（电气工程专业论文）利用桓仁水电站的辽宁电网黑启动研究.pdf

华北电力人学i ：样硕十学位论文摘要 摘要 长时f b j 的大停电会造成很大的经济损失和社会影响，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。 本文对利用辽宁电网内桓仁水电站黑启动鞍山电厂进行全面分析研究。对桓仁 电站机组做辽宁电网黑启动电源进行可行性分析论证，分析解决影响其黑启动的主 要因素，提出了机组黑启动的方案和开机条件及流程。利用相应软件按照黑启动的 路径，对是否能发生自励磁以及过电压是否在允许范围内等相关技术问题进行分析 研究。编制了利用桓仁电站黑启动鞍山电厂的现场试验方案以及恢复预案。 上述研究成果为辽宁电网黑启动方案的制定提供依据，为辽宁电网实际黑启动 试验提供参考，对辽宁电网处理大面积停电具有一定的指导意义。 关键词：黑启动，水电站，电力系统恢复，恢复方案 a b s t r a c t l nr e c e n ty e a r s ， l a r g e s c a l eb l a c k o u t sh a p p e no c c a s i o n a l l ya r o u n dt h ew o r l d ， c a u s i n ge n o r m o u ss o c i a li m p a c ta n de c o n o m i cl o s s e s a f t e rab l a c k o u t ，p o w e rn e e d s t ob er e s t o r e da sq u i c k l ya n dr e li 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 il e d r e s t o r a ti o np l a n sa r en e c e s s a r y i n t h i st h e s is ，ab l a c ks t a r ts c h e m eo fa n s h a nf i r ep o w e rp l a n tb yh u a n r e n p o w e rp l a n ti st h o r o u g h l ys t u d i e d b a s e do nt h ea c t u a lc o n d i t i o n s ，t h ef e a s i b i l i t y o fs e l f s t a r tf o rh u a n r e np o w e rp l a n ti ss t u d i e d w i t ht h em a i nt e c h n i q u ep r o b l e m s b ed i s c u s s e d ，t h ep r o p e r 日u a l i f i c a t i o n a n d p r o c e d u r ef o rb l a c ks t a r to fh u a n r e n p o w e rp l a n ta r ep r o p o s e d t h es p o tw h i c hd r a w su pt om a k eu s eo fh u a nr e np o w e rp l a n t t ob l a c ks t a r ta n s h a nf i r ep o w e rs t a ti o ne x p e r i m e n t s t h ea b o v e m e n t i o n e dr e s e a r c hr e s u l tp r o v i d e sf o rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h el i a o n i n gg r i d b l a c ks t a r tp r o j e c tb a s i s ，e x p e r i m e n tt op r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h ep h y s i c a l l yb l a c ks t a r t o fl i a o n i n gg r i d ， h a n d l eb i ga r e ap o w e rf a i l u r et oh a v ec e r t a i ni n s t r u c t i o nm e a n i n gt o c h a r g e dl i a o n i n gg r i d n ie c h u a n g ( p o w e rs y s t e ma n d i t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f r e nj i a n w e n k e yw o r d s ：b l a c ks t a r t ，p o w e rp l a n t ，p o w e rs y s t e mr e s t o r a t i o n ，r e s t o r a t i o np l a n 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文利用桓仁水电站的辽宁电网黑启动研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 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。 学位论文作者签名：三阻日期：学 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 期： 戛问导师签名： 华北电力人学i ：稃硕十学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 随着国民经济的不断发展，社会各方面对电力的需求越来越大，对电力供应的 依赖性也越来越大。目前，我国正在逐步实施各大区域电网的联网工程，进入了高 电压、大电网、大机组时代，j 下在加紧规划和实施全国跨大区联网，大电网的优势 是显而易见的，能够提高供电可靠性、促进资源的优化配置、经济合理利用能源， 提高电能质量和电网的安全稳定水平。但随着电网的互联和电网覆盖范围的扩大， 也带来了潜在的威胁，即局部电网的某些个别问题，特别是发生短路故障等，将波 及邻近的区域，若处理不当或不能迅速消除时，很可能导致的稳定破坏和不可控的 连锁反应，造成大面积停电或全部停电的重大系统事故。严重时造成整个电网崩溃， 对社会的政治稳定和经济安全造成严重影响，甚至危及国家安全，这是其它行业的 事故无法比拟的。 近年来，电力系统大面积停电事故时有发生，例如1 9 8 2 年和1 9 8 9 年的加拿大 魁北克地区大停电、1 9 9 6 年8 月3 同的马来西亚全国大停电、1 9 9 6 年的美国西部 w s c c 系统两次大停电、1 9 9 9 年的我国台湾地区大停电、2 0 0 3 年8 月1 4 日的美 加大停电，2 0 0 5 年5 月俄罗斯莫斯科大停电等都产生了严重的后果，造成了l 系列 的社会问题和经济损失。尤其是美加大停电是世界电力历史上规模最大、影响最广 的一次停电，上百台机组跳机，影响大约5 0 0 0 万人，给美加两国造成数百亿美元 的经济损失【l 】。2 0 0 5 年9 月2 6 同，台风“达维对海南电力设施造成了严重破坏， 引起部分电厂解列停机，最后系统瓦解，全省大面积停电，对当地的经济及人民生 活带来了严重的影响，虽然此次事故停电的规模不能同国外几次大停电事故相比， 但也为电网的安全运行敲响了警钟。 在电网大面积停电的情况下，迅速恢复电源是至关重要的，通过分析国内外发 生的几次大停电事故及事故后电网恢复经验，发现先采取了相应的措施，有合理的 恢复启动程序，能大大缩短停电时间，降低经济损失和社会影响，若无任何黑启动 措施，将使停电时间延长，电网的恢复将更加困难、使国民经济遭受更大的损失， 因此研究电网全停后的恢复问题即黑启动显得十分重要。例如受当时的运行水平和 条件影响，忽视了电网恢复的重要性，没有准备黑启动方案，造成2 0 0 3 年的美加 大停电时间长达2 9 小时，1 9 9 7 年7 月的纽约大停电经2 5 小时后彳全部恢复供 电，造成了巨大的经济损失。相反，有充分而合理的事故恢复方案，可能帮助调度 及生产运行人员采取适当的措施，从而大大减少停电时间，法国国家电力公司由于 一丌始就采取了相应措施，有合理的启动程序，因此在历次大停电事故中均取得了 华北电力人学i ：拌硕十学位论文 主动，大大的缩短了停电恢复时间。这些停电事故及事故后电网恢复的事例引起了 中国电力工作者的高度重视。2 0 0 1 年7 月l 同我国颁布实施的强制性电力行业标准 电力系统安全稳定导则专门增加了“电力系统全停后的恢复”这一章节，要求 各电力公司根据本系统实际情况制定合适的恢复方案，以便大停电后快速有序地实 现系统的重建和对用户恢复供电1 2 】。因此研究作为电力系统安全运行的重要措施之 一的电力系统事故全停后的恢复问题，即“黑启动”问题，具有重要的理论和实际 意义。 辽宁电网已发展成为以5 0 0 k v 和2 2 0 k v 输电线路为主网架，6 0 0 m w 、3 0 0 m w 机组为主力机型的高电压、高参数、高自动化的现代化电网。现阶段东北、华北电 网已经实现了联网运行，东北与华北、华东电网联网后，东北电网的剩余电力可以 通过辽宁电网输送到华北、华东地区，这样既大大缓解了华北、华东地区的用电紧 张状况，又提高了东北电网的经济效益。但随之而来的是辽宁电网的稳定水平由于 联网而下降，加上工农业用电量的增加，辽宁电网建设得到了空前迅猛发展，电网 结构虽然只趋合理，但也变得更加复杂，理论上大面积停电的风险也在增加。尽管 针对电网故障采取了各种各样保障电网安全稳定的技术措施，但电网发生超过校核 水平的严重故障( 例如多重复杂故障、受端失去大电源、主要联络线开关不正确动 作或者继电保护及安全稳定自动装置不正确动作等严重故障) 仍可能演变成全网的 灾难性事故，严重故障及自然灾害情况下发生全网性事故的可能依然存在。因此在 加强电网建设和管理的同时，有必要研究大停电事故后的电网恢复问题( 即黑启 动) ，制订黑启动方案，作为电网安全运行的重要防范措施和应急预案之一，培训 电网调度管理人员，以便发生恶性事故后促进电网恢复，做到有备无患，大大减少 停电时间，将损失减少到最小。作为东北地区的重要工业基地，特别是国家“振兴 东北”政策的全面启动，对辽宁电网的可靠供电特别是电网事故后的快速恢复提出 了更高的要求，辽宁电网现在还没有进行相关的黑启动试验以及方案制定，因此我 们的辽宁电网黑启动方案的研究是具有现实意义的，是值得探究的课题。 辽宁电网内水电装机容量较小，直调的水电站共有五座，分别是桓仁、回龙、 太平哨、双岭、金哨水电站，其中桓仁、回龙、太平哨电站为国电电力和禹水电开 发公司管理，双岭、金哨为多益开发公司管理。上述水电站总装机容量为6 1 3 5 m w ， 辽宁电网省调直调水电厂机组容量分布见表1 1 。有限的水电装机容量在系统中承 担调峰、调频、事故备用、调联络线的作用，同时上述水电站也是系统中理想的备 用电源和辽宁电网首选的黑启动电源。目前，辽宁电网电源结构单一，基本上是燃 煤火力发电机组，火电机组平均启动时间较长，特别是火电厂在失去厂用电时无法 自启动，更不能在电网发生大面积停电的恶性事故时作为紧急备用。水电机组具有 响应快，调节能力强，丌机条件容易具备等优点。如果水电站具备较大的库容，水 轮发电机组及相关附属设备性能优良，电站内主接线合理，能确保在系统事故时， 2 华北电力人学i ：稃硕十学位论文 以最快的速度丌启机组发电实现厂用电自救并及时向电网供电，尽快恢复电网运 行。从机组的启动速度，调节特性、厂内主接线，可持续供电时间来看，桓仁水电 站是理想的备用电源和辽宁电网首选的黑启动电源【3 】。研究如何利用桓仁水电站作 为电网的黑启动电源进行辽宁电网黑启动，设计实用的、可靠的黑启动方案，实现 大面积停电后的系统恢复，提高辽宁电网的安全稳定运行水平和供电可靠性，对辽 宁电网是一个有利的支持。 表1 1辽宁电网省调直调水电厂机组容量分布表( m w ) 分布 序号单位 总容量 lg2 g3 g4 g5 g l 桓仁厂 2 4 6 57 2 57 57 58l6 2 回龙厂 7 23 63 6 3 太平哨 1 6 l4 0 2 54 0 2 54 0 2 54 0 2 5 4 金哨厂 8 44 24 2 5 双岭厂 5 02 52 5 1 2 黑启动的主要研究内容和现状 所谓黑启动，是指整个系统因故障停电后，不依赖其它电网的帮助，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火电机组，最终恢复机组、电 网运行能力的过程【j 。 1 2 1 黑启动一般过程及恢复原则 黑启动的目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其他机组：二是制定严格操作 步骤，实现操作步骤最少。电力系统大停电后的恢复过程涉及发电、输电和配电各 个环节，全系统停电或区域性全部停电后，恢复过程时间较长而且比较复杂，根据 系统在恢复过程中不同时期的特点，可以把恢复过程分为三个阶段：黑启动初始、 建立网络构架和负荷恢复等三个阶段。 1 黑启动初始阶段 该阶段包括水轮发电机组的自启动、空载线路及变压器充电，大型电动机启动 等，此过程一般历时3 0 6 0 分钟，这是本文研究的重点。这一阶段主要是用系统 中的黑启动电源分别向停止运行的火力发电厂提供启动电源，使其能重新并入电 网，恢复发电能力，形成一个个独立的子系统【7 8 】。起始电源分几类：第一类是本 身具有黑启动能力的机组，通常为水轮发电机和燃气轮机：第二类为事故后残存的 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电运 华北电力人学i ：科硕十学位论文 行，或是低频解列后形成的孤岛，另外还有相邻系统的支援。由于第二类电源与系 统事故后的状态有关，具有不确定的因素，列入事先制定的恢复计划较困难。因此， 目前绝大多数电网所制订的恢复计划中只考虑第一类电源。第一类电源在这一阶段 涉及的主要问题有机组的启动和运行特性、向空载线路和变压器充电引起的自励磁 和过电压问题、孤立小系统的调频和调压问题等1 9 13 1 。 2 建立网络构架 该阶段通常历时3 4 小时。在这阶段，将建立稳定的输电网络构架。一方面 加强发电厂之间的联系以提高对厂用电的供电可靠性，启动大型的带基本负荷机 组，以稳定发电机的运行和系统电压；另一方面对一些子系统进行并列，从而建立 一个稳定的网架，为大量的恢复负荷创造条件。当然，对于一些地区系统之间的较 长联络线，可以暂缓投入并将它们放在负荷恢复以后进行，以免发生稳定性问题， 并可减少调度人员的紧张情绪。这一阶段涉及的主要问题是避免发电机吸收的无功 超过其进相能力和大量无功功率流过空载线路所产生的电压升高。有时为了吸收线 路电容所产生的无功功率和降低线路的空载过电压，往往需要投入一定数量的负荷 【1 4 】 o 3 负荷恢复阶段。 此时，火电机组已经启动并且有一定的发电能力，系统可供给的有功和无功大 大增加，而且也己建立较为稳定的网架，可以逐渐恢复负荷。这一阶段主要的问题 是如何使负荷的增加量应和系统的频率特性相适应，使系统频率和电压保持在允许 范围之内，而且使线路不过载【”】。 1 2 2 黑启动方案的制定 系统全黑状态是指当电力系统遭受重大冲击，除了发电机停运、电网解列、负 荷停电之外，电力系统中的调度自动化、通信系统的交流电源也发生失电造成设备 不能正常工作。这种系统大面积停电是极低概率事件，无论是调度人员还是电厂、 变电站的操作人员都没有太多的实际经验，在这种情况下，制定实用可行的黑启动 方案非常必要。具有完备的黑启动预案以及灵活的预案执行措施，各级调度人员才 能尽可能的减少操作失误，提高系统恢复的速度。 制定黑启动方案是一个非常复杂的半结构性优化问题，传统的优化规划算法不 能有效地解决这一问题【l 引。常规的解决方法是预先建立恢复规程，当系统发生大停 电事故时，运行人员按照事先安排的任务进行事故处理，调度人员也按照预先制定 的事故处理规程来指挥。 上个世纪8 0 年代丌始，电力系统黑启动问题逐渐引起了人们的重视，国外学 者丌始进行该问题的研究，解决黑启动的条件以及黑启动过程中所遇到的问题，并 结合具体的系统研究了各种不同的黑启动方案。文献1 7 结合美国内命拉斯加电力 4 华北电力人学l ：程硕十学何论文 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，并将 仿真结果和实际试验结果进行了比较，得出了较一致的结论。2 0 0 3 年意大利发生大 停电时采用事先制定的黑启动计划，将包括3 个火电厂和4 个水电厂、最大负荷约 3 0 0 0 m w 的西北部网络划分成有黑启动能力的3 条恢复线，在满足一定条件后，将几 个子系统进行并网，在3 0 分钟内就将系统基本恢复。 在众多的国外研究中，引入专家系统进行黑启动辅助决策是一个非常有希望的 研究方向( 1 8 】。借助专家系统的知识推理能力，可以确定数个较优的启动方案，并通 过数值仿真来检验方案的可行性，借助定量指标对各个方案进行排序，为调度人员 提供一个科学、直观的决策依据。系统恢复就可以看成是一系列常见的简单恢复过 程。 国内的黑启动研究起步比较晚，处于起步阶段。1 9 9 8 年由国家科技部启动了 “我国电力大系统灾变防治与经济运行的重大科学问题”的研究项目，其目的就是 提高我国电力系统安全系数，电力系统恢复方案研究就是其中子课题之一f l9 1 。此后 关于电网黑启动的研究便逐步展开，尤其是2 0 0 3 年“8 1 4 美加大停电之后，“黑 启动的研究成为各网、省电力公司的重点课题之一。同时，国家电网公司也将电 网是否具有黑启动功能作为考核一个电网是否安全的重要指标，因此国内的各网、 省公司更加大了对电网的“黑启动”工作的研究。华北、华东、吉林、安徽、陕西、 浙江、湖北等电网都进行了电网黑启动方案的研究，其中华北电网于2 0 0 0 年5 月 5 日，利用十三陵抽水蓄能电厂成功地进行了国内首次电网黑启动实验，其试验过 程为：十三陵抽水蓄能水电厂利用蓄电池开启闸门，启动1 台容量为2 0 0 m w 的机 组，仅需2 分1 5 秒，机组黑启动成功，之后通过十三陵一昌平变一清河变一石热厂 长度为9 l 公里的2 2 0 k v 线路，空充电至北京石景山热电厂的一条高压空母线， 通过厂高备变为石热厂机组提供启动功率，启动l 台2 0 0 m w 火电机组，机组启动 后将其与十三陵电厂的机组并列，形成一个小系统，再将小系统并入华北电网，历 时l 小时3 2 分钟【2 0 1 。2 0 0 2 年1 月1 6 日，湖北省电网也利用本省的抽水蓄能 电厂进行类似的黑启动实验【2 1 1 。云南电力公司通过大量电磁、机电暂态的理论计算 及分析论证，确定云南电网的黑启动方案，提出了“分层、分区”设立“目标电网”， 采用“多方案并举”建立“快速恢复通道 的电网恢复思路、采用零起升压方式的 电网恢复方案，并以全网方案中较为复杂的黑启动方案进行了系统试验，检验了云 南电网黑启动方案的j 下确性和可行性【2 2 1 。陕西电网【2 3 1 、浙江电网【2 4 】利用本省的水电 机组进行黑启动实验，取得了成功。2 0 0 5 年9 月2 6 同，东北电网在丰满一吉热进行 了黑启动试验，以丰满电厂7 5m w 水电机组作为启动电源，通过2 2 0k v 松东甲线、铁 东变1 号主变、6 6k v 东电甲线及吉热电厂高备变，给吉热2 0 0m w 机组提供厂用电， 吉热机组以丰满水电机组作为启动电源启动成功，实现水火电机组的同期并列【2 5 1 。 海南电网于2 0 0 5 年9 月2 6 同受到台风“达维”影响，引发了部分电厂连续跳机解列， 5 华北电力人学l ：程硕十学位论文 最终系统全部瓦解，导致罕见的全省范围大面积停电，由于事酊准备预防工作充分， 海南电网公司立即按照预定方案，紧急启用“黑启动”方案，就在海南电网f 式下 达“黑启动 命令后的仅l 小时2 5 分，就有电厂宣告成功“黑启动”，系统丌始逐 步恢复供电。这是国内迄今为止除演练以外的第一次成功采用“黑启动方案启动 恢复电网，验证了黑启动的正确与必要性。 1 2 3 黑启动恢复的安全考虑 由于很多黑启动恢复方案没有经过实践检验，加上发生大面积停电的概率较 低，因此在系统恢复时可能存在纰漏，对于整个系统恢复的进程和设备的安全可能 会造成严重影响。因此，在恢复研究中，需要关注一些特殊运行方式下的安全问题 【1 6 】 o 1 黑启动中比较典型的操作是一个黑启动机组向远方非黑启动机组提供启动 电源，因为火电机组辅机容量较大，启动时对主要由黑启动机组维系的小系统冲击 较大，需要对此过程进行详细研究，保证启动方案的顺利实施。 2 向空载线路或变压器充电，是否会产生铁磁谐振、操作过电压、发电机自 励磁。 3 大型火电厂辅机容量较大，且多为异步电动机，这些电机投入运行时会产 生很大的启动电流，给黑启动子系统造成冲击，小机组带大机组辅机时，是否有足 够的调压能力以维持母线电压，从而保证已投入的其它辅机不至于因电压过低而跳 闸。 4 调速、调压系统参数的校验。在“孤岛运行”的情况下，水电机组和火电 机组之间的协调问题也是调度人员所关心的。此时，系统频率变化比平时正常运行 时要剧烈，而通常由水轮机组充当调频任务，其调速器参数是按运行在大系统和额 定容量附近整定的，可能需要做一些调整以适应这些变化。 黑启动初期，电网联系比较薄弱，系统抗干扰能力差，输电能力低，需要进行 小干扰稳定和暂态稳定分析，确保远距离输电容量满足稳定限制条件【1 4 】。 1 3 本文研究的主要内容 黑启动主要研究电力系统发生大面积停电后的恢复策略和恢复过程中遇到的 问题。主要涉及黑启动时发电机自励磁问题、空载线路过电压问题、黑启动初期的 低频振荡问题、恢复过程中功率平衡和电压调整问题、初步恢复后的系统稳定问题。 本课题拟研究辽宁电网发生全停事故时，整个电网在没有联络线的支持下，以 目前辽宁电网的实际网架结构为基础，利用有黑启动能力的机组，结合所在地区域 的电网结构和负荷分布，进行单独的黑启动，并在适当时候与各系统并列，进而恢 6 华北电力人学l ：程硕十学位论文 复整个电网，本文主要研究以下内容： 1 根据桓仁地区水电站的实际情况，对水电机组黑启动的可行性进行研究论 证，对水电机组黑启动过程中的主要技术问题进行分析解决，提出桓仁电站机组黑 启动的丌机条件和启动流程，研究机组黑启动成功后，通过空充线路带动省内其他 火电厂厂用负荷，启动火电机组。根据系统特点和网络结构，提出丌展利用桓仁电 站机组黑启动带动鞍山电厂火电机组的研究。 2 分析研究桓仁电站水电机组黑启动后经长距离空载高压线路对鞍山电厂母 线和厂用变压器进行空充，然后带动鞍山电厂火电机组的厂用负荷，启动火电机组， 实现桓仁电站机组与鞍山电厂机组的并网运行。本课题利用相关软件按照黑启动路 径，对黑启动过程中可能发生的技术问题进行分析计算，包括机组是否发生自励磁、 工频过电压和操作过电压是否控制在允许范围内，鞍山电厂启动厂内大容量电动机 时对小系统造成的影响、鞍山电厂机组并网成功形成初步恢复后的桓仁一鞍山小系 统的抗干扰能力等。 3 对黑启动过程中可能出现的安全问题进行了阐述，并提出解决办法。 4 编制利用桓仁水电机组黑启动后带动鞍山电厂厂用负荷进而带动机组启动， 实现水、火电机组并列运行的现场试验方案，编写利用桓仁电站水电机组启动鞍山 电厂机组的恢复预案。 1 4 小结 本章介绍了课题的研究背景和重要意义，分析了国内外对黑启动的研究现状， 阐述了黑启动的一般恢复过程以及各阶段的特点和需要注意的事项。介绍黑启动期 间容易发生的安全问题，根据辽宁电网以及网内发电机组的特性及分布，提出了利 用桓仁电站水电机组黑启动带动鞍山电厂的电网恢复方案，章末提出了本文的主要 研究内容。 7 华北电力人学i ：程硕十学位论文 2 1 桓仁电站概况 第二章桓仁电站机组黑启动 桓仁电站位于风景秀丽的辽宁省东部山区桓仁满族自治县的世界文化遗产五女 山下，是浑江流域梯级开发的一座水电站，浑江之水发源于长白山系龙岗山脉老岭 南麓，流经吉林省东南部、辽宁省东部，最后注入鸭绿江。桓仁电站隶属于国电电 力发展股份有限公司的全资企业和禹水电开发公司。 桓仁电站位于浑江流域中游，离桓仁县城4 公里，水库控制流域面积1 0 4 0 0 平 方公罩，总库容3 4 6 亿立方米，其中发电库容8 2 亿立方米，调洪库容1 2 6 亿立 方米，为不完全年调解水库。桓仁电站在东北电网承担调峰、调频、事故备用、调 联络线的作用。 桓仁电站水利枢纽布置为混凝土单支墩大头坝，坝顶全长5 9 3 3 米，最大坝高 7 8 5 米，坝顶高程3 1 2 5 米，正常蓄水位3 0 0 0 米，死水位2 9 0 0 米。坝后式厂房， 厂房内安装有单机容量为7 5 m w 的混流式水轮发电机组2 台，7 2 5 m w 的混流式水 轮发电机组l 台，设计工作水头为5 3 2 米，总装机容量为2 2 2 5 m w ，年设计发电 量为4 7 7 亿千瓦时，保证出力为3 3 m w ，桓仁电站电气主接线为单母分段接线方式， 三台机组通过2 2 0 k v 桓一桓线线路接入系统。1 9 9 5 年，为提高水能利用，在大坝底 孔上分别装设1 6 m w 和8 m w 水轮发电机组各一台，两台机分别通过升压变接入桓 仁电站母线。现在桓仁电站总装机容量为2 4 6 5 m w 。桓仁电站主接线图见图2 1 。 4 0 年的风雨磨练，设备改造、体制管理等都有很大的飞跃，近几年，为了顺利 实施“无人值班”( 少人值守) 运行目标，在取得“双达标”这一成果的基础上，根据 规定要求，找出许多条件不够成熟和存在差距的地方，有计划、有步骤地对全 厂主、辅设备进行全面的清查和改进。特别是经历适应“少人值守”模式的自动化改 造，设备的健康水平和综合自动化水平得到极大的提升，并于2 0 0 4 年通过国电电 力公司组织的“少人值守 验收。 桓仁电站机组的调速系统采用武汉三联水电控制设备有限公司的产品，电气部 分以w s t p l c 型可编程控制器为调节控制核心，机械部分采用w t 1 5 0 型液压集成 式直连型电液随动系统，单调。励磁系统为直流励磁机励磁方式，自动励磁调节装 置为采用i g t b 功率单元的微机励磁调节装置，灭磁系统采用合肥凯立的 h m g b ll a 一0 8 1 5 2 2 灭磁及过压保护装置。厂用第一电源采用接于发电机出口母 线的厂用变，厂用电压为经1 3 8 0 4 k v 变压器降压后的0 4 k v ，备用分别取自通过 变压器接至1 3 8 k vi 、i i 母线的小机组4 号机和5 号机，此外桓仁电站备有容量为 1 2 0 k w 柴油发电机组作为厂用电的备用。 华北电力人学l ：程硕十学位论文 2 2 桓仁电站水电机组的黑启动 2 2 1 桓仁电站作辽宁电网黑启动电源的可行性分析 黑启动包括机组黑启动和电网黑启动，机组黑启动是指电站外部外来电源由于 事故或其他原因造成全部消失时，短时间内无法恢复，电站没有任何交流动力电源 ( 包括外来电源和经倒闸即可恢复的电源) ，只依赖厂内蓄能设备提供的能源如：直 流系统蓄电池、u p s 装置、机组油压装置和气系统储气罐等剩余能量将机组启动， 恢复厂用电，保证厂用设备的运行。机组黑启动成功后向电网的其他电厂提供厂用 电，启动电网其他机组运行进而恢复整个电网供电的过程为电网黑启动。 辽宁电网是东北电网的重要组成部分，是东北电网的负荷中心，担负着辽宁省 1 3 个行政市的供电任务，供电面积1 4 5 7 万平方公里，供电人口4 2 0 0 万。辽宁电 网以5 0 0 k v 、2 2 0 k v 为主网架结构，5 0 0 k v 与2 2 0 k v 电网仍以电磁环网方式运行， 各地区2 2 0 k v 与6 6 k 电网正常以解环( 非电磁坏网) 方式运行。辽宁电网接线框图 见图2 2 。 辽宁电网统调电厂中只有火电厂和水电厂两种，统调水电站共有5 座，装机容 量6 1 3 5m w 。通过分析辽宁电网内直调电厂的机组特性，可以分析出，辽宁电网 并不存在严格意义上的自启动机组，因为整个电网内不存在抽水蓄能机组和燃气轮 9 华北电力人学i ：样硕十学何论文 ，r 一+ 、 元董l 厂、 董辽l ，r1 、 辽沙l r 、 厂、 兀亦 辽 沙梨乙 地区 元董2重迎 辽 辽沙2 丰徐l j 电网 宁建 董王 辽 丰徐2 l j 西 电青 丁 徐辽 f ，华北1 、 高姜l 部 凌曙由 士 l徐王 丁 口 【- 电网 高姜2电 电曙 南 辽丈由 昌巨 林 网 l j 部 浑鞍立r 电 厂 、 王南1 日p 清富 王南2 电 李灯灯首 电 梅申l 网 大连 熊宝 ，r1 、 前草 网 地区 东庄 水太丹 萆首 北耿、轶耿 网 梅中2 电网 地区 若盘 电新、新东 云卧 电网 电浪浪宋 、l lll 注：粗体线条为辽宁省调指挥线路 图2 2 辽宁电网接线框图 机，在进行电网恢复时，需要准备蓄电池、柴油发电机组等作为启动功率源，而对 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，因为火电机 组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，一般发电厂的蓄电池和柴油发电机组 的容量比较小，不能提供足够的启动功率，只能提供厂内重要的辅机设备运行用电 和厂内的操作电源等，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。在辽宁东南部电网存在几座水电厂，他们可以利用电厂 的蓄电池、压力油系统和柴油发电机组进行快速的机组启动并发电，其他装有振荡 解列和低频、低压解列装置的火电厂，事故时如能维持孤立运行，也可作为黑启动 电源。此外外部的联络线也可以作为黑启动电源，由于本文研究的是利用桓仁电站 水电机组进行辽宁电网黑启动，所以诸如联络线、解列维持运行的燃煤机组等都不 在本文的考虑之内。 地处辽宁东南部电网的桓仁水电站具备较大的库容，桓仁电站机组台数多，单 机容量较大，运行方式较为灵活，水轮发电机组及相关附属设备性能优良，有优良 的水轮发电机组控制系统和监控系统，具备良好的调频和调压能力，电站内主接线 合理，厂用第一电源采用接于发电机出口母线的厂用变，厂用电压为经降压后的 1 0 华北电力人学l ：科硕十学位论文 o 4 k v ，备用分别取自通过变压器接至1 3 8 k vi 、i i 母线的小机组4 号机和5 号机， 此外桓仁电站备有柴油发电机组作为厂用电源的备用，容量分别为5 0 0 a h 和1 0 0 0 a h 的两组蓄电池组，能确保在系统事故时，以最快的速度丌启机组发电实现厂用电自 救并可向电网供电，尽快恢复电网运行。因此，从机组的启动速度，调节特性、厂 内接线，可持续供电时间来看，桓仁水电站是理想的备用电源和辽宁电网首选的黑 启动电源。 2 2 2 影晌水轮发电机组黑启动的主要因素及解决办法 水轮发电机组自启动是指在全厂交流电源失去后，压油装置的压油泵不能启 动，依靠压油罐内剩余的油压将水轮机导叶丌启，其关键是停电后控制水轮机组导 叶开启的压油糟油压能否保持在j 下常工作的范围内。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、临近地区供电，水电机组 黑启动前主要考虑以下几个问题。 2 2 2 1 调速系统 水电站黑启动的关键是在失去厂用交流电时能否维持控制水轮机导叶开启的 调速系统的操作油压。调速系统的油压装置一般能满足机组在运行中可能发生的最 不利运行情况的需要，即首先甩去额定负荷，导叶接力器全关1 次，然后摆动若干 次( 按进行1 次全关闭考虑) ，接着机组又并入电网带上额定负荷，导叶全开1 次( 对 转浆式水轮机其轮叶接力器也相应动作) 。经上述调整后，油压装置仍能保证事故 停机用油，在事故终了，尚能保持最低允许油压。故在正常情况下，油压装置的油 压可以保证机组进行一次正常自启动，因此在事故前压油罐的油压和油位很大程度 上决定黑启动成功与否。桓仁电站压油系统油压是自动控制，每天不少于四次的巡 回检查，保证压油罐的油气比例在正常值，压油罐容积4 0 m 3 ，额定工作压力2 5m p a ， 事故低油压值为1 7 m p a ，根据平时开机和j 下常运行观察，压油泵启停间隔不管在发 电运行还是停机备用时均在4 5 m i n 以上，从机组启动开始至机组维持额定空载运 行时间不超过2 m i n ，机组压油槽油压损耗：1 号机不超过0 2 m p a ，2 、3 号机不 超过o 3m p a 。机组调速器为交、直流2 2 0 v 同时供电，交、直流电源可实现自动切 换，经过技术改造，调速器调节功能齐全，调节响应迅速，将调速器液压系统原使 用的耗油量为3l m i n 的电液转换器改为无耗油的步进电机，大大减少了调速器在 机组启动以及停机备用时的耗油量。调速系统电气装置采用微机自动调节，调节参 数整定好，调节灵活，控制部分均具有频率自动跟踪功能，可实现机组空载以及孤 立运行时的频率调节，能很好适应各种运行情况。调速系统能满足机组“黑启动 的要求。另外在雷雨季节可保持压油罐较高油位、压力下运行，必要时可以充气保 华北电力人学i ：程硕十学何论文 压。 2 2 2 2 励磁系统 励磁系统在黑启动时应考虑两点：第一，励磁风机电源问题，如果励磁风机电 源不是由本机自供电，在黑启动时由于没有厂用交流电源，励磁风机将不能运行， 受功率柜温度限制，励磁系统可能无法长时间运行：第二，对长线路充电问题，如 果黑启动的机组需向系统充电，则需要考虑线路末端过电压问题，故黑启动机组带 长线路起励时应采用手动起励，逐步升压的方式。桓仁电站1 、2 、3 号机组为直流 励磁机励磁方式，靠残压起励，能可靠建压。励磁调节采用m e c 数字式微机自动励 磁调节装置，该励磁装置由交、直流电源同时供电，交、直流互为备用，能手动或 自动可靠投入装置，4 、5 号机组为自并励，励磁调节亦采用m e c 数字式微机自动励 磁调节装置，启励电源为直流，励磁变接于机组端，整流桥功率柜可以在风机退出 情况下连续运行3 0 分钟，能满足机组黑启动期间的运行要求。 2 2 2 3 辅助设备 对于一些立式机组，顶盖排水系统采用厂用交流电源，一旦厂用交流电消失， 在机组开启时短时间内顶盖可能满水，导致水导油盆进水，不利于黑启动操作，桓 仁电站机组吸出高度为+ 1 5 米，采用顶盖自流排水，且l f 水导轴承为水润滑，不 存在此类问题。 对于技术供水采用水泵供水的系统，由于没有厂用交流电，冷却水不能投入， 此时应考虑轴瓦温度及油温在黑启动过程中是否能满足要求，由于桓仁电站机组冷 却水采用钢管供水为主和坝前供水为辅的供水方式，通过以色列自控阀门控制技术 供水的通断，在全厂失电的情况下，也能保证冷却水的供应。主阀( 快速门) 是黑 启动过程中机组事故的最后一道防线，在无交流电的情况下应能够在机组事故时自 动关闭。桓仁电站机组快速门采用直流抱闸，事故时自动打开抱闸快速门靠自重关 闭。 2 2 2 4 直流系统 直流系统是黑启动时唯一的电源，是电站的继电保护、操作、控制、励磁、调 速器、通讯、事故照明等运行的前提条件，厂用电消失，直流充电装置不能工作， 只能靠蓄电池供电，直流系统是电站保护、控制、照明、励磁等自动装置正常运行 的前提条件，因此对蓄电池容量有较高的要求。桓仁电站对直流系统进行改造，将 普通铅酸蓄电池改造为阀控式密封免维护电池，甲组蓄电池容量为5 0 0 a h ，同时增 设乙组蓄电池组，容量为1 0 0 0 a h ，两组蓄电池组互相备用，在合理控制直流负荷 时，直流母线电压下降幅度不超过5 。如果4 、5 号机组启动建压采用投直流启 1 2 华北电力人学i ：程硕十学位论文 励电源方式，直流母线电压下降幅度将可能达8 ，但能满足保护及p l c 控制电 源要求范围，都能满足黑启动要求。 2 2 2 5 监控系统 监控系统一般采用单独的u p s 供电，u p s 由交流、直流同时供电，黑启动期间 由直流供电，确保监控系统工作正常。 2 2 2 6 照明和通讯、自动化系统 对于地下厂房或者在夜间操作的水电站，要保证事故照明满足条件，并准备必 要的照明用具( 如应急灯，电筒等) ，并要保证该期间的通讯正常，以保证黑启动能 快速安全进行。桓仁电站j 下常时，厂房事故照明由交流和直流经u p s 供电，在厂用 交流电源消失后2 2 0v 直流系统仍能可靠供电。在中控室，机旁等处设有经常事故 照明系统，保证有足够的照明。通讯采用程控，光缆，载波，移动通讯相结合，设 有专用的通讯用蓄电池组，确保通讯系统可靠，满足黑启动期问的需要。机组监控 系统、机组重要装置均采用交、直流供电或直流供电，能保证装置的可靠运行。 2 2 2 7 开关 黑启动期间要进行相关的倒闸操作，对电磁合闸机构的开关合闸操作时会消耗 大量的直流电能，缩短直流系统供电时间，如直流电压较低，可能会发生拒绝合闸 现象。因此在设备改造中逐步取消电磁合闸机构的开关。桓仁电站已经将厂变开关 更换为弹簧蓄能的开关，即使在操作电源消失时，仍能手动蓄能合闸，机组出口开 关改造为s f 6 开关，采用直流蓄能。2 2 0 k v 线路开关为液压操作，压力下降缓慢， 开关分、合闸几次操作后油压仍能满足要求，能确保黑启动期间开关分闸、合闸的 需要。经全厂机组自投产以来的长时间开机观察，从监控下达开机令至机组启动， 直至并网，无异常情况时，一般不超过2 m i n ，手动操作时亦不会超过4m i n ，综合 上述表明，桓仁电站进行黑启动不存在设备和技术方面的问题。 2 2 3 桓仁电站黑启动的方案 假如桓仁站机组运行中系统严重事故导致大面积停电，机组减载良好保持空载 运行，可以迅速恢复厂用电，不存在黑启动问题。当机组因过速、过压停机时，启 动“黑色启动”方案。在实施“黑色启动 方案时，为尽快恢复厂用电，应简化 事故处理程序，减少事故处理时白j ，只要没有主要保护动作，在保证系统和设备安 全的前提下，以下措施可不待调度命令，由运行值班人员操作，但事后立即向调度 及时汇报。尽早取得上级调度部门的指导。 a 拉开已停电线路的出口开关；拉开母线联络开关： b 值长根据情况做开机带厂用电措施，尽快恢复厂用电； l3 华北电力人学i ：科硕十学位论文 c 当发生全网停电时，应尽快启动机组空转，带厂用电运行，等待调度指令， 恢复电网，防止由于时i 日j 过长，油压下降过多，造成机组无法启动。 2 2 3 1 桓仁电站黑启动原则 确认系统故障导致大面积停电或厂用电全部消失后，应在权限范围内自行断丌 有关设备开关，做好黑启动准备。取得调度同意后，选择油压装置油压较高、自启 动能力较好、能实现自动开机的机组做“黑启动”机组，尽快丌机恢复厂用电，由 于手动开机锻炼较少，事故情况下人员较紧张，易发生误操作，应尽量采用自动开 机。厂用电恢复后，在调度的安排下开3 号机带主变和桓桓线及桓仁变变压器零起 升压，正常后再逐步恢复系统供电。 2 2 3 2 桓仁电站黑启动顺序 如确认系统故障导致大面积停电或厂用电全部消失启动黑启动预案后，按照相 关规定进行必要地倒闸操作，做好黑启动准备，考虑到系统恢复初始时各种不稳定 因素( 如稳定水平、过电压、保护失配等等) 对黑启动机组的不利影响，可能会造成 黑启动机组再次失稳失压而跳闸，在黑启动过程中，应先开出一台机组完全接带厂 用电后，再开出另一台机组作为黑启动机组。黑启动机组不带厂用电，只作为系统 的黑启动电源。这样，若系统不稳定导致黑启动机组跳闸，仍可再次迅速丌出机组， 以利于系统恢复。将l 号机组、2 号机组中条件较好，自启动能力高的机组自动开机 带厂用负荷或自动开5 号机组带厂用电，成功后，采用零起升压的方式开3 号机组对 桓仁电站主变2 2 b 及桓桓线路以及桓仁变2 2 0k v 母线及2 号主变递升加压，良好后用 1 3 8k v 母线联络开关1 2 0 将1 3 8k vi 、i i 段母线找同期并列，进而开始逐步恢复 系统。 2 2 4 桓仁电站厂用电源的实现 桓仁电站为单母线分段接线，由一回2 2 0 k v 线路( 桓桓线) 接入桓仁一次变送 到主系统。 2 2 4 1 厂用电系统供电电源有三路 a 由桓仁一次变电所经桓桓线送至1 3 8 k v 系统i 、i i 段母线： b 由地区变电所1 0 5 k v 线路带厂用变3 4 b ，送4 0 0 v i i i 段母线； c 坝区的柴油发电机组直接接入o 4 k v 母线提供电源，但此种方式不长期运行。 2 2 4 2 厂用电运行方式 厂用电源正常运行时，1 3 8 k vi 段母线带厂用变1 4 b ，送4 0 0 vi 段母线；1 3 8 k v l i 段母线带厂用变2 4 b ，送4 0 0 v i i 段母线：地区l o 5 k v 线路带的4 3 b 送4 0 0 v i i i 段母线； 1 4 华北电力人学i ：程硕十学位论文 j 下常时4 3 b 低压开关拉丌，厂用母线联络丌关4 4 、4 5 处于分闸备用状态，厂用电各 母线分段运行。 2 2 4 3 电网事故时厂用电源供给 a 当系统瓦解或发生大面积停电，桓仁电站机组因