基于外部电源作为启动电源的山西电网黑启动研究

2014-12-10郝鑫杰郑惠萍王玮茹

山西电力 2014年2期

郝鑫杰，郑惠萍，王玮茹

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原 030001）

随着现代互联电网规模越来越大，不可控因素越来越多，电网由于连锁故障发生大面积停电的风险也在加大[1—3]。正确的黑启动预案能够在电网全部停电以后，提供恢复供电的指导方案，快速有效地恢复供电[4]。我国已有多个电网进行了黑启动方案的研究[5—6]。

山西电网重要输变电设备多处于煤矿采空区、地震断裂带上，运行环境恶劣，电网发生大面积停电和全部停电的风险始终存在，因此迫切需要开展电网全部停电情况下的黑启动方案研究。在黑启动的研究过程中主要出现的问题有启动电源的选择、过电压、自励磁、铁磁谐振等[7—8]。文献[9—10]主要研究了采用山西电网内部具有自启动能力的水电机组作为启动电源的黑启动方案。

山西电网是华北电网的组成部分，作为外送电大省，目前山西电网向华北外送的通道有：500 kV大房三回线、神保双回线、阳北双回线、潞辛双回线，共九回线与京津唐电网、河北南部电网相联。基于山西电网的特点，可以考虑在山西电网全部停电以后，通过这些联络线为山西电网提供启动电源。本文主要研究基于外部电源作为启动电源的山西电网黑启动方案。依据山西电网的分区特点，选择并行的启动模式，重点研究启动过程中的稳态电压控制和过电压问题。

1 路径选择

在山西电网全部停电的情况下，充分利用京津唐、河北南网等外部电源进行电网的“黑启动”工作，能快速恢复系统。这在山西电网内部自启动机组启动能力不足时尤为重要。与山西电网相连的九回线路可以作为山西电网黑启动时的外部路径。基于不同外部路径可以选择多个启动方案，逐一对不同方案进行计算分析。在黑启动过程中利用多个子系统同时进行电网并行恢复工作，是快速恢复电网供电的一条基本措施。选择路径应遵循以下原则：启动路径尽量短；尽量减少不同电压等级的变换；尽量先启动大容量的机组；尽量先启动离重要负荷近的机组。

中部电网是省会城市所在地，有很多大型的一类负荷，又是整个电网的调度指挥中心，故本文以中部电网为例，研究恢复中部电网的方案。启动路径选择为“石北—阳泉—侯村—云顶山—兴能电厂”（全长 122.13+101.936+77.011+24.783=325.86 km）。启动路径示意图如图1所示。

图1 启动路径示意图

2 外网等值及线路模型选择

2.1 外网等值研究

山西中部电网通过阳北双500 kV线路与外网连接，山西电网黑启动所需的外部电源来自整个华北电网（除山西电网），故可以将华北电网等值为电压源与系统阻抗模型。其结构如图2所示。

图2 等值电源模型

2.2 线路模型选择

阳北双回500kV外部联络线长度为122.130km，在仿真过程中采用π型模型[11]，如图3所示。

图3 阳北双回线π型模型

2.3 计算标准

根据《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》GB/T18481—2001、《中华人民共和国电力行业标准交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T620—1997规定，对于500 kV系统空载线路合闸过电压不大于2.0p.u.，220 kV及以下系统空载线路合闸过电压不大于3.0p.u.。

在已选定的中部电网启动路径上，根据是否投入高抗分为不同的启动方式，运用BPA和PSCAD进行仿真，重点对选定路径上的稳态电压和过电压问题进行了详细研究。

3 中部电网启动路径稳态电压研究

外部电源石北侧起始电压520.84 kV，兴能启备变分头位置在5分头，即变比为525 kV/10.5 kV，且启备变未带负荷。从石北通过石北—阳泉、阳泉—侯村、侯村—云顶山、云顶山—兴能电厂4条500 kV线路充电至兴能电厂，充电过程中阳泉—侯村线路150 Mvar高抗（侯村侧）投入，云顶山侧电抗未投入，稳态电压情况见表1。

表1 未投电抗的稳态电压 kV

由表1知，若石北电压520.84 kV，通过石北—阳泉、阳泉—侯村、侯村—云顶山、云顶山—兴能线路充至兴能电厂，当合上云顶山—兴能线路的断路器后，云顶山变电站、兴能电厂母线电压超过540 kV，需要控制此站点的电压，根据变电站的情况可分别采取以下两种方案。

方案一：投入云顶山母线高抗150 Mvar后，计算结果如表2。

表2 投入云顶山母线高抗后稳态电压 kV

由表2知：若云顶山—兴能线路合闸同时投入云顶山母线高抗，云顶山变电站、兴能电厂母线电压分别降为513.94 kV、514.12 kV，在充电过程中所有母线电压满足电压控制要求。

方案二：合云顶山主变，主变分头放在525/230/36 kV位置，并投入1组云顶山变电站低抗，计算结果如表3。

表3 投入云顶山低抗后稳态电压 kV

由表3知：采用方案二后，云顶山高、低压侧电压分别降为525.3 kV、227.7 kV，满足运行要求，再合云顶山—兴能电厂线路，兴能电厂母线电压530.43 kV，满足电压控制要求。

两种方案均能将稳态电压控制在可接受的范围之内，但低抗比高抗的降压幅度小，可多组投切实现电压的精细控制。

4 中部电网启动路径过电压研究

本路径最终启动兴能机组。仿真得到不同合闸操作时各段线路首末两端的操作过电压值，并计算操作过电压倍数。

从仿真结果可知，合闸瞬间电压瞬时升高，在整个合闸过程中合石北—阳泉段线路时，电压值变化最大且阳泉站电压升高最大，合启备变时电压未发生明显波动。

图4为合闸瞬时的过电压值变化曲线，其中每个点代表该站在此次合闸过程中的过电压大小。图4 a为投入云顶山母线高抗的过电压变化曲线，图4 b为投入低抗后的过电压曲线。

图4 不同投抗方式下的过电压曲线

由图4可知，在整个合闸过程中合石北—阳泉段线路时，操作过电压值最大且阳泉站电压升高最大，随着合闸时间的推移，在合以后的线路时石北站和阳泉站的操作过电压值逐渐减小，但初次合闸时由于石北—阳泉、阳泉—侯村、侯村—云顶山三条线的线路长度相当，所以两种不同投抗方式下过电压值均处于同一过电压水平。表4为过电压倍数表。从表4易知，整个路径上各站的过电压倍数均未超过2倍，最大值发生在合石北—阳泉时阳泉站，过电压倍数为1.877。