電力系統(tǒng)全停電后的黑啟動恢復(fù)方案

電力系統(tǒng)全停電后的黑啟動恢復(fù)方案

1黑啟動方案的確定與評估隨著能耗需求的增加，供電系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大。在提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和供電可靠性等方面，大規(guī)模電力系統(tǒng)具有極大的優(yōu)勢。與此同時，由于系統(tǒng)聯(lián)系的增強(qiáng)，局部系統(tǒng)的故障可能由于處理不當(dāng)或保護(hù)及自動裝置的不正確動作而釀成大面積的停電事故，甚至整個電力系統(tǒng)崩潰瓦解，給國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大的損失。自1965年的紐約大停電以來，在世界范圍內(nèi)發(fā)生了多起受到廣泛關(guān)注的大停電事故[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。各國的電力工作者及相關(guān)研究人員開始從更深的層次上分析和應(yīng)對電力系統(tǒng)的安全問題。電力系統(tǒng)已采用的新設(shè)備和新技術(shù)固然對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的保障，但無法從根本上避免大停電事故的發(fā)生。一旦發(fā)生緊急停電事故，必須盡快采取措施以最快的速度恢復(fù)系統(tǒng)的正常供電，使故障停電的損失降到最低。作為電力系統(tǒng)安全防御措施之一，研究電力系統(tǒng)事故后“黑啟動”問題具有重要意義。自20世紀(jì)80年代起，國外學(xué)者已開始對電力系統(tǒng)黑啟動問題進(jìn)行研究。文獻(xiàn)指出黑啟動是整個系統(tǒng)因故障停電后，不依賴別的系統(tǒng)幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動能力機(jī)組的啟動帶動無自啟動能力的機(jī)組，逐漸擴(kuò)大系統(tǒng)供電范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)恢復(fù)的過程。在其后的研究中，黑啟動過程中需要解決的主要問題被辨明，并結(jié)合具體系統(tǒng)進(jìn)行了黑啟動試驗(yàn)和建模仿真。近年來，黑啟動問題逐漸引起國內(nèi)電力系統(tǒng)的重視，并開始進(jìn)行這方面的研究。華北電力調(diào)度局以十三陵水電站作為啟動電源進(jìn)行了局部系統(tǒng)的黑啟動工業(yè)試驗(yàn)研究，華東電網(wǎng)、陜西電網(wǎng)等區(qū)域和省級電網(wǎng)通過仿真研究制定了具體的黑啟動方案。綜觀國內(nèi)外的研究情況，這種人工制定黑啟動方案，并借助相關(guān)的電力系統(tǒng)分析軟件對其進(jìn)行分析校驗(yàn)，以確定可行性的方式較為普遍。但由于制定的方案數(shù)量有限，在運(yùn)行方式頻繁變化的系統(tǒng)中，真正符合系統(tǒng)狀態(tài)的可用方案較少。因此，引入專家系統(tǒng)優(yōu)化啟動方案，利用決策支持技術(shù)幫助調(diào)度人員制定科學(xué)的恢復(fù)計劃一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)29-31]。文獻(xiàn)基于分層案例推理思想開發(fā)的黑啟動決策支持系統(tǒng)通過問題分解、分層案例推理和子案例復(fù)用提高了系統(tǒng)的應(yīng)變能力，但對案例進(jìn)行整合生成最優(yōu)方案時，其評價指標(biāo)并未涉及方案的技術(shù)可行性。文獻(xiàn)結(jié)合專家系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治黾夹g(shù)自動生成一組黑啟動方案，對技術(shù)校驗(yàn)合格的方案，利用層次分析法構(gòu)造判斷矩陣并進(jìn)行評估排序。該方法在對方案的量化評估方面進(jìn)行了有益的嘗試，但由于判斷矩陣的構(gòu)造完全依據(jù)決策者的主觀判斷，所以當(dāng)決策者的主觀傾向發(fā)生變化或決策主體改變時，很可能出現(xiàn)截然不同的方案排序結(jié)果，客觀性較差。針對現(xiàn)有關(guān)于黑啟動方案評估存在的問題，本文通過對黑啟動過程中各種因素的綜合分析，將技術(shù)校驗(yàn)結(jié)果作為評價指標(biāo)之一納入了方案的評估過程。在此基礎(chǔ)上，提出了基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型的電力系統(tǒng)黑啟動方案相對有效性的評估方法。該方法與其它需要決策者事先為評價指標(biāo)賦以權(quán)重的方法不同，完全依據(jù)統(tǒng)計得出的實(shí)際輸入、輸出數(shù)據(jù)對黑啟動方案的相對有效性做出評價，能夠更加全面、客觀地衡量各方案的優(yōu)劣。某實(shí)際電網(wǎng)的應(yīng)用實(shí)例證明了該方法的有效性。2黑啟動計劃的一般原則2.1電力系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)事項(xiàng)黑啟動方案的制定是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它幾乎涉及了電力系統(tǒng)運(yùn)行中的所有方面。下面分別從黑啟動電源的確定，被啟動機(jī)組的選擇和恢復(fù)路徑的選擇等方面對制定黑啟動方案的一般原則加以分析。2.2黑啟動電源黑啟動首先遇到的問題是黑啟動電源的確定，可從3個方面考慮：(1）黑啟動電源是本身具有黑啟動能力的機(jī)組。在系統(tǒng)全停的條件下，電廠內(nèi)部的廠用電幾乎全部失去，因此對廠用電要求較高的火力發(fā)電機(jī)組通常不具備自啟動能力，而水輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)組的啟動對廠用電要求很低，有時甚至不需要廠用電，因此，黑啟動電源通常選在此類電廠。按照國內(nèi)外已有黑啟動的經(jīng)驗(yàn)，大容量抽水蓄能電廠中的水輪機(jī)是非常理想的黑啟動電源。(2）黑啟動電源為事故后殘存的機(jī)組或孤島，通常為裝有滿負(fù)荷減載裝置的汽輪機(jī)，跳閘后帶自身的廠用負(fù)荷運(yùn)行，或是低頻解列后形成的孤島。(3）黑啟動電源為相鄰系統(tǒng)的支援。由于后兩類電源和系統(tǒng)事故后的狀態(tài)有關(guān)，很難事先確定，所以在制定黑啟動方案時通常只考慮第一類電源。2.3常規(guī)機(jī)組啟動條件選擇被啟動機(jī)組的基本原則是在啟動容量允許的前提下，選取能夠盡快啟動的大容量機(jī)組。從國內(nèi)外一些實(shí)際恢復(fù)案例中可以看出:被啟動機(jī)組，特別是火電機(jī)組的運(yùn)行限制是必須考慮的重要因素；較為關(guān)鍵的運(yùn)行限制是機(jī)組的臨界最大時間間隔和臨界最小時間間隔；具有臨界最大時間間隔的機(jī)組若在該時間段內(nèi)不啟動，只有延時數(shù)小時后才能啟動，而具有臨界最小時間間隔的機(jī)組只有在該時間段后才能啟動。針對黑啟動階段應(yīng)盡快恢復(fù)供電的需要，具有臨界最小時間間隔的機(jī)組不應(yīng)作為候選的被啟動機(jī)組。為了加快恢復(fù)速度，合理運(yùn)用火電機(jī)組的啟動方式也很重要。當(dāng)今在大型汽輪發(fā)電機(jī)組中廣泛采用的滑參數(shù)啟動允許汽輪機(jī)和鍋爐在較低蒸汽參數(shù)下同時啟動，速度快，經(jīng)濟(jì)性好。故障停機(jī)后，隨著汽缸的自然冷卻，具有不同缸溫的機(jī)組，其啟動所需要的時間將有顯著不同。若能抓住時機(jī)，在黑啟動階段促成熱態(tài)滑參數(shù)啟動，由于不需要反復(fù)的暖機(jī)過程，將顯著縮短啟動時間。2.4恢復(fù)路徑系統(tǒng)可能會產(chǎn)生沖擊性在明確了啟動電源和被啟動機(jī)組后，還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)一步選擇合理的供電路徑，形成相對獨(dú)立的子系統(tǒng)。應(yīng)考慮的主要因素包括：(1）恢復(fù)路徑的長度要盡量短。黑啟動階段的輸電線路運(yùn)行在空載或輕載狀態(tài)，充電過程中的電容效應(yīng)將會引起操作過電壓、工頻過電壓、發(fā)電機(jī)組的自勵磁等，在電壓等級較高的長線路上這種情況尤為突出。(2）恢復(fù)路徑中電壓轉(zhuǎn)換的次數(shù)要少。電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)的增加將會增加三相不同期合閘和變壓器發(fā)生鐵磁諧振的概率，直接關(guān)系到黑啟動是否成功。(3）在啟動容量允許的情況下，恢復(fù)路徑應(yīng)輻射到系統(tǒng)中的骨干機(jī)組和重要性等級較高的負(fù)荷。(4）恢復(fù)路徑的啟動時間要盡量短。為了縮短該時間，恢復(fù)過程中所經(jīng)的變電站數(shù)目和投運(yùn)線路時所操作的一次設(shè)備次數(shù)應(yīng)盡量減少。(5）由某條恢復(fù)路徑聯(lián)系而成的孤立系統(tǒng)承受沖擊性負(fù)荷的能力很有限，所以在向被啟動機(jī)組恢復(fù)廠用電供電時，必須控制每次投入的負(fù)荷容量，以保證系統(tǒng)的頻率和電壓質(zhì)量。同時，由于系統(tǒng)聯(lián)系弱、阻尼小，水火電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能差異大，還應(yīng)校驗(yàn)是否出現(xiàn)低頻振蕩等妨礙穩(wěn)定并列運(yùn)行的現(xiàn)象。3數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型和黑啟動方案的相對有效性的評估3.1dea模型選取數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法（DataEnvelopmentAnalysis,DEA）是美國運(yùn)籌學(xué)家Charnes等人以相對效率概念為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種效率評價方法，它依賴于投入指標(biāo)與產(chǎn)出指標(biāo)數(shù)據(jù)，對具有相同類型的部門或單位間的相對有效性進(jìn)行評定、排序，從而為決策者提供重要的決策信息。設(shè)有n個部門或單位（或稱決策單元DecisionMakingUnit,DMU,簡記為Du），每個部門都有m種類型的“輸入”，其指標(biāo)集為I={1,2,…,m}，用來表示該部門對資源的耗費(fèi)；有s種類型的“輸出”，其指標(biāo)集為R={1,2,…,s}，表示該部門消耗了“資源”之后所產(chǎn)生的“成效”。如表1所示。表中xij為第j個決策單元對第i種類型輸入的投入總量；yrj為第j個決策單元對第r種類型輸出的產(chǎn)出總量。針對某一決策單元，為了表征不同類型輸入的單位成本費(fèi)用或不同類型輸出的單位產(chǎn)出效益，引入輸入權(quán)系數(shù)\出權(quán)系數(shù)則每個決策單元的效率指數(shù)可定義為通過適當(dāng)?shù)剡x取輸入、輸出權(quán)系數(shù)，可滿足hj≤1,j=1,2,(43),n。當(dāng)對第k(1≤k≤n)個決策單元進(jìn)行效率評價時，以權(quán)系數(shù)v和u為變量，以第k個決策單元的效率指數(shù)為目標(biāo)，以所有決策單元（包括第k個決策單元）的效率指數(shù)滿j=1,2,(43),n為約束，可構(gòu)成最優(yōu)化模型如下：式中xj=(x1j,x2j,(43),xmj)T,j=1,2,(43),n;式(2)是一個分式規(guī)劃問題。當(dāng)令則式(2)被化為一個等價的線性規(guī)劃問題，如下式(3)就是通過DEA對決策單元進(jìn)行相對有效性分析時所采用的C2R模型。當(dāng)效率指數(shù)Vk=1時，第k個決策單元相對于其它所有決策單元為有效，這意味著沒有其它任何決策單元或決策單元的線性組合能使用更少投入生產(chǎn)等量的產(chǎn)出，或使用等量投入生產(chǎn)更多產(chǎn)出。3.2相對有效黑啟動方案數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的模型3.2.1啟動方案指標(biāo)分類通過對DEA中C2R模型的介紹可以看出，DEA方法的優(yōu)勢在于有關(guān)決策單元是否有效的判斷完全依賴實(shí)際的投入和產(chǎn)出數(shù)據(jù)，更加客觀，而能否充分發(fā)揮這種優(yōu)勢有賴于針對具體問題合理地選擇輸入和輸出指標(biāo)集。在建立黑啟動方案相對有效性評估的DEA模型時，依據(jù)制訂黑啟動方案的一般原則，提煉出相關(guān)指標(biāo)，并結(jié)合DEA中效率指數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)（即最小化輸入指標(biāo)，最大化輸出指標(biāo)），將它們進(jìn)行分類，如表2所示。表2中，被啟動電源優(yōu)先級是先以被啟動電源所帶負(fù)荷的重要性分級，在相同等級下，分別取各電源到重要負(fù)荷的距離作為該指標(biāo)值。啟動時間包含形成恢復(fù)路徑時網(wǎng)絡(luò)的倒閘操作時間和被啟動機(jī)組的啟動時間。由于被啟動機(jī)組已根據(jù)其啟動方式和相應(yīng)時間約束限制進(jìn)行分類，所以僅以斷路器等元件的總操作次數(shù)作為該指標(biāo)值。技術(shù)校驗(yàn)優(yōu)劣程度是以單項(xiàng)技術(shù)校驗(yàn)結(jié)果歸一化再求和來計算的。單項(xiàng)技術(shù)校驗(yàn)包括發(fā)電機(jī)自勵磁，線路空載合閘過電壓，黑啟動階段電壓和頻率穩(wěn)定性，小系統(tǒng)低頻振蕩等數(shù)值仿真分析計算。單項(xiàng)技術(shù)校驗(yàn)結(jié)果歸一化是指針對某一項(xiàng)技術(shù)校驗(yàn)而言，通過分析計算獲得所有初始校驗(yàn)結(jié)果后，按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)找出一最優(yōu)值并以此為基準(zhǔn)，進(jìn)一步求取每一初始校驗(yàn)結(jié)果的相對值。3.2.2不為2個方案所作的比對若將黑啟動方案視為決策單元，統(tǒng)計出每個方案的各項(xiàng)輸入、輸出指標(biāo)值，利用C2R模型即可求出各方案的效率指數(shù)。若第k個方案的效率指數(shù)為1，則該方案有效，這意味著在參與評估的方案中，沒有其它方案能夠通過改進(jìn)操作獲得比第k個方案更好的黑啟動效果。若多個方案同時有效說明，相對所有其它方案而言，具體操作不同的這些方案黑啟動效果是同樣理想的。效率指數(shù)不為1的方案被視為無效方案，無效方案還可根據(jù)效率指數(shù)大小確定優(yōu)劣次序，效率指數(shù)較大者為較好方案。需要特別指出：無效方案并非不可用方案，只是這些方案的恢復(fù)操作獲得的黑啟動效果相對較差。4方案校驗(yàn)和評估基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型的電力系統(tǒng)黑啟動方案相對有效性評估包括方案生成，方案校驗(yàn)和方案相對有效性評估3個主要部分。方案生成由初始化和方案搜索2個步驟組成。初始化是為了保證生成的黑啟動方案能夠更好地反映實(shí)際系統(tǒng)的狀態(tài)，由調(diào)度運(yùn)行人員進(jìn)行的必要設(shè)置。主要內(nèi)容包括：1）指定1個或多個黑啟動電源；2）選擇線路、變壓器和被啟動機(jī)組等設(shè)備的可用狀態(tài)，并給出被啟動機(jī)組的優(yōu)先級；3）依據(jù)實(shí)際情況給出負(fù)荷重要性等級；4）限定搜索深度，通常每個恢復(fù)方案中黑啟動電源（系統(tǒng)側(cè)母線）與被啟動電廠（系統(tǒng)側(cè)母線）之間經(jīng)過的變電站個數(shù)不應(yīng)超過3個；5）初始化初始方案表、方案表及有效方案表。初始化完成后，通過方案搜索生成在拓?fù)潢P(guān)系上可行的黑啟動方案并將其存在初始方案表中。其中，網(wǎng)絡(luò)層的搜索以初始化中設(shè)定的搜索深度為限制條件。為了確定在拓?fù)潢P(guān)系和技術(shù)上同樣可行的方案，需要對搜索得到的初始方案進(jìn)行技術(shù)校驗(yàn)，校驗(yàn)內(nèi)容如第3.2.1節(jié)所述。校驗(yàn)合格的方案存在方案表中，并依據(jù)表3所示指標(biāo)進(jìn)一步統(tǒng)計各單項(xiàng)技術(shù)校驗(yàn)結(jié)果。需要指出的是，基于單項(xiàng)技術(shù)校驗(yàn)結(jié)果形成的技術(shù)校驗(yàn)優(yōu)劣程度（表2中的指標(biāo)F）在后續(xù)的方案有效性評估中是作為輸出指標(biāo)使用的，為了便于評估模型的建立，本文對相關(guān)校驗(yàn)項(xiàng)目的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了處理。以發(fā)電機(jī)自勵磁為例，經(jīng)理論推導(dǎo)并在黑啟動試驗(yàn)中廣泛使用的工程判據(jù)是xc≥k(xd+xT)，其中，xc代表恢復(fù)路徑的等值容抗，xd和Tx分別表示黑啟動機(jī)組的同步電抗及對應(yīng)變壓器的漏抗?？紤]到發(fā)電機(jī)、線路等系統(tǒng)元件參數(shù)的誤差，裕度指標(biāo)k通常取1.2即能保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)脫離自勵磁區(qū)域，k值愈大，說明發(fā)電機(jī)不發(fā)生自勵磁的可靠程度愈高，相應(yīng)方案的技術(shù)可行性愈強(qiáng)。表3中采用工程判據(jù)的變形形式（即裕度指標(biāo)k）作為統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)，是為了與DEA中C2R模型最大化輸出的優(yōu)化目標(biāo)相吻合。線路空載合閘過電壓等項(xiàng)目的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)中采用相關(guān)指標(biāo)求倒數(shù)的處理也是基于這樣的考慮。經(jīng)過方案校驗(yàn)后，存在方案表中的方案均為可用方案。為了找出黑啟動效果較為理想的部分方案，需要進(jìn)一步進(jìn)行方案有效性評估：先統(tǒng)計出所有方案的各項(xiàng)輸入、輸出指標(biāo)值，其中，技術(shù)校驗(yàn)優(yōu)劣程度一項(xiàng)為表3中各單項(xiàng)技術(shù)校驗(yàn)指標(biāo)值的加權(quán)和；再針對每個方案建立如式(3)所示的C2R模型，以求解線性規(guī)劃問題，若某方案的目標(biāo)值（即效率指數(shù)）為1，則該方案有效，將其存在有效方案表中，作為首選方案推薦給調(diào)度運(yùn)行人員。5方案校驗(yàn)和有效性評估為檢驗(yàn)本文方法的有效性，選取河北南網(wǎng)進(jìn)行黑啟動方案相對有效性評估的試驗(yàn)研究。河北南網(wǎng)現(xiàn)有的水電機(jī)組容量過小且離負(fù)荷中心過遠(yuǎn)，不太適用于作為黑啟動電源，故選用正在規(guī)劃中的張河灣抽水蓄能電廠的1號機(jī)組作為啟動電源，啟動容量設(shè)為200MW，并假設(shè)通過1回220kV線路與許營變電站相連。通過方案生成得到13個方案，其中未發(fā)生電壓變化的有3個方案，電壓發(fā)生1次變化的有9個方案，電壓發(fā)生2次變化的有1個方案。而后進(jìn)行方案校驗(yàn)，共有11個方案通過校驗(yàn)。若將方案視為決策單元并仍記為Du，其結(jié)果如表4所示。表中某些恢復(fù)路徑完全相同、但變電站中所經(jīng)變壓器不同的方案，如方案Du4、Du5，在進(jìn)行有效性評估時將被視為同一方案。最后參與有效性評估的為方案Du1、Du2、Du3、Du4、Du6、Du8、Du11，這7個方案的輸入、輸出指標(biāo)值依次如表