區(qū)域電網(wǎng)黑啟動系統(tǒng)的研究及工程應(yīng)用

李群山，李婧斐，吳亞駿，程迪，余笑東，林濟(jì)鏗

(1. 國家電網(wǎng)華中電力調(diào)控分中心，武漢430077；2. 上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海200090；3. 國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，武漢430077；4. 同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海201804)

0 引言

近年來，隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，各區(qū)域間電網(wǎng)互聯(lián)性顯著增強(qiáng)，大容量機(jī)組、長距離輸電線路大量投運(yùn)，以及交直流混合供電、可再生能源并網(wǎng)，在顯著提升電網(wǎng)供電能力及綠色能源利用率的同時，也會明顯增加系統(tǒng)運(yùn)行方式的復(fù)雜性和多變性[1 - 2]，相應(yīng)增大系統(tǒng)因局部故障誘發(fā)電網(wǎng)大面積停電的幾率。近10年，全球陸續(xù)發(fā)生數(shù)起大停電事故[3 - 4]，如“6·16阿根廷大停電”[5]、“8·9英國大停電”[6]、“3·21巴西大停電”[7]，以及2021年初美國德州全網(wǎng)大停電等。盡管上述大面積停電事故發(fā)生概率較低，但依舊無法完全避免。一旦發(fā)生，會給地區(qū)乃至國家層面帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)社會生產(chǎn)及居民生活秩序。為了能在大停電后盡快恢復(fù)電網(wǎng)正常運(yùn)行，減小停電損失，最有效的方法就是事先編制應(yīng)急預(yù)案，當(dāng)發(fā)生事故時可根據(jù)該預(yù)案快速恢復(fù)系統(tǒng)供電，從而大幅減少停電帶來的損失[8]。由于黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)方案的制定過程非常復(fù)雜，相應(yīng)地如何構(gòu)建有效的黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)方案輔助決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)方案的快速生成，成為亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

迄今，黑啟動方面的研究大致可以分為如下4個方面。

1)系統(tǒng)分區(qū)。文獻(xiàn)[9]對各分區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)順序和路徑進(jìn)行了綜合考量，并采用遺傳算法和最短路徑法得到了最優(yōu)分區(qū)策略。文獻(xiàn)[10]兼顧系統(tǒng)恢復(fù)的快速性和安全性，采用禁忌搜索算法得到多個恢復(fù)分區(qū)。文獻(xiàn)[11]基于社團(tuán)劃分算法，將劃分子系統(tǒng)的過程分成節(jié)點(diǎn)的“凝聚”和“分裂”，從而實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)聯(lián)系較強(qiáng)，而子系統(tǒng)之間聯(lián)系較弱的分區(qū)方案，但忽略了電網(wǎng)本身的固有特性。文獻(xiàn)[12]采用改進(jìn)標(biāo)簽傳播算法進(jìn)行子區(qū)域的劃分，在電網(wǎng)拓?fù)涞幕A(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了停電前系統(tǒng)的潮流分布。上述方法共同面臨的問題是如何構(gòu)建更為合理的分區(qū)模型，并實(shí)現(xiàn)其快速求解。

2)黑啟動方案評估。文獻(xiàn)[13]通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲎詣由珊趩臃桨?，并依?jù)層次分析法和專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案的評估排序。文獻(xiàn)[14]充分利用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法和層次分析法的優(yōu)點(diǎn)，并將兩者相結(jié)合，得到最優(yōu)黑啟動方案。文獻(xiàn)[15]所提方法可以實(shí)現(xiàn)多個被啟動機(jī)組同時啟動，大大加快系統(tǒng)的恢復(fù)進(jìn)程。文獻(xiàn)[16]將熵權(quán)權(quán)重和專家偏好相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對于方案相對優(yōu)劣性更為合理的評價和排序。文獻(xiàn)[17]提出了一種利用近鄰傳播聚類確定權(quán)重的方法，可以體現(xiàn)出決策矩陣的微小變化。上述方法共同面臨的問題是如何既充分利用信息本身所蘊(yùn)含的客觀屬性和專家所關(guān)注問題偏好的主觀性，又能使得工程容易實(shí)施。

3)系統(tǒng)恢復(fù)。文獻(xiàn)[18]提出了基于電源、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)重要性評價的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)及負(fù)荷恢復(fù)策略，并利用離散粒子群算法求解。文獻(xiàn)[19]提出了基于網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的系統(tǒng)恢復(fù)多目標(biāo)雙層優(yōu)化模型，并利用多步凋亡優(yōu)化策略和模糊決策方法得到最終的恢復(fù)方案。文獻(xiàn)[20]提出了一種計及安全約束的負(fù)荷恢復(fù)優(yōu)化模型，并通過進(jìn)化優(yōu)化算法求解。文獻(xiàn)[21]提出了兩階段優(yōu)化模型，包括網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和負(fù)荷恢復(fù)，并基于遺傳算法進(jìn)行求解。上述方法共同面臨的問題是如何構(gòu)建一個完善的系統(tǒng)恢復(fù)模型，并實(shí)現(xiàn)其快速和有效的求解。

4)黑啟動輔助決策系統(tǒng)。文獻(xiàn)[22]開發(fā)了一套智能化的決策軟件，可根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時更新黑啟動方案。文獻(xiàn)[23]依據(jù)黑啟動電源、網(wǎng)架、負(fù)荷恢復(fù)的順序和聯(lián)系，并結(jié)合專家知識，設(shè)計了相應(yīng)的軟件。文獻(xiàn)[24]開發(fā)的系統(tǒng)主要包括黑啟動路徑生成和系統(tǒng)恢復(fù)兩個方面，并可通過3D實(shí)景圖進(jìn)行展示。上述方法共同面臨的問題是如何研發(fā)涵蓋黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)過程所有方面的功能完善系統(tǒng)，且能夠根據(jù)系統(tǒng)的當(dāng)前最新信息實(shí)現(xiàn)快速的黑啟動方案生成和展示。

基于如上綜述，不難看出：1)目前黑啟動分區(qū)的研究未能充分考慮分區(qū)后子系統(tǒng)并行恢復(fù)過程的影響，大多是在求得最優(yōu)分區(qū)方案之后，再進(jìn)行子系統(tǒng)的恢復(fù)；2)目前關(guān)于大面積停電后的系統(tǒng)恢復(fù)過程大多采取總體建模，分步求解策略，但由于問題的復(fù)雜性，所建模型相對簡單，或只是考慮黑啟動過程中某一方面的約束及特性，并沒有完整地考慮其各種特性約束，相應(yīng)所得到的解大多只是一個近似解或局部最優(yōu)解；3)目前關(guān)于黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)的研究大多聚焦于個別環(huán)節(jié)的建模及求解，尚未見到報道功能完整的黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)輔助決策系統(tǒng)。

針對以上問題，本文研發(fā)了一套完整的區(qū)域電網(wǎng)黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)輔助決策系統(tǒng)，并用實(shí)際系統(tǒng)驗(yàn)證了其可行性。本文首先介紹了黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)輔助決策系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)；進(jìn)而介紹了該輔助決策系統(tǒng)的每一功能模塊及算法，主要包括：1)構(gòu)建計及子系統(tǒng)并行恢復(fù)過程影響的最優(yōu)分區(qū)模型及求解策略，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的最優(yōu)分區(qū)；2)對于每一分區(qū)，自動生成黑啟動初始路徑，并對其進(jìn)行可行性校驗(yàn)和評估，獲得最優(yōu)黑啟動路徑；3)構(gòu)建以停電損失和網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù)的系統(tǒng)恢復(fù)完整模型及求解策略，獲得各個分區(qū)系統(tǒng)的恢復(fù)方案；4)進(jìn)行子系統(tǒng)間的同期并列，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的全面恢復(fù)。最后將研發(fā)的黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)輔助決策系統(tǒng)應(yīng)用于華中電網(wǎng)，制定了一套完整的華中電網(wǎng)黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)方案。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

完整的黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)輔助決策系統(tǒng)主要由圖形界面、數(shù)據(jù)庫及算法分析庫3個模塊組成，其關(guān)系如圖1所示。其中圖形界面主要提供可視化的廠站圖、網(wǎng)絡(luò)圖以及3D地理圖；數(shù)據(jù)庫包括系統(tǒng)中的各個元件參數(shù)及分析結(jié)果；算法分析庫包括黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)過程中所有相關(guān)的算法程序，是整個系統(tǒng)的技術(shù)核心所在，主要由系統(tǒng)分區(qū)、黑啟動路徑生成、分區(qū)系統(tǒng)恢復(fù)和子系統(tǒng)并列4個部分組成。

圖1 黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)輔助決策系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of auxiliary decision-making system for black-start and system recovery

2 系統(tǒng)功能設(shè)計與開發(fā)

黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)過程的功能流程如圖2所示，通過系統(tǒng)分區(qū)、黑啟路徑生成選取、分區(qū)系統(tǒng)恢復(fù)和子系統(tǒng)并列，最終生成黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)方案。

2.1 系統(tǒng)分區(qū)

當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大且有多個黑啟動電源時，應(yīng)將該電網(wǎng)劃分成若干個可同時進(jìn)行黑啟動操作的子系統(tǒng)，劃分原則如下[25 - 26]：1)各子系統(tǒng)至少包括一個黑啟動電源；2)各子系統(tǒng)規(guī)模不宜相差太大；3)各子系統(tǒng)內(nèi)部必須連通。

圖2 黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)過程的功能流程圖Fig.2 Function flow chart of black-start and system recovery process

系統(tǒng)分區(qū)可加快電網(wǎng)恢復(fù)速度，盡快恢復(fù)負(fù)荷供電，減少停電帶來的損失，因此有必要在分區(qū)時考慮各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的停電損失；同時子系統(tǒng)間聯(lián)絡(luò)線的恢復(fù)需要經(jīng)過復(fù)雜的同期操作或合環(huán)操作，聯(lián)絡(luò)線的數(shù)量會影響系統(tǒng)的并列過程，因此在分區(qū)時應(yīng)使得子系統(tǒng)之間的聯(lián)絡(luò)線數(shù)量盡量少。

基于以上兩個因素，本文構(gòu)建以分區(qū)停電損失和分區(qū)間聯(lián)絡(luò)線數(shù)目最小為目標(biāo)的最優(yōu)分區(qū)新模型，其目標(biāo)函數(shù)如下：

(1)

系統(tǒng)分區(qū)過程中的約束條件主要包括：1)黑啟動電源約束；2)分區(qū)功率平衡約束；3)連通性約束等。

上述系統(tǒng)分區(qū)模型是一個大型的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題，直接求解相對復(fù)雜，因此本文提出了迭代求解策略：首先采用Dijkstra算法計算各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)到各黑啟動電源的最短恢復(fù)路徑，根據(jù)最短路徑法形成初始分區(qū)，并由初始分區(qū)計算出各個負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)時間；然后基于各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)時間，進(jìn)行分區(qū)的優(yōu)化和更新，獲得新的分區(qū)，再根據(jù)新的分區(qū)，更新各個負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)時間；如此反復(fù)迭代，直至收斂，最后所得分區(qū)結(jié)果即為系統(tǒng)的最優(yōu)分區(qū)方案。

基于該模型所得到的分區(qū)相對于現(xiàn)有沒有計及分區(qū)恢復(fù)影響的分區(qū)，更為合理。

2.2 黑啟動路徑的生成

2.2.1 初始路徑的生成

在各分區(qū)子系統(tǒng)中，對于給定的黑啟動電源及被啟動電源，應(yīng)選擇一條綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的黑啟動路徑。相應(yīng)地，黑啟動路徑應(yīng)滿足如下條件：1)電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)一般不超過3次；2)經(jīng)過的變電站個數(shù)一般不超過3個；3)線路總長度滿足最短原則；4)路徑盡可能通過重要負(fù)荷；5)整個路徑的恢復(fù)總時間越短越好，且不超過2 h；6)盡可能啟動容量大的機(jī)組；7)方案中各種校驗(yàn)指標(biāo)相較為優(yōu)。

基于上述黑啟動路徑原則，構(gòu)建相應(yīng)的規(guī)則，采用規(guī)則結(jié)合深度優(yōu)先搜索方法[27]自動生成從黑啟動電源到被啟動電源的所有初始路徑，并形成初始路徑集。該方法既避免了人工形成初始路徑的繁瑣，又保證了初始路徑集的完備性。

2.2.2 黑啟動路徑校驗(yàn)

在得到初始路徑集之后，需要對該集合上的所有路徑進(jìn)行如下5個方面的可行性校驗(yàn)。

1)工頻過電壓校驗(yàn)。投空載線路時可能會出現(xiàn)線路末端穩(wěn)態(tài)工頻電壓升高的現(xiàn)象，該校驗(yàn)采用常規(guī)潮流算法進(jìn)行計算即可。

2)操作過電壓校驗(yàn)。當(dāng)斷路器進(jìn)行投空載線路操作時，線路末端會出現(xiàn)較高的暫時過電壓，對線路和電力設(shè)備絕緣產(chǎn)生不可逆的損害，該校驗(yàn)通過電磁暫態(tài)仿真進(jìn)行。

3)自勵磁校驗(yàn)。若黑啟動電源到被啟動電源的啟動路徑過長，該啟動路徑上由線路提供的容性無功較高，潛在的自勵磁風(fēng)險可能會導(dǎo)致黑啟動失敗。該校驗(yàn)采用容量比較判據(jù)，不同路徑之間的優(yōu)劣程度可用自勵磁指標(biāo)VI來表示，即

VI=Se/(Qc×Xd)

(2)

式中：Se為發(fā)電機(jī)額定容量；Qc為線路提供的容性無功功率；Xd=xd+xT為考慮變壓器漏抗的等值同步電抗，其中xd為發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗，xT為變壓器漏抗。

4)電壓及頻率穩(wěn)定性校驗(yàn)。大型廠用電動機(jī)的投入可能會引起被啟動電源的母線電壓產(chǎn)生較大幅度的跌落，造成廠用電動機(jī)不能正常啟動而導(dǎo)致黑啟動失敗，為保證黑啟動初期恢復(fù)操作的順利實(shí)施，應(yīng)保證頻率在49.0～51.0 Hz范圍內(nèi)，電壓在0.9～1.1 p.u.范圍內(nèi)，該校驗(yàn)通過機(jī)電暫態(tài)仿真進(jìn)行。

5)小干擾穩(wěn)定性校驗(yàn)。由黑啟動電源、被啟動電廠及相應(yīng)的黑啟動路徑組成的系統(tǒng)，比較薄弱，很可能由于后續(xù)負(fù)荷的投入導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定。該校驗(yàn)通過QR法基于特征根計算來確定系統(tǒng)小擾動是否滿足要求。

對于初始路徑集中的所有路徑經(jīng)過上述5個方面的校核計算，5個校核計算均滿足要求的路徑，組成了可行路徑集。

2.2.3 黑啟動路徑評估

為了實(shí)現(xiàn)對于可行路徑集上的所有路徑進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，需對其進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評價，相應(yīng)的評價指標(biāo)體系包括：1)電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)；2)開關(guān)操作次數(shù)；3)線路總長度；4)路徑恢復(fù)時間；5)可帶重要負(fù)荷數(shù)；6)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)劣。

本文采用基于熵權(quán)模糊綜合評價模型對各個子系統(tǒng)中的可行黑啟動路徑進(jìn)行評估，綜合考慮客觀(路徑的各評價指標(biāo)信息)權(quán)重和主觀(各指標(biāo)的專家評價權(quán)重)權(quán)重的影響，而實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)可行路徑的排序，其主要步驟包括：1)確定評價指標(biāo)集和評語集；2)形成評價矩陣，并將其標(biāo)準(zhǔn)化；3)確定評價指標(biāo)的熵權(quán)以及綜合指標(biāo)權(quán)重；4)構(gòu)建方案的模糊評價矩陣；5)計算各方案的模糊綜合評價集；6)利用模糊綜合評價結(jié)果對所有可行方案進(jìn)行排序。

2.3 系統(tǒng)恢復(fù)

當(dāng)各分區(qū)的最優(yōu)黑啟動路徑選擇完成之后，需要給出基于此的分區(qū)恢復(fù)方案，本文選擇系統(tǒng)恢復(fù)過程中的停電損失和網(wǎng)絡(luò)損耗最小為目標(biāo)函數(shù)：

(3)

分區(qū)系統(tǒng)恢復(fù)過程的約束條件主要包括：1)機(jī)組出力及爬坡約束；2)機(jī)組冷、熱啟動時限約束；3)線路傳輸功率約束；4)線路過電壓約束；5)頻率約束；6)負(fù)荷重要性及冷恢復(fù)特性；7)潮流約束等。

上述系統(tǒng)恢復(fù)模型為大規(guī)?；旌险麛?shù)非線性規(guī)劃問題，克服了現(xiàn)有模型不夠完善的缺點(diǎn)，其復(fù)雜性使得直接求解相對比較困難。因此本文采用兩階段分解求解策略：第一階段忽略系統(tǒng)網(wǎng)損、節(jié)點(diǎn)電壓及無功分布變化等非線性因素，只考慮模型中的有功功率恢復(fù)，對應(yīng)模型為線性優(yōu)化問題，通過CPLEX求解得到系統(tǒng)初步恢復(fù)方案；第二階段基于第一階段的有功功率恢復(fù)方案，分別對每一時段已恢復(fù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電壓和無功功率的支撐和優(yōu)化調(diào)節(jié)，從而得到系統(tǒng)所有元件的恢復(fù)次序及相應(yīng)的恢復(fù)量。

對于第一階段有功功率恢復(fù)線性優(yōu)化模型，每個時段已恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)向未恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)最少恢復(fù)一條支路及相應(yīng)所連的變電站(即一層)，最多可以是連續(xù)的k條線路和k個相連的變電站(即k層)，若一條線路和該線路所連變電站充電時間之和記為LS(等于相應(yīng)的開關(guān)操作時間)，每一時段持續(xù)時間長度為ΔT， 則k×LS≥ΔT≥LS。

實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，沿線短線路因沒有過電壓問題可在恢復(fù)時間允許的情況下同時恢復(fù)多層，而長線路因可能存在過電壓問題，其可同時恢復(fù)的層數(shù)較少，甚至只能是單層恢復(fù)。本文基于所引入的每次最多允許的恢復(fù)層數(shù)及相應(yīng)的線路允許的恢復(fù)時刻約束，可在每一時段最大允許恢復(fù)層數(shù)k之間自適應(yīng)地確定恢復(fù)層數(shù)，使得總體系統(tǒng)恢復(fù)時間得到明顯加快。

本文構(gòu)建的系統(tǒng)恢復(fù)模型相對于現(xiàn)有其它方法具有如下優(yōu)勢：1)所考慮的設(shè)備模型相對更為完善；2)計及每階段恢復(fù)層數(shù)的優(yōu)化；3)考慮頻率偏移約束等，使得所得到的恢復(fù)方案相對于其他現(xiàn)有方法更加合理。

2.4 子系統(tǒng)并列

當(dāng)各子系統(tǒng)恢復(fù)完成之后，各子系統(tǒng)需通過同期點(diǎn)進(jìn)行同期并網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復(fù)。各子系統(tǒng)已建立目標(biāo)網(wǎng)架、發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行、系統(tǒng)主要負(fù)荷恢復(fù)約30%以上，各子系統(tǒng)均可保持穩(wěn)定運(yùn)行，可進(jìn)一步進(jìn)行子系統(tǒng)間的并列。

1)并列條件

(1)兩個子系統(tǒng)的頻率差不應(yīng)大于0.5 Hz；

(2)并列點(diǎn)兩側(cè)電壓差不應(yīng)大于20%；

(3)并列點(diǎn)兩側(cè)電動勢相角差不應(yīng)大于15 °。

2)并列順序

當(dāng)3個以上子系統(tǒng)要同期并列時，應(yīng)選擇裝機(jī)容量最大的系統(tǒng)與容量最小的系統(tǒng)首先進(jìn)行同期并列，相應(yīng)可以更為容易地把兩個系統(tǒng)拉入同步，降低系統(tǒng)并列時所產(chǎn)生的振蕩；依此類推，直到所有子系統(tǒng)均完成了同期并列操作。

通過上述過程之后，一個完整的黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)方案即制定完成。

3 工程應(yīng)用

為了驗(yàn)證本文所提黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)輔助決策系統(tǒng)的可行性，將該系統(tǒng)應(yīng)用于華中電網(wǎng)，制定其2021年整個區(qū)域電網(wǎng)的黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)方案。

華中電網(wǎng)位于我國中部地區(qū)，由河南、湖北、湖南和江西四省電網(wǎng)通過1 000 kV及500 kV省間交流線路互聯(lián)構(gòu)成?，F(xiàn)有的黑啟動方案均由各省單獨(dú)制定，可實(shí)現(xiàn)省級電網(wǎng)的快速恢復(fù)，但并沒有整個區(qū)域電網(wǎng)快速恢復(fù)的黑啟動方案。因此，如何打破省間邊界，構(gòu)建跨省的華中電網(wǎng)一體化的區(qū)域黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)方案，是一個亟待解決的問題。

華中4省地理位置關(guān)系及聯(lián)絡(luò)線關(guān)系如圖4所示，其中河南、湖北、湖南和江西在圖中分別用實(shí)線圓圈表示，省間聯(lián)絡(luò)線用實(shí)線表示。白蓮河、洞坪、隔河巖、水布埡、襄樊、洪屏、萬安、柘林、東江、黑麋峰、托口、五強(qiáng)溪、峪寶泉、西霞院等一共14個電廠因其均具有自啟動能力，可作為全“黑”狀態(tài)下的華中電網(wǎng)的黑啟動電源。

圖4 華中電網(wǎng)黑啟動子系統(tǒng)劃分結(jié)果Fig.4 Partition results of black-start subsystems in Central China Power Grid

3.1 系統(tǒng)分區(qū)結(jié)果

基于2.1節(jié)的分區(qū)算法及上述給定的黑啟動電源，對華中電網(wǎng)進(jìn)行最優(yōu)分區(qū)計算，共得到14個分區(qū)子系統(tǒng)，分別為：豫北分區(qū)、豫西分區(qū)、鄂西北及豫西南分區(qū)、鄂東及豫東南、恩施分區(qū)、宜昌分區(qū)、贛南分區(qū)、贛北(洪屏)分區(qū)、贛北(柘林)分區(qū)、湘西北分區(qū)、湘西南分區(qū)、湘中分區(qū)、湘東南分區(qū)。圖4為該14個分區(qū)子系統(tǒng)的劃分輪廓圖，其中14個分區(qū)子系統(tǒng)在圖中分別用虛線圓圈表示，分區(qū)之間的聯(lián)絡(luò)線用虛線表示。

表1 華中電網(wǎng)各分區(qū)不平衡功率Tab.1 Unbalanced power of Central China Power Grid partitions

表1為華中電網(wǎng)各分區(qū)不平衡功率結(jié)果。由于在分區(qū)時還考慮了華中電網(wǎng)500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)及調(diào)度操作習(xí)慣，對算法給出的分區(qū)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整之后，導(dǎo)致有些分區(qū)的不平衡功率可能偏大，但基本都在閾值(最大發(fā)電功率的20%)之內(nèi)。

3.2 黑啟動路徑確定

基于2.2節(jié)的算法，本文對于華中電網(wǎng)14個分區(qū)的最優(yōu)黑啟動路徑進(jìn)行了相關(guān)計算。限于篇幅，本文僅給出鄂東及豫東南分區(qū)最優(yōu)黑啟動路徑的計算結(jié)果。

在該分區(qū)中，選擇白蓮河電廠1號機(jī)作為黑啟動電源，大別山電廠1號機(jī)作為被啟動電源，進(jìn)行初始路徑的搜索，并進(jìn)行技術(shù)校驗(yàn)，共得到3個可行的黑啟動路徑方案，分別為：

方案1：白蓮河電廠1號機(jī)→太山寺220 kV母線→陶家220 kV母線→鍋頂山220 kV母線→舵落口220 kV母線→柏泉500 kV母線→木蘭500 kV母線→道觀河500 kV母線→大別山500 kV母線→大別山電廠1號機(jī)啟備變→大別山電廠1號機(jī)輔機(jī)；

方案2：白蓮河電廠1號機(jī)→太山寺220 kV母線→陶家220 kV母線→玉賢220 kV母線→舵落口220 kV母線→柏泉500 kV母線→木蘭500 kV母線→道觀河500 kV母線→大別山500 kV母線→大別山電廠1號機(jī)啟備變→大別山電廠1號機(jī)輔機(jī)；

方案3：白蓮河電廠1號機(jī)→白蓮河500 kV母線→大吉500 kV母線→道觀河500 kV母線→大別山500 kV母線→大別山電廠1號機(jī)啟備變→大別山電廠1號機(jī)輔機(jī)。

分別對上述3個可行的黑啟動路徑方案進(jìn)行評估，評估結(jié)果如表2所示。

其中校驗(yàn)指標(biāo)綜合處理值是由該路徑校驗(yàn)所得的工頻過電壓值、操作過電壓值、自勵磁校驗(yàn)值以及電壓頻率偏移量，經(jīng)過歸一化處理后得到。由表2可知，綜合評分最高的是方案3，因此，本文選擇方案3為鄂東及豫東南分區(qū)的最優(yōu)黑啟動路徑，如圖5所示。

表2 鄂東及豫東南分區(qū)黑啟動路徑評估結(jié)果Tab.2 Evaluation results of black-start paths of the sub-region of eastern Hubei and southeast Henan

圖5 鄂東及豫東南分區(qū)黑啟動路徑Fig.5 Black start path of eastern Hubei and southeastern Henan

3.3 分區(qū)系統(tǒng)恢復(fù)方案

基于2.3節(jié)的分區(qū)系統(tǒng)恢復(fù)模型及算法，本文對于14個分區(qū)的恢復(fù)方案進(jìn)行了計算。限于篇幅，僅給出鄂東及豫東南分區(qū)的恢復(fù)方案，其500 kV網(wǎng)架如圖6所示。該分區(qū)系統(tǒng)恢復(fù)分為10個時段，每個時段恢復(fù)的500 kV機(jī)組、廠站和線路分別如表3所示。

圖6 鄂東及豫東南分區(qū)500 kV網(wǎng)架Fig.6 500 kV grid of eastern Hubei and southeastern Henan

表3 鄂東及豫東南分區(qū)恢復(fù)結(jié)果Tab.3 Recovery results of eastern Hubei and southeastern Henan

該分區(qū)系統(tǒng)是以黑啟動電源白蓮河電廠恢復(fù)大吉、道觀河站和大別山電廠，并以此為黑啟動路徑，實(shí)現(xiàn)分區(qū)的恢復(fù)。

3.4 子系統(tǒng)間的并列

當(dāng)14個子系統(tǒng)均恢復(fù)完成之后，根據(jù)2.4節(jié)的原則，進(jìn)行分區(qū)之間的同期互聯(lián)。較快恢復(fù)的子系統(tǒng)若存在同樣較快恢復(fù)的相鄰子系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)先并列。當(dāng)同時存在多個恢復(fù)速度相近的子系統(tǒng)時，根據(jù)子系統(tǒng)并列原則優(yōu)先選取已恢復(fù)子系統(tǒng)中容量最大的與最小的進(jìn)行并列；依次進(jìn)行子系統(tǒng)的并列，直至所有子系統(tǒng)完成并列。從而實(shí)現(xiàn)了整個華中地區(qū)電網(wǎng)的全面恢復(fù)。

本文制定的黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)方案經(jīng)過專家團(tuán)的多輪評審，已經(jīng)作為華中電網(wǎng)調(diào)度中心的黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)預(yù)案。從而證實(shí)本文所研發(fā)系統(tǒng)及所提模型和算法的可行性和正確性。

4 結(jié)語

本文研發(fā)了一套完整的區(qū)域電網(wǎng)黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)輔助決策系統(tǒng)，并用實(shí)際系統(tǒng)驗(yàn)證其可行性。首先介紹了該輔助決策系統(tǒng)的功能模塊及算法，主要包括：1)構(gòu)建計及子系統(tǒng)并行恢復(fù)過程影響的最優(yōu)分區(qū)模型及求解策略，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的最優(yōu)分區(qū)；2)對于每一分區(qū)，自動生成黑啟動初始路徑，并對其進(jìn)行可行性校驗(yàn)和評估，獲得最優(yōu)黑啟動路徑；3)構(gòu)建以停電損失和網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù)的系統(tǒng)恢復(fù)完整模型及求解策略，獲得各個分區(qū)系統(tǒng)的恢復(fù)方案；4)進(jìn)行子系統(tǒng)間的同期并列，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的全面恢復(fù)。最后將研發(fā)的黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)輔助決策系統(tǒng)應(yīng)用于華中電網(wǎng)，制定出一套完整的華中電網(wǎng)黑啟動及系統(tǒng)恢復(fù)方案。