電力系統黑啟動方案及其應用研究

潘廣春

摘 要：電力系統運行過程中不可避免的會發生故障，給人們的生產、生活造成巨大的影響。如何依據電力系統的實際運行狀況制定黑啟動方案，使電力系統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；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

隨著智能電網的建設、電網互聯及遠距離直、交流輸電技術的不斷發展，大容量機組、超高壓設備及分布式發電技術在配電網的大量應用，同時配電網規模不斷增加，電力系統的動態行為日益復雜，對系統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運行過程中發生的風險。長時間大面積的停電不僅會造成巨大的經濟損失，也可能危及電力系統的安全，如何能在停電之后迅速恢復供電，是電力企業亟待解決的重要課題。

因此，研究電力系統出現故障后的重新啟動問題，并據此制定合理、科學的黑啟動方案十分必要。基于此，筆者對此問題進行研究。

1 電力系統的黑啟動方案

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出現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背景下電力系統的特征，如高電壓、高智能化及前沿技術等，充分利用現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。在確保恢復能有序進行的前提下，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，假設電力系統處于完全停電狀態，即整個電力系統處于“孤島”狀態；

第二，假設系統中電力負荷的恢復時間是零；

第三，忽略電力系統的網架重構的影響。

1.3 電力系統黑啟動方案的數學模型

1.3.1 目標函數

電力系統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劣。以停電最小損失為目標函數，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、機組狀態約束、啟動功率約束、負荷狀態約束、系統頻率約束、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。

機組狀態約束：電力系統在黑啟動時，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。

機組啟動功率約束：在電力系統中，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。

負荷狀態約束：電力系統在黑啟動過程時，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。

系統頻率約束：當電力系統發生故障時，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再一次出現崩潰。為了避免這種情況的出現，確保配電網安全、可靠地恢復，系統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頻率出現過多的下降，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、小工業及工業重要用戶。電力系統允許的最大頻率偏差為-0.5 Hz令參考母線busl即θ1，t=0；系統中的水輪機組作為黑啟動機組，調差系數為3，負荷的調查系數，見表1。

算例中機組、負荷、母線、線路的數量分別為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。

電力系統發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：

[1] 劉艷.電力系統黑啟動及其決策支持技術的研究[D].北京：華北電力大 學，2013.06.

[2] 李亞男.考慮負荷類型及停電損失的負荷恢復策略優化[J]，華北電力 大學學報，2013.39（3）：21-26.

[3] 鐘慧榮.黑啟動中網架重構階段的負荷恢復優化[J]，電力系統保護與 控制，2014.39（17）：26-32.