黑啟動綜述

張鵬巖

[摘要]闡述了黑啟動的概念及黑啟動遵循的一般原則，總結了黑啟動的國內外研究現(xiàn)狀。對黑啟動過程中需要注意的問題進行了概述。最后得出了一些結論。

[關鍵詞]電網(wǎng)；黑啟動；方案

[中圖分類號]U665.12 [文獻標識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）06-0380-02

引言

近幾年來，在世界范圍內，發(fā)生了多起電力系統(tǒng)大面積停電事故，增加了人們對電網(wǎng)安全可靠運行的重視程度。國外電網(wǎng)在這方面有不少值得我們借鑒的案例，1977年7月的紐約大停電；1982年12月的加拿大魁北克全省大停電；1987年明的東京地區(qū)的停電；1996年美國西部電網(wǎng)連續(xù)兩次發(fā)生大面積停電事故；1996年明3日馬來西亞國家電網(wǎng)發(fā)生全國性大面積停電事故。

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模和容量的逐漸增大，對系統(tǒng)的供電安全也提出了更高的要求，研究電力系統(tǒng)全?；虼竺娣e停電后的黑啟動意義重大。近年來國內外相繼出現(xiàn)大的停電事故，這些停電事故不但在經(jīng)濟上造成了巨大的損失，而且對人民生產(chǎn)和生活造成了很大的影響，有的甚至對人民健康與生命造成了巨大的危害。2003年8月14日美加大停電事故是美國歷史上最為嚴重的大停電事故，其后英國倫敦、意大利等也出現(xiàn)了大面積停電事故。一旦發(fā)生全網(wǎng)系統(tǒng)大停電事故，如何快速穩(wěn)定地恢復系統(tǒng)供電，是保證電網(wǎng)安全的基礎。因此，研究電力系統(tǒng)事故后的黑啟動問題具有非常重要的意義。

1 黑啟動的概念

所謂黑啟動是指整個系統(tǒng)因故障停運后，不依賴別的網(wǎng)絡幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動能力機組啟動，帶動無自啟動能力機組，逐漸擴大系統(tǒng)恢復范圍，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復。制訂黑啟動方案，培訓電網(wǎng)調度管理人員，已成為電網(wǎng)安全運行的重要措施之一，為惡性事故后盡量加快電網(wǎng)恢復，縮短停電時間提供了保障。

2 黑啟動原則

2.1 目標要求

電力系統(tǒng)恢復的總目標是在最短時間內使系統(tǒng)恢復帶負荷的能力，具體要求有2個：盡可能地用最小啟動功率啟動機組；制定嚴格的操作票制度，實現(xiàn)操作步驟最少。

2.2 恢復方法

一般電網(wǎng)全停后主要靠2種方法來恢復：從周邊還有電源的系統(tǒng)取得電源，用來恢復本地區(qū)的電網(wǎng)網(wǎng)架和啟動本地區(qū)的主要電廠；利用本電網(wǎng)區(qū)域內的、具有自啟動能力的電廠首先啟動，然后再逐步恢復系統(tǒng)。黑啟動過程中應優(yōu)先選擇前者。

2.3 方案的制定

在制定黑啟動方案時需考慮下列原則：路徑中電壓轉換的次數(shù)盡量少；每個方案的路徑長度盡可能短；盡量先啟動離重要負荷近的機組；每個方案開關操作次數(shù)盡量少；每個方案在啟動容量允許的前提下，要選擇被啟動機組的容量盡量大；便于主網(wǎng)架的快速恢復。

2.4 子系統(tǒng)劃分

針對黑啟動的具體情況，黑啟動時可以將電網(wǎng)劃分成為多個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)內部可以同時進行黑啟動操作，以加速全系統(tǒng)的恢復。每一個子系統(tǒng)都應有1個主網(wǎng)架，包括子系統(tǒng)內的黑啟動電源、主要電廠、樞紐變電站和重要負荷。子系統(tǒng)劃分原則如下：根據(jù)電網(wǎng)結構特點和黑啟動電源所在的地理位置合理劃分子系統(tǒng)；各子系統(tǒng)至少有1個黑啟動電源并具有較好的調頻調壓手段；各子系統(tǒng)應具有明確可靠的同期并列點，子系統(tǒng)之間具有的合環(huán)點需要明確。

2.5 電源電廠的選擇

選擇黑啟動電源的電廠時應遵循下列原則：盡量選擇調節(jié)性能好的、啟動速度快、具備進相運行能力的機組；優(yōu)先選用直調電廠作為啟動電源，其次選用用戶電源；盡量選擇接入較高電壓等級的電廠；有利于快速恢復其他電源的電廠；距離負荷中心近的電廠。

2.6 恢復過程

黑啟動中可以把恢復過程分為3個階段：形成獨立的子系統(tǒng)；各子系統(tǒng)的并列與合環(huán)；負荷的恢復，最終電網(wǎng)全面恢復正常運行。

3 國內外研究現(xiàn)狀

3.1 國內研究現(xiàn)狀

目前，國內對黑啟動技術的研究主要集中于針對具體的局部電網(wǎng)進行黑啟動方案的選擇及優(yōu)化以及黑啟動過程中電氣量的計算和系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的校驗上，并得出了一些一般性的結論。

文獻應用模糊多準則決策理論和方法建立了方案優(yōu)選模型。將黑啟動方案的評價指標體系中的定性和定量指標及權重全部轉化為三角形模糊數(shù)，克服了定性與定量評價指標不具可比性的缺點。采用模糊折衷型決策算法，對惠州電網(wǎng)的多個黑啟動方案排序，選擇出了最佳的黑啟動方案。文獻提出了一種模糊條件下的電網(wǎng)黑啟動方案有效性評估優(yōu)化算法，該算法基于數(shù)據(jù)包絡分析（DEA）的模型，引入L-R模糊數(shù)和截集的概念，建立了模型，然后提取黑啟動過程中的重要因素作為模型的輸入輸出指標，通過計算得到模糊條件下的各黑啟動方案有效性的客觀評價。文獻采用定性進程理論設計了一個黑啟動的定性推理模型，該模型主要用于表達制訂黑啟動方案的一般策略。模型考慮了各類火電單元機組的啟動特性，以及黑啟動過程中系統(tǒng)的主要限制條件。通過對黑啟動過程的詳細分析，定義了定性推理系統(tǒng)中相應的個體視圖和進程。

文獻針對天津電網(wǎng)的具體情況，對黑啟動電源的選擇、路徑的選擇、電氣計算等問題進行了討論。論述了黑啟動電源為系統(tǒng)內具有自啟動能力的機組和系統(tǒng)外來電源2種情況；介紹了子系統(tǒng)的劃分及天津電網(wǎng)500kV、220 kV、110 kV電網(wǎng)的路徑選擇；重點分析了對確定黑啟動電源及路徑參數(shù)的計算。用實例說明了子系統(tǒng)之間的合環(huán)，合環(huán)后穩(wěn)態(tài)電流和合環(huán)沖擊電流的計算；文獻結合浙江電網(wǎng)的實際情況確定了省、地兩級電網(wǎng)的黑啟動電源，對黑啟動過程中的自勵磁、過電壓、頻率和電壓穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定等問題進行了分析，制訂了可操作的浙江電網(wǎng)黑啟動方案。文獻介紹了南川魚跳水電站黑啟動方案，分析了成功黑啟動的條件，并提出了水電站黑啟動中存在的一些問題。文獻對華光潭電廠黑啟動方案進行可行性分析，并經(jīng)試驗證明，華光潭電廠上下兩級電站共4臺機組在緊急情況下進行黑啟動是可行的。文獻探討河池電網(wǎng)黑啟動方案，在現(xiàn)有黑啟動電源的基礎上，分別對2個黑啟動子方案進行了深入細致的研究，得出河池電網(wǎng)黑啟動實施方案。分析研究了黑啟動過程中應注意的問題，對黑啟動電源的選取、自勵磁、過電壓以及逐步恢復系統(tǒng)負荷等方面進行了研究和驗證計算。結合昆明地區(qū)電網(wǎng)結構特點和地區(qū)負荷特點，全面闡述了地區(qū)電網(wǎng)在發(fā)生“全黑”故障的情況下，怎樣恢復到正常供電的整個過程，并就恢復過程中可能遇到的問題作了深入研究，提出了切實可行的解決方法。分析黑啟動恢復過程中需要注意的一些事項。

研究了蘇丹電網(wǎng)的黑啟動方案，通過分析蘇丹電網(wǎng)運行薄弱環(huán)節(jié)，比較多個黑啟動的實施方案，總結出蘇丹電網(wǎng)黑啟動過程中應遵守的基本原則和需要考慮的諸多因素，為保證蘇丹電網(wǎng)的穩(wěn)定運行提出了可靠性的建議。則專門對黑啟動過程中電氣計算及校驗的方法進行了詳細論述。對黑啟動過程中發(fā)生的小系統(tǒng)安全穩(wěn)定性進行了原理簡述，并進行了仿真分析，證明了該方法的有效性。

另外，不少文章專門針對黑啟動過程中的關鍵技術問題進行了深入研究。針對上海電網(wǎng)黑啟動試驗中出現(xiàn)黑啟動初始階段，在小系統(tǒng)空載運行的情況下，由于逆功率保護而往往發(fā)生機組并車失敗的關鍵技術問題。利用RTDS實時仿真系統(tǒng)，結合調研結果，針對這些問題進行了專題研究。提出了系統(tǒng)空載運行機組并車失敗的原因，確定電壓下降是影響小系統(tǒng)安全運行的最主要因素，介紹了相應的解決方案，以確保電網(wǎng)一旦崩潰時黑啟動預案的正常實施。并在燃機啟動電動機負載特性試驗的基礎上，利用電動機啟動瞬間的等值電路，提出了啟動電源容量選擇的方法，分析了影響啟動容量選擇的相關因素，并計算了閘電燃機的啟動電源容量。

研究了黑啟動中的負荷恢復與系統(tǒng)并網(wǎng)問題，將基于直角坐標的最優(yōu)乘子牛頓潮流法與靈敏度技術相結合，采用連續(xù)線性規(guī)劃法對負荷恢復階段出現(xiàn)的N-1潮流不可行和狀態(tài)越限問題建立了恢復控制的模型和算法。然后建立了負荷恢復階段仿真各子系統(tǒng)頻率變化過程的模型和算法，針對子系統(tǒng)的并網(wǎng)問題建立了基于連續(xù)線性規(guī)劃的并網(wǎng)壓差發(fā)電調度算法，有效地解決了并網(wǎng)電壓差優(yōu)化控制問題。用標準測試系統(tǒng)和實際電網(wǎng)的數(shù)值仿真試驗證明了模型和算法的有效性。引用2004年8月一次強度超常的臺風“云娜”肆虐浙江沿海地區(qū)造成電網(wǎng)解體的例子，以此來分析供電系統(tǒng)同期并網(wǎng)存在的問題，并提出了解決方案。通過論述電力系統(tǒng)恢復的步驟和策略，分析了黑啟動電源對電力系統(tǒng)恢復的影響。建立了以社會停電損失最小為目標的黑啟動電源規(guī)劃模型，用以優(yōu)化黑啟動電源的安裝位置及容量。模型考慮了2種情況，分別研究黑啟動電廠對口支援非黑啟動電廠和互聯(lián)電網(wǎng)情況下黑啟動電源規(guī)劃問題，并考慮了用戶停電損失率隨時間變化的問題。應用遺傳算法求解互聯(lián)電網(wǎng)黑啟動電源規(guī)劃問題，并給出算例對所提出的規(guī)劃模型進行了驗證。最后總結了影響黑啟動電源布置的因素。

3.2 國外研究現(xiàn)狀

國外對黑啟動的研究重點放在對電網(wǎng)黑啟動方案的制定及其建模與仿真上。對意大利局部高壓電網(wǎng)的黑啟動及恢復運行進行了建模仿真。針對實際電網(wǎng)制定了電網(wǎng)崩潰之后的黑啟動計劃，結果表明該方案有效、可靠。介紹了利用專家系統(tǒng)來引導電網(wǎng)黑啟動的方法。詳細介紹了電力系統(tǒng)全停后黑啟動的有關原理及其理論分析。

則應用模糊控制規(guī)則對電網(wǎng)黑啟動進行仿真和分析，最后得出結論：用模糊規(guī)則控制電網(wǎng)黑啟動的方法更可靠。

4 黑啟動過程中應注意的問題

黑啟動的過程一般是指當大范圍停電至廠用電全失的情況下，在預先制訂好的黑啟動方案及潮流計算的指導下，將整個停電范圍分解成數(shù)個小網(wǎng)。在各個小網(wǎng)中，選用的黑啟動電源一般是水輪機和燃氣輪機。由于我國燃氣輪機較少，因此以水輪機為例。水輪機輔機少，廠用電少，啟動速度快，是理想的黑啟動電源。由蓄電池供給水輪機組直流勵磁電流，壓力油罐儲存的壓力油開啟水電機組的進水閘門先實行黑啟動。再對空載長線路空充，適時恢復部分負荷和其它機組，最終實現(xiàn)各個小網(wǎng)的同期并列。

在黑啟動的過程中，需重視的問題有：

①因發(fā)電機在帶空充長線路時可能引起的自勵磁；②線路末端工頻過電壓和暫態(tài)過電壓；③在空載長線路的合閘過程中可能出現(xiàn)的勵磁電流過零，合閘過電壓；④黑啟動初期的低頻振蕩；⑤恢復負荷時的頻率；⑥繼電保護配合；⑦當數(shù)個小網(wǎng)并列時同期點選擇；③系統(tǒng)初步恢復時的穩(wěn)定。

自勵磁問題是指因發(fā)電機在帶空充長線路時相當于帶了一個容性負載，此時甚至在發(fā)電機沒有勵磁電流的極端情況下，若轉子有剩磁，則機端產(chǎn)生的微小電壓會產(chǎn)生一個容性電流，這個電流對發(fā)電機反過來產(chǎn)生助磁效應（這是一個正反饋的過程），隨著勵磁電流的增大，機端電壓也急劇增高。但由于實際上存在飽和問題，機端電壓不會無限制升高。產(chǎn)生自勵磁的判據(jù)為。

在小負荷情況下，越接近線路末端，工頻過壓越高。而在電力行業(yè)標準中，對工頻過壓的限制是110kV及220kV線路工頻過壓不得超過1.3倍。合閘時可能產(chǎn)生的操作過壓是由斷路器操作和故障產(chǎn)生的過渡過程引起的，在規(guī)程中規(guī)定是不得超過3倍。

發(fā)電機在空載帶長線路的合閘過程中由于突然受到一個大的無功沖擊，發(fā)電機機端電壓上升的同時，勵磁電流減小以至有過零趨勢。

系統(tǒng)頻率和負荷有關，在恢復負荷過程中，既要保證非自啟動機組獲得最大的啟動功率，又要保證系統(tǒng)恢復部分負荷以使有功平衡。負荷恢復過慢會使得黑啟動時間變長而可能導致失敗，負荷恢復過快又會使得系統(tǒng)頻率下降導致黑啟動失敗。通常，恢復負荷的速度不應在頻率比之前下降0.5Hz。

在黑啟動初期，—般是帶長線路重負荷可能出現(xiàn)低頻振蕩。此時應適當調整負荷和送電線路，盡量避免多電壓等級，超長線路送電，在允許范圍內盡量先送重要負荷，還可以投運電力系統(tǒng)穩(wěn)定器來提高電力系統(tǒng)動態(tài)品質。

因為黑啟動過程中的電網(wǎng)和正常狀態(tài)下的電網(wǎng)有很大差異，所以應對保護定值做必要的修改，防止保護拒動、誤動。同時由國內的數(shù)次黑啟動實驗可知，此時逆功率保護易誤動，應將其改為信號。

當數(shù)個小網(wǎng)并列時，應將自動準同期裝置改投手動，以免出現(xiàn)并列不上系統(tǒng)振蕩的情況。

初步恢復時，整個系統(tǒng)容量較小且極為薄弱。若發(fā)生大干擾情況，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定與否極成問題。對于多機系統(tǒng)，若此時各發(fā)電機轉子間相角不斷變化，使得系統(tǒng)的電壓電流不斷振蕩，則系統(tǒng)不能保持暫態(tài)穩(wěn)定。這可以通過計算在發(fā)生單相接地短路、三相短路、兩相短路后，各發(fā)電機組間相對角度隨時間的變化來判斷，若此相對角度隨時間不斷增大且超過180°，則系統(tǒng)將不能維持同步運。

5 我國的黑啟動情況

我國電網(wǎng)目前實行的統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設、統(tǒng)一調度、統(tǒng)一管理的“四統(tǒng)一”體制，保證了現(xiàn)階段電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。這種統(tǒng)一分層調度管理體制和美國的分散式調度管理相比使得發(fā)生大面積停電的可能性大大降低。北京、湖南、廣東等地也紛紛出臺了黑啟動措施。

6 結束語

電網(wǎng)的黑啟動恢復是一個綜合的系統(tǒng)工程，科學有效的恢復控制措施意義重大。人工智能技術及最優(yōu)化方法廣泛應用于恢復方案的制定，對于方案的評估也已歸結為多目標評價問題；頻率穩(wěn)定控制目前主要著眼于更精確的發(fā)電機調速系統(tǒng)、負荷模型的研究；無功電壓控制的研究出了使用靈敏度分析、模糊數(shù)學以及神經(jīng)網(wǎng)絡的方法外，對于發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的精確建模的研究也是必要的；此外，對于運行方式的巨大變化導致二次設備的調整、線路不平衡參數(shù)的影響、低頻振蕩以及電力市場環(huán)境下輔助服務的補償?shù)葐栴}也是正在研究的熱點。

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