辽宁南部电网黑启动方案研究

孙 峰，刘 凯，王 印，程绪可，韩子姣

（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006）

专论

辽宁南部电网黑启动方案研究

孙 峰1，刘 凯2，王 印2，程绪可1，韩子姣1

（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006）

为了提高大面积停电情况下电网快速反应及恢复能力，全力保障辽宁电网安全稳定可靠运行，结合辽宁省内电源分布及运行实际需要，开展以太平湾电厂作为黑启动电源的可能性研究，基于PSCAD／EMTDC搭建黑启动过程电磁暂态仿真模型，针对黑启动过程中的自励磁问题、谐振问题、工频过电压、操作过电压及黑启动条件下辅机启动对电压的影响进行计算和分析，全面论证了太平湾电厂作为辽宁南部黑启动电源的可行性。

黑启动；自励磁；过电压；谐振

随着电网的互联和覆盖范围扩大，电力系统安全稳定运行面临着潜在威胁，故障发生时若不能迅速消除，将波及邻近区域并引发不可控的连锁反应，造成大面积停电甚至全部停电的重大系统事故。如：1982年和1989年加拿大魁北克地区大停电、1996年马来西亚全国大停电、2003年美加大停电、2005年俄罗斯莫斯科大停电［1－2］等都产生了严重的后果。尤其是美加大停电是世界电力历史上规模最大、影响最广的一次停电，上百台机组跳机，大约影响5 000万人，给美加两国造成数百亿美元的经济损失。

分析国内外几次大停电事故的发生过程及事故后电网恢复的经验，可以发现，在电网大面积停电的情况下，一项准备充分、行之有效的黑启动方案，将大大缩短停电时间，降低经济损失和社会影响。若无任何黑启动措施，不仅使停电时间延长，电网的恢复也将更加困难，使国民经济遭受更大的损失，因此研究电网大面积停电后的快速恢复问题即电网黑启动方案是十分必要的。

本文结合辽宁南部电网的实际情况，重点开展以太平湾电厂作为启动电源的黑启动方案研究，明确了合理的黑启动路径，进行了机组自励磁校验和谐振计算，进行了空载线路过电压及机组进相能力分析，针对黑启动过程中合闸引起操作过电压［3－7］进行仿真校核，对频率、电压稳定性进行仿真计算，确定机组抗冲击负荷能力及电压稳定控制的要求，本文为太平湾电厂作为黑启动电源实现电网黑启动提供了可靠的理论依据和技术参考。

1 辽宁南部电网及太平湾电厂概况

根据电源、负荷分布及网架结构特征，辽宁电网分为辽宁西部电网、辽宁中北部电网和辽宁南部电网三大系统，其中辽宁南部电网北邻辽宁中北部电网，主要由大连和丹东2个地区电网组成。2015年末，辽宁南部电网共有500 kV变电站6座，220 kV变电站49座，220 kV及以上电厂15座，总装机容量达到11 102 MW，其中火电厂7座，水电厂5座，风电场2座，核电厂1座。辽宁南部电网最大供电负荷约为5 200 MW，约占辽宁电网总负荷的21%，辽宁南部地区是全省的重要负荷中心之一。

辽宁境内有大小河流300余条，主要有辽河、浑河、大凌河、太子河、绕阳河以及中朝两国共有的鸭绿江界河形成辽宁主要水系，辽宁地区的水电资源主要分布在辽宁的东南部。太平湾电厂地处丹东境内，是辽宁东南部重要的水电站之一，是鸭绿江流域继云峰、渭源、水丰电站之后的第4座梯级电站。

太平湾电厂为低水头、大流量、河床式电站，共装4台机组，单机容量54 MVA，总装机容量216 MVA，其中1、2号机组发电供中方使用，经升压变接入丹东220 kV电压等级电网，3、4号机组发电供朝方使用。

太平湾电厂距丹东市区40km，距上游长甸电站50km，毗邻大连电网，如果作为黑启动电源快速启动丹东金山热电厂，对辽宁南部电网的恢复具有重要意义。

2 黑启动路径选择

2.1 选择原则

a.应能在尽量短的时间内以最少的操作步骤恢复系统供电。

b.应尽量减少不同电压等级的变换。

c.应距离下一个电源点最近，以尽快恢复本地区电网的主力电厂，建立相对稳定的供电系统。

d.应便于主网架的快速恢复。

2.2 黑启动路径确定

以太平湾电厂作为黑启动电源，确定黑启动路径如下：

太平湾发电厂—平九线—丹九2号线—金丹2号线—丹东金山热电厂。黑启动路径全长85.174km，具体接线路径如图1所示。

图1 黑启动路径

3 黑启动方案计算

3.1 自励磁计算及分析

本研究采用自励磁问题工程实用化算法，计算太平湾电厂启动丹东金山热电厂自励磁。该方法考虑到机组参数、线路、变压器等元件参数的误差，为了可靠脱离自励磁区域，在计算中进行了裕度处理，判定公式：

线路容抗等效计算，计及线路电抗，采用π形等值电路将线路电抗合并，计算公式：

不同开机方式下，计算得到充电至各母线时的自励磁计算结果如表1所示。

表1 自励磁计算结果pu

基于计算结果可以看出，太平湾黑启动过程不满足自励磁条件，为确保黑启动过程的顺利实施，减少自励磁发生几率，建议采用2台机启动方式。

3.2 谐振仿真计算及分析

系统发生谐振需要满足XL＝XC，根据XL＝ωL，XC＝1／ωC可知，当系统中L和C固定时，ω在某一值时系统发生谐振。应用PSASP程序中的频率扫描功能，扫描1 500 Hz以内的谐波。

a.单台机黑启动谐振频率

太平湾黑启动充电至各母线时，扫描系统的谐振频率，单台机黑启动系统频率扫描的阻抗变化曲线如图2所示。

系统谐振频率的解不唯一，当阻抗出现较大上升时，系统可能发生谐振。系统最小谐振频率仿真结果如表2所示。

图2 单台机黑启动谐振频率扫描

表2 单台机黑启动系统谐振频率Hz

b.2台机黑启动谐振频率

太平湾黑启动充电至各母线时，扫描系统的谐振频率，2台机黑启动系统频率扫描的阻抗变化曲线如图3所示。系统最小谐振频率仿真结果如表3所示。

图3 2台机黑启动谐振频率扫描

表3 2台机黑启动系统谐振频率Hz

3.3 工频过电压分析

以PSCAD／EMTDC作为仿真计算工具，开展太平湾电厂单机启动丹东金山热电厂工频过电压及进相问题仿真分析。

单台机对线路充电至丹东金山热电厂220 kV母线时，母线电压为1.086 pu，线路空载电压情况如图4所示。

图4 单台机空充至丹东金山热电厂220 kV母线过电压

2台机对线路充电至丹东金山热电厂220 kV母线时，母线电压为1.074 pu。线路空载电压情况如图5所示。

图5 2台机空充至丹东金山热电厂220 kV母线过电压

可以看出，太平湾电厂充电至丹东金山热电厂，线路充电功率使得线路末端电压升高，但2种开机方式下丹东金山热电厂母线工频过电压最大值均满足电力行业标准DL／T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》的规定要求。

3.4 无功进相能力分析

线路空载运行时母线电压水平保持正常，但受线路对地电容影响，系统将向太平湾电厂倒送无功，所以太平湾电厂应具备一定的进相能力，通过无功进相分析，启动丹东金山热电厂前太平湾电厂的无功进相能力应大于16.08 Mvar，考虑10%无功裕度，太平湾电厂的无功进相能力应大于17.69 Mvar。

3.5 操作过电压分析

以PSCAD／EMTDC作为仿真计算工具，对太平湾电厂启动丹东金山热电厂过程进行仿真计算，得出空载合闸过电压结果。

a.直接空充合闸方式

直接空充到金山厂220 kV母线，进行三相同期空载合闸暂态过程仿真计算。

单台机直接合闸空充过程中，金山厂220 kV母线单相最大瞬时值出现在B相，对地电压最大瞬时值为355 kV，仿真结果如图6所示。

图6 单台机直接合闸空充到金山厂220 kV母线三相电压曲线

2台机直接合闸空充过程中，金山厂220 kV母线单相最大瞬时值出现在B相，对地电压最大瞬时值为353 kV，仿真结果如图7所示。

图7 2台机直接合闸空充到金山厂220 kV母线三相电压曲线

b.逐段空充合闸方式

单台机逐段空充合闸方式，逐段合闸各空载线路电压曲线如图8—10所示。

逐段空充暂态过程中，空充九连城220 kV母线，B相对地电压最大瞬时值为353 kV；空充至丹东北220 kV母线，B相对地电压最大瞬时值为302 kV；空充到金山厂220 kV母线，金山厂220 kV母线A相对地电压最大瞬时值为251 kV。

图8 逐段合闸至九连城220 kV母线三相电压

图9 逐段合闸至丹东北220 kV母线三相电压

图10 逐段合闸到金山厂220 kV母线三相电压

2台机逐段空充合闸方式，逐段合闸各空载线路电压曲线如图11—13所示。

逐段空充暂态过程中，空充九连城220 kV母线，B相对地电压最大瞬时值为355 kV；空充至丹东北220 kV母线，B相对地电压最大瞬时值为325 kV；空充到金山厂220 kV母线，金山厂220 kV母线B相对地电压最大瞬时值为242 kV。

图11 逐段合闸至九连城220 kV母线三相电压

图12 逐段合闸至丹东北220 kV母线三相电压

图13 逐段合闸到金山厂220 kV母线三相电压

依据电力行业标准DL／T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》的规定要求，对于220 kV线路操作过电压限制不宜超过3.0 pu，即操作过电压允许的限值为538.89 kV。采用直接合闸方式下空冲至金山热电220 kV母线，暂态过程中，单台机方式对地电压最大瞬时值为355 kV，2台机方式对地电压最大瞬时值为353 kV；采用逐段空充合闸方式，暂态过程中，单台机方式最大瞬时值为353 kV，2台机方式最大瞬时值为355 kV，均满足操作过电压限值要求。

3.6 厂用辅机启动计算

太平湾电厂作为电源充电至丹东金山热电厂母线后，启动金山热电厂最大负荷电动给水泵，给水泵容量5.4 MW，研究依然分别采用单台机组和2台机组的电源启动方式。

单台机启动辅机方式，金山热电厂最大辅机负荷给水泵启动过程中，机组的频率、电压及电流变化情况如图14—16所示。

图14 给水泵启动时太平湾电厂1号机组频率

图15 给水泵启动时金山厂启备变电压变化

图16 给水泵启动时电流变化曲线

仿真曲线表明，给水泵负荷冲击，太平湾电厂1号机组频率变化范围在48.94～50.35 Hz；受端丹东金山热电厂63 kV母线电压变化范围在0.8～1.12 pu。变化均在允许范围内，随后基本恢复冲击前状态。

2台机启动辅机方式，金山热电厂最大辅机负荷给水泵启动过程中，机组的频率、电压及电流变化情况如图17—19所示。

仿真曲线表明，给水泵负荷冲击，系统频率变化范围在49.48～50.18 Hz；受端丹东金山热电厂6 kV母线电压变化范围在0.88～1.08 pu。变化均在允许范围内，随后基本恢复冲击前状态。

图17 给水泵启动时系统频率曲线

图18 给水泵启动时金山厂启备变电压变化

图19 给水泵启动时电流变化曲线

4 结束语

结合辽宁南部电网实际需要，本文对太平湾电厂启动丹东金山热电厂可行性进行了深入研究，明确了黑启动路径，并对自励磁、谐振、进相能力、空载过电压、操作过电压及大型辅机启动冲击影响进行了仿真计算，各项计算校核均考虑单台机组和2台机组的启动方式，计算结果表明太平湾电厂初步具备黑启动电源的能力，黑启动过程不会发生自励磁问题，空载过电压和操作过电压满足行业标准要求，为了保障黑启动方案的顺利实施，提出以下几点建议。

a.需要对太平湾电厂进相能力进行校验，确保机组应具备17.69 Mvar以上的进相能力。

b.试验前对现场进行系统谐波背景测试，检测系统是否存在引起谐振的谐波源。

c.计算表明采用2台机组的启动过程中在自励磁、谐振及过电压影响上均优于单台机组方案。建议采取2台机组的黑启动方案。

［1］谢存伟，唐志芳，郝建刚，等.典型发达国家灾难事故应急管理综述［J］.电网技术，2008，32（2）：46－49.

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［5］张 莉.电网黑启动方案关键问题探讨［J］.四川电力技术，2012，35（4）：25－30.

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［7］程绪可，孙 峰，路 昱，等.基于PSCAD／EMTDC辽南电网黑启动方案研究［J］.东北电力技术，2014，35（4）：15－17.

Research on Black⁃start Scheme for Liaoning South Power System

SUN Feng1，LIU Kai2，WANG Yin2，CHENG Xuke1，HAN Zijiao1
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

In order to improve quick response and recovery of power grid which is due to a large area blackout，combining with power distribution and operation requirement of Liaoning province，feasility study about Taiping bay power plant as black start power supply is carried out.The research is based on PSCAD／EMTDC to build the process of black start with electromagnetic transient simulation mod⁃el.It is aiming for solving the issues on condition which are self⁃excitation，resonance，power frequency overvoltage，operating over⁃voltage and black start.In addition，with the condition of black start，it is essential to calculate and analyze the influence of voltage when auxiliary engine starts.This paper demonstrates the feasibility that setting Taiping bay power plant as a black start power supply in southern of Liaoning province.

black start；self⁃excitation；overvoltage；resonant vibration

TM732

A

1004－7913（2016）12－0001－05

孙 峰（1980），男，硕士，高级工程师，从事电力系统分析及智能电网相关研究工作。

2016－09－30）