黑启动综述

张鹏岩

[摘要]阐述了黑启动的概念及黑启动遵循的一般原则，总结了黑启动的国内外研究现状。对黑启动过程中需要注意的问题进行了概述。最后得出了一些结论。

[关键词]电网；黑启动；方案

[中图分类号]U665.12 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0380-02

引言

近几年来，在世界范围内，发生了多起电力系统大面积停电事故，增加了人们对电网安全可靠运行的重视程度。国外电网在这方面有不少值得我们借鉴的案例，1977年7月的纽约大停电；1982年12月的加拿大魁北克全省大停电；1987年明的东京地区的停电；1996年美国西部电网连续两次发生大面积停电事故；1996年明3日马来西亚国家电网发生全国性大面积停电事故。

随着电力系统规模和容量的逐渐增大，对系统的供电安全也提出了更高的要求，研究电力系统全停或大面积停电后的黑启动意义重大。近年来国内外相继出现大的停电事故，这些停电事故不但在经济上造成了巨大的损失，而且对人民生产和生活造成了很大的影响，有的甚至对人民健康与生命造成了巨大的危害。2003年8月14日美加大停电事故是美国历史上最为严重的大停电事故，其后英国伦敦、意大利等也出现了大面积停电事故。一旦发生全网系统大停电事故，如何快速稳定地恢复系统供电，是保证电网安全的基础。因此，研究电力系统事故后的黑启动问题具有非常重要的意义。

1 黑启动的概念

所谓黑启动是指整个系统因故障停运后，不依赖别的网络帮助，通过系统中具有自启动能力机组启动，带动无自启动能力机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复。制订黑启动方案，培训电网调度管理人员，已成为电网安全运行的重要措施之一，为恶性事故后尽量加快电网恢复，缩短停电时间提供了保障。

2 黑启动原则

2.1 目标要求

电力系统恢复的总目标是在最短时间内使系统恢复带负荷的能力，具体要求有2个：尽可能地用最小启动功率启动机组；制定严格的操作票制度，实现操作步骤最少。

2.2 恢复方法

一般电网全停后主要靠2种方法来恢复：从周边还有电源的系统取得电源，用来恢复本地区的电网网架和启动本地区的主要电厂；利用本电网区域内的、具有自启动能力的电厂首先启动，然后再逐步恢复系统。黑启动过程中应优先选择前者。

2.3 方案的制定

在制定黑启动方案时需考虑下列原则：路径中电压转换的次数尽量少；每个方案的路径长度尽可能短；尽量先启动离重要负荷近的机组；每个方案开关操作次数尽量少；每个方案在启动容量允许的前提下，要选择被启动机组的容量尽量大；便于主网架的快速恢复。

2.4 子系统划分

针对黑启动的具体情况，黑启动时可以将电网划分成为多个子系统，各子系统内部可以同时进行黑启动操作，以加速全系统的恢复。每一个子系统都应有1个主网架，包括子系统内的黑启动电源、主要电厂、枢纽变电站和重要负荷。子系统划分原则如下：根据电网结构特点和黑启动电源所在的地理位置合理划分子系统；各子系统至少有1个黑启动电源并具有较好的调频调压手段；各子系统应具有明确可靠的同期并列点，子系统之间具有的合环点需要明确。

2.5 电源电厂的选择

选择黑启动电源的电厂时应遵循下列原则：尽量选择调节性能好的、启动速度快、具备进相运行能力的机组；优先选用直调电厂作为启动电源，其次选用用户电源；尽量选择接入较高电压等级的电厂；有利于快速恢复其他电源的电厂；距离负荷中心近的电厂。

2.6 恢复过程

黑启动中可以把恢复过程分为3个阶段：形成独立的子系统；各子系统的并列与合环；负荷的恢复，最终电网全面恢复正常运行。

3 国内外研究现状

3.1 国内研究现状

目前，国内对黑启动技术的研究主要集中于针对具体的局部电网进行黑启动方案的选择及优化以及黑启动过程中电气量的计算和系统安全稳定性的校验上，并得出了一些一般性的结论。

文献应用模糊多准则决策理论和方法建立了方案优选模型。将黑启动方案的评价指标体系中的定性和定量指标及权重全部转化为三角形模糊数，克服了定性与定量评价指标不具可比性的缺点。采用模糊折衷型决策算法，对惠州电网的多个黑启动方案排序，选择出了最佳的黑启动方案。文献提出了一种模糊条件下的电网黑启动方案有效性评估优化算法，该算法基于数据包络分析（DEA）的模型，引入L-R模糊数和截集的概念，建立了模型，然后提取黑启动过程中的重要因素作为模型的输入输出指标，通过计算得到模糊条件下的各黑启动方案有效性的客观评价。文献采用定性进程理论设计了一个黑启动的定性推理模型，该模型主要用于表达制订黑启动方案的一般策略。模型考虑了各类火电单元机组的启动特性，以及黑启动过程中系统的主要限制条件。通过对黑启动过程的详细分析，定义了定性推理系统中相应的个体视图和进程。

文献针对天津电网的具体情况，对黑启动电源的选择、路径的选择、电气计算等问题进行了讨论。论述了黑启动电源为系统内具有自启动能力的机组和系统外来电源2种情况；介绍了子系统的划分及天津电网500kV、220 kV、110 kV电网的路径选择；重点分析了对确定黑启动电源及路径参数的计算。用实例说明了子系统之间的合环，合环后稳态电流和合环冲击电流的计算；文献结合浙江电网的实际情况确定了省、地两级电网的黑启动电源，对黑启动过程中的自励磁、过电压、频率和电压稳定、暂态稳定等问题进行了分析，制订了可操作的浙江电网黑启动方案。文献介绍了南川鱼跳水电站黑启动方案，分析了成功黑启动的条件，并提出了水电站黑启动中存在的一些问题。文献对华光潭电厂黑启动方案进行可行性分析，并经试验证明，华光潭电厂上下两级电站共4台机组在紧急情况下进行黑启动是可行的。文献探讨河池电网黑启动方案，在现有黑启动电源的基础上，分别对2个黑启动子方案进行了深入细致的研究，得出河池电网黑启动实施方案。分析研究了黑启动过程中应注意的问题，对黑启动电源的选取、自励磁、过电压以及逐步恢复系统负荷等方面进行了研究和验证计算。结合昆明地区电网结构特点和地区负荷特点，全面阐述了地区电网在发生“全黑”故障的情况下，怎样恢复到正常供电的整个过程，并就恢复过程中可能遇到的问题作了深入研究，提出了切实可行的解决方法。分析黑启动恢复过程中需要注意的一些事项。

研究了苏丹电网的黑启动方案，通过分析苏丹电网运行薄弱环节，比较多个黑启动的实施方案，总结出苏丹电网黑启动过程中应遵守的基本原则和需要考虑的诸多因素，为保证苏丹电网的稳定运行提出了可靠性的建议。则专门对黑启动过程中电气计算及校验的方法进行了详细论述。对黑启动过程中发生的小系统安全稳定性进行了原理简述，并进行了仿真分析，证明了该方法的有效性。

另外，不少文章专门针对黑启动过程中的关键技术问题进行了深入研究。针对上海电网黑启动试验中出现黑启动初始阶段，在小系统空载运行的情况下，由于逆功率保护而往往发生机组并车失败的关键技术问题。利用RTDS实时仿真系统，结合调研结果，针对这些问题进行了专题研究。提出了系统空载运行机组并车失败的原因，确定电压下降是影响小系统安全运行的最主要因素，介绍了相应的解决方案，以确保电网一旦崩溃时黑启动预案的正常实施。并在燃机启动电动机负载特性试验的基础上，利用电动机启动瞬间的等值电路，提出了启动电源容量选择的方法，分析了影响启动容量选择的相关因素，并计算了闸电燃机的启动电源容量。

研究了黑启动中的负荷恢复与系统并网问题，将基于直角坐标的最优乘子牛顿潮流法与灵敏度技术相结合，采用连续线性规划法对负荷恢复阶段出现的N-1潮流不可行和状态越限问题建立了恢复控制的模型和算法。然后建立了负荷恢复阶段仿真各子系统频率变化过程的模型和算法，针对子系统的并网问题建立了基于连续线性规划的并网压差发电调度算法，有效地解决了并网电压差优化控制问题。用标准测试系统和实际电网的数值仿真试验证明了模型和算法的有效性。引用2004年8月一次强度超常的台风“云娜”肆虐浙江沿海地区造成电网解体的例子，以此来分析供电系统同期并网存在的问题，并提出了解决方案。通过论述电力系统恢复的步骤和策略，分析了黑启动电源对电力系统恢复的影响。建立了以社会停电损失最小为目标的黑启动电源规划模型，用以优化黑启动电源的安装位置及容量。模型考虑了2种情况，分别研究黑启动电厂对口支援非黑启动电厂和互联电网情况下黑启动电源规划问题，并考虑了用户停电损失率随时间变化的问题。应用遗传算法求解互联电网黑启动电源规划问题，并给出算例对所提出的规划模型进行了验证。最后总结了影响黑启动电源布置的因素。

3.2 国外研究现状

国外对黑启动的研究重点放在对电网黑启动方案的制定及其建模与仿真上。对意大利局部高压电网的黑启动及恢复运行进行了建模仿真。针对实际电网制定了电网崩溃之后的黑启动计划，结果表明该方案有效、可靠。介绍了利用专家系统来引导电网黑启动的方法。详细介绍了电力系统全停后黑启动的有关原理及其理论分析。

则应用模糊控制规则对电网黑启动进行仿真和分析，最后得出结论：用模糊规则控制电网黑启动的方法更可靠。

4 黑启动过程中应注意的问题

黑启动的过程一般是指当大范围停电至厂用电全失的情况下，在预先制订好的黑启动方案及潮流计算的指导下，将整个停电范围分解成数个小网。在各个小网中，选用的黑启动电源一般是水轮机和燃气轮机。由于我国燃气轮机较少，因此以水轮机为例。水轮机辅机少，厂用电少，启动速度快，是理想的黑启动电源。由蓄电池供给水轮机组直流励磁电流，压力油罐储存的压力油开启水电机组的进水闸门先实行黑启动。再对空载长线路空充，适时恢复部分负荷和其它机组，最终实现各个小网的同期并列。

在黑启动的过程中，需重视的问题有：

①因发电机在带空充长线路时可能引起的自励磁；②线路末端工频过电压和暂态过电压；③在空载长线路的合闸过程中可能出现的励磁电流过零，合闸过电压；④黑启动初期的低频振荡；⑤恢复负荷时的频率；⑥继电保护配合；⑦当数个小网并列时同期点选择；③系统初步恢复时的稳定。

自励磁问题是指因发电机在带空充长线路时相当于带了一个容性负载，此时甚至在发电机没有励磁电流的极端情况下，若转子有剩磁，则机端产生的微小电压会产生一个容性电流，这个电流对发电机反过来产生助磁效应（这是一个正反馈的过程），随着励磁电流的增大，机端电压也急剧增高。但由于实际上存在饱和问题，机端电压不会无限制升高。产生自励磁的判据为。

在小负荷情况下，越接近线路末端，工频过压越高。而在电力行业标准中，对工频过压的限制是110kV及220kV线路工频过压不得超过1.3倍。合闸时可能产生的操作过压是由断路器操作和故障产生的过渡过程引起的，在规程中规定是不得超过3倍。

发电机在空载带长线路的合闸过程中由于突然受到一个大的无功冲击，发电机机端电压上升的同时，励磁电流减小以至有过零趋势。

系统频率和负荷有关，在恢复负荷过程中，既要保证非自启动机组获得最大的启动功率，又要保证系统恢复部分负荷以使有功平衡。负荷恢复过慢会使得黑启动时间变长而可能导致失败，负荷恢复过快又会使得系统频率下降导致黑启动失败。通常，恢复负荷的速度不应在频率比之前下降0.5Hz。

在黑启动初期，—般是带长线路重负荷可能出现低频振荡。此时应适当调整负荷和送电线路，尽量避免多电压等级，超长线路送电，在允许范围内尽量先送重要负荷，还可以投运电力系统稳定器来提高电力系统动态品质。

因为黑启动过程中的电网和正常状态下的电网有很大差异，所以应对保护定值做必要的修改，防止保护拒动、误动。同时由国内的数次黑启动实验可知，此时逆功率保护易误动，应将其改为信号。

当数个小网并列时，应将自动准同期装置改投手动，以免出现并列不上系统振荡的情况。

初步恢复时，整个系统容量较小且极为薄弱。若发生大干扰情况，系统的暂态稳定与否极成问题。对于多机系统，若此时各发电机转子间相角不断变化，使得系统的电压电流不断振荡，则系统不能保持暂态稳定。这可以通过计算在发生单相接地短路、三相短路、两相短路后，各发电机组间相对角度随时间的变化来判断，若此相对角度随时间不断增大且超过180°，则系统将不能维持同步运。

5 我国的黑启动情况

我国电网目前实行的统一规划、统一建设、统一调度、统一管理的“四统一”体制，保证了现阶段电网安全稳定运行。这种统一分层调度管理体制和美国的分散式调度管理相比使得发生大面积停电的可能性大大降低。北京、湖南、广东等地也纷纷出台了黑启动措施。

6 结束语

电网的黑启动恢复是一个综合的系统工程，科学有效的恢复控制措施意义重大。人工智能技术及最优化方法广泛应用于恢复方案的制定，对于方案的评估也已归结为多目标评价问题；频率稳定控制目前主要着眼于更精确的发电机调速系统、负荷模型的研究；无功电压控制的研究出了使用灵敏度分析、模糊数学以及神经网络的方法外，对于发电机励磁系统的精确建模的研究也是必要的；此外，对于运行方式的巨大变化导致二次设备的调整、线路不平衡参数的影响、低频振荡以及电力市场环境下辅助服务的补偿等问题也是正在研究的热点。

参考文献

[1]徐锋，电力系统黑启动案例仿真分析[J]，现代电力，2008，25（2）：47-50

[2]孟宪朋，万强，么莉，等，电力系统黑启动分析[J]，河北电力技术，2008，27（4）：16-18

[3]张志毅，陈允平，基于模糊多属性决策的黑启动方案优选[J]，高电压技术，2007，33（5）：42-45

[4]吴烨，房鑫炎，基于模糊DEA模型的电网黑启动方案评估优化算法[J]，电工技术学报，2008，23（8）：101-106

[5]周云海，唐立春，胡翔勇，等，黑启动的定性推理模型[J]，中国电力，2008，41（11）：10-13

[6]孟宪朋，么莉，林济铿，等，天津电网黑启动方案[J]，电力自动化设备，2008，28（2）：108-101

[7]李继红，倪秋龙，金啸虎，浙江电网黑启动方案编制研究[J]，华东电力，2006，34（1）：26-29，

[8]蔡雯，王照雄，张钊，等，水电站黑启动方案及分析[J]，电工技术，2006，（5）：24-26，

[9]王晓华，张银云，华光潭电厂黑启动可行性分析和实践[J]，小水电，2006，（6）：19-23

[10]周晨，廖一春，探讨广西河池电网黑启动方案[J]，广西电力，2008，（2）：58-60

[11]杨春雨，李永锋，地区电网“黑启动”方案研究[J]，云南电力技术，2008，36（1）：14-16

[12]王琮辉，电力系统黑启动恢复过程中的注意事项[J]，沿海企业与科技，2009，（4）：49-50

[13]王磊，苏丹电网的黑启动[J]，黑龙江电力，2005，27（6）：446-448

[14]陈湘媛，邓明亮，电网“黑启动”的电气计算及应对措施[J]，电气时空，2007：25-26

[15]孟宪朋，么莉，电力系统黑启动安全稳定性仿真研究[J]，电气应用，2008，27（5）：18-21

[16]王伟红，杨增辉，俞旭峰，等，电网黑启动关键技术研究[J]，上海电力，2007，（3）：236-237

[17]刘映尚，吴文传，冯永青，等，黑启动过程中的负荷恢复[J]，电网技术，2007，31（13）：17-20

[18]汤义勤，赵萍，季敏剑，枢纽变电站黑启动方式下同期并网问题的探讨[J]，继电器，2008，36（10）：74-77

[19]刘栋，孙英云，基于社会效益最大化的黑启动电源规划[J]，电力系统自动化，2009，33（12）：17-21

[20] Delfino B，Denegri G B，lnvernizzi M，et al，Black-start andrestoration of a part of the italian HV network·modling and simulation of a fieldtest[J]，IEEE Transactions on Power Systems，1996，11（3）：1391-1397

[21]Adibi M M，Fink I H，Power system restoration planning[J]，IEEETransactions on Power Systems，1994，9（1）：22-28

[22] Kirschen D S，VolkmannT L，Guiding a power system restorationwith an expert systeml J1，1EEE Transactions on Power Systems，1991，6（2）：558-566

[23] Ivan V.W.Hunt，etc，Diesel engine generators for block start andsupply emergencies[M]，Electrical Engineers As sociation Annual Conference，Auckland，2002，16&17

[24]Alexandre Assis Mota，Lia Toledo Moreira Mota，Andre Morelato，Simulation and analysis of restoration plans using fuzzy rule-based systems[C]，2004 IEEEIPES Transmission&Distribution; Conference & Exposition：LatinAmerica：167-172

[25]周伟，刘保彬，电网黑启动综述[J]，电工技术，2004，（12）：66-67

[26]杨艳，王平，三峡电源电站黑启动控制功能分析[J]，发电控制技术及设备，2009，33（2）：14-17

[27]何金定，贺星棋，电网黑启动过程控制技术研究[J]，华中电力，2009，22（3）：60-63

[28]贺星棋，刘俊勇，杨可，等，电网黑启动恢复控制研究综述[J]，贵州电力技术，2008，（8）：1-3