郝鑫杰，鄭惠萍，王瑋茹

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001）

隨著現(xiàn)代互聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模越來越大，不可控因素越來越多，電網(wǎng)由于連鎖故障發(fā)生大面積停電的風險也在加大[1—3]。正確的黑啟動預案能夠在電網(wǎng)全部停電以后，提供恢復供電的指導方案，快速有效地恢復供電[4]。我國已有多個電網(wǎng)進行了黑啟動方案的研究[5—6]。

山西電網(wǎng)重要輸變電設(shè)備多處于煤礦采空區(qū)、地震斷裂帶上，運行環(huán)境惡劣，電網(wǎng)發(fā)生大面積停電和全部停電的風險始終存在，因此迫切需要開展電網(wǎng)全部停電情況下的黑啟動方案研究。在黑啟動的研究過程中主要出現(xiàn)的問題有啟動電源的選擇、過電壓、自勵磁、鐵磁諧振等[7—8]。文獻[9—10]主要研究了采用山西電網(wǎng)內(nèi)部具有自啟動能力的水電機組作為啟動電源的黑啟動方案。

山西電網(wǎng)是華北電網(wǎng)的組成部分，作為外送電大省，目前山西電網(wǎng)向華北外送的通道有：500 kV大房三回線、神保雙回線、陽北雙回線、潞辛雙回線，共九回線與京津唐電網(wǎng)、河北南部電網(wǎng)相聯(lián)?；谏轿麟娋W(wǎng)的特點，可以考慮在山西電網(wǎng)全部停電以后，通過這些聯(lián)絡(luò)線為山西電網(wǎng)提供啟動電源。本文主要研究基于外部電源作為啟動電源的山西電網(wǎng)黑啟動方案。依據(jù)山西電網(wǎng)的分區(qū)特點，選擇并行的啟動模式，重點研究啟動過程中的穩(wěn)態(tài)電壓控制和過電壓問題。

1 路徑選擇

在山西電網(wǎng)全部停電的情況下，充分利用京津唐、河北南網(wǎng)等外部電源進行電網(wǎng)的“黑啟動”工作，能快速恢復系統(tǒng)。這在山西電網(wǎng)內(nèi)部自啟動機組啟動能力不足時尤為重要。與山西電網(wǎng)相連的九回線路可以作為山西電網(wǎng)黑啟動時的外部路徑?；诓煌獠柯窂娇梢赃x擇多個啟動方案，逐一對不同方案進行計算分析。在黑啟動過程中利用多個子系統(tǒng)同時進行電網(wǎng)并行恢復工作，是快速恢復電網(wǎng)供電的一條基本措施。選擇路徑應遵循以下原則：啟動路徑盡量短；盡量減少不同電壓等級的變換；盡量先啟動大容量的機組；盡量先啟動離重要負荷近的機組。

中部電網(wǎng)是省會城市所在地，有很多大型的一類負荷，又是整個電網(wǎng)的調(diào)度指揮中心，故本文以中部電網(wǎng)為例，研究恢復中部電網(wǎng)的方案。啟動路徑選擇為“石北—陽泉—侯村—云頂山—興能電廠”（全長 122.13+101.936+77.011+24.783=325.86 km）。啟動路徑示意圖如圖1所示。

圖1 啟動路徑示意圖

2 外網(wǎng)等值及線路模型選擇

2.1 外網(wǎng)等值研究

山西中部電網(wǎng)通過陽北雙500 kV線路與外網(wǎng)連接，山西電網(wǎng)黑啟動所需的外部電源來自整個華北電網(wǎng)（除山西電網(wǎng)），故可以將華北電網(wǎng)等值為電壓源與系統(tǒng)阻抗模型。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 等值電源模型

2.2 線路模型選擇

陽北雙回500kV外部聯(lián)絡(luò)線長度為122.130km，在仿真過程中采用π型模型[11]，如圖3所示。

圖3 陽北雙回線π型模型

2.3 計算標準

根據(jù)《電能質(zhì)量暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓》GB/T18481—2001、《中華人民共和國電力行業(yè)標準交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》DL/T620—1997規(guī)定，對于500 kV系統(tǒng)空載線路合閘過電壓不大于2.0p.u.，220 kV及以下系統(tǒng)空載線路合閘過電壓不大于3.0p.u.。

在已選定的中部電網(wǎng)啟動路徑上，根據(jù)是否投入高抗分為不同的啟動方式，運用BPA和PSCAD進行仿真，重點對選定路徑上的穩(wěn)態(tài)電壓和過電壓問題進行了詳細研究。

3 中部電網(wǎng)啟動路徑穩(wěn)態(tài)電壓研究

外部電源石北側(cè)起始電壓520.84 kV，興能啟備變分頭位置在5分頭，即變比為525 kV/10.5 kV，且啟備變未帶負荷。從石北通過石北—陽泉、陽泉—侯村、侯村—云頂山、云頂山—興能電廠4條500 kV線路充電至興能電廠，充電過程中陽泉—侯村線路150 Mvar高抗（侯村側(cè)） 投入，云頂山側(cè)電抗未投入，穩(wěn)態(tài)電壓情況見表1。

表1 未投電抗的穩(wěn)態(tài)電壓 kV

由表1知，若石北電壓520.84 kV，通過石北—陽泉、陽泉—侯村、侯村—云頂山、云頂山—興能線路充至興能電廠，當合上云頂山—興能線路的斷路器后，云頂山變電站、興能電廠母線電壓超過540 kV，需要控制此站點的電壓，根據(jù)變電站的情況可分別采取以下兩種方案。

方案一：投入云頂山母線高抗150 Mvar后，計算結(jié)果如表2。

表2 投入云頂山母線高抗后穩(wěn)態(tài)電壓 kV

由表2知：若云頂山—興能線路合閘同時投入云頂山母線高抗，云頂山變電站、興能電廠母線電壓分別降為513.94 kV、514.12 kV，在充電過程中所有母線電壓滿足電壓控制要求。

方案二：合云頂山主變，主變分頭放在525/230/36 kV位置，并投入1組云頂山變電站低抗，計算結(jié)果如表3。

表3 投入云頂山低抗后穩(wěn)態(tài)電壓 kV

由表3知：采用方案二后，云頂山高、低壓側(cè)電壓分別降為525.3 kV、227.7 kV，滿足運行要求，再合云頂山—興能電廠線路，興能電廠母線電壓530.43 kV，滿足電壓控制要求。

兩種方案均能將穩(wěn)態(tài)電壓控制在可接受的范圍之內(nèi)，但低抗比高抗的降壓幅度小，可多組投切實現(xiàn)電壓的精細控制。

4 中部電網(wǎng)啟動路徑過電壓研究

本路徑最終啟動興能機組。仿真得到不同合閘操作時各段線路首末兩端的操作過電壓值，并計算操作過電壓倍數(shù)。

從仿真結(jié)果可知，合閘瞬間電壓瞬時升高，在整個合閘過程中合石北—陽泉段線路時，電壓值變化最大且陽泉站電壓升高最大，合啟備變時電壓未發(fā)生明顯波動。

圖4為合閘瞬時的過電壓值變化曲線，其中每個點代表該站在此次合閘過程中的過電壓大小。圖4 a為投入云頂山母線高抗的過電壓變化曲線，圖4 b為投入低抗后的過電壓曲線。

圖4 不同投抗方式下的過電壓曲線

由圖4可知，在整個合閘過程中合石北—陽泉段線路時，操作過電壓值最大且陽泉站電壓升高最大，隨著合閘時間的推移，在合以后的線路時石北站和陽泉站的操作過電壓值逐漸減小，但初次合閘時由于石北—陽泉、陽泉—侯村、侯村—云頂山三條線的線路長度相當，所以兩種不同投抗方式下過電壓值均處于同一過電壓水平。表4為過電壓倍數(shù)表。從表4易知，整個路徑上各站的過電壓倍數(shù)均未超過2倍，最大值發(fā)生在合石北—陽泉時陽泉站，過電壓倍數(shù)為1.877。

表4 過電壓倍數(shù)表

5 結(jié)論

本文以中部電網(wǎng)為例研究了山西電網(wǎng)采用外部電源作為啟動電源的黑啟動方式，具體研究了中部電網(wǎng)所選路徑的穩(wěn)態(tài)電壓控制和過電壓問題，基于理論研究和仿真驗證，可以得到如下結(jié)論。

a）合云頂山—興能線路的同時需要投入云頂山母線高抗或者低抗，在充電過程中所有母線電壓才能滿足電壓控制要求，且投低抗可以達到更精細的電壓控制。

b）整個路徑上各側(cè)的過電壓倍數(shù)均未超過2倍，最大值發(fā)生在合石北—陽泉時陽泉站，大小為1.877倍?？梢缘贸?，相同導線型號的線路上過電壓的最大值發(fā)生在長度最長的線路上。

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