等準備工作。并對相關廠站設備現狀進行了評估，進行了多次階段性試驗。在綜合調研結論、設備評估、計算結果和電網實際的基礎上對在黑啟動試驗過程中涉及到的直流浮充、電力通訊、繼電保護、自動裝置、方式安排、子系統隔離、注意事項、應急管理等諸多方面做了明確安排，對相關單位的安全要求和組織措施也做了詳盡部署。特別是一次系統，對子系統與運行主網的隔離做了明確安排，所有路徑上各廠站的方式調整都必須有明顯斷開點；二次系統考慮系統盡快恢復和試驗的逼真性，黑啟動試驗過程中，220 kV系統快速保護正常投入，定值和投退方式不做調整，變壓器分接頭和中性點接地方式不做調整，黑啟動路徑上各線路重合閘停用，區域性安全自動裝置停用等。

1.3 試驗實施

試驗實施過程可分為四個階段。

第一階段：初始方式調整。為盡量縮短電網結構變化的時間，初始方式的調整在兩個發電廠、四個變電站同步操作。本階段的兩個關鍵點是：一是試驗子系統安全隔離。在所有路徑各廠、站空出試驗母線后必須有明顯斷開點，在開放式母線上至少拉開母聯開關的一把刀閘，在GIS母線上斷開母聯開關的兩側刀閘并做好相關嚴格的技術安全措施以保證母聯刀閘不會誤操作。二是準確選擇解列點。試驗子系統隔離的最后關鍵一步是子系統與主網的解列，而被解列的子系統實際上是多級的狹長的空充線路，因此選擇設備健康狀況良好、開關遮斷容量大、保護健全的開關尤為重要。按照這個標準選擇了500 kV泰山站的220 kV母聯200 A開關作為解列點。在初始方式調整完畢后，還安排了試驗采集設備和試驗線的安裝工作。盡管設備多、操作量大，但初始方式調整僅歷時3 h 14 min。

第二階段：石橫電廠機組安全停機。對于火電機組啟動，廠用電是關鍵，要模擬系統全停，還要模擬被啟動電源廠用電全停，油、汽系統的保安電源、直流浮充等相關調整十分復雜。因此6 kV、400 V廠用電系統的調整是整個階段的難點。本階段歷時50 min。

第三階段：黑啟動試驗。在設定泰山電站1號機調整子系統頻率、電壓的目標值（設定泰山電站調整電壓目標值為230 kV，調整頻率目標值為50.20 Hz），和確認勵磁調節系統、調速系統按自動方式調整后，省調值班調度員令各廠站啟動測量錄波器，校對時間。隨后泰山電站開啟柴油發電機帶自身廠用電，泰山電站1號機組開機，全電壓沖擊啟動路徑，石橫電廠啟備變、廠用電送電，石橫電廠5號機開機并列。本階段歷時2 h 50 min。

第四階段：試驗子系統恢復。黑啟動試驗成功后子系統與主網的并列恢復關鍵是同期并列，也是試驗收尾階段的關鍵環節。并列點也自然選擇在泰山站。根據華北電網的要求，泰山站于2008年底調整了新的同期并列裝置定值，新定值對于子系統和主網并列十分不利。針對此技術難題，項目組在三個方面開展工作：一是改進泰山電站機組調節能力，控制頻差和角差在技術范圍內；二是定檢泰山站自同期并列裝置并集中培訓操作人員；三是按照現場指揮的商定創造性的拉大合閘頻差，在可控范圍內犧牲小部分系統穩定性從而提高同期并列的成功率。試驗過程中，這些舉措十分有效可行，子系統和主網一次并列成功,全部方式恢復歷時1 h 24 min，大大縮短了試驗成功后的系統恢復時間。

2 試驗數據分析

2.1 泰山電站1號機組數據分析

黑啟動試驗期間，1號機組（278 MVA）及試驗相關設備、系統運行穩定，沒有出現異?，F象，具體的參數曲線如圖3所示。

從 11∶15到 11∶25，經歷了柴油機發電機啟動、1號機組自用配電盤帶電、1號機組升速、1號機組到達額定轉速（300 r/m）等操作步驟后，泰安抽水蓄能電站機組自身的黑啟動成功。11∶25∶33，1號機組出口開關合閘，帶變壓器零啟升壓，1號機組機端電壓在14 s內升至額定電壓。

1號機組運行期間頻率變化范圍在49.90～50.25 Hz之間，電網的頻率波動不超過0.25 Hz。發電機出口電壓變化范圍在15.87～15.60 kV之間。

1號機組運行期間，參數基本正常，雖然各部振動測點數值較機組正常運行時有所增大，但基本在正常范圍內。機組頂蓋振動1號測點出現多次瞬時報警，3號測點出現2次瞬時報警，主軸振動1號測點出現2次瞬時報警，這些振動報警均出現在機組帶小負荷運行時，說明機組帶小負荷運行，雖然整體情況允許，但機組振動尤其是機組尾水的水力脈動要遠惡劣于正常情況，因此應盡量減少機組帶超低負荷運行，即使需要超低負荷運行，也應盡量縮短運行時間。

圖3 1號機組主要運行參數曲線

2.2 黑啟動送電線路數據分析

11∶54∶37，220 kV 蓄泰 Ι線 211 開關合閘，1 號機組充長線路成功。線路末端暫態過電壓峰值380.85 kV，為額定峰值188 kV的2.02倍，在安全范圍內，過電壓倍數與仿真計算數值完全一致，如圖4所示。

圖4 泰抽廠1號機組空充220 kV線路，線路末端石橫廠母線暫態電壓

2.3 石橫電廠數據分析

2.3.1 啟備變空載充電

11∶56∶48，泰山電站帶空載長線的黑啟動小系統送電到石橫電廠220 kV變電站，對石橫廠啟備變進行空載充電。此過程中，變壓器勵磁涌流所引起的暫態電壓在安全范圍內，高壓側電流最大值70 A，電壓峰值253.95 kV，為額定峰值188 kV的1.35倍，不存在諧振過電壓問題，電壓的暫態波形如圖5所示。

圖5 空充石橫廠啟備變時變壓器電壓波形

2.3.2 啟動3300 kW的電動給水泵

石橫廠輔機啟動過程依次包括凝輸泵（75 kW）、空預器（18.5 kW*2）、閉式水泵（280kW*2）、循泵（1600 kW*2）、開式泵（220 kW*2）、凝泵(1000 kW*2)、 定冷泵 （30 kW*2）、 電動給水泵 （3300 kW）、爐水泵（210 kW*3）、送風機（1800 kW*2）、一次風機（1120 kW*2）、掃描風機（5.5 kW*2）、EH油泵（30 kW*2）、真空泵（60 kW*3）。 在啟動電動給水泵時，啟備變電壓暫態跌落幅值最大，達到了15.3%，在低壓保護的限值內，與仿真校驗的預期結果一致。如圖6所示。

圖6 石橫廠啟動3300 kW的電泵，電壓暫態跌落15.3%

2.4 黑啟動子系統與主網并列

14∶59∶13，泰山站 200 A 開關合閘，黑啟動子系統與主網并列。并列時刻，黑啟動子系統頻率為50.165 Hz，主系統頻率50.005 Hz。泰山電站1號在2～4 s之內無功出力由進相運行16.34 MVar轉而發出29.14 MVar，有功出力由11.92 MW增加到16.53 MW。如圖7所示。

圖7 泰山電站1號機在并網后無功出力變化

3 試驗結論

獲得了大量的黑啟動研究理論和試驗數據。實現了試驗系統內穩態與暫態數據的多廠站同期記錄，為試驗數據的深度分析提供了有力的保障。

泰山電站水電機組能維持子系統電壓、頻率穩定,能滿足空充線路安全運行的要求, 低負荷運行穩定要求,具有較強的進相能力和較好的強勵能力,可作為山東電網實現黑啟動的可靠電源點。

各級運行人員黑啟動實戰能力得到鍛煉。無論是省調值班員還是相關電廠、變電站運行人員在實際試驗操作中積累了經驗，得到了培訓，檢驗了黑啟動實戰能力，提高了處理大面積停電等突發事件的應急能力。

試驗的順利進行,驗證了山東電網黑啟動方案的可行性,達到了預期目標。

4 經驗總結

基礎工作扎實。針對黑啟動試驗的諸多難點，工作組協同各相關試驗單位作了較深入的研究，對于可能出現的異常情況在方案中編制了預案，通過調研和咨詢解決了許多技術難題，通過預備性階段試驗提前暴露出問題并提前解決，使整個試驗過程少走了很多技術彎路，種種前期鋪墊的基礎工作都扎實有效。

技術、安全、組織措施得力。在黑啟動試驗及后期方案修訂的過程中，工作組在管理制度、技術標準上發現了一些影響黑啟動順利成功的問題，這些問題主要表現在：黑啟動電源點的管理、變電站同期設備管理、地區主力火電廠的管理、調度操作管理、應急預案的專項管理五個方面。因此試驗籌備階段，工作組就子系統內相關廠站設備的直流系統、電力通信、繼電保護、安全自動裝置、調度自動化、方式安排等多個技術方面都做了詳盡的安排。在人員管理、設備特巡、電鐵保電、事故預想、注意事項等組織、安全要求也做了具體部署。

科學計算與試驗實際的充分結合。為保證試驗安全、順利的進行，工作組對黑啟動子系統的穩定運行、泰山電站機組帶空線路自勵磁問題、試驗過程中引起的工頻、操作和諧振電壓等問題進行了詳盡的仿真計算。利用仿真計算結果，多次修改了試驗細節，簡化了試驗步驟、優化了試驗方案，為試驗提供了有效的理論數據保障。

5 結束語

本次黑啟動試驗, 是在山東電網中的首次嘗試,也是對山東電網黑啟動預案相關各項工作的驗證和肯定，為進一步完善山東電網抗災應急機制和提高電力供應與安全保障能力提供了寶貴經驗。

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