王莉麗，韓 偉

(1.四川省電力公司調(diào)度中心，四川 成都 610041;2.四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗所 四川 成都 610000)

0 引言

電力系統(tǒng)是現(xiàn)代社會中最重要、最龐雜的工程系統(tǒng)之一，由于自然災(zāi)害和單一事故引發(fā)的大停電事故在全世界范圍內(nèi)仍時有發(fā)生。

2004年美國8.14大停電源于1臺68 MW的燃氣輪機停運，事故造成美國東北部和加拿大安大略省停電，影響人口5000萬，經(jīng)濟損失達60億美元。調(diào)度員未經(jīng)過黑啟動訓(xùn)練，操作不熟練，從外部電源恢復(fù)供電的速度緩慢，導(dǎo)致樞紐變電站站用直流電源耗盡，不能繼續(xù)操作，48 h后才逐步恢復(fù)。加拿大安大略地區(qū)則等了14 d才恢復(fù)。2008年四川的“5.12”汶川大地震使得四川電網(wǎng)負荷損失約4000 MWh，1座500 kV站及12座220 kV站停運，位于震中天龍湖電廠、自一里電廠、紫坪鋪電廠按事先準備好的黑啟動方案在數(shù)小時內(nèi)成功啟動機組自帶廠用電及向附近重要負荷供電，不僅避免了水庫漫壩的惡性事故，而且有力支援了抗震救災(zāi)工作，具有重大社會及經(jīng)濟意義。

目前三華(指華東、華中、華北電網(wǎng))同步運行的交直流電網(wǎng)已經(jīng)初步形成，但自然災(zāi)害、人為誤操作、保護誤動造成潮流大范圍轉(zhuǎn)移從而引發(fā)大停電的風(fēng)險仍然存在，電網(wǎng)黑啟動操作的可能性在局部電網(wǎng)及區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)都還存在。研究在黑啟動操作中如何克服電網(wǎng)由小變大過程中遇到的各種問題、廠網(wǎng)間如何協(xié)調(diào)配合以及調(diào)度機構(gòu)間如何協(xié)調(diào)配合，對于構(gòu)建大電網(wǎng)的安全防御體系至關(guān)重要，也對于處理一般電網(wǎng)事故具有啟發(fā)作用。

1 黑啟動過程中遇到的問題

黑啟動是指整個電力系統(tǒng)因故障停運后，不依賴別的網(wǎng)絡(luò)的幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動能力機組的啟動，帶動無自啟動能力的機組，逐步擴大電力系統(tǒng)的恢復(fù)范圍，最終實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)的恢復(fù)和向用戶供電，期間將會面臨電壓、頻率、振蕩等一系列問題。

1.1 電壓問題

電壓問題是首要問題。在由小容量的發(fā)電機對長線路零起升壓過程中，同步發(fā)電機定子回路中聯(lián)接有電容時(如與空載線路相連)就有可能因電樞反應(yīng)的助磁作用而發(fā)生定子電流、電壓幅值自發(fā)增大，產(chǎn)生自激磁現(xiàn)象。電網(wǎng)恢復(fù)初期輸電線路輕載運行，由充電電流引起持續(xù)的工頻過電壓問題;在系統(tǒng)中斷路器操作如合空長線及合空載變壓器時產(chǎn)生的操作過電壓問題;在某些特殊方式下電壓互感器等非線性元件和系統(tǒng)中的電容元件組成許多復(fù)雜的振蕩回路，可能發(fā)生諧振過電壓。

系統(tǒng)恢復(fù)過程中應(yīng)及時投入電抗器、退出電容器、調(diào)整主變壓器分接頭、發(fā)揮接入電廠的進相能力及對電壓的快速調(diào)整能力，對線路充電盡量采用帶有合閘電阻的開關(guān)進行充電，同時安排一定容量的低功率因數(shù)的負荷也是保證電壓合格的必要條件。

1.2 頻率問題

頻率問題是另一個主要問題。頻率與系統(tǒng)出力和負荷有關(guān)，控制頻率涉及負荷恢復(fù)速度、機組調(diào)速器響應(yīng)速度。

首先應(yīng)保證小網(wǎng)的備用充足，以應(yīng)付負荷波動，并入小電網(wǎng)的機組的旋轉(zhuǎn)備用容量應(yīng)大于發(fā)電負荷的30%;另一方面控制負荷恢復(fù)的節(jié)奏，負荷恢復(fù)不宜使頻率較前次下降大于0.5 Hz，且小系統(tǒng)的運行頻率不低于49.5 Hz。每輪負荷恢復(fù)后，待頻率及電壓恢復(fù)到正常運行水平時，再開始下一輪的恢復(fù);最后應(yīng)注意當發(fā)電廠與小網(wǎng)并列后，應(yīng)盡可能將并網(wǎng)電廠的機組均開出，尤其是轉(zhuǎn)動慣量較大的發(fā)電廠的機組，提高整個小網(wǎng)的轉(zhuǎn)動慣量水平。同時每臺機組所帶負荷盡量均勻，避免單一機組跳閘造成跨網(wǎng)。

1.3 低頻震蕩問題

系統(tǒng)建立初期易形成一個多電源的小系統(tǒng)。此時可出現(xiàn)低頻振蕩問題，其實質(zhì)是遠距離送電系統(tǒng)缺乏足夠的阻尼，阻尼性能變差。

裝設(shè)在發(fā)電機勵磁系統(tǒng)中的PSS可以感受發(fā)電機轉(zhuǎn)速或電磁功率的變化，適當調(diào)整勵磁電流，改變發(fā)電機端電壓，從而達到阻尼功率振蕩的目的，因此并入小網(wǎng)的電源應(yīng)及時投入PSS功能，同時在啟動電源和被啟動機組并列運行的小網(wǎng)中，要注意協(xié)調(diào)機組間的調(diào)節(jié)特性。如果機組調(diào)節(jié)特性差別較大，則手動調(diào)節(jié)和自動調(diào)節(jié)結(jié)合使用，避免子系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩。另外調(diào)度機構(gòu)對子網(wǎng)內(nèi)電廠出力及時調(diào)整以達到合理的潮流分布可有效抑制和消除振蕩。

2 電廠的配合

2.1 黑啟動電源的選擇

黑啟動首先是電廠的恢復(fù)，可承擔黑啟動任務(wù)的電廠為黑啟動電源。一般黑啟動電源有柴油發(fā)電機、燃氣機組、水輪發(fā)電機、抽水蓄能電站。其中水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、沒有復(fù)雜的輔機系統(tǒng)、廠用電少、啟動速度快，因此是理想、方便的“黑啟動”電源。但是并不是所有的水電廠都可作為黑啟動電源，如在一大流量低水頭的河流上建設(shè)的水電廠大多為燈泡式灌流機組，如四川青居電廠，機組額定轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)動慣量較小，機組啟動和停機過程短，轉(zhuǎn)速變化快，在低負荷區(qū)機組振動較大，不僅不具備帶自身廠用電的條件，也不具備在黑啟動初期負荷較輕時子網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓要求，僅能依靠外界電源完成自身機組的啟動?；痣姍C組也是需外界電源才可啟動的機組。

2.2 水電廠的配合

水輪發(fā)電機組自啟動的關(guān)鍵是停電后控制水輪機組導(dǎo)葉開啟的壓力油槽油壓能否維持在正常工作范圍內(nèi)(允許時間一般為30 min左右)。當判斷為電網(wǎng)全黑后，水電廠應(yīng)馬上檢查水輪機組導(dǎo)葉開啟的壓力油槽油壓是否滿足啟動機組的要求，迅速開出機組，帶廠用電，同時檢查泄洪閘等水工建筑，保證大壩及上下游居民的生產(chǎn)生活安全。不承擔黑啟動任務(wù)的電廠也應(yīng)配備柴油發(fā)電機或其他備用電源。

2.3 火電廠的配合

對于火電廠，電網(wǎng)全黑后，應(yīng)依靠柴油發(fā)電機等設(shè)備采取人工盤車等措施，保證主機、主設(shè)備安全?；痣姀S作為需外界電源才能啟動的電廠，其順利啟動對于維持子網(wǎng)運行的穩(wěn)定性將起到關(guān)鍵的作用?；痣姀S的輔機系統(tǒng)包括電動給水泵、引風(fēng)機、送風(fēng)機、循環(huán)水泵、一次風(fēng)機、凝結(jié)水泵、閉式水泵、開式水泵等。一般1臺20 MW以上的水輪發(fā)電機就足以啟動1臺300 MW的汽輪發(fā)電機［1］。火電廠啟動電動機的順序理論上應(yīng)考慮先啟動大容量的電動機，先啟動大電機，線路上電容電流可補償一部分，但由于大容量電動機啟動電流大，在后啟動過程中有可能將初始系統(tǒng)拖垮。

2.4 電廠運行方式的調(diào)整

對于電廠應(yīng)不待調(diào)度命令將本站的運行方式調(diào)整為一條出線開關(guān)在合位，拉開其余線路開關(guān)。承擔黑啟動電源的電廠，等待上級調(diào)度命令進行零起升壓，不承擔黑啟動電源的電廠，等待系統(tǒng)來電，恢復(fù)本廠的廠用電及準備并列。

3 變電站的配合

3.1 運行方式的調(diào)整

在電網(wǎng)全黑時，由于站內(nèi)蓄電池能提供正常運行的時間范圍有限，最小應(yīng)能保證1～2 h內(nèi)的供電，因此在直流操作電源能夠供電時間范圍內(nèi)完成本廠站的方式調(diào)整是系統(tǒng)恢復(fù)的前提。運行方式調(diào)整的最終目的在于減少操作次數(shù)，盡快恢復(fù)負荷及向下一級待受廠、站送電。

變電站方式調(diào)整一般應(yīng)遵循以下原則。

①變電站應(yīng)只保留1條無須操作即可直接受電的通道;

②若本站接有地方并網(wǎng)的小電源時，應(yīng)將并網(wǎng)斷路器斷開;

③避免高壓線路帶變壓器同時充電;

④各110 kV變電站的10 kV、35 kV分路轉(zhuǎn)為熱備用，以有利于控制負荷，站用變壓器保持運行狀態(tài);

方式調(diào)整可在確認電網(wǎng)全黑后由變電站包括電廠自行開始調(diào)整，調(diào)整完畢后向上級調(diào)度機構(gòu)匯報。調(diào)度機構(gòu)在進行恢復(fù)操作前應(yīng)與現(xiàn)場核對狀態(tài)，不能以自動化信息作為操作依據(jù)。

3.2 安穩(wěn)裝置及保護的調(diào)整

對于裝設(shè)在變電站包括電廠的安穩(wěn)裝置原則上退出穩(wěn)控裝置中的切機、切負荷出口壓板即可。對于保護裝置，原則上保護定值和投退方式不變，線路重合閘應(yīng)停用。

3.3 四川黑啟動方案子網(wǎng)1

圖1是四川電網(wǎng)黑啟動方案子網(wǎng)1的初始狀態(tài)，二灘電廠是本子網(wǎng)的黑啟動電源，二灘電廠保留1條出線500 kV二石1線1個開關(guān)在合位，拉開其余所有開關(guān)，在調(diào)度指揮下對500 kV二石1線及石板箐1臺主變壓器進行零起升壓。其余不承擔黑啟動電源任務(wù)的電廠及變電站應(yīng)將本廠站方式調(diào)整為等待來電方式，即保留1組來電開關(guān)在合位，拉開其余所有開關(guān)，原則上母聯(lián)開關(guān)應(yīng)保持在合位狀態(tài)。

圖1 四川黑啟動方案子網(wǎng)1

4 各級調(diào)度機構(gòu)間的協(xié)調(diào)配合

4.1 中國調(diào)度機構(gòu)的劃分

中國現(xiàn)行調(diào)度模式為國、網(wǎng)、省、地、縣“五級調(diào)度”架構(gòu)，采用分層分區(qū)的運行控制模式，基本上按電壓等級劃分電網(wǎng)結(jié)構(gòu)層級，以行政經(jīng)濟區(qū)域劃分電網(wǎng)調(diào)度運行平衡區(qū)域。

國調(diào)、網(wǎng)調(diào)、省調(diào)是負責輸電網(wǎng)的調(diào)度，地調(diào)及縣調(diào)負責配電網(wǎng)的調(diào)度。在較大范圍內(nèi)發(fā)生的大停電事故，系統(tǒng)恢復(fù)過程將由多級調(diào)度機構(gòu)共同來完成。黑啟動操作是由上級調(diào)度對下級調(diào)度實施統(tǒng)一協(xié)調(diào)，實現(xiàn)了分區(qū)啟動和分區(qū)協(xié)作的恢復(fù)調(diào)度。

4.2 調(diào)度關(guān)系的轉(zhuǎn)移

為方便下一級調(diào)度恢復(fù)本調(diào)度管轄范圍內(nèi)的系統(tǒng)，同時集中精力進行本級調(diào)度機構(gòu)管轄的電壓等級的電網(wǎng)恢復(fù)，在黑啟動準備階段，部分電廠的調(diào)度權(quán)應(yīng)進行轉(zhuǎn)移，由下級調(diào)度機構(gòu)進行調(diào)度。如在一些水電資源豐富的重慶、四川電網(wǎng)，部分接入110 kV及以下系統(tǒng)的水電廠的調(diào)度權(quán)由省級調(diào)度管轄，其調(diào)度權(quán)在電網(wǎng)黑啟動期間交由相應(yīng)地、縣調(diào)負責，發(fā)揮小水電站的能力多點開花，加速電網(wǎng)恢復(fù)。接入220 kV電壓等級由網(wǎng)調(diào)調(diào)度的電廠黑啟動期間交由省級調(diào)度調(diào)度，方便220 kV系統(tǒng)的恢復(fù)。如華中網(wǎng)調(diào)調(diào)度的河南姚孟電廠、丹江電廠、湖北的隔河巖電、高壩州電廠、二江電站的調(diào)度權(quán)在黑啟動期間交由各省調(diào)調(diào)度。各電廠調(diào)度權(quán)交出后，其廠用電的恢復(fù)及啟動工作由相應(yīng)調(diào)度機構(gòu)負責。

調(diào)度權(quán)下放后，下級調(diào)度機構(gòu)建立的子網(wǎng)在與上級調(diào)度機構(gòu)恢復(fù)的系統(tǒng)進行并列時應(yīng)防止非同期合閘。同時應(yīng)盡量多考慮并列點，一旦預(yù)設(shè)并列路徑遭到破壞后能迅速在其余路徑實現(xiàn)檢同期并列。因此調(diào)度機構(gòu)在對某些開關(guān)操作應(yīng)特別加以注意，在對這些開關(guān)下令操作前應(yīng)作到任務(wù)明確(合環(huán)、并列還是送饋電負荷)。對于合環(huán)或并列的操作還應(yīng)考慮是否滿足合環(huán)或并列條件并使用同期裝置。

4.3 各級調(diào)度機構(gòu)的任務(wù)

地調(diào)度管轄的小電廠可以滿足小的孤網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)壓，可先恢復(fù)孤網(wǎng)的運行，視系統(tǒng)情況安排與系統(tǒng)并列。負荷恢復(fù)是地調(diào)的首要任務(wù)。按輕重緩急及重要程度分批次恢復(fù)是必須遵循的原則。負荷恢復(fù)方案可參考低頻減載方案。一般來說低頻減負荷方案中沒有涉及的負荷定為第1級，低頻減負荷輪次為“后備”的負荷定為第2級，低頻減負荷輪次為“特2”、“特1”輪的分別為第3、第4級，低頻減負荷輪次為第6、5、4、3、2、1 的分別定為第5、6、7、8、9和第10級。每1級還可按50 MW進行輪次劃分［2］。

在負荷恢復(fù)中省地兩級調(diào)度應(yīng)做好配合，由省調(diào)根據(jù)子網(wǎng)的備用及潮流分布情況向地調(diào)下達負荷指標，地調(diào)根據(jù)省調(diào)下達的負荷指標，按級別輪次進行負荷恢復(fù)，待頻率及電壓恢復(fù)到正常運行水平時，再開始下一輪的恢復(fù)。負荷恢復(fù)不僅是黑啟動的最終目的，也是建立一個穩(wěn)定運行電網(wǎng)的必要手段。

省調(diào)負責省級電網(wǎng)發(fā)電和用電的平衡，負責省內(nèi)500(330)kV及220 kV環(huán)網(wǎng)及所轄發(fā)電廠的調(diào)度運行管理。將子網(wǎng)做大做強是省調(diào)的主要職責。根據(jù)收集來的信息迅速確定黑啟動路徑是省調(diào)調(diào)度員的首要要務(wù)。啟動路徑應(yīng)由電源到負荷的電壓轉(zhuǎn)換的次數(shù)盡量少、路徑長度盡可能短為原則，并先啟動離重要負荷近的機組，主網(wǎng)架先恢復(fù)單線聯(lián)系。在子網(wǎng)做大做強的過程中和地調(diào)密切配合保證頻率的穩(wěn)定，同時密切關(guān)注電壓情況，利用電容電抗及電廠進行調(diào)壓，并合理分布子網(wǎng)的潮流。在子網(wǎng)運行穩(wěn)定的情況下，盡快同步電氣孤島，擴大子網(wǎng)的規(guī)模。

網(wǎng)調(diào)調(diào)度管轄的主要是500 kV系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)，在黑啟動中負責各黑啟動路徑中網(wǎng)調(diào)調(diào)度設(shè)備的送電，為各省、市調(diào)相關(guān)地區(qū)提供啟動電源。省、市調(diào)選擇網(wǎng)調(diào)黑啟動電源對其負荷供電后，與省調(diào)協(xié)調(diào)進行頻率、電壓調(diào)整。對于從220 kV系統(tǒng)開始啟動的子網(wǎng)，500 kV系統(tǒng)主要承擔了子網(wǎng)間并列的任務(wù)。因此網(wǎng)調(diào)的主要責任在于省調(diào)將子網(wǎng)啟動起來后，選擇并網(wǎng)點，加強子網(wǎng)間的聯(lián)系，提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。根據(jù)各省調(diào)子網(wǎng)恢復(fù)的程度及先后次序研究省網(wǎng)黑啟動子系統(tǒng)并列點和并列次序是網(wǎng)調(diào)調(diào)度的主要責任。

國調(diào)是電網(wǎng)調(diào)度的最高一級調(diào)度機構(gòu)，國調(diào)調(diào)度管轄的主要設(shè)備以網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線及直流系統(tǒng)為主，這已經(jīng)是黑啟動過程中最后的一個環(huán)節(jié)。網(wǎng)間交流聯(lián)絡(luò)線主要視送受端的負荷平衡情況來恢復(fù)，對系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高并不具備顯著效應(yīng)。直流系統(tǒng)的恢復(fù)應(yīng)在系統(tǒng)送、受端的發(fā)電和負荷都恢復(fù)到停電前一半的水平以上，并根據(jù)送受端的電力電量平衡情況來考慮是否有必要恢復(fù)。

6 結(jié)語

一個穩(wěn)定運行的子網(wǎng)的建立需要電廠、變電站及各級調(diào)度機構(gòu)間的協(xié)調(diào)配合。黑啟動操作是由上級調(diào)度對下級調(diào)度實施統(tǒng)一協(xié)調(diào)，實現(xiàn)了分區(qū)啟動和分區(qū)協(xié)作的恢復(fù)調(diào)度。廠網(wǎng)間協(xié)調(diào)配合才能在盡可能短的時間內(nèi)建立一個穩(wěn)步運行的電網(wǎng)，將對社會經(jīng)濟的影響降到最低。

［1］陳明.對電網(wǎng)黑啟動中試驗電源容量問題的探討［J］.華中電力，2009，22(5):55－57.

［2］楊春雨，李永鋒.地區(qū)電網(wǎng)“黑啟動”方案研究［J］.云南電力技術(shù)，2008，36(1):14－16.