（电力系统及其自动化专业论文）电力系统黑启动的研究.pdf

a b s t r a c t r e s t o r a t i o no fap o w e rs y s t e ma f t e rac o m p l e t eb l a c k o u ti sav e r yc o m p l i c a t e d i s s u e r e a s o n a b l eb l a c k - s t a r ts c h e m e sp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ef a s tr e s t o r a t i o n o ft h ep o w e rs y s t e m t h ea s s e s s m e n ta n dt h ea u t o m a t i ce s t a b l i s h m e n to fb l a c ks t a r t s c h e m e sa r es t u d i e da n dt h eb l a c ks t a r ts c h e m ef o rt h et i a n j i nu t i l i t yi sm a d ei nt h e t h e s i s b a s e do nv i s u a lg r a p hs y s t e m , t h ed e p t hf i r s ts e a r c hs t r a t e g y ( d f s ) c o m b i n i n g w i t hr u l e si sp r o p o s e dt of o r mt h eb l a c k - s t a r ti n i t i a ls c h e m e s f i r s t l y , r u l e sa r e s u m m a r i z e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i co ft h ep r o c e s so fb l a c k s t a r t ；t h e n ，b yt h et o p o l o g yc o n n e c t i o no fp o w e rn e t w o r kb u i l tb yv i s u a lg r a p h s y s t e m , t h ec o n t r a c t e di n i t i a ls c h e m ei sf o u n db yt h ed e p t hf i r s ts e a r c hs t r a t e g y ( d f s ) c o m b i n i n gw i t hr u l e s v a r i o u sk i n d so ft e c h n i c a lv e r i f i c a t i o na n dc a l c u l a t i o ni n v o l v e di nt h eb l a c k s t a l l p r o c e s sf o rt h ei n i t i a ls c h e m e sa r ed o n eu s i n gc o m m e r c i a lp r o g r a m s t h e n t h em o d e l - c o m b i n a t i o no fd a t ae n v e l o p m e n ta n a l y s i s ( d e a ) a n da n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) m e t h o di sf i r s t l yp r o p o s e dt oa s s e s sa n ds o r ta l lt h ei n i t i a ls c h e m et oc h o s et h e m o s te f f e c t i v ea n dq u a l i f i e ds c h e m e s t h es i g n i f i c a n tc h a r a c t e r i s t i co ft h em o d e li st o m a k eu s eo ft h ea d v a n t a g e so fb o t hd e aa n da h p , a n di nt h em e a n t i m ea v o i dt h e s h o r t a g eo ft h es u b j e c t i v i t yo fa h pa n dt h eu n - c a p a b i l i t yf o rd e a t os o r ta l lt h e s c h e m e sa tt h es i n g l es c a l e a s e to fe f f e c t i v eb l a c ks t a r tp l a nf o rt h et i a n j i nu t i l i t yi sf u r t h e rb u i l d e d 、e n t h eg r i dn e e d st ob er e s t o r e da f t e rac o m p l e t eb l a c k o u t ，t h eb l a c ks t a r tc o n s i d e r st w o m a n n e r s ：s t a r t u pu s i n gi n n e re l e c t r i c a l s o u r c ea n do u t e re l e c t r i c a ls o u r c e t h e b l a c k - s t a r tp l a na d o p t st h a tt os t a r tt h er e s t o r a t i o no ft h et i a n ji np o w e r 鲥da t d i f f e r e n ts u b - r e g i o na n ds u b - a r e as i m u l t a n e o u s l y , a n da f t e rt h em a i nf r a m eo f s u b - s y s t e m sa r er e s t o r e d ，t h ep a r a l l e l i n ga n dc l o s e dl o o po p e r a t i o n sa r ec a r r i e do u t a m o n gs u b s y s t e m s ；s ot h er e s t o r a t i o np r o c e s so f t h ew h o l ep o w e rg r i di ss p e du p t h ep r a c t i c a le x a m p l es h o w st h a tt h em e t h o d so ft h ea u t o m a t i cb u i l d i n ga n d a s s e s s m e n to fb l a c ks t a r ts c h e m e sp r o p o s e di se f f e c t i v ea n df e a s i b l e s i n c et h e e s t a b l i s h e db l a c k s t a r t p l a n a n di t s i m p l e m e n t i n gp r o c e s s a r eb a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i co ft i a n j i nu t i l i t ya n da r et h o r o u g h l ya n a l y z e da n dv e r i f i e d ，t h e ya r eh a v e b e e nt h ep r e s c h e m e so ft h ed i s p a t c hd e p a r t m e n to f t i a n j i nu t i l i t y k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，b l a c ks t a r ，r u l e s ，d a t ae n v e l o p m e n ta n a l y s i s ( d e a ) ，a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) ，s u b r e g i o na n ds u b a r e a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：碎 怒榴签字日期：弘叼 年2 月年日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 荫趣橡 签字日期：柳r 年2 月r 日 聊虢甜斩钇 签字脚灿7 年c 7 2 月歹日 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 随着电力系统的跨区域互联电网的规模越来越大，各子系统之间的相互影响 越来越强烈，局部系统的故障可能由于保护和自动装置的不正确动作而酿成大面 积的停电事故，甚至整个电力系统的崩溃瓦解，给国民经济带来巨大的损失。随 着系统规模的扩大，发生全网性大事故的可能性在增加，例如北美历史上最大规 模的“8 1 4 ”美加大停电，给全世界带来了极大的震动，直接经济损失达数百 亿美元之巨，间接损失更是无法估量；还有伦敦大停电、悉尼大停电、马来西亚 大停电、中国北京西北部油罐车爆炸致京西北区域电网发生近百小时停电等，这 些充分表明电力系统的全停电事故是现代电力系统必须面对的严重威胁，给现代 电力系统的安全运行敲响了警钟，然而从根本上讲，大停电事故是不可避免的， 但在由于系统崩溃带来大面积停电后，如何进行局部孤立系统的黑启动自救，快 速实现整个系统的正常恢复，对减少事故带来的经济损失和社会动荡是非常重要 的。 所谓黑启动是指整个电网系统因故障停运后，不依靠别的网络帮助，通过系 统中具有自启动能力也称为黑启动能力的机组的启动，带动无自启动能力的机 组，逐渐扩大系统输电范围，最终实现整个系统的恢复。不同的电力系统恢复 的方式不尽相同，但总的目标是在最短时间内使系统能够恢复带负荷的能力。 所谓黑启动方案，是指电力系统发生事故后，尽快有序地恢复或重构一种新 的稳定运行方式的方案。对其一般有三个要求，一是速度要快；二是恢复或重构 新的运行方式的过程必须是有序的：三是新的运行方式必须是一个稳定的方式。 系统全部停电后使其恢复供电是一件十分复杂而又耗费时间的事情，运行经 验告诉我们，如果有充分而合理的事故恢复方案，帮助调度以及生产运行人员采 取适当的措施，就可以大大减少停电时间和对社会造成的损失，反之则可能会延 长停电时间，甚至进一步造成设备损坏等严重后果。例如，1 9 8 2 年加拿大系统 7 3 5 k v 电网事故后恢复过程中，山于空充长线而导致末端过电压倍数太高，超过 设备的绝缘水平，造成变压器和避雷器损坏；而在意大利，电网停电后根据系统 恢复预案，将系统划分为几个子系统分别进行恢复，在满足定的条件以后将各 个子系统进行并网，在3 0 分钟内将系统完全成功恢复，这样的事例告诉我们有准 备的进行事故后黑启动可以在很短的时间内将系统恢复送电，减少停电时间；尤 第一章绪论 其是2 0 0 5 年9 月海南电网在遭受强台风“达维”的严重影响后的成功黑启动，再 一次证明在事故后按照事先准备好的黑启动方案进行系统的恢复工作，可以大大 减少停电时间，具有显著的社会效益和经济效益。因此，如何制定一个充分合理 的黑启动方案就是一个很值得探讨和研究的问题。 本文研究了黑启动方案( 路径) 的自动形成和评估，并把它应用于天津电网， 制定了天津电网的黑启动恢复方案，有效地提高了天津电网应对大停电事故的能 力。也可把本文研究的黑启动方案( 路径) 的自动形成和评估方法应用于其他电 网，为其制定黑启动方案提供科学、直观的决策依据，对现代电力系统运行具有 十分重要的意义。 1 2 黑启动的研究现状 自从上个世纪8 0 年代，电力系统黑启动问题逐渐引起了人们的重视。文献 2 结合美国内布拉斯加电力系统，讨论了使用遥远小水电作为启动电源来启动大容 量火电厂的黑启动方案，将仿真结果和实际的实验进行了比较，得出了比较一致 的结果。文献 3 对希腊h e l l e n i c 电力系统的一次大停电事故进行了恢复仿真研 究。在仿真研究中，首先介绍了由n a t u 电力能源系统实验室提供的参照1 9 9 4 年 夏天负荷高峰时的h e l l e n i c 电力系统的大型仿真模犁，以及1 9 8 9 年h e l l e n i c 电力系 统经历的一次大停电事故的详细情况：它证明了长期动态仿真l c d 程序能够为操 作员培训提供一种安全的、可控制的、离线的仿真环境，也能有效的进行系统恢 复规划。文献 4 介绍了关于黑启动和系统恢复问题的一种新的方法框架，通过 时域仿真的大量计算，来寻找到一种合适的恢复方案，而这一新方法的目标就是 减少这些运算。一旦一个系统恢复顺序被确定下来后，就只需要对这个方案进行 一次时域的计算验证。这种方法是建立在频域分析的基础之上的，它的目的就是 快速评估恢复步骤的可行性，而大大减少了时域仿真上的基于试验法所花费的时 间，系统恢复就可以看成是一系列常见的简单恢复过程。 近年来，黑启动问题也逐步引起了国内电力系统的重视，并开始在这方面展 开积极的研究探讨。1 9 9 9 年上海交通大学与华东电力调度局合作，进行了华东 电网黑启动问题的研究试验，以天荒坪抽水蓄能电厂作为黑启动电源，为新安江 水电站送去启动功率畸3 。该项研究工作对启动过程中的发电机白励磁问题、空载 合闸过电压问题以及初步恢复后系统的低频振荡问题都做了研究。随后，国内学 者和电力工作者在黑启动方面也进行了一些研究，电力系统黑启动的过程及恢复 中存在的自励磁、过电压、频率和电压稳定、继电保护配合方案等问题并提出了 相应的解决措施。2 0 0 0 年，华北电力调度局以十三陵水电站作为黑启动电源，进 2 第一章绪论 行了局部系统的黑启动试验研究，对黑启动过程中各种系统变量进行了实测分 析，这在国内尚属首次哺1 。它是在1 9 9 9 年5 月4 日和2 0 0 0 年4 月8 日北京十三陵抽水 蓄能电厂两次本厂黑启动实验基础上进行的。为了模拟黑启动的条件，将北京十 三陵抽水蓄能电厂2 2 0 k v 五母线、陵昌二线、昌清一线、石清线、北京石景山电 厂2 2 0 k v 五母线停电，以这部分停电母线及线路所构成的小系统进行黑启动试 验。黑启动的电源是十三陵抽水蓄能电厂的4 # 机组，实验圆满成功，达到了预定 的各项指标，成功地对实验系统进行了恢复。随后湖北、贵州等电网也分别采用 了水电厂机组或小火电机组作为黑启动电源，在发生全厂停电事故、厂用电消失 且无外来电力支援等极端恶劣情况下，如何利用机组剩余资源快速启动本厂机组 恢复厂用电等一系列技术问题及其可行性进行了深入的研究口呻1 。现在其它部分 网、省局，如华中电网、陕西电网、吉林电网等，也都在根据本系统的实际情况 进行了或正在进行黑启动的研究，并取得了一些有意义的成果n 一1 们。 由于中国对电力系统恢复问题的研究起步相对较晚，同时由于各网区、各电 网的具体情况不一样，目前还没有也不可能有广泛适用于不同网络( 运行方式和 工况) 的恢复方案，这就迫切要求各电网根据各自电网的实际情况，合理选择黑 启动电源，合理划分区域，合理分配负荷，制定严格的操作步骤，通过仿真分析 并加以试验验证，制定出适合本网使用的黑启动方案，利用自身优势，争取在系 统发生故障后在最短的时间内有序地实现系统的重建和对尽可能多的用户恢复 可靠供电。 1 3 黑启动一般过程和恢复原则 1 3 1 黑启动的一般过程 系统恢复是一个很复杂的问题，它几乎牵扯到电力系统运行中的所有方面。 下面简要介绍一下黑启动的一般过程，涉及的主要方面以及可能遇到的问题。 根据系统在恢复过程中不同时期的特点，可以把恢复过程分为3 个阶段1 ： ( 1 ) 黑启动阶段：一般历时3 0 m i n 6 0 m i n 。在这一阶段，首先由起始电源分 别向跳闸的具有临界时间限制的电源提供启动电源，使其能重新并入电网，恢复 发电能力，形成一个个独立的子系统； ( 2 ) 建立网络构架：通常历时3 h 4 h 。在这一阶段，将建立稳定的输电网络 构架，投入主要的输电线路，各个子系统之间互联，恢复足够的负荷，以稳定发 电机的运行和系统电压，启动大型的带基础负荷机组，为大量的恢复负荷创造条 件： 第一章绪论 ( 3 ) 负荷恢复阶段：在这一阶段，由于系统可供给的有功和无功大大增加， 负荷的增加量应和系统的频率特性相适应，一次投入的负荷量不应使频率下降太 多，更不能引起低频减载动作，同时也要与发电能力的增长相适应。 黑启动过程中遇到的主要问题有哺1 ： ( 1 ) 黑启动机组的自励磁问题。同步发电机的自励磁现象是指无励磁发电机 在过大的电容负荷下电压自发升高的现象，建立的电压值可能很高。当发电机空 载带长线路时，相当于带了一个容性负载，如果发电机有剩磁，则机端会有一个 微小的电压，此电压加在容性负载上，系统将会产生容性电流，该容性电流对发 电机产生助磁效应。随着励磁电流增大，机端电压也增高，那么系统中容性电流 也会增大，助磁效应增强，电压继续上升，如此反复。但由于磁路的饱和特性， 电压不会无限增加，而会稳定于某值。 ( 2 ) 空载线路的过电压问题。恢复超高压架空线时，必须考虑几个过电压问 题：持续工频过电压，操作过电压和谐振过电压。电压过高则会导致发电机欠励， 甚至自励和不稳定，发电机的自励磁就属于工频过电压的一种。 ( 3 ) 黑启动初期的低频振荡问题。大电网互联，电抗的大小与系统的阻尼性 能成反比，系统间电气距离越近，其阻尼性能越好，反之阻尼性能越差，越容易 出现低频振荡。黑启动初期系统比较薄弱，多为超高压远距离送电，因此容易发 生低频振荡。合理调整潮流分布及有选择的加入p s s ，可以有效的抑制或者消除 低频振荡。 ( 4 ) 恢复过程中电压和频率的控制。在黑启动过程中，保持系统频率和电压 稳定是非常重要的，每一步操作都要监测系统频率和重要节点电压水平，否则极 易导致黑启动失败。频率主要和系统的有功和负荷相关，控制频率就涉及到了控 制负荷恢复的速度，机组调速器响应和二次调频。电压的控制主要和系统的无功 有关，黑启动的初期存在充电空载或轻载线路的问题，由于系统存在分布电容， 就有可能造成系统的电压过高。电压控制常用的方法有：将发电机运行于低电压 水平，双回线路只投一回，在变电站低压侧投补偿装置等。 ( 5 ) 初步恢复后系统的稳定问题。初步恢复后的网架系统还比较薄弱，整个 系统容量较小，为了防止在恢复过程中系统再次解列，就必须考虑系统此时受到 大干扰的情况，也就是系统初步恢复后的暂态稳定的问题。 黑启动方案可能出现的问题： ( 1 ) 机组进相：水电机组在空载线路或带轻负荷时，可能产生进相运行，因 此，水电机组的进相能力及相应的保护应该能够适应这种运行方式。在机组进行 黑启动试验以前，水电机组应完成进相试验并满足进相条件。 ( 2 ) 保护的配合：黑启动方案是一个山水电机组作为启动电源，其次对线路 4 第一章绪论 进行空充，然后再带上火电机组的厂用负荷，接着火电机组与水电机组并列。因 此为了保护受电设备的安全，在黑启动前应该将涉及元件的保护及线路保护投入 运行，重合闸应退出，过电压保护必须投入。 ( 3 ) 负荷调整和调频调压：由于黑启动过程中是单机带负荷的简单系统，然 后才能成为一个两机系统，因而负荷的调整应引起注意，保持有功功率和无功功 率的平衡，以使电压和频率保持在允许的范围内变化。此外启动机组的调速器、 励磁调节器的特性，应该能够适应一定负荷变化的要求，使机组运行保持稳定。 1 3 2 黑启动的，恢复原则 黑启动的恢复原则包括黑启动电源的选择原则、黑启动子系统划分原则、黑 启动路径选择原则、负荷恢复原则、黑启动过程对二次系统的要求、黑启动的初 始状态等内容。 。 1 黑启动电源选择原则 黑启动首先遇到的问题是黑启动电源的确定，可从三个方面考虑。第一类黑 启动电源是本身具有自启动能力的机组，在系统全停的条件下，电厂内部的厂用 电几乎全部失去。大部分火力发电厂内由柴油发电机提供的事故保安电源的容量 仅仅能够保证在这种意外情况下发电机、主变等主要设备不被损坏，而不可能为 机组提供足够的厂用电来启动因故障停机的主机，所以一般来说如果没有外界电 源火力发电厂机组是不能启动的，也就是不具有自启动能力；与之相对应的水轮 机机组和燃气轮机机组的启动，对厂用电要求很低，有的时候甚至不需要厂用电， 因此黑启动电源通常是选在此类电厂。按照国际国内对黑启动的经验，大容量的 抽水蓄能电厂中的水轮机是非常理想的黑启动电源。第二类黑启动电源为事故后 残存的机组或孤岛，它们通常为装有满负荷减载装置的汽轮机跳闸后带自身的厂 用负荷运行，或是低频解列后形成的孤岛。第三类黑启动电源为相邻系统的支援。 通常列入恢复计划的只有第一类电源，而后几类电源因为跟系统事故后的状态有 关所以很难列入事先制定的恢复计划中去。黑启动电源的选择原则为： ( 1 ) 尽量选择调节性能好的、启动速度快、具备进相运行能力的机组； ( 2 ) 优先选择直调电厂作为黑启动电源，其次选择用户电源； ( 3 ) 尽量选择接入较高电压等级的电厂； ( 4 ) 有利于快速恢复其它电源的电厂； ( 5 ) 距离负荷中心近的电厂。 2 子系统的划分原则 黑启动时可以将电网划分成为多个子系统，各子系统内部可以同时进行黑启 动操作，以加速全系统的恢复。每一个子系统都应有一个主网架，包括子系统内 第一章绪论 的黑启动电源、主要电厂、枢纽变电站和重要负荷。子系统划分原则如下： ( 1 ) 根据电网结构特点和黑启动电源所在的地理位置合理划分子系统； ( 2 ) 各子系统至少有1 个黑启动电源； ( 3 ) 各子系统应具有较好的调频调压手段： ( 4 ) 各子系统应具有明确、可靠的同期并列点。 3 黑启动路径选择原则 每个黑启动电源应当有相对独立的黑启动路径。各黑启动路径送电后应在规 定的并列点并列，逐步形成主网架。 ( 1 ) 应能在尽量短的时间内以最少的操作步骤恢复系统供电； ( 2 ) 应尽量减少不同电压等级之间的变换； ( 3 ) 应距离下一个电源点最近，以尽快恢复本地区电网的主力电厂，建立相 对稳定的供电系统： ( 4 ) 应便于主网架的快速恢复。 4 负荷恢复原则 ( 1 ) 频率、电压控制，备用容量要求。 黑启动过程中，负荷应当在调度的统一指挥下按轮次有序恢复。在调度 操作方案中应列出负荷恢复的优先次序和数量，应优先保证各级电力调度机构、 电厂、通讯部门、党政机关、重点厂矿企业的保安负荷等重要负荷的供电：负荷 恢复初期应避免电铁、电弧炉等冲击性负荷。 在负荷恢复的过程中，应控制系统频率在4 9 5 h z 5 0 5 h z 之间，电压在 0 9 1 1 标么值之间。 在负荷恢复过程中，系统应留有一定的旋转备用容量，旋转备用容量一 般不低于系统发电负荷的3 0 。 ( 2 ) 负荷恢复操作原则 负荷恢复在市调的统一指挥下进行； 市调按照其调度的2 2 0 k v 或5 0 0 k v 站的变压器中压侧或低压侧母线向相 关区、县调度下令恢复指定容量的负荷； 各级调度优先恢复公用站的站用电，恢复顺序按照从高到低的电压等级、 系统站一中转站一负荷站的顺序执行； 负荷恢复的顺序按照甲类负荷一乙类负荷一丙类负荷一一般负荷的顺序 执行： 多电源用户的电源按照市调5 0 0 k v 、2 2 0 k v 、系统站、中转站、负荷站 的顺序优化选择l 条： 如果单一用户的负荷容量超过了市调下达的负荷总量要求，有关区、县 6 第一章绪论 调度在进行负荷恢复操作时应明确告知用户负荷的容量限制。 5 黑启动过程对二次系统的要求 ( 1 ) 直流系统 电网黑启动过程中，各调度机构及厂站应加强对直流系统的监视和维护，应 采取减少直流负荷的措施，延长直流电源的供电时间，保证电力通信、自动化、 继电保护、安全自动装置和控制操作等基本负荷的供电，接带基本负荷的时间应 大于4 小时。 ( 2 ) 电力通信 电网黑启动过程中，各级调度机构及厂站应保持通信畅通，若不能直接联系， 可以通过第三方联系。但系统全停时，通信系统应立即按照应急机制启动通信应 急预案，保证调度电话和继电保护通道的畅通。 ( 3 ) 继电保护一 在黑启动过程中，原则上保护定值和投退方式不变； 黑启动方案中要明确变压器的中性点接地方式； 各保护应充分考虑系统电源问题，以保证在黑启动过程中快速切除故障。 ( 4 ) 安全自动装置 系统全停后原则上退出区域型稳控装置中的切机、切负荷出口压板，就地型 稳控装置运行状态不变。 ( 5 ) 调度自动化 电网黑启动过程中，调度自动化系统应立即按照应急机制启动自动化应急预 案，保证自动化信息的准确、可靠； 各级调度、厂站应当加强运行监视，若发现自动化信息可疑时，应立即核实； 电网黑启动过程中，a g c 、a v c 退出。 6 黑启动的初始状态 黑启动调度操作方案中应根据本路径方案明确各黑启动机组、被启动机组的 初始状态，以及各厂站上的初始状态，各厂站的黑启动初始状态安排中要有防止 非同期合闸的操作及措施。 黑启动机组、被启动机组的初始状态应保证直流及安全控制回路正常，机组 的各参数正常，具备黑启动条件。 ， 黑启动路径中各变电站应按照预定方案倒为黑启动初始运行方式，可以直接 由外部受电，并可作为下一级厂站的电源。 7 第一章绪论 1 4 本文的主要工作 本文的主要工作如下： 1 提出黑启动方案自动形成的新方法 本文借助v g 图形系统，提出了采用基于规则的深度优先搜索技术形成黑启 动初始方案的方法。该方法结合黑启动过程的要求及特点，首先总结出若干有效 的规则；利用v g 图形系统自动形成网络的拓扑关系，并结合这些规则，采用基 于深度优先搜索技术进行有效的黑启动路径的搜索；从而搜索出更为精简的初始 方案。 2 对初始方案进行校验 利用仿真软件a t p 和b p a 对初始黑启动方案进行自励磁、工频过电压、操 作过电压、带上常用负荷和频率这几个在黑启动过程中遇到的技术问题的仿真分 析，把不满足校验要求的初始方案玄掉，形成可行黑启动方案。 3 提出黑启动方案评估的新方法 本文提出了基于d e a a h p 模型的电力系统黑启动方案评估的新方法，对可 行黑启动方案进行评估排序，选择较为有效的方案。该方法是把d e a 方法与a h p 方法结合起来，实现它们的优势互补。整个过程分两个阶段，首先，是将所有的 方案两两分成一组，运用d e a 方法分别对这些组求解它们的相对有效值，进而构 造判断矩阵：然后，对此判断矩阵，运用a h p 对所有方案进行全排序，从而得到 各个方案的权重，权重最大的即为最优方案。 该方法充分利用d e a 和a h p 的优点，避免了人为设定a h p 判断矩阵的主观性 和随意性，以及d e a 不能在一个尺度上对方案进行全排序的缺点。 4 制定了天津电网黑启动方案 把黑启动方案自动形成和分析方法应用于天津电网，制定了天津电网的黑启 动方案及其实施过程。当出现全网停电而需实施黑启动恢复系统供电时，考虑内 部电源启动和外部电源启动两种方式，利用黑启动自动形成和评估方法选择较为 有效的启动路径来恢复天津电网。采用分片分区同时实施黑启动，在完成对各个 子系统的主网架恢复供电之后，进行各个子系统间的并列和合环，从而加快了整 个地区电网的恢复供电过程。 8 第二章黑启动方案的自动形成 第二章黑启动方案的自动形成 本章主要介绍黑启动方案的自动形成，利用v i s u a lg r a p h ( v g ) 图形系统建 立电力系统网络接线图，按照黑启动方案制定原则，总结并提取出方案制定的规 则，基于这些规则采用深度优先搜索技术，对电力系统网络接线图进行搜索而形 成黑启动初始方案，使所搜索出来的初始方案更为精简有效。 2 1 制定黑启动方案的要求和原则 2 1 1 制定黑启动方案的要求 ( 1 ) 回溯性：要认真分析本系统兄弟系统国外系统近年来发生的灾变或事 故情况，弄清楚灾变或事故的原因、主要处理经过、改造的后果、主要教训、主 要防范措施等，作为制定黑启动方案的重要参考。 ( 2 ) 科学性：要深入分析现代电力系统的特点，如大机组、大电厂、大电网、 高电压、高自动化、交直流混合和各项前沿技术的广泛应用等，并充分利用这些 技术为所制定的黑启动方案服务。 ( 3 ) 实用性：方案必须切合电力系统各单位实际，针对性和可操作性要非常 强，黑启动过程中，电力系统的有关部门和单位( 如调度中心、电厂、变电站等) 的协调工作对黑启动的速度和成败有着至关重要的影响。只有兼顾了系统中的各 部门实际情况，黑启动方案才能够针对这些系统在必要的时候发挥最大的作用。 ( 4 ) 有序性：在电力系统发生灾变或事故的恢复控制中，所有的控制措施， 包括系统之间的恢复并列，发电厂与系统之间的恢复并列，用户的恢复供电，安 全自动装置的定值调整和投退方式等，都必须遵循电力系统运行的内在规律，严 格按照一定的顺序有条不紊地进行。 ( 5 ) 快速性：在恢复控制有条不紊的前提下，要千方百计争取速度。为了实 现恢复控制的快速性，除了必须有强有力的调度组织外，还必须有可靠的技术措 施：如快速提供黑启动电源，黑启动电源应由较大容量、与系统联系较强、启动 负荷速度快的发电厂担任，如大中型抽水蓄能电厂等。快速恢复并列，如发电机 在计算论证允许下，采用自动自同期或非同期并列，局部系统问经过计算论证允 许的条件下用非同期并列或非同期重合闸并列，在恢复局部系统与主系统的并列 中，要充分利用无压重合闸，以缩短局部系统的停、换电时间等。 9 第二章黑启动方案的自动形成 ( 6 ) 后瞻性：电力系统发生灾变或事故后的恢复或重构，既要快，又要防止 恢复或重构的系统是一个处于电压、频率和功角稳定边缘的系统，甚至从一个灾 变事故走向另一个灾变事故的系统，所以恢复控制务必做到慎之又慎。 2 1 2 制定黑启动方案的原则 制定黑启动方案首先要确定黑启动电源。黑启动电源一般是指具有白启动能 力的发电机组。这些机组在没有外界电源帮助的情况下，停运后能快速恢复发电， 并通过输变电线路输送功率至其它机组，带动其它机组恢复运行。 如前文所述一般情况下火电机组没有厂用电时是无法启动的，而燃汽轮机和 水轮机组对厂用电的要求较低，所以电厂的黑启动一般都是在该类电厂进行。 针对黑启动的具体情况，本文在制定黑启动方案时考虑的总原则如下： ( 1 ) 启动路径中电压转换的次数要尽量少。 一 ( 2 ) 每个黑启动方案中黑启动电源( 系统侧母线) 与被启动电厂( 系统侧母 线之间) 经过的变电站个数不能太多，一般不应超过3 - 5 个。 ( 3 ) 每个方案的路径长度要尽量短。黑启动开始时候，是由发电机对空载长 线路充电，此时发电机相当于带了一个容性负荷，减小这个容性负荷对于减少发 电机发生自励磁的几率是非常有益的。 ( 4 ) 尽量先启动距离重要负荷近的机组。在现实系统中总是存在着对国计民 生有着重要影响和意义的一些负荷，这类负荷容量不一定很大，但是却对社会活 动有着举足轻重的影响，如电信、银行、供水等部门。先启动此类负荷可以大大 减小电力系统灾变给社会和经济带来的损失。所以，确定方案的重要等级就十分 重要，但是，这种重要等级不同的系统情况各不相同，所以在操作上，可由调度 人员根据经验来判断每个黑启动方案路径上负荷的重要等级，然后由程序加以量 化。 ( 5 ) 每个方案的启动时间要尽量短。系统的启动时间一般由几个方面决定： 第一是作为黑启动电源的机组的启动速度，很多具有黑启动能力的水轮机组可以 在十几分钟内迅速恢复出力，要尽量选择能迅速启动的机组作为黑启动电源；第 二是每个方案中投运该支路所进行的一次设备的操作次数来进行近似估计：第三 是被启动机组的状态：当机组处于热态或者极热态时，机组可以在几十分钟内快 速恢复。 ( 6 ) 每个方案中在启动容量允许的前提下选择的被启动机组的容量要尽量 大。黑启动的根本目的就是在最短的时间内恢复系统的出力，尽可能多的恢复负 荷，大容量的机组一旦恢复，我们就可以在相对较短的时间内恢复更多的机组和 负荷，这将对整个系统的恢复起巨大的推动作用。 l o 第二章黑启动方案的自动形成 ( 7 ) 考虑每个方案中各种校验指标的优劣。为了保证黑启动方案的成功，我 们尽量避免选择校验指标处于临界状态的黑启动方案作为系统恢复的黑启动预 案。 2 2 基于v g 图形系统的电网接线图 2 2 1v g 图形系统简介 v i s u a lg r a p h 是一种a c t i v e x 的共享组件，包括一套基本可视图形类库和管 理图形的接口，另外还可提供图形开发建模的工具。其中的可视图形类有各种 成员属性和成员函数，可通过一套语法简单的脚本语言来操作图形，并对外提供 编程接口，内嵌到各种编程工具中进行开发。 v g 提供一个基本图形单元类砌n i t ，它由描述图形单元特征的基本属 性和函数组成。u n i t 下面继承有四种子类： 文字单元类i t e x t ：该类为文本框对象，成员属性包括文字内容t e x t ，字体f o n t 等。 形状单元类i s h a p e ：该类包括矩形、椭圆、圆角矩形三种形状对象，成员属性包 括线条颜色l i n e c o l o r 、线框l i n e w i d t h 、背景颜色b a c k c o l o r 等。 折线单元类n i n e ：该类包括点、线、连接点、连接线，成员属性包括组成折线的 点集p o i n t i 、各点类型属性b y t e s i 、线条类型l i n e t y p e 等。其中连接线可以连 接两个图形，形成一组拓扑连接关系。 元件单元类i e l l i m e n t ：该类看作一个类似容器的空白图形，它容纳其他的子 图形以形成新的图形类，其成员属性包括组成元件的子对象集合u n i t s i 1 ，子对 象数目u n i t c o u n t 等。由几种基本图形类可以在i e l l i m e n t 中绘制任意复杂的二 维图形，组成一个新的图形类，即新的元件类。 2 2 2 基于v g 图形系统的电网接线图 电力元件可以由元件单元类的几种基本图形组合而成。电力元件是图形对象 和端口对象的有序组合。图形对象是描述电力元件的图形符号；端口对象则是元 件之间的连接纽带，如两个端口靠近并重合时，则二者连接在一起，在v g 中可 以通过端口的自动吸附来实现连接，生成相应的拓扑关系。例如，在图2 1 中， 以圆点代表端口，当两个元件的端口重合时，则表示二者连接，同时自动生成相 应的拓扑关系。设途中开关s w 是连接到变压器t 的第i 个元件，且t 通过端口 p o r t l 和s w 的端口p o r t 2 相连，其拓扑关系描述为： 第二章黑启动方案的自动形成 t l i n k i l i n k u n i t = s w ； t l i n k i p o r t = t p o r t l ； t l i n k i l i n k p o r t = s w p o r t 2 ； 阳r l t l p o 啦 s w 一一卜_ _ i _ - 毋一一一 图2 1 元件之间的拓扑关系 这种方式清晰地表示了元件之间的拓扑关系。在进行图形建模，即绘制接线 图时拓扑关系就自动生成并作为连接属性存放在元件中，不必另外生成数据表或 矩阵，在此基础上，就可以方便地对系统中的所有元件实现深度优先搜索。 建立好元件的基本部件图形类和元件类之后，再扩充一些必要的属性， 就可以组合起来形成各种类型的电力元件。 电力网络虽然是一个复杂的、庞大的网络，但是，从宏观上看，它只是由发 电厂和变电站通过输电线路连接而成；对于黑启动方案，是不需要考虑厂站内具 体的开关状态等进行分析。所以，电力系统网络图就只需包含各电厂、变电站和 输电线路。由于不需要考虑厂站内具体的开关状态，所以可以用母线表示电厂和 变电站；由于要考虑路径的电压转换次数，所以变电站可能包含变压器。用v g 绘制网络图就只需考虑三种元件：母线、变压器、输电线路。 母线、变压器在已建好的电力元件库中有，输电线路可以用折线连接线表示， 为方便我们进行搜索，除原有属性外，可根据需要再扩充一些属性。主要属性如 下t 图形连接的集合l i n k s i 】( 系统自带属性) ，从该属性可以得到某个连接所在 的本元件的连接端口p o r t ，以及该连接连到的另一元件l i n k u n i t 及其端口 l i n k p o r t ： n n a m e ：元件名称，是各个元件的实际名称，如滨海电厂，葛沽等； n t y p e ：元件类型，是各个元件的实际表示类型，虽然图形的不同已经定义 了不同的元件类型，但是，例如母线既表示电厂，也表示变电站，为了更好的区 分，所以添加这个属性来表示各个元件的实际表示类型，如电厂，变电站，变压 器，输电线路； 1 2 第一章黑房动方案的自动形成 g t y p e ：机组类型，如水电机组燃气轮机机组，燃煤火电机细- n t y p e 为 电厂的元件才有这个属性，黑启动电源就是由这个属性确定的； g c a p a c i t y ：机组容量，是电厂中被启动机组的容鼍，n t y p e 为l u 厂的元件才 有这个属性： l i n e l e n g t h ：线路长度t 是输电线路的长度tn t y p e 为输电线路雕j j l f l ：爿有 这个属性。 从电力元件库提取所需的元件，通过各元件的端口进行连接，就可以形成网 绍。利用v g 图形系统，可以建立天津电网的主网架的接线圈见图2 - 2 。 - m - 图2 - 2 无律电阿主剜架的接线图 2 3 基于规则的深度优先搜索策略 本文研究的拓扑分析楚砬v g 图形平台h 采用基f 规则的深度优先的搜索 策略，把有t 吖t 连接，并 i 满足规则的黑启动路释搜索h 来。 2 3 1 搜索规则的制定 深度优先搜索策略是一种盲目的搜索，会把在拓扑关系上可行的所有黑启动 方案搜索出来这样，初始鬟启动方案会比较多给后面的方案校验带来很人的 第，一章黑启动方案的自动形成 负担，因为要对所有初始方案进行自励磁、过电压等各项技术校验。所以，可以 在搜索时制定一些相应的规则，把一些明显较差的方案去掉，搜索出相对较好的 方案，以便有利于进一步进行方案校验和方案评估。 根据黑启动方案制定原则，结合搜索策略，可以总结如下规则： 限制电压转换次数。电压转换的次数的增加直接影响黑启动初始阶段空 充线路是否会造成电压越限，还会增加电压损耗以及增加三相不同期合闸的概 率，也就是说直接关系到黑启动是否能够成功。所以，在搜索时限定电压转换次 数，对于那些经过电压转换次数太多路径的就不予选择。 搜索时优先选择不经过电压转换的路径。按深度优先搜索时，某个节点 有几个子节点，使不经过电压转换的节点得以优先扩展，即优先考虑沿不经过电 压转换的支路往下搜索。 限制路径经过厂站个数。变电站次数的增多将会增加系统恢复时刀闸和 断路器的操作次数，将会对系统造成不利的影响，如增加操作过电压产生的可能 性，延长黑启动时间等。而且，限制了厂站个数，实际上也设定了深度界限，使 深度优先搜索不会无限制地搜索下去。 如从黑启动电源到被启动电厂有两条或两条以上的路径时，选择长度最 短这条路径。 被启动机组容量不能超过允许值。若被启动机组容量超过允许值，将不 能被启动。沿黑启动路径启动时，要带上被启动电厂的厂用负荷，线路空载，线 路损耗不予考虑，所以被启动电厂的厂用负荷不能超过黑启动电源机组容量，厂 用负荷按机组容量的1 0 考虑。 以上规则可以在深度优先搜索时能比较方便地添加进去，能指导深度优先搜 索朝着希望的方向前进，这样，使得搜索出来的方案相当于经过初步筛选，有利 于进一步进行方案校验。 2 3 2 算法原理和搜索过程 1 算法原理 基于规则的深度优先搜索策略主要用于黑启动路径的搜索，从黑启动电源到 被启动电厂经过的路线就是一条黑启动路径。利用v g 图形系统所建立的电力系 统网络图的元件之间的连接关系和元件属性，从黑启动电源出发，采用深度优先 原则进行搜索出到被启动电源的所有路径。 搜索过程有关的定义说明如下： 当前节点：搜索过程中正在遍历的节点； 当前节点的子节点：由元件的拓扑连接关系，与当前节点直接相连的所 1 4 第二章黑启动方案的自动形成 有其它节点； 未遍历节点：没有遍历过的节点； 路径节点表：存放黑启动路径所经过的节点： 未遍历节点表：存放未遍历过的节点； 变压器节点：表示元件类型为变压器的节点。 搜索过程分前进和回溯两个过程，前进以深度优先原则顺序搜索，回溯则逆 向搜索。在前进过程中，需要统计已经过的厂站个数，电压转换次数( 经过变压 器个数) ，路径长度，以及需要确定沿哪条支路搜索，尽量先不往需经过电压转 换( 即经过变压器) 的支路。当遇到下面几种情况时，就开