富春江水電廠黑啟動試驗分析

羅銀兵

（國網新源富春江水電廠，浙江省桐廬縣 311504）

富春江水電廠黑啟動試驗分析

羅銀兵

（國網新源富春江水電廠，浙江省桐廬縣 311504）

本文介紹了富春江水電廠黑啟動試驗過程，分析了調速系統、廠用電系統等對黑啟動試驗的影響，同時提出了需要改進的建議。

富春江水電廠；黑啟動

1 引言

隨著特高壓、大容量機組及眾多新技術、新設備的蓬勃發展，以及氣候環境逐漸惡化等不可抗力的增多，電力系統不可預測的事故隨時可能發生，大面積停電的風險正在上升。如何在電力系統發生重大停電事故時及時可靠恢復供電，成為重點關注的問題。2005年9月26日，受第18號臺風“達維”的影響，海南省電網全面瓦解，發生了罕見的全省范圍大面積停電事故。海南電網公司立即實施黑啟動方案，這是國內第一次執行的黑啟動，在正式下達命令的85min后南豐水電廠即匯報黑啟動成功，隨后逐步成功恢復海南電網的供電。事實證明,黑啟動方案是解決重大停電事故的有效途徑。由于水電廠機組一般都具有自啟動能力,而且啟動迅速、并網便捷，所以電網黑啟動首先會選擇水電廠作為啟動電源。

2 富春江水電廠簡介

富春江水電廠位于浙江省桐廬縣境內，是20世紀50年代后期開始由我國自行設計和建設的低水頭河床式電站，共裝有6臺單機容量為60MW的軸流轉漿式水輪發電機組，擔負華東電網調峰、調頻及事故備用任務。

富春江水電廠從1998年開始對全廠設備進行大范圍更新改造，目前已完成了一次主接線、廠用電系統、直流系統、調速系統、水輪發電機組、計算機監控系統等主設備的更新改造，已初步具備黑啟動試驗條件。富春江水電廠一次主接線示意圖如圖1所示。

3 黑啟動試驗目的及原則

富春江水電廠黑啟動的試驗目的是對黑啟動試驗過程中的部分關鍵電氣量進行記錄，用于分析試驗過程和結果，掌握富春江水電廠柴油發電機組帶負荷能力，掌握富春江水電廠單臺機組的黑啟動性能，掌握富春江水電廠多臺機組間的協調運行特性，從而驗證富春江水電廠提供電網黑啟動條件的能力。

黑啟動試驗是一項極富挑戰性的工作，從最初的電源啟動→機組運轉→恢復電網→拾取負荷→子系統并列，這些在“無窮大”系統看似簡單的過程，要在單機下以“滾雪球”方式實施系統恢復，所涉及的調頻、調壓、負荷、保護、系統穩定性等問題，必將與正常情況相距甚遠。本著保護水電廠設備和電網運行安全為第一的原則，試驗采取循序漸進的策略，在每個步驟成功的基礎上再開展下一步試驗。

圖1 富春江水電廠一次主接線示意圖

圖2 柴油發電機組帶廠用Ⅲ段母線繼而啟動5號機組1號壓油泵

4 黑啟動試驗

4.1 柴油發電機組帶負荷試驗能力

廠用Ⅲ段母線停運，由柴油發電機組通過廠用Ⅲ段母線對5號機組廠用電進行供電，先后啟動5號機組1號壓油泵及5號機組空冷水泵。5號機組1號壓油泵啟動時對柴油發電機組的影響見圖2，由圖2可知，5號機組1號壓油泵啟動時對柴油發電機組有較大影響。5號機組空冷水泵啟動時對柴油發電機組的影響見圖3，由圖3可知，空冷水泵啟動時對柴油發電機影響相對較小。柴油發電機組帶負荷試驗時，柴油發電機組能夠保持輸出電壓平穩，這說明柴油發電機組能夠為黑啟動機組提供充足的廠用負荷能力。

4.2 5號機組帶03單元主變壓器零起升壓試驗（柴油發電機組提供5號機組廠用電）

圖3 柴油發電機帶廠用Ⅲ段母線繼而啟動5號機組空冷水泵

圖4 5號機組帶03單元主變壓器零起升壓試驗（柴油發電機組提供5號機組廠用電）

柴油發電機組通過廠用Ⅲ段母線對5號機組廠用電進行供電，03單元主變壓器斷路器改為冷備用，5號機組開機對03單元主變壓器零起升壓。5號機組機端各電氣量的暫態記錄波形如圖4所示。由圖4可知，5號機組帶03單元主變壓器零起升壓過程中，5號機組機端電壓和電流以及5號機組機端有功和無功輸出均是穩步增大，這說明5號機組具備足夠的起勵容量。如圖4所示的5號機組機端電壓頻率波形顯示，5號機組調速系統在零起升壓過程中的調節行為呈現頻率為0.08Hz的穩定低頻波動，相應地，機端電壓頻率表現為在49.73～50.25Hz之間的小幅正弦振蕩，這種現象與當前水頭、流量以及機組調速系統在當前工況下的性能有關，而且當5號機組零起升壓后保持運行一段時間后，這種波動的頻率將會逐漸減小到0.01Hz左右，試驗結果表明，5號機組調速系統的這種特性不會影響黑啟動機組的穩定運行，5號機組具備帶03單元兩臺主變壓器進行零起升壓的能力。

4.3 柴油發電機組電源與5號機組所帶廠用電電源切換試驗

03單元主變壓器零起升壓正常后，通過3號廠用變壓器高壓斷路器對3號廠用變壓器空充。5號機組帶03單元兩臺主變壓器空負荷零起升壓后空充3號廠用變壓器的試驗記錄波形如圖5所示。由圖5可知，空充3號廠用變壓器在5號機組機端U相電流中產生較大的勵磁涌流，5號機組機端有功和無功都在短時間內產生明顯的變化，但是5號機組機端電壓和頻率均無明顯變化，這說明5號機組能夠承受空充廠用變壓器產生的勵磁涌流的沖擊，空充廠用變壓器不會影響后續的廠用電電源切換操作。

圖5 5號機組帶03單元主變壓器空負荷零起升壓后空充3號廠用變壓器

廠用Ⅲ段母線在柴油發電機組電源與5號機組所帶廠用電電源之間切換的試驗結果如圖6所示。由圖6可見，廠用Ⅲ段母線電壓在柴油發電機組電源與5號機組所帶廠用電電源之間切換的過程中相當平穩，無過電壓產生。

4.4 5號機組和6號機組并列運行試驗

5號機組帶03單元主變壓器零起升壓正常后，6號機組開機與5號機組并列，兩機組并列過程由5號機組機端電氣量的暫態記錄波形體現，試驗記錄波形如圖7所示。由圖7可見，在同期最初階段，5號機組機端有功向負向變化，同時5號機組機端頻率短時增大，這說明同期瞬間6號機組頻率高于5號機組，而且6號機組機端電壓相位超前于5號機組，此時6號機組作為發電機，而5號機組作為電動機被拖動；同期之后，5號機組和6號機組經歷4s左右相互間的功率振蕩之后即進入穩定運行狀態，由于6號機組調速系統被設定為跟蹤5號機組的頻率，6號機組機端電壓的相位在同期后落后于5號機組，因此，5號機組在同期后就開始從電動機狀態擺脫出來，轉而進入發電機狀態，輸出0.8MW左右的有功功率；6號機組則相反，從發電機狀態轉換到電動機狀態。圖7中5號機組穩定時輸出2.8Mvar左右的無功，5號機組和6號機組并列小系統的無功—電壓特性比較靈敏，需要較多的無功支撐，要求并列小系統中提供無功的機組具備一定的勵磁容量。圖7中在此之后的電流、電壓以及有功、無功的變化都是由現場試驗人員對試驗機組勵磁系統設定值的操作引起的。圖7所示5號機組和6號機組并列運行試驗結果表明，富春江水電廠同一單元的兩臺機組能夠在黑啟動過程中協調運行。

4.5 5號機組帶02、03單元主變壓器零起升壓試驗

圖6 廠用Ⅲ段母線在柴油發電機組電源與5號機組所帶廠用電電源之間切換

圖7 5號機組和6號機組并列運行試驗

柴油發電機組通過廠用Ⅲ段母線對5號機組廠用電進行供電，220kV母聯斷路器改冷備用空出220kV正母線，02、03單元主變壓器斷路器改為正母運行，5號機組自動開機對02、03單元主變壓器零起升壓。5號機組帶3、4、5、6號主變壓器零起升壓試驗結果如圖7所示。圖8所示的5號機組帶3、4、5、6號主變壓器零起升壓過程中，5號機組機端電壓和電流以及5號機組機端有功和無功輸出均是穩步增大，這說明5號機組具備起勵容量，足以保證5號機組帶02和03兩個單元的4臺主變壓器空負荷零起升壓的能力。圖8中5號機組機端電壓頻率波形表明，5號機組調速系統在零起升壓過程中的調節行為呈現出頻率為0.077Hz的穩定低頻波動，相應的機端電壓頻率表現為在49.69～50.27Hz之間的小幅正弦振蕩，結合前述試驗項目的結果，這種現象是5號機組帶單元升壓變壓器空負荷零起升壓過程中的特征表象，而且5號機組零起升壓結束后保持運行一段時間，這種波動的頻率就會逐漸減小到0.01Hz左右，試驗結果表明，5號機組調速系統的這種特性不會影響黑啟動機組的穩定運行，5號機組具備帶02和03兩個單元的4臺主變壓器進行零起升壓的能力。

4.6 5、4、3、6號機組并列運行試驗

5號機組對02、03單元零起升壓正常后，4、3、6號機組先后開機并入5號機組建立的并列小系統。

4.6.1 4號機組開機與5號機組并列

圖8 5號機組帶3、4、5、6號主變壓器零起升壓試驗

5號機組帶02和03兩個單元4臺主變壓器零起升壓后，將4號機組開機和5號機組并列，兩機并列過程由4號和5號機組機端電氣量的暫態記錄波形體現，試驗記錄波形如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可見，在同期最初階段，5號機組機端有功向負向變化，同時5號機組機端頻率短時減小，而4號機組機端有功向正向變化，同時4號機組機端頻率短時增大，這說明同期瞬間5號機組頻率高于4號機組，但是4號機組機端電壓相位超前于5號機組，此時4號機組作為發電機，而5號機組作為電動機被拖動；同期之后，5號機組和4號機組經歷4s左右相互間的功率振蕩之后即進入穩定運行狀態，由于4號機組調速系統被設定為跟蹤5號機組的頻率，4號機組機端電壓的相位在同期后落后于5號機組，因此，5號機組在同期后就開始脫離電動機狀態，轉而進入發電機狀態，輸出1.8MW左右的有功功率；4號機組則相反，從發電機狀態轉換到電動機狀態。圖9中5號機組穩定時輸出9.9Mvar左右的無功，5號機組和4號機組并列小系統的無功—電壓特性比較靈敏，需要較多的無功支撐，要求并列小系統中提供無功的機組具備一定的勵磁容量。圖9和圖10中5號機組和4號機組及在此之后的電流、電壓以及有功、無功的變化都是由現場試驗人員對試驗機組勵磁系統設定值的操作引起的。4號機組和5號機組并列運行試驗結果表明，富春江水電廠不同單元的兩臺機組能夠在黑啟動過程中協調運行。

4.6.2 3號機組開機與4、5號機組并列

3號機組開機并入由4、5號機組建立的并列小系統，3臺機組并列過程由4號和5號機組機端電氣量的暫態記錄波形體現，試驗記錄波形如圖11和圖12所示。由圖11和圖12可見，在同期最初階段，4、5號機組機端有功均向正向變化，同時4、5號機組機端頻率均短時增大，這說明同期瞬間4、5號機組的頻率小于3號機組，而且4、5號機組機端電壓相位超前于3號機組，此時5號機組作為發電機，而3號機組作為電動機被拖動；同期之后4、5號機組和3號機組經歷4s左右相互間的功率振蕩之后即進入穩定運行狀態，由于3號機組調速系統被設定為跟蹤5號機組的頻率，3號機組機端電壓的相位在同期后落后于5號機組，因此，5號機組在同期后仍舊保持發電機狀態，輸出1.6MW左右的有功功率；3號機組則保持電動機狀態運行。圖11中5號機組穩定時輸出4.8Mvar左右的無功，3、4、5號機組并列小系統的無功—電壓特性比較靈敏，需要較多的無功支撐，要求并列小系統中提供無功的機組具備一定的勵磁容量。圖11和圖12中5、4號機組在此之后的電流、電壓以及有功、無功的變化都是由現場試驗人員對試驗機組勵磁系統設定值的操作引起的。3號機組與4、5號機組并列運行試驗結果表明，富春江水電廠不同單元的3臺機組能夠在黑啟動過程中協調運行。

圖9 4號機組和5號機組并列運行——5號機組機端暫態記錄波形

4.6.3 6號機組與3、4、5號機組并列

6號機組并入由3、4、5號機組建立的并列小系統，4臺機組并列過程由4號和5號機組機端電氣量的暫態記錄波形體現，試驗記錄波形如圖13和圖14所示。由圖13和圖14可見，在同期最初階段，4、5號機組（還包括3號機組）機端有功均向負向變化，同時4、5號機組（還包括3號機組）機端頻率均短時增大，這說明同期瞬間4、5號機組（還包括3號機組）的頻率小于6號機組，而且4、5號機組（還包括3號機組）機端電壓相位滯后于6號機組。此時6號機組作為發電機，而5號機組作為電動機被拖動；同期之后3、4、5號機組和6號機組經歷4s左右相互間的功率振蕩之后即進入穩定運行狀態，由于6號機組調速系統被設定為跟蹤5號機組的頻率，3號機組機端電壓的相位在同期后落后于5號機組，因此，5號機組在同期后開始擺脫電動機狀態進入發電機狀態，輸出1.4MW左右的有功功率；而6號機組則從發電機狀態進入電動機狀態運行。圖13中5號機組穩定時輸出2.4Mvar左右的無功，3、4、5、6號機組并列小系統的無功—電壓特性比較靈敏，需要較多的無功支撐，要求并列小系統中提供無功的機組具備一定的勵磁容量。圖13和圖14中5、4號機組在此之后的電流、電壓以及有功、無功的變化都是由現場試驗人員對試驗機組勵磁系統設定值的操作引起的。6號機組與3、4、5號機組并列運行試驗結果表明，富春江水電廠兩個單元的4臺機組能夠在黑啟動過程中協調運行。

圖10 4號機組和5號機組并列運行——4號機組機端暫態記錄波形

5 黑啟動試驗分析

（1）水電廠調速系統是水電廠黑啟動成功的關鍵因素。水電廠調速系統主要由調速器及油壓裝置組成。當發生大面積停電事故后，廠用交流剛剛消失時，可以利用機組壓油裝置殘存的油壓，手動將發電機組開至空轉，通過對主變壓器零起升壓，帶廠用電運行。手動開機不僅可以有效減少機組壓油裝置的壓力損耗，而且可以避免計算機監控系統對機組自動開機的閉鎖。對于富春江水電廠這樣有多臺機組的電廠，黑啟動時應綜合考慮選擇壓油裝置油位較高、操作簡單、機組性能穩定、調速系統油耗較少的機組。富春江水電廠機組調速器采用武漢四創公司步進式雙可編程微機調速器，在手動方式運行時，不需要借助于任何外部電源，僅依靠手動旋轉調速器機柜上手輪即可將發電機組開至空轉。按富春江水電廠電廠機組情況，一般只需3～5min就可完成手動開機操作。6臺機機組壓油泵電源取自廠用400V交流系統，廠用電消失時雖然壓油泵無法啟動，但是在正常的油壓油面范圍內仍能保證機組的正常啟動運行。

圖11 3號機組和5、4號機組并列運行——5號機組機端暫態記錄波形

（2）水電廠黑啟動成功的重點是快速、可靠地恢復廠用電系統供電。使用柴油發電機組對廠用電系統供電操作簡單，不僅可以大大提升廠用電系統恢復速度而且更加安全，因此對柴油發電機組的維護保養工作必須高度重視，水電廠運行人員需定期對柴油發電機組進行啟動試驗，水電廠維護人員應定期對柴油發電機組進行保養，保證油料充足、蓄電池電壓正常、電氣控制完好。

（3）水電廠直流系統是水電廠黑啟動成功的必要條件，它是水電廠繼電保護、自動裝置、信號回路、操作回路等負載的主要工作電源，是事故照明的備用電源，即使廠用電中斷，也必須保證直流電的正常、可靠、連續供電。它不僅直接影響水電廠黑啟動能力，還會給事故的指揮、事故處理、數據通信、操作的正確性及人員的安全帶來危害。富春江水電廠設有兩套相同的直流系統，正常時兩套直流系統分列運行，兩套直流系統之間設有聯絡開關，可以并列運行，事故時可以考慮切除部分事故照明負荷，延長直流系統供電時間。

（4）水電廠勵磁系統基本功能是調節及控制機端電壓，富春江水電廠機組勵磁調節器采用南京電力自動化研究院研制的微機勵磁調節器，勵磁調節器性能完全能夠滿足黑啟動的要求。勵磁系統具備他勵起勵和殘壓起勵兩種方式，勵磁調節器電源采用交直流雙路電源供電，采用他勵起勵時起勵電源也來自于直流系統，因此在全廠失電時，勵磁系統仍能起勵建壓，不影響機組帶主變壓器零起升壓。雖然勵磁風機采用交流電源供電，無法啟動，但在升壓過程中轉子電流較小，勵磁功率柜溫升較緩慢，而且升壓正常后，機端廠用電恢復供電，勵磁風機即可恢復啟動。富春江水電廠機端電壓從零升至額定電壓只需數十秒時間，恢復機端廠用電供電也只需數分鐘，因此可以不用考慮勵磁功率柜溫升情況。

圖12 3號機組和5、4號機組并列運行——4號機組機端暫態記錄波形

（5）水電廠運行人員是黑啟動試驗能否成功的決定性因素。富春江水電廠設備經過多年的改造，設備各項性能指標已滿足黑啟動的要求。但是隨著水電廠智能化程度越來越高，對運行人員的技能水平要求不是降低了而是更高了。黑啟動時計算機監控系統必然會出現大量的報警信息，不僅會造成運行人員的誤判，而且無法分清輕重緩急、不知從何下手；黑啟動試驗涉及的設備多，試驗耗時長，而且由于自動控制流程的閉鎖，一些設備的操作不能再使用常用的操作方法，需要運行人員手動幫助；如何正確隔離試驗設備與運行設備，試驗設備發生過速、過壓、失控等事故如何處理，運行設備出現異常如何隔離、恢復，如何避免試驗過程中出現誤操作，這些都是運行人員必須面對的考驗。黑啟動對運行人員心理素質、身體素質也都是一個極大的考驗。

6 黑啟動試驗結論

對黑啟動試驗數據的詳細分析表明，富春江水電廠柴油發電機組組在整個黑啟動試驗期間都能夠保證穩定的輸出，其負荷能力能夠滿足黑啟動機組廠用電負荷啟動要求；富春江水電廠機組的勵磁系統不僅能夠提供足夠的起勵和勵磁容量，而且調節性能也滿足多臺機組并列運行的協調要求，調速系統的性能也滿足多臺機組并列后協調運行的要求，不同單元中的多臺機組能夠在黑啟動過程中協調運行。比較各項試驗的暫態記錄波形，結合試驗觀測結果，可以認定機組在并列狀態下比單機運行更穩定，而且并列機組越多，運行越穩定。通過這次試驗，可以確定富春江水電廠機組具備了電網所要求的黑啟動能力。

圖13 6號機組和5、4、3號機組并列運行——5號機組機端暫態記錄波形

黑啟動試驗過程中也反映出一些問題，亟需進行改進：

1）機組勵磁工控機采用單路交流電源供電，廠用電失電后無法開啟，不便于運行人員觀察勵磁調節器狀態，影響機組零升操作，建議勵磁工控機采用單元UPS供電。

2）柴油機發電機組安裝位置距離廠房太遠，且只有手動啟動方式，事故處理時延長了廠用電電源恢復時間，建議柴油機發電機組增設遠方控制或自動啟停功能。

3）機組溫度巡檢儀電源取自機旁動力盤，作為機組重要保護，電源可靠性偏低，建議改接至單元UPS電源系統供電，其中6號機組測溫盤盤內負載多，其電源開關在試驗過程中恢復送電時多次跳開，導致6號機組溫度巡檢儀失電，影響機組安全運行，6號機組溫度巡檢儀電源應與其他設備電源分開。

4）機組在無機端廠用電時，由于計算機監控系統流程閉鎖，無法自動開機，需現地手動開機。建議在計算機監控系統設置黑啟動模式，自動將機組勵磁調節器設置為零升模式同時解除計算機監控系統對自動開機流程的閉鎖。

5）本廠黑啟動成功，220kV系統線路斷路器對線路充電時對黑啟動機組的影響情況還不明確：一是發電機的自勵磁現象；二是合閘過電壓問題；三是繼電保護配合問題。

圖14 6號機組和5、4、3號機組并列運行——4號機組機端暫態記錄波形

7 結束語

2011年12月4日，富春江水電廠成功進行了機組黑啟動試驗，試驗結果證明富春江水電廠具備黑啟動能力，為確保電網安全穩定運行進一步夯實了基礎。但是水電廠機組黑啟動能否成功不僅受制于水電廠的調速系統、廠用電系統、勵磁系統等，而且主要取決于運行人員的技能水平，因此必須制定切實可行的黑啟動方案、擬定典型操作票，而且還要定期開展黑啟動方案演練。

羅銀兵（1973— ），男，本科，水電廠組長，主要從事運行值班工作。

Analysis of Black-start test in Fuchunjiang Hydropower Plant

LUO Yinbing
（State Grid Xinyuan Fuchunjiang Hydropower Plant，Tonglu 311504，China）

This text introduces the black-start test process of Fuchunjiang hydropower plant, analysis the effect of speed governor system and auxiliary power system on black-start test,and also puts forward opinions of improvements.

Fuchunjiang hydropower plant; black-start test