区域电网水电黑启动试验仿真验证

邢华栋，慕 腾，陶 军，王宇强，景志滨，齐 军，张红光

（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区电力系统智能化电网仿真企业重点实验室，呼和浩特 010020；3.内蒙古电力调度控制中心，呼和浩特 010010）

0 引言

仿真计算是黑启动试验前准备工作的重要环节，贯穿于整个准备工作的始末。基于仿真计算结果，方案编制人员可以对试验的安全性和可行性进行评估，发现试验潜在的问题，并对试验方案进行合理化修改；结合厂站调研情况，修改仿真条件，指导方案调整，如此反复迭代，最终形成一套切实可行的黑启动试验方案。

仿真的准确性对黑启动试验的成败至关重要，若仿真结果不能反映实际情况，则会误导试验方案的制订，增加试验失败的风险。因此，有必要对仿真结果进行验证，对仿真模型的准确性进行评估，进而找出仿真的不足，以便为日后相关工作积累经验[1-5]。2004 年北方某省级电网首次实施电网黑启动现场试验[6]，此后随着电网结构的变化对电网黑启动方案进行了重新规划设计，为了验证方案的可行性，2021 年，该区域电网实施了以水电机组为启动电源的电网黑启动试验[7-8]。本文基于黑启动试验的实测数据对仿真模型的准确性进行了验证，对仿真结果进行了分析，进而证明仿真工作对黑启动试验的重要性。

1 潮流仿真验证

1.1 空充联通线路

W 水电厂经W 升压站220 kV B 母、220 kV WSⅠ线、S 变电站220 kV 1 号母线、SN 线、N 变电站220 kV 2号和4号母线、220 kV NX Ⅰ线充电至X变电站220 kV 1 号母线，同时经220 kV ZN Ⅰ线充电至Z 火电厂220 kV 1 号母线，仿真结果与实测结果比较如表1 所示。X 变电站电压偏差2 kV，线路充电功率偏差2 Mvar，说明潮流仿真用的π型输电线路模型参数不够准确；线路充电功率比实际约低2 Mvar，说明仿真用的输电线路对地电纳参数偏小；X变电站电压仿真结果比实际低2 kV 左右，说明仿真用的输电线路电抗参数偏小。

表1 W水电厂空充至联通线路潮流比较Tab.1 Comparison of power flow when W hydraulic-power plant charging the connecting lines

1.2 Z火电厂1号机组并网带负荷

Z 火电厂并网后带30 MW 有功负荷，系统稳定运行后，潮流仿真结果见图1，仿真结果与实测结果比较如表2所示。

图1 仿真潮流图Fig.1 Simulation power flow diagram

表2 Z火电厂1号机组并网带负荷潮流比较Tab.2 Comparison of grid connected and loaded power flow of unit 1 of Z thermal power plant

仿真计算中X 变电站主变压器220 kV 侧下送负荷为（25.0+j23.6）MVA，110 kV 侧负荷为（25.0+j22）MVA，Z 火电厂启备变压器下送负荷按（10.0+j6.9）MVA 计算，全网负荷为（35+j30.5）MVA，现场试验中X 变电站主变压器220 kV 下送负荷约（26+j24）MVA，Z 火电厂启备变压器下送负荷约（8.6+j7.5）MVA，全网负荷合计约（34.6+j31.5）MVA，仿真用负荷和实际负荷比较接近，因此整个黑启动试验过程中W 水电厂发电机组、Z 火电厂发电机组以及各输电线路的有功功率相对一致。

1.3 潮流仿真评价

整体来说，输电线路模型参数引起的仿真误差较小，在工程应用中可以接受。试验前X 变电站和Z 火电厂对各自负荷估算比较准确，为仿真条件设置提供了准确的数据，潮流仿真正确地给出了黑启动试验中各个重要环节执行后的稳态潮流结果，为黑启动试验提供了重要的数据参考。

2 动态仿真验证

2.1 X变电站启动负荷

根据仿真结果，X变电站启动4 MW恒阻抗负荷时系统频率偏差达-0.5 Hz。根据黑启动试验实测数据，X变电站分批次逐步投入负荷，系统频率偏差始终在±0.5 Hz 以内波动，与仿真结果一致。其中，最大一次启动约3.8 MW负荷时，系统频率最大偏差为-0.444 Hz，该过程中W水电厂升压站实测数据如图2所示。

图2 X变电站启动负荷时W水电厂升压站实测数据Fig.2 Measured data of booster station of W hydropower plant during starting load of X substation

2.2 Z火电厂启动辅机

2.2.1 给水泵启动

Z火电厂启动给水泵过程的仿真结果与实测结果对比如表3所示。仿真和实际中给水泵启动引起的6 kV 母线电压跌落比较一致，但仿真启动时间、最大启动电流和最大频率偏差都比实际大，主要原因为仿真中给水泵带负荷启动，而实际给水泵几乎空载启动，因此给水泵实际启动时对黑启动小系统的频率冲击远低于仿真预期。

表3 Z火电厂启动给水泵主要指标对比Tab.3 Comparison of main indexes of startup feedwater pump in Z thermal power plant

2.2.2 引风机启动

Z火电厂所有辅机中对系统冲击最大的为引风机，其引起的系统频率偏差为-0.64 Hz，结合现场实际边界条件和实测数据进行引风机启动仿真反演，对比验证仿真模型的准确性。

由于Z火电厂引风机启动过程中6 kV段录波仪没有完整的实测数据，只能使用Z 火电厂升压站录波仪的实测数据，基于ZNⅠ线（Z 火电厂侧）有功、无功功率和电压实测数据计算出从启备变压器高压侧等效的Z 火电厂厂用负荷阻抗数据，等效电阻R和等效电感L计算公式分别见式（1）和式（2）。

式中：U—Z 火电厂220 kV 母线电压，kV；

P—ZNⅠ线有功功率，MW。

式中：Q—ZN Ⅰ线无功功率，Mvar；

f—系统额定频率，Hz。将等效阻抗数据导入PSCAD 模型中，用于模拟启备变压器及其负荷变化，如图3 所示。图3 中，Test_data.txt 文件存储着Z 火电厂升压站录波数据，第1列数据为时间，第2至5列依次为220 kV 母线电压、ZN Ⅰ线有功功率、ZN Ⅰ线无功功率和频率，第6 列和第7 列为根据式（1）和式（2）计算出的等效电阻和等效电感。

图3 Z火电厂启备变压器负荷等效模型Fig.3 Load equivalent model of standby transformer in Z thermal power plant

引风机启动过程仿真与实测曲线对比见图4。从图4（a）看出，仿真中220 kV母线电压跌落略低于实测值，由于仿真用的输电线路电抗参数比实际略小，导致线路压降小于实际，进而导致230 kV 母线电压跌落略小于实际情况，但仿真曲线变化趋势与实际一致，说明仿真用的励磁系统调节特性与实际一致。从图4（b）看出，系统频率仿真曲线与实测曲线比较接近，仿真中系统频率最低接近49.42 Hz，实际频率下降至49.36 Hz，证明了仿真用的调速系统调节特性与实际一致。

图4 引风机启动过程仿真与实测曲线对比Fig.4 Comparison between simulation and measured curves of induced draft fan starting process

综上分析，仿真验证表明W水电厂水电机组建模是比较准确的。

2.3 Z火电厂机组并网

Z火电厂1号机组并网时，并网瞬间初负荷最高上升至12.19 MW，系统频率最高上升至50.99 Hz，之后系统频率振荡衰减，约60 s 后频率偏差恢复到±0.5 Hz 以内。仿真时由于不确定机组并网后的初负荷情况，因此分别对初负荷为0 MW、10 MW以及20 MW 三种工况进行了仿真，其中初负荷为10 MW 的仿真结果与实际情况比较相符。Z 火电厂1号机组并网仿真与实测曲线对比如图5所示。

图5 Z火电厂1号机组并网过程仿真与实测曲线对比Fig.5 Comparison between simulation and measured curves of grid connection process of unit 1 in Z thermal power plant

从图5看出，Z火电厂机组并网时1号机组有功功率的仿真与实测结果比较一致；并网后45 s 内频率仿真曲线与实测曲线高度吻合，仿真频率最大值为50.96 Hz，实测频率最大值为50.99 Hz，随后频率走势和录波呈较大偏差，仿真频率最小值为49.73 Hz，录波频率最小值为49.38 Hz，仿真频率在150 s前后稳定在50 Hz 左右，而实测频率则需要较长的时间才能恢复。Z火电厂机组并网最主要的指标为并网后频率最大偏差，仿真给出了正确结果，体现出了仿真的意义。后续频率波动走势与实测偏差较大，一方面是因为仿真中只考虑了两台机组的惯量，没有考虑负荷惯量，而两台机组的惯量由于没有试验数据，采用的设计值与实际有偏差；另一方面，仿真时间为分钟级，在时间尺度上属中长期仿真范畴[9]，该过程中锅炉温度和主汽压力也会发生变化，而本次仿真未考虑这些因素，因此数十秒后的仿真结果参考意义不大。

2.4 动态仿真评价

仿真结果是否准确不仅取决于建模的准确性，还取决于仿真条件设置是否符合实际情况。在前期仿真阶段，试验方案根据X 变电站启动负荷仿真结果，明确要求每次启动负荷不得超过4 MW；在实际试验过程中，X 变电站严格按照试验方案启动负荷，因此仿真条件与实际情况一致，仿真结果也与实际一致。

在Z 火电厂启动辅机方面，基于引风机启动过程的实测数据对该过程进行了仿真反演，从而验证了W 水电厂3 号机组建模的正确性，但由于前期仿真时错误估计了给水泵的负荷情况，导致仿真结果与实际偏差较大。建议火电厂在黑启动试验前专门进行大容量辅机启动试验，将试验数据作为仿真条件设置的参考依据，进而保证仿真结果的准确性。

在Z 火电厂机组并网方面，得益于机组建模的准确性，前45 s仿真结果与实际较为一致，为现场试验提供了重要参考。但由于仿真中没有建立动力系统中长期模型，因此分钟级的仿真结果对实际参考意义不大。

综上分析，黑启动试验实测数据证明了仿真模型的准确性，前期仿真除了在火电厂启动辅机方面出现较大偏差外，在其他关键操作方面均与实际比较一致，为本次黑启动试验提供了重要参考。

3 结论

本文基于黑启动试验的实测数据对仿真模型的准确性进行了验证，对仿真结果进行了分析与评价，可以得出结论如下：建立的黑启动试验系统模型足够准确，能够正确模拟黑启动试验过程中各类元件的动态特性；对大部分操作的仿真条件预测与实际相符，为黑启动试验系统的电压、频率等指标提供了准确的数值边界和发展趋势。事实证明，电力系统仿真在黑启动试验方案制订阶段发挥了重要作用，是保证黑启动试验顺利实施和安全运行的有力手段。