山东电网黑启动试验

2010-10-15邱夕兆房光华

山东电力技术 2010年2期

袁森，邱夕兆，房光华

（山东电力调度中心，山东济南 250001）

0 引言

2005年9月，受“达维”台风的影响，海南电网全停，引起了各方的高度关注。国网公司要求各网、省开展黑启动试验，完善黑启动方案。2000年5月5日华北电网利用十三陵蓄能电厂水电机组进行的“黑启动”试验在我国是首例成功的试验。2002年1月16日湖北电网利用天堂抽水蓄能电厂在实际电网中成功地进行了黑启动试验。2003年3月19日华中电网隔河岩电厂黑启动联合试验。2005年3月，上海电网在闸电燃机厂进行了大规模黑启动试验。2008年3月9日国内首次60万机组黑启动试验在福建成功进行，但试验小系统频率波动很大，达1.7 Hz以上。

山东电网于2002年制定了详细的分层分区的黑启动方案，括省调、各地调、各电厂的详细预案。并结合基于分层案例推理技术，开发了黑启动决策支持的原形系统，将黑启动方案纳入了专家系统中，便于培训调度员。2006年7月泰山电站1号机组投入商业运行后，在对国内外黑启动现状进行广泛调查研究的基础上[1-4]，开展了以泰山抽水蓄能电站为黑启动电源的山东电网黑启动研究[5-8]，制定了详细的黑启动试验方案。在充分准备和局部试验的前提下，成功地进行了初具实战规模的电网黑启动试验，得到了丰富的电网黑启动试验数据，并进行了计算分析和经验总结。

1 黑启动试验

1.1 试验子系统

泰安电网以220 kV系统为主网架，内有石横乙站、圣城热电两座电厂和具备自启动能力的泰山抽水蓄能电站，总装机容量2480 MW；地区负荷以农业、旅游负荷为主约1200 MW。

根据黑启动子系统选择原则，结合石横电厂的接线方式，选择一条距离最短，操作次数最少和操作时间最短的路径。经过计算和分析，山东电网黑启动试验选择路径为：泰山电站1号机－蓄泰I线－泰山站220 kV 1A号母线－泰天I线－天平站220 kV 1号母线－天园线－桃园站220 kV 2号母线－高园线－高余站220 kV 1号母线－石高I线－石横电厂56 A号启备变。该路径全长101.66 kM。图2为试验路径示意图。

图1 泰安电网示意图

图2 试验路径示意图

经计算分析，选择该试验路径，泰安地区西部和中部电网运行方式可以建立，安全可靠，无稳定问题；泰山电站机组带空线路恢复石横电厂厂用电时，不会发生自励磁；试验过程中引起的工频过电压、操作过电压和谐振电压均在允许范围之内。

1.2 试验准备

黑启动试验工作组在泰山电站、石横电厂等单位的大力协助下，逐一完成了黑启动理论研究、方案调研、仿真计算、方案编制等准备工作。并对相关厂站设备现状进行了评估，进行了多次阶段性试验。在综合调研结论、设备评估、计算结果和电网实际的基础上对在黑启动试验过程中涉及到的直流浮充、电力通讯、继电保护、自动装置、方式安排、子系统隔离、注意事项、应急管理等诸多方面做了明确安排，对相关单位的安全要求和组织措施也做了详尽部署。特别是一次系统，对子系统与运行主网的隔离做了明确安排，所有路径上各厂站的方式调整都必须有明显断开点；二次系统考虑系统尽快恢复和试验的逼真性，黑启动试验过程中，220 kV系统快速保护正常投入，定值和投退方式不做调整，变压器分接头和中性点接地方式不做调整，黑启动路径上各线路重合闸停用，区域性安全自动装置停用等。

1.3 试验实施

试验实施过程可分为四个阶段。

第一阶段：初始方式调整。为尽量缩短电网结构变化的时间，初始方式的调整在两个发电厂、四个变电站同步操作。本阶段的两个关键点是：一是试验子系统安全隔离。在所有路径各厂、站空出试验母线后必须有明显断开点，在开放式母线上至少拉开母联开关的一把刀闸，在GIS母线上断开母联开关的两侧刀闸并做好相关严格的技术安全措施以保证母联刀闸不会误操作。二是准确选择解列点。试验子系统隔离的最后关键一步是子系统与主网的解列，而被解列的子系统实际上是多级的狭长的空充线路，因此选择设备健康状况良好、开关遮断容量大、保护健全的开关尤为重要。按照这个标准选择了500 kV泰山站的220 kV母联200 A开关作为解列点。在初始方式调整完毕后，还安排了试验采集设备和试验线的安装工作。尽管设备多、操作量大，但初始方式调整仅历时3 h 14 min。

第二阶段：石横电厂机组安全停机。对于火电机组启动，厂用电是关键，要模拟系统全停，还要模拟被启动电源厂用电全停，油、汽系统的保安电源、直流浮充等相关调整十分复杂。因此6 kV、400 V厂用电系统的调整是整个阶段的难点。本阶段历时50 min。

第三阶段：黑启动试验。在设定泰山电站1号机调整子系统频率、电压的目标值（设定泰山电站调整电压目标值为230 kV，调整频率目标值为50.20 Hz），和确认励磁调节系统、调速系统按自动方式调整后，省调值班调度员令各厂站启动测量录波器，校对时间。随后泰山电站开启柴油发电机带自身厂用电，泰山电站1号机组开机，全电压冲击启动路径，石横电厂启备变、厂用电送电，石横电厂5号机开机并列。本阶段历时2 h 50 min。

第四阶段：试验子系统恢复。黑启动试验成功后子系统与主网的并列恢复关键是同期并列，也是试验收尾阶段的关键环节。并列点也自然选择在泰山站。根据华北电网的要求，泰山站于2008年底调整了新的同期并列装置定值，新定值对于子系统和主网并列十分不利。针对此技术难题，项目组在三个方面开展工作：一是改进泰山电站机组调节能力，控制频差和角差在技术范围内；二是定检泰山站自同期并列装置并集中培训操作人员；三是按照现场指挥的商定创造性的拉大合闸频差，在可控范围内牺牲小部分系统稳定性从而提高同期并列的成功率。试验过程中，这些举措十分有效可行，子系统和主网一次并列成功,全部方式恢复历时1 h 24 min，大大缩短了试验成功后的系统恢复时间。

2 试验数据分析

2.1 泰山电站1号机组数据分析

黑启动试验期间，1号机组（278 MVA）及试验相关设备、系统运行稳定，没有出现异常现象，具体的参数曲线如图3所示。

从 11∶15到 11∶25，经历了柴油机发电机启动、1号机组自用配电盘带电、1号机组升速、1号机组到达额定转速（300 r/m）等操作步骤后，泰安抽水蓄能电站机组自身的黑启动成功。11∶25∶33，1号机组出口开关合闸，带变压器零启升压，1号机组机端电压在14 s内升至额定电压。

1号机组运行期间频率变化范围在49.90～50.25 Hz之间，电网的频率波动不超过0.25 Hz。发电机出口电压变化范围在15.87～15.60 kV之间。

1号机组运行期间，参数基本正常，虽然各部振动测点数值较机组正常运行时有所增大，但基本在正常范围内。机组顶盖振动1号测点出现多次瞬时报警，3号测点出现2次瞬时报警，主轴振动1号测点出现2次瞬时报警，这些振动报警均出现在机组带小负荷运行时，说明机组带小负荷运行，虽然整体情况允许，但机组振动尤其是机组尾水的水力脉动要远恶劣于正常情况，因此应尽量减少机组带超低负荷运行，即使需要超低负荷运行，也应尽量缩短运行时间。

图3 1号机组主要运行参数曲线

2.2 黑启动送电线路数据分析

11∶54∶37，220 kV 蓄泰 Ι线 211 开关合闸，1 号机组充长线路成功。线路末端暂态过电压峰值380.85 kV，为额定峰值188 kV的2.02倍，在安全范围内，过电压倍数与仿真计算数值完全一致，如图4所示。

图4 泰抽厂1号机组空充220 kV线路，线路末端石横厂母线暂态电压

2.3 石横电厂数据分析

2.3.1 启备变空载充电

11∶56∶48，泰山电站带空载长线的黑启动小系统送电到石横电厂220 kV变电站，对石横厂启备变进行空载充电。此过程中，变压器励磁涌流所引起的暂态电压在安全范围内，高压侧电流最大值70 A，电压峰值253.95 kV，为额定峰值188 kV的1.35倍，不存在谐振过电压问题，电压的暂态波形如图5所示。

图5 空充石横厂启备变时变压器电压波形

2.3.2 启动3300 kW的电动给水泵

石横厂辅机启动过程依次包括凝输泵（75 kW）、空预器（18.5 kW*2）、闭式水泵（280kW*2）、循泵（1600 kW*2）、开式泵（220 kW*2）、凝泵(1000 kW*2)、定冷泵（30 kW*2）、电动给水泵（3300 kW）、炉水泵（210 kW*3）、送风机（1800 kW*2）、一次风机（1120 kW*2）、扫描风机（5.5 kW*2）、EH油泵（30 kW*2）、真空泵（60 kW*3）。在启动电动给水泵时，启备变电压暂态跌落幅值最大，达到了15.3%，在低压保护的限值内，与仿真校验的预期结果一致。如图6所示。

图6 石横厂启动3300 kW的电泵，电压暂态跌落15.3%

2.4 黑启动子系统与主网并列

14∶59∶13，泰山站 200 A 开关合闸，黑启动子系统与主网并列。并列时刻，黑启动子系统频率为50.165 Hz，主系统频率50.005 Hz。泰山电站1号在2～4 s之内无功出力由进相运行16.34 MVar转而发出29.14 MVar，有功出力由11.92 MW增加到16.53 MW。如图7所示。

图7 泰山电站1号机在并网后无功出力变化

3 试验结论

获得了大量的黑启动研究理论和试验数据。实现了试验系统内稳态与暂态数据的多厂站同期记录，为试验数据的深度分析提供了有力的保障。

泰山电站水电机组能维持子系统电压、频率稳定,能满足空充线路安全运行的要求, 低负荷运行稳定要求,具有较强的进相能力和较好的强励能力,可作为山东电网实现黑启动的可靠电源点。

各级运行人员黑启动实战能力得到锻炼。无论是省调值班员还是相关电厂、变电站运行人员在实际试验操作中积累了经验，得到了培训，检验了黑启动实战能力，提高了处理大面积停电等突发事件的应急能力。

试验的顺利进行,验证了山东电网黑启动方案的可行性,达到了预期目标。

4 经验总结

基础工作扎实。针对黑启动试验的诸多难点，工作组协同各相关试验单位作了较深入的研究，对于可能出现的异常情况在方案中编制了预案，通过调研和咨询解决了许多技术难题，通过预备性阶段试验提前暴露出问题并提前解决，使整个试验过程少走了很多技术弯路，种种前期铺垫的基础工作都扎实有效。

技术、安全、组织措施得力。在黑启动试验及后期方案修订的过程中，工作组在管理制度、技术标准上发现了一些影响黑启动顺利成功的问题，这些问题主要表现在：黑启动电源点的管理、变电站同期设备管理、地区主力火电厂的管理、调度操作管理、应急预案的专项管理五个方面。因此试验筹备阶段，工作组就子系统内相关厂站设备的直流系统、电力通信、继电保护、安全自动装置、调度自动化、方式安排等多个技术方面都做了详尽的安排。在人员管理、设备特巡、电铁保电、事故预想、注意事项等组织、安全要求也做了具体部署。

科学计算与试验实际的充分结合。为保证试验安全、顺利的进行，工作组对黑启动子系统的稳定运行、泰山电站机组带空线路自励磁问题、试验过程中引起的工频、操作和谐振电压等问题进行了详尽的仿真计算。利用仿真计算结果，多次修改了试验细节，简化了试验步骤、优化了试验方案，为试验提供了有效的理论数据保障。