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摘要：黑启动是指整个系统因故障停运后，系统全部停电(不排除孤立小电网仍维持运行)，处于全“黑”状态，不依赖其它电网（也可能依赖外部启动电源）的帮助，通过系统中具有自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统输配电恢复范围，最终实现整个系统的恢复。本文内容在提出系统恢复的目标、原则的基础上，对黑启动过程中不同阶段提出电气计算校核的主要内容。
关键词：黑启动；系统恢复；计算校核
黑启动是指整个系统因故障停运后，系统全部停电(不排除孤立小电网仍维持运行)，处于全“黑”状态，不依赖其它电网（也可能依赖外部启动电源）的帮助，通过系统中具有自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统输配电恢复范围，最终实现整个系统的恢复。
一、黑启动概述
首先对文中主要使用的名词解释：（1）大停电：指电网的主要部分或者全部失去电力供应的状态，使得电网不能对用户供电。（2）黑启动电源：指不依靠外来电源能自行启动的机组或可用于黑启动的外部电源。（3）黑启动电源黑启动成功：指作为黑启动电源的机组恢复至旋转待并状态，并已带上厂用电，机变保护正常加用，机端电压调至厂用电允许范围。（4）第二批启动电源：指不能依靠自身能力恢复运行，必须在黑启动电源启动成功后，通过主干线路需要尽快启动的电源。（5）外部启动电源：能够通过联络线或相邻变电站送电至停电系统的外部电源。（6）黑启动实施区域及黑启动分区：黑启动方案将电网划分为几个黑启动实施区域，各黑启动实施区域根据黑启动电源和第二批启动电源，以及电网结构特点又可划分为若干个黑启动分区，每个黑启动分区中包括一或两个黑启动电源，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。（7）黑启动分区目标网架：各省（区）电网根据网内黑启动电源分布情况和网络结构特点，将省（区）电网划分成若干个黑启动分区。黑启动目标网架是指黑启动分区内各黑启动电源自启动成功后，通过逐步恢复重要线路启动第二批启动电源，以此建立起来的独立的、包括了关键电厂、变电站、线路以及适量负荷的基础电网。在此基础上可进一步扩大黑启动分区复电范围、互联黑启动分区、重建主网架、恢复主要负荷。
二、系统恢复的目标及原则
1.目标
电力系统恢复的总目标是在最短时间内安全地恢复系统带负荷的能力。具体要注意，有功负荷必须与发电负荷相平衡。大负荷用户的恢复供电可能会造成频率有不可以接受的大波动，所以，负荷应当逐步增加，以防止机组跳闸，并且能够更好地控制电压和频率的波动。无功功率必须保持平衡，并且留有一定量的备用裕度，电压也必须保持在合理允许的范围内。
2.系统恢复阶段
系统恢复一般可以分为三个阶段：准备阶段，系统恢复阶段和负荷恢复阶段。图2-1给出典型黑启动阶段示意图。由图2-1看出，准备阶段需要l～2小时，系统恢复阶段需要1～2小时完成，三个阶段需要8～10小时完成（图1）。
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图1典型黑启动阶段示意图
（1）第一阶段：准备。这是一个时间上非常紧急的阶段，基本上涉及到识别大停电以前在线运行，但是目前退出的那些发电机，骨干通道的隔离，特别是识别已经分开的孤岛，以及合理的恢复战略，以便在规定的时间里，满足系统恢复的要求。根据可以利用的设备和人员条件，以及其他一些因素，运行人员应该确定一个可行和合理的目标系统。这个阶段一般要实现以下目标：确定故障后系统状态；定义黑启动的目标系统状态；选择网架重构策略；确定系统分区方案；确定黑启动电源；确定启动无黑启动能力机组的送电路径；确定对紧急负荷的供电路径。由于时间紧迫，以上所有的决策都需要尽快实施。但应避免决策失误造成的启动方案失败。
（2）第二阶段：系统恢复。这个阶段的主要任务是在全面恢复负荷以前和黑启动分区内各黑启动电源自启动成功后，重构分区目标网架，对孤岛进行并列形成主网架，为最终实现重启负荷奠定基础。黑启动分区内各黑启动电源自启动成功后，希望有尽可能多的发电机组尽快地投入运行，加强发电厂之间的联系以提高对厂用电的供电可靠性，保持系统的稳定性。通过逐步恢复重要线路启动第二批启动电源，建立起来独立的、包括了关键电厂、变电站、线路以及适量负荷，形成分区目标网架。在恢复对紧急系统设备供电，并且在输电系统的控制部分已经恢复并且稳定的情况下，择机对一些子系统进行并列，加强分区互联，建立一个稳定的主网架。当然，对于一些分区目标网架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。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，同时要确保目标网架和主网架的稳定性。因此必须对无功电压进行控制，根据需要投入电抗器和少量的负荷。
（3）第三阶段：负荷恢复。负荷恢复是黑启动过程的最后一个阶段，这个阶段任务是所有可能供电的负荷要尽快恢，最小化系统的失负荷。在负荷恢复过程中，负荷的增加与发电机的出力增加交替进行，保持系统有足够的旋转备用。运行方式不断变化，导致薄弱点不断转移，在不考虑网络结构的前提下.电网的负荷特性对于可恢复负荷量起决定性作用。当前系统恢复过程中的负荷恢复量很大程度上依靠调度人员的运行经验或采用试凑法。负荷恢复过程中，需要注意黑启动中较薄弱的系统在增量负荷的作用下设备是否超过热稳定极限，能否保持稳定的问题。
3.系统恢复的原则
（1）黑启动电源选取原则。黑启动电源分为两种：全黑（停电）区域内具有黑启动能力的机组和系统区域外部电源。优先选择外部电源作为黑启动电源。选择黑启动电源的电厂时应遵循下列原则：尽量选择调节性能好的、启动速度快、具备进相运行能力的机组；优先选用直调电厂作为启动电源，其次选用用户电源；尽量选择接入较高电压等级的电厂；有利于快速恢复其它电源的电厂；距离负荷中心近的电厂。
（2）黑启动路径选择原则。每个黑启动电源应当有独立的黑启动路径。黑启动路径选择应遵循下列原±则：a.应能在尽量短的时间内以最少的操作步骤恢复系统供电；b.应尽量减少不同电压等级的变换；c.应距离下一个电源点最近，以尽快恢复本地区电网的主力电厂，建立相对稳定的供电系统；d.应便于分区目标网架、主网架的快速恢复。e.应避免发生发电机自励磁、过电压等电磁暂态问题。
（3）黑启动分区目标网架和主网架建立原则。每个黑启动分区应确定一个目标网架，包括子系统内的黑启动电源、黑启动路径、第二批启动电源，关键变电站、线路以及适量黑启动负荷的目标网架，通过黑启动分区内各子系统之间的同期并列点，在合适的条件下将分区目标网架进行互联，建立主网架，主要原则包括下列几点：A.黑启动分区选择原则。根据电网结构的特点和黑启动电源所在电网的位置合理划分子系统；各子系统至少具有1个黑启动电源和黑启动路径；各子系统应具有较好的调频调压手段；各子系统间应具有明确、可靠的同期并列点。B.目标网架及主网架建立原则。1）黑启动电源启动成功后，尽快向黑启动分区内的第二批启动电源的变电站充电，以便快速启动电厂的厂用电负荷；2）在目标网架形成初期，应确保在厂用电中大马达负荷投入时，确保已形成的网架不发生频率或电压失稳；3）系统电压和频率的波动可能比正常运行方式允许范围有所增加，但不能超过设备所承受的范围；4）火电机组电源启动后，应配合适当的负荷恢复或调整水电出力，保证火电机组的出力满足机组技术要求；5）在进行两个黑启动分区之间的并列操作时，注意调整两个黑启动分区的系统频率，优先选择频率波动较小的系统，控制两个并列系统频率差在同期要求范围内后再进行系统并列，严禁发生非同期并列或合环误操作。一般地，并列条件是并列开关两侧的频率相同、电压的幅值相等、相位相同，当调整有困难时，频率差、电压幅值差和电压相角差参考黑启动电网的相关具体规定。6）防止机组跳闸和系统再次崩溃。应避免联络线输送潮流超过规定极限而造成电网静稳、暂稳破坏或低频振荡的发生；原则上，联络线上输送的功率越小，系统越不容易发生再次崩溃。7）控制好恢复的电网，要特别注意无功功率的平衡问题，避免产生发电机自励磁和过电压等电磁暂态问题。
（4）黑启动过程中负荷恢复原则。黑启动过程中，负荷应当在调度的统一指挥下按轮次有序恢复。各级黑启动方案中应当列出负荷恢复的优先次序和数量，应优先保证各级电力调度机构、核电厂、通信部门、党政机关、重点厂矿企业的保安负荷等重要负荷的供电；在负荷的恢复过程中，应控制系统频率和电压在允许范围内。一般而言，恢复负荷时，不宜使频率较前次下降0.5Hz，系统最低频率不低于49.5Hz，系统电压应尽可能控制在0.9pu～1.1pu.范围内。在负荷恢复过程中，系统应留有一定的旋转备用容量，旋转备用容量一般不低于系统发电负荷的30%。每轮次负荷恢复后，待频率及电压恢复到正常运行水平时，再开始下一轮的恢复。
三、电气计算
1.黑启动路径的电气计算校核
对选定的黑启动路径需要进行自励磁、过电压、频率、电压等问题进行校核计算。
（1）自励磁及谐振计算。a.计算校核黑启动电源（发电机）带空载长线的自励磁问题，提出避免发生自励磁的措施：如增加开机台数、投入感性补偿装置、改变启动路径等；b.黑启动路径启动方案中应尽量避免产生谐振的运行方式、操作方式，如避免对末端带有变压器的线路进行充电。确实无法避免时应进行校核计算，并提出防止谐振的措施。
（2）过电压计算。在黑启动初期，沿着启动路径对较长空载高压线路充电，对110kV及以上电压等级线路，应计算校核线路末端工频过电压，明确规定高抗、低抗、主变分接头和电源容量要求；尽可能选择有合闸电阻的断路器对330kV及以上电压等级的空载线路充电，如断路器无合闸电阻，需计算校验合闸过电压。在启动变电站空载变压器操作时，应计算校核是否存在合空变谐振问题。
（3）厂用电马达启动对频率电压的影响。在黑启动初期，黑启动电源（发电机）通过启动路径向第二批较大容量启动电源（火电机组）的辅机供电，需计算校核大容量马达负荷启动时对黑启动电源（发电机）的频率、电压的影响作用。
2.建立分区黑启动目标网架及主网架的计算校核
在形成黑启动分区目标网架及主网架的过程中，逐步恢复骨干网架，向第二批启动电源和重要变电站充电，启动适量的负荷，保证发电和负荷的平衡，维持系统的稳定。这个阶段需要进行目标网架及主网架的电磁暂态校核、静态安全校核和安全稳定校核，确保这一阶段黑启动过程成功进行。
（1）电磁暂态校核。a.目标网架的启动路径有较长的高压线路，需计算校核启动电源（发电机）带空载长线的自励磁问题，提出避免发生自励磁的措施：如增加开机台数、投入感性补偿装置、优化启动路径等；b.沿着目标网架的启动路径对较长空载高压线路充电，对110kV及以上电压等级线路，应计算校核线路末端工频过电压，明确规定高抗、低抗、主变分接头和电源容量要求；c.尽可能选择有合闸电阻的断路器对330kV及以上电压等级的空载线路充电，如断路器无合闸电阻，需计算校验合闸过电压；d.在启动变电站空载变压器操作时，应计算校核是否存在合空变谐振问题。
(2)系统安全稳定校核。安全稳定校核主要内容是系统稳定计算校核及同期并列或是同期合环分析计算。A.计算对象为恢复过程中的阶段性网架所对应的运行方式。B.静态安全校核主要是无功电压计算分析。通过仿真计算，对静态过电压进行校核，提出合理的电压无功控制方案，例如包括发电机机端运行电压和变压器的分接头位置和变电站无功补偿设备投退情况，系统电压应尽可能控制在0.9pu～1.1pu.范围内，满足正常的设备运行要求。C.系统稳定计算校核内容主要包括功角、电压稳定计算、频率稳定计算。对于长距离输电的情形，考虑低频振荡的校核。此外还需考虑孤岛中大容量马达启动对目标网架的冲击影响，以及同期并列或同期合环分析计算。
3.黑启动负荷恢复过程中的计算校核
黑启动过程中，当子系统的主要电源逐步启动对主干网架充电后，就进入到了系统恢复的最后一个阶段，即全面快速地恢复负荷，逐步进行黑启动分区互联。在这一阶段的初期，主要目标是尽快地恢复尽可能多的负荷，约束条件主要包括线路、变压器的热稳定、系统频率和电压在一定范围之内。此外，还需要进行同期并列或是同期合环分析计算，以达到安全并网的目的。
(1)系统静态安全校核。计算对象为恢复过程中不同网架及不同负荷恢复水平所对应的运行方式。静态安全校核的主要内容是在恢复负荷时，校核线路、变压器是否过载。具体内容是通过潮流计算的方法，根据N－1原则，无故障逐一断开设备元件，检查其它元件是否出现过载。
（2）系统安全稳定校核。安全稳定校核主要内容是系统稳定计算校核，计算对象为恢复过程中不同网架及不同负荷恢复水平所对应的运行方式。系统稳定计算校核内容主要包括功角、电压稳定计算、频率稳定计算,对于易出现弱阻尼的电网，还需要进行低频振荡的校核。原则上满足《电力系统安全稳定导则》中第一级安全稳定标准的要求。
四、总结
电网黑启动过程中电源容量较小、系统网架薄弱，需要对黑启动路径、黑启动目标网架和负荷恢复进行仿真计算校核。本大纲概述了电网黑启动的相关原则，列出了黑启动的不同阶段的电气仿真计算内容，包括了电磁暂态和机电暂态的具体校核计算内容。电气仿真计算为电网黑启动成功提供了技术支持和保障。
作者简介
张晓东（1993.12-），男，汉族，新疆省塔城市人，大学本科学历，新疆塔城电力公司员工，主要研究方向：基于电力计量技术管理与分析。