基于电网黑启动的运行方式风险分析评估

宋　强，杨　玮，牛　帅，李忠良，李　龙

（1.国网河南省电力公司焦作供电公司，河南　焦作　454000；2.国网河南省电力公司管理培训中心，郑州　450007）

基于电网黑启动的运行方式风险分析评估

宋强1，杨玮2，牛帅1，李忠良1，李龙1

（1.国网河南省电力公司焦作供电公司，河南焦作454000；2.国网河南省电力公司管理培训中心，郑州450007）

随着电网规模的日益增大，电网运行方式越来越复杂，局部故障稍微处理不当，就可能引起大面积的停电故障。黑启动作为大停电后电网恢复控制的首要环节，其成功与否直接影响整个恢复进程。对新乡—焦作电网黑启动试验过程中电网运行风险进行分析，通过N-1故障扫描，黑启动热稳、暂稳校核，提高黑启动的成功率和系统的恢复效率。

电网；黑启动；调度；电网恢复

0　引言

河南电网的骨干出力是火力发电机组，一直以来，河南电网备用启动机组为焦作电厂，装机容量为6×200 MW，原厂将拆除，通过“上大压小”异地扩建2×660 MW超超临界燃煤发电机组，显然已不可能作为河南电网的备用启动机组。整个电网故障崩溃停运后，第一时间通过系统中具有自启动能力机组的启动，带动无自启动能力的机组，逐步扩大系统的恢复范围，最终实现整个系统的恢复和供电的过程中，黑启动起着决定性的作用。在大停电发生后，能否根据电力系统实际情况快速有效地制定和选择最优恢复方案，在很大程度上决定了系统恢复的效率。

文献［1］利用层次分析法合理划分评估层次，并根据判断矩阵得出符合调度经验的评估准则权重，评价不同评估准则下方案的相对优劣。文献［2］通过电网黑启动试验的过程，对试验结果进行分析，找出黑启动过程中存在的薄弱环节，以达到验证黑启动研究理论计算结果的正确性。文献［3］通过对黑启动恢复过程中的工频过电压、操作过电压、系统恢复中的电压和频率问题、小系统发生单相瞬时性短路时的安全稳定性以及合环问题等进行分析研究，选出最佳方案。文献［4］结合人工智能技术和传统的电力系统计算分析技术，开发了黑启动决策支持系统，用于指导大停电后的系统恢复。文献［5］提出的决策支持系统采用专家系统处理知识性的规则预选出数个较优的启动方案，用风险决策中的期望值法则算出各方案的期望发电量。文献［6］给出了分层案例库的框架结构及分层黑启动案例的推理算法，并结合电网实际，能够起到调度员培训和在线决策支持的作用。

现有文献对涉及黑启动的研究，主要是利用人工智能技术分析黑启动的过电压及系统恢复中的频率问题及合环问题，同时侧重于人员培训，缺少N-1故障扫描及黑启动热稳、暂稳校核，相应的风险评估及采取的针对性措施。黑启动研究应根据各个地区实际供用电情况及电网结构、运行方式的不同而采取的措施不同，通过研究地区电网实际，结合本身运行情况进行风险分析，综合考虑成功与不成功应该采取的防范性措施，从而保证黑启动的恢复。

基于峪宝泉水电厂黑启动试验，对系统潮流、暂态稳定性进行计算分析。在黑启动试验期间，将通过新乡峪宝泉水电厂—500 kV峪获线—获嘉变2号主变—获嘉变220 kV北母—220 kV获修线—修武变220 kV西母—220 kV万修Ⅱ线—万方火电厂6号机组构成试验系统，验证峪宝泉水电厂自启动能力，检验峪宝泉水电厂通过试验系统启动220 kV万方火电厂的能力。

1　黑启动计算分析条件

合理的电网结构是电力系统安全稳定运行的基础。合理的电网结构应能够满足各种运行方式下潮流变化的需要，具有一定的灵活性，并能适应系统发展的要求；任一元件无故障断开，应能保证电力系统的稳定运行，且不使其他元件超过规定的事故过负荷和电压允许偏差；应有较大的抗扰动能力，并满足《电力系统安全稳定导则》［7］中规定的有关各项安全稳定标准。同时满足分层和分区原则；合理控制系统短路电流［8］。

焦作电网网供负荷235万kW，阳润电厂正常开机，金冠电厂一台机运行，焦作电厂3号机运行，万方电厂5、6号机运行。同时，对万方电厂和修武变110 kV母线所带负荷进行方式调整，黑启动试验期间，万修Ⅰ、Ⅱ线按照结零控制，如图1所示。

图1　焦作地区220 kV电网接线

2　黑启动试验条件下的电网运行方式风险分析评估

电力系统全停后的恢复应首先确定停电系统的地区、范围和状况，然后依次确定本区电源或外部系统帮助恢复供电的可能性。若无法恢复供电，应很快投入系统“黑启动”方案。制定黑启动方案应根据电网结构的特点合理划分区域，各区域必须安排1～2台具备黑启动能力的机组，并合理分布。

电网稳定分析按照调度管辖范围分级负责进行，按照“统一计算程序、统一计算标准、统一计算参数、统一计算模型”的原则，国调、省调各自负责所辖安全稳定计算分析和制定稳定措施，并承担相应的安全责任。

电力系统各种运行方式下潮流计算［9］的主要目的是在电力系统生产运行过程中，用于运行方式编制，为继电保护自动装置定值提供依据，并作为电力系统稳定性分析的基础。

2.1黑启动期间电力系统潮流计算

结合豫北电网的特点，考虑运行方式对系统稳定运行的影响，提出稳定运行限额，并检验安全稳定措施是否满足热稳定要求。还应特别注意在电网运行经验和事故教训的基础上，做好事故预测，对全网各主干线和局部地区稳定情况予以计算分析。对黑启动试验期间进行N-1故障扫描，结果如表1所示。万方电厂单机单线运行潮流如图2所示。

图2　万方电厂单机单线运行潮流

河南电网黑启动试验期间，修武变运行母线故障，万方电厂与系统解列，系统无热稳问题。万修Ⅰ、Ⅱ线单线运行期间，万修Ⅱ线跳闸，万方电厂与系统解列，系统无热稳问题。万修Ⅰ、Ⅱ线单线运行期间，万方电厂5号机跳闸，万修Ⅱ线潮流为25万kW，接近满载，系统无热稳问题。

表1　黑启动试验期间N-1故障扫描　MW

2.2黑启动期间暂态稳定计算

电力系统暂态稳定计算用于分析和研究提高安全稳定的措施，以及研究非同步运行后的再同步及事故后的恢复策略。目前，稳定性分析常用的方法是用计算机进行故障仿真分析或进行稳定指标的计算分析。其主要步骤需要先建立电力系统模型，然后进行各种扰动情况下的稳定性分析。

暂态稳定计算分析采用 《电力系统分析综合程序》6.28版，计算方法为隐式积分法，积分步长0.01 s。统调发电机均采用“Eq”变化的5阶模型（并考虑调速器和调压器的作用）。

稳定计算按照《电力系统安全稳定导则》、《国家电网公司电力系统安全稳定计算规定》、《国家电网安全稳定计算技术规范》、《国家电网公司电网安全稳定管理工作规定》的要求执行，稳定计算应执行计算、校核、审批流程，对存在稳定问题的运行方式充分讨论后确定。确定线路或输电断面稳定控制极限时，预留5%～10%的稳定储备。

黑启动试验可行性研究中，基于万方电厂双机单线期间万修Ⅱ线单相故障、单机单线期间万修Ⅱ线单相故障、单机单线期间万方电厂5号机跳机及修武变220 kV西母单相故障时发电机功角及母线电压进行计算，可以确定电网在黑启动试验期间，除万方电厂可能孤网外，系统无暂稳问题。其中单机单线期间万方电厂5号机跳机发电机功角和母线电压如图3所示。

图3　万方电厂5号机跳机时发电机功角及母线电压

3　黑启动试验的电网运行方式稳定校核

黑启动试验期间，修武变220kV西母、万修Ⅱ线、万方电厂6号机组、获修线与系统隔离。期间，万方电厂5、6号机存在双线双机、单线双机和单线单机并网运行方式。

对万方电厂和修武变110 kV母线所带负荷进行方式调整后，黑启动试验期间，焦作电网潮流分布合理，无元件过载情况；试验期间，修武变220 kV单母线运行，发生运行母线故障，万方电厂与系统解列孤网运行，修武变负荷全停，系统其它元件无热稳定问题；万方电厂单线并网期间，发生万修I线故障，万方电厂与系统解列孤网运行，系统其他元件无热稳定问题；发生其他相关220 kV线路或万方电厂机组N-1故障，系统无热稳定问题；黑启动试验期间，系统无暂稳问题。

4　黑启动风险评估

制定《黑启动期间修武变220 kV西母、万修Ⅱ线、万方6号机组同停期间风险评估》，以此来实现电网事故处理的安全性、可靠性、快速性和规范性。

修武变220 kV西母及220 kV万修Ⅱ线停电前，焦作地调对修武变110 kV运行方式进行调整，做好修武变220 kV单母线运行的准备及风险预控。对万方铝业110 kV运行方式进行调整，将万方电厂所带电解铝负荷转移至潭王变，控制万方电厂110 kV母线所带负荷为40万kW左右。

在修武变220 kV西母及220 kV万修Ⅱ线停电且万方电厂5、6号机组运行期间，控制万方电厂5、6号机组出力共40万kW，万修Ⅰ线结零。

万方电厂6号机停电前（滑停中），焦作地调通知万方铝业调度将万铝变电解铝整流变转移至潭王变系统（停电倒整流变，转负荷时间约需30 min），最终控制万方电厂110 kV母线负荷25万kW。

在修武变220 kV西母、万修Ⅱ线、万方电厂6号机组与系统隔离期间，控制万方电厂5号机组出力25万kW，万修Ⅰ线结零。

黑启动试验后，恢复修武变220 kV西母、万修Ⅱ线、万方电厂6号机与系统并网后，焦作地调通知万方铝业调度将万铝变电解铝整流变转移至万方电厂系统，最终控制万方电厂110 kV母线负荷40 万kW，将修武变110 kV运行方式、万方铝业110 kV运行方式恢复正常。

5　结语

常规的黑启动主要基于电网安全考虑，对于重要负荷及110 kV变电站的运行方式考虑过少，特别是铝厂负荷停电两小时后易导致电解铝槽报废，社会影响及经济影响不可忽视。根据实际运行经验，从电网调度安全的工作实际出发，通过阐述黑启动的释义和作用，对黑启动期间运行方式风险进行分析评估，发现黑启动过程中存在的薄弱环节，提出黑启动过程中的针对性措施和保障电网孤网运行的步骤，对从全局分析黑启动的每个节点，提高黑启动成功率和系统恢复效率意义重大。

［1］刘艳，顾雪平.评估黑启动方案的层次化数据包络分析方法［J］.电力系统自动化，2006，30（21）：17-19.

［2］赵利军.宁夏电网黑启动试验研究［J］.宁夏电力，2005（4）：23-26.

［3］李磊，房鑫炎，凌晓波.上海电网黑启动研究［J］.上海电力，2003 （6）：13-17.

［4］苏德生，顾雪平，赵书强，等.河北南网黑启动决策支持系统的研究开发［J］.电力系统自动化，2004，28（12）：16-19.

［5］周云海，闵勇，杨滨.黑启动及其决策支持系统［J］.电力系统自动化，2001，25（15）：22-24.

［6］王洪涛，刘玉田，邱夕照.基于分层案例推理的黑启动决策支持系统［J］.电力系统自动化，2004，28（11）：11-14.

［7］DL 755—2001电力系统安全稳定导则［S］.

［8］王大光.电力系统分析［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［9］高元楷.电力系统运行操作和计算［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，1996.

Risk Analysis and Assessment of Operation Model Based on Power Grid Black Start

SONG Qiang1，YANG Wei2，NIU Shuai1，LI Zhongliang1，LI Long1
（1.State Grid Jiaozuo Power Supply Company，Jiaozuo 454000，China；
2.Management Training Center of Henan Electric Power Corporation，Zhengzhou 450007，China）

The operation mode of power grid is becoming more and more complex with the increasing of power grid size.Any slight improper handling of the partial failure may lead to widespread power failure.Black start is the primary part of the power grid restoration after blackout control.Its success or failure directly affects the recovery process.Operation risk of Xinxiang-Jiaozuo power grid black start test is analyzed.The success rate of black start and the recovery efficiency of power system are improved by N-1 fault scanning，black start thermal stability and transient stability.

power grid；black start；scheduling；power grid restoration

TM732

A

1007-9904（2016）01-0046-04

2015-09-10

宋强（1977），男，工程师，从事电力系统分析与控制工作。