（电力系统及其自动化专业论文）区域电力系统黑启动及其策略研究.pdf

本文最后把黑启动的策略优化理论应用与广西电网的黑启动研究，系 统量化分析了广西电网的黑启动总体策略、黑启动电源选择、黑启动 分区策略、黑启动路径、机组黑启动顺序、黑启动频率和电压控制策 略，提出了广西电网“分区黑启动”方案。 仿真算例和实例分析的结果表明，采用本文提出的黑启动优化方 法和策略制定黑启动方案不但提高了区域电力系统黑启动的稳定性 和安全性，而且减少事故损失达3 0 以上，减少事故恢复时间达4 0 以上，充分说明了本方法的系统性和有效性。 关键词：黑启动启动电源启动优化恢复策略全黑事故 事故损失机组容量电力系统 b l a c k s t a r t0 fr e g i o n a lp o w e rs y s t e m a n di t ss t r a t e g y a b s t r a c t m o r ea n d1 1 1 0 1 r e c o g n i t i o nh a sb e e nf o c u s e do nt h eb l a e k s t a r ta n ds e c u r i t yo f p o w e rs y s t e m sb e c a m eb l a c k o u t sh a dt a k e np l a c ef r e q u e n t l yi nt h ep a s tf e wy e a r s b l a e k s t a r tm c a l l s1 镪t o r a t i o nf r o mb l a c k o u to fp o w e rs y s t e m s i n 趾o t h e l w o r d a l t e r p o w e rs y s t e mb l a c k so u tb e c a u s eo ff a i l u r e , g e n e r a t i n gu n i t st h a tc a l lr e s t o r eb y t h e m s e l v e ss t a r tu pw i t h o u tt h es u p p o r to f o t l a c rp o w e rs y s t e mf i r s t l y , t h e na s s i s to t h e r g e n e r a t i n gu n i t st os t a r tu p ，a n dr e a l i z e st h er e s t o r a t i o no ft h ee n t i r ep o w e rs y s t e m f i n a l l y b l a c ks t a r ti st h el a s tl i n eo f d e f e n e eo f t h es e c u r i t yo f t h ep o w e rs y s t e m s i no r d e rf o rc o n s u u e t i o no fap r o p e rb l a c ks t a r ts c c n a l i o , a c h i e v e m e n to ff a s t r e c o v e r ya n dl e s s e rl o s s , a no p t i m a lg e n e r a t i n gu n i ts e ta n dal o g i c a l s t a r t u pp a t hf o r b l a c ks t a r to f p o w e r s y s t e m ss h o u l db ed e c i d e d t os o l v et h ep r o b l e mo f r e l i a b i l i t ya n d e c o n o m i e s a n df o rt h ec o n s t i t u t i o no ft h er e s t o r a t i o np l a no fp o w e rs y s t e m s ，m u e l a r e s e a r c hh a st ob e e nm a d ea b o u tt h et h e o r ya n ds t r a t e g yo f b l a c ks t a r t t h i sp a p e rd e d i c a t e si t s e l f t ot h es t u d yo nt h et h e o r ya n ds t r a t e g yo f b l a c ks t a r t i n t h ep r o p o s e dm e t h o d a c c o r d i n gt ot e c h n i c a lr , e r f o m m e ei n d 甑o f b l a c ks t a r ta n dt h e c h a r a c t e r i s t i co ft h eg e n e r a t o r s , am a t h e m a t i c a lm o d e li sp r e s e n t e dt os i m u l a t et h e t r a n s m i s s i o ns y s t e m , g e n e r a t o r , l o a da n df r e q u e n e er e s p o n s e t h e nt h ep r o c e s s c h a r a c t e r i s t i c so f b l a c ks t a r to f p o w e rs y s t e m si ss i m u l a t e d 咖t h eb a s i so f t h em o d e l a n db l a c k s t a tr u l et oa 1 1 a l y s e st h eo p t i m a ls t r a t e g yo fb l a c k s t a tb ya p p i y i n gt h e l o n g - t e r m q u a s is t a t i ( ：”d y m m i ee m u l a t i o nm o d e ，t h e nd e t e r m i n et h en u m b e r , c a p a b i l i t ya n dl o c a t i o no ft h eg e n e r a t i n gu n i t si nt h eb l a c ks t a r to fp o w e rs y s t e m sb y c o m p a r i s o no fo u t a g el o s s e sa n dt h ec o s t so ft h es t a r ts o l u t i o n m o r e o v e r , t h i sp a p e r l e l a t 懿t ot h es t r a t e g yo fb l a c ks t a r t , i n v o l v e db yt h eo v e r a l ls t r a t e g yo fb l a c ks t a r t , p r i o r i t ya n a l y s eo f t h e8 t a t t - u po f g e n e r a t i n gu n i t sa n dr e e n e r e z i n gi r a n s m i s s i o nl i n e ， e s t i m a t i n gb l a e k s t a r td u r a t i o n , r e s t o r a t i o ns l r a t e g i e so fl r d n s m i s s i o ns y s t e m sa n d r e a c t i v ep o w e ra n dv o l t a g ec o n t r o ls t r a t e g i e sd u r i n gb l a c k s t a r t i nt h i sp a p 豇9t h e “i n c r e a s er a t eo fn e tg e n e r a t i n gc a p a b i l i t y i sc o m p u t e dt od e t e r m i n e dt h ep r i o r i t yo f t h es t a r t - u po fg e n e r a t i n gu n i t s , a n dt h e p o w e rt r a n s m i s s i o nr a t ev a r i e t yi n d e x i s c o m p u t e dt od e t e r m i n e dt h ep r i o r i t yo f r e e n e r g z i n gt r a n s m i s s i o nl i n e ，a n dt h e t h r e e p o i me s t i m a t i o nm e t h o d i sa d o p t e dt oe s t i m a t e dt h et i m es p e n d e di ne v e r yo p e r a t i o l l d u r i n g b l a c k s t a r t ad e l a m i n a t i o na n dc l a s s i f i c a t i o nr e s t o r a t i o n s t r a t e g y o f t r a n s m i s s i o ns y s t e m si sa l s op r o p o s e di l lt h i sp a p e r e v e n t u a l l y , t h ep r o p o s e dm e t h o d si sa p p l i e dt ot h eb l a c k s t a r to ft h eg u a n 鲥 p o w e rg r i d a f t e ra n a l y s es ，吼e m 硝c a l l ya n dq u a n t i t a t i v e l yt h eo v e r a l ls t r a t e g yo f b l a c ks t a r t , s e l e c t i o no fi n i t i a lp o w e rs o u r c 世，d i v i s i o n a lb l a c k s t a r ts t r a t e g y , b l a c k s t a r t p a t h s ，s t a r t - u ps e q u e n c eo fg e n e r a t i n gu n i t s a n df r e q u e n c ya n dv o l t a g ec o n t r o l s w a t e g yd u r i n gb l a c k s t a r t , af e a s i b l eb l a c ks t a r ts c e n a r i oi sa c h i e v e d t h er e s u l t so fas i m u l a t i o nc a s ea n da c t u a lc 粼i l l u s t r a t et h a tn o to n l yt h e p r o p o s e dm e t h o d e l t h a l l c et h e s t a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fp o w e rs y s t e m sd u r i n g b l a c k s t a r t , b u ta l s oa no p t i m a ls c e n a r i oo f b l a c ks t a r tr e s u l t si nl o s sd e c r e a s eb y3 们 t i m ed e c r e a s eb y4 0 ，a n dv e r i f i e st h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di ss y s t e m i ca n d e f f e c t i v e k e yw o r d s ：b l a c ks t a r t ；i n i t i a lp o w e rs o u r e e , s t a r t - u po p t i m i z a t i o n ；r e s t o r a t i o n s t r a t e g y ；b l a c ko u t ；o u t a g el o s s , u n i tc a p a c i t y ；p o w e rs y s t e m s 1 v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：2 0 0 7 年6 月2 6 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： - 即时发布0 解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：名鹚 导师签名：2 0 0 7 年6 月2 6 日 广置r ，0 攀曩士掣啦能史蓝域t 力j “毫赢启动曩其蕈略嘲- ，b 致谢 我衷心感谢导师吴杰康教授对我的教育、指导和关怀。本论文是在导师的 悉心指导下完成的，从论文的选题到最终完稿，吴老师给了我许多建设性的意 见，并提供了便利的学习条件，使得本论文得以顺利完成。吴老师严谨求实的 治学态度，对新事物敏锐的洞察力，勇于创新的科学精神，平易近人的学者风 范，诲人不倦的优怠师德，乐观豁达的生活态度，将使我终生难忘，受益无穷。 感谢我的0 4 级同门和0 5 级、0 6 级的师弟、师妹们，和你们在一起共同学 习生活的这段日子里，你们乐观向上的生活和学习态度，深深地影响着我，让 我感到了家庭的温暖非常庆幸能在这个温暖、进取的集体中与大家共同学习、 共同进步。 感谢电气研2 0 0 4 级的整个集体，我们和谐相处的岁月，将构成我人生的美 好回忆。 感谢广西大学电气工程学院的各位师长对研究生的关怀和支持，感谢所有 关心、鼓励、帮助过我的老师和同学们。 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取褥的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 勰 ，百，o 擎硪士掌矗睫文盛盟电力j o 乞曩- 启簟a 萁簟_ 研，巴 第1 章绪论 1 1 问题的提出和意义 继2 0 0 3 年“美加世纪大停电”造成上百亿美元的经济损失后，进入2 0 0 5 年 以来世界各地又发生了一系列重大停电事故。其中1 月8 日和9 日，瑞典西南部遭 遇飓风袭击，致使当地4 0 多万户家庭或机构停电，直接损失几十亿瑞典克朗。5 月2 5 日，俄罗斯首都莫斯科发生了俄境内近几年来最为严重的停电事故，停电 给莫斯科市及其周边地区所造成的损失为1 7 亿卢布( 约合6 0 0 0 万美元) 。大事故 的频频发生使得电力系统的安全稳定问题和大事故后的恢复问题即黑启动问题 越来越受到人们的重视。 所谓“黑启动”，是指整个区域电力系统因故障停运后，在无法依靠其它电 网送电恢复的条件下，通过启动系统中具有自启动能力机组，带动无自启动能 力的机组，逐步扩大系统的恢复范围，最终实现整个系统的恢复。 随着电力跨区域互联的逐步实施，电网的规模越来越大，各子系统之间的各 元素相互影响也更加强烈，局部系统的的故障可能在保护和自动装置的不正确 动作的情况下发展成大面积的停电事故，甚至造成整个电力系统的崩溃瓦解，给 电力用户和电力系统本身带来巨大的损失。随着我国电力市场改革的逐渐深化， 各发电企业按市场规律办事，追求自身的经济利益最大化，必然会要求发电机 组越来越接近其安全稳定极限运行，而一旦系统处于运行极限的临界点时，任 何小扰动和小故障都可能导致大事故的发生。这使得电力系统的运行、操作和 管理变得愈加复杂，同时也使电力系统的安全稳定问题和故障后的恢复问题变 得日益突出。 历次大面积停电事故的总结表明，区域电力系统的互连更易于扩大而不是 抑制事故发生的范围，互连使得事故源区域的影响迅速扩散到其他区域。毫无 疑问，在电力系统黑启动的过程中，电力平衡的保持是非常复杂的。接近极限 的运行方式增加了全黑事故发生的概率，针对于此，人们很容易得出相应的解 决方法：增加系统发电容量；升级输电系统；减轻负荷；减小发电到 用电的电气距离。 国内外学者对美加“8 1 4 ”大停电事故的原因深入调查后，美国电力可靠 区域电力系统具启动覆其簟略研究 性委员会提出了导致事故发生的关键因素：事故发生时天气炎热，系统处于 高负荷状态；某些输电线路处于重负载状态；原本设计满足地方区域输电 要求的输电系统应用与区域间的大功率传输；操作规则和操作经验与新的系 统运行条件不相适合：一些操作人员不能正确及时处理发生的问题：一些 自动装置发生故障或参数设置不当。 发电容量并不是导致事故的关键因素，“8 1 4 ”事故发生时各区域的旋转备 用率都保持在2 0 以上，远大于常用的安全备用率1 2 1 8 。事实上，在紧张 的运行状态下，发电机组易受不稳定因素的影响而退出运行。相比于提高系统 的输电能力，增加分布式发电源以减小发电到用电的电气距离更有效于提高系 统的可靠性。分布式发电可以大大减轻输电线路的长距离送电的压力，还能作 为系统用电高峰期的备用容量和医院、银行、水厂等重要负荷的紧急供电源。 负荷响应对于减轻系统的运行压力是有效的，特别是系统处于不正常状态时， 低频低压切负荷装置其作用可以相当于电力源，前者通过切负荷减少系统的电 能消耗，后者通过发电增加系统的电能供应。负荷响应对于维持系统电力平衡、 避免系统崩溃、提高系统的可靠性意义重大。 有的学者认为增加电力系统的输电能力是避免大事故发生的最佳方法，有 的学者提出电力市场化是大事故发生的罪魁祸首。为了解决利益最大化和系统 安全性存在的矛盾，电网运行应该遵循一定的安全原则，其中一个最基本的原 则是电力系统应该始终运行在不易诱发连锁性大事故的稳定状态。只有当系统 有足够的安全裕度才能有效地避免全黑事故的发生，这就必须有足够的发电备 用容量和输电容量弥补因故障退出运行的发电机组和输电线路的容量。杜绝一 切事故的发生是不可能的，现实中电力系统通常采用的是“n - 1 ”的安全标准， 即是当系统其中某个设备发生故障时不影响整个系统的稳定性。 电力系统的输电能力除了受线路的热稳定性限制之外，还受电压和功角稳 定性的限制。如当某一条线路因故退出运行时，电网的结构发生变化，电网阻 抗和未退出运行线路的输送功率随之增加，这可能导致电压的大幅度下降甚至 整个系统失去稳定。 电力系统安全原则的制定和发展使其抵御事故的能力大为增加，但实践表 明大事故依然时有发生，这是什么原因呢? 首先一个是安全原则有意或无意地 不能得以充分的贯彻，另一个是系统有不可预料的情况发生。假设系统已经满 足“n - 1 ”安全标准，但当某一线路发生故障后，如果故障不能及时处理之前第 2 区麓电力j u t 曩r 启簟覆其簟咭崎完 二条线路又发生故障，就可能诱发连锁性故障而导致系统崩溃。 历史数据统计表明，大多数大停电事故发生前系统运行并不违反安全原则， 但处于重负荷状态，大事故通常由于系统外部偶发事件和内部自身故障的相互 作用而产生的。比较典型的是内部故障引起保护系统对外部放障的不正确动作， 使得本不应该切除的设备被切除了，系统的运行压力变大了，最终由小事故演 变为不可控制的连锁性大事故。因此电力安全原则对于保护系统可能的不正确 动作的考虑还有待加强。 增加系统的输电能力可以提高系统的安全性和减少大事故发生的概率吗? 实践表明，在电力市场的环境下，增加的输电能力往往被发电厂的供电方式的 改变所消耗，市场的作用使得接近极限的运行方式才是经济的运行方式。仅仅 增加系统的输电能力难以有效提高电力系统安全性和减少大事故概率，然而也 可以采取一系列的措施减少大事故的发生，如减少保护系统的误动作、升级通 讯控制设备、改进操作程序、减少连锁故障的发生概率、提高对突发情况的反 应速度和质量等。 。 在2 0 0 3 年8 月1 4 日美加的“世纪大停电”和随后发生的丹麦、瑞典和伦敦等 一系列大停电事故造成了数百亿美元的经济损失之后，世界各国有关部门和学 者对电力安全的研究达到了空前的重视程度。尽管全黑事故的发生存在着许多 难以预知的因素，并且在定条件下甚至是无法避免的，但加强对事故恢复策 略的研究，制定各种更加完善和详尽的恢复计划并及时更新、加强对运行人员、 调度人员的培训、及时检修和升级改造相关的电力设备，就能在事故发生时加 快系统的恢复进程。反之，则可能延误系统恢复，甚至扩大事故范围，造成严 重的后果甚至灾难。意大利南部电网在1 9 8 2 年8 月的全停事故中，由于事先制定 了完善的恢复措施和运行操作人员的训练有素，只用了4 0 r a i n 就完全恢复了对负 荷的供电；瑞典在1 9 8 3 年1 2 月的大停电事故后有关学者在总结中指出，事先制 定的分层自动或半自动恢复原则对恢复的顺利进行有极其重要的意义。 因此，加强对区域电力系统黑启动及其策略的研究是电力发展的需要，是 保证供电质量、满足国民经济发展的重要手段，对促进和改善电力工业的生产 和管理、加速电力市场化、提高经济效益和社会效益有着深远的影响。 1 2 黑启动问题的国内外研究现状 3 蕊焦0 力，o 览囊启动a 其策研究 电力系统在全黑事故后的恢复问题是既古典又前沿的问题，它随着电力工 业的出现而出现。电力工业的重构和大型电力系统越来越接近它的运行极限， 使得电力系统更易于发生全黑事故，也使得大事故后的快速而有效的恢复成为 一个新的挑战。电力系统全黑事故后的恢复是一个艰巨的任务，系统处于极其 脆弱的状态，黑启动复杂而耗时，同时给电力用户和电力工业带来巨大的损失。 幸运的是，随着一系列诸如大规模电力系统分析、通信和控制、数据管理和人 工蟹能等的新理论和新技术的应用，黑启动的理论和技术也得到了长足的发展， 取得了一系列的研究成果。 自从二十世纪六十年代开始，国内外很多专家学者致力于减少电力事故发 生概率和范围的理论和方法，已经取得了显著的成果，而电力系统发生事故后 如何尽快恢复的问题即黑启动问题却相对被忽略了。随着区域电力系统规模的 不断扩大，结构越来越复杂，如何解决系统失电区域的快速安全恢复问题也越 来越受到人们的重视。区域电力系统全黑事故恢复主要的研究对象是发电系统 和输电系统，它和配电系统恢复有很多类似的特征，如恢复路径的选择和开关 策略的选择等等。然而相比与配电系统的恢复，区域电力系统黑启动则更复杂 些，目标更多，需要考虑的约束条件也更多。 对电力系统全黑事故后的恢复研究始于二十世纪八十年代中期，对失电区 域的恢复可分为两种类型：部分失电系统的恢复和全黑系统的恢复。部分失电 系统的恢复主要需要解决的是网络的重构问题。全黑系统的恢复涉及到一系列 的复杂的问题，如黑启动分区、发电机组的启动条件和启动特性、充空输电线 路等。 黑启动问题的解决需要调度人员、操作人员、检修人员等共同的协调努力。 全黑事故的发生概率是很少的，但它却带来了一系列严重而特殊的问题值得我 们深入的研究。近年来对于电力系统事故恢复和黑启动的研究越来越受到重视， 相关的文献主要来自美国、日本、法国、加拿大和我国台湾等。 文献 1 把典型的黑启动过程分为几个恢复阶段：第一阶段，评估系统的状 态，确定初始启动电源，定位关键负荷。第二阶段，选择恢复路径，复电形成 一个个子系统，然后逐步实施子系统的互连形成更大更稳定的系统。第三阶段， 开始大规模的用户负荷的恢复。 1 9 8 6 年，为了及时总结实践经验，促进信息交流，i e e ep e s 系统运行委员 会成立一个电力系统恢复特别工作小组，这个小组的前两个报告。1 全面而概要地 4 广薯r ，叫乒礓士学位 l 文 区域0 力“鼻启动a j 蕈q 峙兜 介绍了电力系统的恢复一些重要问题，其中涉及了恢复计划、电力系统有功和 无功特性和恢复策略等。九十年代初，国际大电网会议研究委员会经过广泛的 国际交流，形成了两个报告，报告提出了黑启动的建模问题，以及建模和仿真 的要求，并论述了电力系统恢复的要求和恢复的一般方法。另外，报告还描述 了一些黑启动的实际案例。 国内外对黑启动问题的研究，主要包括以下几个方面：黑启动系统有功特 性研究以及频率控制，黑启动无功特性研究以及电压控制，黑启动开关策略， 黑启动计划，黑启动的继电保护和自动控制问题，黑启动研究和实施技术，黑 启动恢复训练等。 ( 1 ) 黑启动系统有功特性研究以及频率控制。本文电力系统黑启动及其策略研 究，总的来讲属于黑启动系统有功功率特性以及频率控制研究的部分。国内 外有关学者对于黑启动有功特性这个问题己作了一定程度的研究，得出一些成 果和结论其中文献 2 对不同类型的发电机组的启动特性作了大致的研究；文 献 5 j 特别强调了火电厂的启动特性，两文献 6 把重点放在核艟发电厂的启动 特性上；热电厂机缎的热启动和冷启动之间的区别以及它的启动特性对于整个 系统黑启动的影响，受到了许多学者的重视：获得启动电能后，热电厂机组的 热启动不需要暖机，机组启动较侠，而热电厂机组冷启动由于受到涡轮金属温 度变化范围限制，启动速度慢得多，因此机组的黑启动和随后的大型热电厂机 组的启动显得十分重要，一旦在黑启动的早期阶段发生操作失误将大大延长热 电厂机组的启动时间，从而导致整个系统黑启动进程的很大延误，见文献 【7 1 2 ；文献 1 3 - 1 5 讨论了黑启动中个机组的启动序列的闯题，近年来国内外 学者对黑启动过程中冷负荷接入闷题研究比较热情，在黑启动的早期阶段，如 果系统接入大容量负荷，可能导致系统频率的大量下降，甚至超出可容忍的范 围，一些文献对黑启动中的频率下降预测和优化发电备用容量等问题作了研究， 还有的研究了黑启动中实施切负荷策略的可行性，见文献 1 6 - 1 9 。 ( 2 ) 黑启动无功特性研究以及电压控制。在系统黑启动过程中涉及到三种过电 压：持续工频过电压、操作过电压和谐振过患压。过电压可能导致变压器、开 关等电力设备的损坏，因此需要仔细分析，尽量控制。文献 2 0 提出了通过电 力潮流优化控制持续工频过电压的理论方法。文献 2 1 提出了应对谐振过电压 的方法。文献 2 2 论述了种简单而近似的暂态和工频过电压的估算方法，同 时讨论了输电线路充电过程中的不对称问题。文献 2 3 论述了输电网复电的问 广蕾r ，“蚌碍l b 学位靛比乞蕊焦0 力j “毫- 囊动a j ，嘲研究 题和恢复过程中的过电压问题，文献 9 专门讨论了地下电缆的充电问题。在黑 启动的早期阶段，输电线路处于轻载状态，可以应用分流电抗器的方法控制过 电压“。另一个在黑启动初期阶段应注意的问题是同步发电机的超前和滞后无 功发电能力的限制，系统恢复早期阶段，充空输电线路或轻载输电线路引起的 高电容性电流，以及启动发电厂补助电动机引起的高电抗性电流，都对黑启动 机组的无功发电能力提出了很高的要求。因此，黑启动期间的机组无功发电 能力应该加以优化m ，。 t ( 3 ) 黑启动开关策略。一般来说，系统的黑启动通常有两个不同的开关策略。 “全开”策略，即所有的断路器在电力系统崩溃失压后马上断开。“选择 性开断”策略，这个策略在黑启动过程中仅有被选择的一部分开关处予歼断状 态。对于黑启动路径的选择问题国内外学者做了不少研究，其中他们大部分都 是基于人工智能的方法进行黑启动路径的选择。人工智能的方法关键在于获取 和描述操作员的知识和经验，因丽这种方法常受限于系统的特殊的结构和恢复 策略，难以移植和兼容”7 ”1 。该问题一个常用解决方案是把每一个黑启动步骤 细分为一系列的普通常用的“标准”操作”1 。由于黑启动过程系统处于极脆弱 的状态，因此必须认真检验备黑启动路径的可行性，特别是自励磁现象和过电 压现象尤其值得注意。实践中有两种检验黑启动路径的方法：通过做试验的方 法或通过仿真的方法，其中文献 3 0 论述了一种利用仿真工具进行黑启动路径 检验的方法。 ( 4 ) 黑启动的继电保护和自动控制问题。在黑启动的过程中，系统的结构和运 行状态处于持续而急剧的变化中，而通常继电保护和自动控制装置的整定是基 于常规的运行状态，所以在系统黑启动的特殊运行状态下可能会产生误动和拒 动的各种问题，延缓甚至破坏系统的恢复。文献 3 1 讨论了黑启动过程中继电 保护的动作特性、继电器的整定和其他些继电保护问题。可以通过低频自动 隔离装置保证区域发电出力和负荷的平衡，以避免更大范围的发电机组因频率 过低而被迫推出运行】。这对于火电机组能够在系统大事故发生后迅速与系统 隔离带厂用电“孤岛”运行，成为黑启动的启动电源具有重要的意义。同样道 理，在黑启动过程中如果发生系统频率急刷下降的情况，需要减少接入系统的 负荷量，这可以通过低频自动切负荷装置的应用完成相应的动作。当闭合网络 环路时，比如两个予系统的同步并网时，有时会出现显著的相角差，引起系统 的不稳定，这在黑启动的过程中应该通过自动装置的作用尽量避免1 。 6 广曹，“烘士学位髑曙乞暖冀t - t 力，o 宅鼻u 皇褂a 萁菜h 研究 ( 5 ) 黑启动计划。系统大事故后的快速恢复的成功与否很大部分决定于黑启动 计划的制定和执行。文献 3 4 的报告涉及了黑启动计划的实际制定和部署，文 献 3 5 概略论述了黑启动任务如何在操作员和电脑之间的实现有效的分配。文 献 3 6 和 3 7 论述了黑启动两个截然不同的策略：“自上面下”策略和“自下而 上”策略。“自上而下”策略首先利用互联同步补助设备和无功吸收能力强的水 电机组建立大型的输电系统，然后充电变电站和变压器，发电机组重新启动和 同步，负荷月：始恢复。“自下面上”策略把整个区域电力系统划分为一系列的黑 启动予系统，每个子系统都具有一定的黑启动能力，各子系统首先各自并行恢 复然后在会适的时候再实现逐步互联网步。文献 3 8 论述了应用于黑启动计 划的稳态模型的有效性。另外，一些学者研究如何给黑启动过程中发电机、锅 炉、电动机、汽轮机和控制设备等建模，并使用稳态程序或电磁暂态程序进行 黑启动时域研究”删。其中文献 4 1 和文献 4 2 】分别强调了输电线路和汽轮机 火电厂的黑启动建模问题。 ( 6 ) 黑启动恢复训练。电力系统全黑事故发生的概略很小，系统运行操作人员 平时很少有机会参加黑启动实际运行操作，而黑启动过程中时间紧追，各种信 息繁杂凌乱，操作人员如果不经过相关训练，很容易手忙脚乱，甚至发生误操 作，延缓系统的恢复。因此，黑启动恢复训练是非常重要的。文献 4 3 概述了 系统恢复的操作员训练技术，文献e 4 4 论述了实际中系统恢复训练如何管理和 评价。可以通过o t s ( o p e r a t o rt r a i ns y s t e m ) 进行交互而逼真的黑启动训练，同 时o t s 还可以检验黑启动计划的有效性和优劣性，甚至可以和知识库系统相结 合制定黑启动计划w 。 ( 7 ) 黑启动研究和实施技术。文献 4 6 概述了应用于电力系统恢复问题的分析 工具。这些分析工具可以基于频率应用范围可以分为几类。其中重要的一类为 基于稳态的分析工具( 电力潮流分析程序) ，它是应用于系统恢复的最基本的分 析工具1 。文献 4 8 介绍了如何把它们应用于持续工频过电压的控制橱题。上 面所提到的o t s ( o p e r a t o r t r a i ns y s t e m ) 可以看成一种“准”稳态分析工具，因 为它用电力潮流的方法分析电力系统的电气行为，同时它还允许考虑电力系统 长期性的动力行为，如电力系统的机电或机械的方面的行为。文献 4 9 分剐介 绍了应用于频率暂态短期、中期和长期分幸斤工具。黑启动过程中的电磁暂态研 究可以使用e m t p 或类似工具，还有一些把稳定性或安全性分析应用子电力系 统恢复的方法。“，另外一些重要的系统恢复分析工具相角差分析程序”1 。 7 广西大增h 蔓士孽啦论文 区域电力j u 充累瘩劫a 其蕈呻暗竞 上述各种分析工具各有各的特色和适用范围，然而为了研究系统黑启动的 不同频率范围的不同现象，需要把各种工具有机结合起来，发展些复合型工 具。文献 5 3 论述了不同分析工具的如何结合以及它们的实际应用。电力系统 黑启动闯题是一个复合性的复杂问题，它的解决经常要基于专家或操作员的知 识和经验，而人工智能在描述专家的知识和经验的方面有独特的优势，这就使 得人工智能的方法在系统的黑启动的应用得到了发展，其中最为典型的代表是 专家系统的应用。电力系统故障恢复问题需要大量的逻辑推理、调度员的经验 和启发式规则来解决，难用数学模型表示和描述，而这正是专家系统的优势所 在。文献 5 4 概述了专家系统在电力系统中的应用，另外一些文献描述了专家 系统知识库的要求，以及专家系统如何应用于电力系统黑启动的不同阶段“。 专家系统应用于系统恢复最为关键的是把专家或操作员的经验转化成启发性的 规则“”。专家系统的不足之处为：建立并维护一个完备的知识库难度很大， 知识库是应用瓶颈；随着系统复杂性提高，知识库中规则数量会急剧增多， 从而延长系统分析时问；学习功能弱：容错性能差。为了减少专家系统的 规则的数量，可以应用数学方法和其他一些分析优化工具和专家系统知识库相 结合。其他一些应用于电力系统照启动和恢复的人工智能的方法还有：p c t r i 网瑚3 、模糊逻辑”1 、遗传算法1 、神经网络。4 等。 电力系统输配电网恢复的新算法不断被人们提出。综合来看总共有两类算 法：一类是基于优化的算法，另一类是基于人工智能的方法。基于优化的算法 有混合整数规划法，基于人工智能的算法有专家系统、模糊理论、遗传算法、 p e t r i 网、人工神经网络、多代理系统、混合整数规划法、启发式算法等。 1 3 本文主要工作 本文致力子区域电力系统黑启动及其策略研究，主要做了几个方面的工作： 总结提出黑启动技术性能指标，分析研究各类机组的启动特性和运行特性， 特别是水电机组和火电机组的黑启动特性，研究水电机组和火电机组黑启动和 黑启动应该注意的问题。建立电力系统黑启动模型，包括输电系统模型、发 电系统模型、负荷模型和系统频率响应模型，分析黑启动规则，包括早期恢复 阶段规则、系统重构阶段规则和负荷恢复阶段规则，研究基于模型和规则的黑 启动模拟方法，研究大事故停电损失和黑启动成本的计算方法，综合比较大事 8 ，1 盯，叫牡习i 士尊吨蚺鲁文 盛电力j o 览1 0 启毫习口j t 确，巴 故停电损失和黑启动成本进行黑启动电源的选择，并进行仿真分析。提出黑 启动容量的概念，建立求解区域电力系统黑启动最优容量的数学模型，包括目 标函数和约束条件。研究分析区域电力系统黑启动机组启动优化策略、输电 网恢复策略、无功及电压控制策略、机组启动和线路恢复的优先权以及黑启动 操作时日j 序列。案例分析广西电网的黑启动策略，研究广西电阚的黑启动总 体策略、黑启动分区策略、黑启动电源、黑启动路径和机组启动顺序分析以及 黑启动频率和电压控制策略，并进行相应的仿真分析，提出广西电鼹的黑启动 的策略和应该注意的一些问题。 1 4 本文的主要创新点和先进性 本文从事故损失最小的角度研究黑启动方案的选择问题，并用算例进行了 验证，立意比较新颖，值得进一步研究，对相关领域的研究者具有一定的参考 价值。文章研究基于事故损失最小化的黑启动电源选择，综合比较模拟计算得 到的大事故的停电损失值和方案的成本，判断各黑启动电源方案的可行性和优 劣性，并给出了仿真算例。文章对于系统大事故后恢复的黑房动电源选择有一 定参考价值。 9 区域电力o 乞囊- 启动a 善簟开完 第2 章发电机组黑启动特点 2 1黑启动机组技术性能指标 当发生区域电力系统大面积停电事故时，若事前无任何准备，事后无任何 黑启动措施，则会使停电时间大大延长，造成国民经济重大损失。黑启动是电 力系统安全运行的重要措旌之一，其目标是在最短时间内使系统恢复带负荷能 力，系统恢复是否顺利关键在于启动电源即黑启动机组。 作为事故后迅速恢复系统安全运行的重要措施，黑启动机组有独特的开机 条件和启动步骤，为确保机组安全、顺利而又快速的启动，应加强对黑启动开 机条件和启动步骤的研究。机组在黑启动运行状态下和常规运行状态下的开机 条件和启动步骤有很大不同，发电机组要成功黑启动，要满足的基本开机条件 如下：厂房内蓄电池容量符合规范要求，u p s 满足计算机监控系统的使用要求， 事故照明工作正常，直流注油泵工作正常，储气罐压力正常，调速器系统油压 和油位正常，各导轴承油位正常。 区域电力系统发生大面积停电事故后，系统恢复所需的黑启动电源主要来 源于三类：本身具有黑启动能力的机组；事故后残存的机组或“孤岛”； 相邻系统的支援。但是是由于第二和第三种黑启动电源具有不确定性，难以在 黑启动方案的制定中把握其状态，因此通常只有第一类电源列入恢复计划。为 了具备提供黑启动服务能力的性能，提供黑启动能力发电厂的辅助发电设备， 以及相应的主发电设备，无论什么样的机组类型，都需要满足一定的技术性能 指标。根据“北美电力安全委员会”的要求，这些技术性能指标主要包括以下 的几个方面： ( 1 ) 系统发生大面积事故后，在规定的时间范围内，在没有使用外部电源支援 的情况下，能够至少启动发电厂的一台主发电机组。 ( 2 ) 在接到电力调度部门的指令两个小时内，能够给电网的部分输电系统供电， 如果必要，能够给本地的部分配电系统供电。 ( 3 ) 能够瞬间接受因需求引起的大容量负荷，能瞬间接受负荷容量理想值在 3 0 5 0 m w 之间，同时，在接受瞬间大容量负荷的过程中，频率值和电压值的范围 可以被控制在允许的范围。在黑启动的过程中，频率值范围应控制在4 7 h z - 5 3 h z i o 曩，t 电力j o 毫晨启动a 矢蕈 研，巴 之间。 ( 4 ) 考虑到电力系统黑启动的过程中的极不确定性和极不稳定性，容易引起的 各种保护装置的动作，使得黑启动机组的从系统中的失去同步或退出运行。所 以，黑启动机组必须能够在接受任务的期间，具有至少三次的连续黑启动的能 力。 ( 5 ) 根据黑启动指令，具有黑启动能力的发电厂，应该保证足够的燃料储备， 使得发电厂能够在接受指令之后，稳定持续运行一段时间，比较理想的范围为 3 7 天。 ( 6 ) 提供黑启动服务的发电厂，它的主发电机组和补助发电机组的故障率应该 足够低，可用率保持在9 0 以上。 ( 7 ) 提供黑启动服务的发电厂，具有一定的无功吸收能力。 根据上述的黑启动技术性能指标，对电力系统的各主要类型的发电厂的运 行特性和启动特性进行分析，以确定那一种类型的发电厂适合作为黑启动电源， 以及它们作为黑启动电源时应该注意的一些问题。 2 2 各类机组的启动特性与运行特性 一般来讲，所有发电厂的启动都需要一定的启动电能的供应。水电厂的厂 用电相当小，仅为电厂最大负荷的0 1 - 1 ：火电厂则大得多，约为5 8 ； 原子能电厂为4 5 。在电力系统正常运行的操作环境下，各类发电厂可以通 过输电系统或配电系统获得所需的启动电能。在电力系统发生崩溃瓦解的全黑 事故的紧急状态下，一部分具有黑启动能力的发电机组通过安装在特定位置的 补助发电设备获得所需的启动电能。而其余的无黑启动能力的机组，则需要在 黑启动机组启动之后，获得启动电能后才能正常启动。 火电厂的锅炉和汽轮机都有一个最小技术负荷，火电机组退出运行和再度 投入，或承担急剧变动的负荷时既要额外耗费能量，又花费时间，且易于损坏 设备。另外，不同类型火电厂的锅炉和汽轮机的效率和调节范围有所不同，有 高温高压、中温中压之分，其中，高温高压设备效率较高，但可以灵活调节的 范围窄：中温中压设备效率较前者低些，但可以灵活调节的范围较前者宽。核 电厂的反应堆和汽轮机退出运行和再度投入或承担急剧变动的负荷时也要额外 耗费能量和花费时间，且易于损坏设备，同时操作比较复杂。 广西，叫螫习l 士尊盘簧 文区域电力j 0 晓1 0 启动反其蕈略研究 水电厂的水轮机也有一个技术最小负荷，但它退出运行和再度投入或承担 急剧变动的负荷时不需耗费很多能量，也不需花费很多的时间，操作比较简单， 这是水电厂的主要优点之一，抽水蓄能水电厂也有同样的优点。 由上面的分析可知，水电厂有较强的自启动能力，启动速度快，是作为黑 启动电源的首选电厂。但水电厂的自启动能力是有条件的，如果事先没有一套 行之有效的黑启动预案或操作程序，很难在短时间内恢复发电。比如，水轮机 的开启和关闭主要靠调速器的油压装置推动水轮机的导叶机构来实现，如果系 统大事故后水轮机油压装置的压