[科普中国]-电力系统黑启动

电力系统黑启动指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的机组的启动，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。

释义电力系统黑启动指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的机组的启动，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。1

发展历程电力系统黑启动问题最初在20世纪80年代由美国学者提出，1998年国家科技部将电力系统恢复方案作为科研项目的子课题之一，标志着我国黑启动研究的开始。近年来国内逐渐将电网是否具有黑启动能力作为考核电网是否安全的重要指标。各区域、省公司都加大了对电网黑启动研究工作的投入，制定了与地区电网实际情况相适应的黑启动方案，相继进行了黑启动试验并获得成功。如今新能源发电的占比越来越大，预计到2020年风电、光伏装机容量将分别达到210GW和110GW，将新能源发电引入到黑启动研究中成为了当下热点，许多专家和学者提出了新思路并取得了初步成果。

内容概述大停电事故后的恢复，即电力系统恢复，其总目标是在系统全黑或部分停电的情况下安全、快速地恢复电网供电，最大限度地减少电网大停电的影响。电力系统的恢复过程分为黑启动、网架重构和负荷恢复3个阶段。黑启动电源自启动并向发电厂供电形成子系统，之后各子系统并列，通过区域内重要变电站及输电线路逐步恢复系统主干网架，最后进行大规模的负荷投入，实现电网恢复正常供电。电力系统恢复过程漫长且复杂，3个阶段完成大约需要8～10h。

黑启动阶段的恢复操作主要包括启动电源的自启动、输电线路充电、启动发电厂大型机组、被启动机组并网恢复发电能力及投入一定量的负荷以保证系统的稳定，整个过程大约历时30～60min。2

黑启动中的关键技术黑启动中的关键技术如图所示。经过几十年的不懈研究，图中许多关键技术也逐渐成熟。这些关键技术不仅制约着黑启动的成功，同时也影响着黑启动的效果。在制定黑启动方案时，选择最佳的黑启动电源、被启动机组和最优的恢复路径，直接决定了一个黑启动方案的成败。而在黑启动现场实施过程中，运行人员则更加关心负荷的恢复以及面临的安全问题。

黑启动电源的选择进行黑启动，首先要保证可靠的黑启动电源，通过它来后续恢复其他机组和负荷。适合作为黑启动电源的是在无外部电源条件下具有自启动能力的机组，如常规水电、燃气机组、新能源电源以及微电网等。当区域电网中黑启动电源种类和数量较充足时，电源的优化选择成为了关键问题。

目前，国内外对各类黑启动电源特性的研究成果较多。水电机组和燃气机组因其厂用电负荷低，启动速度快，可在5～10min完成自启动，成为黑启动电源的首选。近年来，国内外利用常规的黑启动电源多次成功进行了黑启动现场试验。试验大多采用额定容量较大的水电机组来实施，充分印证了在面对电网突发性事故时水电机组是黑启动电源的最佳选择。

然而受地域资源条件的限制，如西北地区的水电站较少，不太可能选择水电机组作为黑启动电源。此时可以考虑将新能源电源作为黑启动电源。风力/光伏发电的厂用电较少，启动快速简单，如果配置一定容量的储能为风电/光伏提供外部稳定的电压，风电/光伏便可恢复并网发电，并与储能配合达到稳定的有功功率输出效果。国外学者提出了一种风电黑启动的思路，由双馈风机和加在直流侧的蓄电池构成黑启动电源。2

被启动机组的选择被启动电厂(机组)启动成功后将作为主要电源向系统内其他电源及负荷供电，承担后续的系统恢复任务，因此要优先考虑距离重要负荷较近的大型火电厂中的大容量机组。对于300MW以上的机组，由于厂用电较大，对小系统的冲击较大，一般情况下也不予考虑，所以通常选择300MW的火电机组作为被启动机组。此外机组被成功恢复的可能性也要尽可能大。空载线路充电和空载变压器投入产生的过电压以及大型辅机启动时对系统的电压和频率冲击都会影响机组的成功恢复，因此在评价机组恢复成功率时需要将这些影响考虑在内。综合考虑机组容量大小及恢复成功率来选择被启动机组。

黑启动路径的规划黑启动路径是否合理，直接影响系统恢复的速度。现代区域电网结构的复杂性使得路径规划问题变得尤为重要。黑启动路径应遵循最基本的路径规划原则，以尽快恢复地区电网主力电厂为目标，尽量减少启动路径的长度及不同电压等级的变换，在最短时间内以最少的操作步骤恢复供电。实际上，被启动机组恢复顺序确定之后，相应的启动路径也就大致明确了。为了保证停机机组在规定时间内获得启动电源，在规划中有时还需要考虑机组的启动时间限制。2

黑启动阶段的负荷恢复大停电后系统恢复初期，需要及时接入一定负荷以保证系统的频率和电压水平，维持系统的功率平衡。负荷恢复应当在调度的统一指挥下按轮次有序恢复，根据负荷恢复的优先次序和数量，优先保证各级电力调度机构、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，同时兼顾电网的稳定及恢复速度进行负荷的有序投切。

对于黑启动过程中的负荷恢复，不同的恢复要求决定着恢复负荷的优先等级与数量。为了平衡发电机组出力，要求在尽可能小的有功功率需求下尽快恢复重要等级高的负荷；为了防止空载线路充电时出现过电压，在线路两端投入适量无功负荷，同时注意时刻监测线路的过负荷情况，一旦出现及时停用部分负荷。

黑启动安全校验电力系统黑启动涉及发电机自启动、线路与变压器充电、电厂辅机启动、机组并网、负荷投入等操作。由于恢复初期系统比较薄弱，为保证恢复操作的安全性并确保系统黑启动成功，需要对上述操作进行安全校验。

研究展望今后，电力系统黑启动的研究热点和发展趋势应集中在以下几点。2

新能源黑启动如今，风电/光伏发电正在逐步成为主力电源，这使得将其作为黑启动电源成为可能。新能源黑启动的关键在于储能与新能源电源的配合，储能在风电/光伏系统中的配置问题以及如何协调二者共同稳定运行是今后的研究重点。

风储/光储系统的结构不同，相应的储能容量配置也会不同，虽然有学者根据电池储能系统的有功功率与无功功率的输出极限初步确定了其容量配置，但对这样确定的依据没有进行充分论证。今后可以综合考虑黑启动时间以及对储能有功功率、无功功率的需求，来优化储能的容量配置。

研究有效的储能与风电/光伏的协调运行控制策略，使得风电/光伏系统能够由并网运行状态快速切换至黑启动状态，可以实现储能型风电/光伏系统的自启动并保持恒定的功率输出。当机组启动后与黑启动电源并列运行形成小系统，找到一种合适的黑启动电源调控策略对于维持黑启动电源稳定输出、保证小系统的稳定也同样重要。

辅助决策技术电力系统恢复过程中既包括客观的分析校验，又需要调度人员主观的判断与决策。研究并开发恢复中的各类辅助决策技术可以有效地规避因经验不足导致实施恢复的过程中发生人为错误，对提升电力调度部门的恢复决策水平具有积极意义。

近年来，人们更加倚重人工智能来辅助电力系统恢复。依靠智能的专家系统将恢复策略和约束条件表示成规则，可以根据系统的当前状态在短时间内给出系统恢复的最优方案。黑启动方案的自动生成与评估系统可以针对某一实际电网的具体状态自动生成一组黑启动方案，利用有效性评估方法和由专家经验建立的知识库对方案组中的各个方案进行评估排序，为调度人员提供一个科学、直观的决策依据。建议下一步应不断借鉴电网运行经验和理论研究新成果丰富并完善黑启动方案的评估指标，得到更能精确反映实际情况的方案排序结果以提高该评价指标体系的工程实用性，并将这些新的优化评估指标引入到黑启动方案评估系统之中。

扩展黑启动方案目前所制定的黑启动方案及各级电网成功实施的黑启动试验都是一个黑启动电源启动一台被启动机组的简单黑启动方案。若能同时成功启动多台机组，则可为系统后续恢复提供更大的功率支持，从而大大加快系统的恢复进程。因此，人们提出了一种扩展黑启动方案，即在黑启动阶段以一个黑启动电源同时启动多台机组的恢复策略。

实际上，某些黑启动电源如大型的抽水蓄能电站能提供较大的初始启动功率且有较好的进相运行能力，完全可以做到在黑启动阶段同时启动多个电厂的机组并形成稳定的初始小系统。因此，扩展黑启动方案作为简单黑启动方案的发展与延伸，将成为今后黑启动方案制定中的研究热点。简单黑启动中涉及的关键技术，都应该在扩展黑启动方案的背景下加以考虑。

黑启动实施操作原则上以事先编制好的黑启动预案来指导黑启动的实施，但在实际现场中可能会面临许多突发状况，需要运行人员依据经验对预案做出调整，可见实际操作与方案编制之间存在差异。

例如，2005年9月26日，海南全省发生大面积停电事故。海南电网公司紧急启用事先编制好的黑启动预案，历时4小时恢复主网和主力电厂以及重要负荷的供电。然而在实际黑启动实施过程中，其中2套方案中的黑启动电源因出线故障送电失败，不能采用；最具备并网条件的黑启动电源，由于黑启动过程中各操作控制配合不当也未能最先成功并网发电。

鉴于黑启动实际操作与黑启动预案编制存在差异，为了保证黑启动的成功率，有必要事先建立多套黑启动方案，每套方案都应该经过试验/仿真检验，做到详细完备。同时要求现场运行人员操作规范，配合准确，并能够根据当前线路及各机组状况及时灵活地调整黑启动方案，保证黑启动顺利进行。2

本词条内容贡献者为:

胡启洲 - 副教授 - 南京理工大学