黑啟動方案制定及決策支持實用系統

，， ，， (.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 6004；.四川電力調度控制中心，四川 成都 6004)

0 引 言

隨著電力系統規模的日益擴大，其網絡結構和動態性能也變得越加復雜。近年來，隨著可再生能源的大規模接入，其固有的波動性、隨機性和間歇性，也給電力系統的安全、穩定運行帶來了更大的不確定性和更嚴峻的挑戰。而在市場環境下，電力系統的運行條件更加接近于穩定極限，若局部故障處理不當，極易導致事故擴大，引發大面積停電事故。為了在大停電發生后能迅速恢復系統、減少損失，需要提前制定黑啟動恢復方案。

大量文獻對黑啟動決策理論進行了研究，并開發了決策系統[1-3]。但對于大規模電力系統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過電壓[5]等電磁暫態風險，采用廣泛應用的商業化仿真軟件進行自動校核以及實用的負荷恢復數量和速度控制方面研究較少。在大電網黑啟動過程要完成前述風險分析，需要建立海量的仿真模型，耗時耗力，且難以對每個子網、每條啟動路徑均進行詳細分析，從而影響了黑啟動策略的科學性和有效性。

針對以上問題，結合四川電網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險、負荷恢復速度和機組恢復速度等因素；研究黑啟動初期負荷恢復的策略，探索體現負荷恢復數量和恢復速度的實用方法；研究黑啟動操作過程中的暫態穩定、過電壓等問題的自動校核技術。在研究基礎上開發了一套電網大停電后恢復方案制定及決策支持實用化系統，并應用該系統完成了四川電網黑啟動方案制定和校核，給出了黑啟動初期建議的恢復策略和沖擊負荷投入策略。

1 系統總體設計方案

所設計系統基于大電網已有的機電暫態數據，實現快速的黑啟動方案生成、全面的電磁暫態及機電暫態風險分析和對比，并能對方案校驗結果予以保存和分析，基于相關的技術標準和專家經驗，給用戶提供黑啟動輔助決策。

系統的核心功能包括：1)電網機電暫態數據的解析及拓撲識別；2)黑啟動方案生成；3)黑啟動方案校驗；4)黑啟動方案管理。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

2 系統關鍵功能實現

2.1 電網數據的解析和廠站劃分

鑒于PSD-BPA在電力系統中的廣泛使用，軟件系統的數據源取自BPA。電網數據解析包括對潮流DAT文件及穩定SWI文件的解析[6]。根據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”映射表，對電網進行全局拓撲識別。

在此基礎上，對電網數據進行“再理解”，按人的思維，將電網數據分為3個層次：分區、廠站和設備。采用深度優先搜索的方法，識別出每個電廠和變電站內部拓撲，其中將廠站又根據其擁有的設備類型劃分為：水電廠、火電廠、風電場、光伏電站等。解析好的電網數據，由廠站設備字典、母線-廠站字典、廠站-分區字典組成。數據解析流程如圖2所示。

圖2 數據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：黑啟動區域設置、黑啟動路徑生成、黑啟動方案編輯。

1)黑啟動區域設置

對于大電網，需要分區制定黑啟動方案，要先收縮電網數據，限定方案搜索的范圍。通過設置篩選條件指定黑啟動方案涉及的廠站集。

篩選時，分區的篩選是利用數據解析時生成的“母線-廠站”字典和“廠站-分區”字典，而電壓等級、廠站名的篩選則是利用數據解析拓撲后生成的廠站設備集。

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，所開發的系統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重和最小；如果采用手動指定生成，則只需要設定起始廠站，系統會根據起始廠站不斷引導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，與設置的黑啟動區域也無關，可以全網手動指定路徑。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。這利用的是電網數據解析時的拓撲關系，根據節點自動獲得其相鄰支路。

3)黑啟動方案編輯

由于黑啟動時系統環境較為復雜多變，某設備的故障會引起黑啟動路徑的變化，故該系統允許用戶對已生成的黑啟動方案進行編輯，為了保證黑啟動方案的可行性，程序自動檢測節點的相鄰支路，以節點毗鄰的方式不斷向外延伸來增加設備，通過增刪相應電網數據卡，實現方案的完全自定義。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的校驗。系統首先對黑啟動方案進行潮流校驗，潮流校驗通過后的方案再進行電磁暫態和機電暫態風險校驗，潮流校驗不通過的方案認為是不可行方案。

電磁暫態方面的校驗包括：2%統計操作過電壓校驗、單相接地甩負荷和無故障三相甩負荷工頻過電壓校驗、自勵磁校驗、空充主變勵磁涌流引發諧波過電壓校驗。機電暫態方面的校驗包括：投負荷校驗和暫態穩定校驗以及子系統并列、合環過程風險校驗。

黑啟動校驗步驟為如下：

1)根據黑啟動方案，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、電源及負荷投入過程，線路啟動主要為空充線路操作過程。

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

機電暫態校驗給出各站負荷投入量后，建立電磁暫態模型，在此基礎上對各步驟啟動過程過電壓水平進行校驗。

3)啟動過程機電暫態校驗完成后，給出各站負荷投入水平，并根據啟動方案自動建立全區域機電暫態模型，進行相關的穩定校驗。

4)最后將過電壓校驗和暫態穩定校驗結果讀入決策分析模塊，利用相關的標準和專家經驗，對比后給出最優的黑啟動決策。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

系統黑啟動過程過電壓應不超過相關標準、規范等的要求，對于無標準的應不超過運行經驗給出的過電壓值。負荷恢復量還應進行暫態過程校驗，負荷投入后最低頻率不應觸發低周減載動作。黑啟動過程中，投負荷對系統的影響主要體現在電壓和頻率的短時間大幅度下降，在投入同樣負荷量的情況下，系統暫態最低頻率較大、最低電壓較高的黑啟動方案是更優秀的。同理，在最低頻率相同的情況下，投入負荷量更大的黑啟動方案更優秀。啟動過程過電壓風險最小、穩定風險最小、啟動負荷最多的方案則認為是最優黑啟動方案。電磁暫態和機電暫態校驗中參考的具體判據[9-10]如下：

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

2)暫態穩定判據：黑啟動子系統在并列前，大擾動后引起該子系統各機組之間功角相對增大，經過第一、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荷。

2.3.1 護理質量改進程序 通常采取發現問題—歸因分析—要因確認—提出方案—修訂方案—形成規范6個步驟。發現問題和歸因分析采取頭腦風暴等形式，集臨床護士智慧;要因確認需用因果關系矩陣圖及主因確認法，解決問題的方法可循證A級證據或臨床研究成果，鼓勵臨床一線護士大膽創新、勇于改革與實踐，探索科學有效的護理工作方法。

5)自勵磁判據：當發電機帶空載長線時，不發生自勵磁的理論判據如式(1)。

WN>Qc×Xd

(1)

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

6)諧波過電壓判據：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準取值見表1、表2，最高過電壓不宜超過表中最大值。

表1 諧波過電壓參考標準1

表2 諧波過電壓參考標準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，可能需要對方案進行適當的編輯和修改，故開發了可視化的電網數據編輯器，通過對電網數據進行實時解析，實現電網數據的可視化編輯。當用戶要編輯某數據卡時，程序會自動解析該行數據給予用戶提示，方便用戶對方案進行編輯。

2)黑啟動方案對比和排序。

3 四川電網的應用

開發的電網大停電后恢復方案制定及決策支持系統部分界面如圖5和圖6所示。

圖5 系統應用界面

圖6 過電壓校核界面

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

表3 機組參數和負荷沖擊量參考值

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

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

3)由于風電廠和光伏電廠對調頻調壓無貢獻，反而會惡化黑啟動初期電網的穩定性。在子網與外部電網并列前，建議禁止風電、光伏電廠并網，待子網與外部電網并列后，才可以并網。

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荷后再考慮后續變電站空充主變壓器。

4 結 論

前面研究了黑啟動初期負荷恢復的策略，探索體現負荷恢復數量和恢復速度的實用方法，并進一步研究了黑啟動操作過程中的暫態穩定、過電壓等電磁暫態問題的自動校核技術。在此基礎上開發了一套電網大停電后恢復方案制定及決策支持實用化系統。利用開發的決策支持系統，制定了四川電網11個子系統啟動方案并進行了風險校核及子系統間并列操作風險校核。最終形成了四川電網大停電后恢復方案，給出了典型水電機組作為黑啟動電源在啟動初期的負荷沖擊量參考值、黑啟動初期建議的恢復策略。

[1] 王洪濤，劉玉田，邱夕照．基于分層案例推理的黑啟動決策支持系統[J]．電力系統自動化，2004，28(11)：49-52．

[2] 蘇德生，顧雪平，趙書強，等．河北南網黑啟動決策支持系統的研究開發[J]．電力系統自動化，2004，28(12)：45-50．

[3] 周云海，閔勇，楊濱．黑啟動及其決策支持系統[J]．電力系統自動化，2001，25(15)：43-46.

[4] 馬燕峰,趙書強,顧雪平,等. 黑啟動過程中操作過電壓的仿真計算[J].高電壓技術，2006, 32(11)：123-126．

[5] 魏巍,向天堂,丁理杰,等. 勵磁涌流引發的諧波過電壓機理分析以及抑制措施研究[J]. 電測與儀表，2016，53(24)：24-31．

[6] 羅彬,李剛,程春田，等. 基于PSD-BPA的省地一體化電力系統設備參數管理策略[J]．電力系統自動化，2015，39(6)：114-119．

[7] 湯涌,卜廣全,印永華,等.PSD-BPA 潮流程序用戶手冊[S].北京:中國電力科學研究院,2008.

[8] 湯涌,卜廣全,印永華,等.PSD-BPA 暫態穩定程序用戶手冊[S].北京:中國電力科學研究院,2008.

[9] DL/T 620-1997,交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].

[10] Q/GDW 1404-2015,國家電網安全穩定計算技術規范[S].