（电力系统及其自动化专业论文）电力系统恢复控制的协调优化策略研究.pdf

a b s t r a c t m o d e mp o w e rs y s t e m sh a v eb e c o m em o r ea n dm o r e c o m p l e xd u et o t h e i n t r o d u c t i o no ft h ed e r e g u l a t e da n du n b u n d l e dp o w e rm a r k e to p e r a t i o n a lm e c h a n i s m c o n f l i c tb e t w e e ni n c r e a s e dl o a dd e m a n da n dt h ea g e de q u i p m e n t sh a sa l s o p u s h e d p o w e rs y s t e m st ob eo p e r a t e dc l o s et ot h e i rl i m i t s ，w h i c hi s i n c r e a s i n gt h er i s ko fl a r g e b l a c k o u t sa f t e rt h ec a s c a d i n gf a i l u r e s a c c o r d i n g l y , h o wt or e s t o r e p o w e rs y s t e m s r a p i d l ya n de f f e c t i v e l ya f t e rb l a c k o u t sh a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti s s u eo f m t e r e s ti np o w e re n g i n e e r i n g b a s e do nt h e e x i s t i n gl i t e r a t u r es u r v e yi n v e s t i g a t e d t h o r o u g h l y t o p o w e rs y s t e mr e s t o r a t i o n ，an o v e lg l o b a l i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o n f r a m e w o r kt o w a r d sm o d e mp o w e rs y s t e mr e s t o r a t i v ec o n t r o li s p r o p o s e di nt h i st h e s i s t h ek e yp o i n t so ft h i sr e s e a r c hi n v o l v et h ec o n s t r u c t i o no fo p t i m i z a t i o nm o d e l t h e s o l u t i o ns t r a t e g y , t h eb e h a v i o ro fc o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o n ，t h eo v e r a l lo p t i m i z a t i o n t a r g e t ，l h ec o n c e p to ft i m es t e pa n dt h ei n t e r a c t i v es t r a t e g y , e t c t h i sr e s e a r c hc a n e n h a n c et h er e s t o r a t i v ec o n t r o ll e v e la n di m p r o v et h ew h o l e o p t i m i z a t i o nr e s u l t s ，o nt h e o t h e rh a n d ，c a ni m p l e m e n tt h et r a n s f o r m a t i o no f d e c i s i o n m a k i n gm o d eo fp o w e rs y s t e m r e s t o r a t i o nc o n t r o lf r o mt h et r a d i t i o n a le x p e r i e n c e d r i v e ns t r a t e g yt ot h es t a n d a r d i z a t i o n a n dn o r m a l i z a t i o ns t r a t e g y t h em a i na c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 w i t hr e s p e c tt ot h es p e c i f i co p t i m i z a t i o no b j e c t i v e ，t h ew h o l ep o w e rs y s t e m r e s t o r a t i o np r o b l e mc a nb es u p p o s e dt ob ed i v i d e di n t ot h eo p t i m a lu n i t ss t a r t u p ，t h e o p t i m a ln e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n ，a n dt h eo p t i m a ll o a d r e c o v e r y t h ec o r r e s p o n d i n g o p t i m i z a t i o nm o d e l sa n dt h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n sw e r es t u d i e di nt h i st h e s i s t h e f r a m e w o r ko ft h eo p t i m a ls t r a t e g yf o rt h ep o w e rs y s t e mr e s t o r a t i o nw a s p r o p o s s d w h i c h c a np r o v i d ean e w w a yt oi m p l e m e n tt h eo p t i m i z a t i o no ft h ep o w e rs y s t e mr e s t o r a t i o n 2 a no p t i m a ls t r a t e g yi n v o l v i n gt h ec o r r e s p o n d i n gm o d e la n da p p r o a c ht ou n i t s s t a r t u pw e r ep r e s e n t e d t h eo b j e c t i v eo ft h em o d e li st om a x i m i z et h et o t a lp o w e r g e n e r a t i o nc a p a b i l i t y ( m w h ) o v e rar e s t o r a t i o np e r i o dw h i l s t b e i n gs u b j e c t e dt ot h e s p e c i f i cc o n s t r a i n t s t h ep r o p o s e dm o d e li sat y p i c a lm u l t i c o n s t r a i n tk n a p s a c kp r o b l e m f r o mt h em a t h e m a t i c a lp o i n to fv i e w t h ec o m b i n a t i o no ft h ed a t ae n v e l o p m e n ta n a l y s i s ( d e a ) m e t h o da n db ys o l v i n gt h ek n a p s a c kp r o b l e mw a se m p l o y e dt od e t e r m i n et h e u n i t st ob ec r a n k e d t h ep r o p o s e dm e t h o d ，t os o m ee x t e n t ，c a nm a k et h et r a d eo f f b e t w e e nt h es i m u la t i o na c c u r a c ya n dt h e c o m p u t i n ge f f o r t sb e t t e r 3 a no p t i m a ls t r a t e g yi n v o l v i n gt h ec o r r e s p o n d i n gm o d e la n da p p r o a c hf o r t h e 华北电力大学博士学位论文摘要 n e t w o r kr e e o n f i g u r a t i o nw e r ep r e s e n t e d t h eg o a lo ft h ep r o p o s e dm o d e li st of i n dt h e s h o r t e s tw e i g h t e dp a t hf o ru n i t ss t a r t u po rl o a dr e c o v e r yi nr e s t o r a t i o nd u r a t i o nw h i l s t c o n s i d e r i n ga l lk i n d so fc o n s t r a i n t s t h ep r o p o s e dm o d e li sc o n s i d e r e da sat y p i c a l s t e i n e rt r e ep r o b l e mf r o mt h em a t h e m a t i c a lp o i n to fv i e w t h eg e n e t i ca l g o r i t h mm e t h o d w i t hc h a r a c t e r i s t i c so fg l o b a lo p t i m i z a t i o na n dh a n d l i n gt h ed i s c r e t ev a r i i t b l e se a s i l ya n d e f f e c t i v e l yw a se m p l o y e dt o s o l v et h i sp r o b l e m f u r t h e r m o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo f g e n e t i ca l g o r i t h mw a so p t i m i z e di no r d e rt oi m p r o v ec a l c u l a t i o ns p e e d ，s t a b i l i t ya n d s e a r c he f f i c i e n c yf u r t h e r 4 an o v e le v a l u a t i o nm o d e lf o rt h ei m p o r t a n c eo fl o a da n dal o a d r e c o v e r y o p t i m i z a t i o nm o d e la sw e l la st h es o l u t i o ns t r a t e g yw i t hr e s p e c tt ot h ep e r i o dw h e nt h e n e t w o r ki ss t i l l r e c o n f i g u r i n g ，w h i c ha r ed i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lc o n c e p to ft h e l o a dr e c o v e r y , w e r ep r o p o s e di nt h i st h e s i s f r o mt h em a t h e m a t i c a lp o i n to fv i e w , t h e p r o p o s e dm o d e li sam u l t i a t t r i b u t ed e c i s i o nm a k i n gp r o b l e m t h ed e am e t h o dw i t h p r e f e r e n c ei n f o r m a t i o na n dt h ev a l u eo fd e n s i t yo fp i w tg r e e d ya l g o r i t h mw e r e e m p l o y e dt od e t e r m i n et h el o a d st ob er e c o v e r e d 5 t h ei n t e r a c t i v ea n dc o l l a b o r a t i v em e c h a n i s m d u r i n gu n i t ss t a r t u p ，n e t w o r k r e c o n f i g u r a t i o na n dl o a dr e c o v e r yw a ss t u d i e di nt h i st h e s i s a ni n t e r a t i v es t r a t e g yw i t h r e s p e c tt ot h er e s t o r a t i v ec o n t r o lb a s e do n + t h es h o r t t e r m t a r g e t n e t w o r kw a sp r e s e n t e d t h ew h o l er e s t o r a t i v ec o n t r o lp r o b l e mw a sd i s c r e t i z e da sas e r i e so fo p t i m i z a t i o n p r o b l e mi ne a c ht i m es t e p 。i ne a c ht i m es t e p ，a c c o r d i n gt o t h er e s t o r e ds y s t e mi nl a s t t i m es t e p ，t h ec o r r e s p o n d i n go p t i m a lt a r g e tn e t w o r k sw i t ht h eu n i t s ，n e t w o r k sa n dl o a d s t ob er e s t o r e da tc u r r e n tt i m es t e pc a nb ed e t e r m i n e db a s e do nt h eg l o b a lo p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e t h e s er e s t o r e ds h o r t - t e r m t a r g e t n e t w o r k sc a ng u i d et h er e s t o r a t i o np r o c e s s s t e pb ys t e pe f f e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，t h ed e c i s i o nm a k i n gp r o c e s sc a nb ec o m b i n e dw i t h t h ea c t u a lr e s t o r a t i o np r o c e s sb yt h ei n t e r a t i v et e c h n i q u e s am u l t i - a g e n ts y s t e mb a s e d o p t i m a ls t r a t e g y f r a m e w o r kt o w a r d sr e s t o r a t i o nc o n t r o lw a s p r o p o s e d t h e c o r r e s p o n d i n gc o l l a b o r a t i v em e c h a n i s ma m o n g ，a g e n t sw a ss t u d i e da sw e l l f i n a l l y , t h e c o o r d i n a t i o nm o d e lo ft h eo p t i m a ls t r a t e g yt o w a r d sr e s t o r a t i v ec o n t r o lw a s p r e s e n t e d k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e mr e s t o r a t i v ec o n t r o l ，u n i t ss t a r t u p ，n e t w o r kr e c o n n g u r a t i o n ， l o a dr e c o v e r y , o p t i m a ls t r a t e g y i i i 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文电力系统恢复控制的协调优化策略研 究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。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， 均己在文中以明确方式标明。 签名：刍蝗羔日期：业 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) 导师签名： 日 期：j 互臼 ) 摹 华北电力大学博士学位论文 1 1选题背景与意义 第一章绪论 现代电力系统为取得更大的安全和经济效益而趋于互联。大规模互联电力系统 的优质运行和控制具有一系列新的特点，特别是在电力市场环境下，系统潮流的不 确定性，以及局部系统或联络线可能在接近系统稳定极限处运行等，易在级联故障 条件下引起大停电事故，造成巨大经济损失。 近年来大规模停电事故频发，2 0 0 3 年8 月1 4 日1 5 ：0 6 分，美国俄亥俄州北部5 条超高压输电线路陆续发生故障，到1 6 ：1 1 分停电已蔓延到包括纽约在内的美国东 北部8 个州及与美国交界的加拿大南部大部分地区，发生了自1 9 6 5 年以来北美洲 最严重的停电事件，使美加中东部近5 0 0 0 万人失去了电力供应。至1 5 日2 1 ：0 3 分， 纽约市区的电力供应才基本恢复【l 】。当地时间，2 0 0 3 年8 月2 8 日1 8 ：2 6 分，英国国 家电网中的一个2 7 5 k v 供电系统出现故障，首都伦敦发生停电事故，上百万乘客被 困在轨道公共交通工具内无法脱身，停电只持续了约半个小时，但伦敦的交通运输 却受到了严重影响【2 】。当地时间2 0 0 3 年9 月2 8 同约4 ：0 0 开始，由于强暴风雨的袭 击，瑞士境内的一棵大树被风刮倒后撞在了法国向意大利输送电力的一条3 8 0 k v 高 压线上，导致线路中断，造成了意大利全国大部分地区停电。2 8 日晚各地的电力供 应才逐渐恢复。此次停电范围之大是意大利历史上前所未有的【2 】。当地时间2 0 0 5 年 5 月2 5 日1 1 ：0 0 ，莫斯科市南部、西南和东南城区以及附近2 5 个城市发生大面积停 电事故，5 0 0 多万人受到影响，整个城市陷入瘫痪【3 】。2 0 0 6 年1 1 月4 日晚间，欧洲、 多个国家突发大停电事故，这是欧洲3 0 年来最严重的停电事故，导致1 0 0 0 多万人 受影响【4 】。；在国内，随着“西电东送、南北互供、全国联网 工程的推进，电网规 模和互联程度的不断扩大，以及国民经济的迅猛发展引起电力需求的不断提高，电 网面临的事故风险也在逐渐加大。2 0 0 3 年西藏藏中电网“9 0 9 大停电，2 0 0 5 年海 南电网“9 2 6 大停电，2 0 0 8 年雪灾导致的湖南郴州的大停电，以及2 0 0 9 年1 月 1 1 日长沙的十年不遇大停电等，虽然事故规模相对较小，但同样给电网的安全稳定 运行敲响警钟【5 】。不难看出，现代电力系统虽然在运行的可靠性、安全性、稳定性 和经济性上有了极大的提高，但依然无法从根本上避免大停电事故的发生f 6 】。大规 模互联电力系统事故发生后可能具有停电时间长，影响范围大等特点，为事故后系 统的快速恢复提出了更加严峻的挑战【7 8 】。 大停电事故发生后，合理的恢复措施可以加快恢复进程，减少事故损失；反之， 则可能延误恢复进程，扩大事故范围，甚至造成更加严重的后果。例如瑞典在1 9 8 3 第一章绪论 年1 2 月的大停电事故中，通过事先制订的分层自动或半自动恢复原则对恢复过程 的顺利进行起到了极其重要的作用( 9 1 。意大利电网在2 0 0 3 年9 月的全停事故中，通 过事先制订的完善的恢复措施，只用4 个小时就恢复了主要地区的供电1 10 1 。海南电 网“9 2 6 停电事故中通过紧急启动黑启动预案，成功实现了系统的快速恢复【】。 反观美加“8 1 4 大停电，其恢复过程多次因计划不周、调度不当导致恢复方案执 行中断，大大延误了恢复进程【l2 1 。 因此，大停电事故后的恢复控制问题是现代电力系统安全防御的一个重要课 题，现代电力系统恢复控制的研究对于优化恢复措施、加快系统恢复速度、减小大 停电事故带来的损失具有重要意义【1 3 ，1 4 】。 1 2 现代电力系统恢复控制的研究现状 1 2 1 恢复控制的概念 电力系统运行中主要存在两大类约束条件，一是负荷约束，二是运行约束f 1 5 j 。 负荷约束主要反映用户的负荷需求与系统发电量的功率平衡关系，电力系统的负荷 约束可以通过一组等式来表示，因此也被称为等式约束。运行约束主要反映系统的 运行参数需要被控制在合理的范围之内，例如线路潮流、节点电压等，运行约束可 以通过一组不等式来表示，因此也被称为不等式约束。当等式约束和不等式约束均 满足时，系统运行于正常状态。当系统个别元件停运或负荷变化，导致不等式约束 条件接近被破坏时，系统由安全状态进入到警戒状态，此时可以通过预防控制将系 统调整到安全状态。如果系统发生多处负荷或电压越限，不等式约束不再满足，电 力系统进入紧急状态。在紧急状态时，如果系统没有失去稳定性，可通过校正控制 将系统调整到正常状态；如果系统失去稳定性，则必须采取紧急控制措施切除机组 或部分负荷，此时等式约束不再满足，系统进入到恢复状态。系统稳定在恢复状态 后，通过恢复控制，将系统恢复到正常状态。如图1 1 所示。 电力系统恢复控制是指电力系统发生故障，系统部分负荷停电甚至处于解列状 态乃至全网停电后，在尽量短的时间内，最大限度地恢复系统至新的j 下常运行状态 的控制过程【1 6 ，l7 1 。 1 2 2 恢复控制的主要问题 由北美电力可靠性委员会( n e r c ) 的统计显示，在过去十年发生的1 1 7 起电 力系统事故中，接近5 0 的存在恢复方案制订不完善的问题；1 0 左右存在有功不 平衡问题；接近2 0 存在无功不平衡问题；1 3 左右存在继电保护和安全自动装置 2 华北电力大学博士学位论文 图1 1 电力系统的运行状态 的配合问题【1 8 ，1 9 】。上述事实表明，现代电力系统恢复控制面临的主要问题包括：恢 复计划和恢复培训、有功平衡和频率控制、无功平衡和电压控制、继电保护以及安 全自动装置的配合。下面分别对这几个主要问题的性质进行分析，介绍传统的控制 手段、解决方法，并着重总结目前该研究领域的新思路、新方法和新进展。 ( 1 ) 恢复计划 恢复控制的目的是将非正常的电网运行状念逐步恢复至新的正常运行状态。目 前电力部门在处理大停电时仍以离线制订的恢复计划为主，但离线恢复计划不一定 适合大停电事故后的具体情况，原定的恢复措施也可能因为设备损坏等原因而无法 实施。因此，如何针对故障后的电网结构和运行工况，制订切实可行的恢复计划是 目前该研究领域的主要方向。 电力系统的恢复过程是在满足多种约束条件下逐步进行的，用x 表示系统的状 态，用k 来表示阶段，用d 表示要执行的操作，系统从初始状态x o ，只能是一步一 步地恢复到正常状态五，在第k 个阶段执行相应的操作珐，使系统达到相应的状态 噩。整个恢复过程的操作形成一个决策序列，称为策略，即： d = d i ，d 2 ，d k ，d n ( 1 - 1 ) 整个恢复过程可以表示为： x o = 五= 初始值) x t = d l x o ： 。 ( 1 - 2 ) x k = d k x k - 、 x n = d n x h t 恢复计划的制订必须充分、全面地考虑所研究的电力系统特性。整体上包括： 3 第一章绪论 系统的装机容量、负荷水平以及系统规模，供电区域的类型，供电系统的组成结构 类别，输电网的电压等级，负荷种类和规模，电压调整策略，发电机组的冷启动特 性以及重启动约束等等。 由此我们不难看出，恢复计划的制订是一个多约束条件下的组合寻优过程，故 障后的电网结构和运行工况的偶然性和随机性更增加了问题的求解难度【2 0 2 1 1 。迄今 为止，大多数恢复计划还是在反复试验的基础上制订的，缺少对恢复过程的量化指 导和系统分析f 2 2 2 3 1 。因此，恢复计划的制订一直是恢复控制研究的重点。目前常见 的方法包括人工方式、预案方式以及计算机辅助的智能方式。近年来，对于前两种 方式的研究主要是针对恢复计划进行有效性评估。7 文献 2 4 】提出了一种基于频域分 析的方法，能够比较快速的评估恢复策略的合理性，并可给出相应的推荐步骤。文 献 2 5 1 采用数据包络分析方法进行恢复方案的有效性评估，将技术校验结果纳入评 估体系，并利用实际输入、输出指标值进行判定，使评估更加全面、客观。 随着智能技术的不断发展，利用智能方式实现恢复计划的制订成为研究的重 点，成果较多。文献 2 6 】将案例推理的方法应用到恢复控制的研究中，取得了不错 的效果。在这个系统中，用户可以方便地对知识库进行修改或添加。文献 2 7 1 采用 专家知识库的方法，将知识库根据处理问题的不同进行划分，从而可以将一个多维 问题求解简化成多个小问题的协同求解。文献 2 8 1 提出了种基于规则库的恢复控 制专家系统。文献 2 9 1 将遗传算法与专家系统相结合，提出了一种能够灵活制订恢 复策略的新方法。文献【3 0 】提出了基于分层案例推理的决策方法，更加适应目前多 电压等级电网的恢复。文献 3 1 】利用并行蚁群算法寻找可行解，并采用启发式方法 进行微调，能够比较好的构建恢复策略。 虽然单一智能体或专家系统能够比较合理的制订恢复计划，但方法的局限性决 定其并不能很好的适应恢复控制中多目标、多变量、多阶段的要求。近年来，多智 能体系统( m u l t i a g e n ts y s t e m ，m a s ) 成为分布式人工智能领域的研究热点。m a s 技术可以克服原先多个系统之间各成体系、相互之间信息交互不足等造成的效率不 高、整体决策依据出现偏差，甚至决策错误等诸多问题。利用m a s 技术，针对恢 复控制中多目标、多变量、多阶段的要求，设计功能相对单一的多个智能体解决对 应的各个问题，通过各个智能体之间的协作，协同完成恢复计划的制订。其技术关 键是如何设计单一智能体的功能和多智能体的结构。一个好的系统结构能够很好地 平衡单一智能体内部功能的独立性与多个智能体之间协作的可靠性。目前国内外已 经提出了多种基于m a s 技术的恢复系统，其结构也不尽相同，如两层结构，三层 结构，四层结构等【3 2 0 6 1 。其中文献【3 6 】还将m a s 技术与蚁群算法结合，提高了系统 的鲁棒性。但是，目前的系统还存在一些不足之处，主要表现在：单一智能体的任 务过于复杂，不能充分体现m a s 技术的优势；数据交互效率低，易造成传输延时； 4 华北电力大学博士学位论文 整个系统过于庞大，系统配置不易实现；通用性不强，不能很好地满足灵活性的要 求，没有自适应能力等。 ( 2 ) 恢复培训 恢复过程中，电网的结构和运行工况与正常运行时大不相同 3 7 1 ，此时各种数据、 信息以及报警信号涌入调度中心，e m s 等辅助工具已经不能很好地适应当前操作的 要求。调度员必须在一种非常紧急的状态下做出准确判断，采取正确操作，这对调 度员提出了很高的要求。而这种情况在日常调度中很少遇到，因此必须对调度员进 行系统恢复的相关培训。 经典的恢复培训是一个针对实际案例进行分析，确定恢复方案，进而评估效果， 总结经验的反复过程。国外这方面的研究始于二十世纪七十年代，早期的系统主要 利用普通d t s 与专家的恢复经验相结合的方式【3 8 1 。但是，由于目标不同，以及可 获得的信息也不同，恢复状态的系统模型与正常运行状态下的系统模型大不一样。 正常运行的首要目标是保证电网的安全、可靠和经济运行。而系统恢复的主要目标 是能够在尽量少的时间内恢复尽可能多的负荷，部分忽略经济性的要求。一些j 下常 运行状态下被忽略的动态问题，在恢复过程中也需要认真考虑。这些客观情况决定 利用普通的d t s 并不能很好地适应恢复培训的要求。为了进行有效的恢复培训，必 须进行技术革新。 计算机技术的发展使恢复控制仿真培训系统的实现成为可能，近年来的几次大 停电事故也使国内外对调度员的恢复培训更加重视。文献【3 9 】提出了一种基于案例 推理算法的恢复培训系统。并采用面向对象技术，设计实现了图形化的用户界面。 文献 4 0 】介绍了意大利电网独立运行商比较成功的恢复培训经验。文献 4 1 】利用多智 能体技术，对多区域互联电网的恢复培训进行研究，提出了有效的解决办法。目前 国内也开始对恢复培训系统的实现进行研究，取得了一定的成果【4 2 ，4 3 1 。 ( 3 ) 有功平衡与频率控制 有功平衡与频率控制的关键是对电源和负荷的协同恢复。而恢复对负荷的供电 是系统恢复的根本目的，也是贯穿整个恢复过程中的优化目标。在恢复过程中，每 次恢复负荷的数量太少会延长恢复时间，太多则可能导致系统频率的降低甚至再次 崩溃。可恢复的负荷大小，是由并网机组原动机的响应速度决定的。一般认为，允 许同时恢复的最大负荷量不应使系统频率较接入前下降o 5 h z ，国外则普遍认为负 荷量不大于发电量的5 ( ”，1 4 】。但是，这些经验性结论并不能适应现代电网恢复控 制的实际要求，需要采用更加科学和准确的控制方法。 系统的恢复大致可以分为三个阶段，一是系统的黑启动，二是系统的重构与互 5 第一章绪论 联，三是负荷恢复阶段。在不同阶段，有功与频率控制具有不同的控制目标、不同 的约束条件，也有不同控制方式。下面将分别针对这三个不同阶段进行详细介绍。 在黑启动阶段，控制目标主要是保证电源的稳定运行。为此，需要恢复该区域 内的一部分负荷用于平衡系统的有功功率，可以在运行频率允许范围内少量增加负 荷，同时确保系统能够承受突然的负荷变化导致的频率波动。因此，如何对原动机 及其调速系统进行准确的建模，确定系统的频率响应是该阶段有功平衡与频率控制 的基础。文献 4 4 】介绍了恢复过程中原动机频率响应特性和备用容量特性，分别给 出了燃气轮机、汽轮机和水轮机的频率响应的传递函数，并以此为基础，确定某一 频率约束下，最大可恢复负荷量、最小备用容量以及备用容量在各机组的分配。鉴 于水轮机在恢复过程中的重要地位，人们对此进行了深入研究。文献【4 5 针对恢复 阶段的特性，提出了考虑水轮机各不同部分的线性模型，该模型能够在系统恢复阶 段更详细和准确地计算系统的频率响应a 正常运行条件下，阻尼系数d 对于调速系 统来说，并不是关键因素。但在恢复过程中，它对调速器控制有着非常重要的影响。 文献 4 6 】给出了考虑阻尼系数d 的新模型以及d 的计算公式，通过仿真和现场测试 改进模型并得到所需的控制信息。 在系统的重构与互联阶段，控制目标是减少各孤岛间的频率偏差。由于“系统 频率”是指并网的所有机组的频率，是系统的共同因子。所以当各子系统进行互联 时，需要调整机组间的频率偏差在尽可能小的范围内，从而保证系统稳定和机组安 全。这个阶段的控制手段主要有：机组的优化组合、负荷的配合恢复、系统的结构 调整等。在进行有功与频率控制的同时，还需要考虑各孤岛无功功率的分布以及联 络线恢复时的相角差问题，从而构成了一个组合优化问题，难子直接求解。目前， 这方面的研究主要是如何将问题转化成可以求解的形式。文献 4 7 】利用分层交互式 方法，将恢复控制划分为适应、优化以及指导三个层次，利用不同层次的协作得到 合理的控制策略。文献 4 8 n 通过寻优策略的选取，使系统重构中的寻优问题均有 多项式时间算法，但算法的实用化有待提高。 在负荷恢复阶段，控制目标是尽可能多、尽可能快地恢复负荷。约束条件主要 是系统稳态频率、电压必须保持在系统允许范围内，线路潮流不越限，当大负荷投 入时，系统频率的下降不会引起低频减载动作等。因此，负荷恢复问题是一个包含 整数规划和线性规划的混合规划问题，并具有众多的安全稳定约束条件，直接求解 十分困难。国内外对此做了大量的研究。文献 4 9 】给出了一些负荷的物理模型，为 进一步研究打下了基础。文献【5 0 】利用遗传算法，确定全局最优的负荷恢复次序。 文献【5 1 则利用蚁群算法确定系统不同区域的恢复顺序。但是，以上两种算法的可 靠性需进一步提高。文献 5 2 】将混合规划问题松弛为只考虑系统稳态频率约束的0 1 规划问题。利用“扩展的潮流计算”求解系统的稳态频率，利用大规模“背包问题一 6 华北电力大学博士学位论文 ( k n a p s a c kp r o b l e m ) 的近似算法求解系统的最大可恢复负荷量，利用线性解耦最 优潮流算法来消除系统越限，并利用松弛规划负荷处理不可行解。但是，该文没有 充分考虑负荷特性的影响。文献 5 3 1 提出了一种利用准稳态分析来解决负荷恢复问 题的新方法。另外，文献 5 4 】、【5 5 介绍了利用抽水蓄能电站，进行有功负荷调整的 自适应方法，该方法能较好适用于抽水蓄能电站容量占较大比重的系统，也可适应 恢复初期系统孤岛内的有功平衡，但其在大系统中的有效性有待证实。 ( 4 ) 无功平衡与电压控制 无功平衡是保证系统j , i 页n 恢复的必要条件。在恢复过程中，无功不平衡源于空 充长距离输电线路、空充电缆、变压器的投入以及并联电抗器和电容器的投入等f j 3 1 4 】。无功不平衡可能导致持续工频过电压、操作过电压以及谐波过电压【5 6 1 。平衡无 功功率，控制上述三种过电压在允许范围内，是恢复控制的主要任务之一。无功平 衡的研究基础是确定发电机的运行约束，文献 5 7 1 给出了发电机在恢复过程中的实 际运行约束，并给出计算发电机实际发出无功能力的方法。为了更有效地控制无功 平衡，文献 5 8 1 、【5 9 提出了通过合理确定升压变压器或者辅助变压器分接头，改变 吸收的无功量，从而控制无功输出量的方法。 在系统恢复初期，恢复高压架空线路或地下电缆时，由于这些空载或轻载线路 充电电流的作用，使得该过程相当于在系统内突然引入了无功电源，此时如没有足 够的负荷来平衡无功功率，将会发生系统范围内的电压升高，即持续工频过电压。 持续工频过电压严重时将引发发电机自励磁和不可控制的电压上升，并可能进一步 导致变压器过励磁、谐波畸变和谐波过电压的产生，甚至破坏避雷器和断路器等。 持续工频过电压的控制手段主要是通过吸收轻载线路所产生的大量无功功率， 如确保发电机有足够的低励能力、连接滞后功率因数的负荷、投入并联电抗器、调 节变压器分接头的位置等。 在恢复过程初期，通常希望尽可能多地恢复高压输电线路，以加快恢复进程。 但是投入的输电线路过多，可能导致持续工频过电压的发生。因此，如何利用上述 控制手段，确定有效的控制策略是系统恢复的关键。文献 6 0 1 给出了一种近似方法 来估计持续过电压和暂态过电压的大小，并通过该估计值确定各条线路应投入的长 度、发电机容量及线路两端应带的负荷。文献【6 l 】采用灵敏度分析法确定一组最有 效的过电压控制变量或扰动变量，并采用有效因子来综合考虑各控制变量的调节裕 度，从而使所需的控制操作数量最小。 操作过电压是指在空充输电线路或操作容性设备时，断路器的开合操作导致电 力系统从一种稳定工作状态振荡转变到另一种稳定工作状态的过渡过程中所产生 的暂态性质的过电压。 7 第一章绪论 操作过电压通常受到较大的阻尼，持续时间短，其大小取决于系统的结构、设 备参数、断路器性能以及操作过程等。其中，设备参数在恢复过程中基本保持不变， 而系统的结构和断路器的合闸时间是决定操作过电压大小的主要因素。普遍认为， 操作过电压并不是恢复控制中需要着重考虑的主要约束，对于1 1 0k v 以下的系统， 操作过电压可以忽略；对于1 1 0k v 以上的系统，如果在恢复过程中保证系统电压在 正常运行电压的1 2 倍以内，系统的避雷器就能比较有效地进行处理【5 6 1 。在目前我 国大力发展特高压电网的形势下，一些抑制操作过电压的新技术和新设备得以应 用，例如：高压开关并联电阻、新型避雷器以及相位控制高压开关等【6 2 1 。因此，对 于操作过电压的研究大都集中在如何对其进行快速、准确的预测和校验上。文献 6 3 】 采用数理统计的方法，针对恢复过程中空充输电线路引起的操作过电压问题，利用 蒙特卡洛法建立操作过电压计算的概率模型；通过随机抽样给出开关操作信息，结 合贝瑞隆输电线路模型，进行操作过电压的计算校验。文献 6 4 】提出利用神经网络 快速预测操作过电压的方法，通过误差反传神经网络得到输入特征值与过电压的对 应关系，实现操作过电压的快速预测。 谐波过电压源于开关操作和设备的非线性特性。在系统重构阶段，电网结构比 较薄弱，由充电电流引起的容性电压上升会导致变压器的过励磁并产生严重的谐 波。当系统阻抗与线路电容参数构成并联谐振条件时，轻载或空载变压器投入所引 起的谐波畸变将被放大，从而产生很高的谐波过电压。大多数情况下，谐波过电压 由持续工频过电压引发，但有时变压器没有持续过电压现象，由励磁涌流引起的谐 波也可能会导致谐波过电压，需要引起额外重视。在恢复阶段，系统的阻尼较小， 谐波过电压严重时会引起继电保护动作，甚至造成设备损坏和系统故障，拖延恢复 进程。 对谐波过电压的控制手段主要有：调节变压器分接头位置，控制变压器励磁涌 流，增加系统短路容量或增加负荷，改善系统频率响应特性等。 文献【2 4 通过灵敏度分析确定能有效控制谐波过电压的网络结构，采用p r o n y 方法和模糊集理论对谐波过电压进行估计，但由于p r o n y 方法本质上是一种线性函 数拟合的方法，因此系统在大扰动情况下的非线性必然对分析结果产生影响，且模 糊集理论等人工智能方法也存在一定程度的不确定性。文献【6 5 】通过频域分析与灵 敏度分析相结合的方式，首先确定各次谐波阻抗的灵敏度，进而考虑各次谐波阻抗 灵敏度的权重，得到总谐波阻抗的灵敏度。文献 6 6 】对变压器励磁涌流的控制和系 统频率响应特性的改善进行研究，运用灵敏度分析方法确定最有效改善系统频率响 应特性的负荷位置，实现以最少的负荷投入量和控制操作数量对谐波过电压进行有 效控制。采用文献 6 5 1 的模式，在灵敏度分析中引入权值来反映变压器励磁涌流各 次谐波分量的影响，从而更精确地反映谐波过电压对系统负荷的灵敏度。 8 华北电力大学博士学位论文 ( 5 ) 继电保护以及安全自动装置的配合 恢复过程中，由于运行条件发生极大变化，保护和安全自动装置的动作特性也 可能随之发生变化，导致部分装置会误动或者不动，失去了原有的作用，甚至阻碍 系统的恢复，严重时将导致系统再次崩溃。同时，不同恢复阶段对保护和安全自动 装置的要求也不同，必须根据各个阶段的特点，针对可能出现的问题在保护和安全 自动装置的设置和整定上做相应的处理，使其有利于恢复控制的实施1 6 7 击9 1 。 在系统黑启动阶段，由于此时系统的总发电容量较小，频率和电压变化较大， 控制困难。继电保护和安全自动装置面临的主要问题是低频减载、低压减载装置的 配合，线路零序保护的整定，重合闸方式的确定以及线路电流保护的整定。 在系统互联和负荷恢复阶段，主要是同步装置的合闸相角的约束问题。系统能 够承受的最大合闸相角差与系统的电压等级、运行工况以及合闸点有关。通常来说， 5 0 0 k v 系统的保护整定值为2 0 度，2 2 0 k v 系统为4 0 度，1 l o k v 系统为6 0 度【7 0 1 。 但在实际运行中，为了安全起见，经