電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)方案及其應(yīng)用研究

潘廣春

摘 要：電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不可避免的會(huì)發(fā)生故障，給人們的生產(chǎn)、生活造成巨大的影響。如何依據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況制定黑啟動(dòng)方案，使電力系統(tǒng)能及時(shí)快速恢復(fù)供電，最大限度的降低損失是亟待解決的重要課題。文章首先研究了制定黑啟動(dòng)方案的基本要求、假設(shè)條件及數(shù)學(xué)模型；其次對(duì)算例進(jìn)行分析，結(jié)果表明文中制定的黑啟動(dòng)方案具有實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；黑啟動(dòng)；方案

中圖分類號(hào)：TM734 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）30-0105-02

隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)、電網(wǎng)互聯(lián)及遠(yuǎn)距離直、交流輸電技術(shù)的不斷發(fā)展，大容量機(jī)組、超高壓設(shè)備及分布式發(fā)電技術(shù)在配電網(wǎng)的大量應(yīng)用，同時(shí)配電網(wǎng)規(guī)模不斷增加，電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為日益復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行條件具有了更為嚴(yán)格和苛刻的要求，極大的提升了電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)時(shí)間大面積的停電不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也可能危及電力系統(tǒng)的安全，如何能在停電之后迅速恢復(fù)供電，是電力企業(yè)亟待解決的重要課題。

因此，研究電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障后的重新啟動(dòng)問(wèn)題，并據(jù)此制定合理、科學(xué)的黑啟動(dòng)方案十分必要。基于此，筆者對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 電力系統(tǒng)的黑啟動(dòng)方案

1.1 制定黑啟動(dòng)方案的基本要求

制定黑啟動(dòng)方案必須要按照下述要求進(jìn)行：

第一，回溯性。要仔細(xì)分析近些年來(lái)電力系統(tǒng)出現(xiàn)的故障并弄清楚原因、處理過(guò)程、教訓(xùn)及預(yù)防對(duì)策，為制定黑啟動(dòng)方案提供參考；

第二，科學(xué)性。要深入分析智能電網(wǎng)背景下電力系統(tǒng)的特征，如高電壓、高智能化及前沿技術(shù)等，充分利用現(xiàn)代化技術(shù)為制定黑方案提供服務(wù)；

第三，實(shí)用性。黑啟動(dòng)方案必須要符合目前電力系統(tǒng)的實(shí)際，要具有較強(qiáng)的針對(duì)性和可操作性，黑啟動(dòng)過(guò)程中，調(diào)度中心、電廠及變電站的協(xié)調(diào)性對(duì)黑啟動(dòng)方案的啟動(dòng)速度和成敗具有重要影響，因此制定的方案必須要具有實(shí)用性。

第四，快速性。在確保恢復(fù)能有序進(jìn)行的前提下，必須要最可能的爭(zhēng)取速度。要確保速度，除了要各部門(mén)協(xié)調(diào)組織外，還必須要可靠的技術(shù)做保證，如快速提供黑啟動(dòng)電源、快速恢復(fù)并列等。

1.2 電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)方案的假設(shè)條件

在本內(nèi)容中，以機(jī)組啟動(dòng)和負(fù)荷恢復(fù)為核心制定黑啟動(dòng)方案，并作出如下假設(shè)：

第一，假設(shè)電力系統(tǒng)處于完全停電狀態(tài)，即整個(gè)電力系統(tǒng)處于“孤島”狀態(tài)；

第二，假設(shè)系統(tǒng)中電力負(fù)荷的恢復(fù)時(shí)間是零；

第三，忽略電力系統(tǒng)的網(wǎng)架重構(gòu)的影響。

1.3 電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)方案的數(shù)學(xué)模型

1.3.1 目標(biāo)函數(shù)

電力系統(tǒng)恢復(fù)的最終目標(biāo)是盡可能的減少故障帶來(lái)的損失，在所有損失類型中客戶損失所占的比例最大，因此在制定黑啟動(dòng)方案時(shí)用經(jīng)濟(jì)手段來(lái)量化事故損失，也就是通過(guò)停電過(guò)程用戶停電損失來(lái)衡量制定黑啟動(dòng)方案的優(yōu)劣。以停電最小損失為目標(biāo)函數(shù)，具體表示如下式（1）所示：

minz式中，i，ND，PUD，f（tD，i）分別表示負(fù)荷索引、數(shù)量、負(fù)荷i消耗的最大功率及單位停電損失。

1.3.2 約束條件

約束條件共包括下述幾種：機(jī)組啟動(dòng)約束、機(jī)組狀態(tài)約束、啟動(dòng)功率約束、負(fù)荷狀態(tài)約束、系統(tǒng)頻率約束、功率平衡約束及母線恢復(fù)約束等。

機(jī)組啟動(dòng)約束：對(duì)電力機(jī)組而言，由于受到各種外界因素的影響，如機(jī)組缸的溫度、安全停機(jī)保障時(shí)間等，因此重新啟動(dòng)機(jī)組時(shí)要考慮臨界啟動(dòng)時(shí)間的影響，約束條件如下式（2）所示：

tG，j∈（TUj，TLj） （2）

式中，j，tG，j，TUj，TLj分別表示機(jī)組索引、啟動(dòng)時(shí)間、熱、冷啟動(dòng)的極值時(shí)間。

機(jī)組狀態(tài)約束：電力系統(tǒng)在黑啟動(dòng)時(shí)，一旦啟動(dòng)，就不再停機(jī)，約束條件如下式（3）所示：

Uj，t≥Uj，t-1（3）

式中，t，Uj，t分別表示時(shí)間索引及機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

機(jī)組啟動(dòng)功率約束：在電力系統(tǒng)中，機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)消耗一定功率，即黑啟動(dòng)受到啟動(dòng)功率PG，S，j，t的約束，具體表達(dá)式如下式（4）所示：

式中，PD，i，t表示負(fù)荷消耗的功率。

負(fù)荷狀態(tài)約束：電力系統(tǒng)在黑啟動(dòng)過(guò)程時(shí)，電力負(fù)荷恢復(fù)就不會(huì)再開(kāi)斷，約束條件如下式（5）所示：

Cj，t≥Cj，t-1（5）

式中，Ci，t表示負(fù)荷的狀態(tài)。

系統(tǒng)頻率約束：當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，在黑啟動(dòng)時(shí)，如果過(guò)早或者過(guò)多的恢復(fù)負(fù)荷，就會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中頻率降低過(guò)大，不僅極大的影響了供電質(zhì)量，甚至可能造成電力系統(tǒng)再一次出現(xiàn)崩潰。為了避免這種情況的出現(xiàn)，確保配電網(wǎng)安全、可靠地恢復(fù)，系統(tǒng)頻率的變動(dòng)不能超過(guò)一定的幅度，必須要控制在合理范圍內(nèi)，防止黑啟動(dòng)過(guò)程中系統(tǒng)頻率出現(xiàn)過(guò)多的下降，頻率約束條件如下式（6）所示：

式中，P'表示機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中的實(shí)際輸出功率。

母線恢復(fù)約束：母線恢復(fù)可采取兩種方式進(jìn)行，其一，黑啟動(dòng)機(jī)組；第二，線路接通，即：

busb，t=Max（busbb，t，busbrb，t）（8）

式中，busbb，t，busbrb，t分別表示機(jī)組、線路對(duì)母線的狀態(tài)影響。

2 算例分析

在算例分析中，將不同負(fù)荷進(jìn)行分類，一共分為5種類型，分別為住宅、政府機(jī)關(guān)、商業(yè)、小工業(yè)及工業(yè)重要用戶。電力系統(tǒng)允許的最大頻率偏差為-0.5 Hz令參考母線busl即θ1，t=0；系統(tǒng)中的水輪機(jī)組作為黑啟動(dòng)機(jī)組，調(diào)差系數(shù)為3，負(fù)荷的調(diào)查系數(shù)，見(jiàn)表1。

算例中機(jī)組、負(fù)荷、母線、線路的數(shù)量分別為4，3，6，5，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中的u4為黑啟動(dòng)機(jī)組；

機(jī)組的負(fù)荷特性、電氣特性分別見(jiàn)表2、表3。

電力系統(tǒng)發(fā)生故障后進(jìn)行黑啟動(dòng)，U4機(jī)組首先啟動(dòng)，機(jī)組U1，U3，U2由于分別受到最小啟動(dòng)時(shí)間、功率平衡約束和U3啟動(dòng)鄰域的影響，分別在25 min、30 min和50 min時(shí)啟動(dòng)；L1、L2、L3的分別為首先啟動(dòng)、55 min啟動(dòng)和60 min啟動(dòng)，到此為止，黑啟動(dòng)完成。黑啟動(dòng)策略能優(yōu)化恢復(fù)停電損失較大的負(fù)荷，以便能最大限度的降低停電帶來(lái)的損失，而本算例中的總停電損失為4 439.46元，計(jì)算時(shí)間為0.3 s，不僅具有較高的計(jì)算速度，也具有較高的精度，證明了這種黑啟動(dòng)方案的實(shí)用價(jià)值。

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