電力系統(tǒng)黑啟動方案及其應用研究

潘廣春

摘 要：電力系統(tǒng)運行過程中不可避免的會發(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)的實際運行狀況制定黑啟動方案，使電力系統(tǒng)能及時快速恢復供電，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方案的基本要求、假設條件及數(shù)學模型；其次對算例進行分析，結果表明文中制定的黑啟動方案具有實用價值。

關鍵詞：電力系統(tǒng)；黑啟動；方案

中圖分類號：TM734 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）30-0105-02

隨著智能電網(wǎng)的建設、電網(wǎng)互聯(lián)及遠距離直、交流輸電技術的不斷發(fā)展，大容量機組、超高壓設備及分布式發(fā)電技術在配電網(wǎng)的大量應用，同時配電網(wǎng)規(guī)模不斷增加，電力系統(tǒng)的動態(tài)行為日益復雜，對系統(tǒng)的運行條件具有了更為嚴格和苛刻的要求，極大的提升了電力系統(tǒng)運行過程中發(fā)生的風險。長時間大面積的停電不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失，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)故障后的重新啟動問題，并據(jù)此制定合理、科學的黑啟動方案十分必要?；诖?，筆者對此問題進行研究。

1 電力系統(tǒng)的黑啟動方案

1.1 制定黑啟動方案的基本要求

制定黑啟動方案必須要按照下述要求進行：

第一，回溯性。要仔細分析近些年來電力系統(tǒng)出現(xiàn)的故障并弄清楚原因、處理過程、教訓及預防對策，為制定黑啟動方案提供參考；

第二，科學性。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等，充分利用現(xiàn)代化技術為制定黑方案提供服務；

第三，實用性。黑啟動方案必須要符合目前電力系統(tǒng)的實際，要具有較強的針對性和可操作性，黑啟動過程中，調度中心、電廠及變電站的協(xié)調性對黑啟動方案的啟動速度和成敗具有重要影響，因此制定的方案必須要具有實用性。

第四，快速性。在確?；謴湍苡行蜻M行的前提下，必須要最可能的爭取速度。要確保速度，除了要各部門協(xié)調組織外，還必須要可靠的技術做保證，如快速提供黑啟動電源、快速恢復并列等。

1.2 電力系統(tǒng)黑啟動方案的假設條件

在本內容中，以機組啟動和負荷恢復為核心制定黑啟動方案，并作出如下假設：

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

第二，假設系統(tǒng)中電力負荷的恢復時間是零；

第三，忽略電力系統(tǒng)的網(wǎng)架重構的影響。

1.3 電力系統(tǒng)黑啟動方案的數(shù)學模型

1.3.1 目標函數(shù)

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

minz式中，i，ND，PUD，f（tD，i）分別表示負荷索引、數(shù)量、負荷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：機組啟動約束、機組狀態(tài)約束、啟動功率約束、負荷狀態(tài)約束、系統(tǒng)頻率約束、功率平衡約束及母線恢復約束等。

機組啟動約束：對電力機組而言，由于受到各種外界因素的影響，如機組缸的溫度、安全停機保障時間等，因此重新啟動機組時要考慮臨界啟動時間的影響，約束條件如下式（2）所示：

tG，j∈（TUj，TLj） （2）

式中，j，tG，j，TUj，TLj分別表示機組索引、啟動時間、熱、冷啟動的極值時間。

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

Uj，t≥Uj，t-1（3）

式中，t，Uj，t分別表示時間索引及機組的運行狀態(tài)。

機組啟動功率約束：在電力系統(tǒng)中，機組啟動過程中會消耗一定功率，即黑啟動受到啟動功率PG，S，j，t的約束，具體表達式如下式（4）所示：

式中，PD，i，t表示負荷消耗的功率。

負荷狀態(tài)約束：電力系統(tǒng)在黑啟動過程時，電力負荷恢復就不會再開斷，約束條件如下式（5）所示：

Cj，t≥Cj，t-1（5）

式中，Ci，t表示負荷的狀態(tài)。

系統(tǒng)頻率約束：當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，在黑啟動時，如果過早或者過多的恢復負荷，就會導致電力系統(tǒng)運行過程中頻率降低過大，不僅極大的影響了供電質量，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，系統(tǒng)頻率的變動不能超過一定的幅度，必須要控制在合理范圍內，防止黑啟動過程中系統(tǒng)頻率出現(xiàn)過多的下降，頻率約束條件如下式（6）所示：

式中，P'表示機組啟動過程中的實際輸出功率。

母線恢復約束：母線恢復可采取兩種方式進行，其一，黑啟動機組；第二，線路接通，即：

busb，t=Max（busbb，t，busbrb，t）（8）

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

2 算例分析

在算例分析中，將不同負荷進行分類，一共分為5種類型，分別為住宅、政府機關、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)中的水輪機組作為黑啟動機組，調差系數(shù)為3，負荷的調查系數(shù)，見表1。

算例中機組、負荷、母線、線路的數(shù)量分別為4，3，6，5，拓撲結構如圖1所示，圖中的u4為黑啟動機組；

機組的負荷特性、電氣特性分別見表2、表3。

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

參考文獻：

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