CN103036227B - 一种省级电网黑启动及大面积停电事故处理方法 - Google Patents

Abstract

一种省级电网黑启动及大面积停电事故处理方法，将省级电网的黑启动分成两个阶段，满足黑启动电源和其他约束条件的情况下生成几个子系统黑启动方案，各子系统黑启动方案间相对独立，具备同时进行恢复的可能；各子系统恢复后，对目标电网剩余未送电节点进行送电，此时电源点为系统中带电节点，送电路径进行了寻优计算，而不一定是黑启动机组。本发明以大面积停电事故快速恢复优化算法为核心，利用黑启动优化算法提出黑启动优化方案。将省级电网的黑启动分成两个阶段即子系统独立恢复阶段和互联、协作恢复阶段，使黑启动方案的制定更加系统科学。

Description

一种省级电网黑启动及大面积停电事故处理方法

技术领域

本发明一种省级电网黑启动及大面积停电事故处理方法，涉及电力系统领域。

背景技术

随着社会的发展和进步，人们对生产和生活质量要求越来越高，对电能的依赖程度越来越大，必然要求电网有较高的供电安全可靠性。从上个世纪六十年代以来，各国相继发生了多起大停电事故，给人们的社会经济活动造成了严重的影响。尽管经过几十年的发展，电力系统在安全稳定技术方面取得了很大进展，但由于影响电力系统安全稳定运行的因素极为复杂，一些偶然因素、如自然灾害；人为因素、如：误操作、战争、恐怖活动等的相互叠加总是超出了人们的预测和防范。近几年来，无论是国内还是国外，大停电事故仍时有发生。当发生电网大面积停电或电网全停电事故，系统的恢复过程将变得空前的繁琐，若没有任何黑启动措施，运行人员的束手无策将导致电网的恢复非常缓慢，这将使停电的损失和影响难以估计。若事先采取相应措施，制定适当的启动程序，可尽快恢复系统运行和大大减少停电时间。

如今电网的建设驶入了快车道，电网网络结构日新月异。如：每增加一座水/火电厂、500kV及220kV变电站或输电线路，都极大地改变了电网的运行特点；同时引起地区电网运行方式的重大调整，重要电力负荷供电方式也随之变化。由此可以看出，黑启动方案中目标网络必然有所改变，所定快速通道也将不切实际。而每次新设备投运后都由省调组织相应黑启动方案的修编，无论从时间或人力考虑都是来不及、不可能的，甚至新的方案尚未完成，更新的电网结构又已呈现。同时，黑启动过程中发电设备、输变电设备的可用情况复杂多变，加上现有的黑启动方案仅做了基本的安全稳定校核，而机组黑启动过程中自励磁判据、空载变压器励磁涌流判据，大型电动机启动冲击，负荷恢复冲击等问题校核均未涉及。如果黑启动过程中发生这样的事故或小系统躲不过冲击将导致所恢复系统再次崩溃、极大延误事故恢复。因此，一个切实可用的黑启动方案需要实时滚动修编，并能够根据当时的设备可用状态和运行环境进行在线调整，实现多电源全面启动、并能重新搜索可用通道向重要负荷供电。如：电网事故处理指挥机构、党政机关、电铁及其他一些基础市政设施等，帮助调度员正确判断和及时处理故障，保证社会稳定。

发明内容

本发明提供一种省级电网黑启动及大面积停电事故处理方法，以大面积停电事故快速恢复优化算法为核心，利用黑启动优化算法提出黑启动优化方案。将省级电网的黑启动分成两个阶段即子系统独立恢复阶段和互联、协作恢复阶段。启动电源的选择按照综合技术指标最优原则，允许调度人员自行选择各项指标权重，灵活实现多项目标优化。采用基于最短路算法的黑启动路径寻优算法，找出黑启动电源与被启动机组、重要负荷间最佳路径，用于大系统实时寻优。结合安全稳定校核算法，将黑启动稳定极限转换成物理量判据表示并制定出对应的限值指标以及实现在线匹配。

本发明的上述目的是通过这样的技术方案来实现的：一种省级电网黑启动及大面积停电事故处理方法，将省级电网的黑启动分成两个阶段，第一个阶段：满足黑启动电源和其他约束条件的情况下生成几个子系统黑启动方案，各子系统黑启动方案间相对独立，具备同时进行恢复的可能；第二个阶段：各子系统恢复后，对目标电网剩余未送电节点进行送电，此时电源点为系统中带电节点，送电路径进行了寻优计算，而不一定是黑启动机组。所述黑启动方案包括：

黑启动电源的选择：启动电源的选择按照综合技术指标最优原则，允许调度人员自行选择各项指标权重，离线制定方案时，可以将水电厂、500kV变电站、邻近电网的并列点设为黑启动电源，分别制定黑启动方案；

被启动电源的选择：考虑机组容量、启动特性、备用状态、离黑启动机组远近等因素，按恢复期间发电容量最大为主要目标，选取合适机组；

启动路径的选择：采用基于最短路算法的黑启动路径寻优算法，找出黑启动电源与被启动机组、重要负荷间最佳路径。

安全性校验：离线计算各限值，在线校核；

方案在线调整功能：将黑启动稳定极限转换成物理量判据表示，制定出对应的限值指标，在线制定黑启动方案时，在线匹配，调度人员还可自行设定黑启动电源、系统各元件状态、运行本程序及时生成新的黑启动方案。

所述黑启动方案c中，最短路算法如下：对于无向网络N=(V，A，W)，其中弧(i，j)∈A对应的权w_ij有称为弧长或费用，u_j为距离标号，记录的是从起点1到该顶点的最短路长度上界；pred(j)是前趋标号，记录的是当起点1到该顶点j的一条路长取到该上界u_j时，该条路中顶点j前面的那个节点。当迭代结束时，从pred数组记录的中间信息可以确定最短路，

$u_1^{\left(1\right)}=0$

$u_j^{\left(1\right)}=w_{1j},j\≠1$

$u_j^{(k+1)}=\min \{u_j^{\left(k\right)},\underset{j\≠i}{\min }(u_i^{\left(k\right)}+w_{\mathrm{ij}})\}$

其中：1≤k≤n-2，1≤j，i≤n

通过迭代求解上面的方程，是第k次迭代得到的顶点j的临时标号，最后得到的即为从起点1到顶点j的最短路路长。

本发明一种省级电网黑启动及大面积停电事故处理方法，可以适应电网结构变化的情况，补充必要的电网参数和运行数据后，可以生成新黑启动方案。并能够根据当时的设备可用状态和运行环境进行在线调整，同时也可实现多电源全面启动、并能重新搜索可用通道向重要负荷供电，其优化程序帮助调度人员选择优化的黑启动方案，优化目标函数也可以通过设定技术指标权重的方式来控制，使黑启动方案的制定更加系统科学。

具体实施方式

本发明一种省级电网黑启动及大面积停电事故处理方法，包括以下内容：将省级电网的黑启动分成两个阶段：

第一个阶段：满足黑启动电源和其他约束条件的情况下生成几个子系统黑启动方案，各方案间相对独立，因此具备齐头并进，同时进行恢复的可能；

第二个阶段：各子系统恢复后，对目标电网剩余未送电节点进行送电，此时电源点为系统中带电节点，送电路径进行了寻优计算，而不一定是黑启动机组。

所述黑启动方案制定包括以下几个内容：

a.黑启动电源的选择：启动电源的选择按照综合技术指标最优原则，允许调度人员自行选择各项指标权重，可灵活实现多项目标优化。离线制定方案时，可以将水电厂、500kV变电站、邻近电网的并列点设为黑启动电源，分别制定黑启动方案。

b.被启动电源的选择：考虑机组容量、启动特性、备用状态、离黑启动机组远近等因素，按恢复期间发电容量最大为主要目标，选取合适机组。

c.启动路径的选择:采用基于最短路算法的黑启动路径寻优算法，找出黑启动电源与被启动机组、重要负荷间最佳路径。开关操作次数少、空冲变压器容量小、线路路径短等。最短路算法用迭代方程表示如下：

对于无向网络N=(V，A，W)，其中弧(i，j)∈A对应的权w_ij有称为弧长或费用。u_j为距离标号，记录的是从起点1到该顶点的最短路长度上界；pred(j)是前趋标号，记录的是当起点1到该顶点j的一条路长取到该上界u_j时，该条路中顶点j前面的那个节点。当迭代结束时，从pred数组记录的中间信息可以确定最短路。

$u_1^{\left(1\right)}=0$

$u_j^{\left(1\right)}=w_{1j},j\≠1$

$u_j^{(k+1)}=\min \{u_j^{\left(k\right)},\underset{j\≠i}{\min }(u_i^{\left(k\right)}+w_{\mathrm{ij}})\}$

其中：1≤k≤n-2，1≤j，i≤n通过迭代求解上面的方程，是第k次迭代得到的顶点j的临时标号，最后得到的即为从起点1到顶点j的最短路路长。

假如在第一阶段，需要依次向V_n1，V_n2…V_ng共g个点送电，V_e0为最初的电源点，则可以V_n1为起点，调用一次Bellman－Ford算法，找出V_e0与V_n1之间的最短路，并把这条路上能向其它节点送电的点归到集合V_E中去，V_E表示有电且能向其它节点送电的点集合。下一步以V_n2为起点，调用一次Bellman－Ford算法，找出V_n2与V_E集合中点之间的最短路，并在这些最短路中选出路长最短的一条作为向V_n2送电的路径，依次可得V_n1，V_n2…V_ng的送电路径。Bellman－Ford算法的计算复杂度为O(mn)^[4]，其中m、n分别为边和顶点的个数，因此第一阶段寻优算法总的计算复杂度为O(mng)≤O(mn²)。

d.安全性校验：离线计算各限值，如：允许空冲的最大变压器容量，空载线路长度、电动机容量等，在线校核。

e.方案在线调整功能：将黑启动稳定极限转换成物理量判据表示，制定出对应的限值指标，在线制定黑启动方案时，在线匹配。调度人员还可自行设定黑启动电源，如：事故后成功解列的火电机组，系统各元件状态，当原定启动路径中有线路或变压器损坏无法运行时，可设为退出，运行本程序及时生成新的黑启动方案。

实施例：

对湖南东江机组经长距离高压线路对耒阳厂的黑启动方案的黑启动过程做详细仿真计算和分析，其计算报告如下：

1）、自励磁校验：机组的自励磁问题是一种谐振现象。当输电线的长度增加时，线路的容抗XC变小，如果XC<Xd时，即使发电机的励磁电流为零，由剩磁激发的发电机的机端电压也会逐渐增大而稳定在某一定值，所建立的电压的大小与线路长度和发电机参数有关。当发电机参数一定时，线路越长，电压越高，甚至达到非常大的电压，从而危及系统的正常运行和设备安全。发电机的自励磁现象可以用工程判据来进行校验：当发电机经升压变带空载线路时，计及变压器的漏抗XT，若XC>Xd+XT，则不发生自励磁，反之，发生自励磁现象。本方案中，东江机组经长距离高压线路对耒阳厂220kV母线进行空充：

Xd+XT=0.5947+0.0853=0.68（标幺值），

Bc＝2*（0.018682＋0.056+0.004446）=0.158

XC=6.32（标幺值），

XC>>Xd+XT，所以不会发生自励磁。

2）、工频过电压校验：该方案的送电路径全长117km，线路为220kVLGJ－400导线，线路充电功率较小，经过塘溪、龙塘变电站，可一次空冲至耒阳220kV母线，以减小充电操作步骤。

2-1）、东江125MW机组经塘溪、龙塘变空冲至耒阳220kV母线。计算条件：东江125MW机组出口电压设为1pu，机组带10％的厂用及当地负荷。

母线名	电压幅值	电压相角	有功发电	无功发电
					东江机组出口母线	1	0	0.12514	-0.10117
东江220	1.01375	-0.0007	0	0
					耒阳220	1.02141	-0.0842	0	0
龙塘220	1.02139	-0.084	0	0
					塘溪220	1.01694	-0.0356	0	0

东江125MW机组吸收0.1pu无功，在允许范围内。各母线电压均在允许范围内。

2-2）、带耒阳厂用负荷：

a)、计算条件：东江机组出口电压1pu，带上耒阳300MW机组厂用负荷，设为8％机组容量。

厂用变6.3kV母线电压偏低0.9pu，可调节分接头位置，或提高东江机组出口电压。

b)、计算条件：东江机组出口电压1.05pu，带上耒阳300MW机组厂用负荷，设为8％机组容量。

母线名	电压幅值	电压相角	有功发电	无功发电	cos θg	有功负荷	无功负荷
								东江机组出口母线	1.05	0	0.36604	0.03579	0.99525	0	0
东江220	1.05215	-1.0664	0	0	0	0	0
								耒阳220	1.04286	-2.2029	0	0	0	0	0
耒阳厂用母线I	0.95414	-5.8537	0	0	0	0.12	0.06
								耒阳厂用母线II	0.95414	-5.8537	0	0	0	0.12	0.06
龙塘220	1.04379	-2.1428	0	0	0	0	0
								塘溪220	1.05134	-1.3482	0	0	0	0	0

当东江机组出口提高至1.05pu时，耒阳厂用变母线电压提高至0.95pu。

3）、耒阳300MW机组并列运行：计算条件：耒阳300MW机组成功并列，并带上40％最小负荷运行。

母线名

电压幅值

电压相角

有功发电

无功发电

cosθg

有功负荷

无功负荷

东江机组出口母线	1.05	0	0.47092	0.41653	0.74904	0	0
								耒阳厂用母线I	0.94867	-6.3134	0	0	0	0.12	0.06
耒阳厂用母线II	0.94867	-6.3134	0	0	0	0.12	0.06
								东江220	1.02142	-1.5766	0	0	0	0	0
耒阳220	0.98204	-2.6512	0	0	0	0	0
								耒阳机组出口母线	1	0.0733	1.2	0.49017	0.92575	0	0
龙塘220	0.97948	-2.9386	0	0	0	1.3	0.75
								塘溪220	1.01214	-1.9209	0	0	0	0	0

耒阳300MW机组并列后，提供了电压支撑，各节点电压满足要求。

4）、耒阳210MW机组并列运行：计算条件：耒阳210MW机组成功并列，并带上40％最小负荷运行。

母线名	电压幅值	电压相角	有功发电	无功发电	cosθg	有功负荷	无功负荷
								东江机组出口母线	1.05	0	0.87729	0.42242	0.90099	0	0
耒阳厂用母线I	0.94672	-10.4244	0	0	0	0.12	0.06
								耒阳厂用母线II	0.94672	-10.4244	0	0	0	0.12	0.06
东江220	1.02239	-3.427	0	0	0	0	0
								耒阳01	1	-4.9281	0.8	0.52255	0.83722	0	0
耒阳220	0.98017	-6.7476	0	0	0	0	0
								龙塘220	0.97767	-6.9046	0	0	0	1.3	0.75
塘溪220	1.01212	-4.2826	0	0	0	0	0

耒阳210MW机组并列后，提供了电压支撑，各节点电压满足要求。按黑启动操作顺序，计算了系统工频过电压情况，从上面的计算报告看出：

1）中所述电压均在可接受范围内，未发生严重过电压和低电压情况。

2）中所述耒阳共有2台300MW机组和2台210MW机组，因两类机组容量、升压变参数相差不大，且均接入220kV母线，无论是启动那台机组，对各节点电压影响不大。为控制线路末端电压过高，建议东江机组出口电压设为1pu，在空冲成功耒阳220kV成功后，因耒阳机组厂用负荷较大，建议带负荷前，将柘溪机组出口电压调整为1.05pu，以提高耒阳厂用母线电压。

Claims (1)

1.一种省级电网黑启动及大面积停电事故处理方法，其特征在于，将省级电网的黑启动分成两个阶段：

第一个阶段：满足黑启动电源和电网安全约束条件时，生成几个子系统黑启动方案，各子系统黑启动方案间相对独立，具备同时进行恢复的可能；

第二个阶段：各子系统恢复后，对目标电网剩余未送电节点进行送电，此时电源点为系统中带电节点，送电路径进行了寻优计算，而不一定是黑启动机组；

所述黑启动方案包括：

a.黑启动电源的选择：启动电源的选择按照综合技术指标最优原则，允许调度人员自行选择各项指标权重，离线制定方案时，将水电厂、500kV变电站、邻近电网的并列点设为黑启动电源，分别制定黑启动方案；

b.被启动电源的选择：考虑机组容量、启动特性、备用状态、离黑启动机组远近因素，按恢复期间发电容量最大为主要目标，选取合适机组；

c.启动路径的选择：采用基于最短路算法的黑启动路径寻优算法，找出黑启动电源与被启动机组、重要负荷间最佳路径；

d.安全性校验：离线计算各限值，在线校核；

e.方案在线调整功能：将黑启动稳定极限转换成物理量判据表示，制定出对应的限值指标，在线制定黑启动方案时，在线匹配，调度人员自行设定黑启动电源、系统各元件状态、运行本程序及时生成新的黑启动方案；

所述黑启动方案c中，最短路算法如下：对于无向网络N＝(V,A,W)，其中弧(i,j)∈A对应的权w_ij称为弧长或费用，u_j为距离标号，记录的是从起点1到顶点的最短路长度上界；pred(j)是前趋标号，记录的是当起点1到该顶点j的一条路长取到上界u_j时，该条路中顶点j前面的那个节点，当迭代结束时，从pred数组记录的中间信息可以确定最短路，

$u_1^{\left(1\right)}=0$

$u_j^{\left(1\right)}=w_{1j},j\&NotEqual;1$

$u_j^{(k+1)}=min\{u_j^{\left(k\right)},\underset{j\&NotEqual;i}{min}(u_i^{\left(k\right)}+w_{ij})\}$

其中：1≤k≤n-2,1≤j,i≤n；

通过迭代求解上面的方程，是第k次迭代得到的顶点j的临时标号，最后得到的即为从起点1到顶点j的最短路路长；

假如在第一阶段，需要依次向V_n1,V_n2ΛV_ng共g个点送电，V_e0为最初的电源点，则V_n1为起点，调用一次Bellman－Ford算法，找出V_e0与V_n1之间的最短路，并把这条路上能向其它节点送电的点归到集合V_E中去，V_E表示有电且能向其它节点送电的点集合，下一步以V_n2为起点，调用一次Bellman－Ford算法，找出V_n2与V_E集合中点之间的最短路，并在这些最短路中选出路长最短的一条作为向V_n2送电的路径，依次可得V_n1,V_n2ΛV_ng的送电路径，Bellman－Ford算法的计算复杂度为O(mn)^[4]，其中m、n分别为边和顶点的个数，因此第一阶段寻优算法总的计算复杂度为O(mng)≤O(mn²)；

该停电事故处理方法能适应电网结构变化的情况，补充必要的电网参数和运行数据后，生成新黑启动方案；并能够根据当时的设备可用状态和运行环境进行在线调整，同时也可实现多电源全面启动、并能重新搜索可用通道向重要负荷供电，其优化程序帮助调度人员选择优化的黑启动方案，优化目标函数通过设定技术指标权重的方式来控制。