CN107910887B - 一种考虑高压直流输电系统参与的黑启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电力系统运行和控制技术领域的一种考虑高压直流输电系统参与的黑启动方法。所述方法通过建立网络连接模型计算各支路权值与最短加权路径，通过判断直流有效惯性常数和换流母线处的短路容量是否满足直流系统启动条件以简化启动过程；建立启动优先级指标以及黑启动恢复优化模型计算最优潮流值，根据计算结果是否收敛判定启动方式，最后更新该电力网络的数据参数，重复上述过程直至电力网络中所有待启动发电机均启动成功。该方法充分考虑启动高压直流输电系统对当前电力网络的影响因素，以较为简便的方式快速判断是否可以启动高压直流输电系统，在保证电力系统稳定的情况下，加快了电力网络的黑启动过程。

Description

一种考虑高压直流输电系统参与的黑启动方法

技术领域

本发明属于电力系统运行和控制技术领域，尤其涉及一种考虑高压直流输电系统参与的黑启动方法。

背景技术

电力系统是公认的最复杂的人造系统，作为一个网络结构，局部故障诱发的连锁反应会导致大面积停电，甚至导致整个电网崩溃，造成巨大的经济损失。当大型事故发生导致电网全黑时，故障后的迅速恢复，是现代电力系统运行和规划面临的重大问题，实现电网自我恢复是保证网络复杂性和安全性兼得的必然选择。目前，电网的自愈能力被公认为是未来智能电网的核心特征，大量智能电网的功能都是建立在实现自愈的基础之上。实现电网自愈，将极大地提高电力系统的可靠性和安全性，满足用户的需求。我国大部分电网已经形成多回超高压交直流大通道，输电能力和实际送电规模可以超过千兆瓦，这些电网属于复杂的交直流混合电网。随着电网复杂程度的提高以及负荷的不断加重，电网稳定运行的裕度减小。同时，由于网内存在交直流系统安全性问题，局部地区电压调控困难，一旦发生多重复杂故障、重要线路安全自动装置拒动和误动等严重故障，大面积停电事故发生的可能性依然存在。减小故障损失在很大程度上依赖于系统的恢复速度，但目前传统电网自愈方案均利用水电和小型燃油机组提供启动电源，小型燃油机组容量有限，而水电机组受地域性影响大，难以按照最合理的方式布置。鉴于直流输电具有输送功率大、启动速度快、调节响应好、可控性强等优点，将直流输电系统应用于黑启动对提高电网内部自愈恢复速度具有积极作用，有助于电网在更短的时间内恢复供电。目前对黑启动阶段启动高压直流输电系统的解锁模式、启动条件和控制方法有所研究，但是对高压直流输电系统启动的时间、启动条件的判断及其在电网中的位置对系统恢复的影响尚缺少定性及定量评估的方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种考虑高压直流输电系统加入的黑启动方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：读入待启动电力网络中母线、线路、变压器、高抗、发电机、重要负荷和直流落点的数据参数，建立网络连接模型；

步骤2：考虑支路的充电功率、高压电抗器容量和支路的启动时间，计算步骤1建立的网络连接模型中各个支路权值；

步骤3：采用迪杰斯特拉算法计算网络连接模型中各节点间的最短加权路径，搜索电力网络，得到所有高压直流输电系统直流落点和待启动发电机的最优启动路径；

步骤4：判断直流有效惯性常数是否满足高压直流输电系统的启动条件，对所有高压直流输电系统是否可以启动进行初步判断，若满足启动条件，记录所有满足该启动条件的高压直流输电系统，若没有满足该启动条件的高压直流输电系统，则按照常规发电机启动方法启动发电机；

步骤5：判断换流母线处的短路容量是否满足高压直流输电系统的启动条件，对所有高压直流输电系统是否可以启动进行终极判断，若满足启动条件，记录所有满足该启动条件的高压直流输电系统，若没有满足该启动条件的高压直流输电系统，则按照常规发电机启动方法启动发电机；

步骤6：综合考虑启动高压直流输电系统路径和影响交流系统稳定性因素，建立高压直流输电系统的启动优先级指标；

步骤7：建立黑启动恢复优化模型，采用原对偶内点算法对模型求解得到最优潮流值，若得到的最优潮流值收敛，则启动该高压直流输电系统；否则，选择下一个符合启动条件的高压直流输电系统重复该步骤；若所有高压直流输电系统的最优潮流值均不收敛，则按照常规发电机启动方法进行启动；

步骤8：将启动后的高压直流输电系统设置为已启动直流系统组，并更新该电力网络中母线、线路、变压器、高抗、发电机、重要负荷和直流落点的数据参数，重复步骤3-8，至电力网络中所有待启动发电机均启动成功。

所述步骤4中，判断高压直流输电系统的直流有效惯性常数是否满足启动条件的判定公式为：

其中，

式中，H_dcmin为直流系统有效惯性常数的最小值，取为70s；S_G为弱交流系统总容量；P_d为直流系统当前输送有功功率；H_Σ为各发电机惯性时间常数归算到统一基准功率S_B下的惯性时间常数之和；H_i为第i台发电机的惯性时间常数；S_Ni为第i台发电机容量。

所述步骤5中，判断换流母线处的短路容量是否满足高压直流输电系统启动条件的方法为：

确定各个直流落点的启动路径，通过判定公式判断启动后电力网络稳定运行时母线处的短路容量是否满足电力系统稳定运行的要求，进而来判断高压直流输电系统是否满足启动条件；其中，判定公式为：

式中，S_ac为换流母线处短路容量；U为直流系统启动前换流母线电压；ΔU为电压升高幅值，取0.1p.u.；Q_f为投入一组最小滤波器的容量；Q_d为直流系统启动时所消耗的无功功率。

所述步骤6中，在建立高压直流输电系统的启动优先级指标之前，需要对所有满足启动条件的直流系统进行最优排序，以快速恢复当前电力网络，同时保证高压直流输电系统的稳定性。

所述步骤6建立高压直流输电系统的启动优先级指标的方法为：首先通过计算短路容量的倒数得到高压直流输电系统的启动性能值，然后分别将待启动直流系统落点对应的最短路径加权值和高压直流输电系统的启动性能值线性归一化，得到高压直流输电系统的启动优先级指标，指标越小，表明启动优先级越高。

所述步骤7中，以每次启动一个发电机或一个直流系统时，所需爬坡时间最长的已带电发电机的爬坡时间最小为优化目标，将直流落点等效成一个负的有功负荷，需要满足系统运行的约束条件，建立黑启动恢复优化模型，所述黑启动恢复优化模型为：

目标函数：

式中，P_k为第k台发电机待求有功功率，P₀ ^k为第k台发电机当前有功功率，t_k为第k台发电机所需的调节时间，r_pk为第k台发电机爬坡率，m为发电机总数，f(x)为发电机的爬坡时间；

等式约束条件：

式中，i为节点编号；e和f分别为节点电压的实部和虚部；P_G和Q_G分别为发电机有功出力和无功出力；P_d为直流有功出力；P_D和Q_D分别为有功负荷和无功负荷；U_d为直流电压；

不等式约束条件为：

式中，U_imax、U_imin分别为节点i电压幅值的上下限；P_Gimax、P_Gimin分别为节点i发电机有功出力的上下限；Q_Gimax、Q_Gimin分别为节点i发电机无功出力的上下限；P_dimax、P_dimin分别为节点i直流有功出力的上下限；Q_Dimax、Q_Dimin分别为节点i直流无功出力的上下限；P_Dimax、P_Dimin分别为节点i以有功为主导的可调度负荷的有功功率上下限。

本发明的有益效果在于：

与传统方法相比，本发明在加入直流系统后，加快了电网黑启动速度，提高了电网的自愈恢复能力。本发明充分考虑了高压直流输电系统启动时对交流系统的影响，确定启动高压直流输电系统的最佳时间点，得到当前状态下最合理的恢复方案。并在高压直流输电系统启动过程中，综合考虑直流输电对系统恢复和稳定性的影响，合理对高压直流输电系统的启动进行排序，在保证电力系统稳定的情况下，加快了电力网络的黑启动过程，优化黑启动方案，为运行规划人员的决策分析提供一种优质方案。本发明充分考虑了高压直流输电系统对电网实际运行情况的影响，以及直流系统启动后对电网稳定性的冲击，已较为保守的方式启动直流系统，能够避免在启动过程中出现系统再崩溃的现象。

附图说明

附图1为考虑高压直流输电系统加入的黑启动方法流程图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

附图1为考虑高压直流输电系统加入的黑启动方法流程图，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：读入待启动电力网络中母线、线路、变压器、高抗、发电机、重要负荷和直流落点的数据参数，建立网络连接模型；

步骤2：考虑支路的充电功率、高压电抗器容量和支路的启动时间，计算步骤1建立的网络连接模型中各个支路权值；

步骤3：采用迪杰斯特拉算法计算网络连接模型中各节点间的最短加权路径，搜索电力网络，得到所有高压直流输电系统直流落点和待启动发电机的最优启动路径；

步骤4：判断直流有效惯性常数是否满足高压直流输电系统的启动条件，对所有高压直流输电系统是否可以启动进行初步判断，若满足启动条件，记录所有满足该启动条件的高压直流输电系统，若没有满足该启动条件的高压直流输电系统，则按照常规发电机启动方法启动发电机；

步骤5：判断换流母线处的短路容量是否满足高压直流输电系统的启动条件，对所有高压直流输电系统是否可以启动进行终极判断，若满足启动条件，记录所有满足该启动条件的高压直流输电系统，若没有满足该启动条件的高压直流输电系统，则按照常规发电机启动方法启动发电机；

步骤6：综合考虑启动高压直流输电系统路径和影响交流系统稳定性因素，建立高压直流输电系统的启动优先级指标；

步骤7：建立黑启动恢复优化模型，采用原对偶内点算法对模型求解得到最优潮流值，若得到的最优潮流值收敛，则启动该高压直流输电系统；否则，选择下一个符合启动条件的高压直流输电系统重复该步骤；若所有高压直流输电系统的最优潮流值均不收敛，则按照常规发电机启动方法进行启动；

步骤8：将启动后的高压直流输电系统设置为已启动直流系统组，并更新该电力网络中母线、线路、变压器、高抗、发电机、重要负荷和直流落点的数据参数，重复步骤3-8，至电力网络中所有待启动发电机均启动成功。

具体的，在步骤4中，考虑高压直流输电系统有功功率对电力网络的冲击，以直流有效惯性常数为判断标准。通过计算当前电力网络中所有发电机容量之和，相比高压直流输电系统最小启动功率，转换为直流有效惯性常数。如果当前系统对应该高压直流输电系统的直流有效惯性常数满足其下限要求，就符合直流启动的条件之一。由于当前带点网络中所有发电机容量容易获取，所以首先判断高压直流输电系统的直流有效惯性常数是否满足启动条件，简化方法的复杂程度。另外，为了加快电力网络的恢复进程，在启动下一台发电机之前，先判断是否有高压直流输电系统满足启动要求。

判断高压直流输电系统的直流有效惯性常数是否满足启动条件的判定公式为：

其中，

式中，H_dcmin为直流系统有效惯性常数的最小值，取为70s；S_G为弱交流系统总容量；P_d为直流系统当前输送有功功率；H_Σ为各发电机惯性时间常数归算到统一基准功率S_B下的惯性时间常数之和；H_i为第i台发电机的惯性时间常数；S_Ni为第i台发电机容量。

具体的，在步骤5中，考虑高压直流输电系统无功功率对电力网络的冲击，以换流母线处的短路容量为判断标准，由于直流系统启动时消耗的无功功率较小，导致投入的滤波器会产生多余的无功流向交流系统。通过保证母线电压幅值不超过额定值的10％，来确定启动高压直流输电系统时换流母线处需要满足的最小短路容量。需要说明的是，确定实际启动高压直流输电系统时换流母线处的短路容量需要首先找到直流落点的启动路径。因此分别在确定各个直流落点启动路径后，将启动后带电网络稳定运行时流母线处的短路容量与要求的最小短路容量相比较，判断高压直流输电系统是否满足启动条件。

判断方法如下所述：

确定各个直流落点的启动路径，将启动后电力网络稳定运行时母线处的短路容量与最小短路容量相比较，判断高压直流输电系统是否满足启动条件；其中，判定公式为：

式中，S_ac表示换流母线处短路容量；U表示直流系统启动前换流母线电压；ΔU为电压升高幅值，取0.1p.u.；Q_f为投入一组最小滤波器的容量；Q_d表示直流系统启动时所消耗的无功功率，直流系统以10％额定电流、70％降压的方式启动，此时Q_d≈1.04P_d。

具体的，在步骤6中，为了找到能够越快恢复当前电力网络，同时能够越好的保证电力系统稳定性的高压直流输电系统，需要对所有满足启动条件的直流系统进行最优性排序。综合考虑各个待启动直流系统落点的最短加权路径加权值和高压直流输电系统对交流系统稳定性的影响因素，建立直流系统启动指标。在确定最优的直流系统加入黑启动时，由于在选择启动直流输电系统时考虑了相应直流系统落点的送电路径，从而统一了二者的优化过程。在直流系统影响电网络因素方面，利用换流母线处的短路容量指标，短路容量越大，说明当前电力网络承受无功功率冲击变化的能力越强，因此利用短路容量的倒数来反映高压直流输电系统的启动性能。再将待启动直流系统落点对应的最短路径的加权值和反应高压直流输电系统的启动性能值分别线性归一化，建立高压直流输电系统启动优先级的指标。该指标越小，说明高压直流输电系统的启动优先级越高。

定义与接入直流落点相关的权重因子d(i)，由以下公式计算：

d(i)＝a/S_ac(i)

式中，i为目标直流落点编号；a表示常数；S_ac(i)为目标直流落点i的短路容量，MW；S_ac(i)越大则直流落点接入后能够越快注入较大的、稳定的、可调的直流功率，对后续恢复过程的潜在贡献越大。

直流落点接入指标由式(5)计算：

R_D(i)＝D1(i)+d(i)

式中，D1(i)为目标直流落点i对应的最短路径的加权值；D1(i)和d(i)分别经过线性归一化。直流落点接入的指标R_D值越小，其指标越高。根据指标大小，选择对系统冲击最小，启动时间最短的直流输电系统进行启动。

具体的，在步骤7中，在确定了目标高压直流输电系统和启动路径后就要检验输电线路和变压器能否正常启动。因此，建立包含高压直流输电系统特性的黑启动阶段恢复优化模型，以每次启动一个发电机或一个直流系统时，所需爬坡时间最长的已带电发电机(比如m台)的爬坡时间最小为优化目标，将直流落点等效成一个负的有功负荷，需要满足系统运行的约束条件，计算启动的直流系统或者发电机能否实现潮流收敛。

以每次启动一个发电机或一个直流落点时，所需爬坡时间最长的已带电发电机(比如m台)的爬坡时间最小为优化目标，即：

式中，P_k为第k台发电机待求有功功率，P₀ ^k为第k台发电机当前有功功率，t_k为第k台发电机所需的调节时间，r_pk为第k台发电机爬坡率，m为发电机总数，f(x)为发电机的爬坡时间；

对于下一台发电机或下一个直流的启动问题，等式约束方程主要包括节点潮流方程约束和直流系统有功无功关系特性约束方程，即：

式中，i为节点编号；e和f分别为节点电压的实部和虚部；P_G和Q_G分别为发电机有功出力和无功出力；P_d为直流有功出力；P_D和Q_D分别为有功负荷和无功负荷；U_d为直流电压；

不等式约束条件为：

式中，U_imax、U_imin分别为节点i电压幅值的上下限；P_Gimax、P_Gimin分别为节点i发电机有功出力的上下限；Q_Gimax、Q_Gimin分别为节点i发电机无功出力的上下限；P_dimax、P_dimin分别为节点i直流有功出力的上下限；Q_Dimax、Q_Dimin分别为节点i直流无功出力的上下限；P_Dimax、P_Dimin分别为节点i以有功为主导的可调度负荷的有功功率上下限；

实施例1

本实施例以电网A为例来说明本发明的可行性，需要说明的是电网A的黑启动过程以分区的形式进行启动，形成分区网架后再进行联网。以GD联合分区为例，以C电厂为黑启动机组，进行GD联合分区的黑启动，将高压直流输电系统加入黑启动过程，实施流程如下所述：

第一步：读入待启动电力网络中母线、线路、变压器、高抗、发电机、重要负荷和直流落点的数据参数，建立网络连接模型。其中，GD联合分区的直流落点数据参数如表1所示。

表1GD联合分区的直流落点数据参数

直流落点名称	额定功率/MW	最大电流/kA	额定直流电压/kV
				GZ-HLZ	450	1.8	500
GD01-HLZ	1500	3.125	800
				GD04-HLZ	700	3.2	500

第二步：计算各个支路权值，并搜索出所有高压直流输电系统落点和待启动发电机的最优启动路径。本实施例以一台主要发电机组和一个高压直流输电系统落点的黑启动路径为例进行说明。启动XX电厂的启动路径为：HYC厂-LT-ZC-ML-XX电厂；启动TZ的启动路径为：HYC厂-LT-ZC-BJ-TZ。

第三步：判断直流有效惯性常数是否满足高压直流输电系统启动条件，对所有高压直流输电系统进行是否可以启动的初步判断；

第四步：判断换流母线处的短路容量是否满足高压直流输电系统的启动条件，对通过初步判断的高压直流输电系统进行是否可以启动的最终判断；

第五步：综合考虑启动高压直流输电系统路径和影响交流系统稳定性因素，建立高压直流输电系统的启动优先级指标；每个固定电力网络只接入一个直流落点，对最优的直流输电系统启动进行最优潮流检验，如果接入直流落点成功，则更新连接网络；

第六步：建立含有高压直流输电系统落点的黑启动恢复优化模型，并利用原对偶内点最优潮流算法求解目标函数。

通过上述步骤，本实施例最终得到GD联合分区加入启动高压直流输电系统后的黑启动方案，较之传统方案，在启动中新电厂发电机组之后，优先启动TZ；在启动一台A厂的发电机组之后，启动CZ；在启动G电厂发电机组后，加入启动NZ；最后将该联合分区所有发电机组启动完毕的时间缩短将近两个小时。本实施例充分证明了在高压直流输电系统加入黑启动的情况下，本发明能加快电网自愈恢复速度，得到符合实际的最优启动顺序。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种考虑高压直流输电系统参与的黑启动方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：读入待启动电力网络中母线、线路、变压器、高压电抗器、发电机、重要负荷和直流落点的数据参数，建立网络连接模型；

步骤2：考虑支路的充电功率、高压电抗器容量和支路的启动时间，计算步骤1建立的网络连接模型中各个支路权值；

步骤3：采用迪杰斯特拉算法计算网络连接模型中各节点间的最短加权路径，搜索电力网络，得到所有高压直流输电系统直流落点和待启动发电机的最优启动路径；

步骤4：判断高压直流输电系统的直流有效惯性常数是否满足高压直流输电系统的启动条件，对所有高压直流输电系统是否可以启动进行初步判断，若满足启动条件，记录所有满足该启动条件的高压直流输电系统，若没有满足该启动条件的高压直流输电系统，则按照常规发电机启动方法启动发电机；

步骤5：判断换流母线处的短路容量是否满足高压直流输电系统的启动条件，对所有高压直流输电系统是否可以启动进行终极判断，若满足启动条件，记录所有满足该启动条件的高压直流输电系统，若没有满足该启动条件的高压直流输电系统，则按照常规发电机启动方法启动发电机；

步骤6：综合考虑启动高压直流输电系统路径和影响交流系统稳定性因素，建立高压直流输电系统的启动优先级指标；

步骤7：建立黑启动恢复优化模型，采用原对偶内点算法对黑启动恢复优化模型求解得到最优潮流值，若得到的最优潮流值收敛，则启动该高压直流输电系统；否则，选择下一个符合启动条件的高压直流输电系统重复步骤7；若所有高压直流输电系统的最优潮流值均不收敛，则按照常规发电机启动方法进行启动；

步骤8：将启动后的高压直流输电系统设置为已启动直流系统组，并更新该电力网络中母线、线路、变压器、高压电抗器、发电机、重要负荷和直流落点的数据参数，重复步骤3-8，至电力网络中所有待启动发电机均启动成功。

2.根据权利要求1所述的一种考虑高压直流输电系统参与的黑启动方法，其特征在于，所述步骤4中，判断高压直流输电系统的直流有效惯性常数是否满足高压直流输电系统的启动条件的判定公式为：

其中，

式中，H_dcmin为直流系统有效惯性常数的最小值，取为70s；S_G为弱交流系统总容量；P_d为直流系统当前输送有功功率；H_Σ为各发电机惯性时间常数归算到统一基准功率S_B下的惯性时间常数之和；H_i为第i台发电机的惯性时间常数；S_Ni为第i台发电机容量。

3.根据权利要求1所述的一种考虑高压直流输电系统参与的黑启动方法，其特征在于，所述步骤5中，判断换流母线处的短路容量是否满足高压直流输电系统启动条件的方法为：

确定各个直流落点的启动路径，通过判定公式判断启动后电力网络稳定运行时母线处的短路容量是否满足电力系统稳定运行的要求，进而来判断高压直流输电系统是否满足启动条件；其中，判定公式为：

式中，S_ac为换流母线处短路容量；U为直流系统启动前换流母线电压；ΔU为电压升高幅值，取0.1p.u.；Q_f为投入一组最小滤波器的容量；Q_d为直流系统启动时所消耗的无功功率。

4.根据权利要求1所述的一种考虑高压直流输电系统参与的黑启动方法，其特征在于，所述步骤6中，在建立高压直流输电系统的启动优先级指标之前，需要对所有满足启动条件的直流系统进行最优排序，以快速恢复当前电力网络，同时保证高压直流输电系统的稳定性。

5.根据权利要求1所述的一种考虑高压直流输电系统参与的黑启动方法，其特征在于，所述步骤6中建立高压直流输电系统的启动优先级指标的方法为：首先通过计算短路容量的倒数得到高压直流输电系统的启动性能值，然后分别将待启动直流系统落点对应的最短路径加权值和高压直流输电系统的启动性能值线性归一化，得到高压直流输电系统的启动优先级指标，指标越小，表明启动优先级越高。

6.根据权利要求1所述的一种考虑高压直流输电系统参与的黑启动方法，其特征在于，所述步骤7中，以每次启动一个发电机或一个直流系统时，所需爬坡时间最长的已带电发电机的爬坡时间最小为优化目标，将直流落点等效成一个负的有功负荷，需要满足系统运行的约束条件，建立黑启动恢复优化模型，所述黑启动恢复优化模型为：

目标函数：

式中，P_k为第k台发电机待求有功功率，P₀ ^k为第k台发电机当前有功功率，t_k为第k台发电机所需的调节时间，r_pk为第k台发电机爬坡率，m为发电机总数，f(x)为发电机的爬坡时间；

等式约束条件：

式中，i为节点编号；e和f分别为节点电压的实部和虚部；P_G和Q_G分别为发电机有功出力和无功出力；P_d为直流有功出力；P_D和Q_D分别为有功负荷和无功负荷；U_d为直流电压；

不等式约束条件为：

式中，U_imax、U_imin分别为节点i电压幅值的上下限；P_Gimax、P_Gimin分别为节点i发电机有功出力的上下限；Q_Gimax、Q_Gimin分别为节点i发电机无功出力的上下限；P_dimax、P_dimin分别为节点i直流有功出力的上下限；Q_Dimax、Q_Dimin分别为节点i直流无功出力的上下限；P_Dimax、P_Dimin分别为节点i以有功为主导的可调度负荷的有功功率上下限。

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