（电力系统及其自动化专业论文）黑龙江电网系统恢复方案研究.pdf

内主要负荷，逐步完成小系统的恢复。在后一种恢复模式下，小系统 主要依靠联络线带起发电机组和系统内的主要负荷，逐步完成系统的 恢复。当各小系统均完成各自的恢复进程并达到同步并网条件之后， 可以将它们进行并列。电力系统恢复涉及多方面的问题，具有相当的 难度。本文主要解决系统恢复过程中涉及的几个关键性问题：黑起动 时发电机组带空载输电线是否发生自励磁；当机组投入空载长线时相 关的合闸操作是否会诱发过高的操作过电压；投入负荷时系统重要节 点的电压和频率波动监测；小系统恢复初步完成后其静稳储备系数的 求取及其抗扰动能力的校核。通过上述问题的解决，本文提出了黑龙 江省电网恢复的原则性意见。运行部门可在此基础上将其进一步细化 形成具体的可执行方案。 在配电网重构的实例研究中，本文主要考虑了事故后配电网重构 问题的特殊性，提出了与之对应的目标函数和约束条件，并在此基础 上研究了编码方案，初始群体的产生，对遗传个体的评价，选择策略， 交叉和变异操作等问题，给出了具体的解决方法。在该实例研究过程 中，本文作者从算法收敛速度和最佳个体适应度值的大小两方面比较 了两种选择策略( 赌轮选择和竞赛选择) 的优劣性，并对最终产生的优 化解进行了系统各节点电压和系统元件负载量两方面的安全越限检 查。实践表明，将以遗传算法为代表的智能技术应用于电力系统恢复 领域是完全可行的。 关键词电力系统恢复，配电网重构，频率，电压，遗传算法 h e i l o n g j i a n gp o w e rs y s t e m r e s t o r a t i o n s c e n a r i or e s e a r c h a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f p o w e rt e c h n o l o g y , m a n yk i n d so fa d v a n c e d d e v i c e sa r e w i d e l yu s e d i n p o w e rs y s t e m a tt h e s a m et i m e ，i no r d e rt o o p t i m i z et h e r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，i n t e r c o n n e c t i o no fb u l kp o w e rn e t w o r ki s b e c o m i n g ac o m m o n p r a c t i c e t h e s em e a s u r e s ，t h o u g ht h e yb r i n g u s c o n s i d e r a b l ep r o f i t s ，a l s ol e a dt oam o r ec o m p l i c a t e dp o w e rs y s t e m b et h e s y s t e mi nt h en o r m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n so ri nt h ec o n t i n g e n c ys t a t e ，i ft h e o p e r a t o ro p e r a t e si m p r o p e r l y , s e v e r el a r g es c a l eb l a c k o u ta c c i d e n tm a yo c c u r a n db r e a kd o w nt h ew h o l es y s t e m s ot h ep r o b l e mo f p o w e rs y s t e m r e s t o r a t i o n i sc a t c h i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na n d b e c o m i n g af o c u so fm o d e m p o w e r t e c h n o l o g yr e s e a r c h f o l l o w i n gt h i st r e n d ，b a s e d o nt h ev a l u a b l er e s e a r c h r e s u l t so ff o r e i g na n dd o m e s t i cr e s e a r c h e r s ，c o m b i n e dw i t ht h eo p e r a t i o n a l e x p e r i e n c eo f t h eh e i l o n g j i a n gp o w e rs y s t e m ，aw h o l es e to f c o m p r e h e n s i v e r e s t o r a t i o ng u i d e l i n e sw a sw o r k e do u tt oh e l pt h es t a f ru n d e rc r i t i c a lc a s e s r e s t o r ea sm u c hl o a da sp o s s i b l ew i t h i nv e r yl i m i t e dt i m e a p a r tf r o mt h e s e ， a g e n e t i c a l g o r i t h m b a s e d c a s e s t u d y o f p o w e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r k r e c o n f i g u r a t i o n w a sa l s o c o m p l e t e d a n dd e m o n s t r a t e dt h e a p p l i c a t i o n o f m o d e m i n t e l l i g e n tt e c h n o l o g y i nt h i sf i e l d i nt h ef i r s tp a r to ft h er e s e a r c h ，t h er e l e v a n td o c u m e n t sa n dm a t e r i a l sw e r e f i r s tr e a dt h r o u g h ，t h e n ，t h eh e i l o n g j i a n gp o w e rs y s t e mw a sp a r t i t i o n e di n t o f o u rs m a l ls y s t e m sa c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h es y s t e m i nt h i sp r o c e s s ，t w o r e s t o r a t i o nm o d e sw e r ec o n s i d e r e d ：w i t ha n dw i t h o u tt h et i el i n ea s s i s t a n c e i n t h ef o r m e rm o d e ，r e s t o r a t i o no fs m a l ls y s t e m sm a i n l yd e p e n d so nt h es e l f - s t a r t u n i t s ，b e c a u s et h e s eu n i t sc a ns t a r t u p t h e m s e l v e sa n d p r o v i d ec r a n k i n gp o w e r t o r e m o t eg e n e r a t o r s m o r ei m p o r t a n t ，t h e yc a ns a t i s f yt h ep o w e rd e m a n do f c r i t i c a ll o a dp o i n ta n dt h u ss p e e d u p t h er e s t o r a t i o n p r o c e s s i nt h el a t t e rm o d e ， s m a l ls y s t e m sd e p e n do nt h et i el i n ea s s i s t a n c et op r o v i d ec r a n k i n gp o w e rt o t i l e i ru n i t sa n dc o v e rt h e p o w e rd e m a n d w h e na l l t h es m a l l s y s t e m s a r e r e s t o r e da n dm e e tt h er e l e v a n tr e q u i r e m e n t s ，t h e yc a nb e i n c o r p o r a t e di n t o p o w e r n e t w o r k t os o l v et h ep r o b l e m o f p o w e rs y s t e mr e s t o r a t i o n ，m a n yn o d u s s h o u l db et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h i sa r t i c l em a i n l yd e a l sw i t hs e v e r a lk e y a s p e c t so ft h ep o w e rs y s t e mr e s t o r a t i o n ：w h e t h e rt h eg e n e r a t o rw i l lg e ts e l f e x c i t e dw h e ni ti sc o n n e c t e db yat r a n s m i s s i o nl i n ew i t hn ol o a d ；w h e t h e r e x c e s sv o l t a g ew i l lo c c u ri nz e r ol o a dt r a n s m i s s i o nl i n e sw h e np e r f o r m i n g s w i t c h i n go p e r a t i o n so n t h e s el i n e s ；t h em o n i t o r i n go f i m p o r t a n tn o d e s v o l t a g e a n ds y s t e mf r e q u e n c yw h e n p e r f o r m i n gl o a do p e r a t i o n s ；t h ea s s e s s m e n to f t h e s m a l ls y s t e m 。sc o n t i n g e n c yp r e p a r e d n e s sw h e ni ti sr o u g h l yr e s t o r e d w h e na l l t h e s ep r o b l e m sg o ts o l v e d ，as e to fr e s t o r a t i o ng u i d e l i n e sw e r e p u tf o r w a r d e d t h es t a f fc a n p u tt h e s eg u i d e l i n e si n t oam o r ed e t a i l e de n v i r o n m e n t a n dr e a c h a l la p p l i c a b l e p l a n i nt h es e c o n dp a r to ft h er e s e a r c h ，t h ep r o b l e mo fp o w e rd i s t r i b u t i o n n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o na f t e rm a j o ra c c i d e n tw a sm a i n l yc o n c e m e d f i r s t ，t h e p a r t i c u l a r i t y o ft h i s p r o b l e mw a sc o n s i d e r e d ，t h eo b j e c t i v e f u n c t i o na n dt h e p r a c t i c a lo p e r a t i o n a l c o n s t r a i n t sw e r ea l s of o r m u l a t e d t h e n ，t h ee n c o d i n g s c h e m e ，t h ep r o d u c t i o n o ft h ef i r s t g e n e r a t i o n ，t h e a s s e s s m e n to f e a c h i n d i v i d u a l ，t h ed e t e r m i n a t i o no fp r o p e rs e l e c t i o ns t r a t e g y , t h e c r o s s o v e ra n d m u t a t i o no p e r a t i o n s ，a l lt h e s ep r o b l e m sr e c e i v e dc a r e f u ls t u d ya n dc o n c r e t e s o l u t i o ns c h e m ew a sr e a c h e d i nt h i sc a s es t u d y , t w os e l e c t i o ns t r a t e g i e sw e r e c o m p a r e d ，a c c o r d i n g t ot h e i rc o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m sc o n v e r g e n c es p e e da n d t h ef i t n e s sv a l u eo fo p t i m a ls o l u t i o nt h e ye a c hp r o v i d e d f i n a l l y , t h eo v e r v o l t a g ea n do v e rl o a d c h e c kw a sp e r f o r m e dt ot e s tt h e o p t i m a ls o l u t i o n s f e a s i b i l i t y a n dt h ep r a c t i c ed e m o n s t r a t e dt h e v a l i d n e s so ft h ea p p l i c a t i o no f m o d e m i n t e l l i g e n tt e c h n o l o g yi nt h i sf i e l 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 o n ，p o w e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r k r e c o n f i g u r a t i o n ，f r e q u e n c y , v o l t a g e ， g e n e t i c a l g o r i t h m 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：王母丑f f 日期：2 哑年1 月寸日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学使 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密昭，在墨年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：至舟鬈 日期：2 。眸1 月z t 日 指导教师签名：j ；霉嫉 日期：一；年，月彬日 上海交通大学硕士学位论文黑龙江电网系统恢复方案掰f 究 第一章绪论 1 1 课题来源 本课题来源于黑龙江省电力调度通信局。 1 2 课题的目的和意义 所谓电力系统恢复，是指电力系统在经受大的扰动或故障丽发生大面积停 电事故后，依靠本身的自起动机组或依靠临近电网的联络线支援，逐步恢复系 统各运行元件和供电服务到正常运行状态的过程。随着电力技术的快速发展， 超高压设备，大容量机组，新型电力电子设备等新技术新产品被大量运用到电 力系统之中。同时，为了进一步优化资源配置提高经济效益，各大区域电网 互联也日趋普遍，这些措施，在给人们带来经济效益的同时，也使电力系统更 加复杂，带来了许多潜在的威胁。由于局部故障处理不当，或是人为误操作的 影响，局部电网的某些个别问题，其影响可能波及临近的广大地区，并可能诱 发恶性连锁反应，最终造成大面积停电事故。如1 9 9 7 年7 月的纽约大停电，经 2 5 小时后才全部恢复供电，1 9 8 2 年1 2 月的加拿大魁北克全省大停电，1 9 8 7 年 8 月东京地区的停电，1 9 9 6 年美国西部电网连续发生全国性大面积停电事故 3 】。 在当时的运行水平和条件下，由于忽视了其重要性，这些电网均没有准备黑起 动方案，从而使恢复供电时间延长，给国民经济造成巨大损失。相反的，法国 国家电力公司由于一开始就采取了相应措施，有合理的起动程序，因此在历次 大停电事故中均取得了主动，大大的缩短了停电时间。事实上，电力系统恢复 方案研究属于电力系统恢复控制的范畴。在我国电网建设发展日新月异的今天， 国家更加强了对电力系统安全经济运行的重视，并于1 9 9 8 年由国家科技部启动 了我国电力大系统灾变防治和经济运行的重大科学问题的研究项目【5 1 。作为 其中的一个子课题，电力系统恢复方案研究在其中起着举足轻重的作用。同时， 国家电力公司也将电网是否具有较强的抵御事故和事故反应能力作为评估，考 核各电网是否上水平的硬性评价指标。今年8 月发布的关于加强电力系统安 全稳定工作的若干意见中明确规定( 第1 1 条) ：“应编制电网黑启动方案及调 度实施方案，并落实到电网，电厂等有关运行部门。”此外，由中华人民共和国 国家经济贸易委员会发布的编号为d l 7 5 5 2 0 0 1 的电力系统安全稳定导则 中也明确规定了要保证电力系统安全稳定运行，就必须进行区域电网的黑启动 上海交通大学硕士学位论文黑龙江电网系统恢复方案研究 方案研究，并根据方案指导具体的电力系统恢复进程。这些均说明，对于电力 系统恢复的研究具有较强的战略指导意义和现实意义，并已得到电力部门领导 的高度重视。黑龙江电力系统为了提高其电网的安全运行水平，于2 0 0 1 年与上 海交通大学电气工程系合作开展了黑龙江电网系统恢复研究，通过对系统恢复 过程中可能产生的具体问题进行仿真研究，得出了具体的指导方案。 1 3 电力系统恢复的目标和过程 电力系统恢复的目标是，在资源允许的情况下，尽可能快的恢复停电区域 内尽可能多的用电负荷，同时，整个区域电网应在采取一系列恢复动作后回复 到安全经济运行状态。其中。具体要求又可分为两种：一是最小化实现，即用最 小的起动功率尽可能多的带起机组；二是制定严格的操作票，实现系统恢复操 作步骤最少。 系统恢复最终是要完成对目标系统的恢复 3 。对于某一特定系统，由于 可能面对的是不同程度的故障后初始状态，因此制定通用的恢复计划很困难。 但可以将恢复问题看作目标定位，即考虑的不仅是故障后的初始状态，还包括 最终状态，困难会得以缓解。目标系统是指在恢复过程结束时系统达到的稳定 状态，可用恢复的发电单元及其出力和负荷情况来表述。因有些设备可能损坏， 或不能及时起动，负荷随时间变化等原因，目标系统不必和故障前完全相同， 但不同情况下恢复的目标系统可能一样 1 5 。 一般的说，一个典型的电力系统恢复过程可以分为以下三个阶段：第一阶 段，确定事故后的系统状态，确定起动电源，决定需要优先恢复的负荷；第二 阶段，确定恢复路径和充电小系统：第三阶段恢复绝大部分甚至全部负荷。 其具体步骤如下： 1 系统故障时，检测和确定系统的状态。并在此基础上，确定可行的小 系统划分，起动电源，需要优先恢复的负荷和恢复路径。当系统崩溃时，应很 快进入系统恢复计划。 2 系统分割为多个子系统同时起动子系统中具有自起动能力的机组， 若存在联络线支援，可考虑将它与黑起动机组相配合，以实现尽快恢复。同 时为确保系统稳定运行和频率，电压在允许范围内波动，需及时适当的接入 一定容量的负荷。子系统划分时必须保证每个子系统具有独立的自起动机组。 上海交通大学硕士学位论文黑龙江电网系统恢复方案研究 3 自起动机组发电后，将起动功率通过线路送至其他机组，带动其他机 组。 4 子系统内机组的并列。首先完成各机组零起升压，完成负荷操作序列 的操作票准备，在此前提下完成机组与系统的同步牵入开关操作序列，并最 终完成满负荷运行。 5 子系统间的并列：将恢复后的各子系统并列运行，并检查最高电压等 级的电压偏差之后，完成整个网络的并列。 6 恢复系统剩余负荷，最终完成整个系统的恢复。 1 4 电力系统恢复研究现状 由于电力系统恢复问题已成为制约现代电网发展的瓶颈问题之一，自7 0 年代起，各国科研工作者便对其从不同方面，不同角度作了大量的研究工作， 简要的说，这些研究工作主要集中在两方面：1 从工程的角度研究一些恢复过 程中所遇到的常见问题，如在文献【1 6 】、 1 7 、 1 8 、 1 9 、【2 0 】、【2 1 】、【2 2 、 2 3 、 【2 4 1 、【2 5 】中，作者对恢复过程中充电高压和超高压线路，保护装置配置，为起 动远方机组而进行的变压器分接头位置设置，系统恢复所需要的研究和分析工 具，系统恢复过程所用时间估计，原动机频率响应。起动远方汽轮机组，优化 发电机无功出力，以及系统恢复过程中可能出现的不对称因素等问题做了详尽 的探讨。由于这些问题都是在实际运行中经常遇到的，因此对它们进行研究具 有很强的现实意义。2 将新兴的模糊控制。专家系统，神经网络和禁忌搜索， 遗传算法等引入电力系统恢复研究，并取得了一定的成效。如文献 2 】提出了恢 复建设单元( r e s t o r a t i o nb u i l d i n gb l o c k s ，r b b ) 和一般恢复动作( g e r n e r a l r e s t o r a t i o na c t i o n s g r h ) 的概念。所谓恢复建设单元是指一种最小规模的自动 电源( 具有黑起动能力) ，附加一定的相关输送系统，它是组成具有黑起动能力 的子系统的要素。而一般恢复动作是指恢复过程中限定的一些基本动作单元， 如起动黑起动单元( b l a c k _ s t a r tu n i t ( x ) ) ，为两个节点找到彼此关联的路径 ( f i n d _ p a t h ( x ，y ) ) ，为某线路充电( e n e r g i z e l i n e ( x ) ) 等。此外文献【2 】还进一步 探讨了如何由g r a 来建造r b b 进而形成系统恢复策略。显然，对恢复过程中 这些共有的内容进行归纳，提炼为建立一个适用于各种恢复情形的全面型的基 于知识的系统恢复专家系统奠定了基础。在文献 4 3 中，作者将遗传算法和模 上海交通大学硕士学位论文 黑龙江电网系统恢复方案研究 糊控制综合运用于配电网恢复研究，首先根据实际恢复目标建立一系列目标函 数，然后分别规定它们的隶属度函数，并由调度人员为每个目标函数提出期望 值，然后交给遗传计算模块计算，由其找出与调度人员期望最接近且满足电网 运行约束的可行操作方案。在文献【4 2 】中，作者将并行遗传算法应用于配电网 恢复研究，采用十进制编码方法和多c p u 单元完成系统寻优过程，并利用协同 通信机制来协调各个c p u 单元的工作进程。由于采用多c p u 进行计算，解的 质量和求解速度都得到了大幅提高。国内目前在这方面的资料还不多见，在文 献 5 2 】中，作者提出了一种基于专家系统和数值计算的电力系统恢复方案，采 用专家系统对电力系统崩溃后进行恢复，同时用数值计算对恢复过程中的过电 压，过负荷，再次失稳进行监控。它的结构如下图所示。 兰墨p 。 人 机 友 好 界 互 h 面 图1 1 一个典型的电力系统恢复专家系统 f i g u r e1 1a t y p i c a le x p e r ts y s t e m f o rp o w e rs y s t e mr e s t o r a t i o n 各功能模块介绍如下： 数据库：数据库用以存放电力系统网络拓扑结构，故障地点，发电机，变压 器，线路负荷的信息。 知识库：知识库中存放电力系统恢复所用的规则，采用的是产生式规则。知 识库采用了三层结构，第一层知识是区域内恢复的全局性知识，第二层知识是 关于发电机恢复的一般性知识，第三层知识是恢复的具体知识。 推理机：推理机综合运用了宽度优先搜索策略和深度优先搜索策略，在推理 步骤上，考虑了冲突仲裁机制。 1 5 系统恢复过程中应当注意的一些问题 上海交通大学硕士学位论文 黑龙江电网系统恢复方案研究 根据国外经历的黑起动情况，黑起动过程中主要必须考虑系统频率和电 压的波动情况，同时必须考虑系统稳定的冗余度。总结他们在黑起动过程中 可能遇到的问题如下 1 5 ： ( 1 ) 无功功率平衡问题：自起动机组发出的起动功率需经超高压输电线送 出。恢复初期，充电空载或轻载超高压输电线会释放大量的无功功率，可能造 成发电机自励磁和母线电压升高超限，引起c x p ( 自励磁过电压限制器) 的动 作，因此要求自起动机组具有吸收无功或进相运行的能力。 保持系统恢复初期的电压稳定可采取适当的措施：双回线投一回线路、发 电机运行于低电压或高功率因数水平、调整变压器分接头、切除静止补偿器、 并列电抗器( 低抗或高抗) 、增带具有滞后功率因素的负荷。 ( 2 ) 有功功率平衡问题：为保持起动电源在最低负荷水平稳定运行和保持网 络电压有合适的水平，往往需要及时接入一定负荷。一般往往首先恢复小的直 配负荷，而后逐步带投较大的直配负荷和电网负荷。负荷的少量恢复将延长恢 复时间，过快增长有使频率下降的危险，以导致低周减载动作，造成切负荷。 增负荷的比例必须在加快恢复时间和保证系统频率稳定两者之间兼顾。一般认 为允许同时接入的最大负荷量不应使系统频率较按入前下跌o 5 h z ，国外几个 大系统的经验数据为投入负荷量不大于发电量的5 b 1 j 可满足。 ( 3 ) 有功功率的协调：恢复过程中必须考虑起动功率和重要负荷的分配比 例，尽量减少损失。加速恢复。 ( 4 ) 机组起动顺序：进行黑起动时必须把握好机组的各种临界时间间隔，制 定合理的机组起动顺序。若错过这些时间间隔，会延误系统恢复的时间。火电 机组主要问题是热态再起动能力，关键在于把握好某些允许的时间间隔，如某 些热力机组( 带汽包炉的) 不能安全地再起动的最长时间间隔，或某些热力机组 ( 带临界直流炉的) 再起动的最短时间间隔 5 。 ( 5 ) 保护系统；恢复过程往往允许系统工作于比正常状态恶劣的工况，若此 时保护装置不正确动作，可能中断或延误恢复。因此必须相应调整保护装置的 配置及整定值。 网络恢复过程中碰到的这些问题若解决不当，会导致更严重的后果：黑起 动机组的失败，事故进一步扩大，机械轴系发生振荡，子系统滑坡，相邻系统 圭查至塑茎兰堡主兰堡堡苎 ! 墨垄垩皇塑墨堑堡塞查塞型塑! ! ! ! ! ：! 失步。 ( 6 ) 母线相角差：当闭合两个小系统之间的联络线，或是闭合某个小系统区 域之间的联络线时，由于潮流分布不合理，有时联络线两端的母线之间的相角 差会超过允许范围。此时若强行闭合该条线路，则线路的同步保护装置将会动 作，阻止该条线路的闭合。在极端情况下，闭合该种线路，有可能对系统造成 极大的振荡，甚至可能使系统再次失稳和解列。一般的，5 0 0 k v 线路能容许的 极限相角差约为2 0 。，2 2 0 k v 线路约为4 0 。，i 1 5 k v 线路约为6 0 。要减少母线之 间的相角差，往往需要对潮流分布作重新调整。 ( 7 ) 恢复过程中的通信阻塞问题：在恢复初期，由于整个系统处于不正常的 运行状态，各种出错和报警信息大量出现，严重时将堵塞各信息管道，甚至干 扰系统恢复的指挥调度。解决的办法是变传统的集中式控制为分散式控制，即 将中心调度的职权下放一部分至各地区变电所，中心调度只负责恢复过程中具 有全局意义的职责和行为，而很多具体的恢复动作由地区变电所独立决策并完 成。这样，便可使信息沟通问题得到缓解。 ( 8 ) 起动电源的选择：起动电源可分为两种：黑起动电源和联络线援助。黑 起动电源是指具有自起动能力的机组。有自起动能力的机组能在无外界电源的 帮助下，在系统停运后快速恢复供电。抽水蓄能机组用作黑起动电源最为方便， 一般的水电机组也可以用作黑起动电源，它们均存在着起动速度快，占用厂用 电少的优点。根据运行经验，水电机组冷起动大约需要5 分钟，起动功率大约 占其额定有功的o 5 ，可见，在系统恢复初期可用电源匮乏和时间紧迫的情况 下，这是十分突出的优点。火电机组也有可作为起动电源的，如燃气轮机：它 可在无厂用电的情况下快速起动，其冷起动约3 0 分钟，其中包括1 5 分钟的预 热，在紧急情况下的热起动只需1 5 分钟。对于火电机组，根据运行经验，可以 确定它们的起动功率占其额定有功的比例：6 0 万为4 5 ，3 0 万为5 6 ，1 2 5 万 为6 2 。 在电力系统恢复中，省际或网际联络线送电是另一类极其重要的起动电 源。特别的，当停电区域本身的黑起动电源不足时，利用邻近电网的电能来进 行事故系统的恢复显得尤为重要，这时，联络线支援成为恢复过程中不可或缺 的因素，发挥着举足轻重的作用。即使当停电区域本身具有充足的黑起动电源， 6 上海交通大学硕士学位论文 黑龙江电网系统恢复方案研究 考虑联络线支援仍然是系统恢复的一个重要的因素，因为它与黑起动电源相配 合进行系统恢复时，将能大大地加速整个恢复进程。并且，当主干的黑起动电 源由于某种不可预料的原因不能成功起动时，联络线支援还可充当备用电源， 代替发生故障的黑起动电源以便使系统恢复按计划进行下去。总之，考虑联络 线支援，将能在一定程度上缓解恢复时间上的压力，并使系统恢复时的手段和 方案更加灵活多样。 上海交通大学硕士学位论文 黑龙江电网系统恢复方案研究 第二章研究的内容，工具和模型 2 1 研究内容概述 黑龙江省电力系统事故恢复研究是以黑龙江省网的实际网架结构为基础， 综合考虑黑龙江电网的拓扑结构，各元件设备的实际运行特性，负荷分布特点， 各种机组类型和出力情况以及各种约束条件，并考虑邻近的联络线支援等诸因 素，在此基础之上，选定恢复策略，起动模式，起动电源和划分小系统，完成 合空载长线时的操作过电压及发电机充电空载长线路时的自励磁仿真，确定系 统恢复的详细步骤和负荷恢复的分配方案，然后通过实际的潮流仿真计算和稳 定计算，找到初步恢复方案中存在的问题并不断的加以改进和修正，最终给出 优化的可行的恢复方案和恢复的具体组织措施。 2 2 黑龙江电网简介 黑龙江电网位于东北屯网的东北部，大致可分为西部电网( 简称西部网) ， 中部电网( 简称中部网) ，东部电网( 简称东部网) 。西部网由大庆、齐齐哈尔、 北黑电网和伊敏电厂组成；中部电网由哈尔滨、绥化电网组成；东部电网由鹤 岗、佳木斯、鸡西和牡丹江电网组成。 西部网与中部网通过5 0 0 k v 哈大线与2 2 0 k v 三火线和哈乐线构成电磁环 网相联，另一回2 2 0 k v 长新线将西部网与吉林省网相联；东部网与中部网之间 形成5 0 0 k v 方哈线与2 2 0 k v 方东甲、乙线，牡尚甲、乙线四条线路构成电磁 环网相联；省网与主网间通过5 0 0 k v 合南线与2 2 0 k v 长新、松五、南双线三 条线路构成电磁环网相联。5 0 0 k v 线路西起伊一冯一大一哈至哈南变，东经方 哈线至哈南变，在哈南变汇合后经合南线与主网相联。从网架结构上看，5 0 0 k v 线路及对应的电磁环网联络线在电网内形成”y ”字结构，中心点为哈南变。 东部电网作为电源基地，本身的负荷需求并不是很大，这就导致网内发出 的大量电力需外送。西部网虽然负荷较大，但在伊敏厂机组投产运行后，平衡 供需已略有盈余。中部网哈尔滨地区也是重负荷中心，因发电计划及送出能力 限制，而且哈3 b 厂平时只有一台6 0 0 m w 机组运行，即中部网暂时仍需要受电， 才能满足需要。 从发电机组分布情况来看，东部电网的牡丹江、鸡西地区主要有镜泊湖老 上海交通大学硕士学位论文 黑龙江电网系统恢复方案研究 厂、新厂、牡二电厂、鸡西电厂，其中镜泊湖老厂、新厂为水电厂。东部电网 的佳木斯、鹤岗地区则主要有莲花厂、佳二厂、鹤岗厂、佳木斯厂和双鸭山厂。 其中，莲花厂为水电厂。此外，西部电网主要有大庆、齐齐哈尔地区的大庆自 备电厂( 以下简称庆自厂) 、新华厂、富二厂和属东北电网管辖的伊敏电厂。中 部电网主要有哈尔滨地区的哈热厂、哈3 a 厂、哈3 b 厂。这便是黑龙江电力系 统恢复时所能利用的电力资源。 分析上述各电厂的机组特性，可以看出，黑龙江电网并不存在严格意义上 的自起动机组，因为按个电网并不存在抽水蓄能机组和燃气轮机，所以在进行 电网恢复时，需要准备蓄电池、小保流机组、柴油机组、电动机等作为起动功 率源。但是，考虑到黑龙江东部电网的两大水电厂，它们可以利用电厂的小保 流机组快速地起动并发电，此外，黑龙江电网还可以通过联络线从东北主网受 电。这些外部的有利条件说明，一旦发生大面积停电事故，黑龙江电网是可以 迅速地得到恢复的。 2 3m a t l a b 介绍 m a t l a b 是美国m a t h w o r k s 公司推出的种基于矩阵计算的科学仿真软 件，其最新版本为6 1 。它采用了开放性开发的思想，形成了一系列规模庞大， 覆盖面极广的工具箱，包含了控制理论，电力系统，数值计算等大量现代工程 技术学科。它还提供了十分友好的图形化界面和相当完整的元件库，在统一的 s i m u l i n k 接口下，用户可方便的建立直观形象的系统图并进行相关的仿真研究。 不仅如此，它还内建了丰富的库函数，如矩阵计算，最优问题求解，方程求根( 包 括偏微分方程求根) 等，并且由于m a t l a b 语言是一种开放的解释性语言，因此 用m a t l a b 编写科学计算和优化程序的效率极高，同时它也具有极强的图形处理 和输出能力。 在本项目研究中，主要利用m a t l a b 进行黑起动时发电机组自励磁问题 的仿真研究和配电网恢复中的遗传算法研究。 2 4 发电机空载特性的确定 为了研究发电机组在带空载长线时可能出现的自励磁问题，必须得到该发 电机的空载特性数据。但是，一般情况下往往无法得到每台机组的详细的空载 特性数据，于是许多部门采用曲线拟合的方法来近似地解决这个问题。这里采 二兰塑至望查兰堡主兰垡笙兰 ! 墨垄望皇堕墨塾堡墨立壅堡塞! ! ! ! ! ：! 用另一种方法来解决这个问题。根据工程实际经验，当在空载励磁电压下的定 子电势基准值取发电机额定电压，并取此时对应的励磁绕组电流为空载励磁电 流的基准值时，可以得到如下的一组标么值数据： i e 0 0o 5 81 01 2 i 1 3 41 4 1 4 6 l乃 0 oo 51 o1 5 2 02 53 0 表2 i 发电机空载特性数据 t a b l e2 1d a t af o rt h ez e r ol o a dc u r v eo f g e n e r a t o r 进一步，我们可以作出一条典型的空载特性曲线，如下图： 图2 1 发电机空载特性曲线 f i g u r e 2 1t h ez e r ol o a dc ；u l w eo f g e n e r a t o r 它是一条通用型的曲线，不同的发电机组，其空载特性的标么曲线均十分 接近这条曲线。因此，当我们获得在发电机额定电压下所对应的的空载励磁电 流时，便可得到详细的空载特性数据。 2 5系统恢复模式和恢复策略 在本项目研究过程中，根据实际情况，可以将恢复模式分成两种情况，即 全黑情况下的电网黑起动( 此时黑龙江电网缺少外部电网的电能支援，只能依靠 自身的黑起动机组来完成整个电网的恢复) ，以及有联络线支援情况下的系统恢 复( 此时黑龙江电网能通过六条联络线从吉林电网获得启动电源，也可通过本身 的启动机组实现系统恢复，即起动电源不限于本身的机组) 。另外，根据项目研 究的需要，可以考虑中西东部电网同时恢复的情况，也可以从东部电网发电能 力供大于求的实际出发，研究东电西送、东电中送的可行性，即考虑先恢复东 部电网，再利用东部电网已恢复的电力资源起动中部和西部的机组，并满足这 些地区的负荷需要，并逐步完成整个黑龙江电网的恢复过程。 另外，根据国外进行电力系统恢复的经验，大多数情况下，采用“向上恢 复”( b u i l du p w a r d ) 策略，能充分利用电网资源，加速电力系统恢复进程，并有 上海交通大学硕士学位论文 黑龙江电网系统恢复方案研究 助于改善系统的稳定性能。所谓向上恢复是指将系统根据负荷和起动电源的分 布情况划分成具有自起动能力的子系统，在恢复过程中同步这些子系统。主要 任务包括自起动单元的起动、子系统的恢复和子系统的并列。实践证明，采用 此种策略往往能加速恢复进程，并且恢复后的系统具有较好的稳定性。因此， 在本项目研究中，我们采用了向上恢复作为系统恢复策略。 2 6 涉及的自动装置模型 本文所述的电力系统恢复方案涉及的系统模型包括水电机组的励磁系统、 调速器和原动机模型、i o o m w 的火电机组励磁系统、调速器和原动机模型和 2 0 0 m w 的火电机组励磁系统、调速器和原动机模型。此外。为了改善系统的稳 定性能，还采用了p s s 装置。下面对此作一一介绍。 对于水轮机组，采用可控硅励磁调节系统模型，其传函框图如下图所示。 r e g u l a t o r s t a b i l i z e r e f d 图2 2 水轮机可控硅励磁调节系统 f i g u r e2 2t h e c o n t r o l l e ds i l i c o nb a s e de x c i t a t i o nr e g u l a t i o ns y s t e mo f h y d r o p o w e ru n i t 这里，h 代表发电机机端电压，代表调压器参考电压基值，妇，代表 p s s 输出，忍代表调压器增益，n 和乃代表调压器放大器时间常数，缸和n 分别代表调压器阻尼回路时间常数，h 。“和m n 分别代表调压器输出电压的 最大值和最小值，而e f t ) 代表激磁电势。 水轮机组的调速器和原动机模型采用二者的组合模型。其传函框图如下图 所示： 上塑交通大学硕士学位论文黑龙江电网系统恢复方案研究 k a o 图2 3 水轮机调速器和原动机组合模型 f i g u r e2 3t h eg o v e r n o ra n dp r i m em o v e rs y s t e mm o d e lo f h y d r o p o w e r u n i t 这里，k 为原动机最大输出功率标么值，冠为调差系数，死为调速器响应 时间，n 为引导阀门时间常数，乃为软反馈时间常数，n ，2 为水锤效应时间 常数，尸w = k v e l o p e ，p w = 一k v e l c m s ，这里v e l o p e u ，v e l c w s e 分别为最大 水门开启速度和最大水门关闭速度，伪为软反馈环节系数。 i o o m w 的火电机组与2 0 0 m w 的火电机组，由于它们的励磁系统，调速 器系统和原动机系统的调节特性基本一致，所以采用相同的励磁系统模型，调 速器系统模型和原动机模型。其中，它们的励磁系统模型的传函框图见下图： r e g u l a t o r e x c i t e r 图2 4 大型火电机组的励磁系统模型 f i g u r e 2 4t h ee x c i t a t i o ns y s t e mm o d e lf o rl a r g et h e r m a lp o w e ru n i t 这里，乜，n ，n l ，弥，t f ，陬，v m v , x ，p 衙，v r ，e f p 与前述含义相同，孙，缸，死 分别表示滤波器时间常数，励磁机饱和系数，表征励磁方式的常数，励磁机时 间常数。 一岳竺 多一 上海交通大学硕士学位论文黑龙江电网系统恢复方案研究 它们的原