王新樂

(云南電力試驗研究院(集團)有限公司，昆明 650217)

0 前言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模和容量的逐漸增大，大容量機組、長距離輸電線路的大量投入使用，使電網(wǎng)的安全問題變得越來越重要，受戰(zhàn)爭、自然災(zāi)害等不可控因素影響，大面積停電事故是不可避免的，而在發(fā)生大面積停電后，如何進行電網(wǎng)的黑啟動自救從而快速恢復(fù)整個電力系統(tǒng)的正常運行，對減少事故帶來的經(jīng)濟損失和社會動蕩是至關(guān)重要的。

1 主要內(nèi)容

1.1 定義

1.1.1 黑啟動定義

所謂黑啟動，是指整個系統(tǒng)因故障停運后，系統(tǒng)全部停電(不排除孤立小電網(wǎng)仍維持運行)，處于全“黑”狀態(tài)，不依賴別的網(wǎng)絡(luò)幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動能力的發(fā)電機組啟動，帶動無自啟動能力的發(fā)電機組，逐漸擴大系統(tǒng)恢復(fù)范圍，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復(fù)。黑啟動的基本任務(wù)為:對內(nèi)恢復(fù)廠用電，對外配合電網(wǎng)調(diào)度恢復(fù)電網(wǎng)運行。機組具有黑啟動功能不僅是電站在全廠失電情況下安全生產(chǎn)自救的必要措施，也是電網(wǎng)發(fā)展的需要。

1.1.2 黑啟動試驗

黑啟動試驗是指，為了驗證在發(fā)生系統(tǒng)大面積停電情況下電廠的黑啟動能力，并發(fā)現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案中未考慮周全的問題，人為模擬廠用電全失及區(qū)域電網(wǎng)停電，通過有序組織、合理安排來恢復(fù)廠用電，從而恢復(fù)對區(qū)域電網(wǎng)供電的一種驗證手段。需要說明的是，受各種條件制約，黑啟動試驗幾乎不可能完全模擬真實全網(wǎng)失電情況，因此相對于絕對參考價值，其驗證結(jié)論的相對參考價值更大一些。

1.2 試驗驗證結(jié)果

根據(jù)云南電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，選取大盈江三級(3×50 MW)、功果橋(4×225 MW)、弄另(2×90 MW)、景洪(5×350 MW)、龍開口(5×360 MW)、蘇家河口(3×100 MW)等水電廠進行黑啟動試驗，以驗證其黑啟動能力，發(fā)現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案中未涉及的問題并提出相應(yīng)的解決方案。

1.2.1 黑啟動方式

目前，黑啟動較為常用的方法主要有兩種，即調(diào)速系統(tǒng)自儲能啟動和事故備用電源(柴油發(fā)電機機)啟動。參與試驗的水電廠根據(jù)自身實際情況選擇試驗方式，最終各電廠選擇的黑啟動方式如表1 所示。

表1 各廠黑啟動方式選擇

1.2.2 黑啟動時間

黑啟動試驗一般從試驗總指揮下令開始計時，機組恢復(fù)帶廠用電終止計時。各廠試驗 用時如表2 所示。

表2 各廠黑啟動試驗耗時

1.3 存在的問題及解決方案

1.3.1 方式選擇

1.3.1.1 自儲能啟動存在的障礙或風(fēng)險

利用調(diào)速系統(tǒng)自儲能進行黑啟動是指在全廠失電、調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置油泵無法啟動的情況下，完全依靠壓力罐儲存的剩余壓力能，手動開啟導(dǎo)水葉使機組沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速，然后對發(fā)電機出口斷路器進行無壓合閘，通過發(fā)電機勵磁系統(tǒng)帶主變及高廠變零起升壓，直至建壓至額定電壓后再合上高廠變低壓側(cè)饋線斷路器，由機組供給廠用電，進而恢復(fù)對全廠乃至電網(wǎng)供電。

從各電廠試驗情況來看，自儲能啟動方式可能存在的障礙或風(fēng)險主要包括以下幾點:

1)啟機前的障礙，在無交流電供給的情況下，一些電廠存在不滿足開機的系統(tǒng)。如功果橋電廠大軸蠕動裝置無法操作與大軸分離;龍開口電廠推力瓦采用巴氏合金瓦，高壓油頂轉(zhuǎn)子裝置需要在低轉(zhuǎn)速(＜95%Nr)下處于常投狀態(tài)以形成油膜防止燒瓦。

2)建立送電通道的障礙，主要指在無交流電情況下操作合閘送電通道上斷路器與隔離開關(guān)的障礙。如功果橋電廠發(fā)電機出口隔離開關(guān)操作電源取自交流電，機組帶廠用電之前無法合閘。

3)升壓過程中的風(fēng)險。如功果橋電廠勵磁風(fēng)機電源取自勵磁變，其控制邏輯設(shè)定為啟勵30 s 以內(nèi)，若三臺勵磁風(fēng)機均不啟動則判斷為啟勵失敗退柜。因此如果手動啟勵過程超過30 s 則自動判為啟勵失敗。

4)其他風(fēng)險。如松山河口電廠機組工作密封磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致廠內(nèi)滲漏排水流量較大，排水井水位上升過快，存在水淹廠房的風(fēng)險。此外，在恢復(fù)交流電供給以前，對全廠的直流系統(tǒng)是一個嚴(yán)峻考驗。

1.3.1.2 柴油機啟動存在的障礙或風(fēng)險

對于配備有廠內(nèi)柴油發(fā)電機的電廠，可以直接啟動柴油發(fā)電機供給機組廠用交流電，具備開機條件后開機，帶主變零起升壓，之后斷開柴油發(fā)電機，同時合上高廠變低壓側(cè)饋線斷路器，由機組供給廠用電，進而恢復(fù)對全廠乃至電網(wǎng)供電。

從各電廠試驗情況來看，柴油機啟動方式最有可能存在的風(fēng)險就是短時失電的風(fēng)險。柴油發(fā)電機與機組分屬兩個不同規(guī)模的電源點，不能同時供給廠用電，因此在恢復(fù)由機組帶廠用電之前，需要先將柴油發(fā)電機斷開，會出現(xiàn)機組在運轉(zhuǎn)狀態(tài)下短時失去廠用交流電的情況，可能會對機組運行狀態(tài)造成影響。如多數(shù)電廠為防止因主軸密封水中斷導(dǎo)致的密封磨損，均設(shè)置有流量低+壓力低延時跳機邏輯，而廠用交流電的失電時間如果大于此延時，則會讓LCU“誤判”為跳機邏輯滿足從而導(dǎo)致停機。

1.3.1.3 解決方案

對于自儲能啟動方式可能存在的障礙或風(fēng)險，可以通過對設(shè)備的適當(dāng)改造將其排除，如將大軸蠕動裝置電機電源和發(fā)電機出口隔離開關(guān)操作電源改造為取自UPS 供電，保證在無交流電供給的情況下部影響開機及送電通道的建立;在不影響可控硅溫升的前提下，通過修改程序?qū)畲棚L(fēng)機控制邏輯中的跳機延時適當(dāng)延長，保證建壓時間不超過此延時，以確保建壓成功。

對于柴油機啟動方式存在的機組運行過程中短時失去廠用交流點供給的風(fēng)險，則可以通過運作方法的革新來避免。如松山河口電廠黑啟動試驗過程中，在機組建壓后，為了防止柴油機斷電后的短時失電造成的影響，先利利用機組A 向220 kV 母線供電，通過母線倒送將機組B 的主變及高廠變帶電，從而恢復(fù)其B 段廠用電，然后將機組A 的廠用電負(fù)荷全部轉(zhuǎn)移至B 段供電，此時斷開柴油發(fā)電機后就不會造成機組A 的短時失電，待機組A 正常帶A 段廠用電運行后再將機組A 的負(fù)荷轉(zhuǎn)移至A 段恢復(fù)正常運行狀態(tài)。

1.3.1.4 兩種方式的利弊分析及其選擇

自儲能啟動的優(yōu)點在于對電氣系統(tǒng)依賴性不高，在“全黑”情況下的可操作性較強，而且它完全依靠試驗機組零起建壓后帶自身機組段廠用電，直至逐步聯(lián)絡(luò)恢復(fù)全廠其他機組段及公用段廠用電，與柴油發(fā)電機啟動方式相比，倒閘操作相對較少，降低了在突發(fā)情況下因倒閘操作失誤而引發(fā)的風(fēng)險。但自儲能啟動方式也有其自身的弊端:在完全恢復(fù)機組帶上廠用電以前，全廠均無交流電供給，這首先對直流系統(tǒng)是一個考驗。另外更重要的是，機組從啟動到無壓合閘再到建壓的過程中，往往某個或某幾個單體系統(tǒng)是需要交流電供給才能滿足流程繼續(xù)執(zhí)行的條件的，如上所述的大軸蠕動裝置以及隔離開關(guān)的操作。這就形成了一個死循環(huán):即不滿足開機條件就無法開機，無法開機就無法建壓帶廠用電，無法恢復(fù)廠用交流電供給就不滿足開機條件。

柴油機啟動方式則恰好相反，其優(yōu)點在于在機組啟動前就能夠利用柴油發(fā)電機供給廠用交流電，對直流系統(tǒng)要求相對不高，整個黑啟動過程均由交流電供給，與正常運行方式差別不大，甚至可以滿足自動開機條件，從而使機組啟動時間大大縮短，也降低了手動開機的風(fēng)險。但柴油機啟動方式的弊端也顯而易見，其涉及到的廠用電分段較多，饋電通道較復(fù)雜，需要的倒閘操作較多，因此因倒閘操作失誤而引發(fā)風(fēng)險的概率也大大增加。

對于黑啟動方式的選擇，由于自儲能啟動方式對于電氣系統(tǒng)依賴性不高，屬于真正意義上的“黑”啟動，因此建議黑啟動方式應(yīng)以自儲能啟動為首選，柴油機作為事故備用電源可以作為備用方式。當(dāng)然，如果電廠不具備自儲能啟動的條件——如前所述龍開口電廠的高壓油頂起裝置——那么也只有采用柴油機啟動方式，這就要求電廠保持對于柴油機良好的維護水平，如定期啟動，油料的定期補給等。

1.3.2 黑啟動耗時

1.3.2.1 計時標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

黑啟動最明顯的社會意義莫過于盡可能“快”的恢復(fù)電網(wǎng)供電，其中耗時是一個比較容易量化的標(biāo)準(zhǔn)，因此也是被大家普遍關(guān)心的問題，而計時標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一是考慮耗時問題前提。由于水力發(fā)電廠型式多樣，因此計時標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一也困難重重。目前來看，對于計時標(biāo)準(zhǔn)問題主要有以下幾個觀點:

1)從全網(wǎng)失電開始計時，終止于全網(wǎng)(或區(qū)域電網(wǎng))恢復(fù)向所有負(fù)荷用戶供電;

2)從全網(wǎng)失電開始計時，終止于向網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷用戶供電;

3)從全網(wǎng)失電開始計時，終止于向其他并網(wǎng)電源點倒送廠用電。

1.3.2.2 試驗耗時與真實時間差距較大

耗時是黑啟動試驗需要驗證的重要數(shù)據(jù)，但由于黑啟動試驗無法完全模擬真實情況，因此試驗耗時與真實全網(wǎng)失電情況下所需時間存在較大差距。主要有以下幾點原因:

1)與突發(fā)失電事故相比，黑啟動試驗屬于有組織的生產(chǎn)活動，其組織方式、反應(yīng)能力、隨機因素等的不同決定了時間的差距;

2)受電網(wǎng)及電廠運行方式制約，試驗內(nèi)容往往比真實黑啟動要省略，如電網(wǎng)無法實現(xiàn)模擬全網(wǎng)停電，試驗機組啟動后并網(wǎng)這一步就顯得毫無意義。

受以上因素影響，黑啟動試驗耗時往往比真實時間偏小，如2005 年中國海南電網(wǎng)因臺風(fēng)造成的全網(wǎng)失電，用時1 小時25 分鐘黑啟動成功，而從各廠的實際試驗耗時來看，最大耗時僅為45 分鐘，也從側(cè)面印證了此觀點。

1.3.2.3 解決方案

對于計時標(biāo)準(zhǔn)問題，業(yè)界尚未有相關(guān)規(guī)范給出具體規(guī)定，但作者認(rèn)為第一種觀點供電范圍過大，受事故后不確定因素影響較大，如果以此作為計時標(biāo)準(zhǔn)，勢必將計入很大一部分非供電部門可以決定的時間;而第三種觀點又過于狹義，實際上只是為恢復(fù)供電做好了準(zhǔn)備，并未真正恢復(fù)任何用戶的供電。第二種觀點比較合適，既考慮了關(guān)系國民經(jīng)濟及國家安全的重要負(fù)荷的優(yōu)先恢復(fù)，又將恢復(fù)供電范圍掌控在供電部門可以掌控的范圍之內(nèi)，有利于相關(guān)部門根據(jù)事件的輕重緩急對事態(tài)加以判斷，以便做出合理決策。

1.3.3 孤網(wǎng)下的調(diào)節(jié)品質(zhì)

1.3.3.1 頻率/電壓的波動

在真實全網(wǎng)失電情況下，一旦機組啟動成功，除了恢復(fù)自身自用電以及全廠廠用電以外，最重要的任務(wù)就是安全迅速的向電網(wǎng)供電，因此并網(wǎng)運行是必經(jīng)步驟。但此時的并網(wǎng)不同于平時，屬于特殊工況。尤其首臺黑啟動成功的機組，其輸電線路上尚沒有其他負(fù)荷，并網(wǎng)后機組僅帶廠用電負(fù)荷以及空線路阻抗運行，相當(dāng)于孤網(wǎng)運行模式，其電壓、頻率的波動較大，不利于后續(xù)機組同期并網(wǎng)。按照中國國家電力調(diào)度中心2005 年發(fā)布的《電力系統(tǒng)黑啟動方案編制和實施技術(shù)規(guī)范》要求，“頻率應(yīng)盡可能控制在49.5～50.5 Hz以內(nèi)，電壓應(yīng)盡可能控制在0.9～1.1 標(biāo)幺值以內(nèi)”，但孤網(wǎng)模式下由于發(fā)電機軸功率與負(fù)載很難達(dá)到均衡，造成機組頻率與電壓頻繁波動，而且由于負(fù)載過小，頻率和電壓往往會超偏高方向波動，給全網(wǎng)快速恢復(fù)供電造成了困難。

而對于黑啟動試驗，由于往往無法真實模擬孤網(wǎng)狀態(tài)，因此現(xiàn)場試驗采用了近似模擬方法:機組帶廠用電啟動后主變高壓側(cè)斷路器不合閘，即相當(dāng)于帶廠用電孤網(wǎng)運行，但由于部分調(diào)速系統(tǒng)對于“并網(wǎng)”的判據(jù)是“發(fā)電機出口斷路器與主變高壓側(cè)斷路器均為合閘態(tài)”，因此需要短接調(diào)速器柜的高壓側(cè)斷路器端子，使調(diào)速系統(tǒng)將當(dāng)前狀態(tài)“誤判”為并網(wǎng)狀態(tài)，從而使之選擇并網(wǎng)PID 參數(shù)進行調(diào)節(jié)。

就要盡可能想辦法去模擬這種孤網(wǎng)情況，從而得到第一手的頻率及電壓波動數(shù)據(jù)，以對后期仿真分析以及PID 參數(shù)選擇提供數(shù)據(jù)支持。需要注意的是，部分調(diào)速系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)對于“并網(wǎng)”的判據(jù)是“發(fā)電機出口斷路器＆高壓側(cè)斷路器均為合閘態(tài)”，因此對于某些試驗過程中不能動作高壓側(cè)斷路器的電廠來說，如果想讓調(diào)速系統(tǒng)及勵磁系統(tǒng)將當(dāng)前狀態(tài)“誤判”為并網(wǎng)狀態(tài)，就需要在二次端做些工作，如短接高壓側(cè)斷路器位置信號等。

1.3.3.2 解決方案

在控制頻率波動方面，一個可行的方法是利用調(diào)速系統(tǒng)孤網(wǎng)模式下的自適應(yīng)PID 參數(shù)選擇來改善孤網(wǎng)模式下的調(diào)節(jié)品質(zhì)。調(diào)速系統(tǒng)在大網(wǎng)模式下的PID 參數(shù)，其調(diào)節(jié)速率、穩(wěn)定時間、超調(diào)量等指標(biāo)均已不適應(yīng)黑啟動的需要，因此需要調(diào)速系統(tǒng)首先要通過大量的仿真模擬以及現(xiàn)場試驗確定不同情況下的頻率波動范圍到底有多大，再據(jù)此選擇一組合適的大網(wǎng)模式下的PID 參數(shù)，并通過試驗對其進行驗證;其次要求調(diào)速系統(tǒng)有自動切換PID 參數(shù)的功能，通過某一判據(jù)自動判斷是否為孤網(wǎng)模式，自動選擇之前已經(jīng)預(yù)設(shè)的孤網(wǎng)模式下的PID 參數(shù)，這一判據(jù)設(shè)置是否合理也是影響調(diào)節(jié)品質(zhì)的重要因素。在電壓控制方面，利用勵磁系統(tǒng)進行電壓控制也是同樣道理，這里不再贅述。

2 結(jié)束語

通過以上討論可以得出以下結(jié)論:

1)黑啟動方式的選擇應(yīng)遵循自儲能啟動方式優(yōu)先，兼顧柴油發(fā)電機啟動方式;

2)黑啟動過程中可能遇到的風(fēng)險可以通過設(shè)備的改造或方法的革新來控制;

3)黑啟動應(yīng)急預(yù)案的編制水平與演練水平?jīng)Q定了試驗時間與真實黑啟動時間的差距;

4)根據(jù)不同電廠不同的試驗時間對其進行黑啟動等級劃分具備可行性;

5)調(diào)速系統(tǒng)及勵磁系統(tǒng)應(yīng)對孤網(wǎng)模式下的PID 參數(shù)作出自適應(yīng)對策。

本文所討論的黑啟動僅僅從電源側(cè)來討論其存在的問題，實際上對于整個電網(wǎng)來說，黑啟動不僅涉及到黑啟動電源點的選擇、子系統(tǒng)劃分、黑啟動路徑選擇、重要負(fù)荷恢復(fù)等級等等。對于整個社會來說，它涉及到的范圍就更為廣泛，如通訊、交通、救護、治安等各個方面，因此黑啟動是一個系統(tǒng)工程。當(dāng)今世界電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，由于可控因素而發(fā)生大面積停電的幾率越來越小，但由于自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭等不可控因素造成的大面積停電并非完全沒有可能，因此黑啟動作為一項考驗全社會應(yīng)急處置的機制，對于國計民生、國民經(jīng)濟甚至國家安全具有重要意義。

［1］諶軍，曾勇剛，楊晉柏，等.南方電網(wǎng)黑啟動方案［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30 (9):80－83，87.

［2］王偉.右江水力發(fā)電廠事故應(yīng)急(黑啟動實施)預(yù)案研究［J］.人民珠江，2012，33 (1):63－65.

［3］胡文偉.水電站的黑啟動方案［J］.云南水力發(fā)電，2005，21 (4):54－56.

［4］單節(jié)杉.云南電網(wǎng)黑啟動實例分析［D］.昆明:昆明理工大學(xué)圖書館，2007.