基于電網黑啟動的運行方式風險分析評估

宋　強，楊　瑋，牛　帥，李忠良，李　龍

（1.國網河南省電力公司焦作供電公司，河南　焦作　454000；2.國網河南省電力公司管理培訓中心，鄭州　450007）

基于電網黑啟動的運行方式風險分析評估

宋強1，楊瑋2，牛帥1，李忠良1，李龍1

（1.國網河南省電力公司焦作供電公司，河南焦作454000；2.國網河南省電力公司管理培訓中心，鄭州450007）

隨著電網規模的日益增大，電網運行方式越來越復雜，局部故障稍微處理不當，就可能引起大面積的停電故障。黑啟動作為大停電后電網恢復控制的首要環節，其成功與否直接影響整個恢復進程。對新鄉—焦作電網黑啟動試驗過程中電網運行風險進行分析，通過N-1故障掃描，黑啟動熱穩、暫穩校核，提高黑啟動的成功率和系統的恢復效率。

電網；黑啟動；調度；電網恢復

0　引言

河南電網的骨干出力是火力發電機組，一直以來，河南電網備用啟動機組為焦作電廠，裝機容量為6×200 MW，原廠將拆除，通過“上大壓小”異地擴建2×660 MW超超臨界燃煤發電機組，顯然已不可能作為河南電網的備用啟動機組。整個電網故障崩潰停運后，第一時間通過系統中具有自啟動能力機組的啟動，帶動無自啟動能力的機組，逐步擴大系統的恢復范圍，最終實現整個系統的恢復和供電的過程中，黑啟動起著決定性的作用。在大停電發生后，能否根據電力系統實際情況快速有效地制定和選擇最優恢復方案，在很大程度上決定了系統恢復的效率。

文獻［1］利用層次分析法合理劃分評估層次，并根據判斷矩陣得出符合調度經驗的評估準則權重，評價不同評估準則下方案的相對優劣。文獻［2］通過電網黑啟動試驗的過程，對試驗結果進行分析，找出黑啟動過程中存在的薄弱環節，以達到驗證黑啟動研究理論計算結果的正確性。文獻［3］通過對黑啟動恢復過程中的工頻過電壓、操作過電壓、系統恢復中的電壓和頻率問題、小系統發生單相瞬時性短路時的安全穩定性以及合環問題等進行分析研究，選出最佳方案。文獻［4］結合人工智能技術和傳統的電力系統計算分析技術，開發了黑啟動決策支持系統，用于指導大停電后的系統恢復。文獻［5］提出的決策支持系統采用專家系統處理知識性的規則預選出數個較優的啟動方案，用風險決策中的期望值法則算出各方案的期望發電量。文獻［6］給出了分層案例庫的框架結構及分層黑啟動案例的推理算法，并結合電網實際，能夠起到調度員培訓和在線決策支持的作用。

現有文獻對涉及黑啟動的研究，主要是利用人工智能技術分析黑啟動的過電壓及系統恢復中的頻率問題及合環問題，同時側重于人員培訓，缺少N-1故障掃描及黑啟動熱穩、暫穩校核，相應的風險評估及采取的針對性措施。黑啟動研究應根據各個地區實際供用電情況及電網結構、運行方式的不同而采取的措施不同，通過研究地區電網實際，結合本身運行情況進行風險分析，綜合考慮成功與不成功應該采取的防范性措施，從而保證黑啟動的恢復。

基于峪寶泉水電廠黑啟動試驗，對系統潮流、暫態穩定性進行計算分析。在黑啟動試驗期間，將通過新鄉峪寶泉水電廠—500 kV峪獲線—獲嘉變2號主變—獲嘉變220 kV北母—220 kV獲修線—修武變220 kV西母—220 kV萬修Ⅱ線—萬方火電廠6號機組構成試驗系統，驗證峪寶泉水電廠自啟動能力，檢驗峪寶泉水電廠通過試驗系統啟動220 kV萬方火電廠的能力。

1　黑啟動計算分析條件

合理的電網結構是電力系統安全穩定運行的基礎。合理的電網結構應能夠滿足各種運行方式下潮流變化的需要，具有一定的靈活性，并能適應系統發展的要求；任一元件無故障斷開，應能保證電力系統的穩定運行，且不使其他元件超過規定的事故過負荷和電壓允許偏差；應有較大的抗擾動能力，并滿足《電力系統安全穩定導則》［7］中規定的有關各項安全穩定標準。同時滿足分層和分區原則；合理控制系統短路電流［8］。

焦作電網網供負荷235萬kW，陽潤電廠正常開機，金冠電廠一臺機運行，焦作電廠3號機運行，萬方電廠5、6號機運行。同時，對萬方電廠和修武變110 kV母線所帶負荷進行方式調整，黑啟動試驗期間，萬修Ⅰ、Ⅱ線按照結零控制，如圖1所示。

圖1　焦作地區220 kV電網接線

2　黑啟動試驗條件下的電網運行方式風險分析評估

電力系統全停后的恢復應首先確定停電系統的地區、范圍和狀況，然后依次確定本區電源或外部系統幫助恢復供電的可能性。若無法恢復供電，應很快投入系統“黑啟動”方案。制定黑啟動方案應根據電網結構的特點合理劃分區域，各區域必須安排1～2臺具備黑啟動能力的機組，并合理分布。

電網穩定分析按照調度管轄范圍分級負責進行，按照“統一計算程序、統一計算標準、統一計算參數、統一計算模型”的原則，國調、省調各自負責所轄安全穩定計算分析和制定穩定措施，并承擔相應的安全責任。

電力系統各種運行方式下潮流計算［9］的主要目的是在電力系統生產運行過程中，用于運行方式編制，為繼電保護自動裝置定值提供依據，并作為電力系統穩定性分析的基礎。

2.1黑啟動期間電力系統潮流計算

結合豫北電網的特點，考慮運行方式對系統穩定運行的影響，提出穩定運行限額，并檢驗安全穩定措施是否滿足熱穩定要求。還應特別注意在電網運行經驗和事故教訓的基礎上，做好事故預測，對全網各主干線和局部地區穩定情況予以計算分析。對黑啟動試驗期間進行N-1故障掃描，結果如表1所示。萬方電廠單機單線運行潮流如圖2所示。

圖2　萬方電廠單機單線運行潮流

河南電網黑啟動試驗期間，修武變運行母線故障，萬方電廠與系統解列，系統無熱穩問題。萬修Ⅰ、Ⅱ線單線運行期間，萬修Ⅱ線跳閘，萬方電廠與系統解列，系統無熱穩問題。萬修Ⅰ、Ⅱ線單線運行期間，萬方電廠5號機跳閘，萬修Ⅱ線潮流為25萬kW，接近滿載，系統無熱穩問題。

表1　黑啟動試驗期間N-1故障掃描　MW

2.2黑啟動期間暫態穩定計算

電力系統暫態穩定計算用于分析和研究提高安全穩定的措施，以及研究非同步運行后的再同步及事故后的恢復策略。目前，穩定性分析常用的方法是用計算機進行故障仿真分析或進行穩定指標的計算分析。其主要步驟需要先建立電力系統模型，然后進行各種擾動情況下的穩定性分析。

暫態穩定計算分析采用 《電力系統分析綜合程序》6.28版，計算方法為隱式積分法，積分步長0.01 s。統調發電機均采用“Eq”變化的5階模型（并考慮調速器和調壓器的作用）。

穩定計算按照《電力系統安全穩定導則》、《國家電網公司電力系統安全穩定計算規定》、《國家電網安全穩定計算技術規范》、《國家電網公司電網安全穩定管理工作規定》的要求執行，穩定計算應執行計算、校核、審批流程，對存在穩定問題的運行方式充分討論后確定。確定線路或輸電斷面穩定控制極限時，預留5%～10%的穩定儲備。

黑啟動試驗可行性研究中，基于萬方電廠雙機單線期間萬修Ⅱ線單相故障、單機單線期間萬修Ⅱ線單相故障、單機單線期間萬方電廠5號機跳機及修武變220 kV西母單相故障時發電機功角及母線電壓進行計算，可以確定電網在黑啟動試驗期間，除萬方電廠可能孤網外，系統無暫穩問題。其中單機單線期間萬方電廠5號機跳機發電機功角和母線電壓如圖3所示。

圖3　萬方電廠5號機跳機時發電機功角及母線電壓

3　黑啟動試驗的電網運行方式穩定校核

黑啟動試驗期間，修武變220kV西母、萬修Ⅱ線、萬方電廠6號機組、獲修線與系統隔離。期間，萬方電廠5、6號機存在雙線雙機、單線雙機和單線單機并網運行方式。

對萬方電廠和修武變110 kV母線所帶負荷進行方式調整后，黑啟動試驗期間，焦作電網潮流分布合理，無元件過載情況；試驗期間，修武變220 kV單母線運行，發生運行母線故障，萬方電廠與系統解列孤網運行，修武變負荷全停，系統其它元件無熱穩定問題；萬方電廠單線并網期間，發生萬修I線故障，萬方電廠與系統解列孤網運行，系統其他元件無熱穩定問題；發生其他相關220 kV線路或萬方電廠機組N-1故障，系統無熱穩定問題；黑啟動試驗期間，系統無暫穩問題。

4　黑啟動風險評估

制定《黑啟動期間修武變220 kV西母、萬修Ⅱ線、萬方6號機組同停期間風險評估》，以此來實現電網事故處理的安全性、可靠性、快速性和規范性。

修武變220 kV西母及220 kV萬修Ⅱ線停電前，焦作地調對修武變110 kV運行方式進行調整，做好修武變220 kV單母線運行的準備及風險預控。對萬方鋁業110 kV運行方式進行調整，將萬方電廠所帶電解鋁負荷轉移至潭王變，控制萬方電廠110 kV母線所帶負荷為40萬kW左右。

在修武變220 kV西母及220 kV萬修Ⅱ線停電且萬方電廠5、6號機組運行期間，控制萬方電廠5、6號機組出力共40萬kW，萬修Ⅰ線結零。

萬方電廠6號機停電前（滑停中），焦作地調通知萬方鋁業調度將萬鋁變電解鋁整流變轉移至潭王變系統（停電倒整流變，轉負荷時間約需30 min），最終控制萬方電廠110 kV母線負荷25萬kW。

在修武變220 kV西母、萬修Ⅱ線、萬方電廠6號機組與系統隔離期間，控制萬方電廠5號機組出力25萬kW，萬修Ⅰ線結零。

黑啟動試驗后，恢復修武變220 kV西母、萬修Ⅱ線、萬方電廠6號機與系統并網后，焦作地調通知萬方鋁業調度將萬鋁變電解鋁整流變轉移至萬方電廠系統，最終控制萬方電廠110 kV母線負荷40 萬kW，將修武變110 kV運行方式、萬方鋁業110 kV運行方式恢復正常。

5　結語

常規的黑啟動主要基于電網安全考慮，對于重要負荷及110 kV變電站的運行方式考慮過少，特別是鋁廠負荷停電兩小時后易導致電解鋁槽報廢，社會影響及經濟影響不可忽視。根據實際運行經驗，從電網調度安全的工作實際出發，通過闡述黑啟動的釋義和作用，對黑啟動期間運行方式風險進行分析評估，發現黑啟動過程中存在的薄弱環節，提出黑啟動過程中的針對性措施和保障電網孤網運行的步驟，對從全局分析黑啟動的每個節點，提高黑啟動成功率和系統恢復效率意義重大。

［1］劉艷，顧雪平.評估黑啟動方案的層次化數據包絡分析方法［J］.電力系統自動化，2006，30（21）：17-19.

［2］趙利軍.寧夏電網黑啟動試驗研究［J］.寧夏電力，2005（4）：23-26.

［3］李磊，房鑫炎，凌曉波.上海電網黑啟動研究［J］.上海電力，2003 （6）：13-17.

［4］蘇德生，顧雪平，趙書強，等.河北南網黑啟動決策支持系統的研究開發［J］.電力系統自動化，2004，28（12）：16-19.

［5］周云海，閔勇，楊濱.黑啟動及其決策支持系統［J］.電力系統自動化，2001，25（15）：22-24.

［6］王洪濤，劉玉田，邱夕照.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）：11-14.

［7］DL 755—2001電力系統安全穩定導則［S］.

［8］王大光.電力系統分析［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［9］高元楷.電力系統運行操作和計算［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，1996.

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（1977），男，工程師，從事電力系統分析與控制工作。