電力系統黑啟動研究

摘要：電力系統發生大停電事故甚至全停后，如何快速可靠地進行黑啟動恢復，對于滿足用戶的供電需求、減少停電損失具有重要意義。概述了國內外黑啟動的研究歷程，歸納了黑啟動過程的三個不同階段，總結了黑啟動過程中可能出現的問題，最后結合電力系統的最新發展趨勢分析了黑啟動有待深入研究的問題。

關鍵詞：電力系統；黑啟動；系統恢復

作者簡介：戴小俊（1981-），男，江蘇丹陽人，昆明供電局，工程師。（云南 昆明 650000）

中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）33-0148-02

隨著能源結構的優化調整和清潔能源的快速發展，電能所占能源消耗的比例逐漸增高，用戶對電能的依賴程度不斷增強，對系統運行的可靠性和安全性要求也不斷提高。電力系統規模的日益擴大，風能、太陽能等新能源發電的大規模并網，使得系統運行與控制的復雜度越來越高，發生大面積停電的風險也日益增大，對實現電能的安全傳輸和可靠供應提出了重大挑戰。[1]

近年來，大停電事故[2]的不斷發生給電力系統的安全運行敲響了警鐘。為了不斷提高系統運行安全性和可靠性，減少事故對社會穩定和經濟效益的影響，要求電力系統根據自身結構特點研究制訂黑啟動方案。

黑啟動是指電力系統發生大停電事故甚至整個系統停運后，利用系統中具有自啟動能力的發電機組啟動，帶動其他發電機組，在盡量短的時間內實現整個系統的正常運行。[3]

一、研究歷程

隨著電力系統的不斷發展，為避免大停電事故的發生，黑啟動受到了世界范圍的廣泛關注。自20世紀80年代起，國外研究人員就對黑啟動進行了相關研究，并明確了黑啟動過程中所需解決的問題，制定了黑啟動方案的基本原則及需注意的技術問題，如北美電力可靠性委員會（NPRC）1997年制定了有關黑起動的規劃標準。美國學者曾利用遙遠小水電廠作為黑啟動電源，針對內布拉斯加電力系統制定了相關黑啟動方案。[4]

近年來，國內對黑啟動也進行了研究。1999年，針對華東電網黑啟動問題，上海交通大學和華東電力調度局進行了仿真研究，并認真探討了發電機自勵磁、過電壓等黑啟動過程中可能出現的問題。2000年頒布的《電力系統安全穩定控制技術導則》專門增加了黑啟動的內容。同年，華北電網成功地進行了國內首次黑啟動試驗。[5]之后湖北電網、貴州電網[6-8]等進行了現場工業試驗及研究，為緊急事故下應對電網大面積停電事故積累了寶貴經驗。

二、黑啟動的主要研究內容

根據恢復不同時期電力系統的特點，可以把黑啟動過程分為三個階段，即黑啟動階段、網架重構階段及負荷恢復階段。

1.黑啟動階段

在黑啟動階段，黑啟動電源向跳閘的具有臨界時間限制的機組提供電源，使其恢復發電能力，重新并入電網，并形成獨立的子系統。黑啟動階段的關鍵在于如何選取黑啟動電源、合理劃分子系統。[9，10]

（1）黑啟動電源的確定。黑啟動電源主要包括三種類型。第一類黑啟動電源是指本身具有自啟動能力的機組，第二類黑啟動電源為事故后殘存的機組或孤島，第三類黑啟動電源為相鄰系統的支援。[10]一般選擇第一類電源為黑啟動電源，通常為水電機組或燃氣機組。現階段，隨著分布式電源的不斷接入，在電網發生大停電甚至全黑狀態時，某些分布式電源由于其微網運行特性也可作為黑啟動電源，對電網進行供電恢復。

（2）子系統劃分。黑啟動階段，子系統的劃分可看作將系統內的電廠、變電站及負荷劃分為若干不同的分組，且每個分組中至少包含一個黑啟動電源。在各個子系統內，利用黑啟動電源向其他電源供電，并進行子系統重構。

在進行子系統劃分時，需要考慮以下原則：[12-15]子系統劃分應盡量避免電網結構的大幅變化；各子系統內必須包含具備自啟動能力的機組；各子系統應具有足夠的發電能力，滿足恢復過程中電壓、頻率和負荷恢復的要求；各子系統內必須包含足夠的負荷，保持恢復過程中的功率平衡；避免長距離大功率輸電；系統間電氣聯系少；具備并網條件。

2.網架重構階段

網架重構階段需要充分利用黑啟動階段已經恢復的發電容量，通過依次啟動重要機組及投入主要輸電線路逐步建立穩定的網絡架構，為負荷的全面恢復奠定基礎。[10]

針對不同的恢復目標，網架重構可分為面向機組恢復的網架重構和面向負荷恢復的網架重構。面向機組恢復的網架重構，其主要目標是恢復未啟動機組的供電；面向負荷恢復的網架重構，其主要目標是盡快恢復重要負荷的供電。[16，17]網架重構實質上就是求解最優送電路徑，不論是給未啟動機組供電，還是給負荷供電。網架重構要求尋找網絡中恢復供電節點到目標節點的最短供電路徑，以便加速系統網架重構進程，縮短供電恢復時間。

3.負荷恢復階段

負荷恢復階段要求全面快速地恢復負荷，逐步合并各子系統。其主要目標是盡快地恢復最多的負荷。約束條件主要包括電壓、線路、變壓器的熱穩定以及系統頻率。[9-10，18]

負荷的增加一般是離散的，希望在網絡結構不變的情況下系統能恢復最多的負荷，并滿足所有的約束。負荷恢復的目標函數可以描述如下：[19，20]

約束條件為：

（1）

（2）

（3）

其中Li為節點i的負荷量；Wi為相應負荷的權重，權重愈大說明負荷愈重要；Ci為該負荷的投退狀態，取1或0；x表示狀態變量，u表示控制變量，Au表示系統運行可行域。式（1）為潮流約束方程，式（2）為系統頻率上下限、節點電壓上下限、發電機出力上下限等。

三、黑啟動注意事項

1.發電機自勵磁

自勵磁是指無勵磁發電機帶過大容性負荷狀態下可能發生的一種現象。在電力系統進行黑啟動時，由于系統內水電廠與火電廠分布距離通常較遠，作為黑啟動電源的水電機組需要通過較長空載線路對火電廠進行供電恢復。一旦線路合閘，會產生顯著的電容效應，進而引發自勵磁。[11，21]為避免啟動過程中自勵磁現象的發生，在制訂黑啟動方案時需進行自勵磁校驗。黑啟動過程中，一般通過增加系統無功負荷消除自勵磁。

2.過電壓

黑啟動過程中，通常選擇水電機組作為啟動機組，而被啟動機組一般為火電機組，通常需要經過高電壓、長距離的輸電線路進行供電恢復，從而過電壓情況比較嚴重。電壓過高則會導致發電機欠勵，甚至自勵和不穩定，因而在黑啟動過程中必須考慮過電壓問題。[20]黑啟動過程中開關操作較為頻繁，可能產生操作過電壓，因而在判斷黑啟動方案的可行性時必須校驗可能產生的操作過電壓，看其是否在系統電壓的允許范圍內。正常運行狀態下，三相不同期合閘產生的沖擊電壓最為嚴重，因而過電壓評估一般考慮電源電壓幅值最大且三相不同期合閘的情況。若這種情況下能夠滿足系統要求，采用該方案必然可以保證系統的穩定性。[21，22]

3.低頻振蕩

隨著電網的不斷互聯，規模不斷擴大，系統間電氣距離愈來愈遠，阻尼性能較差，易導致低頻振蕩的發生。黑啟動恢復初期系統相對薄弱，且多為超高壓遠距離送電，易發生低頻振蕩。為保證系統頻率的穩定，需要合理調整潮流分布或選擇性加入PSS。

4.系統穩定性

采取黑啟動方案對大停電系統進行供電恢復后，系統結構比較脆弱，安全性和穩定性差，受到擾動時就可能發生失穩。在黑啟動過程中，為避免系統受到擾動而失穩，電網再次解列，黑啟動失敗，因而有必要對系統的暫態穩定性進行評估。在黑啟動方案穩定性評估中，參照《電力系統穩定導則》的要求，一般按單相短路接地的單一故障來考察方案重建小系統的穩定性。[3，21-22]

5.合環并網

黑啟動過程中，各子系統成功恢復后需解決子系統的同步并網問題。在并網合環操作時會產生一定的合環電流，影響電網運行的安全性和穩定性，而合環電流過大甚至導致系統失穩、電網解列、黑啟動失敗。為保證黑啟動的順利進行，應對電網合環并網過程進行計算校核。根據我國電力調度規程規定，在合環并網時，分區運行的電網應滿足相位要求、電壓差在20%以內等條件。一般按照合環并網瞬間合環點兩側的電壓和相角來計算合環沖擊電流，并判斷此時黑啟動過程中各系統是否穩定。[3，11，23]

四、展望

新能源發電形式并網后，一方面為黑啟動提供了更多的啟動電源選擇；另一方面，其中大量的波動性電源也使得黑啟動問題更為復雜。如何充分利用這一類型電源，又盡量簡化其調度控制的復雜性以縮短黑啟動恢復的時間就成為必須解決的問題。

五、結語

智能電網環境下，大量不同類型新能源接入、網架結構更為復雜、運行方式更為靈活多變，不同區域間的互聯也愈加緊密，一旦發生故障就可能引起“鏈式反應”，導致系統發生大停電甚至整個系統停運。結合工程現場實際制訂合理的黑啟動方案對系統進行供電恢復，對減少大停電事故所引起的經濟損失和社會影響具有重要意義。

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（責任編輯：王祝萍）