山東電網500 kV系統黑啟動試驗方案研究

喬立同，劉傳良，廖大鵬，傅磊，王勇，邱夕兆

（山東電力調度控制中心，山東濟南250001）

山東電網500 kV系統黑啟動試驗方案研究

喬立同，劉傳良，廖大鵬，傅磊，王勇，邱夕兆

（山東電力調度控制中心，山東濟南250001）

研究山東電網500 kV系統黑啟動試驗，確定黑啟動電源和方案。分析黑啟動過程中的發電機自勵磁、工頻過電壓、頻率和電壓穩定、廠用負荷恢復以及小系統的穩定性等問題，首次提出利用零起升壓方式進行通道恢復的概念和方法，并進一步分析黑啟動過程中應注意的問題。山東電網500 kV系統黑啟動試驗的成功證明所選方案及分析計算的有效性和合理性。

黑啟動；試驗方案；自勵磁；過電壓；穩定性

0 引言

隨著電力系統相關理論和技術的不斷成熟，電網建設得到空前迅速的發展，世界各國相繼出現了許多跨地區甚至跨國的大電網和超級大電網，電網結構日趨合理，防范和抵御事故的能力日益提高。但是因為大電網的復雜性和龐大性，一旦發生大面積停電或電網全網停電事故，電網的恢復過程也變得空前復雜，因此現代大電網并不是無懈可擊。從20世紀60年代開始，一些國際著名的大電網就相繼出現了大停電事故。尤其是近幾年來發生的多起大停電事故，如2003年8月14日美國加拿大大面積停電和意大利停電事故、2005年5月25日俄羅斯莫斯科大面積停電事故和2005年8月18日涉及首都雅加達在內的印尼大停電事故等，都給國民經濟和人民生活，以及電力系統本身帶來了空前的損失，并造成了嚴重影響。因此，如何使電網盡快恢復供電，以減少停電帶來的損失，成為各大電網所面臨的嚴峻問題。

在大停電事故屢有發生的背景下，黑啟動試驗作為黑啟動能力維持水平的檢驗方式已經被逐漸接受。意大利較早開展了黑啟動例行試驗，取得的成果在2003年全國大停電中發揮了顯著作用［1］。受美加8.14大停電影響，北美電力可靠性委員會在新制定的電力可靠性標準中要求各大電網公司每5年進行1次黑啟動試驗以考核電網黑啟動實際能力［2］。近年來，我國也相繼開展了黑啟動試驗［3-8］。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了國內首例電網黑啟動試驗［4］；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進行了黑啟動試驗［5］；2006年6月，天津電網利用燃氣輪機進行了電網黑啟動試驗［6］。國內部分學者也對電網黑啟動進行了深入研究［9-14］。在此背景下，山東電網于2012年11月成功進行了500 kV系統黑啟動試驗，試驗采用零起升壓方式。

1 黑啟動電源及方案的選擇

黑啟動電源通常首選是水電機組，如抽水蓄能機組。與火電、核電機組相比，水輪發電機結構簡單，沒有復雜的輔機系統，廠用電少，啟動速度快，因此是理想、方便的啟動電源［9-11］。山東電網以火電機組為主，只有泰山抽水蓄能電站具有大型可自啟動水電機組。泰山電站機組自投產后，就將機組黑啟動作為一個獨立工況和電站必備功能。泰山電站全停后，首先由站內柴油發電機啟動廠用電，然后啟動水輪機發電。一次接線如圖1所示。

圖1 泰山電站一次接線

裝機容量達4 575 MW的鄒縣電廠是山東電網內部的重要電源之一。黑啟動狀態下鄒縣電廠發電機組的首先恢復，對于山東電網的快速全面恢復意義重大。同時，泰山電站與鄒縣電廠電氣距離較近，可以在短時間內，以盡量少的操作步驟恢復鄒縣電廠500 kV母線，進而可以通過其2號聯變為5號機組提供作為機組啟動電源的廠用電。試驗選擇鄒縣電廠5號機組（600 MW）作為被啟動機組。鄒縣電廠一次接線如圖2所示。

根據黑啟動路徑選擇原則，選擇一條距離最短，操作次數最少，操作時間最短的路徑，同時還要確保電網的安全可靠。結合鄒縣電廠的接線方式，選取的黑啟動路徑如圖3所示。

圖2 鄒縣電廠一次接線圖

圖3 黑啟動路徑

2 試驗方案仿真計算

2.1 鄒縣電廠6 kV動力負荷

鄒縣電廠6 kV動力負荷啟動順序有兩種方式。

方式1：開式水泵→電動給水泵→循環水泵→凝結水泵→真空泵→前置泵→凝升泵→循環水泵→前置泵。

方式2：循環水泵→開式水泵→吸風機→送風機→一次風機→磨煤機→吸風機→送風機→一次風機→磨煤機→磨煤機→磨煤機→磨煤機。

兩種方式同時進行，且規程規定不允許同時啟動兩臺6 kV設備。鄒縣電廠6 kV動力負荷情況見表1。

表1 鄒縣電廠6 kV動力負荷

2.2 仿真計算過程

由于存在500 kV長線路大容量充電無功與大容量電動機高無功沖擊的矛盾，在仿真驗證時首次運用了加拿大的全數字實時仿真系統RTDS進行計算，為實際操作提供安全量化指標。

為了避免泰山電站1號機黑啟動鄒縣電廠5號機過程中出現各類安全問題，對整個黑啟動過程進行了暫態過電壓、電壓穩定、潮流計算、小干擾穩定、電動機啟動、發電機自勵磁、暫態穩定、變壓器充電勵磁涌流與諧振計算。經過全面的分析和校驗，推薦圖4所示的黑啟動運行方式。

2.2.1 泰山電站1號機帶系統零起升壓（階段1）

經仿計算，泰山電站1號機黑啟動帶220 kV蓄泰I線、泰山站2號主變、500 kV鄒泰線、鄒縣電廠2號聯變及03A、03B號高備變零起升壓，可以成功進行黑啟動。泰山電站1號機端電壓零起升壓至1.02 pu，即16.065 kV時，系統運行方式如圖5所示。

零起升壓時，鄒泰線末端電壓、泰山電站1號機的機端電流逐漸上升，沒有諧波成分，如圖6所示。

2.2.2 鄒縣電廠5號機廠用大型電動機負荷順序投入（階段2）

圖4 推薦的黑啟動運行方式

圖5 泰山電站1號機端電壓為1.02 pu時系統運行方式

電壓暫態穩定校驗。電動機容量越大，對電網的沖擊越大。試驗中容量較大的電機有6 650 kW電動給水泵、2 500 kW循環水泵和2 640 kW吸風機。在推薦方式下，啟動時暫態電壓下降幅度處于可接受范圍內。其中，鄒縣廠6 650 kW電動給水泵投入時母線電壓降落幅度最大。投入前母線電壓為6.8 kV，投入后母線電壓最低為5.36 kV（0.85 pu），恢復時間需要9 s，如圖7所示。

圖6 零起升壓時鄒泰線末端電壓

圖7 鄒縣廠電動給水泵投入時母線電壓下降過程

電壓靜態穩定安全域。在推薦的運行方式下，如果帶廠用電過程中不進行變壓器分接頭和機端電壓二次調整，負荷帶到一定程度將會發生電壓崩潰事件。因此，嚴格按照給定的運行方式，在不做調整的情況下，計算了電壓穩定安全域。設5號機的廠用電負荷在6 kV I段到IV段平均分布，則每段有功的上限都為23.7 MW，無功功率的上限為21.7 Mvar。隨著廠用電負荷的增加，靜態電壓將逐漸下降，在總負荷超過94.8 MW+86.8 Mvar時，將發生電壓崩潰，如圖8所示。黑啟動過程中鄒縣電廠廠用電負載總量為35.262 MW，處于安全域范圍內。

2.3 仿真計算結論

電壓。采用零起升壓方式，泰山電站1號機組帶220 kV蓄泰I線、500 kV泰山站2號主變、500 kV鄒泰線、鄒縣電廠2號聯變、鄒縣電廠03A、03B號高備變，從零電壓以秒級以上時間升到1.02倍額定電壓。

圖8 推薦黑啟動運行方式電壓穩定極限

并聯電抗、電容器。500 kV泰山站與鄒縣電廠的35 kV低壓并聯電抗器和并聯電容器全部退出。

變壓器。泰山電站1號主變，泰山站2號主變，鄒縣廠2號聯變的分接頭保持不變。鄒縣廠03A、03B號高備變分接頭由位置7調整到位置17。

3 試驗實施

3.1 泰山電站操作時序

黑啟動試驗操作時序包括依次執行的5個部分：試驗前準備、初始方式調整、二次系統調整、黑啟動試驗、黑啟動子系統恢復。從2012年11月20日零時開始，至14∶40結束。

試驗前準備（00∶00—00∶20）。泰山電站所有設備均已滿足黑啟動試驗前要求，上下水庫水位均在試驗要求范圍內；故障錄波器已接入試驗系統并調試正常（確認能夠測量1號機機端電壓、發電機定子電流、發電機勵磁電流、發電機勵磁電壓、發電機頻率、發電機有功、無功，220 kV 1號母線電壓、蓄泰I線電壓、電流、試驗系統頻率）。現場試驗接線、安全措施已做好，人員已撤離，黑啟動試驗可以開始。

黑啟動試驗初始方式調整（00∶20—06∶20）。停用220 kV蓄泰I線重合閘；泰山電站黑啟動系統轉冷備用，做好黑啟動準備。

黑啟動試驗二次系統調整（06∶20—08∶20）。確認1號機強勵、失磁保護已退出，試驗系統中所有元件的啟動非試驗系統元件失靈保護的壓板（控制字）已退出；確認1號機過壓、過流、定子過負荷保護時間定值均已改為0.3 s。

黑啟動試驗（8∶20—11∶50）。校對時間，啟動測量錄波器；1號機黑啟動，帶黑啟動系統（含03A、03B號高備變）零起升壓；1號機機端電壓目標值1.02 pu，頻率調整目標值為50.20 Hz（勵磁調節系統、調速系統按自動方式調整）；鄒縣電廠5號機開機，與主網同期并列。

黑啟動子系統恢復（11∶50—15∶30）。將1號機頻率調整目標值改為50.10 Hz，試驗子系統與主網同期并列；1號機解列，恢復廠用電正常方式；按定值單要求恢復1號機過壓、過流、定子過負荷保護時間定值；泰山電站一、二次系統恢復方式；按定值單要求恢復試驗系統所有元件啟動非試驗系統元件失靈保護的壓板（控制字），拆除試驗線及測量裝置。

3.2 鄒縣電廠操作時序

依據火電廠黑啟動操作規范規定，鄒縣電廠5號機黑啟動操作時序包括5個階段：試驗前檢查設備運行條件；試驗線路、母線空出操作；試驗機組進入黑啟動可控狀態；黑啟動階段操作；系統恢復正常狀態操作。時間從2012年11月19日13時開始，至20日16∶20結束。

試驗前準備（19日13∶00—20日00∶00）。11月19日下午5號機組各系統運行正常，所有試驗測量裝置已準備好，接線工作已經結束，具備測量條件。

初始方式調整，空出試驗路徑（20日00∶00—05∶06）。20日零點黑啟動試驗正式開始，02∶57空出220 kV 1號母線，05∶06空出500 kV 1號母線。

進入黑啟動可控狀態操作（05∶55—08∶50）。檢查5號機6 kV、400 V各母線運行正常，各輔機等設備運行正常；5號機安全停機；將03號高備變分接頭由7調至14，6kV母線電壓6.85kV，拉開220kV母聯210開關及210-1、210-2刀閘，5號機組進入黑啟動初始方式。

黑啟動階段操作（08∶50—13∶35）。泰山電站1號機黑啟動帶220 kV蓄泰I線、泰山站2號主變、500 kV鄒泰線、鄒縣電廠2號聯變及03A、03B號高備變零起升壓；檢查確認03A、03B號高備變充電正常，檢查5號機6 kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段備用電源進線電壓正常；5號機6 kV母線送電。220 kV 1號母線電壓達到226.9 kV，6 kV母線電壓為6.6 kV，將03號高備變分接頭由14調至16，6 kV母線電壓6.8 kV；5號機汽機、鍋爐400 V PDC變壓器及母線送電，恢復廠用電系統至正常運行方式；根據黑啟動試驗盡量帶負荷要求，啟動5號機組大功率設備；5號機主汽壓力6.6MPa，再熱汽壓力1.2MPa，主汽溫度462℃，再熱汽溫度446℃，旁路流量240 t／h，凝汽器真空-96.2 kPa，汽輪機沖轉，停用盤車電機備用；500 kV第四串聯絡5042開關與主網同期并列，閥切換后增帶負荷；啟動B前置泵運行，B小機沖轉；試驗子系統與主網并列。

系統恢復正常狀態操作（13∶35—16∶20）。調整恢復03A、03B號高備變分接頭，6 kV段母線切至正常電源供電；5號機正常升帶負荷。

4 數據分析

4.1 試驗數據分析

泰山電站1號機組空轉到100%額定轉速，GCB合閘，勵磁起勵至30%；1號機組空轉到100%轉速時間09∶05∶10；1號機組GCB合閘時間09∶05∶16；1號機組勵磁ON時間09∶05∶20；1號機組機端電壓升至30%額定時間09∶05∶27。09∶08∶16泰山電站勵磁控制方式切為現地控制，09∶08∶22開始手動逐步升壓，09∶13∶59機端電壓手動升至為102%額定電壓（16.06 kV）。泰山電站黑啟動機組零起升壓錄波如圖9示。

圖9 泰山電站1號機組零起升壓期間電壓錄波

一般情況下，變壓器在空載合閘，電壓恢復過程對變壓器沖擊較大，往往會造成變壓器勵磁涌流，勵磁涌流一般可達6～8倍的額定電流。同時當空載線路進行合閘操作時，在系統工作狀態轉變的過渡過程中，由于線路的分布參數特性，所以振蕩電壓將由工頻穩態分量和無限多個快速衰減的諧波分量疊加組成，其峰值數倍于正常運行電壓即合閘操作過電壓，對于500 kV線路因為一般距離比較長，電容效應顯著，并且容許的操作過電壓水平定得較低（不超過2 Uφ）。對于薄弱的黑啟動系統而言，合閘操作過電壓及主變充電時的勵磁涌流都極易導致系統失穩，最終導致黑啟動失敗。

通過對建立的黑啟動試驗仿真子系統進行逐頻的掃描，得到黑啟動試驗仿真子系統自諧振頻率掃描如圖10，可以看出試驗子系統自振頻率分別為：A相和B相有兩個自振頻率108 Hz和117 Hz、C相一個自振頻率為108 Hz。由于泰山電站—泰山站—鄒縣電廠的山東電網黑啟動試驗子系統的自諧振頻率為100 Hz左右，線路或者主變操作暫態過程產生的多次高頻諧波的激發下，系統在其自振頻率上出現了一個線性諧振現象，最終導致抽水蓄能電站1號機組跳閘，黑啟動終止。通過仿真計算和試驗證明零起升壓能較好的避免了諧波的產生，避免全電壓沖擊線路和變壓器時產生巨大的諧波電流，從而導致電壓波形畸變使泰抽機組保護動作跳機。

圖10 黑啟動試驗仿真子系統自諧振頻率掃描

鄒縣電廠黑啟動過程及關鍵數據分析。鄒縣電廠黑啟動從20日凌晨開始；03∶57空出500 kV 1號母線和220 kV 1號母線；06∶36 5號機組與系統解列；08∶05 5號機組廠用電全部失去機組進入黑啟動試驗初始方式；08∶50泰山電站1號機組黑啟動升壓開始向鄒縣電廠03號高備變供電；09∶13恢復5號機組廠用電系統；10∶58 5號爐點火；13∶00 5號機用500 kV第四串聯絡5042開關與主網同期并列；13∶35 5號機廠用電恢復正常方式。

機組啟動過程中電網能否承受大型電動機負荷的沖擊是啟動成敗的關鍵，以鄒縣廠電泵的啟動為例，啟動瞬間沖擊負載為38.74 MW+45.02 MVar，且電動機快速穩定，滿足電網電壓安全域，與仿真計算結論符合。

4.2 電壓調整與分析

試驗過程中多次調整03A、03B號高備變分接頭調整6kV母線電壓。5號機安全停機后，將03號高備變分接頭由7調至14，6kV母線電壓調至6.85kV。03A、03B號高備變充電正常后，5號機6 kV段母線送電，將03號高備變分接頭由14調至16，6 kV段母線電壓由6.6 kV調至6.8 kV。啟動電動給水泵前將03A號高備變分接頭調至17。泰山站用500 kV 5042開關將試驗子系統與主網同期并列前，為防止5號機6 kV段母線過電壓，將03A、03B號高備變分接頭分別由17、16調至13，5號機6 kV段母線電壓由6.6 kV降至6.3 kV。泰山站用500 kV 5042開關將試驗子系統與主網同期并列后，5號機6 kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段母線電壓由6.3 kV升至6.5 kV，將03A、03B號高備變分接頭分別由13調至8準備切換廠用電，5號機6 kV段母線電壓由6.5 kV降至6.1 kV。鄒縣電廠主要設備操作對母線電壓的影響見表2。

表2 鄒縣廠設備操作對母線電壓的影響

以鄒縣廠最大廠用電設備電泵投入時母線電壓降落幅度和恢復時間為例進行對比。仿真計算電泵投入母線電壓降落至5.36 kV（0.85 pu），恢復時間需要9 s，黑啟動試驗過程中電泵投入母線電壓降落至5.24 kV（0.83 pu），恢復時間6 s。試驗過程中電壓波動情況與實驗前計算結論基本一致，完全滿足實際需求。

5 結語

山東電網基于500 kV黑啟動現場試驗是山東電網第二次大規模黑啟動試驗，試驗的成功驗證了山東電網基于500 kV網架黑啟動研究方案和國內首次抽水蓄能機組遠距離黑啟動600 MW大型火電機組的可行性，提出了山東電網第二條黑啟動路徑，進一步提高了山東電網的黑啟動能力。

［1］Delfino B，Denegri G B，Invernizzi M，et al.Black-start and restoration of a part of the Italian HV network：modelling and simulation of a field test［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1996，11（3）：1 371-1 379.

［2］Y.Hain，I.Schweitzer.Analysis of the Power Blackout of June 8，1995 in the Israel Electric Corporation［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1997，12（4）：1 752-1 758.

［3］Paulo Gomes，Antonio Carlos Siqueira de Lima，Antonio de Pádua Guarini.Guidelines for Power System Restoration in the Brazilian System［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2004，19（2）：1 159-1 164.

［4］郭嘉陽，吳濤，張仁偉，等.華北電網“黑啟動”試驗研究［J］.華北電力技術，2001（5）：3-18.

［5］周世平.湖北電網黑啟動試驗的實施與思考［J］.高電壓技術，2007，33（12）：115-117.

［6］林濟鏗，么莉，孟憲朋，等.天津電網黑啟動試驗研究［J］.電網技術，2008，32（5）：55-58.

［7］張銘.海南“9.26”大停電后電網黑啟動過程的啟示［J］.華東電力，2005，33（11）：13-15.

［8］彭賽紅，琚自力.冰災期間郴州電網黑啟動分析［J］.華中電力，2008，21（2）：53-56.

［9］王洪濤，劉玉田，邱夕兆.基于分層案例推理的黑啟動決策支持系統［J］.電力系統自動化，2004，28（11）：49-52.

［10］王春義，劉玉田，邱夕兆，等.抽水蓄能電站黑啟動最優預留水量［J］.電力系統自動化，2007，31（19）：32-37.

［11］何寶靈，劉玉田，王洪濤，等.利用抽水蓄能黑啟動大型火電機組輔機的頻率估計［J］.電力自動化設備，2008，28（5）：68-71.

［12］Qu Hanbing，Liu Yutian.Maximum restorable load for substation during power system restoration［C］.The 1st International Conference on Sustainable Power Generation and Supply.Nanjing，China：UK-China NCER，2009：1-4.

［13］王春義，王洪濤，劉玉田，等.DTS系統中的黑啟動方案制定與培訓仿真［J］.電力自動化設備，2009，29（3）：122-126.

［14］武占春，王青，李明樹.一種基于PDCA的軟件過程控制與改進模型［J］.軟件學報，2006，17（8）：1 669-1 680.

Black Start Test Scheme for Shandong 500 kV Power Grid

The black start test scheme for Shandong 500 kV power grid was presented in this paper.The problems such as selfexcitation of generator，power frequency overvoltage，stability of voltage and frequency，restoration of auxiliary power，and stability of small power system during the black start were analyzed.The path restoration with the mode of raising voltage from zero was put forward for the first time，and the problems which should be paid attention to during black start were discussed.The validity and rationality of the selected scheme and calculation were demonstrated by the black start test of Shandong power grid.

black start；test scheme；self-excitation；overvoltage；stability

TM732

：A

：1007－9904（2014）05－0013－06

2014-04-15

喬立同（1979—），男，工程師，從事電網調度、運行與管理；

劉傳良（1983—），男，工程師，從事電網調度、運行與管理；

廖大鵬（1974—），男，高級工程師，從事電網調度、運行與管理；

傅磊（1974—），男，高級工程師，從事電網調度、運行與管理；

王勇（1974—），男，高級工程師，從事電網調度、運行與管理；

邱夕兆（1963—），男，高級工程師，從事電網調度、運行與管理。