（电气工程专业论文）苏北电网黑启动方案研究.pdf

r e s e a r c ho nt h eb l a c k - s t a r tp r o g r a m si nt h en o r t h e r n j i a n g s up o w e rg r i d d submitteddissertations u b m ie dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y i nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g b ys o n gj i e n ( s c h o o lo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r h u a n gx u e l i a n g j a n2 0 1 0 n a n j i n g ，p r c h i n a 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期： 摘要 摘要 由于长时间的大停电将会造成巨大的经济损失和恶劣社会影响，黑启动成为 了所有电力公司十分关注的问题。近年来，随着经济竞争和市场化的进行，电力 系统越来越接近稳定极限运行，同时系统的规模和复杂性日益增加，使得系统大 停电的风险大大增加。大停电后，要求系统能够快速可靠的恢复，因此建立有序、 可靠的黑启动方案是十分必要的。 江苏地区近年来灾害天气频发，为了防忠于未然，确保江苏电网在极端严重 故障、全网大停电情况下实现快速恢复，最大程度地减少电网故障对社会经济的 影响，在我省苏北地区设置黑启动电源是必要的。本文对徐州电网的黑启动能力 进行了调查，介绍了徐州电网的概况，黑启动电源和电网存在的一些其他问题。 提出了徐州电网黑启动方案编制的基本思路，对方案的特点进行了分析，并明确 启动过程和目标电网，简述了徐州电网黑启动的详细操作步骤。结合具体方案， 对黑启动中存在的自励磁、过电压问题进行了计算研究，并分析了变压器空载合 闸及励磁涌流问题。最后提出了彭城电厂黑启动现场试验方案，并对彭城电厂黑 启动时可能产生的问题和解决措施进行探讨。 关键词：江苏电网，系统恢复，黑启动，黑启动实施方案 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t b l a c ks t a r ta n dr e s t o a r t i o no fp o w e rs y s t e m sf o l l o w i n gac o m p l e t eo rp a r t i a l b l a c k o u ti sa na r e ao fm a j o rc o n c e r no fa up o w e ru t i l i t i e sd u et ot h eh i g hf i n a n c i a la n d s o c i a l i m p l i c a t i o n si n v o l v e d i nr e c e n ty e a r s ，d u et oe c o n o m i cc o m p e t i t i o na n d d e r e u g l a t i o n ，p o w e rs y s t e m sa r eo p e r a t e dc l o s e ra n dc l o s e rt ot h e i rl i m i t s a tt h es a m e t i m e ，p o w e rs y s t e m sh a v ei n c r e a s e di ns i z ea n dc o m p l e x i t y b o t hf a c t o r si n c r e a s et h e r i s ko fm a j o rp o w e ro u t a g e s a f t e rab l a c k o u t ，p o w e rn e e d st ob er e s t o r e da sq u i c k l y a n dr e l i a b l ya sp o s s i b l e ，a n dc o n s e q u e n t l y ，d e t a i l e dr e s t o r a t i o np l a n sa r en e c e s s a r y w e a t h e rd i s a s t e r sh a p p e n e df r e q u e n t l yi nj i a n g s up r o v i n c ei nr e c e n ty e a r s i n o r d e rt ot a k ep r e v e n t i v em e a s u r e st oe n s u r ea r a p i dr e s u m p t i o nw h e nt h ec a s eo ft h e j i a n g s up o w e rg r i di ne x t r e m e l ys e r i o u sf a i l u r e ，t h ew h o l en e t w o r kb l a c k o u t , a n dt o m i n i m i z et h ei m p a c to nt h es o c i o - e c o n o m i ci n t h eb i g g e s tf a u l t , s e t t i n gu pa n ds t a r t i n g b l a c k s t a r tp o w e rs u p p l yi nt h en o r t ho fj i a n g s up r o v i n c ei sn e c e s s a r y i nt h i sp a p e r , w es t a r tt h ei n v e s t i g a t i o no fx u z h o uc a p a c i t y ，as t i t u a t i o no fx u z h o u p o w e rg r i d ，s o m e o t h e ri s s u e sb l a c k s t a r tp o w e rs u p p l ya n dp o w e r g r i d i tm a k e st h eb a s i ci d e a so ft h e p l a nm a k i n go fx u z h o up o w e rg r i db l a c ks t a r t ，g i v e sap r o g r a ma n a l y s i so ft h ep l a n s c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dc l e a r st h es t a r t u pp r o c e s sa n dt h et a r g e tg r i d ，a n dg i v e sa na c c o u n t o fd e t a i l e ds t e p sx u z h o up o w e r 鲥d sb r i e f l y c o m b i n i n g 谢t l lt h es p e c i f i cp r o g r a m s ， i tm a k e sc a l c u l a t i o n sa n dr e s e a r c h e so fs e l f - e x c i t a t i o n , o v e r - v o l t a g ec o m p u t i n ge x i a i n b l a c k - s t a r ti s s u e sa n da n a l y z e st h et r a n s f o r m e r1 1 0 一l o a ds w i t c h i n ga n di n r u s hc u r r e n t i s s u e s f i n a l l y ，ap i l o tp r o g r a mo fp e n g c h e n gp o w e rp l a n ti sg i v e n , a n dt h ep l a n ta n d s t a r tp e n g c h e n gp o s s i b l ep r o b l e m sa n de x p l o r es o l u t i o n sw h e ns t a r t u p i n gt h eb l a c k s t a r ta r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：j i a n g s up o w e rg r i d ，t h es y s t e mr e s t o r a t i o n , b l a c ks t a r t ，b l a c k s t a r t i m p l e m e n t a t i o ns c h e m e 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ii 第一章绪论1 1 1 黑启动方案的研究背景和意义1 1 2 黑启动研究的主要内容1 1 3 国内外对黑启动方案研究的重视及现状7 1 4 本文研究的主要内容8 第二章徐州电网的黑启动能力调查9 2 1 徐州电网概况9 2 3 电网的相关问题15 2 4 本章小结18 第三章徐州电网黑启动方案设计1 9 3 1 徐州电网黑启动方案编制的基本思路1 9 3 2 方案特点2 4 3 3 启动过程和目标电网2 6 3 4 徐州电网黑启动方案步骤2 7 3 5 科学计算依据2 9 3 6 本章小结3 0 第四章彭城电厂黑启动现场试验方案31 i h 东南大学硕士学位论文 4 1 试验方案31 4 2 彭城电厂黑启动可能产生的问题和解决措施一3 9 4 3 本章小结一4 0 第五章结论4 1 参考文献4 3 攻读硕士学位期间发表的论文4 5 致谢4 6 i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 黑启动方案的研究背景和意义心1 随着经济规模和电网技术的发展，电力行业通过联网和电力投资，不断扩大 电网规模，对经济发展和社会进步做出了巨大的贡献。但2 0 世纪法国、日本和 美国等发达国家发生的几起电网崩溃事故，以及2 0 0 3 年美加“8 1 4 大停电事 故，停电范围之广，影响损失之大，远远超过人们的想象。大电网的大停电事故 会造成巨大的经济损失以及负面的政治、社会影响。因此我们不能只是强调扩大 电网规模，而忽视同步开展电网系统风险的评估和防范工作。 虽然经过几十年的不断发展，电力系统在安全稳定技术方面取得了很大进 展，但由于影响电力系统安全稳定运行的因素极为复杂，一些偶然和人为因素总 是超出了人们的预测和防范，因此，从根本上讲电力系统的大停电事故是不可避 免的。在现阶段，除了从管理和技术上加强系统的安全稳定性，更重要的是应加 强对大停电后事故恢复策略的研究，制定充分而合理的事故恢复预案来保证电网 的安全稳定，防止电网瓦解事故的发生，在事故发生后帮助调度和生产运行人员 快速恢复系统供电，尽快的恢复电网运行，缩短停电时间，尽量减少停电对社会 造成的影响和损失。因此研究快速有效的黑启动方案对电力系统安全可靠运行具 有重要意义。 1 2 黑启动研究的主要内容 黑启动( b l a c k s t a r t ) 是指整个系统因故障停电后，不依赖别的网络帮助，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，逐渐扩大系统 输电范围，最终实现整个系统恢复的过程1 7 1 。 东南大学硕士学位论文 1 2 1 黑启动方案编制的原则 黑启动方案的基本原则有f l 】： ( 1 ) 多区域、多分区同时黑启动原则。根据系统结构，黑启动的实施可划 分为各个区域。考虑电源分布和网络结构，每个黑启动实施区域又可划分为若干 个分区。为提高恢复供电的效率和成功率，减少停电的时间和损失，黑启动采用 多区域、多分区同时启动原则。在分区和区域复电后，通过分区间或区域间的互 联或送电，以及主网架的重建，逐步扩大电网规模和加强网络结构，直至全面 恢复电网正常运行。 为保证分区启动成功，每个分区都必须有自启动和外部电源启动的黑启动方 案。各分区优先按照自启动方案启动，一旦区内黑启动电源无法启动后，应立 即按照利用外部电源启动的方案进行恢复。 ( 2 ) 黑启动分区的划分原则。在黑启动电源方案中有一类待启动的电源称 作第二批启动电源，它们是不能依靠自身的能力恢复运行，而必须在黑启动电源 启动成功后，通过主干线路尽快地进行启动的电源。在黑启动实施区域的每个分 区中应包括一个或两个黑启动电源，若干个第二批启动电源和关键的变电站，以 及黑启动电源与第二批启动电源、重要变电站之间的骨干线路。 ( 3 ) 电网黑启动电源的选取原则。黑启动电源是指不依靠外来电源能自行 启动的机组或本区域在无法完成自启动时可依赖的外部启动电源。选取原则如 下：具备自启动能力且该能力已通过试验验证的电厂；具备较大进相能力的电 厂；可作为外部启动电源的黑启动分区边界点。 ( 4 ) 黑启动目标网架的确定原则。每个分区都应有一个黑启动目标网架， 即与黑启动电源、第二批启动电源、相邻分区边界点和重要枢纽变电站连接的， 可以尽快实现主网架重建、恢复主要负荷的基本网架。 ( 5 ) 电网的恢复顺序原则。根据电网恢复过程各阶段的特点，电网的恢复 2 第一章绪论 顺序应遵循如下的原则：先恢复电源再恢复负荷；先恢复主要电源和主网架；主 网架中先恢复单线联系；先恢复交流线路后恢复直流线路。 1 2 2 应考虑的主要问题 不同的黑启动方案均由启动电源、启动路径和被启动电源组成，这三个方面 是黑启动方案形成的基本元素，也是制订方案应考虑的基本问题，制订黑启动方 案的过程即是对三者进行选择的过程。 黑启动的有效性直接关系到电网发生大面积停电事故后恢复供电的速度与 可靠性，迸一步的研究正围绕应用先进的控制调度理论指导黑启动方案制定而展 开。同时，为确保黑启动方案的可行性和实效性，重点开展黑启动电源和电网设 备的启动试验，核实电厂和电网的启动能力，并结合系统结构的变化和厂站内设 备的改造及时修改黑启动方案。 1 2 3 黑启动过程中存在的问题及注意事项 由于黑启动阶段是由一个电厂启动另一个电厂，形成一个两机子系统，因此 黑启动还会遇到一些特殊的问题，应注意的主要问题有1 8 】： ( 1 ) 黑启动机组的自励磁问题；黑启动过程中，自启动机组对启动路径充电 易发生自励磁。自励磁问题是指因发电机在带空充长线路时相当于带了一个容性 负载，此时甚至在发电机没有励磁电流的极端情况下，如图1 1 所示，由于发电 机剩磁作用，机端会有一个幅值较小的电压u o ，此电压加在容性负荷上，系统 将产生容性电流，该容性电流会对发电机产生助磁效应( 这是一个正反馈的过 程) 。增大励磁电流，升高端电压，随着发电机电压的升高，系统中的容性电流 也将增大，助磁效应增强，u o 又将上升。如此反复，机端电压将越来越高，但 由于实际存在磁路饱和，机端电压不会无限增大。 东南大学硕士学位论文 x 印x q l x d + 峋 ， 1 - l b 图1 1 产生自励磁的电路及稳定边界 由于此时无外加励磁电流，系统容性电流充当励磁电流，所以有以下关系式： = = 乃( x 口d + 也) 由于转子铁一1 5 , 渐趋饱和x a d 渐小，x a d + x c 也渐小，u o 最终将稳定在某一值 上，即最后有一个稳态结果。因此，由于饱和的存在，所谓同步自励磁就是在电 容性负荷条件下，发电机发出反应功率并建立对应于某饱和直轴同步电抗( 饱和 x d ) 值的稳态运行方式。如x c 小于非饱和x d 不多，自励磁电压并不高。 发电机自励磁现象实质是参数谐振，设在一同步发电机的定子中有一组稳定 正序电流流过，其综合向量为h n 。如果发电机能送出电磁功率，以平衡输电系 统电阻中的功率损耗，则会发生同步自励磁。 根据参数谐振概念得到其稳定边界： ) ( c 一( x d + x q ) 2 2 + r 2 = ( x d x q ) 2 2 4 第一章绪论 用图形表示即为图1 1 ( b ) 中半圆m 。这一半圆圆心坐标为( ( o ，( x d 一) ( q ) 2 ) 】， 而其半径为( x d - x q ) 2 。半圆内第1 部分是不稳定区。当代表输电系统参数点艰， x c ) 落于半圆m 内时，系统发生同步自励磁。 k s e q c 为机组不产生自励磁的条件( 式中：s e 为发电机容量；q c 为线路充 电容量；k 为发电机的短路比) 。 ( 2 ) 空载线路的过电压问题；恢复超高压架空线时必须考虑几个过电压问题： 持续工频过电压，操作过电压和谐振过电压。恢复空载线路过程中工频电压升高， 实质上是由空载线路电容效应引起的。这是由于空载线路的工频容抗大于工频感 抗，在电源电势的作用下，线路中的电容电流在感抗上的压降将使容抗上的电压高 于电源电势，造成输电线路上的电压高于电源电压。工频电压升高的大小将直接 影响操作过电压的幅值、保护电器的工作条件、电气设备绝缘及其运行性能。同 时电压过高还会导致发电机欠励，甚至自励和不稳定。 常见的操作过电压有中性点不接地系统中电弧接地过电压、空载线路合闸过 电压、切除空载线路过电压。谐振过电压指在电力系统中铁芯电感元件，如发电 机、变压器、电压互感器等非线性元件和系统中的电容元件组成许多复杂的振荡 回路，如果满足一定的条件，就可能发生谐振，常常引起严重的、持续时间较长 的过电压。 图1 2 等值电路 在计划性合闸前，线路上不存在接地，系统是对称的，线路上初始电压为零， 在合闸瞬间暂态过程中，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程。其等值电路如图1 2 所示，考虑最严 5 东南大学硕士学位论文 重情况，合闸瞬间电源电压瞬时值为幅值e 时合闸，其回路方程为： l s d i d t + l c f ，i d t = li = c t d u c d r 由此导出：u c + l s c t d u c d t = u c 。 由初始条件t - - o 时，u c ( 0 ) = o ，i = c w d u c d t - - - o ，解得u c = e m ( 1 - c o sc o 呻；当仁 ( i ) 0 时，c o s ( - ) o r = - - 1 ，即合闸后兀0 0 时刻，u c 达最大值= 2 e m 。当考虑回路中存 在损耗时，实际振荡过程中线路上的电压要比2 e m 低。 在2 2 0 v k 线路上合空载线路时的冲击较小，二般不会达到线路相电压的3 倍，而在线路设计中，2 2 0 k v 及以下电力系统的绝缘水平设计倍数3 5 u o ，故 不会威胁绝缘。因而在黑启动过程中空载线路的工频过电压问题，必须予以充分 重视。 ( 3 ) 黑启动初期的低频振荡问题；黑启动初期系统比较薄弱，多为超高压远 距离送电，因此容易发生低频振荡。通过监测设备感受发电机转速和电磁功率的 变化，适当调整励磁机励磁电流，改变发电机端电压，从而达到阻尼功率振荡目的， 提高电力系统动态品质。另外，合理调整潮流分布也可有效抑制和消除振荡。 ( 4 ) 恢复过程中电压和频率的控制；在黑启动过程中，保持系统频率和电压 稳定是非常重要的，每一步操作都要监测系统频率和重要节点电压水平，否则极 易导致黑启动失败。频率与系统有功( 即机组出力) 和负荷有关，控制频率涉及负荷 恢复速度，机组调速器响应和二次调频。为保持系统稳定，需保证非自启动机组获 得最多的启动功率，同时必须恢复系统负荷以保证功率平衡。恢复负荷与频率波 动有密切关系。电压控制与无功有关。黑启动进程中首先必须充电空载或轻载长 线路，由于分布电容存在，势必产生大量无功，造成系统电压抬高。电压控制可采取 的措施有：将发电机运行于低电压水平；对于双回输电线只投单回；在变电站低压 侧投补偿装置等。 ( 5 ) 初步恢复后系统的稳定问题；初步恢复后的网架系统还比较薄弱，整个 6 第一章绪论 系统容量较小。为了防止在恢复过程中系统再次解列，就必须考虑系统此时受到 大干扰的情况，也就是系统初步恢复后的暂态稳定的问题。 在黑启动阶段应考虑以上几个因素的影响，一般要对在黑启动方案实施前应 对方案进行校验，即对黑启动中是否出现机组自励磁、空载线路的操作过电压、 恢复过程中的电压和频率越限、两机系统形成后的低频振荡问题进行数值计算， 通过校验的方案才是可行的黑启动方案。在黑启动方案的制订过程中应考虑校验 指标的优劣，应该尽量避免选择校验指标处于临界状态的黑启动方案作为系统恢 复的黑启动预案。 另外，在黑启动的实施过程中，无论是在网络结构或是系统特性都与正常状 态下的系统有很大的差异，继电保护装置的特性以及系统对这些装置的要求可能 会变得不适合，因此如何合理的对继电保护装置进行配置是黑启动过程中涉及到 的众多问题之一。 1 3 国内外对黑启动方案研究的重视及现状 自从上个世纪8 0 年代，电力系统黑启动问题逐渐引起了人们的重视，国外 学者开始进行该问题的研究，黑启动过程中所需要解决的问题逐渐明确，并结合 具体的系统研究了各种不同的黑启动方案。文献【3 】结合美国内布拉斯加电力系 统，讨论了使用遥远小水电作为启动电源来启动大容量火电厂的黑启动方案，将 仿真结果和实际的实验进行了比较，得出了比较一致的结果。文献【4 】对希腊 h e l l e n i c 电力系统的一次大停电事故进行了恢复仿真研究。文献【5 】介绍了关于黑 启动和系统恢复问题的一种新的方法框架。文献【6 】中讨论分析了三个不同类型 系统( 纯火电，水火联合，水电为主) 的恢复计划，指出它们需要考虑的共同问题， 如无功平衡问题及负荷发电功率平衡问题等；同时还对“串行 或“并行 恢 复方案的选择进行了讨论。文献【7 】利用主观概率得到恢复过程中每一步操作所 需时间的正态概率分布情况，并利用“关键路径法 得到整个启动过程所需时间 7 东南大学硕士学位论文 去估计启动方案成功的可能性。 近年来，黑启动问题也逐步引起了国内电力生产部门和学者的重视，并开始 在这方面展开积极的研究探讨。1 9 9 9 年，上海交通大学与华东电力调度局合作， 进行了华东电网黑启动问题的研究试验 2 】。以天荒坪抽水蓄能电厂作为黑启动 电源，为新安江水电站送去启动功率。在仿真研究中对恢复过程中的低频振荡问 题，发电机自励磁问题，空载线路的合闸过电压问题，以及初步恢复后系统的暂 态稳定性问题都做了研究。2 0 0 0 年5 月5 日，华北电力调度局以十三陵水电站 作为黑启动电源进行了局部系统的黑启动工业试验研究，对黑启动过程中各种系 统变量进行了实测分析 8 】。其它部分网、省局也都根据本系统的实际情况开始 进行黑启动研究，制定了黑启动方案。同时国内学者对有关恢复决策的一些问题 进行了研究探讨，如文献 9 1 d 0 提出建立自适应的黑启动决策支持系统是发展方 向。文献 1 0 】将分层案例推理的思想应用于黑启动调度任务决策支持。 1 4 本文研究的主要内容 本文简述了黑启动方案的研究背景和意义，黑启动研究的主要内容，及黑启 动过程中存在的问题和现状。接着，以徐州电网作为苏北黑启动方案的实施地点， 针对徐州电网的黑启动能力进行了调查研究。然后，在本文中规划了徐州电网黑 启动方案，并对其几个方案进行比较，通过黑启动方案的科学计算，推荐出最优 方案。同时，得出徐州彭城电厂黑启动现场试验方案。 8 第二章徐州电网的黑启动能力调查 第二章徐州电网的黑启动能力调查 江苏电网是全国规模最大的省级电网之一。随着电力系统的发展，江苏电网 规模仍然在不断扩大，电网对国民经济的稳定和发展起着越来越重要的作用。与 此同时，潜在的大电网全停事故发生的危险性也在增加，电网运行的压力越来越 大【1 1 1 。 江苏地区近年来灾害天气频发，尤其是苏北地区2 0 0 5 年的飑线风灾、2 0 0 6 年的台风灾害，均给江苏电网的安全运行带来了较大影响，今后江苏电网发生严 重故障、导致大面积停电的可能性仍然存在。为了防患于未然，确保江苏电网在 极端严重故障、全网大停电情况下实现快速恢复，最大程度地减少电网故障对社 会经济的影响，在我省苏北地区设置黑启动电源是必要的。 考虑到苏北地区徐州市电厂较多，因此本文以在徐州地区设置黑启动电源为 例，开展苏北黑启动方案的研究。 2 1 徐州电网概况 2 1 1 徐州电网的规模 徐州电网的供电范围包括市区、大屯矿区和贾汪、邳州、新沂、铜山、丰县、 沛县、睢宁县等9 个区县。2 0 0 7 年徐州电网全社会用电量为1 7 6 1 亿k w h ，全 社会最大负荷为3 0 0 1 m w 。徐州市是江苏电网的电源基地，2 0 0 7 年拥有统调装 机容量6 1 5 9 m w ( 不含阳城电厂) 。共有5 0 0 k v 变电所2 座( 任庄、三堡) ，开 闭站1 座( 东明) ，主变4 台，总容量2 5 0 0 m v a ；2 2 0 k v 变电所1 6 座( 不含用 户变) ，主变2 7 台，总容量3 6 0 0 m v a 。5 0 0 k v 线路长度1 4 0 2 k m ( 含区外) ，2 2 0 k v 线路1 6 3 9 k m t l l l 。2 0 0 7 年徐州2 2 0 k v 及以上电网接线见图2 1 。 9 东南大学硕士学位论文 图2 12 0 0 7 年徐州2 2 0 k v 及以上电网接线示意图 2 1 2 徐州电网的正常运行方式 兰汉i 至2 0 0 8 年末，徐州电网全社会用电量为1 8 9 2 亿千瓦时，全社会最大负荷 为2 9 3 5 万千瓦，统调负荷为2 4 7 4 万千瓦。徐州市是江苏电网的电源基地，徐 州地区共有各种类型的电厂3 9 家，装机总容量6 9 5 6 2 2 万千瓦，公司拥有3 5 k v 至5 0 0 k v 变电站1 9 4 座，其中5 0 0 k v 变电站2 座，开关站1 座，主变4 台，容 量2 5 0 万千伏安。2 2 0 k v 变电站1 9 座，主变3 2 台，容量4 6 8 万千伏安。1 l o k v 变电站6 8 座，主变1 2 2 台，容量4 9 5 2 万千伏安。3 5 k v 变电站1 0 4 座，主变1 9 0 台，容量1 5 4 0 9 万千伏安。拥有3 5 k v 及以上线路4 4 6 条7 6 8 5 4 6 k m ，其中5 0 0 k v 1 0 第二章徐州电网的黑启动能力调查 线路1 4 条1 4 0 2 k m ，2 2 0 k v 线路6 7 条1 6 5 0 1 l k m ，l l o k v 线路1 4 5 条1 9 8 1 9 8 k m ， 3 5 k v 线路2 2 0 条2 6 5 1 3 7 k m t l l l 。 2 2 黑启动电源调查 在制定黑启动方案时，一般先将系统分成几个子系统，各子系统依靠本区域 内的黑启动电源分别同时独立启动，然后再将整个电网逐步连接，完成全网由黑 启动到正常供电的运行。因此，黑启动能否得以顺利实现，关键在于是否具有黑 启动电源，即具备自启动能力的机组。黑启动电源必须是无需外来机组便能自启 动的机组，其选择应注意以下问题： 1 ) 启动能力：在没有外部电网支持的情况下有自启动的能力，启动速度快。 2 ) 在电网中的位置：离大容量机组近，启动其他电厂的路径短，与其他电厂间 的电压等级变换少，离重要负荷中心近。 3 ) 带负荷的能力：有足够容量带动非黑启动机组厂用负荷，并且能承受得起其 他电厂辅机启动时的冲击负荷。 4 ) 机组调节能力：具备负荷调整、频率控制、电压控制等能力。 只要满足相关条件，各种类型的机组都可作为黑启动机组。 2 2 1 徐州电网2 0 0 9 、2 0 1 0 年发展规划 根据江苏省电力公司的关于徐州地区电网2 0 0 8 - - 2 0 1 0 年规划和建设若干 意见的通知( 苏电发展( 2 0 0 8 ) 1 7 4 号) 、( 2 0 0 9 - - 2 0 1 3 年苏北苏中2 2 0 千伏电 网发展规划研究报告及其审查意见( 苏电发展 2 0 0 7 1 6 4 1 号) 、( 2 0 0 9 年江苏2 2 0 千伏电网系统设计报告及其评审意见( 苏电发展 2 0 0 7 1 7 5 7 号) 、徐州电厂“上 大压小”工程徐州电厂2 2 0 k v 升压站出线间隔系统调整方案报告及其评审意 见( 苏电发展 2 0 0 7 1 8 3 1 号文) 、徐州彭城发电厂二期工程( 2 x 3 0 0 m w 机组) 接入系统技术改造方案研究报告( 待省公司评审) ，2 0 0 9 ( 2 0 1 0 ) 年徐州2 2 0 k v 东南大学硕士学位论文 核心电网地理接线示意图( 徐州电厂关停4 x 1 2 5 + 2 x 2 0 0 m w 机组) 见图2 3 【1 1 1 。 图2 32 0 0 9 ( 2 0 1 0 ) 年徐州电网地理接线示意图 由上述文件的内容可知，2 0 0 9 2 0 1 0 年徐州2 2 0 k v 电网主要部分( 核心) 电 网，包括市区和铜山县、贾汪区将形成多环“蜂巢”型电网。核心电网再向邳州、 新沂、睢宁、沛县、丰县和大屯矿区幅射。电源方面，与彭城电厂相邻的徐州电 厂的即将进行“上大压小 的改扩建，同时徐州电厂的6 组近9 0 0 m w 的机组也 将逐步关停，相关的电厂出线都将都将临时改接。而在现有的徐州地区电厂机组 容量中，彭城电厂的机组容量大，距负荷中心的距离近，所以彭城电厂在目前徐 州电网中的担负着非常重的任务。根据系统的划，目前将在距彭城电厂较近的地 方( 如图2 3 中) 新建一座2 2 0 k v 变电站( 位庄变) ，该站也是临时改接方案中 的重要节点。 2 2 2 彭城电厂 彭城电厂目前装有4 台机组，总装机容量1 2 0 0 m w 。撑l ，轮机为2 2 0 k v 电 1 2 第二章徐州电网的黑启动能力调查 压出线接入电网，2 2 0 k v 出线规模8 回，现有出线6 回( 桃园、九里山、贺村各 2 回) ，备用2 回；其中：至桃园变导线l g j 2 x 3 0 0 ( 自投产之日正常一直开断 运行) ，至九里山变导线l g j - 4 0 0 ，至贺村变导线l g j 2 x 3 0 0 。 3 ，私机采用发 变线组单元制接线，以5 0 0 k v 电压接入电网【l l 】。 彭城电厂在电网中位置见图2 2 。 图2 2 彭城电厂在电网中位置示意图( 现状) 为配合2 0 0 8 年彭城电厂撑3 、躺机组降压2 2 0 k v ，保证电厂安全生产，应加 快建设赵山郑集( 黄集) 高皇郎山输变电工程。在位庄变未建成时，可先 采用开断环入郑皇一回线引接撑3 、辫机组，待位庄变建设后再改接进位庄 1 1 1 。 依上综述，现阶段将彭城电厂作为黑启动的对象非常必要。而通过位庄变为 彭城电厂的厂用电系统供电优势十分明显。 2 2 3 黑启动电源的选择 在黑启动阶段，首先遇到的问题是黑启动电源的确定。黑启动电源可分为三 类。第一类黑启动电源是本身具有黑启动能力的机组；在系统全停的条件下，电 1 3 东南大学硕士学位论文 厂内部的厂用电几乎全部失去。大部分火力发电厂内由柴油发电机提供的事故保 安电源的容量仅仅能够保证在这种意外情况下发电机、主变等主要设备不被损 坏，而不可能为机组提供足够的厂用电来启动因故障停机的主机。所以，一般来 说如果没有外界电源，火力发电厂机组是不能启动的，也就是不具有自启动能力。 与之相对应的，水轮机和燃气轮机组的启动对厂用电要求很低，有的时候甚至不 需要厂用电。第二类黑启动电源为事故后残存的机组或孤岛，它们通常为装有满 负荷减载装置的汽轮机，跳闸后带自身的厂用负荷运行，或是低频解列后形成的 孤岛。第三类黑启动电源为相邻系统的支援。通常列入恢复计划的只有第一类电 源，而后几类电源因为跟系统事故后的状态有关，所以很难列入事先制订的恢复 计划中去。 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力油槽油 压能否维持在正常工作范围内。另外，水电机组一般远离负荷中心，需经长距离 高压线路接入系统，有可能会发生自励磁或线路末端电压过高的情况，但如果能 在送电过程中及时恢复某些负荷或调整恢复路径，一般过电压问题可以得到控 制。然而水电机组也受地域、气候的制约，因为有的地区没有水电，同时水电还 受水量的限制。 众所周知，燃汽轮机相对燃煤机组而言，最大的优点是启停迅速、加减负荷 快。例如金华燃机的6 b 机组，单循环从启机到全速只需l l m i n ，并网加到满负 荷也仅需要3 m i r a 又例如深南电的9 e 机组，联合循环从启机到满负荷( 热态) 也 仅需3 9 m i n ；温态为5 4 m i n 。所以，目前燃机机组在电网中主要承担调峰任务。 燃机在启停上具有快速性、加减负荷速率大等优势外，还在于燃机的甩负荷 特性非常好，1 0 0 的甩负荷，机组转速一般也不会超速5 。原因是燃机透平 产生的1 3 功率是真正发电机输出功率，2 3 功率是被燃机自己的压气机消耗 的功率。所以，1 0 0 甩负荷其实是甩1 3 的负荷。另外，燃机系统的“负荷 转速控制 是直接调节燃料行程基准f s r 实现的，没有燃煤机组的燃料蒸汽 1 4 第二章徐州电网的黑启动能力调查 发电功率的环节。燃机甩负荷后，f s r 减少到预先设定好的百分数，燃机转速虽 然也会上升，但它是为了燃机不熄火，保证燃烧有稳定的排气温度，必然维持 一定的燃料行程基准，转速上升是f s r 的调整过程。所以，燃机的甩负荷特性 也非常理想，能满足电网动态稳定性的要求。 徐州地区是江苏省有名的缺水地区。所以选择燃机机组作为黑启动电源。将 苏北黑启动电源落实到在建的2 2 0 千伏位庄变电站，通过输电线路启动华润彭 城电厂一期工程机组( 2 3 0 0 m w ) ，进而恢复徐州电网乃至苏北地区电力系统。 根据2 2 0 k v 位庄变电站工程初步设计说明书( 徐州电力勘察设计院 b 5 7 8 1 c ) ，徐州电网2 2 0 k v 位庄变电站建设规模如下： ( 1 ) 主变压器：本变电站设计规模为3 2 4 0m v a 变压器，电压等级 2 2 0 1 1 0 2 0 k v ，本期安装1 台1 8 0m v a 主变( 另外黑启动升压变布置在本 变电站内) 。 ( 2 ) 出线回路：a 、2 2 0 k v 出线远期8 回，本期6 回，分别为高皇至黄集 双线开断环入4 回，彭城电厂接入2 回。b 、1 1 0 k v 出线远期1 2 回，本期6 回。 c 、2 0 k v 出线远期3 0 回，本期4 回。 ( 3 ) 无功补偿：a 、远期：按站内装设9 7 2 m v a r 的规模进行设计。b 、 本期：本期装设3 7 2 m v a r ，半容量投切。 ( 4 ) 主变压器选型a 、电压等级：选用2 2 0 1 1 0 2 0 k v 三级。b 、各侧容量 比及选型：主变三侧容量比可选为1 0 0 1 0 0 5 0 ，建议选用自耦变压器。c 、接线组 别：选为y n ，a o ，y n 0 ，d l l 。d 、调压方式及主变分接头选择：采用有载调压方式。 2 3 电网的相关问题 2 3 1 送电途径 将苏北黑启动电源落实到在建的2 2 0 千伏位庄变电站，通过位庄至彭城电 1 5 东南大学硕士学位论文 厂的输电线路启动华润彭城电厂一期工程机组( 2 3 0 0 m w ) ，进而逐步恢复徐 州电网乃至苏北地区电力系统。 2 3 2 自动化及通信系统 有关徐州系统调度自动化现状调查如下f l l 】： 江苏省调的o p e n 3 0 0 0 系统接收省内有关发电厂、5 0 0 k v 变电所、主要 2 2 0 k v 变电所及有关地调转发来的远动信息，信息主要来自于g r9 0 、d s s 等远 方终端装置或变电所计算机监控系统。 目前徐州地调以o p e n 一2 0 0 0 系统接收有关发电厂、5 0 0 k v 、2 2 0 k v 变电所 以及主要1 1 0 k v 变电所的远动信息，接收的远动信息主要来自于变电所计算机 监控系统或远方终端装置。 位庄变电站工程目前已完成初设，并通过审查。根据2 2 0 l ( v 位庄变电站工 程初步设计及审查会议精神，变电站为无人值班站，将采用计算机监控方式， 有关远动信息由计算机监控系统采集、远传，远动信息送到铜山县调、徐州地调， 江苏省调所需远动信息由徐州地调转发。 考虑到电厂定位及用途特殊性，本工程黑启动电源按省调、地调二级调度考 虑。相关远动信息需送至江苏省调和徐州地调，江苏省调所需相关远动信息由徐 州地调转发。 有关徐州系统通信现状调查如下【1 1 】： ( 1 ) 徐州至江苏省调电力通信网：徐州地调至江苏省调之间已建有江苏电 力s d h 微波电路、省网a t m 电路、省市d w d m 宽带电力信息通信网；还建 有以5 0 0 k v 变电站为节点的2 5 gs d h 光通信网，该5 0 0 k v 变电站作为地区的 第二汇接点，徐州地区为三堡变。 ( 2 ) 徐州地区通信网：经过徐州地区电力信息网的建设，光纤通信已成为 主要通信方式。徐州地区电力信息网一期工程建成东环和北环两个s d hs t m 1 6 1 6 第二章徐州电网的黑启动能力调查 环网，东环由徐州市供电公司、贾汪供电公司2 2 0 k v 潘家庵变、新沂供电公司、 邳州供电公司、5 0 0 k v 三堡变以及铜山供电公司组成；北环由徐州市供电公司、 桃园变、沛县供电公司、丰县供电公司、黄集变组成。 ( 3 ) 徐州市城网现状：徐州市光纤传输覆盖市区所有变电站，形成了东、 西、东北和东南四个环网和环带多链的结构。其中北主环是由2 5 gs d h 设备组 成的环网。 ( 4 ) 调度交换机组网现状：江苏电网系统调度交换机已完成系统组网，并 在各地区分设主备用汇接点，徐州地区系统调度交换网的主备用汇接点为徐州地 调和三堡变，县调配置为调度交换网端局。 根据江苏电网规定，统调电厂由地调汇接点和备用汇接点或县调端局交换机 接入。 2 3 3 电网的继电保护配合问题 彭城电厂系统继电保护现状如下【1 1 】：旁路4 6 2 0 开关保护柜：w x b 1l c 线路 保护，1 9 9 6 投运。母线保护柜：g z m j 母线保护柜，于1 9 9 6 投运。配置1 3 个 单元，目前已接入1 0 个单元。根据电厂计划，2 0 0 8 年1 0 月将对母差保护进行 改造。故障录波柜：武汉h a t h a w a y 产品，于2 0 0 4 投运，目前剩余8 路电流 量。2 2 0 k v 线路保护：目前电厂有6 回2 2 0 k v 出线，每回线路均已配置双套高 频保护。 位庄变彭城电厂双回线( 接至# 3 、4 机) 系统继电保护现状如下【l l 】：位庄 变电站为新建变电站，目前已完成初步设计，尚未评审。根据位庄变初步设计方 案，位庄变彭城电厂双回线( 接至# 3 、4 机) 每回线路两侧均配置两套光纤全 线速动主保护，每套保护带有完整的后备保护及重合闸。 1 7 东南大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章重点对徐州电网的黑启动能力进行了全面的调查研究。了解到徐州电网 的概况，并提出了徐州电网存在的问题和设想。重点调查研究了徐州黑启动电源， 对徐州地方电厂情况调查后，选出作为黑启动电源的电厂机组及初步的自启动机 组方案。同时，考虑到徐州现有电网的其他问题并进行了简述，包括：入送电途 径，调度自动化及通信系统和电网的继电保护配合问题。通过这些调查，对徐州 电网现状有了初步的了解，为黑启动工程的设计做了铺垫。 1 8 第三章徐州电网黑启动方案设计 第三章徐州电网黑启动方案设计 3 1 徐州电网黑启动方案编制的基本思路 在江苏电网“十一五 电网规划和徐州地区电网建设计划的基础上，考虑到 苏北地区电源分布