（电气工程专业论文）电力系统事故后黑启动的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文基于电力系统安全稳定的要求，分析了事故后的黑启动的必要性和重要性， 首先从技术角度阐述了在制定电网黑启动方案时需要注意的技术问题，接着叙述了在 电力市场环境下黑启动的费用问题，最后通过对湘南电网的实际黑启动方案的分析和 论述，详尽论述了地区电网以及电厂的黑启动方案的制定方法以及对实际问题的解决 方案。 本文对黑启动研究的背景进行分析，通过对国内外重大电网事故的概述论证黑启 动方案及技术研究的必要性，提出黑启动方案研究的主要内容，同时介绍了黑启动研究 中需要注意的技术问题与经济问题。 本文系统的论述了电网黑启动方案在电网安全稳定中的重要作用，从黑启动步 骤、黑启动电源选择、电网黑启动的技术问题及地区电网黑启动问题进行全方位的介 绍和阐述。 对电力市场环境下黑启动的费用问题进行了分析，并且介绍了电力市场环境下黑 启动的形式、黑启动资源及机组选择、黑启动辅助服务内容等问题，阐述了黑启动服 务的费用及在电网中各方的权利和义务问题。 最后本文主要对湘南电网实际系统中的地区电网黑启动方案进行系统介绍及技 术要求的分析。并且对湘南电网实际系统中的部分电厂黑启动方案进行系统介绍及技 术分析。 关键n - 电力系统黑启动安全稳定电力市场 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rb a s e do nt h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m ，t h en e c e s s i t ya n d i m p o r t a n c eo ft h eb l a c k - s t a r ta f t e rf a u l ti sa n a l y z e di nt h i sp a p e r f i r s t ，t h ep r o b l e mw h i c hi s i m p o r t a n ti ns e t t i n gt h es c h e m eo ft h eb l a c k - s t a r ti se x p l a i n e di nt h ev i e wo ft e c h n i q u e ，t h e n ， t h ec o s to fb l a c k - s t a r ta tt h ec i r c u m s t a n c eo fe l e c t r i c i t ym a r k e ti si n t r o d u c e d ，f i n a l l y , t h e b l a c k - s t a r ts c h e m ei nh u n a np o w e rs y s t e mi sr e s e a r c h e da n dd i s c u s s e d ，a n dt h es c h e m ea r e d i s c u s s e da b o u ta r e ap o w e rs y s t e ma n dg e n e r a t i n gs t a t i o n i nt h i sp a p e rt h eb a c k g r o u n do ft h eb l a c k - s t a r ti s a n a l y z e d t h en e c e s s a r yo ft h e b l a c k s t a r ts c h e m ea n dt e c h n i q u er e s e a r c hi sd i s c u s s e d ，t h em a i nc o n t e n t so fb l a c k s t a r t s c h e m ea r ea d v a n c e d ，a n dt h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h et e c h n i q u ea n de c o n o m yp r o b l e mi n b l a c k - s t a r ts c h e m er e s e a r c h i nt h i sp a p e rt h ei m p o r t a n c eo ft h eb l a c k - s t a r ts c h e m ei nt h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo f t h ep o w e rs y s t e mi sd i s c u s s e dc o l l e c t i v e l y t h ep r o b l e m s a r ei n t r o d u c e dg e n e r a l l yi n a p p r o a c ho ft h eb l a c k s t a r t ，c h o o s i n go ft h eb l a c k s t a r ts c h e m e ，t e c h n i q u ep r o b l e mo ft h e b l a c k - s t a r ts c h e m ea n dt h ea r e ab l a c k s t a r t t h ec o s to fb l a c k - s t a r ta tt h ec i r c u m s t a n c eo fe l e c t r i c i t ym a r k e ti sa n a l y z e d ，a n dt h e p r o b l e m s a r ed i s c u s s e da b o u tt h ef o r m a to ft h eb l a c k - s t a r t ，e n g i n e c h o o s i n go ft h e b l a c k - s t a r ta n ds e r v i c eo ft h eb l a c k s t a r ti nt h ec i r c u m s t a n c eo fe l e c t r i c i t ym a r k e t t h c r i g h t sa n do b l i g a t i o no ft h eb l a c k - s t a r ta r ed i s c u s s e di np o w e rs y s t e m f i n a l l y , t h eb l a c k - s t a r ts c h e m ea b o u ta r e ap o w e rs y s t e mi nh u n a np r o v i n c ei si n t r o d u c e d a n da n a l y z e dg e n e r a l l y t h eb l a c k s t a r ts c h e m ea b o u ts o m eg e n e r a t i n gs t a t i o ni nh u n a n p r o v i n c ei si n t r o d u c e da n da n a l y z e dg e n e r a l ly k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e m b l a c k s t a r t s e c u r i t ya n ds t a b i l i t y e l e c t r i c i t ym a r k e t 王王 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：盛之锻 。口i 眸，口月呷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 篡荔翔：臻圭粉学位论文作者签名：寥逆秘f 指导教师签名：肇圭哥鼢 占订年，。月p f 日财年，一月2 7 日 f 。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 黑启动研究的背景 1 绪论 电网，是电力系统在我国的俗称。它包括发电、送电、变电、配电、用电设备， 也包括调相调压、稳定控制等辅助设备，也包括继电保护、调度通信、远动和自动化 设备等所谓二次系统的种种设备。所有这些组合在一起，才构成一个电网的整体。 在公用电力事业诞生之初，确定交流体制以后，电网的雏形就已经出现了。百年 来，电网不断发展壮大，世界各国相继出现了许多跨地区甚至跨国家的大电网和超级 大电弼。前苏联地区己经基本上形成了一个统的电力系统。美国电力工业管理上虽 然比较分散，但各电力系统在发展过程中也相互联网，己形成三大联合系统。西欧各 国的电力系统也已互联，形成西欧十一国的互联系统。我国在建立和发展七大区域电 网的基础上，正在以2 0 1 0 年为目标加紧规划和实施全国跨大区联网1 1j 。 发展高电压大电网有很多好处优越性。主要是供电可靠性和经济两个方面。大电 网在正常和事故情况下可以互相调剂，互相支援、减少事故和检修备用容量，提高安 全水平。可以最大限度的利用地理环境、自然资源、获得最好能源幂用。还可以利用 地区差异，取得错峰效益；在水火电之间进行调节，在某些情况下跨流域调节，取得 较好的社会及经济效益。 但是，大电网对可靠性的要求更高，对运行技术和管理水平要求也更高1 。大电 网的恶性事故停电时间长、波及范围大。后果十分严重。随着全国联网的实施，交直 流混合输电系统的出现以及电力市场高歌的进行，电力系统的安全稳定问题更加突 出，电力系统发生大面积停电四顾后造成的损失与停电后的恢复方案有很大的关系。 如果有预先编制好的、合理的恢复方案，则可大大缩短停电时间，减小停电损失。这 个就是黑启动研究的起因。 1 2 近年来国内外大型电网事故综述 国外发生的全国或全网大停电的案例很多。1 9 6 5 年1 1 月9 日，美国东北部电网 华中科技大学硕士学位论文 大停电事故；1 9 7 7 年7 月1 3 日，纽约大停电事故；1 9 7 8 年1 2 月1 9 日，法国电力系 统大停电事故；1 9 8 2 年1 2 月1 4 日加拿大魁北克电力系统大停电事故；1 9 8 3 年1 2 月 2 7 日瑞典电力系统大停电事故：1 9 8 7 年7 月2 3 日日本东京电力系统大停电事故；1 9 9 6 年7 月2 日和8 月1 0 日北美电力系统连续两次发生系统大瓦解事故；1 9 9 6 年8 月3 日马来西亚全国大停电事故等等1 2 】。 2 0 0 0 年5 月9 日2 2 点1 7 分，葡萄牙南部电网大停电事故导致首都里斯本停电， 5 0 0 万人生活受到影响【3 】。 2 0 0 3 年8 月2 8 日1 8 时1 5 分，由于英国国家电网中一个2 7 5kv 的供电系统出 现故障，影响了伦敦地区的电力供应，伦敦中心及东南部地区突然全面停电，伦敦交 通陷入混乱，伦敦地区5 0 0 1 0 0 0 列铁路火车、6 0 地铁交通中断，2 7 0 个公路交通 信号灯停止，路灯熄灭引起公路堵车，2 5 万人被困回家路上，多达5 0 万人受到此次 、 大停电事故的影响【4 1 。 2 0 0 3 年8 月1 4 日，美国东北部、中西部和加拿大东部联合电网发生的大面积停 电事故，波及美国6 个州，受停电影响的人口达5 0 0 0 万人，地域约2 4 0 0 0 k m 2 ，停电 持续时间达2 9 h ，损失负荷6 1 ，8 0 0 m w ，造成的经济损失在3 0 0 亿美元以上。同年 1 2 月2 0 日1 8 时开始，加利福尼亚旧金山市发生大面积停电，使包括市中心在内的 1 2 万户用户停电阻7 1 。 2 0 0 3 年9 月1 日当地时间1 0 时左右。马来西亚5 个州发生大面积停电，时间持 续数小时，对停电范围的用户造成很大影响 4 1 。 2 0 0 3 年9 月2 3 日瑞典、丹麦发生大面积停电，造成数百万人无电可用长达3 小 时【引。 2 0 0 3 年9 月2 8 日从当地时间凌晨3 时3 0 分，意大利全国大部分地区停电，致使 民航、铁路运输中断，直到8 个小时之后，罗马地区的供电状况才恢复正常。这次大 停电导致意大利全国5 8 0 0 万人口中绝大多数人的生活受到不同程度的影响 4 1 。 2 0 0 5 年5 月2 3 日晚1 9 时5 7 分，俄罗斯莫斯科市大部分地区及附近2 5 个城市发 生大面积停电事故，事故一直延续到5 月2 5 日1 1 ：0 0 左右，莫斯科电网共断开了3 2 1 座变电站，直接损失负荷达3 5 3 9 ，5 m w ，近4 0 0 万人的生活受到影响，造成了1 5 2 0 华中科技大学硕士学位论文 亿美元的直接经济损失【“9 1 。 我国发生大停电事故教训也非常深刻。仅在“九五”期间，我国主要电网共发生 电网稳定及大面积停电事故1 3 起( 年均2 6 次) 。1 9 9 4 年5 月2 5 日南方电网由于大 机组跳闸引起振荡失步事故；1 9 9 7 年7 月2 9 日台湾地区因山体滑坡导致全岛大停电 事故。2 0 0 5 年9 月2 6 日受到台风“达维”影响，海南全省大面积停电，第一次成功采 用“黑启动”方案启动电网【2 l 。 上述历史教训告诉我们，大电网发生全停事故的危险是存在的。为在电网大面积 停电或全停后能快速而有序的恢复，事先必须制定有关方案，即“黑启动”方案。以 最大限度加快恢复速度，从而减少因停电带来的经济损失 t o - t 3 1 。 1 - 3 黑启动研究的必要性 制定一个切实可行的电力系统的黑启动方案，是非常必要的。 ( 1 ) 因为技术、管理和不可抗力等原因，电力系统总有可能发生灾变和事故的。 世界上无数大灾变及事故的教训告诉我们，随着电力系统的扩大，发生灾变及事故的 因素增加，波及的范围扩大，对国家安全、国民经济和人民生命财产造成的损失也在 增加。 ( 2 ) 在电力市场建立的初期，市场运作规则尚未完全建立或不甚完善，在规则 执行中约束乏力，未形成习惯，各个市场主体可能出现片面追求自身最大经济利益而 忽视电力系统安全的错误倾向，使安全管理削弱，调度管理削弱，事故频发。 ( 3 ) 我国和某些发展中国家，正处在全国大联网中，由于缺乏管理大电力系统 的经验，管理规则滞后和技术上考虑不周，加上从弱联到强联客观存在的网络上的过 渡阶段，发生事故的几率有可能增加。 ( 4 ) 电能在能源的总消耗中所占比例越来越大，人们对电能的依赖性越来越大， 对电力供应的可靠性要求越来越高，社会对事故停电的可接受性越来越低。有了黑启 动方案后，一旦电力系统发生灾变及事故，能够按照方案快速恢复或重构一种新的稳 定运行方式，从而使灾变与事故损失降低到最低限度。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 黑启动方案研究的要求 ( 1 ) 回朔性： 要认真分析本系统、外系统、国外系统近年来发生的灾变，事故情况，弄清楚灾变 事故原因、主要处理经过、造成成果、主要教训、主要防范措施等，“后事不忘前事 之师”，作为制定黑启动方案的重要参考。 ( 2 ) 科学性： 要深入分析现代电力系统的特点，如大机组、大电厂、大电网、高电压、高自动 化、交直流混合和各项前沿技术的广泛应用等，并充分利用这些技术为方案服务。 ( 3 ) 实用性： 方案必须切合电力系统各单位实际，针对性和可操作性要非常强。为了提高实用 性，根据我国目前电力体制的特点，方案编写在定下总要求后，可按从下至上的程序 进行，调度中心编制网络恢复或重构部分，并从整体性上协调整个方案。 ( 4 ) 有序性： 在电力系统发生灾变事故的恢复控制中，所有的控制措施，包括系统之间恢复并 列，发电厂与系统之间恢复并列，用户的恢复供电，安全自动装置的定值调整和投退 方式等，都必须遵循电力系统运行的内在规律，严格按照一定的顺序有条不紊地进行。 ( 5 ) 快速性。 在恢复控制有条不紊的前提下，要千方百计争取速度。为了实现恢复控制的快速 性。除了必须有强有力的调度组织措施之外，还必须有可靠的技术措施，如快速提供 “黑启动”电源。“黑启动”电源应由较大容量、与系统联系较强、启动带负荷速度 快的发电厂担任，如大中型水电厂等。快速恢复并列。如发电机在计算论证允许下， 采用自动自同期或非同期并列。局部系统间经计算论证允许下用非同期并列或非同期 重合闸并列；在恢复局部系统与主系统的并列中，要充分利用无压重合闸，以缩短局 部系统的停、换电时间等。 ( 6 ) 后瞻性。 电力系统发生灾变事故后的恢复或重构，既要快，又要防止恢复或重构的系统是 一个处于电压、频率和功角稳定边缘的系统，甚至从一个灾变事故走向另一个灾变 4 华中科技大学硕士学位论文 事故的系统。所以恢复控制务必做到慎之又慎，瞻前顾后，不要加剧系统的不稳定性 并造成连锁事故反应。 1 5 黑启动研究的主要内容 1 5 1 黑启动方案研究的主要内容 在制定电网黑启动方案时，不仅仅利用电网内具有自启动能力机组的启动，恢复 电网。也包括由相邻的不连网运行的电网作为黑启动电源的启动方案。 黑启动的蟊标是在最短的时间内使系统恢复带负荷的能力，具体要求有两种：一 是最小化实现，用最小的启动功率尽可能多的启动机组；二是制定严格操作步骤，实 现操作步骤最少。 目前，我国各大电网公司都在进行黑启动方案的研究和编制，有很多已经进入实 用性阶段。研究黑启动，对电网安全稳定运行有重大的理论和实际意义。 对于电网黑启动主要研究内容包括如下几个方面【14 】： ( 1 ) 恢复主力发电厂、2 2 0 k v 及以上联络变电站和省、市级及以上电力调度的 通信方案。通信恢复是其他恢复( 重构) 方案能否顺利执行的基础。对于通信方式单 一和通信电源不很可靠的电力系统，这一方案特别必须可靠。 ( 2 ) 发电厂的厂用电恢复和开机并网方案。其顺序是： 恢复启动时间短、并网方便、带负荷速度快的机组。如水电机组、燃气轮发电 机组、燃油机组等： 恢复位处负荷中心的发电机组； - 恢复其他发电机组。 ( 3 ) 利用自动或手动方式恢复或重构系统接线的方案。应按从高电压到低电压 恢复主干网架和到主力发电厂的联络线。在方案中必须使用非同期并列( 包含非同期 重合闸) 时，一定要通过分析论证，确无问题方可。在恢复或重构系统接线的同时， 继电保护和安全自动装置必须及时做相应的变更。 ( 4 ) 按照用户用电性质的重要程度，制定顺序恢复用户用电的方案。必须指出， 以上内容在执行中是相互衔接的，又是相互制约的。有的内容可以交叉执行，如发电 华中科技大学硕士学位论文 厂恢复发电以后即应根据调度命令恢复部分用户的用电；恢复系统结线的重要目的之 一也是为发电厂恢复并网发电提供条件。 ( 5 ) 为了防止电力系统在恢复、重构中，运行状态量越限，制定恢复或重构的 电力系统运行安全自动分析、监视方案。 1 5 2 电网黑启动的技术问题 主要内容包括15 】： ( 1 ) 发电机自励磁问题； ( 2 ) 空载线路的合闸过电压问题； ( 3 ) 黑启动初期的低频震荡问题； ( 4 ) 恢复过程中的频率和电压控制问题； ( 5 ) 继电保护装置的配合问题。 1 5 3 地区电网黑启动需要考虑的问题 主要内容包括【1 6 】： ( 1 ) 初始可控状态的设定问题； ( 2 ) 恢复过程中需要注意的问题； ( 3 ) 正确配置机组的逆功率保护问题： ( 4 ) 直流系统运行问题： ( 5 ) 快速通道上主变调压系统的操作问题； ( 6 ) 同期点的选择问题： ( 7 ) 调度命令的执行问题。 1 5 4 电力市场环境下的黑启动费用问题 主要内容包括： ( 1 ) 电力市场环境下黑启动的形式问题 ( 2 ) 黑启动资源及机组选择问题； ( 3 ) 黑启动辅助服务内容问题； 6 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 黑启动服务的费用问题； ( 5 ) 各方的权利和义务问题。 以上内容将在后续章节中陆续进行展开说明。 1 6 本文主要工作及章节安排 本文基于电力系统安全稳定的要求，通过分析事故后的黑启动的必要性，首先从 技术角度阐述了在制定电网黑启动方案时需要注意的技术问题，接着叙述了在电力市 场环境下黑启动的费用问题，最后通过对湘南电网的实际黑启动方案的分析和论述， 详尽论述了地区电网以及电厂的黑启动方案的制定方法以及对实际问题的解决方案 本文章节安排如下： 第一章：对黑启动研究的背景进行分析，通过对国内外重大电网事故的概述论证 黑启动方案及技术研究的必要性，提出黑启动方案研究的主要内容同时介绍了黑启动 研究中需要注意的技术问题与经济问题。 第二章：系统论述了电网黑启动方案在电网安全稳定中的重要作用，从黑启动步 骤、黑启动电源选择、电网黑启动的技术问题及地区电网黑启动问题进行全方位的介 绍和阐述。 第三章；对电力市场环境下黑启动的费用问题进行分析，介绍了电力市场环境下 黑启动的形式、黑启动资源及机组选择、黑启动辅助服务内容等闻题，阐述了黑启动 服务的费用及在电网中各方的权利和义务问题。 第四章：主要对湘南电网实际系统中的地区电网黑启动方案进行系统介绍及技术 分析。 第五章；主要对湘南电网实际系统中的部分电厂黑启动方案进行系统介绍及技术 分析。 第六章：对全文进行总结。 本文重点为第二章、第四章及第五章。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 概述 2电网黑启动与电力系统安全稳定 黑启动后，电网的基本恢复方法有串行恢复和并行恢复两种方法。串行恢复是在 大多数发电机并网前对整个( 或局部) 网络进行充电，这种方法在某些局部电网和子 系统恢复时常被采用。其存在的主要问题是高压输电系统充电时系统产生的无功常常 超出实施充电的发电机的无功吸收能力，可能导致系统端出现过电压，而且恢复时间 相对较长，操作复杂。并行恢复是将系统分成几个子系统同时恢复，各子系统同步后 进行同期并列将整个网络连接起来。在系统全黑情况下或没有任何外部互联情况时， 因子系统同步恢复能显著缩短恢复时间，因此本黑启动方案采用并行恢复方法。即同 时建立几个送电的黑启动快速通道，分片恢复电网，然后通过同期并列将各部分并列 起来，加强电网。 2 2 黑启动的步骤 为了在系统瓦解后能迅速恢复系统，应预想制订恢复方案，规定了各级调度部门 及变电站、发电厂在大停电事故后的应急措施和恢复策略，根据黑启动过程中的特点， 可以把恢复过程分为3 个阶段【1 7 1 1 7 3 - 2 6 1 ： ( 1 ) 启动阶段：在这一阶段，由具有黑启动能力的电厂自行进行黑启动，恢复 发电能力。同时，调度员判断出进入黑启动状态后，网内各厂、站按照黑启动规定的 初始状态，操作进入初始状态，等待送电。 ( 2 ) 建立网架结构阶段：在这一阶段，将建立一定的输电网络构架，投入主要的 输电线路。在这一阶段，还要恢复一定的负荷，特别是重要负荷，如重要变电站的站 用电，无黑启动能力电厂的厂用电，调度通信中心的用电以及不能长时间停电的保安 用电。 ( 3 ) 负荷恢复和网络恢复阶段：在这一阶段，由于系统可供给的有功和无功都 大大增加，负荷的增加量应和系统的频率特性相适应。一次投入的负荷量不应使频率 华中科技大学硕士学位论文 下降太多，更不能引起低频减载动作，同时也要和发电能力相适应。 交流消失后，各厂、站的自用电由直流蓄电池供给，由于直流蓄电池容量有限、 正常供电的时间有限，若停电时间太长可能导致断路器无法操作，即使外部来电也无 法恢复自用电，而延误恢复。所以在电网全停后，调度员必须及时地按要求建立快速 通道就能避免这种情况的发生，使黑启动过程更加顺利，速度更快。 2 3 黑启动电源的选择 虽然黑启动定义为整个电网因事故导致全部停运后，不依赖别的网络帮助，通过 系统中具有启动能力机组的启动，来带动无自启动能力的机组启动。但随着电网的扩 大，全国互联网的建成，各个电网之间互联的加强，在实际操作中，黑启动电源应当 包括以下几种： ( 1 ) 有黑启动能力的电厂； ( 2 ) 和其它大区之间的联络线和供电线路，由这些电厂供电启动就近的电厂。 目前湖南电网的电厂只有火电厂和水电厂两种【1 8 1 9 1 。对于火电厂，如果需要黑 启动”机组，必须具备一定容量的厂用电源，即使一台引风机或送风机的容量都在 1 0 0 0 k w 左右，启动一个中型火电厂需要超过1 0 0 0 0 k w 的容量，即便配备了柴油机 发电机，容量也是远远不够的，而且操作复杂，消耗时间长。与火电厂相比，水轮发 电机结构简单，没有复杂的辅机系统，厂用电少，启动速度快，是理想和方便的黑启 动电源。 水轮发电机组自启动的关键是停电后控制水轮机组导叶开启的压油槽油压能否 保持在正常工作的范围内。黑启动要求水电机组在水电厂全停情况下，利用直流系统 提供轴承动力电源和励磁起励电源，依靠现有的正常液压系统将导叶、轮叶打开，将 机组启动，恢复厂用供电、近区供电。 水电机组黑启动前主要考虑以下几个问题【2 0 2 2 。 ( 1 ) 励磁电源。 正常情况下励磁变直接从厂用系统取电供励磁机，黑启动时机组无法从系统取励 磁电源。水电厂多采用由2 2 0 v 蓄电池提供励磁电流进行启励，由微机励磁调节器控 制，在枧端电压建立后切除超励装置，切换到由励磁变压器供励磁机。有些电厂采用 华中科技大学硕士学位论文 柴油发电机作备用电源。 ( 2 ) 液压操作动力能源。 黑启动时高压气机不能工作补气，调速油泵不能工作打油，机组要依靠储气罐和 压力油罐气压维持调速器油压，开启球阀和导叶，油压过低将不能启动机组。 ( 3 ) 控制操作和事故照明。 所有控制和操作、事故照明电源只能依靠蓄电池供电，因此黑启动对蓄电池的容 量有很高要求。 ( 4 ) 启动过程中机组导轴承发热和润滑。 系统失电后，机组轴承没有油泵提供循环油，机组没有冷却水，启动过程中轴承 温度会逐渐升高。为确保轴承安全，黑启动时间不能过长。 ( 5 ) 机组带小系统时稳定性。 黑启动后机组只带很小负荷，调节系统自平衡能力相对较差。在不同导叶歼度下， 机组特性不同，可调整水轮机调速器运行参数，提高水轮机小负荷情况下的自平衡能 力，以提高小系统的稳定性。 2 4 电网黑启动的技术问题 2 4 1 发电机的自励磁 机组的自励磁是指发电机在其励磁绕组电流为零时，由于带过大的电容性负荷而 电压自发上升的现象。如图2 1 、2 2 所示，在电力系统恢复过程中，当发电机带空载长 线路时，相当于带一容性负荷，如果不考虑发电机漏抗，且发电机剩磁产生的空载电 势为e s c ，在e s c 作用下，在线路电容c 中产生充电电流i c ，它在电容c 上的电压u c 按照 输电线路u l c x ，的直线关系变化。同时，发电机在此i c 作用下产生一个助磁性的电 枢反应，从而使发电机电势升高。在增加的发电机电势作用下，又产生更大一些的充 电电流，从而要产生更大的助磁电枢反应。这个过程一直持续到直线u i c x ，和同步 电机空载特性曲线e f ( i l ) 相交为止，这样就是发生了自励磁 2 8 1 。 当发电机和线路之间串接变压器时，它的串联阻抗可以合并在线路阻抗中，它的 励磁电流与线路电容电流相位相反， 华中科技大学硕士学位论文 p 一 。- - 。c - 。了厂1 。 l上 “。 ( b ) 0 图2 1 发电机向高压输电线路充电图2 2 发电机带容性负载自励磁过程 调度运行中使用的判断发电机是否会发生自励磁有两种实用方法。 第一种是发电机经升压变压器带空载线路，需将变压器的漏抗x t 考虑进去。满足 公式2 1 条件时，不产生自励磁。 x c 1 2 僻r + 以) ( 2 1 ) 第二种式满足公式2 2 条件时，不产生自励磁： k s 。 q c ( 2 2 ) 其中s 。是发电机容量；q 。为线路充电无功，k 为发电机的短路比。 在这里，我们采取第一种方法判断发电机自励磁的发生。 2 4 2 空载线路的合闸过电压 空载合闸高压线必须考虑三个过电压问题，即持续工频过电压、操作过电压和谐 振过电压。 在黑启动中，持续工频过电压是主要由于轻载输电线路充电电流引起，电压过高 会导致发电机欠励，甚至自励磁和系统不稳定。上面所述发电机自励磁即属工频过电 压。 操作过电压实质是由线路等效电容充、放电引起的高频谐振所产生的。当电力系 统恢复过程中，充电线路上初始电压为零，线路参数为容性，合当闸空载线路时，电 源电压通过系统等值电感l s 对空载线路的等值电容c t 充电，回路中将发生高频振荡过 华中科技大学硕士学位论文 程。其等值电路如图所示。考虑最严重情况，合闸瞬间电源电压瞬时值为幅值e m 时 合闸，其回路方程为： 诊j j j r y l r sx s 图2 3 合空载线路时操作过电压等值计算电路 l s 堕+ 1 协：e m 西c tj f = c f 百d u c 可导出： u c + l s c t d 2 n u c = e m 由初始条件： f = o ，玑( o ) = o ，f ：c f 百d u c = 。 可解得： u 。= e 。r ( 1 一c o s d ) 。f ) 当f = 时，c o s ( _ o o f = - 1 c 驴o ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 即合闸后二时刻，达到最大u 。，= 2 玩。 c 口。 考虑到回路中存在损耗，实际振荡线路上电压比2 e 卅低。 谐振过电压是指电力系统中有铁芯的电感元件，如变压器、感性电压互感器等非 线性元件和系统中的电容元件组成复杂的振荡回路，如满足一定条件就可能发生谐 振，会引起严重的、持续时间较长的过电压。一般在空充变压器时会考虑谐振问题。 华中科技大学硕士学位论文 黑启动过程中要防止过电压，可根据具体情况，采取以下措施d 5 1 。 ( 1 ) 线路送电前将黑启动单元电压尽量调低。 ( 2 ) 线路送电尽量先选择短线路。 ( 3 ) 尽量选择低电压等级，减少不同电压等级的变换。 ( 4 ) 切线路末端变电站电容器。 ( 5 ) 投线路末端电抗器。 ( 6 ) 同杆并架双回线只充一回。 2 4 3 黑启动初期低频振荡 黑启动单元运行后，下一步通常是送启动电源给附近电厂，使其能尽快开机，送 重要负荷，形成一个多电源小系统。大电网互联电抗大小与系统阻尼性能成反比，系 统间联系阻抗越小，电气距离越近，其阻尼性能越好；反之，阻尼性能变差，易出现 低频振荡。黑启动剐恢复的系统多为超高压远距离送电，系统问联系阻抗较大，系统 薄弱，可能出现低频振荡。 这可通过投运参数整定恰当的电力系统稳定器( p s s ) 来感受发电机转速或电磁 功率的变化，适当调整励磁机电流，改变发电机机端电压，从而达到阻尼功率振荡的 目的，提高电力系统的动态品质。若发生振荡后正确调整潮流分布也可以消除震荡。 2 4 4 恢复过程中频率和电压控制 黑启动后系统的频率和电压控制较正常系统有很大不同，此系统容量非常小且薄 弱。此时小系统不断外扩，须不断充线路、带负荷，每步操作都对系统有很大的冲击， 所以必须监测系统频率和重要节点电压，防止系统崩溃。 频率与系统机组出力与负荷密切相关。控制频率涉及负荷恢复速度及机组调速器 响应和二次调频。恢复负荷的原则是先恢复非自启动机组的启动负荷，再恢复小的直 配负荷，后恢复直配大负荷和电网负荷。必须严格控制负荷恢复速度，一般一次接入 恢复的负荷量不大于发电出力的5 。恢复负荷必须兼顾恢复速度和保证系统频率稳 定。 电压控制与无功有关。黑启动用发电机给目标系统零起升压时必须密切监测系统 华中科技大学硕士学位论文 电压及无功平衡，并逐渐使电压达到目标值。电压控制采取的措施与防止过电压措施 类似。 2 4 5 继电保护的配合 为保护送电设备的安全，在黑启动前应做到以下几点。 ( 1 ) 涉及的元件保护及线路保护必须投入运行。保护一般包括发电机保护、厂 站母线保护、线路保护、主变保护。 ( 2 ) 重合闸应退出。 ( 3 ) 过电压保护必须投入。 有必要时制定适用于黑启动方式的保护配置及其定值，在黑启动时起用。水电机 组在空充线路或带轻负荷时，可能进相运行，水电机组的进相能力及相应的保护应适 应这种方式【2 7 】。 2 5 地区电网黑启动过程中应考虑的问题 对于地区电网，黑启动机组的容量一般都比较小，各个子网内的线路长度也很短， 启动规模相对于大电网来说小得多，机组自励磁和合闸过电压等问题一般都很少出 现，但对于予网内的发电厂和变电站，为了保证启动成功并恢复基本网架的电压，还 需注意以下的问题 2 9 - 3 2 】【3 9 】： 2 5 1 初始可控状态的设定 地区电网黑启动方案的制定，应明确指出电网事故后发电厂或者变电站的初始可 控状态。所谓初试可控状态，是指对厂站一、二次设备预先设定的一些状态，在恢复 系统的最初阶段，将这些设备置于预先设定的这些状态。可减少调度员核对现场设备 状态的时间，防止电网恢复过程中的非同期操作。普遍采用的方法是：在系统崩溃后， 黑启动电源点及快速通道上的变电站自行拉开所有出线开关，但保整快速通道上的非 同期点开关在合闸状态。其他失压的厂站应拉开母联开关和其他电源开关，但在每一 组母线上保留一个可能来电的电源开关，这样有助于简化网络结构和实现快速恢复。 正确、适当的初始可控状态对系统的快速恢复有很大影响，在制定黑启动方案时应明 1 4 华中科技大学硕士学位论文 确这一点并仔细讨论。 2 5 2 恢复过程 在黑启动恢复的初期，电网联系非常薄弱，小的扰动也可能导致系统再次崩溃瓦 解。各启动子系统中具有自启动能力的机组启动后，为保持启动电源在最低负荷水平 稳定运行及保持系统电压运行在合适的水平，需要及时接入一定容量的负荷，同时尽 快向本系统中的其他电厂送电，以加速全系统的恢复。在系统恢复过程中，电源点机 组的启动和用户端负荷的恢复应交替进行。并时刻监视系统频率和电压的变化。在对 负荷送电的过程中，应考虑系统容量与冲击负荷的关系，保留一定的出力裕度。在电 网正常运行时期，所有的设备不是同时启动的，这时往往会出现一个瞬时冲击，需要 的启动功率远远大于正常运行时所需的能量，这一点在负荷恢复方面应有所考虑。 2 5 3 正确配置机组的逆功率保护 在黑启动初期，系统的规模比较小，为了保证系统稳定或具有一定的备用启动容 量，黑启动电源点一般有2 台或以上机组同时上网，并有一个并列空载的过程，这时， 因机组都没有带负荷，各机组的励磁电流、功角等很难达到完全一致，逆功率保护容 易误动，影响黑启动进程。因此，黑启动过程中应将逆功率保护临时改为只投信号而 不出口，待机组稳定运行并带有一定负荷后再将逆功率保护恢复。 2 5 4 关注直流系统运行情况 事故发生后，直流系统浮充装置因交流电源消失而自动退出运行，直流系统仅靠 蓄电池供电。因此进行事故处理时，要注意节约直流电源，能手动操作的设备尽量采 用手动操作。对于利用直流系统起励的机组，为了确保机组起励升压成功，可将直流 母线联络。使多组蓄电池并联运行。而对于变电站，事故情况下有可能需要多次进行 线路的操作或者重合闸，有必要在给启动方案中对直流系统的容量进行校验。 2 , 5 5 正确选择快速通道上主变调压系统的操作机构 建立非黑启动机组启动电源的快速通道时，有时需要经过几条线路和变电站，对 这些线路或变电站内的主变进行空载充电时，有可能出现工频过电压，当电压超过允 华中科技大学硕士学位论文 许值时，不能给非黑启动电厂提供厂用点甚至不能操作，解决这类过电压的方法有2 种，是调整黑启动机组的即端电压，二是调整变电站变压器的分接头，当启动电源 的机端电压已调至最低还出现末端过电压时，只能通过调节变压器分接头的方法来降 压，虽然现在很多变压器的调压方式都采用有载调压方式，但它们的有载调压电动机 大多采用交流工作方式，在全站失压的情况下没有交流电源，调压将无法进行。因此， 在快速通道上的变电站，若主变调压系统的操作机构是交流电动机，应将其改为直流 电动机，或者为这类变电站配备专用的事故眼应急柴油发电机。 2 5 6 同期点的选择 在黑启动过程中，当火电机组启动后，需要在火电厂侧进行同期并列，由于并列 点的电压常常会因过高或者过低而影响并列条件，延误恢复时间，所以必须选择可以 控制电压、频率的地点并列，对于黑启动子网，负荷恢复后子网间的并列运行也应仔 细考虑同期并列点，要选择同期装置完好可靠的地点进行并网，这一点在子网划分之 前就应该有所考虑。另外，为了加速系统恢复速度，建议尽量采用手动准同期方式。 2 5 7 调度命令的执行 部分地方电厂升压变有2 个或以上的电压等级，而不同的电压等级，其调度归属 就有可能属于不同的管理部门( 例如省调和市调) 。黑启动情况下这些设备的调度执 行命令应该进行统一，以避免事故情况由于混乱而出现调度命令的错误执行。 2 6 本章小结 本章系统论述了电网黑启动方案在电网安全稳定中的重要作用，从黑启动步骤、 黑启动电源选择、电网黑启动的技术问题及地区电网黑启动问题进行全方位的介绍和 阐述，为解决具体电网的黑启动方案的制定及技术问题的解决打下了基础。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 电力市场环境下的黑启动 3 1 电力市场辅助服务 电力安全生产事关国家安全和社会稳定的大局，安全可靠的电力供应对于保持社 会稳定和促进经济发展具有十分重要的意义。电力安全生产应始终坚持“安全第一， 预防为主”的方针，把安全生产放在各项工作的首位。厂网分开后，市场主体多元化， 电网统一调度、安全管理关系需要迸一步协调和明确；电力系统运行安全是电力市场 建设的基础，而辅助服务是电力系统安全运行的基本保障。没有调频、调压等辅助服 务，电力系统的安全就无从谈起。因而需要各电力企业协调配合，共同确保电力系统 安全稳定运行。由于电力需求的快速增长和电力体制改革的不断深入，使电力安全生 产厩临着一些新情况和新问题。由于电力供需矛盾突出，部分电网在缺少备用容量甚 至零备用的情况下运行，对电网安全运行造成威胁；电网网架结构薄弱，特别是在大 容量、远距离送电和跨大区电网规模不断扩大的情况下，电力系统安全稳定问题逐渐 显现。这些都对加强辅助服务管理提出了迫切要求 4 0 l 。 国际上对辅助服务所包含的内容没有统一的界定，一般包括一次调频、二次调频 ( a g c 服务) 、备用、无功和黑启动，也有的国家将谲峰和系统调度交易服务纳入鞲 助疆务范围。 辅助服务的提供方包括电网、电厂、用户三方。电网提供的辅助服务主要是系统 调度管理、电网的无功补偿装置提供的无功补偿，一般计人输配电成本通过输配电价 回收。电厂提供的辅助服务又可分为基本服务和有偿服务。基本服务是电厂必须具备 的辅助服务，无偿提供。对于基本服务包括的内容国际上也无定论。一般认为机组的 一次调频和在规定功率因数范围内的无功调整为基本服务。有偿服务包括机组的二次 调频、备用，在规定功率因数范围以外( 可能影响有功出力) 的无功和黑启动等。负 荷侧用户也可提供辅助服务，主要是可中断负荷，它相当于备用容量。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 3 2 电力市场与黑启动 随着电力市场研究和实践的深入，电力系统辅助服务对于系统安全的重要性越来 越引起人们的关注。当电力系统运行时，可能发生的最严重的故障是整个系统全停。 一旦系统全部停电，电力系统安全措施的最后一条就是如何快速恢复系统，给用户供 电。近年来，世界范围内发生的几起大停电事故提醒我们，研究电力系统事故后的恢 复问题即“黑启动”问题具有重要的理论和实际意义。所谓的电网“黑启动”指的是： 整个系统因故障停运后，不依赖别的网络的帮助，通过系统中具有自启动能力机组的 启动，带动无自启动能力的机组，逐步扩大电力系统的恢复范围，最终实现整个电力 系统的恢复。黑启动作为辅助服务中的一种，是电力系统安全运行的重要措施之一【4 l l 。 在电力市场的竞争机制下，对于黑启动机组充裕的电网和黑启动机组不足的电 网，希望黑启动服务能达到的目标是不同的：黑启动机组充裕的电网在事故情况下能 获得足够的黑启动电源，通过选择合适的电源，减少黑启动完成的时间，降低电网或 用户承担的黑启动服务费用，尽量减少因为大面积断电引起的供电方和用户的损失； 黑启动机组不足的电网，可以通过签订长期辅助服务合同等方式，使用邻网合适的机 组作为黑启动机组，在本网出现大停电事故时，能有效利用这些机组自启动，实现本 网供电的恢复，也可通过从邻网获得一定的黑启动紧急功率支持( 即由相邻的电网提 供本系统黑启动电源和系统恢复的部分功率) 的方式，实现本网供电的恢复，避免为 了满足系统黑启动的要求而增加大量的投资去引入黑启动机组。 3 3 黑启动( 系统恢复) 的形式 根据各个电网黑启动能力的不同，黑启动可以分为3 种形式1 4 2 j ： ( 1 ) 电网内有足够的黑启动能力，在系统大停电时能根据黑启动的恢复计划， 自行恢复系统供电，这是一般系统常用的形式。 ( 2 ) 电网内没有能够满足黑启动要求的机组或黑启动机组的数量不能满足系统 恢复的需要，而在本地理区域内有满足条件( 与本系统联系紧密、黑启动能力强、符合 地理位置和系统结构的要求) 但不属本电网的黑启动机组。本电网必须与黑启动机组及 机组所属电网的经营者签订合同，约定黑启动服务的提供方式和费用计算方法。 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 电网内没有能够满足黑启动要求的机组或黑启动机组的数量不能满足系统 恢复的需要，也没有其他电网的黑启动机组可以利用。这种形式的恢复过程相对较为 被动，只有在其他电网区域部分恢复、系统有能力向本区域提供黑启动的紧急功率支 持的情况下，才能逐步地恢复系统的供电。这种形式不需要维持黑启动能力的费用， 只需要支付黑启动紧急功率支持的费用，所以费用较少，代价是供电恢复的时间延长 并具有一定的不确定性。这种形式的系统恢复方案必须与相邻的电网区域签订黑启动