（电力系统及其自动化专业论文）电力市场环境下互联电网恢复控制的优化.pdf

东南人学博l 学位论文 力并组织启动电源服务。本文分析了市场环境对于系统恢复控制的影响，通过与 其它辅助服务市场的比较，阐述黑启动服务市场的特点。进而，将研究范围从黑 启动电源扩展到町_ 】的启动电源，分析启动电源服务所需的各种资源及参与方的 成本。齄于风险观点，建立启动电源服务的优化购买模型并提出相应的求解策略 与算法流程。其中综合考虑了启动电源参与方的技术性能与经济指标，所确定的 服务费除补偿服务商成本外，还包含合理引导服务商改进其启动能力的市场激励 信号。在此基础上，讨论启动电源服务的市场监管并建议服务费用的分摊与支付 方案。通过仿真，验证算法的有效性。 关键词：恢复控制；黑启动：电力市场；风险管理；自适应；协调优化；决策支 持系统；扩展等面积准则( e e a c ) ：不确定性；蒙特卡罗仿真；启动电源 u a b s t r a c t a b s t r a c t r e s t o r a t i v ec o n t r o li sa r li m p o r t a n tm e a n st oi m p r o v er e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y , t h e t a s ko fw h i c hi st o r e s t o r ep o w e rs u p p l ys a f e l y , r a p i d l ya n de c o n o m i c a l l ya f t e r b l a c k o u t s w i t hi n t e r c o n n e c t i n go fd o w e tg r i d sa n ds w i f ti n c r e a s i n go fl o a d s ，t h es c a l e o fp o w e rs y s t e m sc o m e sl a r g er c o n s e q u e n t l y , f a u l t si nl o c a la r e aa r ee a s yt os p r e a dt o t h ew h o l eg r i d ，l e a d i n gt ob l a c k o u t s a tt h es a m et i m e 。w i t hr e s t r u c t u r i n go fp o w e r i n d u s t r y , p o w e rs y s t e m sa r eb e i n go p e r a t e dc l o s e ra n dc l o s e rt ot h e i rl i m i t s w h i c h i n c r e a s e st h ep r o b a b i l i t yo fb l a c k o u t s i nr e c e n ty e a r s s e v e r a ls e r i o u sb l a c k o u t s o c c u r r e da r o u n dt h eg l o b ed u et on a t u r a ld i s a s t e r so rc a s c a d i n gf a u l t s s u c ha st h e a m e r i c a n “8 1 4 ”b l a c k o u ta n dt h ew e s t e me u r o p eb l a c k o u to nn o v e m b e r4 t h2 0 0 6 a sar e s u l t ，t h er e s e a r c ho np o w e rs y s t e mr e s t o r a t i o nd r e wt h ea t t e n t i o nw o r l d w i d e r e q u i r e m e n t so f m o d e mi n t e r - c o n n e c t e dg r i d so nr e s t o r a t i v ec o n t r o la r ef i r s tc l a r i f i e d f o l l o w e db yas u m m a r yo ns t a t e o f - t h e a no fr e s e a r c h e so nt h eb o t t o m u p ，t o p d o w n a n dh y b r i dr e s t o r a t i o ns t r a t e g i e s f r o mb o t ht e c h n i c a la n de c o n o m i cf a c t o r s f u n c t i o n s o fad e c i s i o ns u p p o r ts y s t e ma r ep o i n t e do u t + b a s e do nr i s ka n a l y s i s ，a na d a p t i v e d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mi sp r o p o s e d i n f l u e n c eo fe l e c t r i c i t ym a r k e te n v i r o n m e n to n b l a c k s t a r ts e r v i c ea n a l y z e d ，a n dc o o r d i n a t i o nb e t w e e nr i s km a n a g e m e n ta n dt e c h n i c a l o p t i m i z a t i o nd i s c u s s e d i na d d i t i o n i ti se m p h a s i z e dt h a tt h et e c h n i c a lp e r f o r m a n c eo f t h es t a r t u ps e r v i c ea n dt h er i s kc o s to fb l a c k o u tc a nb ee x p r e s s e db yq u a n t i t a t i v e i n d i c e sa n da d d e di n t ot h eo b j e c t i v ef u n c t i o nf o rt h eo p t i m i z a t i o n u s u a l l yt h es t a b i l i t yi nl a o w e ts y s t e mr e s t o r a t i o nm o d e li sq u a l i t a t i v e l yv e r i f i e db yt h e g i v e nl i m i ts u c ha sa c t i v ep o w e r , p o w e ra n g l e ，v o l t a g ea n df r e q u e n c y t h e r ea r et w o m a i nd i f f i c u l t i e s o n ei st h a tt h e r ei sn ol i k e l i h o o dt oq u a n t i f yt h es e c u r i t yb e c a u s et h e c r i t i c a ls t a t e m e n to fi n s t a b i l i t yc a n n o tb ei d e n t i f i e da c c u r a t e l y ；t h eo t h e ro n ei st h a ti t i sd i f f i c u l tt oq u a n t i f yt h ec o s t sb e y o n dl i m i t t h e r e f o r e t h es e c u r i t yc a n n o tb e p r e s e n t e da se c o n o m i c a l i n d i c e si nt h eo b j e c t i v ef u n c t i o n o n l yt ob ee x p r e s s e da st h e i n e q u a t i o nr e s t r i c t i o ni nr e s t o r a t i v ec o n t r o lm o d e l b a s e do ne e a c t h ep a p e rp o i n t s o u tt h a tt h ec o s t so fi n s t a b i l i t ys h o u l db er e f l e c t e db yi t so p t i m a lc o n t r o l s a n dt h e nt h e i n s t a b i l i t yr i s k so fr e s t o r a t i v em e a s u r e sa n dt h et r a n s i t i o ng r i d s ，w h i c ht h eo b j e c t i v e f u n c t i o ni sa d d e dt o c a nb ec a l c u l a t e dw i t ht h eg i v e nf a u l tp r o b a b i l i t yt ob ec o m p a r e d w i t ht h ei n c o m eo fr e s t o r a t i o no fl o a d s t h e r e f o r et h es e c u r i t ya n de c o n o m yo fp o w e r s y s t e mr e s t o r a t i o nc a n b ek e p ti nt h eb a l a n c es i m u l t a n e o u s l y r e s t o r a t i v ec o n t r o li san o n l i n e a ra n dn o n a u t o n o m o u sh y b r i dp r o g r a m m i n gp r o b l e m w i t he x t r e m e l yc o m p l e xd y n a m i cc o n s t r a i n t s a n dt h e r ei sn oa l g o r i t h mw i t h p o l y n o m i a lc a l c u l a t i n ga m o u n tc u r r e n t l y b o t t o m u ps t r a t e 9 r yi sc o m m o n l yr e s e a r c h e d ， a n dh e u r i s t i cm e t h o d s ，s u c ha sm u l t i a g e n t ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，c a s e b a s e d e x p e r ts v s t e ma n dr u l e b a s e de x p e ns y s t e m a r et r i e d t os o l v et h i s p r o b l e m c o m m o n l yt h er e s t o r a t i o no b j e c ti st om a x i m i z et h er e s t o r e dl o a d s a n dt h ed i f i e r e n c e o fo u t a g el o s so fd i f i e r e n tl o a d si sn e g l e c t e d i nt h i sp a p e r , t h em o d e io fo p t i m a l r e s t o r a t i o nc o n t r o lc o n s i d e r i n g ；t h ei n c o m ef r o mr e s t o r e dl o a d sa n dc o n t r 0 1c o s t a s w e l la st h ec o n t r o lr i s ki s p r e s e n t e d at w o l a y e rf r a m e w o r kf o ro p t i m i z i n g i s p r o p o s e d w h i c hu s e sap r o c e d u r eo f “p a r a l l e lo p t i m i z a t i o nf o rs u b a r e a sa n dd v n a m i c c o o r d i n a t i o na m o n gs u b a r e a s ”t oo v e r c o m et h ed r a w b a c ko fo f f l i n em a d er e s t o r a t i o n s c h e m e sb a s e do nf i x e ds c e n a r i o sa n df i x e dp r i o r i t yf o rc o u n t e r m e a s u r e s m o r e o v e r , r e s t o r a t i o ns t r a t e g yi se x t e n d e d f r o mb o t t o m - u po n e ，w h i c hi s w i d e l yd i s c u s s e d n i 东南人学博卜学位论文 n o w a d a y s t ot o p d o w no n ea sw e l la sh y b r i do n e s t u d i e si n c l u d et h ei n n e r o p t i m i z a t i o no fe a c hs t r a t e g ya n dc o o r d i n a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n ts t r a t e g i e s b a s e do n av i e w p o i n to fa d a p t i v eo p t i m i z a t i o na n dr i s kd e c i s i o nm a k i n g r e l a t e dm o d u l e sa n d a l g o r i t h m sa r ed e s i g n e d i nw h i c ht h en o n d e t e r m i n i s t i ce l e m e n t sa r es i m u l a t e d t h r o u g hm o n t ec a d om e t h o d a f r a m e w o r ko ft h eo n l i n ed e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mi s p r e s e n t e d t h et h r e ep a n so fw h i c ha r ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i n g a n a l y s i sa n dc o n t r 0 1 t h ev a l i d i t yo f t h ed e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mi sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n s i nt h em o n o p o l ys y s t e m t h ea p p o i n t m e n to fs t a r t u pp o w e r , p o w e rs u p p o r ta m o n g g r i d s r e s t o r a t i o nt e s t s ，i m p l e m e n t a t i o na n dc o s tc h e c k i n gw e r ea c c o m p l i s h e di na n e c o n o m i ce n t i t y a n ds oi tw a se a s yt oc o o r d i n a t e h o w e v e r , i nt h ee l e c t r i c i t ym a r k e t e n v i r o n m e n tw h e r ee v e r yp a r t i c i p a n tb e l o n g st od i f i e r e n te n t i t i e s ，r e s o u r c e ss h o u l db e o p t i m i z e dt h r o u g hm a r k e tm e c h a n i s m ss u c ha se c o n o m i ce x c i t a t i o na n dp u n i s h m e n t t h e nt h eb l a c k s t a r ta b i l i t yw i l ib eh e l d a n dt h es t a r t u pp o w e rs u p p l ys e r v i c ew i l lb e o r g a n i z e d c o m p a r e dw i t ho t h e ra n c i l l a r ys e r v i c em a r k e t s ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fs t a r t u p p o w e rs u p p l yr i n c l u d i n gb l a c k s t a r tg e n e r a t o r s ) m a r k e ti sd i s c u s s e d r e s o u r c e sw h i c h s t a r t u pp o w e rs u p p l ys e r v i c en e e d sa n dt h ec o s t so fp a r t i c i p a n t sa r ea n a l y z e d f r o ma v i e w p o i n to fr i s km a n a g e m e n t am o d e lo fo p t i m a lp u r c h a s eo fs t a r t u pp o w e rs u p p l y s e r v i c ei sp r o p o s e d a n do p t i m a ls t r a t e g ya n da l g o r i t h ma r cd e s i g n e d b o t ht e c h n i c a l p e r f o r m a n c e sa n de c o n o m i c a li n d i c e so fs t a r t u pp o w e rs u p p l i e sa r ec o n s i d e r e d c o m p r e h e n s i v e l y b e s i d e sc o m p e n s a t i n gt h ec o s t so fs e r v i c es u p p l i e r s ，t h es e r v i c ef e e a l s oi n c l u d e sam a r k e tp r o m p t i n gs i g n a lw h i c hc a l ll c a ds e r v i c es u p p l i e r st oi m p r o v e t h e i rs t a r t u pa b i l i t yf o rr e c o v e r yc o n t r 0 1 i s s u e ss u c ha sm a r k e tm o n i t o r i n g ，t h e p r o p o r t i o na n dp a y m e n to fr e c o v e r ys e r v i c ef e ea r ea l s om e n t i o n e d t h ev a l i d i t yo f t h em o d e la n da l g o r i t h mi sv e r i f i e db vs i m u l a t i o n s k e y w o r d s ：r e s t o r a t i v ec o n t r o l ；b l a c k s t a r t ；e l e c t r i c i t ym a r k e t ；r i s km a n a g e m e n t ； s e l f - a d a p t i v e ；c o o r d i n a t i v eo p t i m i z a t i o n ；d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ；e e a c ； n o n d e t e r m i n i s t i c ；m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ；s t a r t u pp o w e rs u p p l y i v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导”f 进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或攒 写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或疑它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。 磅究生签名； 童塞爨e l 期：翌z 型兰 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家凋书镶程投绦留本人掰送交学位论文的复印 孛积魄予文档，霹淡采震影印、缓窝或其德复捌警致镶存论文。本人电子文档豹内容积 羝震谂文瓣蠹容糖一致。豫在缳密窥内夔爨密论文疆，灸诲论文被套瓣帮氆阉，可浚公 毒( 馁糕联鼗) 论文静全都或帮分内容。谂文戆公匆( 包括羁登) 授权东囊大学磷究鬟 院办壤。 研究生签名：数导师签名：e t 期：丝z ：坐垡 第一章绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 随着大电网的互联以及负荷的迅猛增长，电力系统的规模越来越庞大，局部 的故障容易波及到全网引发大面积停电事故。同时，在电力市场环境下，由于输 电系统的运行方式与规划的情况不同，以及竞争所带来的降低成本的压力，电力 系统运行于更接近极限的状念。这些因素也增加了发生事故特别是大停电事故的 可能性l 】。在国内，随着经济发展、全国联网和电力工业的市场化改革，我国电 网运行条件变得更苛刻，更难预测，由局部故障引发电力灾难的风险大大增加1 2 】。 近年来，世界范围内发生多起大停电事故1 3 】，造成了巨大的社会、经济损失。 同时，在这些大停电事故发生后的恢复过程中，存在着各种问题导致电网的恢复 进展缓慢【4 叫，因此对于恢复控制的研究引起了广泛的重视。 电力系统恢复控制是保障供电可靠性的重要手段，其任务是在大停电发生后 安全、快速、经济地恢复供电。黑启动是在停电区域内通过机组的自启动来恢复 局部供电，以带动其他停运机组不断扩大恢复供电范围。 当前对于恢复控制的研究大多以恢复的发电量或负荷量最大为目标l “，或在 此基础上兼顾其它技术性能指标，如开关操作次数、被启动容量、机组进相能力、 恢复线路长度、负荷重要性等指标等1 8 】，一般不考虑负荷的停电损失。但忽略负 荷的经济代价，将各种负荷同等对待可能延长重要负荷的恢复时间，从而增加大 停电损失。另一方面，在恢复过程中如果一味追求发电量或负荷的快速恢复，则 可能破坏系统的安全稳定性。由于恢复控制措施对系统的冲击以及恢复过程中可 能出现的各种扰动，系统必须具备一定的稳定性水平才能保证恢复的顺利进行， 避免系统的再次崩溃。因此在恢复过程中应协调经济性与安全性，最大限度减小 停电损失并规避引入新的停电风险睁】。 近年来，国内的各级电力公司都加强了对于本区域恢复预案的研究。但由于 互联电网大停电演化过程的不确定性以及恢复进程的不确定性，离线的恢复预案 在实际恢复时往往难以收到预期的效果。海南电网黑启动过程中，由于线路开断 较多，一些离线预定的启动路径不可行；负荷损失超过预案中的考虑，充分暴露 了离线预决策难以覆盖实际情况的缺陷1 4 , 5 j 。因此，近年来，在线决策支持系统 成为恢复控制研究中的热点【9 - 1 2 ，但这些文献大多基于系统全停的场景以及确定 性的恢复进程进行研究，并没有合理的方法来处理影响系统恢复的不确定因素， 研究范围局限于孤立子系统内部优化的研究，并且缺乏有效的算法体系。此外， 在多数停电情况下，停电区域可以同时利用内部电源和外部电源进行恢复，因而 需要考虑二者的协调优化问题。 在传统的垂直一体化垄断运营的电力系统中，由于整个电力工业由一家公司 甚至政府所有，恢复服务与启动电源服务的都是由隶属于同一经济实体的企业负 责提供，恢复决策过程不涉及经济问题，可以专注于恢复过程的技术要求与限制， 原理上比较简单。文献f 1 3 ，1 4 较为全面地介绍了在传统的电力工业环境下电力系 东南人学博i 学位论史 统恢复的技术和经验。在电力市场环境下，为系统恢复提供支持的启动电源服务 一般被分类为辅助服务。 在新的市场环境下，启动电源服务的供给在技术上与在传统的电力工业中是 相同的，提供的方式也相似。然而，在市场环境下发电公司成为法人实体和独立 核算、自丰经营、自负盈亏的市场竞争主体，其运营目标是最大化其利润，传统 的集中管理被分散决策所代管，对系统的安全运行带来一定的影响1 1 “。这种新的 市场环境要求更深入地了解与提供启动电源服务相关的各种设备的成本、价值和 重要性。只有深入地考察这些问题，设计适当的获取机制，对市场环境下各独立 的商业实体进行适当的补偿，利用市场价格信号和合约来控制和指导市场参与者 提供启动电源服务，彳。能保证该服务的有效供给。 本文围绕国家自然科学基会重大项目f r o 5 0 5 9 5 4 1 3 ) 、国家电网公司科技项 目( n o s g k jf 2 0 0 7 】9 8 ) 和a u s t r a l i a nr e s e a r c hc o u n c i lp r o j e c t ( d p 0 5 5 9 4 6 1 ) 展开， 从理论研究和工程应用出发，通过对市场环境下互联电网恢复控制实际要求的分 析，对恢复控制优化的技术层面和经济层面问题进行研究。 1 2 论文研究意义 本文引入自适应控制、负荷停电损失、风险管理等观点以及协调优化理念， 对恢复控制优化的技术层面和经济层面问题，即确定停电后优选恢复控制序列和 购买启动电源服务进行了研究。总体来说，本文的研究意义具体体现在以下几个 方面： 对恢复控制和黑启动涉及的技术问题进行了全面地归纳总结。考虑了各种 技术问题对于恢复进程的影响，从而有助于恢复方案的技术校验以及制定相应的 控制措施。同时，技术问题也是市场环境下选择启动电源服务商、签订服务合同、 考核服务完成情况的重要基础。 分析了影响故障恢复的不确定因素，以及不确定性对于恢复进程和恢复控 制决策的影响。采用蒙特卡罗仿真来模拟恢复控制措施后果的不确定性，能够对 包含大量恢复操作的恢复预案进行有效的概率分析。从而有助于在线决策支持的 自适应性优化，也有助于制定更加完善的离线预案。 采用基于e e a c 理论的紧急控制优化算法定量评估故障的经济代价，结合 故障发生的概率能够有效评估执行某恢复措施( 或恢复预案) 的风险和过渡电网 的失稳风险。 基于风险管理的观点，将对于恢复控制的安全性和经济性要求统一在货币 这个量纲上。以最大限度减小负荷损失与后继风险为目标，对恢复方案进行评估， 从而兼顾了恢复控制对于经济性和安全性的要求。 不局限于单纯的b o t t o m u p 策略研究，对t o p - d o w n 策略以及协调优化策略 进行了深入研究，使得决策支持系统能够应对更加广泛的大停电事故场景以及更 加复杂的动态恢复进程。 基于风险和协调优化的观点，建立了自适应恢复控制决策体系，能够对调 2 第一章绪论 度人员进行培训或为其提供有效的决策支持。同时该决策框架还有利于对在线的 恢复控制决策支持进行更深入、细致的研究。 除了黑启动电源外，电力系统部分停电后的未停运电源( 以下简称未停运 电源) 也可以提供启动电源，将黑启动电源和末停运电源统称为启动电源。这样 既与黑启动的概念保持一致，又能在恢复控制的优化研究中计及未停运电源的贡 献。本文有区别地使用黑启动电源和启动电源这两个名词，将对黑启动电源的讨 论扩展到启动电源的讨论。 分析市场环境对于系统恢复和启动电源服务的影响，有利于系统恢复的各 参与方更好地适应从垄断机制向市场机制的转变，从而在电力市场实行的初期保 持系统的黑启动能力并提供优质的启动电源服务。 提出了基于风险的启动电源最优配置模型和求解方法，为实现启动电源服 务的市场化提供了新的思路。此外，还对黑启动服务市场的特点、启动电源服务 合同、服务费用的分摊、服务的市场力等问题进行了分析，所提出的观点对于启 动电源服务的市场化具有一定的参考价值。 本文只是对恢复控制的技术层面优化和市场环境下经济层面优化的初步探 讨，距离实际的工程应用还有很远的距离，仅希望能够为今后更加全面、深入的 研究起到抛砖引玉的作用。希望能够对离线恢复预案的制定、在线的决策支持系 统的开发以及启动电源服务的市场化进程有所帮助。从而促进电力系统大停电防 御体系以及电力市场中启动电源服务机制的不断完善。同时，作为新的研究方向 将恢复控制中的技术问题和市场环境紧密结合在一起，需要也值得深入研讨。 1 3 恢复控制的一般概念 1 3 1 故障恢复的一般步骤 1 3 1 1 系统当前状态的识别 当系统失去负荷、系统不稳定或解列时，应当立即识别事故的范围和破坏程 度，以及当前系统的总体情况，此时可以采取的恢复措施取决于故障的类型【1 6 1 ： 1 ) 普通的事故，仅仅失去了负荷或地区性的线路可用直接的控制措施或通 过系统来恢复负荷； 2 ) 系统失去稳定，表现在频率或电压显著变化，潮流不平衡，紧急控制措 施包括切负荷，限制局面的进一步恶化； 3 ) 系统解列成几个孤岛，并有可能进一步发展成全面停电事故； 钔系统全停。 1 3 1 2 限制故障范围和稳定现有系统 假如系统的一部分解列或全停，应立即采取措施以限制故障的进一步发展、 扩散，并稳定剩余系统，这些措施可能包括d 6 a 7 1 ： 东南人学博l + 学位论文 1 1 切负荷： 2 ) 发电机解列； 3 1 避免形成孤岛： 4 1 有控制地恢复负荷以稳定机组运行( 特别是火力发电机组) ； 5 ) 启动燃气轮机； 6 1 准备重新启动跳闸机组； 7 1 恢复全停电厂的厂用电； 8 1 隔离故障设备； 9 1 消除热力和电压波动。 1 3 1 3 准备启动电源 发生大停电事故后，如果系统有功缺额较大，必须选择启动电源恢复跳闸的 机组，从主网或网| 日j 联络下自上而下地重新启动机组能够提供相对稳定的电源， 并使重新启动后的机组再同步和带负荷变得更加容易。 另一种较为典型的恢复方式是通过内部电源恢复，即从能够独立启动的机组 ( 如水电机组、燃气轮机等) 或事故后残存的孤立电源获得启动功率，黑启动机 组启动后需要带一部分本地负荷以保持机组运行稳定。 1 3 1 4 准备启动路径 要向停运机组提供启动电源，应在正常运行机组和停运机组之间建立传输 线。一般需要采取以下措施f 17 】： 1 ) 清除或隔离故障点和故障设备； 2 1 将系统划分成多个子系统并行恢复： 3 ) 恢复关键负荷的供电： 4 ) 使机组到达最小技术出力以保证其稳定运行； 5 ) 采取措施防止过电压的发生； 1 - 3 1 5 建立稳定的子系统 当获得启动电源后，应着手建立更大的稳定运行的系统： 1 ) 通过恢复路径，重新启动更多机组并使其稳定运行，使子系统中的节点 连通，设定自动发电控制以维持系统频率。在决定机组启动次序时需考虑以下技 术因素：机组的最大热启动时问间隔；机组的有功、无功调节性能；机 组与启动电源的距离；机组与重要负荷的距离或者与其它需要启动电源的发 电机的距离。 2 1 在这一阶段中，有控制地带上以下负荷是很关键的，比如：主要的开关 站、地下充油电缆的油泵、通讯中心、稳定发电机运行所需负荷，这些负荷应给 4 第一章绪论 予较高的权值，其它负荷根据重要性等级依次恢复，一般性的负荷恢复应等到一 个稳定、完整的系统建立以后。 1 3 1 6 进一步加强网架 孤立子系统与主网并列运行，或在合适的时机通过合适的通道与其它孤立子 系统并列运行。此外，加强j 】c ) 9 架还包括系统在合适的时机合环运行。子系统并列 运行或系统合环前需要校验合闸线路两端母线的频率差、相角差和电压差，合闸 后潮流等。 1 3 1 7 逐步改善工况 系统的网架连通后，不断改善系统发电、输电的充裕度，将系统引导到安全、 经济的新工况： 1 ) 恢复通向负荷中心的完好的输电线路； 2 ) 闭锁低频低压减载装置； 3 1 负荷量的增加应与发电机的调差率相适应，以免造成频率过低； 4 ) 对发散的线路供电采取滞后的功率因数，以免电压过高； 5 1 启动更多的机组以维持足够的备用，闭合双回线，回到正常的运行方式 下。 需要指出，以上列举的只是一般性的恢复步骤，并非所有的停电后恢复都严 格遵循这样的过程。 1 3 2 恢复控制的阶段划分 由于恢复控制涉及的电力系统现象时间常数差别很大，从微秒级的电磁暂念 到毫秒级的机电暂念，再到历时几分钟的热力过程，甚至小时级的负荷变化过程， 而且恢复控制一般历时较长，因此人们提出了按恢复过程在不同时段的特点和主 要矛盾，把整个恢复过程大致划分成三个阶段进行研究。 1 3 2 1 黑启动阶段 黑启动是在停电区域内通过机组的自启动来恢复局部供电，以带动其他停运 机组不断扩大恢复供电范围。它是恢复控制中的重要环节，在没有外部电源的情 况下，更是不可或缺的首要任务【5 , 9 , 1 8 。黑启动过程包括电磁暂态过程、机电暂念 过程到准稳态的恢复过程，一般历时3 0 6 0 分钟。这一阶段的主要问题有：机组 的启动和运行特性、向空载线路和变压器充电引起的自励磁和过电压问题、变压 器饱和引起的并联谐振问题。 1 3 2 2 网架重构阶段 这一阶段的持续时问可达3 - 4 小时，在这个阶段，逐步恢复主网的网架，一 方面加强发电厂之间的联系以提高对厂用电的供电可靠性，另一方面对一些子系 统进行并列，从而建立一个稳定的网架，为下一阶段全面恢复负荷打下基础。当 然，对于一些地区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 东南人学博i 学位论文 以后进行，以免发生稳定问题或过电压问题，并减少调度人员的紧张情绪。这一 阶段涉及的卡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1 9 】。有时为了吸收线路电容所产生的无功功率和 降低线路的空载过电压，往往需要投入一定数量的负荷2 叭。 i 3 2 3 改善发电、输电充裕度的阶段 以往的文献将这一阶段称为负荷恢复阶段 6 2 1 l 。但事实上，这一阶段不仅包 括负荷的恢复，还包括发电机、线路的恢复，是不断改善发电、输电充裕度并逐 步恢复负衙的过程，因而我们建议称之为改善发电、输电充裕度阶段。这一阶段 的主要任务是协调机组恢复、线路恢复与负荷恢复的进程，使系统频率、电压和 线路负荷保持在允许范围之内，并降低恢复过程中的失稳风险。 需要指出，对于不同的大停电场景和恢复进程，系统的恢复并非严格遵循这 三个阶段。例如如果停电后系统的网架仍保持连通，则可能直接进入改善发电、 输电充裕度的阶段。 1 3 3 对于恢复过程的技术要求 对于故障恢复的总的目标是先建立一个稳定的系统，然后恢复所有的停电负 荷，在恢复过程中必须做到捌： 1 安全地恢复 电力系统在大停电的严重情况下，必须有措施保证人员和设备不受损害： 1 1 应采取一定安全措施使人员不受损害； 2 1 运行人员应避免线路静态过负荷而造成线路再次跳闸，在同步过程中投 合联络线时，应避免投合于相角差过大的情况，以免对设备造成损坏； 3 ) 运行人员应防止操作时产生过电压对设备造成损坏。在投入轻载长传输 线、地下电缆、空载变压器时田j ，可能会产生工频过电压或谐振过电压，对恢复 过程影响较大的有空载长线路末端电压过高和铁磁谐振。 2 平滑地恢复 为了保证重建的系统是稳定的，在恢复过程中，下列参数应当保持平衡： 1 1 恢复的负荷应与发电机有功出力保持平衡，特别是对于一个孤立的电力 系统而言，恢复过大的负荷区域可能会造成不可接受的频率或电压波动，应限制 频率下降不超过o 5 h z 。与发电机一负荷平衡有关的因素有： 峰值和低谷情况下低压交流网负荷的大小和数目； 正常和紧急情况下发电机的数目，最小输出功率及调差率； 发电机带上负荷时的动态响应； 带汽包的锅炉机组热启动时的最大时间间隔限制，这些机组跳闸后，超 过了一定的时间( 一般为半小时) 就不能安全的热启动并网运行，必须 6 第一章绪论 冷却后( 一般为4 - 6 小时) 爿能以冷启动的方式再次并网运行； 超临界参数商流锅炉热启动时的最小时间u j 隔限制，这些机组在跳闸以 后，必须经过数小时之后，l 饿安全地再次并网运彳亍； 燃气轮机的独立启动能力1 2 3 1 。 2 ) 负荷无功需要平衡，无功备用应保持电压稳定，以免出现过电压或电压 崩溃1 6 1 。与无功平衡有关的因素有： 并联电容器和并联电抗器：大小、电压等级、位置和控制方式； 地下电缆：电压等级、充电电流、能够承受的最高持续过电压； 变压器：阻抗、调压分接头的范围、控制方式； 同步发电机：过励磁和欠励磁范围以及无功能力。 3 ) 在恢复大量负荷i j ，应重新建立一个稳定的系统，以避免大停电的再次 发生i 川。 3 尽量减少总的故障恢复时间 1 ) 在决定机组启动顺序时，应注意机组的最大热启动时间间隔、最小再启 动时间间隔，应优先启动跳闸的带汽包的汽轮机和能够快速启动的机组【2 1 , 2 5 1 。 2 ) 注意紧急备用电源的时问限制，例如为关键设备供电或加热的电池组或 发电机，关键设备一般是：断路器、r t u 、通讯或控制系统、电缆充油泵。应在 备用电源耗尽之| j 恢复厂( 站) 用电，特别是天气严寒时【2 5 1 。 3 ) 可以立即采取一些简单的恢复措施( 特别是那些只影响本地厂站的措 施) ，但在采取复杂的行动之f j 应留出时间做出分析和决定【2 4 1 。 4 减小对公众的负面影响 1 ) 应建立一个独立的紧急通讯中心，以便随时向政府、媒体、公众提供客 观、及时的信息； 2 ) 对公众安全至关重要的负荷应尽快的恢复，在量化决策中这类负荷应给 予很高的权值； 3 ) 在系统允许的情况下，尽可能的恢复更多负荷。 5 保持处理问题的灵活性 因为电力系统大停电是独特且复杂的，即使有详尽的计划和准备，一般仍会 有意料之外的问题发生1 2 3 】。例如：大量的能量管理系统报警信号、对恢复过程有 妨碍的保护装置、电话或数据通信问题、计算机故障、线路故障等。因此，在处 理故障时，恢复过程应当是灵活的，不能因某个措施执行失败而严重影响整个恢 复过程。 7 东南人学博i 学位论文 1 3 4 对于恢复过程的经济要求 故障恢复的目的在于最大限度的减少大停电造成的损失以及后继的风险5 1 ， 因而对于故障恢复的经济要求包括以下两个方面： 1 最大限度减少负荷的停电损失 在垄断体制的电力系统中，一般不予补偿负荷的停电损失，但电力市场环境 下提出了负衙赔偿的要求，因此电网公司必须考虑负荷的停电代价。另一方面， 从减少全社会经济损失的角度看，也应当考虑负荷的停电代价。 负荷停电损失取决于停电的时间、停电的负荷量以及单位负荷的停电代价。 因此在恢复过程中要兼顾负荷恢复的速度以及所恢复负荷的停电代价。应当根据 停电的重要负荷的分布调度恢复功率的分配。大停电情况下，最优先恢复的重要 负荷包括全停电厂( 站) 的厂( 站) 用电，重要的公用设施或部门如：调度中心、 医院、交通设旅、政府部门等。其它负荷可以根据其经济代价决定恢复的次序。 对于厂站运行人员，接到调度中心的指令后根据预定的次序恢复用户供电。 2 最大限度降低恢复控制代价和后继风险 大停电后恢复的代价指恢复负荷所消耗的实际费用( 人力、燃料、设备损耗 等) 。当大停电后的系统存在多种恢复方案时，应当考虑不同恢复方案的代价和 风险。例如某一停电区域可以通过主网或区内的自启动机组进行恢复。如果主网 在恢复过程中也受到较为严重的破坏，导致主网送电风险较大，而自启动机组的 启动代价较小，则可能优先采用自启动机组进行恢复。反之，如果主网送电风险 较小而自启动机组的启动代价较大，