余明明，李 輝，汪 林，丁萁琦

(中國長江電力股份有限公司溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 永善 657300)

水電站黑啟動是指在廠用交流電全部消失的情況下，利用水電站事故備用電源(如柴油發(fā)電機等)實現(xiàn)某一臺具有黑啟動功能的機組正常啟動、建壓，再通過該機組恢復(fù)廠用交流電，逐漸恢復(fù)其他機組正常啟動并配合調(diào)度系統(tǒng)恢復(fù)對外供電[1]。

當前，我國的電網(wǎng)系統(tǒng)通過改變系統(tǒng)運行方式(如通過柔性直流輸電實現(xiàn)兩個電網(wǎng)“背靠背”異步聯(lián)網(wǎng)運行)等措施來提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性，使得發(fā)生大面積停電事故的幾率不斷下降，但因我國幅員遼闊、電網(wǎng)覆蓋面積巨大，且近些年來極端災(zāi)害天氣發(fā)生的頻率較以往有所提高,所以不能完全排除發(fā)生大面積停電事故的可能性。如何在發(fā)生大面積停電事故時迅速恢復(fù)供電、減少停電造成的損失成了當務(wù)之急。

水電機組因開機快、啟動簡單的特點，決定了水電站比較適合作為電網(wǎng)系統(tǒng)黑啟動的電源電站。在水電機組黑啟動的過程中，調(diào)速系統(tǒng)擔當廠用交流電“動力系統(tǒng)”的角色。不同于平時常見的“空載態(tài)”、“負載態(tài)”，“黑啟動態(tài)”要求從硬件回路、程序邏輯等方面進行重新設(shè)計，下文就這兩個方面進行簡要討論。

1 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動態(tài)概述

“黑啟動態(tài)”可以看作大型水電機組調(diào)速系統(tǒng)除“空載態(tài)”、“負載態(tài)”之外的第三種狀態(tài)；與另外兩種狀態(tài)相比，它具有以下特點：

1)與“空載態(tài)”相同，調(diào)速系統(tǒng)“黑啟動態(tài)”均運行于頻率模式，但兩者調(diào)節(jié)的目標值不同：“空載態(tài)”頻率調(diào)節(jié)的目標值為“50 Hz±滑差”，而“黑啟動態(tài)”頻率調(diào)節(jié)的目標值為“50 Hz”；

2)與“負載態(tài)”相同，調(diào)速系統(tǒng)在“黑啟動態(tài)”時均帶負載，但“黑啟動態(tài)”下調(diào)速系統(tǒng)僅帶廠用電設(shè)備運行，與正?！柏撦d態(tài)”相比，機組此時的有功功率要小很多。

綜上所述，調(diào)速系統(tǒng)“黑啟動態(tài)”可以看作一種特殊模式的“負載態(tài)”，以穩(wěn)定頻率在“50 Hz”為控制目標，同時帶孤立電網(wǎng)系統(tǒng)的低負載設(shè)備運行。

2 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動硬件回路設(shè)計

與其他兩種狀態(tài)不同，調(diào)速系統(tǒng)不能主動通過采集外部信號并通過程序判斷進入相應(yīng)狀態(tài)，而是需要接受監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動狀態(tài)啟動命令”或“黑啟動狀態(tài)復(fù)歸命令”，再綜合其他輸入信號進行邏輯判斷后進入或退出“黑啟動態(tài)”，同時將相關(guān)信號反饋給監(jiān)控系統(tǒng)[2]。因此，調(diào)速系統(tǒng)黑啟動硬件硬件回路主要包含兩個部分：控制命令接收和狀態(tài)信號反饋。

2.1 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動控制命令接收

調(diào)速系統(tǒng)黑啟動控制命令來自于監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)通過PLC的開關(guān)量輸出(DO)模塊，將“黑狀態(tài)啟動命令”或“黑啟動狀態(tài)復(fù)歸命令”下發(fā)至調(diào)速系統(tǒng)PLC的開關(guān)量輸入(DI)模塊。一般的，該命令為3 s脈沖；同時，為了避免兩套不同系統(tǒng)之間PLC模塊串電，監(jiān)控系統(tǒng)的命令經(jīng)過開出繼電器進行隔離后再下發(fā)至調(diào)速系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動控制命令接收回路示意圖

2.2 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動狀態(tài)信號反饋

調(diào)速系統(tǒng)進入或退出“黑啟動態(tài)”后，需將自身的狀態(tài)信號反饋給監(jiān)控系統(tǒng)，以便于監(jiān)視和控制。一般的，該狀態(tài)信號是調(diào)速系統(tǒng)PLC的DO模塊送至監(jiān)控系統(tǒng)PLC的DI模塊。除了因防止兩套不同系統(tǒng)模塊串電而加裝調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)反饋信號繼電器外，為隔離需要，調(diào)速系統(tǒng)PLC的DO信號還需經(jīng)過光隔離模塊后，才將信號下發(fā)至反饋信號繼電器，并通過該繼電器將信號上送至監(jiān)控系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動狀態(tài)信號反饋回路示意圖

3 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動程序邏輯設(shè)計

調(diào)速系統(tǒng)黑啟動程序邏輯設(shè)計主要包含三個方面：輸入/輸出信號定義、黑啟動態(tài)定義及三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯和黑啟動態(tài)控制流程[3]。下文就從該三個方面內(nèi)容展開討論。

3.1 輸入/輸出信號定義

如本文第2部分所述，調(diào)速系統(tǒng)黑啟動輸入信號包含兩個，分別是“黑狀態(tài)啟動命令”和“黑啟動狀態(tài)復(fù)歸命令”；調(diào)速系統(tǒng)黑啟動輸出信號只有一個，即“調(diào)速系統(tǒng)黑啟動狀態(tài)”。調(diào)速系統(tǒng)黑啟動輸入/輸出信號定義如表1所示。

表1 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動輸入/輸出信號定義

3.2 黑啟動態(tài)及三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯

如本文第1部分所述，調(diào)速系統(tǒng)黑啟動態(tài)與其他兩種狀態(tài)有相似也有不同，因此需要重新對“黑啟動態(tài)”重新進行定義，使之成為與另外兩種狀態(tài)并列的第三種狀態(tài)：該狀態(tài)擁有獨立的判斷邏輯、控制流程和控制參數(shù)；同時為避免各狀態(tài)相互切換時出現(xiàn)紊亂，需對三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換邏輯進行界定和明確。

3.2.1 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動態(tài)定義

調(diào)速系統(tǒng)黑啟動態(tài)，即調(diào)速系統(tǒng)在“空載態(tài)”的基礎(chǔ)上帶低負載的廠用電設(shè)備運行狀態(tài)。一般情況下，調(diào)速系統(tǒng)進入黑啟動態(tài)包含以下兩種工況：

1)調(diào)速系統(tǒng)開機過程中接收到監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的“黑啟動狀態(tài)啟動命令”后進入黑啟動態(tài)；

2)調(diào)速系統(tǒng)進入“空載態(tài)”后，接收到監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的“黑啟動狀態(tài)啟動命令”，而后進入黑啟動態(tài)。

綜合考慮上述兩種工況，可以在“空載態(tài)”的基礎(chǔ)上對調(diào)速系統(tǒng)黑啟動態(tài)進行定義；同時，需要注意的是，調(diào)速系統(tǒng)黑啟動態(tài)與空載態(tài)不同，其不判斷GCB位置，且調(diào)速系統(tǒng)進入或者退出黑啟動態(tài)由監(jiān)控系統(tǒng)命令觸發(fā)，因此，對調(diào)速系統(tǒng)黑啟動態(tài)定義如圖3所示。

圖3 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動狀態(tài)定義

3.2.2 調(diào)速系統(tǒng)三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯

因調(diào)速系統(tǒng)黑啟動態(tài)獨立于其他兩種狀態(tài)，為避免調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)切換紊亂，需對三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯進行界定和明確；根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)控制要求，三種狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

1)“空載態(tài)”與“黑啟動態(tài)”轉(zhuǎn)換關(guān)系?！翱蛰d態(tài)”與“黑啟動態(tài)”可以相互轉(zhuǎn)換：當機組處于“空載態(tài)”時，若調(diào)速系統(tǒng)收到監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動態(tài)啟動命令”則由“空載態(tài)”轉(zhuǎn)為“黑啟動態(tài)”，若再次收到“黑啟動態(tài)復(fù)歸命令”則由“黑啟動態(tài)”轉(zhuǎn)為“空載態(tài)”。

2)“負載態(tài)”與“黑啟動態(tài)”轉(zhuǎn)換關(guān)系。調(diào)速系統(tǒng)只能單方面由“黑啟動態(tài)”轉(zhuǎn)為“負載態(tài)”，不能由“負載態(tài)”轉(zhuǎn)為“黑啟動態(tài)”，即使有監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動態(tài)啟動命令”存在。因為調(diào)速系統(tǒng)處于“負載態(tài)”時導(dǎo)葉開限遠遠大于“黑啟動態(tài)”時的導(dǎo)葉開限，為避免可能出現(xiàn)的溜負荷風(fēng)險，規(guī)定調(diào)速系統(tǒng)無論如何均不能由“負載態(tài)”轉(zhuǎn)為“黑啟動態(tài)”。

當調(diào)速系統(tǒng)處于“黑啟動態(tài)”時，若調(diào)速系統(tǒng)收到監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動態(tài)復(fù)歸命令”，且GCB和母線串內(nèi)開關(guān)位置滿足相關(guān)條件，則轉(zhuǎn)為“負載態(tài)”。

3)“空載態(tài)”與“負載態(tài)”轉(zhuǎn)換關(guān)系?！翱蛰d態(tài)”與“負載態(tài)”可以根據(jù)條件進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，該部分為調(diào)速系統(tǒng)常規(guī)控制內(nèi)容，故不贅述。

調(diào)速系統(tǒng)三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯如圖4所示(箭頭代表可以往該狀態(tài)轉(zhuǎn)換)。

圖4 調(diào)速系統(tǒng)三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯示意圖

3.3 黑啟動態(tài)控制流程

調(diào)速系統(tǒng)進入“黑啟動態(tài)”后，同“空載態(tài)”一樣運行于頻率模式，所不同的是此時調(diào)速系統(tǒng)頻率控制目標為50 Hz而非“50 Hz±滑差”，其目的在于調(diào)速系統(tǒng)要盡可能將頻率控制在額定頻率50 Hz附近，以便其所帶的廠用電負載能夠正常工作。

對應(yīng)于本文3.2.1中提到的調(diào)速系統(tǒng)進入黑啟動態(tài)的兩種工況，調(diào)速系統(tǒng)黑啟動態(tài)控制流程[4]如圖5所示。

圖5 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動態(tài)控制流程

4 現(xiàn)場試驗

根據(jù)現(xiàn)場系統(tǒng)母線接線方式，結(jié)合系統(tǒng)保護裝置的其他要求，最終選定某臺機組為黑啟動機組，在硬件回路和程序修改的基礎(chǔ)上，共進行了以下試驗來驗證大型水電機組調(diào)速器黑啟動流程設(shè)計的正確性與可行性[5]。

4.1 無水條件下模擬試驗

在無水條件下，模擬機組開機過程中接收到監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動態(tài)啟動命令”，調(diào)速系統(tǒng)正常進入“黑啟動態(tài)”且各參數(shù)調(diào)用正確，系統(tǒng)狀態(tài)反饋信號及HMI事件記錄正確；而后，調(diào)速系統(tǒng)接收到監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動態(tài)復(fù)歸命令”后，由“黑啟動態(tài)”正常切換至“空載態(tài)”，且各參數(shù)調(diào)用正確，系統(tǒng)狀態(tài)反饋信號及HMI事件記錄正確。

在無水條件下，模擬機組開機至“空載態(tài)”，而后在接收到監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動態(tài)啟動命令”，調(diào)速系統(tǒng)由“空載態(tài)”正常切換至“黑啟動態(tài)”且各參數(shù)調(diào)用正確，系統(tǒng)狀態(tài)反饋信號及HMI事件記錄正確；而后，調(diào)速系統(tǒng)接收到監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動態(tài)復(fù)歸命令”后，由“黑啟動態(tài)”正常切換至“空載態(tài)”，且各參數(shù)調(diào)用正確，系統(tǒng)狀態(tài)反饋信號及HMI事件記錄正確。

在無水條件下，模擬機組開機至“負載態(tài)”，隨后在接收到監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動態(tài)啟動命令”后，系統(tǒng)仍處于“負載態(tài)”而未進入“黑啟動態(tài)”，程序執(zhí)行正確。

上述無水條件下的各項試驗，驗證了硬件回路改造及程序修改的正確性。

4.2 有水條件下真機試驗

在有水條件下，機組真實開機并重復(fù)無水條件下的各項試驗，試驗結(jié)果正確，滿足設(shè)計要求。在調(diào)速系統(tǒng)“黑啟動態(tài)”且機組串內(nèi)開關(guān)分閘的狀態(tài)下，由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令合機組GCB，由調(diào)速系統(tǒng)帶主變壓器零起升壓，通過錄波系統(tǒng)監(jiān)視該過程中機組頻率最低下降至49.828 Hz，隨后機組頻率穩(wěn)定至49.95～50.05 Hz之間；隨后，由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令斷開GCB，通過通過錄波系統(tǒng)監(jiān)視該過程中機組頻率最高上升至至50.153 Hz，隨后機組頻率穩(wěn)定至50.00～50.05 Hz之間。該試驗通過調(diào)速系統(tǒng)在黑啟動態(tài)下真實帶主變等廠用電設(shè)備，驗證了調(diào)速系統(tǒng)黑啟動態(tài)下頻率調(diào)節(jié)功能的正確性。

5 結(jié) 語

本文從硬件回路設(shè)計、程序邏輯設(shè)計等方面介紹了大型水電機組調(diào)速系統(tǒng)黑啟動功能的流程設(shè)計，并通過無水模擬試驗以及有水真機試驗驗證了該流程的正確性與可行性，為后續(xù)水電站全系統(tǒng)聯(lián)動的黑啟動試驗奠定了基礎(chǔ)。