小浪底水利枢纽工程黑启动电源孤网运行探索与实践

郭伟震，潘方正，潘淑改，秦冠超，刘英浩，宋珂豪，王 哲

(1.黄河水利水电开发集团有限公司，河南 济源 454681；2.黄河小浪底水资源投资有限公司，河南 济源 454681)

0 引 言

电力系统黑启动是指电力系统事故停电或瓦解后，电站失电处于“黑暗”状态下，不依赖其他外来电源，能够独立启动发电机组，向用户和其他无自启动能力的电厂供电，使其启动发电机组并网发电，逐步并最终恢复全电力系统的正常运行方式。如何快速黑启动并安全稳定向电网供电，解决处理好其过程中的问题非常关键。

1 工程概况

小浪底水利枢纽工程是河南省电网“黑启动”电源点，承担着调峰、基荷、事故备用作用，安装有6台单机容量30 MW的混流式水轮发电机组，位于河南省洛阳市以北40 km的黄河干流上；上距三门峡水利枢纽130 km，下距黄河京广铁路桥115 km。坝址控制流域面积占全河的92.3%，坝址径流量和输沙量分别占全河总量的91%和近100%。

为满足小浪底水利枢纽安全运行和河南电网“黑启动”需要，提高河南电网运行安全稳定性，河南省发改委同意建设小浪底西沟水电站，作为小浪底水利枢纽的“黑启动”电源。 小浪底西沟水电站建于小浪底水利枢纽北侧西沟水库下游、桥沟河右岸支沟内。电站主要任务是保证小浪底水利枢纽和电网的安全运行，运行原则是优先保证灌溉用水，兼顾发电；主要建筑物包括引水发电洞(分地下埋管段和明管段)、调压井、电站厂房和尾水渠等，安装2台单机容量10 MW的混流式水轮发电机组，设计年利用小时5 000 h，多年平均发电量为1亿kW·h。出线以35 kV线路T接小浪底东河清变电站和蓼坞变电站，然后通过110 kV线路接入洛阳市电网。

2 孤网供电运行方式

正常运行时，西沟水电站2台机组并网运行，发电由35 kV出线经1东浪2开关、1东蓼1开关、东351开关至东河清东1号主变，由110 kV朝东线送至洛阳电网。

2.1 作为小浪底黑启动电源

当河南省电网、洛阳电网因故障崩溃停运，小浪底水利枢纽和西沟水电站被迫全厂停机，系统处于全“黑”状态时，西沟水电站机组迅速自启动、孤网运行恢复厂用电；然后供电至小浪底水利枢纽厂用电。小浪底水利枢纽机组启动，带动小浪底厂用电和其他机组启动，供电至河南电网，逐步扩大电网系统的恢复范围；最终实现整个河南电网系统的恢复供电。

2.2 孤网运行供电

当小浪底水利枢纽管理区供电服务出现故障，东河清变电站、蓼坞变电站供电能力不足时，西沟水电站机组可自启动后孤网运行给桥沟水电站、东河清变电站及蓼坞变电站供电，为枢纽管理区提供备用电源，提高枢纽管理区供电的可靠性。

3 孤网供电运行要求

3.1 先恢复站内厂用电

西沟水电站机组孤网运行供电时，必须保证自身厂用电运行正常后，再向外供电。自身厂用电丢失情况下，对厂用电开关做好措施后，利用站内直流系统蓄电池储存的电能量和蝶阀液压系统、调速器液压系统储存的液压能量，完成机组自启动带电至站内10 kV母线。10 kV母线电压、频率在正常范围后恢复自身厂用电，全面检查站内设备运行正常后，方可对外供电。厂用电运行正常时，对35 kV出口开关做好措施后，可按照厂用电正常时孤网供电启动流程直接启动机组带电至35 kV母线。

3.2 严禁两个系统电压并列运行(闭锁条件)

机组孤网运行供电方式特殊，必须全面考虑电站设备正常运行方式和运行人员的操作习惯，防止孤网带站内厂用电时10 kV外来电源突然来电和孤网送电至浪T线时对侧35 kV线路突然来电的危险；应做好措施，避免两个系统电压并列运行发生事故。

3.3 孤网启动机组响应速度要快

西沟水电站蓄电池组总容量为400 A·h，失去交流电源后，应在最短时间内启动机组恢复站内厂用电。励磁系统采用2套可控硅全控整流桥并联运行，额定输出电流为679 A，交流电源消失整流柜风机停运，整流桥运行时间过长将引发励磁系统故障报警。蝶阀和调速器系统油泵因交流电源失电而停运，液压能量有限，应尽量保证一次性启动机组成功。

3.4 频率控制

孤网运行最突出的特点是需要从负荷控制转变为频率控制。由于电网容量较小，其中旋转惯量储能所具备的能力势能较小，要求调速系统具有更高的灵敏度、更小的迟缓和更快的动态响应特性。西沟水电站调速器系统目前基本能够满足孤网运行要求，但是要修改调速器死区参数(0.3 Hz至0.1 Hz)，以限制频率调节范围。

3.5 电压控制

电站孤网运行时应保证励磁系统处于自动电压调节方式，发电机机端电压闭环运行，保证机端电压恒定维持在给定的水平上。机组开机至空转后应先起励(修改励磁参数中P91起励门槛值至30%Ue)，然后合上发电机出口开关、主变高压侧开关，机组带主变及35 kV母线一起升压至额定电压。

4 孤网供电路径

孤网供电一次系统示意图如图1所示。

4.1 供电途径一

通过35 kV线路带浪T线供电至东河清、蓼坞变电站(如图1左上部分)。

西沟水电站机组自启动带电至35 kV母线，通过35 kV浪T线，向蓼坞和东河清变电站供电。一方面可通过1东蓼2开关合闸给蓼坞变电站35 kV母线、蓼小线、10 kV母线供电，进而恢复小浪底10 kVⅠ段厂用电，启动小浪底电站机组；另一方面可通过1东蓼1开关合闸给东河清变电站东35 kV北母、东35 kV南母供电，进而恢复霞东给西霞院电站供电。

4.2 供电途径二

通过桥沟10 kV线路反送电至蓼坞变电站(如图1右下部分)。

在桥沟水电站峪1站用1开关下侧、峪2站用1开关上侧，加装3×70 mm2临时电缆。西沟水电站机组自启动带电至35 kV母线，通过峪浪线恢复桥沟水电站厂用电，利用桥沟厂用电临时电缆反送电至蓼坞变电站10 kV北母。反送电最大可达3 000 kW。

4.3 供电途径三

通过西沟10 kV外来电源线路反送电至小浪底(如图1左下部分)。

利用西沟水电站10 kV外来电源线路反送电至小浪底10 kV厂用电四段。反送电受西沟水电站2号站用变容量(315 kVA)限制。

5 孤网供电流程

西沟水电站厂用电运行正常时，机组启动由上位机自动开机；厂用电丢失时，机组启动可选择人为手动模式或者上位机自动模式开机。

手动开机至空转操作步骤：退机械制动→退空气围带→投技术供水→蜗壳充水→退蝶阀锁锭→开启进水蝶阀→退导叶锁锭→机手动开导叶至空转稳态。

厂用电丢失自动模式开机：上导、下导及水导技术供水示流信号计采用的是交流供电，厂用电丢失示流信号无法返回自动开机流程无法执行，因此开机前需要在监控系统将XII1∶6、XII1∶7、XII1∶8、XII1∶30四个信号计强制为1后，方可发出“空转令”。

孤网供电流程推荐使用自动模式开机，可大大节省时间，具体操作流程如图2所示。

图2 西沟水电站机组孤网供电流程图

6 孤网运行监视要求

6.1 运行监屏人员要定期记录机组各部参数

西沟水电站机组孤网运行不同于正常运行方式，运行值班人员应保证供电电压、频率在规定范围内，关注站内调速器和调压阀运行工况；特别是大负荷阶跃时要关注调试器运行稳定性，应避免导叶频繁开关引起调压阀频繁开关导致的调压室涌浪发散问题，详见图3。

图3 机组孤网运行监视记录表

6.2 机组孤网运行重点巡检要求

7 孤网运行应急处置

7.1 出现如下情况时，应迅速停止对外供电

7.2 处置原则

8 孤网供电实践

2020年6月3—7日，作为小浪底水利枢纽黑启动电源，通过孤网供电途径一，安全、稳定、持续向小浪底水利枢纽供电5 d，累计11.1万kW·h电量，详见图4。期间，最大有功3 892 kW，最小有功1 146 kW；最大无功557.27 kvar，最小无功240 kvar；最大频率50.38 Hz，最小频率49.30 Hz；最大到导叶开度42.22%，最小导叶开度24.18%。

图4 2020年6月3—7日孤网供电负荷曲线

2020年6月29日，通过供电途径二，通过桥沟10 kV线路反送电至蓼坞10 kV北母，期间最大供电负荷达3 000 kW，持续3 h。

2020年6月25日，通过供电途径三，西沟水电站2号机组孤网运行恢复桥沟电站厂用电，当时西沟水电站2号机组有功106 kW，无功112 kvar，机端电压10.1 kV，频率50.1 Hz，持续2 d。

小浪底西沟水电站已多次成功孤网供电，最长运行时间达5 d，最大负荷近4 000 kW，能够充分发挥小浪底水利枢纽黑启动电源的作用。