基于“無人值班 少人值守”的大型水電站“一鍵黑啟動”方案探究

（云南華電金沙江中游水電開發(fā)有限公司梨園發(fā)電分公司，云南 麗江 674100）

近年來，世界范圍內(nèi)發(fā)生了多起電力系統(tǒng)大停電事故，造成了巨大經(jīng)濟損失和社會影響。海南電網(wǎng)2005年9.26大停電事故是我國近年來第一次發(fā)生的由自然災(zāi)害引起的省級電網(wǎng)大面積停電而進行的電網(wǎng)黑啟動的事故，在此次事故處理過程中，除南豐水電站在0.5h內(nèi)黑啟動成功外，多數(shù)電站黑啟動時間均超過1.5h，歷時4h電網(wǎng)黑啟動才取得較大進展。不斷發(fā)生的大停電事故表明，雖然電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制理論及技術(shù)在不斷發(fā)展、電網(wǎng)控制手段在不斷進步，但是電網(wǎng)大面積停電風險依然存在。海南大停電事故后的黑啟動表明，在最緊急的情況下，利用常規(guī)黑啟動，僅僅依靠人的反應(yīng)和操作，很難滿足緊急事故情況下的電網(wǎng)恢復(fù)要求，因此需要在監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)計一種類似自動開機功能的“一鍵黑啟動”功能，使運行人員在黑啟動時只需在上位機上下達“一鍵黑啟動”命令，程序即能自動完成全部黑啟動操作，提高黑啟動響應(yīng)時間和安全性。

1 “一鍵黑啟動”的提出

梨園水電站為金沙江中游電站群已投運的第一級電站，總裝機240萬千瓦。根據(jù)南方電網(wǎng)有關(guān)規(guī)定，該電站作為500kV金官站的典型黑啟動路徑之一，直接擔負著啟動金官換流站的重要任務(wù)，在發(fā)生電網(wǎng)大面積停電或者全停事故時，在無法依靠外部供電恢復(fù)廠用電條件下，該電站應(yīng)具備通過調(diào)速系統(tǒng)自身儲能或啟動柴油發(fā)電機，迅速恢復(fù)全廠用電以及對電網(wǎng)送電的黑啟動能力。近年來，隨著梨園電站提出“無人值班、少人值守”管理目標，計劃將所有運行功能轉(zhuǎn)移到遠在數(shù)百公里外的集控中心，現(xiàn)場僅留有少量值守人員。此種模式下，在電網(wǎng)大面積停電情況下，僅僅依靠現(xiàn)場值守人員進行手動操作黑啟動，操作的安全性和快速響應(yīng)性顯然難以保證，因此要求需要在監(jiān)控系統(tǒng)中增加“一鍵黑啟動”功能，采用“技防”的手段，提高黑啟動可靠性。

2 梨園水電站廠用電及黑啟動現(xiàn)狀

2．1 廠用電系統(tǒng)

梨園水電站廠用電系統(tǒng)采用10kV和400V兩級電壓供電，10kV供電系統(tǒng)分設(shè)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五段，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段相鄰段之間設(shè)有一個聯(lián)絡(luò)斷路器，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段與Ⅴ段之間均設(shè)有兩個聯(lián)絡(luò)斷路器，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四段電源分別取自與1B#、2B#、3B#、4B#四臺主變低壓側(cè)直接相連的廠高變，Ⅴ段電源取自電站10kV外來電源和廠房柴油發(fā)電機電源；正常運行情況下，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ各段獨立運行，Ⅴ段為備用電源段；所有400V廠用電母線均分為A、B兩段，每段電源均取自10kV系統(tǒng)，經(jīng)廠低變降壓后接入400V配電盤，兩回電源互為備用，400V系統(tǒng)分為機組自用電、全廠公用電、照明用電、壩區(qū)用電四部分。廠內(nèi)設(shè)有一臺1500kW柴油發(fā)電機，經(jīng)升壓變升壓后接至10kV Ⅰ、Ⅴ段。目前所有10kV開關(guān)和400V開關(guān)（含廠房柴油發(fā)電機出口開關(guān)439）均具備上位機遠方操作功能，400V用電系統(tǒng)配置有備自投裝置。柴油發(fā)電機具備上位機遠方啟動功能。

2．2 黑啟動電源

梨園水電站機組在廠用交流動力電源消失的情況下, 主要受技術(shù)供水、推力、水導外循環(huán)、高壓油頂起裝置和調(diào)速、筒閥壓油裝置限制, 機組無法正常開機, 不具備A類黑啟動能力。機組需要依靠事故備用電源柴油發(fā)電機供發(fā)電機輔助設(shè)備交流用電的黑啟動方式，即滿足B類黑啟動能力。廠房內(nèi)柴油發(fā)電機，經(jīng)升壓變升壓后分別接至10kV Ⅰ、Ⅴ段，根據(jù)梨園水電站運行規(guī)程規(guī)定，正常運行方式下，接入10kVⅠ段的0039Ⅰ處在試驗位置，為滿足黑啟動快速響應(yīng)要求和實現(xiàn)操作流程化、標準化，各臺機組黑啟動均由廠房柴油發(fā)電機供電至10kVⅤ段后再分別聯(lián)絡(luò)10kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段。

2．3 直流系統(tǒng)

梨園水電站配置有機組直流系統(tǒng)、公用直流系統(tǒng)、開關(guān)站直流系統(tǒng)、壩區(qū)直流系統(tǒng)，均使用雙電源配置，主要供給全廠繼電保護、自動裝置、自動控制、操作電源及信號電源、事故照明、UPS輸入電源、二次試驗電源等負荷，當全廠失壓時，各直流系統(tǒng)可以連續(xù)運行10h以上，滿足機組黑啟動要求。

2．4 目前黑啟動方式

若外來廠用電源和送出系統(tǒng)故障全停，需要黑啟動時，由上位機遠方啟動柴油發(fā)電機，恢復(fù)10kV廠用電V段供電，并通過遠程操作恢復(fù)機組自用電，遠程操作機組至空轉(zhuǎn)，合上GCB后，現(xiàn)地手動操作發(fā)電機帶主變零起升壓，升壓至額定電壓后，再通過遠方倒閘操作合上高廠變低壓側(cè)開關(guān)，利用機組發(fā)電給10kV相應(yīng)母線供電。目前方式下，平均黑啟動時間在1h左右。

3 梨園水電站“一鍵黑啟動”可行性分析

以1號機組黑啟動為例，所謂“一鍵黑啟動”，就是根據(jù)黑啟動各個環(huán)節(jié)的要求，通過對監(jiān)控系統(tǒng)流程的設(shè)計，在上位機上下達“1號機組黑啟動”命令，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的程序進行自動黑啟動直至機組啟動成功帶上廠用電為止。其基本流程為：首先完成1號機組與系統(tǒng)的電氣隔離，然后斷開10kV Ⅰ、Ⅲ段母線及相應(yīng)400V 1號機組自用電，啟動廠區(qū)柴油發(fā)電機恢復(fù)廠區(qū)供電，之后開啟1號機組至空轉(zhuǎn)狀態(tài)，然后1號發(fā)電機帶1號主變和1號廠高變（11B）零起升壓至額定電壓，再依次恢復(fù)相應(yīng)的10kV系統(tǒng)及400V系統(tǒng)，再然后停止柴油發(fā)電機運行，1號機組黑啟動結(jié)束。因此，實現(xiàn)“一鍵黑啟動”的必備條件如下：一是所涉及設(shè)備的所有操作均可以在上位機上完成，包括機組帶主變零起升壓；二是由于有高頂、推力外循環(huán)等自用電負荷，保險起見，機組空載后倒換廠用電過程中，需盡量保證機組自用電不失電；三是監(jiān)控系統(tǒng)中需有相應(yīng)的“一鍵黑啟動”程序和畫面。

3．1 不能遠方操作發(fā)電機帶主變零起升壓問題

應(yīng)對措施：在勵磁系統(tǒng)中加入機組“柔性起勵建壓模式”，也就是模擬手動零起升壓的過程，將機組給定電壓從25%、50%、75%逐步給定至100%，避免一步建壓至100%對主變的沖擊。

3．2 倒閘操作過程中，機組自用電存在短時失電的問題

應(yīng)對措施：利用現(xiàn)有廠用電接線方式上，各機組自用電兩段母線均分別取自10kVⅠ、Ⅲ段或者Ⅱ、Ⅳ段，因此每臺機組黑啟動時，可利用10kVⅠ、Ⅲ段或Ⅱ、Ⅳ段母線分別引入柴油發(fā)電機電源和機組高廠變電源，也就是如果是1號機組，則柴油發(fā)電機供電至Ⅲ段（對應(yīng)400V自用電B段），2號機組則供電至Ⅳ段（對應(yīng)400V自用電B段），3號機組則供電至Ⅰ段（對應(yīng)400V自用電A段），4號機組則供電至Ⅱ段（對應(yīng)400V自用電A段），倒換廠用電過程中，400V備自投退出，400V聯(lián)絡(luò)開關(guān)在斷開位置。據(jù)此，可以實現(xiàn)機組空載后倒換廠用電過程中400V機組自用電不失電。至于在監(jiān)控系統(tǒng)中增加相關(guān)程序和畫面，基本沒有什么難度，在此不做贅述。綜上，通過增加勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中“遠方柔性起勵建壓”模式，調(diào)整黑啟動過程中廠用電供電方式，在監(jiān)控系統(tǒng)中增加“一鍵黑啟動”程序和相關(guān)邏輯判據(jù)，完全可以實現(xiàn)梨園水電站“一鍵黑啟動”，因此，“一鍵黑啟動”是可行的。

4 “一鍵黑啟動”與常規(guī)黑啟動試驗的區(qū)別

應(yīng)當明確的是，本文所述一鍵黑啟動是建立在電網(wǎng)已經(jīng)大面積停電，全廠機組停機，所有外來電源均已消失這種極端情況基礎(chǔ)上的，根據(jù)南網(wǎng)兩個細則要求，要求電廠每半年做一次內(nèi)部黑啟動試驗，每兩年請第三方機構(gòu)進行黑啟動驗證性試驗。受運行方式影響，黑啟動試驗條件一般為單臺機組與系統(tǒng)隔離，其余三臺機組均正常運行，因此，試驗條件和本文所述的“一鍵黑啟動”條件相去甚遠，最主要的區(qū)別就是“一鍵黑啟動”情況下，可以將10kV四段母線中的兩段停電進行倒換機組自用電，而在常規(guī)試驗條件下，10kVⅠ、Ⅲ段不能同時停電，10kVⅡ、Ⅳ段不能同時停電。因此常規(guī)試驗時，在倒換機組廠用電時，由于其余三段工作正常，可以利用其余三段母線電源為機組自用電的某一段供電，因此可以先停柴油發(fā)電機后將試驗10kV母線空出，再利用機組高廠變帶電從而供電至機組自用電的另一段。

5 結(jié)語

為適應(yīng)“無人值班、少人值守”要求，提升電站運行安全性，保證在極端情況下黑啟動成功，梨園電站在目前的設(shè)備條件下，經(jīng)過一些適應(yīng)性改造，是可以實現(xiàn)“一鍵黑啟動”功能的。主要的適應(yīng)性改造一是要解決勵磁系統(tǒng)遠方柔性啟勵建壓的問題，二是要解決“一鍵黑啟動”過程中機組啟動后自用電可能失電的問題。