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十三陵蓄能电厂位于京、津、唐电网的负荷中心，距北京市中心30多km，电厂共装有4台200MW可逆式抽水蓄能机组，以十三陵水库为下库，地下式厂房位于十三陵水库东侧蟒山山体内，在蟒山上修建了一个上水库，其库容可供全厂4台机组满发5 h，现为电网的第一调频 、调峰厂，担负着华北电网紧急事故备用的重任。该工程自1990年开始筹建，1992年9月主体工程奠基开工，1995年12月第一台机组投产，1997年6月最后一台机组并网发电。
1 黑起动功能与作用
1.1 机组黑起动
机组黑起动是指在电网事故、自然灾害或其他原因等情况下，造成电厂全部外来厂用电源消失，且短时间内无法恢复，电厂为了保护地下厂房的安全和恢复生产，实行自救，利用仅有的直流系统，启动监控专门程序，使机组发电，恢复厂用电供电，进而恢复厂用设备的运行。
1.2 电网黑起动
电网“黑起动”是指整个电网因故障停运后，在无法依靠其他电网送电恢复条件下，通过电网内具有自起动能力机组起动，带动无自起动能力的机组，进而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。
1.3 黑起动的作用
由于蓄能机组多为地下式厂房，日渗水量较大，厂用设备和排水、照明、通风、消防等设备对厂用电要求很高，特别是长时间不能恢复供电，将有可能造成水淹厂房。因此，要求电厂具备生产自救功能。
近些年来，世界范围内发生的几起大电网的停电事故提醒我们，作为电力系统安全措施之一，研究电力系统事故后的恢复问题即“黑起动”问题具有重大的意义。电力系统成功的恢复方案的储备，将对电力系统在极端情况下的恢复提供有力的保障，可大大缩短其停电时间。
2 黑起动试验及程序
十三陵蓄能电厂机组黑起动功能是设计本身具备的功能，在设备安装调试阶段利用4号机组进行了功能试验，由于监控系统程序设置的系统设备投入顺序问题。厂用电建立时间较长 ，造成起动时间延长，试验退出的时机掌握不好，造成机组烧瓦，结果失败。1997年外方按合同的要求再次试验并取得成功。在全部机组投运后，电厂按照合同的要求，在总结外方试验的经验和教训的基础上，再次完善开机程序，并对试验进行严密的监控和测试，在1998年和1999年重新由电厂自行组织试验取得圆满的成功。2000年5月与电网一起又做了试验。
2.1 十三陵蓄能电厂电气主接线和厂用电接线
十三陵蓄能电厂电气主接线和厂用电接线见图1所示。十三陵蓄能电厂的厂用电分别从三个方向取得。通过主系统两台厂高变分别挂在4母线和5母线，通过两条220 kV线路(厂房经同一隧道)分别连接在昌平500 kV变电站。另外还通过一条10 kV线路从昌平龙山110 kV变电站直接送到(经厂房不同的隧道)厂用电的10 kV 2G母线和通过从龙山110 kV变电站经35 kV线路到35 kV凤山变电站经10 kV线路到2 G母线。正常情况下，4个外来电源，三段10 kV母线分别独立运行，当其中一个进线回路发生电源故障而跳闸时，母联开关在0.2 s内自动合上，由相邻的母线带上。由此可见，十三陵蓄能电厂的厂用电已比较可靠，所以十三陵蓄能电厂从设计上就未考虑安装柴油机作为备用。但仍有发生厂用电全部消失的可能，为了确保电厂安全 ，可使用机组具备的黑起动功能开机自带厂用电。
2.2 监控系统的程序设置
十三陵蓄能电厂每台机组的黑起动功能有单独的开机程序，因为交流辅助设备不能投入运行，所以黑起动程序开机的起动条件及程序比正常开机要少得多，下面简述一下黑起动开机的过程。选定4号机组进行黑起动功能开机，当系统接收到自用盘无交流电，机组要并网的220 kV母线无电压信号以及其他一些必要条件满足时，起动按钮方才有效。程序起动首先是起动机组直流高压油顶起泵，打开主轴密封水阀及合换相开关，正常信号返回后开球阀，接着是调速器将机组控制到额定转速，励磁开关合，当机端电压达到额定电压时，通过主变高压侧断路器合闸并网。需要注意的是此处没有同期问题，因为母线是空的。并网后，电流通过2号厂高变到10 kV 3G母线，到机组自用变，再到机旁盘。监控系统收到4号机旁盘带电信号后，即发令起动机组的交流辅助设备，设备正常运转，黑起动程序结束，机组起动成功。
针对以前十三陵蓄能电厂机组黑起动试验出现的问题，我们对监控系统黑起动开机程序进行了修改。本次黑起动试验方案是参照合同文本和1999年的黑起动试验结果制定的，其中预起动条件作了较大修改。本方案将黑起动程序作为一个独立的工况处理，在保证机组安全的前提下，尽可能的减少黑起动工况的预起动条件，选择20条作为黑起动的预起动条件.
3 机组黑起动试验
3.1 黑起动试验中的停机条件
为了防止黑起动过程中，机组有意外的情况发生，在发现以下情况时，将做停机检查，以免损坏设备。①起动机组开机程序3 min后无电压要终止试验；②起动机组后任意部位瓦温迅速上升到60℃要终止试验；③在起动试验过程中，不管何种原因造成机组停机要终止试验 ；④机组定子电流达到额定值8 00 A要终止试验。
3.2 试验
1999年5月4日，在4号机组上进行了机组黑起动试验，结果在3 min之内，机组达到额定转速、额定电压，并通过2号厂高变反送厂用电成功，机组各部瓦温正常。并延伸试验，空充电至昌平500 kV变电站之间的线路，机组调速器、励磁系统在弧立小电网状态下，均能稳定控制机组的转速、电压等，为下一步向系统送电打下基础。2000年4月8日，十三陵蓄能电厂又成功的再一次进行了机组黑起动试验。
2000年5月5日，运用4号机组带动电网子系统黑起动过程中十三陵蓄能电厂机组膨胀型温度计测得的推力、上导、下导瓦温不超过55℃，水导瓦温不超过30℃。机组电阻型温度计测得的开机前、并网后的上导瓦、下导瓦、推力瓦以及水导瓦的最高温度和最大温升分别为：44、46℃和3℃；40、41℃和4℃；40、47℃和8℃以及25、29℃和5℃。
球阀油罐压力开机前、并网后和压降分别为6.7、6.2 MPa和0.5 MPa，调速器油罐压力分别为6.5、6.4 MPa和0.1 MPa。
4 电网黑起动试验
1998年在华北电网中期发展规划的计算分析报告中，提出了随着华北电网规模的不断扩大，负荷量和发电容量逐渐扩大，存在着电力系统发生严重事故全网失去稳定甚至垮网的危险。华北电力集团公司提出在十三陵蓄能电厂机组本身“黑起动”试验成功的基础上，北京地区如果出现大面积停电情况下，如何利用水电厂恢复其他电厂的厂用电，以及逐步恢复整个电力系统的专题研究并进行试验。并将此课题列入了华北电网1999～2000年集团公司重点科技项目。
4.1 电网黑起动研究步骤
第一步首先完成在十三陵蓄能电厂失去全部外部电源后，通过机组黑起动自带厂用电的试验工作；第二步在第一步成功的基础上，研究如何向京内其他火电厂送电，恢复其他火电机组；第三步制定出切实可行的电网“黑起动”调度实施预案。
4.2 试验接线
试验子系统选择的原则是：试验子系统应使系统起动路径尽量短；尽量减少不同电压等级的交换；尽量先起动大容量的机组；尽量先起动离重要负荷近的机组。经过慎重的研究和选择，共设计了14种子系统方案，最终选定的子系统的电气距离较短，为91 km，所选机组为靠近负荷中心的最大可用机组，所用线路为220 kV同一电压等级，因而，电气操作少，过电压水平低，不会产生自励磁。
4.3 电网黑起动过程中，几个技术问题的分析
电网黑起动过程中有以下几个技术问题：①空充长线路过程中，十三陵蓄能电厂机组是否会发生自励磁；②空充长线路过程中，线路末端暂态过电压和工频过电压倍数是否在允许范围以内，③在空充变压器的过程中，是否会发生铁磁揩振；④在蓄能机组逐步供电给石热火电机组厂用负荷过程中，十三陵蓄能电厂机组的进相运行能力、其调速系统和励磁调节系统的特性能否保证蓄能机组在小负荷状态下稳定运行，子系统的电压频率是否在合理的范围以内；⑤蓄能机组与石热火电机组并网后，由于水电、火电机组的调速系统和励磁调节系统特性相差比较大，水电机组调节速度快，火电机组调节速度慢，是否会引起子系统内发生低频振荡，造成机组有功功率摆动，甚至不能稳定运行。
4.4 试验过程
2000年5月5日，0：00：00～8：00：00华北网从主网正常运行方式中倒出本次试验子系统接线方式。上午8：00：00，陵昌Ⅱ线及起动石热电厂线路停电，十三陵蓄能电厂的4台机组全部处于停机状态，4号机组的厂用电全失。8：25：00起动4号机组的黑起动程序，开始执行开机操作，8：27：15并入小网，标志着4号机组黑起动最危险的时段已过，机组附属设备的运转表示4号机组起动顺利成功。从机组黑起动程序开始运行到机组并小网仅用2 min15 s ，途经91 km的线路及昌平、清河变电站，给石景山热电厂5号母线充电。同时十三陵蓄能电厂2号厂高变带厂用电成功。9：15：00石热3号机跳闸停机，9：28：00石热3号机组点火，9：46：00石热3号发电机组并入小网成功，整个电网黑起动过程用时仅为1 h 23 min。
4.5 测试参数
十三陵蓄能电厂对以下参数进行了测量：①5母线三相电压UA、UB、UC和零序电压U0；②陵昌Ⅱ线(电厂侧)三相电流IA、IB、IC和零序电流I0；③陵昌Ⅱ线有功和无功P、Q；④4号机组的励磁电压、励磁电流：Uf、If；⑤4号机组的频率f。石热电厂对以下参数进行了测量:①5母线Ⅲ相电压UA、UB、UC和零序电压U0；②石清线Ⅲ相电流IA、IB、IC和零序电流I0；③石清(石热侧)线有功和无功P、Q；④3号机组的励磁电压、励磁电流：Uf、If；⑤3号机组的频率f。
4.6 试验数据
十三陵蓄能电厂4号机组“黑起动”带石热3号机组的试验主要经过5个主要阶段，试验数据如下：
第一阶段：十三陵蓄能电厂4号机组“黑起动”，对陵昌Ⅱ线，昌清Ⅰ线、石清线(共计约91km)进行空充至石热5号母线。4号机电压为13.68 kV，5号母线电压为229.5 kV，4号机有功为0.1 MW，无功为-17 MW，4号机转速为500 r/min、机频为50.17 Hz、暂态电压为1.45倍，合空线涌流为6.4倍，4号机运行方式为进相，结论为十三陵蓄能电厂4号机组进相运行稳定。
第二阶段：合2200乙(石热电厂)开关，空充0号乙起备变。4号机端电压为13.43 kV，5号母线电压为224.8 kV，4号机有功为0.7 MW、无功为-16 Mvar、转速为500 r/min、机频率为50.13 Hz。结论：石热空投0号乙备变过程中无铁磁谐振现象，十三陵蓄能电厂4号机组运行稳定。
第三阶段：石热停3号机组，由0号乙起备变带3号机厂用负荷。
(1)投给水泵等辅机等，十三陵蓄能电厂侧主要参数。4号机端电压为13.3 kV，5号母线电压为224.1 kV，4号机有功2.7 MW、无功为-14 MW、转速为500 r/min。机频率为50.14 Hz。
(2)投给水泵等辅机后，十三陵蓄能电厂侧主要参数。4号机端电压为12.95 kV，5号母线电压为221.5 kV，4号机有功为6.2 MW，无功为-12.2 MW，转速500 r/min，机率为50.12 Hz。结论：十三陵蓄能电厂4号机组调速及励磁系统调节性能良好，机组运行稳定。
第四阶段：石热3号机与十三陵蓄能电厂4号机进行同期并列(小系统同期)。并列前4号机端电压13.28 kV，5号母线电压为221.1 kV，4号机有功为4 MW、无功为-14 MW、转速为499 r/min、机频率为49.98 Hz；并列后分别为13.85 kV，225.6 kV和4 MW、-22.78 MW、499 r/min、50.03 Hz。结论：小系统并列未发生摆动，电压、频率稳定运行。
第五阶段：石热、十三陵小系统与主系统并列，未发生摆动，电压、频率稳定运行。
4.7 试验结论
在本次试验的整个过程中，十三陵蓄能电厂机组4号机组在低负荷下，运行稳定，并有较强的进相能力，与石热机组并列运行时，两机组协调较好，均能维持电压、频率稳定，没有出现小系统的振荡现象；在整个试验过程中，未发生异常的过电压现象，其实测数据和计算结果基本相符；本次试验的顺利进行，说明十三陵蓄能电厂蓄能机组能胜任做为华北电网的黑起动起动电源，本次研究的电网黑起动方案是可行的，试验达到了预期的目的。
5 几点体会
(1)随着华北电网容量的不断增加，对电力系统的稳定性要求越来越高。所以确保京津唐电网的安全稳定运行，是当前首要研究解决的任务之一。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；反之，可能延长停电时间，甚至进一步造成设备损坏的严重后果。
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