基于“無人值班 少人值守”的大型水電站“一鍵黑啟動”方案探究

（云南華電金沙江中游水電開發有限公司梨園發電分公司，云南 麗江 674100）

近年來，世界范圍內發生了多起電力系統大停電事故，造成了巨大經濟損失和社會影響。海南電網2005年9.26大停電事故是我國近年來第一次發生的由自然災害引起的省級電網大面積停電而進行的電網黑啟動的事故，在此次事故處理過程中，除南豐水電站在0.5h內黑啟動成功外，多數電站黑啟動時間均超過1.5h，歷時4h電網黑啟動才取得較大進展。不斷發生的大停電事故表明，雖然電網安全穩定控制理論及技術在不斷發展、電網控制手段在不斷進步，但是電網大面積停電風險依然存在。海南大停電事故后的黑啟動表明，在最緊急的情況下，利用常規黑啟動，僅僅依靠人的反應和操作，很難滿足緊急事故情況下的電網恢復要求，因此需要在監控系統中設計一種類似自動開機功能的“一鍵黑啟動”功能，使運行人員在黑啟動時只需在上位機上下達“一鍵黑啟動”命令，程序即能自動完成全部黑啟動操作，提高黑啟動響應時間和安全性。

1 “一鍵黑啟動”的提出

梨園水電站為金沙江中游電站群已投運的第一級電站，總裝機240萬千瓦。根據南方電網有關規定，該電站作為500kV金官站的典型黑啟動路徑之一，直接擔負著啟動金官換流站的重要任務，在發生電網大面積停電或者全停事故時，在無法依靠外部供電恢復廠用電條件下，該電站應具備通過調速系統自身儲能或啟動柴油發電機，迅速恢復全廠用電以及對電網送電的黑啟動能力。近年來，隨著梨園電站提出“無人值班、少人值守”管理目標，計劃將所有運行功能轉移到遠在數百公里外的集控中心，現場僅留有少量值守人員。此種模式下，在電網大面積停電情況下，僅僅依靠現場值守人員進行手動操作黑啟動，操作的安全性和快速響應性顯然難以保證，因此要求需要在監控系統中增加“一鍵黑啟動”功能，采用“技防”的手段，提高黑啟動可靠性。

2 梨園水電站廠用電及黑啟動現狀

2．1 廠用電系統

梨園水電站廠用電系統采用10kV和400V兩級電壓供電，10kV供電系統分設Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五段，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段相鄰段之間設有一個聯絡斷路器，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段與Ⅴ段之間均設有兩個聯絡斷路器，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四段電源分別取自與1B#、2B#、3B#、4B#四臺主變低壓側直接相連的廠高變，Ⅴ段電源取自電站10kV外來電源和廠房柴油發電機電源；正常運行情況下，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ各段獨立運行，Ⅴ段為備用電源段；所有400V廠用電母線均分為A、B兩段，每段電源均取自10kV系統，經廠低變降壓后接入400V配電盤，兩回電源互為備用，400V系統分為機組自用電、全廠公用電、照明用電、壩區用電四部分。廠內設有一臺1500kW柴油發電機，經升壓變升壓后接至10kV Ⅰ、Ⅴ段。目前所有10kV開關和400V開關（含廠房柴油發電機出口開關439）均具備上位機遠方操作功能，400V用電系統配置有備自投裝置。柴油發電機具備上位機遠方啟動功能。

2．2 黑啟動電源

梨園水電站機組在廠用交流動力電源消失的情況下, 主要受技術供水、推力、水導外循環、高壓油頂起裝置和調速、筒閥壓油裝置限制, 機組無法正常開機, 不具備A類黑啟動能力。機組需要依靠事故備用電源柴油發電機供發電機輔助設備交流用電的黑啟動方式，即滿足B類黑啟動能力。廠房內柴油發電機，經升壓變升壓后分別接至10kV Ⅰ、Ⅴ段，根據梨園水電站運行規程規定，正常運行方式下，接入10kVⅠ段的0039Ⅰ處在試驗位置，為滿足黑啟動快速響應要求和實現操作流程化、標準化，各臺機組黑啟動均由廠房柴油發電機供電至10kVⅤ段后再分別聯絡10kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段。

2．3 直流系統

梨園水電站配置有機組直流系統、公用直流系統、開關站直流系統、壩區直流系統，均使用雙電源配置，主要供給全廠繼電保護、自動裝置、自動控制、操作電源及信號電源、事故照明、UPS輸入電源、二次試驗電源等負荷，當全廠失壓時，各直流系統可以連續運行10h以上，滿足機組黑啟動要求。

2．4 目前黑啟動方式

若外來廠用電源和送出系統故障全停，需要黑啟動時，由上位機遠方啟動柴油發電機，恢復10kV廠用電V段供電，并通過遠程操作恢復機組自用電，遠程操作機組至空轉，合上GCB后，現地手動操作發電機帶主變零起升壓，升壓至額定電壓后，再通過遠方倒閘操作合上高廠變低壓側開關，利用機組發電給10kV相應母線供電。目前方式下，平均黑啟動時間在1h左右。

3 梨園水電站“一鍵黑啟動”可行性分析

以1號機組黑啟動為例，所謂“一鍵黑啟動”，就是根據黑啟動各個環節的要求，通過對監控系統流程的設計，在上位機上下達“1號機組黑啟動”命令，系統根據預設的程序進行自動黑啟動直至機組啟動成功帶上廠用電為止。其基本流程為：首先完成1號機組與系統的電氣隔離，然后斷開10kV Ⅰ、Ⅲ段母線及相應400V 1號機組自用電，啟動廠區柴油發電機恢復廠區供電，之后開啟1號機組至空轉狀態，然后1號發電機帶1號主變和1號廠高變（11B）零起升壓至額定電壓，再依次恢復相應的10kV系統及400V系統，再然后停止柴油發電機運行，1號機組黑啟動結束。因此，實現“一鍵黑啟動”的必備條件如下：一是所涉及設備的所有操作均可以在上位機上完成，包括機組帶主變零起升壓；二是由于有高頂、推力外循環等自用電負荷，保險起見，機組空載后倒換廠用電過程中，需盡量保證機組自用電不失電；三是監控系統中需有相應的“一鍵黑啟動”程序和畫面。

3．1 不能遠方操作發電機帶主變零起升壓問題

應對措施：在勵磁系統中加入機組“柔性起勵建壓模式”，也就是模擬手動零起升壓的過程，將機組給定電壓從25%、50%、75%逐步給定至100%，避免一步建壓至100%對主變的沖擊。

3．2 倒閘操作過程中，機組自用電存在短時失電的問題

應對措施：利用現有廠用電接線方式上，各機組自用電兩段母線均分別取自10kVⅠ、Ⅲ段或者Ⅱ、Ⅳ段，因此每臺機組黑啟動時，可利用10kVⅠ、Ⅲ段或Ⅱ、Ⅳ段母線分別引入柴油發電機電源和機組高廠變電源，也就是如果是1號機組，則柴油發電機供電至Ⅲ段（對應400V自用電B段），2號機組則供電至Ⅳ段（對應400V自用電B段），3號機組則供電至Ⅰ段（對應400V自用電A段），4號機組則供電至Ⅱ段（對應400V自用電A段），倒換廠用電過程中，400V備自投退出，400V聯絡開關在斷開位置。據此，可以實現機組空載后倒換廠用電過程中400V機組自用電不失電。至于在監控系統中增加相關程序和畫面，基本沒有什么難度，在此不做贅述。綜上，通過增加勵磁調節系統中“遠方柔性起勵建壓”模式，調整黑啟動過程中廠用電供電方式，在監控系統中增加“一鍵黑啟動”程序和相關邏輯判據，完全可以實現梨園水電站“一鍵黑啟動”，因此，“一鍵黑啟動”是可行的。

4 “一鍵黑啟動”與常規黑啟動試驗的區別

應當明確的是，本文所述一鍵黑啟動是建立在電網已經大面積停電，全廠機組停機，所有外來電源均已消失這種極端情況基礎上的，根據南網兩個細則要求，要求電廠每半年做一次內部黑啟動試驗，每兩年請第三方機構進行黑啟動驗證性試驗。受運行方式影響，黑啟動試驗條件一般為單臺機組與系統隔離，其余三臺機組均正常運行，因此，試驗條件和本文所述的“一鍵黑啟動”條件相去甚遠，最主要的區別就是“一鍵黑啟動”情況下，可以將10kV四段母線中的兩段停電進行倒換機組自用電，而在常規試驗條件下，10kVⅠ、Ⅲ段不能同時停電，10kVⅡ、Ⅳ段不能同時停電。因此常規試驗時，在倒換機組廠用電時，由于其余三段工作正常，可以利用其余三段母線電源為機組自用電的某一段供電，因此可以先停柴油發電機后將試驗10kV母線空出，再利用機組高廠變帶電從而供電至機組自用電的另一段。

5 結語

為適應“無人值班、少人值守”要求，提升電站運行安全性，保證在極端情況下黑啟動成功，梨園電站在目前的設備條件下，經過一些適應性改造，是可以實現“一鍵黑啟動”功能的。主要的適應性改造一是要解決勵磁系統遠方柔性啟勵建壓的問題，二是要解決“一鍵黑啟動”過程中機組啟動后自用電可能失電的問題。