黑啟動(dòng)綜述

張鵬巖

[摘要]闡述了黑啟動(dòng)的概念及黑啟動(dòng)遵循的一般原則，總結(jié)了黑啟動(dòng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。對黑啟動(dòng)過程中需要注意的問題進(jìn)行了概述。最后得出了一些結(jié)論。

[關(guān)鍵詞]電網(wǎng)；黑啟動(dòng)；方案

[中圖分類號]U665.12 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）06-0380-02

引言

近幾年來，在世界范圍內(nèi)，發(fā)生了多起電力系統(tǒng)大面積停電事故，增加了人們對電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的重視程度。國外電網(wǎng)在這方面有不少值得我們借鑒的案例，1977年7月的紐約大停電；1982年12月的加拿大魁北克全省大停電；1987年明的東京地區(qū)的停電；1996年美國西部電網(wǎng)連續(xù)兩次發(fā)生大面積停電事故；1996年明3日馬來西亞國家電網(wǎng)發(fā)生全國性大面積停電事故。

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模和容量的逐漸增大，對系統(tǒng)的供電安全也提出了更高的要求，研究電力系統(tǒng)全停或大面積停電后的黑啟動(dòng)意義重大。近年來國內(nèi)外相繼出現(xiàn)大的停電事故，這些停電事故不但在經(jīng)濟(jì)上造成了巨大的損失，而且對人民生產(chǎn)和生活造成了很大的影響，有的甚至對人民健康與生命造成了巨大的危害。2003年8月14日美加大停電事故是美國歷史上最為嚴(yán)重的大停電事故，其后英國倫敦、意大利等也出現(xiàn)了大面積停電事故。一旦發(fā)生全網(wǎng)系統(tǒng)大停電事故，如何快速穩(wěn)定地恢復(fù)系統(tǒng)供電，是保證電網(wǎng)安全的基礎(chǔ)。因此，研究電力系統(tǒng)事故后的黑啟動(dòng)問題具有非常重要的意義。

1 黑啟動(dòng)的概念

所謂黑啟動(dòng)是指整個(gè)系統(tǒng)因故障停運(yùn)后，不依賴別的網(wǎng)絡(luò)幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力機(jī)組啟動(dòng)，帶動(dòng)無自啟動(dòng)能力機(jī)組，逐漸擴(kuò)大系統(tǒng)恢復(fù)范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)。制訂黑啟動(dòng)方案，培訓(xùn)電網(wǎng)調(diào)度管理人員，已成為電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要措施之一，為惡性事故后盡量加快電網(wǎng)恢復(fù)，縮短停電時(shí)間提供了保障。

2 黑啟動(dòng)原則

2.1 目標(biāo)要求

電力系統(tǒng)恢復(fù)的總目標(biāo)是在最短時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)恢復(fù)帶負(fù)荷的能力，具體要求有2個(gè)：盡可能地用最小啟動(dòng)功率啟動(dòng)機(jī)組；制定嚴(yán)格的操作票制度，實(shí)現(xiàn)操作步驟最少。

2.2 恢復(fù)方法

一般電網(wǎng)全停后主要靠2種方法來恢復(fù)：從周邊還有電源的系統(tǒng)取得電源，用來恢復(fù)本地區(qū)的電網(wǎng)網(wǎng)架和啟動(dòng)本地區(qū)的主要電廠；利用本電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的、具有自啟動(dòng)能力的電廠首先啟動(dòng)，然后再逐步恢復(fù)系統(tǒng)。黑啟動(dòng)過程中應(yīng)優(yōu)先選擇前者。

2.3 方案的制定

在制定黑啟動(dòng)方案時(shí)需考慮下列原則：路徑中電壓轉(zhuǎn)換的次數(shù)盡量少；每個(gè)方案的路徑長度盡可能短；盡量先啟動(dòng)離重要負(fù)荷近的機(jī)組；每個(gè)方案開關(guān)操作次數(shù)盡量少；每個(gè)方案在啟動(dòng)容量允許的前提下，要選擇被啟動(dòng)機(jī)組的容量盡量大；便于主網(wǎng)架的快速恢復(fù)。

2.4 子系統(tǒng)劃分

針對黑啟動(dòng)的具體情況，黑啟動(dòng)時(shí)可以將電網(wǎng)劃分成為多個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)內(nèi)部可以同時(shí)進(jìn)行黑啟動(dòng)操作，以加速全系統(tǒng)的恢復(fù)。每一個(gè)子系統(tǒng)都應(yīng)有1個(gè)主網(wǎng)架，包括子系統(tǒng)內(nèi)的黑啟動(dòng)電源、主要電廠、樞紐變電站和重要負(fù)荷。子系統(tǒng)劃分原則如下：根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和黑啟動(dòng)電源所在的地理位置合理劃分子系統(tǒng)；各子系統(tǒng)至少有1個(gè)黑啟動(dòng)電源并具有較好的調(diào)頻調(diào)壓手段；各子系統(tǒng)應(yīng)具有明確可靠的同期并列點(diǎn)，子系統(tǒng)之間具有的合環(huán)點(diǎn)需要明確。

2.5 電源電廠的選擇

選擇黑啟動(dòng)電源的電廠時(shí)應(yīng)遵循下列原則：盡量選擇調(diào)節(jié)性能好的、啟動(dòng)速度快、具備進(jìn)相運(yùn)行能力的機(jī)組；優(yōu)先選用直調(diào)電廠作為啟動(dòng)電源，其次選用用戶電源；盡量選擇接入較高電壓等級的電廠；有利于快速恢復(fù)其他電源的電廠；距離負(fù)荷中心近的電廠。

2.6 恢復(fù)過程

黑啟動(dòng)中可以把恢復(fù)過程分為3個(gè)階段：形成獨(dú)立的子系統(tǒng)；各子系統(tǒng)的并列與合環(huán)；負(fù)荷的恢復(fù)，最終電網(wǎng)全面恢復(fù)正常運(yùn)行。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對黑啟動(dòng)技術(shù)的研究主要集中于針對具體的局部電網(wǎng)進(jìn)行黑啟動(dòng)方案的選擇及優(yōu)化以及黑啟動(dòng)過程中電氣量的計(jì)算和系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的校驗(yàn)上，并得出了一些一般性的結(jié)論。

文獻(xiàn)應(yīng)用模糊多準(zhǔn)則決策理論和方法建立了方案優(yōu)選模型。將黑啟動(dòng)方案的評價(jià)指標(biāo)體系中的定性和定量指標(biāo)及權(quán)重全部轉(zhuǎn)化為三角形模糊數(shù)，克服了定性與定量評價(jià)指標(biāo)不具可比性的缺點(diǎn)。采用模糊折衷型決策算法，對惠州電網(wǎng)的多個(gè)黑啟動(dòng)方案排序，選擇出了最佳的黑啟動(dòng)方案。文獻(xiàn)提出了一種模糊條件下的電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案有效性評估優(yōu)化算法，該算法基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（DEA）的模型，引入L-R模糊數(shù)和截集的概念，建立了模型，然后提取黑啟動(dòng)過程中的重要因素作為模型的輸入輸出指標(biāo)，通過計(jì)算得到模糊條件下的各黑啟動(dòng)方案有效性的客觀評價(jià)。文獻(xiàn)采用定性進(jìn)程理論設(shè)計(jì)了一個(gè)黑啟動(dòng)的定性推理模型，該模型主要用于表達(dá)制訂黑啟動(dòng)方案的一般策略。模型考慮了各類火電單元機(jī)組的啟動(dòng)特性，以及黑啟動(dòng)過程中系統(tǒng)的主要限制條件。通過對黑啟動(dòng)過程的詳細(xì)分析，定義了定性推理系統(tǒng)中相應(yīng)的個(gè)體視圖和進(jìn)程。

文獻(xiàn)針對天津電網(wǎng)的具體情況，對黑啟動(dòng)電源的選擇、路徑的選擇、電氣計(jì)算等問題進(jìn)行了討論。論述了黑啟動(dòng)電源為系統(tǒng)內(nèi)具有自啟動(dòng)能力的機(jī)組和系統(tǒng)外來電源2種情況；介紹了子系統(tǒng)的劃分及天津電網(wǎng)500kV、220 kV、110 kV電網(wǎng)的路徑選擇；重點(diǎn)分析了對確定黑啟動(dòng)電源及路徑參數(shù)的計(jì)算。用實(shí)例說明了子系統(tǒng)之間的合環(huán)，合環(huán)后穩(wěn)態(tài)電流和合環(huán)沖擊電流的計(jì)算；文獻(xiàn)結(jié)合浙江電網(wǎng)的實(shí)際情況確定了省、地兩級電網(wǎng)的黑啟動(dòng)電源，對黑啟動(dòng)過程中的自勵(lì)磁、過電壓、頻率和電壓穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定等問題進(jìn)行了分析，制訂了可操作的浙江電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案。文獻(xiàn)介紹了南川魚跳水電站黑啟動(dòng)方案，分析了成功黑啟動(dòng)的條件，并提出了水電站黑啟動(dòng)中存在的一些問題。文獻(xiàn)對華光潭電廠黑啟動(dòng)方案進(jìn)行可行性分析，并經(jīng)試驗(yàn)證明，華光潭電廠上下兩級電站共4臺機(jī)組在緊急情況下進(jìn)行黑啟動(dòng)是可行的。文獻(xiàn)探討河池電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案，在現(xiàn)有黑啟動(dòng)電源的基礎(chǔ)上，分別對2個(gè)黑啟動(dòng)子方案進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，得出河池電網(wǎng)黑啟動(dòng)實(shí)施方案。分析研究了黑啟動(dòng)過程中應(yīng)注意的問題，對黑啟動(dòng)電源的選取、自勵(lì)磁、過電壓以及逐步恢復(fù)系統(tǒng)負(fù)荷等方面進(jìn)行了研究和驗(yàn)證計(jì)算。結(jié)合昆明地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和地區(qū)負(fù)荷特點(diǎn)，全面闡述了地區(qū)電網(wǎng)在發(fā)生“全黑”故障的情況下，怎樣恢復(fù)到正常供電的整個(gè)過程，并就恢復(fù)過程中可能遇到的問題作了深入研究，提出了切實(shí)可行的解決方法。分析黑啟動(dòng)恢復(fù)過程中需要注意的一些事項(xiàng)。

研究了蘇丹電網(wǎng)的黑啟動(dòng)方案，通過分析蘇丹電網(wǎng)運(yùn)行薄弱環(huán)節(jié)，比較多個(gè)黑啟動(dòng)的實(shí)施方案，總結(jié)出蘇丹電網(wǎng)黑啟動(dòng)過程中應(yīng)遵守的基本原則和需要考慮的諸多因素，為保證蘇丹電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提出了可靠性的建議。則專門對黑啟動(dòng)過程中電氣計(jì)算及校驗(yàn)的方法進(jìn)行了詳細(xì)論述。對黑啟動(dòng)過程中發(fā)生的小系統(tǒng)安全穩(wěn)定性進(jìn)行了原理簡述，并進(jìn)行了仿真分析，證明了該方法的有效性。

另外，不少文章專門針對黑啟動(dòng)過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了深入研究。針對上海電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)中出現(xiàn)黑啟動(dòng)初始階段，在小系統(tǒng)空載運(yùn)行的情況下，由于逆功率保護(hù)而往往發(fā)生機(jī)組并車失敗的關(guān)鍵技術(shù)問題。利用RTDS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，結(jié)合調(diào)研結(jié)果，針對這些問題進(jìn)行了專題研究。提出了系統(tǒng)空載運(yùn)行機(jī)組并車失敗的原因，確定電壓下降是影響小系統(tǒng)安全運(yùn)行的最主要因素，介紹了相應(yīng)的解決方案，以確保電網(wǎng)一旦崩潰時(shí)黑啟動(dòng)預(yù)案的正常實(shí)施。并在燃機(jī)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間的等值電路，提出了啟動(dòng)電源容量選擇的方法，分析了影響啟動(dòng)容量選擇的相關(guān)因素，并計(jì)算了閘電燃機(jī)的啟動(dòng)電源容量。

研究了黑啟動(dòng)中的負(fù)荷恢復(fù)與系統(tǒng)并網(wǎng)問題，將基于直角坐標(biāo)的最優(yōu)乘子牛頓潮流法與靈敏度技術(shù)相結(jié)合，采用連續(xù)線性規(guī)劃法對負(fù)荷恢復(fù)階段出現(xiàn)的N-1潮流不可行和狀態(tài)越限問題建立了恢復(fù)控制的模型和算法。然后建立了負(fù)荷恢復(fù)階段仿真各子系統(tǒng)頻率變化過程的模型和算法，針對子系統(tǒng)的并網(wǎng)問題建立了基于連續(xù)線性規(guī)劃的并網(wǎng)壓差發(fā)電調(diào)度算法，有效地解決了并網(wǎng)電壓差優(yōu)化控制問題。用標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)和實(shí)際電網(wǎng)的數(shù)值仿真試驗(yàn)證明了模型和算法的有效性。引用2004年8月一次強(qiáng)度超常的臺風(fēng)“云娜”肆虐浙江沿海地區(qū)造成電網(wǎng)解體的例子，以此來分析供電系統(tǒng)同期并網(wǎng)存在的問題，并提出了解決方案。通過論述電力系統(tǒng)恢復(fù)的步驟和策略，分析了黑啟動(dòng)電源對電力系統(tǒng)恢復(fù)的影響。建立了以社會停電損失最小為目標(biāo)的黑啟動(dòng)電源規(guī)劃模型，用以優(yōu)化黑啟動(dòng)電源的安裝位置及容量。模型考慮了2種情況，分別研究黑啟動(dòng)電廠對口支援非黑啟動(dòng)電廠和互聯(lián)電網(wǎng)情況下黑啟動(dòng)電源規(guī)劃問題，并考慮了用戶停電損失率隨時(shí)間變化的問題。應(yīng)用遺傳算法求解互聯(lián)電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源規(guī)劃問題，并給出算例對所提出的規(guī)劃模型進(jìn)行了驗(yàn)證。最后總結(jié)了影響黑啟動(dòng)電源布置的因素。

3.2 國外研究現(xiàn)狀

國外對黑啟動(dòng)的研究重點(diǎn)放在對電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案的制定及其建模與仿真上。對意大利局部高壓電網(wǎng)的黑啟動(dòng)及恢復(fù)運(yùn)行進(jìn)行了建模仿真。針對實(shí)際電網(wǎng)制定了電網(wǎng)崩潰之后的黑啟動(dòng)計(jì)劃，結(jié)果表明該方案有效、可靠。介紹了利用專家系統(tǒng)來引導(dǎo)電網(wǎng)黑啟動(dòng)的方法。詳細(xì)介紹了電力系統(tǒng)全停后黑啟動(dòng)的有關(guān)原理及其理論分析。

則應(yīng)用模糊控制規(guī)則對電網(wǎng)黑啟動(dòng)進(jìn)行仿真和分析，最后得出結(jié)論：用模糊規(guī)則控制電網(wǎng)黑啟動(dòng)的方法更可靠。

4 黑啟動(dòng)過程中應(yīng)注意的問題

黑啟動(dòng)的過程一般是指當(dāng)大范圍停電至廠用電全失的情況下，在預(yù)先制訂好的黑啟動(dòng)方案及潮流計(jì)算的指導(dǎo)下，將整個(gè)停電范圍分解成數(shù)個(gè)小網(wǎng)。在各個(gè)小網(wǎng)中，選用的黑啟動(dòng)電源一般是水輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)。由于我國燃?xì)廨啓C(jī)較少，因此以水輪機(jī)為例。水輪機(jī)輔機(jī)少，廠用電少，啟動(dòng)速度快，是理想的黑啟動(dòng)電源。由蓄電池供給水輪機(jī)組直流勵(lì)磁電流，壓力油罐儲存的壓力油開啟水電機(jī)組的進(jìn)水閘門先實(shí)行黑啟動(dòng)。再對空載長線路空充，適時(shí)恢復(fù)部分負(fù)荷和其它機(jī)組，最終實(shí)現(xiàn)各個(gè)小網(wǎng)的同期并列。

在黑啟動(dòng)的過程中，需重視的問題有：

①因發(fā)電機(jī)在帶空充長線路時(shí)可能引起的自勵(lì)磁；②線路末端工頻過電壓和暫態(tài)過電壓；③在空載長線路的合閘過程中可能出現(xiàn)的勵(lì)磁電流過零，合閘過電壓；④黑啟動(dòng)初期的低頻振蕩；⑤恢復(fù)負(fù)荷時(shí)的頻率；⑥繼電保護(hù)配合；⑦當(dāng)數(shù)個(gè)小網(wǎng)并列時(shí)同期點(diǎn)選擇；③系統(tǒng)初步恢復(fù)時(shí)的穩(wěn)定。

自勵(lì)磁問題是指因發(fā)電機(jī)在帶空充長線路時(shí)相當(dāng)于帶了一個(gè)容性負(fù)載，此時(shí)甚至在發(fā)電機(jī)沒有勵(lì)磁電流的極端情況下，若轉(zhuǎn)子有剩磁，則機(jī)端產(chǎn)生的微小電壓會產(chǎn)生一個(gè)容性電流，這個(gè)電流對發(fā)電機(jī)反過來產(chǎn)生助磁效應(yīng)（這是一個(gè)正反饋的過程），隨著勵(lì)磁電流的增大，機(jī)端電壓也急劇增高。但由于實(shí)際上存在飽和問題，機(jī)端電壓不會無限制升高。產(chǎn)生自勵(lì)磁的判據(jù)為。

在小負(fù)荷情況下，越接近線路末端，工頻過壓越高。而在電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，對工頻過壓的限制是110kV及220kV線路工頻過壓不得超過1.3倍。合閘時(shí)可能產(chǎn)生的操作過壓是由斷路器操作和故障產(chǎn)生的過渡過程引起的，在規(guī)程中規(guī)定是不得超過3倍。

發(fā)電機(jī)在空載帶長線路的合閘過程中由于突然受到一個(gè)大的無功沖擊，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓上升的同時(shí)，勵(lì)磁電流減小以至有過零趨勢。

系統(tǒng)頻率和負(fù)荷有關(guān)，在恢復(fù)負(fù)荷過程中，既要保證非自啟動(dòng)機(jī)組獲得最大的啟動(dòng)功率，又要保證系統(tǒng)恢復(fù)部分負(fù)荷以使有功平衡。負(fù)荷恢復(fù)過慢會使得黑啟動(dòng)時(shí)間變長而可能導(dǎo)致失敗，負(fù)荷恢復(fù)過快又會使得系統(tǒng)頻率下降導(dǎo)致黑啟動(dòng)失敗。通常，恢復(fù)負(fù)荷的速度不應(yīng)在頻率比之前下降0.5Hz。

在黑啟動(dòng)初期，—般是帶長線路重負(fù)荷可能出現(xiàn)低頻振蕩。此時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整負(fù)荷和送電線路，盡量避免多電壓等級，超長線路送電，在允許范圍內(nèi)盡量先送重要負(fù)荷，還可以投運(yùn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器來提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

因?yàn)楹趩?dòng)過程中的電網(wǎng)和正常狀態(tài)下的電網(wǎng)有很大差異，所以應(yīng)對保護(hù)定值做必要的修改，防止保護(hù)拒動(dòng)、誤動(dòng)。同時(shí)由國內(nèi)的數(shù)次黑啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)可知，此時(shí)逆功率保護(hù)易誤動(dòng)，應(yīng)將其改為信號。

當(dāng)數(shù)個(gè)小網(wǎng)并列時(shí)，應(yīng)將自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置改投手動(dòng)，以免出現(xiàn)并列不上系統(tǒng)振蕩的情況。

初步恢復(fù)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)容量較小且極為薄弱。若發(fā)生大干擾情況，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定與否極成問題。對于多機(jī)系統(tǒng)，若此時(shí)各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間相角不斷變化，使得系統(tǒng)的電壓電流不斷振蕩，則系統(tǒng)不能保持暫態(tài)穩(wěn)定。這可以通過計(jì)算在發(fā)生單相接地短路、三相短路、兩相短路后，各發(fā)電機(jī)組間相對角度隨時(shí)間的變化來判斷，若此相對角度隨時(shí)間不斷增大且超過180°，則系統(tǒng)將不能維持同步運(yùn)。

5 我國的黑啟動(dòng)情況

我國電網(wǎng)目前實(shí)行的統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理的“四統(tǒng)一”體制，保證了現(xiàn)階段電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。這種統(tǒng)一分層調(diào)度管理體制和美國的分散式調(diào)度管理相比使得發(fā)生大面積停電的可能性大大降低。北京、湖南、廣東等地也紛紛出臺了黑啟動(dòng)措施。

6 結(jié)束語

電網(wǎng)的黑啟動(dòng)恢復(fù)是一個(gè)綜合的系統(tǒng)工程，科學(xué)有效的恢復(fù)控制措施意義重大。人工智能技術(shù)及最優(yōu)化方法廣泛應(yīng)用于恢復(fù)方案的制定，對于方案的評估也已歸結(jié)為多目標(biāo)評價(jià)問題；頻率穩(wěn)定控制目前主要著眼于更精確的發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、負(fù)荷模型的研究；無功電壓控制的研究出了使用靈敏度分析、模糊數(shù)學(xué)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法外，對于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的精確建模的研究也是必要的；此外，對于運(yùn)行方式的巨大變化導(dǎo)致二次設(shè)備的調(diào)整、線路不平衡參數(shù)的影響、低頻振蕩以及電力市場環(huán)境下輔助服務(wù)的補(bǔ)償?shù)葐栴}也是正在研究的熱點(diǎn)。

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