基于電網(wǎng)黑啟動(dòng)的運(yùn)行方式風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估

宋　強(qiáng)，楊　瑋，牛　帥，李忠良，李　龍

（1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司焦作供電公司，河南　焦作　454000；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司管理培訓(xùn)中心，鄭州　450007）

基于電網(wǎng)黑啟動(dòng)的運(yùn)行方式風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估

宋強(qiáng)1，楊瑋2，牛帥1，李忠良1，李龍1

（1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司焦作供電公司，河南焦作454000；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司管理培訓(xùn)中心，鄭州450007）

隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益增大，電網(wǎng)運(yùn)行方式越來(lái)越復(fù)雜，局部故障稍微處理不當(dāng)，就可能引起大面積的停電故障。黑啟動(dòng)作為大停電后電網(wǎng)恢復(fù)控制的首要環(huán)節(jié)，其成功與否直接影響整個(gè)恢復(fù)進(jìn)程。對(duì)新鄉(xiāng)—焦作電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)過程中電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，通過N-1故障掃描，黑啟動(dòng)熱穩(wěn)、暫穩(wěn)校核，提高黑啟動(dòng)的成功率和系統(tǒng)的恢復(fù)效率。

電網(wǎng)；黑啟動(dòng)；調(diào)度；電網(wǎng)恢復(fù)

0　引言

河南電網(wǎng)的骨干出力是火力發(fā)電機(jī)組，一直以來(lái)，河南電網(wǎng)備用啟動(dòng)機(jī)組為焦作電廠，裝機(jī)容量為6×200 MW，原廠將拆除，通過“上大壓小”異地?cái)U(kuò)建2×660 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，顯然已不可能作為河南電網(wǎng)的備用啟動(dòng)機(jī)組。整個(gè)電網(wǎng)故障崩潰停運(yùn)后，第一時(shí)間通過系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力機(jī)組的啟動(dòng)，帶動(dòng)無(wú)自啟動(dòng)能力的機(jī)組，逐步擴(kuò)大系統(tǒng)的恢復(fù)范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)和供電的過程中，黑啟動(dòng)起著決定性的作用。在大停電發(fā)生后，能否根據(jù)電力系統(tǒng)實(shí)際情況快速有效地制定和選擇最優(yōu)恢復(fù)方案，在很大程度上決定了系統(tǒng)恢復(fù)的效率。

文獻(xiàn)［1］利用層次分析法合理劃分評(píng)估層次，并根據(jù)判斷矩陣得出符合調(diào)度經(jīng)驗(yàn)的評(píng)估準(zhǔn)則權(quán)重，評(píng)價(jià)不同評(píng)估準(zhǔn)則下方案的相對(duì)優(yōu)劣。文獻(xiàn)［2］通過電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)的過程，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，找出黑啟動(dòng)過程中存在的薄弱環(huán)節(jié)，以達(dá)到驗(yàn)證黑啟動(dòng)研究理論計(jì)算結(jié)果的正確性。文獻(xiàn)［3］通過對(duì)黑啟動(dòng)恢復(fù)過程中的工頻過電壓、操作過電壓、系統(tǒng)恢復(fù)中的電壓和頻率問題、小系統(tǒng)發(fā)生單相瞬時(shí)性短路時(shí)的安全穩(wěn)定性以及合環(huán)問題等進(jìn)行分析研究，選出最佳方案。文獻(xiàn)［4］結(jié)合人工智能技術(shù)和傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)計(jì)算分析技術(shù)，開發(fā)了黑啟動(dòng)決策支持系統(tǒng)，用于指導(dǎo)大停電后的系統(tǒng)恢復(fù)。文獻(xiàn)［5］提出的決策支持系統(tǒng)采用專家系統(tǒng)處理知識(shí)性的規(guī)則預(yù)選出數(shù)個(gè)較優(yōu)的啟動(dòng)方案，用風(fēng)險(xiǎn)決策中的期望值法則算出各方案的期望發(fā)電量。文獻(xiàn)［6］給出了分層案例庫(kù)的框架結(jié)構(gòu)及分層黑啟動(dòng)案例的推理算法，并結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際，能夠起到調(diào)度員培訓(xùn)和在線決策支持的作用。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)涉及黑啟動(dòng)的研究，主要是利用人工智能技術(shù)分析黑啟動(dòng)的過電壓及系統(tǒng)恢復(fù)中的頻率問題及合環(huán)問題，同時(shí)側(cè)重于人員培訓(xùn)，缺少N-1故障掃描及黑啟動(dòng)熱穩(wěn)、暫穩(wěn)校核，相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及采取的針對(duì)性措施。黑啟動(dòng)研究應(yīng)根據(jù)各個(gè)地區(qū)實(shí)際供用電情況及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式的不同而采取的措施不同，通過研究地區(qū)電網(wǎng)實(shí)際，結(jié)合本身運(yùn)行情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，綜合考慮成功與不成功應(yīng)該采取的防范性措施，從而保證黑啟動(dòng)的恢復(fù)。

基于峪寶泉水電廠黑啟動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)潮流、暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。在黑啟動(dòng)試驗(yàn)期間，將通過新鄉(xiāng)峪寶泉水電廠—500 kV峪獲線—獲嘉變2號(hào)主變—獲嘉變220 kV北母—220 kV獲修線—修武變220 kV西母—220 kV萬(wàn)修Ⅱ線—萬(wàn)方火電廠6號(hào)機(jī)組構(gòu)成試驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證峪寶泉水電廠自啟動(dòng)能力，檢驗(yàn)峪寶泉水電廠通過試驗(yàn)系統(tǒng)啟動(dòng)220 kV萬(wàn)方火電廠的能力。

1　黑啟動(dòng)計(jì)算分析條件

合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠滿足各種運(yùn)行方式下潮流變化的需要，具有一定的靈活性，并能適應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展的要求；任一元件無(wú)故障斷開，應(yīng)能保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，且不使其他元件超過規(guī)定的事故過負(fù)荷和電壓允許偏差；應(yīng)有較大的抗擾動(dòng)能力，并滿足《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》［7］中規(guī)定的有關(guān)各項(xiàng)安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)滿足分層和分區(qū)原則；合理控制系統(tǒng)短路電流［8］。

焦作電網(wǎng)網(wǎng)供負(fù)荷235萬(wàn)kW，陽(yáng)潤(rùn)電廠正常開機(jī)，金冠電廠一臺(tái)機(jī)運(yùn)行，焦作電廠3號(hào)機(jī)運(yùn)行，萬(wàn)方電廠5、6號(hào)機(jī)運(yùn)行。同時(shí)，對(duì)萬(wàn)方電廠和修武變110 kV母線所帶負(fù)荷進(jìn)行方式調(diào)整，黑啟動(dòng)試驗(yàn)期間，萬(wàn)修Ⅰ、Ⅱ線按照結(jié)零控制，如圖1所示。

圖1　焦作地區(qū)220 kV電網(wǎng)接線

2　黑啟動(dòng)試驗(yàn)條件下的電網(wǎng)運(yùn)行方式風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估

電力系統(tǒng)全停后的恢復(fù)應(yīng)首先確定停電系統(tǒng)的地區(qū)、范圍和狀況，然后依次確定本區(qū)電源或外部系統(tǒng)幫助恢復(fù)供電的可能性。若無(wú)法恢復(fù)供電，應(yīng)很快投入系統(tǒng)“黑啟動(dòng)”方案。制定黑啟動(dòng)方案應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)合理劃分區(qū)域，各區(qū)域必須安排1～2臺(tái)具備黑啟動(dòng)能力的機(jī)組，并合理分布。

電網(wǎng)穩(wěn)定分析按照調(diào)度管轄范圍分級(jí)負(fù)責(zé)進(jìn)行，按照“統(tǒng)一計(jì)算程序、統(tǒng)一計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一計(jì)算參數(shù)、統(tǒng)一計(jì)算模型”的原則，國(guó)調(diào)、省調(diào)各自負(fù)責(zé)所轄安全穩(wěn)定計(jì)算分析和制定穩(wěn)定措施，并承擔(dān)相應(yīng)的安全責(zé)任。

電力系統(tǒng)各種運(yùn)行方式下潮流計(jì)算［9］的主要目的是在電力系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行過程中，用于運(yùn)行方式編制，為繼電保護(hù)自動(dòng)裝置定值提供依據(jù)，并作為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。

2.1黑啟動(dòng)期間電力系統(tǒng)潮流計(jì)算

結(jié)合豫北電網(wǎng)的特點(diǎn)，考慮運(yùn)行方式對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響，提出穩(wěn)定運(yùn)行限額，并檢驗(yàn)安全穩(wěn)定措施是否滿足熱穩(wěn)定要求。還應(yīng)特別注意在電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和事故教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，做好事故預(yù)測(cè)，對(duì)全網(wǎng)各主干線和局部地區(qū)穩(wěn)定情況予以計(jì)算分析。對(duì)黑啟動(dòng)試驗(yàn)期間進(jìn)行N-1故障掃描，結(jié)果如表1所示。萬(wàn)方電廠單機(jī)單線運(yùn)行潮流如圖2所示。

圖2　萬(wàn)方電廠單機(jī)單線運(yùn)行潮流

河南電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)期間，修武變運(yùn)行母線故障，萬(wàn)方電廠與系統(tǒng)解列，系統(tǒng)無(wú)熱穩(wěn)問題。萬(wàn)修Ⅰ、Ⅱ線單線運(yùn)行期間，萬(wàn)修Ⅱ線跳閘，萬(wàn)方電廠與系統(tǒng)解列，系統(tǒng)無(wú)熱穩(wěn)問題。萬(wàn)修Ⅰ、Ⅱ線單線運(yùn)行期間，萬(wàn)方電廠5號(hào)機(jī)跳閘，萬(wàn)修Ⅱ線潮流為25萬(wàn)kW，接近滿載，系統(tǒng)無(wú)熱穩(wěn)問題。

表1　黑啟動(dòng)試驗(yàn)期間N-1故障掃描　MW

2.2黑啟動(dòng)期間暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算用于分析和研究提高安全穩(wěn)定的措施，以及研究非同步運(yùn)行后的再同步及事故后的恢復(fù)策略。目前，穩(wěn)定性分析常用的方法是用計(jì)算機(jī)進(jìn)行故障仿真分析或進(jìn)行穩(wěn)定指標(biāo)的計(jì)算分析。其主要步驟需要先建立電力系統(tǒng)模型，然后進(jìn)行各種擾動(dòng)情況下的穩(wěn)定性分析。

暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算分析采用 《電力系統(tǒng)分析綜合程序》6.28版，計(jì)算方法為隱式積分法，積分步長(zhǎng)0.01 s。統(tǒng)調(diào)發(fā)電機(jī)均采用“Eq”變化的5階模型（并考慮調(diào)速器和調(diào)壓器的作用）。

穩(wěn)定計(jì)算按照《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》、《國(guó)家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計(jì)算規(guī)定》、《國(guó)家電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算技術(shù)規(guī)范》、《國(guó)家電網(wǎng)公司電網(wǎng)安全穩(wěn)定管理工作規(guī)定》的要求執(zhí)行，穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)執(zhí)行計(jì)算、校核、審批流程，對(duì)存在穩(wěn)定問題的運(yùn)行方式充分討論后確定。確定線路或輸電斷面穩(wěn)定控制極限時(shí)，預(yù)留5%～10%的穩(wěn)定儲(chǔ)備。

黑啟動(dòng)試驗(yàn)可行性研究中，基于萬(wàn)方電廠雙機(jī)單線期間萬(wàn)修Ⅱ線單相故障、單機(jī)單線期間萬(wàn)修Ⅱ線單相故障、單機(jī)單線期間萬(wàn)方電廠5號(hào)機(jī)跳機(jī)及修武變220 kV西母單相故障時(shí)發(fā)電機(jī)功角及母線電壓進(jìn)行計(jì)算，可以確定電網(wǎng)在黑啟動(dòng)試驗(yàn)期間，除萬(wàn)方電廠可能孤網(wǎng)外，系統(tǒng)無(wú)暫穩(wěn)問題。其中單機(jī)單線期間萬(wàn)方電廠5號(hào)機(jī)跳機(jī)發(fā)電機(jī)功角和母線電壓如圖3所示。

圖3　萬(wàn)方電廠5號(hào)機(jī)跳機(jī)時(shí)發(fā)電機(jī)功角及母線電壓

3　黑啟動(dòng)試驗(yàn)的電網(wǎng)運(yùn)行方式穩(wěn)定校核

黑啟動(dòng)試驗(yàn)期間，修武變220kV西母、萬(wàn)修Ⅱ線、萬(wàn)方電廠6號(hào)機(jī)組、獲修線與系統(tǒng)隔離。期間，萬(wàn)方電廠5、6號(hào)機(jī)存在雙線雙機(jī)、單線雙機(jī)和單線單機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行方式。

對(duì)萬(wàn)方電廠和修武變110 kV母線所帶負(fù)荷進(jìn)行方式調(diào)整后，黑啟動(dòng)試驗(yàn)期間，焦作電網(wǎng)潮流分布合理，無(wú)元件過載情況；試驗(yàn)期間，修武變220 kV單母線運(yùn)行，發(fā)生運(yùn)行母線故障，萬(wàn)方電廠與系統(tǒng)解列孤網(wǎng)運(yùn)行，修武變負(fù)荷全停，系統(tǒng)其它元件無(wú)熱穩(wěn)定問題；萬(wàn)方電廠單線并網(wǎng)期間，發(fā)生萬(wàn)修I線故障，萬(wàn)方電廠與系統(tǒng)解列孤網(wǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)其他元件無(wú)熱穩(wěn)定問題；發(fā)生其他相關(guān)220 kV線路或萬(wàn)方電廠機(jī)組N-1故障，系統(tǒng)無(wú)熱穩(wěn)定問題；黑啟動(dòng)試驗(yàn)期間，系統(tǒng)無(wú)暫穩(wěn)問題。

4　黑啟動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

制定《黑啟動(dòng)期間修武變220 kV西母、萬(wàn)修Ⅱ線、萬(wàn)方6號(hào)機(jī)組同停期間風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估》，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)事故處理的安全性、可靠性、快速性和規(guī)范性。

修武變220 kV西母及220 kV萬(wàn)修Ⅱ線停電前，焦作地調(diào)對(duì)修武變110 kV運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整，做好修武變220 kV單母線運(yùn)行的準(zhǔn)備及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控。對(duì)萬(wàn)方鋁業(yè)110 kV運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整，將萬(wàn)方電廠所帶電解鋁負(fù)荷轉(zhuǎn)移至潭王變，控制萬(wàn)方電廠110 kV母線所帶負(fù)荷為40萬(wàn)kW左右。

在修武變220 kV西母及220 kV萬(wàn)修Ⅱ線停電且萬(wàn)方電廠5、6號(hào)機(jī)組運(yùn)行期間，控制萬(wàn)方電廠5、6號(hào)機(jī)組出力共40萬(wàn)kW，萬(wàn)修Ⅰ線結(jié)零。

萬(wàn)方電廠6號(hào)機(jī)停電前（滑停中），焦作地調(diào)通知萬(wàn)方鋁業(yè)調(diào)度將萬(wàn)鋁變電解鋁整流變轉(zhuǎn)移至潭王變系統(tǒng)（停電倒整流變，轉(zhuǎn)負(fù)荷時(shí)間約需30 min），最終控制萬(wàn)方電廠110 kV母線負(fù)荷25萬(wàn)kW。

在修武變220 kV西母、萬(wàn)修Ⅱ線、萬(wàn)方電廠6號(hào)機(jī)組與系統(tǒng)隔離期間，控制萬(wàn)方電廠5號(hào)機(jī)組出力25萬(wàn)kW，萬(wàn)修Ⅰ線結(jié)零。

黑啟動(dòng)試驗(yàn)后，恢復(fù)修武變220 kV西母、萬(wàn)修Ⅱ線、萬(wàn)方電廠6號(hào)機(jī)與系統(tǒng)并網(wǎng)后，焦作地調(diào)通知萬(wàn)方鋁業(yè)調(diào)度將萬(wàn)鋁變電解鋁整流變轉(zhuǎn)移至萬(wàn)方電廠系統(tǒng)，最終控制萬(wàn)方電廠110 kV母線負(fù)荷40 萬(wàn)kW，將修武變110 kV運(yùn)行方式、萬(wàn)方鋁業(yè)110 kV運(yùn)行方式恢復(fù)正常。

5　結(jié)語(yǔ)

常規(guī)的黑啟動(dòng)主要基于電網(wǎng)安全考慮，對(duì)于重要負(fù)荷及110 kV變電站的運(yùn)行方式考慮過少，特別是鋁廠負(fù)荷停電兩小時(shí)后易導(dǎo)致電解鋁槽報(bào)廢，社會(huì)影響及經(jīng)濟(jì)影響不可忽視。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，從電網(wǎng)調(diào)度安全的工作實(shí)際出發(fā)，通過闡述黑啟動(dòng)的釋義和作用，對(duì)黑啟動(dòng)期間運(yùn)行方式風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析評(píng)估，發(fā)現(xiàn)黑啟動(dòng)過程中存在的薄弱環(huán)節(jié)，提出黑啟動(dòng)過程中的針對(duì)性措施和保障電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行的步驟，對(duì)從全局分析黑啟動(dòng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，提高黑啟動(dòng)成功率和系統(tǒng)恢復(fù)效率意義重大。

［1］劉艷，顧雪平.評(píng)估黑啟動(dòng)方案的層次化數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30（21）：17-19.

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Risk Analysis and Assessment of Operation Model Based on Power Grid Black Start

SONG Qiang1，YANG Wei2，NIU Shuai1，LI Zhongliang1，LI Long1
（1.State Grid Jiaozuo Power Supply Company，Jiaozuo 454000，China；
2.Management Training Center of Henan Electric Power Corporation，Zhengzhou 450007，China）

The operation mode of power grid is becoming more and more complex with the increasing of power grid size.Any slight improper handling of the partial failure may lead to widespread power failure.Black start is the primary part of the power grid restoration after blackout control.Its success or failure directly affects the recovery process.Operation risk of Xinxiang-Jiaozuo power grid black start test is analyzed.The success rate of black start and the recovery efficiency of power system are improved by N-1 fault scanning，black start thermal stability and transient stability.

power grid；black start；scheduling；power grid restoration

TM732

A

1007-9904（2016）01-0046-04

2015-09-10

宋強(qiáng)（1977），男，工程師，從事電力系統(tǒng)分析與控制工作。