大型水电机组调速系统黑启动流程设计与实现

余明明，李 辉，汪 林，丁萁琦

(中国长江电力股份有限公司溪洛渡水力发电厂，云南 永善 657300)

水电站黑启动是指在厂用交流电全部消失的情况下，利用水电站事故备用电源(如柴油发电机等)实现某一台具有黑启动功能的机组正常启动、建压，再通过该机组恢复厂用交流电，逐渐恢复其他机组正常启动并配合调度系统恢复对外供电[1]。

当前，我国的电网系统通过改变系统运行方式(如通过柔性直流输电实现两个电网“背靠背”异步联网运行)等措施来提高电网安全稳定性，使得发生大面积停电事故的几率不断下降，但因我国幅员辽阔、电网覆盖面积巨大，且近些年来极端灾害天气发生的频率较以往有所提高,所以不能完全排除发生大面积停电事故的可能性。如何在发生大面积停电事故时迅速恢复供电、减少停电造成的损失成了当务之急。

水电机组因开机快、启动简单的特点，决定了水电站比较适合作为电网系统黑启动的电源电站。在水电机组黑启动的过程中，调速系统担当厂用交流电“动力系统”的角色。不同于平时常见的“空载态”、“负载态”，“黑启动态”要求从硬件回路、程序逻辑等方面进行重新设计，下文就这两个方面进行简要讨论。

1 调速系统黑启动态概述

“黑启动态”可以看作大型水电机组调速系统除“空载态”、“负载态”之外的第三种状态；与另外两种状态相比，它具有以下特点：

1)与“空载态”相同，调速系统“黑启动态”均运行于频率模式，但两者调节的目标值不同：“空载态”频率调节的目标值为“50 Hz±滑差”，而“黑启动态”频率调节的目标值为“50 Hz”；

2)与“负载态”相同，调速系统在“黑启动态”时均带负载，但“黑启动态”下调速系统仅带厂用电设备运行，与正常“负载态”相比，机组此时的有功功率要小很多。

综上所述，调速系统“黑启动态”可以看作一种特殊模式的“负载态”，以稳定频率在“50 Hz”为控制目标，同时带孤立电网系统的低负载设备运行。

2 调速系统黑启动硬件回路设计

与其他两种状态不同，调速系统不能主动通过采集外部信号并通过程序判断进入相应状态，而是需要接受监控系统“黑启动状态启动命令”或“黑启动状态复归命令”，再综合其他输入信号进行逻辑判断后进入或退出“黑启动态”，同时将相关信号反馈给监控系统[2]。因此，调速系统黑启动硬件硬件回路主要包含两个部分：控制命令接收和状态信号反馈。

2.1 调速系统黑启动控制命令接收

调速系统黑启动控制命令来自于监控系统。监控系统通过PLC的开关量输出(DO)模块，将“黑状态启动命令”或“黑启动状态复归命令”下发至调速系统PLC的开关量输入(DI)模块。一般的，该命令为3 s脉冲；同时，为了避免两套不同系统之间PLC模块串电，监控系统的命令经过开出继电器进行隔离后再下发至调速系统，如图1所示。

图1 调速系统黑启动控制命令接收回路示意图

2.2 调速系统黑启动状态信号反馈

调速系统进入或退出“黑启动态”后，需将自身的状态信号反馈给监控系统，以便于监视和控制。一般的，该状态信号是调速系统PLC的DO模块送至监控系统PLC的DI模块。除了因防止两套不同系统模块串电而加装调速系统状态反馈信号继电器外，为隔离需要，调速系统PLC的DO信号还需经过光隔离模块后，才将信号下发至反馈信号继电器，并通过该继电器将信号上送至监控系统，如图2所示。

图2 调速系统黑启动状态信号反馈回路示意图

3 调速系统黑启动程序逻辑设计

调速系统黑启动程序逻辑设计主要包含三个方面：输入/输出信号定义、黑启动态定义及三种状态转换逻辑和黑启动态控制流程[3]。下文就从该三个方面内容展开讨论。

3.1 输入/输出信号定义

如本文第2部分所述，调速系统黑启动输入信号包含两个，分别是“黑状态启动命令”和“黑启动状态复归命令”；调速系统黑启动输出信号只有一个，即“调速系统黑启动状态”。调速系统黑启动输入/输出信号定义如表1所示。

表1 调速系统黑启动输入/输出信号定义

3.2 黑启动态及三种状态转换逻辑

如本文第1部分所述，调速系统黑启动态与其他两种状态有相似也有不同，因此需要重新对“黑启动态”重新进行定义，使之成为与另外两种状态并列的第三种状态：该状态拥有独立的判断逻辑、控制流程和控制参数；同时为避免各状态相互切换时出现紊乱，需对三种状态之间的转换逻辑进行界定和明确。

3.2.1 调速系统黑启动态定义

调速系统黑启动态，即调速系统在“空载态”的基础上带低负载的厂用电设备运行状态。一般情况下，调速系统进入黑启动态包含以下两种工况：

1)调速系统开机过程中接收到监控系统下发的“黑启动状态启动命令”后进入黑启动态；

2)调速系统进入“空载态”后，接收到监控系统下发的“黑启动状态启动命令”，而后进入黑启动态。

综合考虑上述两种工况，可以在“空载态”的基础上对调速系统黑启动态进行定义；同时，需要注意的是，调速系统黑启动态与空载态不同，其不判断GCB位置，且调速系统进入或者退出黑启动态由监控系统命令触发，因此，对调速系统黑启动态定义如图3所示。

图3 调速系统黑启动状态定义

3.2.2 调速系统三种状态转换逻辑

因调速系统黑启动态独立于其他两种状态，为避免调速系统状态切换紊乱，需对三种状态转换逻辑进行界定和明确；根据调速系统控制要求，三种状态相互转换关系如下：

1)“空载态”与“黑启动态”转换关系。“空载态”与“黑启动态”可以相互转换：当机组处于“空载态”时，若调速系统收到监控系统“黑启动态启动命令”则由“空载态”转为“黑启动态”，若再次收到“黑启动态复归命令”则由“黑启动态”转为“空载态”。

2)“负载态”与“黑启动态”转换关系。调速系统只能单方面由“黑启动态”转为“负载态”，不能由“负载态”转为“黑启动态”，即使有监控系统“黑启动态启动命令”存在。因为调速系统处于“负载态”时导叶开限远远大于“黑启动态”时的导叶开限，为避免可能出现的溜负荷风险，规定调速系统无论如何均不能由“负载态”转为“黑启动态”。

当调速系统处于“黑启动态”时，若调速系统收到监控系统“黑启动态复归命令”，且GCB和母线串内开关位置满足相关条件，则转为“负载态”。

3)“空载态”与“负载态”转换关系。“空载态”与“负载态”可以根据条件进行状态转换，该部分为调速系统常规控制内容，故不赘述。

调速系统三种状态转换逻辑如图4所示(箭头代表可以往该状态转换)。

图4 调速系统三种状态转换逻辑示意图

3.3 黑启动态控制流程

调速系统进入“黑启动态”后，同“空载态”一样运行于频率模式，所不同的是此时调速系统频率控制目标为50 Hz而非“50 Hz±滑差”，其目的在于调速系统要尽可能将频率控制在额定频率50 Hz附近，以便其所带的厂用电负载能够正常工作。

对应于本文3.2.1中提到的调速系统进入黑启动态的两种工况，调速系统黑启动态控制流程[4]如图5所示。

图5 调速系统黑启动态控制流程

4 现场试验

根据现场系统母线接线方式，结合系统保护装置的其他要求，最终选定某台机组为黑启动机组，在硬件回路和程序修改的基础上，共进行了以下试验来验证大型水电机组调速器黑启动流程设计的正确性与可行性[5]。

4.1 无水条件下模拟试验

在无水条件下，模拟机组开机过程中接收到监控系统“黑启动态启动命令”，调速系统正常进入“黑启动态”且各参数调用正确，系统状态反馈信号及HMI事件记录正确；而后，调速系统接收到监控系统“黑启动态复归命令”后，由“黑启动态”正常切换至“空载态”，且各参数调用正确，系统状态反馈信号及HMI事件记录正确。

在无水条件下，模拟机组开机至“空载态”，而后在接收到监控系统“黑启动态启动命令”，调速系统由“空载态”正常切换至“黑启动态”且各参数调用正确，系统状态反馈信号及HMI事件记录正确；而后，调速系统接收到监控系统“黑启动态复归命令”后，由“黑启动态”正常切换至“空载态”，且各参数调用正确，系统状态反馈信号及HMI事件记录正确。

在无水条件下，模拟机组开机至“负载态”，随后在接收到监控系统“黑启动态启动命令”后，系统仍处于“负载态”而未进入“黑启动态”，程序执行正确。

上述无水条件下的各项试验，验证了硬件回路改造及程序修改的正确性。

4.2 有水条件下真机试验

在有水条件下，机组真实开机并重复无水条件下的各项试验，试验结果正确，满足设计要求。在调速系统“黑启动态”且机组串内开关分闸的状态下，由监控系统发令合机组GCB，由调速系统带主变压器零起升压，通过录波系统监视该过程中机组频率最低下降至49.828 Hz，随后机组频率稳定至49.95～50.05 Hz之间；随后，由监控系统发令断开GCB，通过通过录波系统监视该过程中机组频率最高上升至至50.153 Hz，随后机组频率稳定至50.00～50.05 Hz之间。该试验通过调速系统在黑启动态下真实带主变等厂用电设备，验证了调速系统黑启动态下频率调节功能的正确性。

5 结 语

本文从硬件回路设计、程序逻辑设计等方面介绍了大型水电机组调速系统黑启动功能的流程设计，并通过无水模拟试验以及有水真机试验验证了该流程的正确性与可行性，为后续水电站全系统联动的黑启动试验奠定了基础。