黑啟動方案制定及決策支持實用系統(tǒng)

，， ，， (.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 6004；.四川電力調(diào)度控制中心，四川 成都 6004)

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和動態(tài)性能也變得越加復(fù)雜。近年來，隨著可再生能源的大規(guī)模接入，其固有的波動性、隨機性和間歇性，也給電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行帶來了更大的不確定性和更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。而在市場環(huán)境下，電力系統(tǒng)的運行條件更加接近于穩(wěn)定極限，若局部故障處理不當(dāng)，極易導(dǎo)致事故擴(kuò)大，引發(fā)大面積停電事故。為了在大停電發(fā)生后能迅速恢復(fù)系統(tǒng)、減少損失，需要提前制定黑啟動恢復(fù)方案。

大量文獻(xiàn)對黑啟動決策理論進(jìn)行了研究，并開發(fā)了決策系統(tǒng)[1-3]。但對于大規(guī)模電力系統(tǒng)黑啟動過程涉及的操作過電壓[4]、空充主變壓器勵磁涌流引發(fā)過電壓[5]等電磁暫態(tài)風(fēng)險，采用廣泛應(yīng)用的商業(yè)化仿真軟件進(jìn)行自動校核以及實用的負(fù)荷恢復(fù)數(shù)量和速度控制方面研究較少。在大電網(wǎng)黑啟動過程要完成前述風(fēng)險分析，需要建立海量的仿真模型，耗時耗力，且難以對每個子網(wǎng)、每條啟動路徑均進(jìn)行詳細(xì)分析，從而影響了黑啟動策略的科學(xué)性和有效性。

針對以上問題，結(jié)合四川電網(wǎng)的具體情況研究黑啟動路徑搜索方法，使搜索出的路徑能綜合考慮啟動風(fēng)險、負(fù)荷恢復(fù)速度和機組恢復(fù)速度等因素；研究黑啟動初期負(fù)荷恢復(fù)的策略，探索體現(xiàn)負(fù)荷恢復(fù)數(shù)量和恢復(fù)速度的實用方法；研究黑啟動操作過程中的暫態(tài)穩(wěn)定、過電壓等問題的自動校核技術(shù)。在研究基礎(chǔ)上開發(fā)了一套電網(wǎng)大停電后恢復(fù)方案制定及決策支持實用化系統(tǒng)，并應(yīng)用該系統(tǒng)完成了四川電網(wǎng)黑啟動方案制定和校核，給出了黑啟動初期建議的恢復(fù)策略和沖擊負(fù)荷投入策略。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

所設(shè)計系統(tǒng)基于大電網(wǎng)已有的機電暫態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)快速的黑啟動方案生成、全面的電磁暫態(tài)及機電暫態(tài)風(fēng)險分析和對比，并能對方案校驗結(jié)果予以保存和分析，基于相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和專家經(jīng)驗，給用戶提供黑啟動輔助決策。

系統(tǒng)的核心功能包括：1)電網(wǎng)機電暫態(tài)數(shù)據(jù)的解析及拓?fù)渥R別；2)黑啟動方案生成；3)黑啟動方案校驗；4)黑啟動方案管理。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)關(guān)鍵功能實現(xiàn)

2.1 電網(wǎng)數(shù)據(jù)的解析和廠站劃分

鑒于PSD-BPA在電力系統(tǒng)中的廣泛使用，軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源取自BPA。電網(wǎng)數(shù)據(jù)解析包括對潮流DAT文件及穩(wěn)定SWI文件的解析[6]。根據(jù)BPA軟件說明，按照各卡片的格式[7-8]，按字段截取并理解，建立“母線-廠站”映射表和“廠站-分區(qū)”映射表，對電網(wǎng)進(jìn)行全局拓?fù)渥R別。

在此基礎(chǔ)上，對電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行“再理解”，按人的思維，將電網(wǎng)數(shù)據(jù)分為3個層次：分區(qū)、廠站和設(shè)備。采用深度優(yōu)先搜索的方法，識別出每個電廠和變電站內(nèi)部拓?fù)洌渲袑S站又根據(jù)其擁有的設(shè)備類型劃分為：水電廠、火電廠、風(fēng)電場、光伏電站等。解析好的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，由廠站設(shè)備字典、母線-廠站字典、廠站-分區(qū)字典組成。數(shù)據(jù)解析流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)解析和廠站劃分流程

2.2 黑啟動方案生成

生成黑啟動方案，首先要生成可靠的黑啟動路徑，需要搜索從黑啟動電源至被啟動機組的路徑。該模塊主要包括3大功能：黑啟動區(qū)域設(shè)置、黑啟動路徑生成、黑啟動方案編輯。

1)黑啟動區(qū)域設(shè)置

對于大電網(wǎng)，需要分區(qū)制定黑啟動方案，要先收縮電網(wǎng)數(shù)據(jù)，限定方案搜索的范圍。通過設(shè)置篩選條件指定黑啟動方案涉及的廠站集。

篩選時，分區(qū)的篩選是利用數(shù)據(jù)解析時生成的“母線-廠站”字典和“廠站-分區(qū)”字典，而電壓等級、廠站名的篩選則是利用數(shù)據(jù)解析拓?fù)浜笊傻膹S站設(shè)備集。

2)黑啟動路徑生成

黑啟動路徑的生成，既要考慮到最短路徑搜索的自動性，也要考慮用戶自定義的特殊性，所開發(fā)的系統(tǒng)提供給了用戶兩種路徑生成的方法。既可以自動搜索生成，也可以用戶手動指定生成，得到的黑啟動方案都可以存入“原始方案庫”，供用戶方案校驗時使用。

軟件采用前K最短路徑算法，如果采用自動搜索生成，則需要設(shè)定起始廠站、終端廠站和K值，代表將搜索前K個從起始廠站到終端廠站的最短路徑，此處最短指的是路徑所含線路的權(quán)重和最小；如果采用手動指定生成，則只需要設(shè)定起始廠站，系統(tǒng)會根據(jù)起始廠站不斷引導(dǎo)用戶輻射向待啟動電廠。

手動指定方案只需要指定“起始廠站”，與K值和終端廠站無關(guān)，與設(shè)置的黑啟動區(qū)域也無關(guān)，可以全網(wǎng)手動指定路徑。通過下拉列表選擇連接母線的變壓器卡和線路卡，下一個母線名自動顯示。這利用的是電網(wǎng)數(shù)據(jù)解析時的拓?fù)潢P(guān)系，根據(jù)節(jié)點自動獲得其相鄰支路。

3)黑啟動方案編輯

由于黑啟動時系統(tǒng)環(huán)境較為復(fù)雜多變，某設(shè)備的故障會引起黑啟動路徑的變化，故該系統(tǒng)允許用戶對已生成的黑啟動方案進(jìn)行編輯，為了保證黑啟動方案的可行性，程序自動檢測節(jié)點的相鄰支路，以節(jié)點毗鄰的方式不斷向外延伸來增加設(shè)備，通過增刪相應(yīng)電網(wǎng)數(shù)據(jù)卡，實現(xiàn)方案的完全自定義。黑啟動方案生成流程如圖3所示。

圖3 黑啟動方案生成流程

2.3 黑啟動方案自動校驗

黑啟動方案是否可行，取決于它是否能通過相關(guān)的校驗。系統(tǒng)首先對黑啟動方案進(jìn)行潮流校驗，潮流校驗通過后的方案再進(jìn)行電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)風(fēng)險校驗，潮流校驗不通過的方案認(rèn)為是不可行方案。

電磁暫態(tài)方面的校驗包括：2%統(tǒng)計操作過電壓校驗、單相接地甩負(fù)荷和無故障三相甩負(fù)荷工頻過電壓校驗、自勵磁校驗、空充主變勵磁涌流引發(fā)諧波過電壓校驗。機電暫態(tài)方面的校驗包括：投負(fù)荷校驗和暫態(tài)穩(wěn)定校驗以及子系統(tǒng)并列、合環(huán)過程風(fēng)險校驗。

黑啟動校驗步驟為如下：

1)根據(jù)黑啟動方案，按啟動步驟分解為廠站啟動、線路啟動兩個方面。廠站啟動主要包括主變壓器空充過程、電源及負(fù)荷投入過程，線路啟動主要為空充線路操作過程。

2)根據(jù)啟動步驟，系統(tǒng)自動拼接生成該步驟對應(yīng)潮流文件、電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)仿真模型文件。在潮流校驗通過后，采用ATP-EMTP執(zhí)行電磁暫態(tài)仿真，用PSD-BPA執(zhí)行機電暫態(tài)仿真。本步驟中，機電暫態(tài)仿真主要給出各站單次負(fù)荷沖擊量限值以及最大負(fù)荷投入量限值，主要考慮的問題為：負(fù)荷投入后系統(tǒng)最低頻率不引發(fā)低周減載動作，仿真中應(yīng)考慮機組調(diào)速器為孤網(wǎng)參數(shù)。

機電暫態(tài)校驗給出各站負(fù)荷投入量后，建立電磁暫態(tài)模型，在此基礎(chǔ)上對各步驟啟動過程過電壓水平進(jìn)行校驗。

3)啟動過程機電暫態(tài)校驗完成后，給出各站負(fù)荷投入水平，并根據(jù)啟動方案自動建立全區(qū)域機電暫態(tài)模型，進(jìn)行相關(guān)的穩(wěn)定校驗。

4)最后將過電壓校驗和暫態(tài)穩(wěn)定校驗結(jié)果讀入決策分析模塊，利用相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和專家經(jīng)驗，對比后給出最優(yōu)的黑啟動決策。黑啟動方案自動校驗流程如圖4所示。

圖4 黑啟動方案校驗流程

2.4 黑啟動方案可行性判據(jù)

系統(tǒng)黑啟動過程過電壓應(yīng)不超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等的要求，對于無標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)不超過運行經(jīng)驗給出的過電壓值。負(fù)荷恢復(fù)量還應(yīng)進(jìn)行暫態(tài)過程校驗，負(fù)荷投入后最低頻率不應(yīng)觸發(fā)低周減載動作。黑啟動過程中，投負(fù)荷對系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在電壓和頻率的短時間大幅度下降，在投入同樣負(fù)荷量的情況下，系統(tǒng)暫態(tài)最低頻率較大、最低電壓較高的黑啟動方案是更優(yōu)秀的。同理，在最低頻率相同的情況下，投入負(fù)荷量更大的黑啟動方案更優(yōu)秀。啟動過程過電壓風(fēng)險最小、穩(wěn)定風(fēng)險最小、啟動負(fù)荷最多的方案則認(rèn)為是最優(yōu)黑啟動方案。電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)校驗中參考的具體判據(jù)[9-10]如下：

1)潮流合理性判據(jù)：黑啟動方案初始正常潮流計算結(jié)果應(yīng)符合：電廠母線電壓在0.95～1.05 p.u.范圍內(nèi)，并且機組的有功、無功在正常范圍內(nèi)；黑啟動初期暫不考慮N-1安全；無功功率分布符合分層、分區(qū)平衡的原則。

2)暫態(tài)穩(wěn)定判據(jù)：黑啟動子系統(tǒng)在并列前，大擾動后引起該子系統(tǒng)各機組之間功角相對增大，經(jīng)過第一、第二搖擺不失步；大擾動主要考慮線路N-1和N-2故障以及機組無故障甩負(fù)荷。

2.3.1 護(hù)理質(zhì)量改進(jìn)程序 通常采取發(fā)現(xiàn)問題—歸因分析—要因確認(rèn)—提出方案—修訂方案—形成規(guī)范6個步驟。發(fā)現(xiàn)問題和歸因分析采取頭腦風(fēng)暴等形式，集臨床護(hù)士智慧;要因確認(rèn)需用因果關(guān)系矩陣圖及主因確認(rèn)法，解決問題的方法可循證A級證據(jù)或臨床研究成果，鼓勵臨床一線護(hù)士大膽創(chuàng)新、勇于改革與實踐，探索科學(xué)有效的護(hù)理工作方法。

5)自勵磁判據(jù)：當(dāng)發(fā)電機帶空載長線時，不發(fā)生自勵磁的理論判據(jù)如式(1)。

WN>Qc×Xd

(1)

式中：WN為發(fā)電機額定容量，MVA；Qc為考慮高抗或低抗補償后的線路剩余充電功率，Mvar；Xd為發(fā)電機等值同步電抗(包括升壓變漏抗，以發(fā)電機容量為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值)。自勵磁校核時首先采用理論判據(jù)進(jìn)行初步風(fēng)險排查，對于明顯無自勵磁風(fēng)險的方式不再進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真分析，對于可能存在自勵磁風(fēng)險的方式應(yīng)進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真校核，參考工頻過電壓判據(jù)。

6)諧波過電壓判據(jù)：諧波過電壓計算，變壓器均考慮飽和特性，勵磁特性曲線的拐點取1.1 p.u.，變壓器最大剩磁按照40%考慮。對諧波過電壓參考標(biāo)準(zhǔn)取值見表1、表2，最高過電壓不宜超過表中最大值。

表1 諧波過電壓參考標(biāo)準(zhǔn)1

表2 諧波過電壓參考標(biāo)準(zhǔn)2

2.5 黑啟動方案管理

該模塊主要包括以下兩個功能：

1)黑啟動方案校驗結(jié)果查詢與分析

黑啟動方案生成之后存入“原始方案庫”，黑啟動方案校驗之后存入“已校驗方案庫”，所有黑啟動方案均按文件夾存放，一個方案一個文件夾。用戶在查詢和管理黑啟動方案時，可能需要對方案進(jìn)行適當(dāng)?shù)木庉嫼托薷模书_發(fā)了可視化的電網(wǎng)數(shù)據(jù)編輯器，通過對電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時解析，實現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的可視化編輯。當(dāng)用戶要編輯某數(shù)據(jù)卡時，程序會自動解析該行數(shù)據(jù)給予用戶提示，方便用戶對方案進(jìn)行編輯。

2)黑啟動方案對比和排序。

3 四川電網(wǎng)的應(yīng)用

開發(fā)的電網(wǎng)大停電后恢復(fù)方案制定及決策支持系統(tǒng)部分界面如圖5和圖6所示。

圖5 系統(tǒng)應(yīng)用界面

圖6 過電壓校核界面

利用開發(fā)的決策支持系統(tǒng)，制定了四川電網(wǎng)11個子系統(tǒng)啟動方案并進(jìn)行了風(fēng)險校核，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了子系統(tǒng)間并列操作風(fēng)險校核。最終形成了四川電網(wǎng)大停電后恢復(fù)方案，給出了典型水電機組作為黑啟動電源在啟動初期的負(fù)荷沖擊量參考值、黑啟動初期建議的恢復(fù)策略：

表3 機組參數(shù)和負(fù)荷沖擊量參考值

1)黑啟動初期負(fù)荷單次沖擊量大小以及負(fù)荷投入時間間隔可參考表3進(jìn)行，表中Tj為機組慣性時間常數(shù)，Tw為水錘時間常數(shù)，調(diào)速器參數(shù)為控制器PID參數(shù)。

2)在水電通道上的子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)并列時，常常會出現(xiàn)過電壓問題，應(yīng)注意在并列點兩側(cè)合理投切低壓電抗器以抑制電壓偏高。

3)由于風(fēng)電廠和光伏電廠對調(diào)頻調(diào)壓無貢獻(xiàn)，反而會惡化黑啟動初期電網(wǎng)的穩(wěn)定性。在子網(wǎng)與外部電網(wǎng)并列前，建議禁止風(fēng)電、光伏電廠并網(wǎng)，待子網(wǎng)與外部電網(wǎng)并列后，才可以并網(wǎng)。

4)黑啟動初期，為防止空充主變壓器對啟動電源造成破壞，啟動電源宜帶下一級變電站主變壓器零起升壓，該變電站帶上一定負(fù)荷后再考慮后續(xù)變電站空充主變壓器。

4 結(jié) 論

前面研究了黑啟動初期負(fù)荷恢復(fù)的策略，探索體現(xiàn)負(fù)荷恢復(fù)數(shù)量和恢復(fù)速度的實用方法，并進(jìn)一步研究了黑啟動操作過程中的暫態(tài)穩(wěn)定、過電壓等電磁暫態(tài)問題的自動校核技術(shù)。在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一套電網(wǎng)大停電后恢復(fù)方案制定及決策支持實用化系統(tǒng)。利用開發(fā)的決策支持系統(tǒng)，制定了四川電網(wǎng)11個子系統(tǒng)啟動方案并進(jìn)行了風(fēng)險校核及子系統(tǒng)間并列操作風(fēng)險校核。最終形成了四川電網(wǎng)大停電后恢復(fù)方案，給出了典型水電機組作為黑啟動電源在啟動初期的負(fù)荷沖擊量參考值、黑啟動初期建議的恢復(fù)策略。

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