电力系统全停电后的黑启动恢复方案

电力系统全停电后的黑启动恢复方案

1黑启动方案的确定与评估随着能耗需求的增加，供电系统的规模不断扩大。在提高电力系统运行的经济性和供电可靠性等方面，大规模电力系统具有极大的优势。与此同时，由于系统联系的增强，局部系统的故障可能由于处理不当或保护及自动装置的不正确动作而酿成大面积的停电事故，甚至整个电力系统崩溃瓦解，给国民经济带来巨大的损失。自1965年的纽约大停电以来，在世界范围内发生了多起受到广泛关注的大停电事故[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。各国的电力工作者及相关研究人员开始从更深的层次上分析和应对电力系统的安全问题。电力系统已采用的新设备和新技术固然对系统的安全稳定运行提供了有力的保障，但无法从根本上避免大停电事故的发生。一旦发生紧急停电事故，必须尽快采取措施以最快的速度恢复系统的正常供电，使故障停电的损失降到最低。作为电力系统安全防御措施之一，研究电力系统事故后“黑启动”问题具有重要意义。自20世纪80年代起，国外学者已开始对电力系统黑启动问题进行研究。文献指出黑启动是整个系统因故障停电后，不依赖别的系统帮助，通过系统中具有自启动能力机组的启动带动无自启动能力的机组，逐渐扩大系统供电范围，最终实现整个系统恢复的过程。在其后的研究中，黑启动过程中需要解决的主要问题被辨明，并结合具体系统进行了黑启动试验和建模仿真。近年来，黑启动问题逐渐引起国内电力系统的重视，并开始进行这方面的研究。华北电力调度局以十三陵水电站作为启动电源进行了局部系统的黑启动工业试验研究，华东电网、陕西电网等区域和省级电网通过仿真研究制定了具体的黑启动方案。综观国内外的研究情况，这种人工制定黑启动方案，并借助相关的电力系统分析软件对其进行分析校验，以确定可行性的方式较为普遍。但由于制定的方案数量有限，在运行方式频繁变化的系统中，真正符合系统状态的可用方案较少。因此，引入专家系统优化启动方案，利用决策支持技术帮助调度人员制定科学的恢复计划一直是该领域的研究热点29-31]。文献基于分层案例推理思想开发的黑启动决策支持系统通过问题分解、分层案例推理和子案例复用提高了系统的应变能力，但对案例进行整合生成最优方案时，其评价指标并未涉及方案的技术可行性。文献结合专家系统中的网络拓扑分析技术自动生成一组黑启动方案，对技术校验合格的方案，利用层次分析法构造判断矩阵并进行评估排序。该方法在对方案的量化评估方面进行了有益的尝试，但由于判断矩阵的构造完全依据决策者的主观判断，所以当决策者的主观倾向发生变化或决策主体改变时，很可能出现截然不同的方案排序结果，客观性较差。针对现有关于黑启动方案评估存在的问题，本文通过对黑启动过程中各种因素的综合分析，将技术校验结果作为评价指标之一纳入了方案的评估过程。在此基础上，提出了基于数据包络分析模型的电力系统黑启动方案相对有效性的评估方法。该方法与其它需要决策者事先为评价指标赋以权重的方法不同，完全依据统计得出的实际输入、输出数据对黑启动方案的相对有效性做出评价，能够更加全面、客观地衡量各方案的优劣。某实际电网的应用实例证明了该方法的有效性。2黑启动计划的一般原则2.1电力系统运行相关事项黑启动方案的制定是一项复杂的系统工程，它几乎涉及了电力系统运行中的所有方面。下面分别从黑启动电源的确定，被启动机组的选择和恢复路径的选择等方面对制定黑启动方案的一般原则加以分析。2.2黑启动电源黑启动首先遇到的问题是黑启动电源的确定，可从3个方面考虑：(1）黑启动电源是本身具有黑启动能力的机组。在系统全停的条件下，电厂内部的厂用电几乎全部失去，因此对厂用电要求较高的火力发电机组通常不具备自启动能力，而水轮机和燃气轮机组的启动对厂用电要求很低，有时甚至不需要厂用电，因此，黑启动电源通常选在此类电厂。按照国内外已有黑启动的经验，大容量抽水蓄能电厂中的水轮机是非常理想的黑启动电源。(2）黑启动电源为事故后残存的机组或孤岛，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。(3）黑启动电源为相邻系统的支援。由于后两类电源和系统事故后的状态有关，很难事先确定，所以在制定黑启动方案时通常只考虑第一类电源。2.3常规机组启动条件选择被启动机组的基本原则是在启动容量允许的前提下，选取能够尽快启动的大容量机组。从国内外一些实际恢复案例中可以看出:被启动机组，特别是火电机组的运行限制是必须考虑的重要因素；较为关键的运行限制是机组的临界最大时间间隔和临界最小时间间隔；具有临界最大时间间隔的机组若在该时间段内不启动，只有延时数小时后才能启动，而具有临界最小时间间隔的机组只有在该时间段后才能启动。针对黑启动阶段应尽快恢复供电的需要，具有临界最小时间间隔的机组不应作为候选的被启动机组。为了加快恢复速度，合理运用火电机组的启动方式也很重要。当今在大型汽轮发电机组中广泛采用的滑参数启动允许汽轮机和锅炉在较低蒸汽参数下同时启动，速度快，经济性好。故障停机后，随着汽缸的自然冷却，具有不同缸温的机组，其启动所需要的时间将有显著不同。若能抓住时机，在黑启动阶段促成热态滑参数启动，由于不需要反复的暖机过程，将显著缩短启动时间。2.4恢复路径系统可能会产生冲击性在明确了启动电源和被启动机组后，还应根据系统的结构特点，进一步选择合理的供电路径，形成相对独立的子系统。应考虑的主要因素包括：(1）恢复路径的长度要尽量短。黑启动阶段的输电线路运行在空载或轻载状态，充电过程中的电容效应将会引起操作过电压、工频过电压、发电机组的自励磁等，在电压等级较高的长线路上这种情况尤为突出。(2）恢复路径中电压转换的次数要少。电压转换次数的增加将会增加三相不同期合闸和变压器发生铁磁谐振的概率，直接关系到黑启动是否成功。(3）在启动容量允许的情况下，恢复路径应辐射到系统中的骨干机组和重要性等级较高的负荷。(4）恢复路径的启动时间要尽量短。为了缩短该时间，恢复过程中所经的变电站数目和投运线路时所操作的一次设备次数应尽量减少。(5）由某条恢复路径联系而成的孤立系统承受冲击性负荷的能力很有限，所以在向被启动机组恢复厂用电供电时，必须控制每次投入的负荷容量，以保证系统的频率和电压质量。同时，由于系统联系弱、阻尼小，水火电机组调节系统性能差异大，还应校验是否出现低频振荡等妨碍稳定并列运行的现象。3数据包络分析模型和黑启动方案的相对有效性的评估3.1dea模型选取数据包络分析方法（DataEnvelopmentAnalysis,DEA）是美国运筹学家Charnes等人以相对效率概念为基础发展起来的一种效率评价方法，它依赖于投入指标与产出指标数据，对具有相同类型的部门或单位间的相对有效性进行评定、排序，从而为决策者提供重要的决策信息。设有n个部门或单位（或称决策单元DecisionMakingUnit,DMU,简记为Du），每个部门都有m种类型的“输入”，其指标集为I={1,2,…,m}，用来表示该部门对资源的耗费；有s种类型的“输出”，其指标集为R={1,2,…,s}，表示该部门消耗了“资源”之后所产生的“成效”。如表1所示。表中xij为第j个决策单元对第i种类型输入的投入总量；yrj为第j个决策单元对第r种类型输出的产出总量。针对某一决策单元，为了表征不同类型输入的单位成本费用或不同类型输出的单位产出效益，引入输入权系数\出权系数则每个决策单元的效率指数可定义为通过适当地选取输入、输出权系数，可满足hj≤1,j=1,2,(43),n。当对第k(1≤k≤n)个决策单元进行效率评价时，以权系数v和u为变量，以第k个决策单元的效率指数为目标，以所有决策单元（包括第k个决策单元）的效率指数满j=1,2,(43),n为约束，可构成最优化模型如下：式中xj=(x1j,x2j,(43),xmj)T,j=1,2,(43),n;式(2)是一个分式规划问题。当令则式(2)被化为一个等价的线性规划问题，如下式(3)就是通过DEA对决策单元进行相对有效性分析时所采用的C2R模型。当效率指数Vk=1时，第k个决策单元相对于其它所有决策单元为有效，这意味着没有其它任何决策单元或决策单元的线性组合能使用更少投入生产等量的产出，或使用等量投入生产更多产出。3.2相对有效黑启动方案数据包络分析的模型3.2.1启动方案指标分类通过对DEA中C2R模型的介绍可以看出，DEA方法的优势在于有关决策单元是否有效的判断完全依赖实际的投入和产出数据，更加客观，而能否充分发挥这种优势有赖于针对具体问题合理地选择输入和输出指标集。在建立黑启动方案相对有效性评估的DEA模型时，依据制订黑启动方案的一般原则，提炼出相关指标，并结合DEA中效率指数的优化目标（即最小化输入指标，最大化输出指标），将它们进行分类，如表2所示。表2中，被启动电源优先级是先以被启动电源所带负荷的重要性分级，在相同等级下，分别取各电源到重要负荷的距离作为该指标值。启动时间包含形成恢复路径时网络的倒闸操作时间和被启动机组的启动时间。由于被启动机组已根据其启动方式和相应时间约束限制进行分类，所以仅以断路器等元件的总操作次数作为该指标值。技术校验优劣程度是以单项技术校验结果归一化再求和来计算的。单项技术校验包括发电机自励磁，线路空载合闸过电压，黑启动阶段电压和频率稳定性，小系统低频振荡等数值仿真分析计算。单项技术校验结果归一化是指针对某一项技术校验而言，通过分析计算获得所有初始校验结果后，按照相应标准找出一最优值并以此为基准，进一步求取每一初始校验结果的相对值。3.2.2不为2个方案所作的比对若将黑启动方案视为决策单元，统计出每个方案的各项输入、输出指标值，利用C2R模型即可求出各方案的效率指数。若第k个方案的效率指数为1，则该方案有效，这意味着在参与评估的方案中，没有其它方案能够通过改进操作获得比第k个方案更好的黑启动效果。若多个方案同时有效说明，相对所有其它方案而言，具体操作不同的这些方案黑启动效果是同样理想的。效率指数不为1的方案被视为无效方案，无效方案还可根据效率指数大小确定优劣次序，效率指数较大者为较好方案。需要特别指出：无效方案并非不可用方案，只是这些方案的恢复操作获得的黑启动效果相对较差。4方案校验和评估基于数据包络分析模型的电力系统黑启动方案相对有效性评估包括方案生成，方案校验和方案相对有效性评估3个主要部分。方案生成由初始化和方案搜索2个步骤组成。初始化是为了保证生成的黑启动方案能够更好地反映实际系统的状态，由调度运行人员进行的必要设置。主要内容包括：1）指定1个或多个黑启动电源；2）选择线路、变压器和被启动机组等设备的可用状态，并给出被启动机组的优先级；3）依据实际情况给出负荷重要性等级；4）限定搜索深度，通常每个恢复方案中黑启动电源（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应超过3个；5）初始化初始方案表、方案表及有效方案表。初始化完成后，通过方案搜索生成在拓扑关系上可行的黑启动方案并将其存在初始方案表中。其中，网络层的搜索以初始化中设定的搜索深度为限制条件。为了确定在拓扑关系和技术上同样可行的方案，需要对搜索得到的初始方案进行技术校验，校验内容如第3.2.1节所述。校验合格的方案存在方案表中，并依据表3所示指标进一步统计各单项技术校验结果。需要指出的是，基于单项技术校验结果形成的技术校验优劣程度（表2中的指标F）在后续的方案有效性评估中是作为输出指标使用的，为了便于评估模型的建立，本文对相关校验项目的统计标准进行了处理。以发电机自励磁为例，经理论推导并在黑启动试验中广泛使用的工程判据是xc≥k(xd+xT)，其中，xc代表恢复路径的等值容抗，xd和Tx分别表示黑启动机组的同步电抗及对应变压器的漏抗。考虑到发电机、线路等系统元件参数的误差，裕度指标k通常取1.2即能保证发电机运行点脱离自励磁区域，k值愈大，说明发电机不发生自励磁的可靠程度愈高，相应方案的技术可行性愈强。表3中采用工程判据的变形形式（即裕度指标k）作为统计标准，是为了与DEA中C2R模型最大化输出的优化目标相吻合。线路空载合闸过电压等项目的统计标准中采用相关指标求倒数的处理也是基于这样的考虑。经过方案校验后，存在方案表中的方案均为可用方案。为了找出黑启动效果较为理想的部分方案，需要进一步进行方案有效性评估：先统计出所有方案的各项输入、输出指标值，其中，技术校验优劣程度一项为表3中各单项技术校验指标值的加权和；再针对每个方案建立如式(3)所示的C2R模型，以求解线性规划问题，若某方案的目标值（即效率指数）为1，则该方案有效，将其存在有效方案表中，作为首选方案推荐给调度运行人员。5方案校验和有效性评估为检验本文方法的有效性，选取河北南网进行黑启动方案相对有效性评估的试验研究。河北南网现有的水电机组容量过小且离负荷中心过远，不太适用于作为黑启动电源，故选用正在规划中的张河湾抽水蓄能电厂的1号机组作为启动电源，启动容量设为200MW，并假设通过1回220kV线路与许营变电站相连。通过方案生成得到13个方案，其中未发生电压变化的有3个方案，电压发生1次变化的有9个方案，电压发生2次变化的有1个方案。而后进行方案校验，共有11个方案通过校验。若将方案视为决策单元并仍记为Du，其结果如表4所示。表中某些恢复路径完全相同、但变电站中所经变压器不同的方案，如方案Du4、Du5，在进行有效性评估时将被视为同一方案。最后参与有效性评估的为方案Du1、Du2、Du3、Du4、Du6、Du8、Du11，这7个方案的输入、输出指标值依次如表