黑启动__黑启动电源

第20卷第3期 2008年6月 电力系统及其自动化学报 ProceedingsoftheCSU—EPSA V01．20No．3 Jun． 2008 基于事故损失最小化的黑启动电源选择 吴杰康1，宁远鸿1，陈国通2，张宏亮3 (1．广西大学电气工程学院，南宁530004；2．广西电网公司梧州供电局，梧州543002； 3．广西方元电力股份有限公司，南宁530028) 摘要：为了制定合理的黑启动，加快系统大事故后的恢复，减少事故损失，根据黑启动技术性能指标及各 发电机组的启动特性和运行特性确定待选黑启动电源，并建立数学模型，对各黑启动电源方案进行运行模拟， 得出计算大事故停电损失值所需的停电持续时间等数据，将大事故停电损失值和方案的成本作综合比较，判 断各方案的可行性和优劣性。仿真结果表明，优化的黑启动电源方案减少事故损失达30％以上，证明了该方法 的有效性。 关键词：电力系统；黑启动；启动电源；全黑事故；事故损失 中图分类号：TM732文献标志码：A 文章编号：1003—8930(2008)03—0029-07 InitialGeneratorSelectioninBlackStartofPowerSystems BasedonOutageLossMinimization WUJie—kan91，NINGYuan—hon91，CHENGuo—ton92，ZHANGHong—lian93 (1．DepartmentofElectricalEngineering，GuangxiUniveristy，Nanning530004，China； 2．WuzhouPowerSupplybureau，GuangxiElectricNetCompany，Wuzhou543002，China； 3．GuangxiFangyuanElectricCo．Ltd，Nanning530028，China) Abstract：Inordertoconstructaproperblackstartscenario，acceleratesystemrecoveryafterfaultand minimizeoutageloss，thispaperproposesamethodfordeterminingthenumber，capabilityandlocationofthe generatingunitsintheblackstartofpowersystemsaccordingtotechnicalperformanceindexofblackstart andthecharacteristicsofthegenerators．Outagetimeandlossundereachsourceselectionschemeare obtainedbyblackstartsimulations，basedonwhichcomparisonandjudgementofstartsolutionsare presented．Simulationresultsshowthatoptimalgeneratorslectionschemeofblackstartcandecreaseoutage lossby30％，whichprovesthattheproposedmethodiseffective． Keywords：powersystems；blackstart；initialpowersource；blackOUt，outageloss 继2003年“美加世纪大停电”造成上百亿美 元的经济损失后，进入2005年以来世界各地又发 生了一系列重大停电事故。例如瑞典西南部大停电 事故和俄罗斯首都莫斯科大停电事故。大事故的频 频发生使电力系统的安全稳定问题和大事故后的 恢复问题，即黑启动问题越来越受到人们的重视。 黑启动电源选择问题是系统大事故后恢复的 首要问题，对整个黑启动进程具有举足轻重的影 响。但现今国内外对此问题的研究还处于起步阶 段，相关文献也很少，研究的成果主要应用于区域 电力系统黑启动方案的制定。文献[1]对不同类型 的发电机组的启动特性做了大致的概括。热电厂机 组的热启动和冷启动之间的区别以及它的启动特 性对整个系统黑启动的影响，受到了许多学者的重 视[2~6]。文献[7～11]讨论了黑启动中机组的启动 序列的问题。近几年国内各区域电力系统有关部门 在研究制定黑启动方案的过程中也涉及到黑启动 的电源选择问题，采取的技术路线主要有：①专家 收稿日期：2007—01—09；修回日期：2007—04—09 基金项目；广西自然科学基金资助项目(桂科自0640028)I广西壮族自治区教育厅资助项且，广西壮族自治区研究生教育创新计划 资助项目：广西高校百名青年学科带头人计划资助项目(Rc2006080800) 万方数据 ·30· 电力系统及其自动化学报 第20卷 的经验；②评价各机组的黑启动技术性能指标； ③一些人工智能方法的应用；④通过试验仿真选 择。但是目前对黑启动电源选择的理论与方法主要 集中在“点”的层面上，只是从各类机组的启动特 性进行启动电源的选择，没有从整个系统黑启动所 需的“面”的层面上考虑黑启动电源选择，也没有 考虑使事故停电损失达到最小的最终目标。 由于启动电源的限制，有的电网公司仅制定了 单套黑启动方案，而增加电网的黑启动电源要求对 一些无自启动能力机组进行改造，意味着黑启动成 本的增加，如何解决电网恢复的可靠性和经济性这 一矛盾，需要进行更深层次的讨论和评估，现今的 文献都没有涉及到这方面的内容。本文首先确定待 选黑启动电源，生成黑启动电源方案，建立系统各 组成元素的数学模型，然后基于黑启动规则进行各 方案的运行模拟，最后由模拟所得的技术数据计算 大事故的停电损失值，综合考虑了方案的成本后判 断各方案的可行性和优劣性。同时将事故损失最小 的黑启动目标应用到黑启动电源选择，提出了一个 评价黑启动电源选择方案优劣的量化和解决 黑启动的可靠性和经济性这一矛盾的有效方法。 1 确定待选黑启动电源 1．1 黑启动技术性能指标 无论什么样的机组类型，为了具备黑启动能 力，发电厂的辅助发电设备以及相应的主发电设 备，都需要满足一定的技术性能指标。其中“北美电 力安全委员会”提出了较具权威性的性能指标[1引。 根据这些技术性能指标，对目标电力系统的各发电 厂各机组的运行特性和启动特性进行分析，以确定 哪种类型发电厂的哪些机组适合作为黑启动电源。 水电厂(包括抽水蓄能水电厂)和燃机机组因其良 好的自启动能力和调节能力成为黑启动电源的首 选电厂‘1|。 1．2 生成黑启动电源方案 选择黑启动电源需要考虑机组在系统中所处 的位置。黑启动发电机组必须和它提供启动功率的 发电机组的电气距离足够近，以便能够通过输电系 统进行启动功率的有效传输，并且易于把两端的电 压值控制在允许的范围内。同时还应该考虑黑启动 的一些特殊约束，比如在同一个发电厂内，不可能 有足够的设备和操作人员，同时进行两台以上机组 的启动。 用遍历法遍历系统中所有的发电机组，确认 哪些机组大事故后可以参加系统的恢复，并依据黑 启动技术性能指标、各发电机组的启动特性以及其 他一些考虑因素，把参加恢复的机组分为两类： ①待选黑启动机组，通常为水电机组或燃机机组， 它们具备成为黑启动电源的能力；②无黑启动能 力机组。不同待选黑启动机组的组合就构成不同的 黑启动电源的选择方案。若系统中有点个机组可能 成为黑启动机组，则最多构成2‘个电源选择方案。 2 黑启动运行模拟 各待选黑启动电源方案，选择不同的机组作为 系统的启动电源，使系统的整个恢复进程完全不 同。首先根据系统各组成元素的特征构建模型，然 后基于一系列的黑启动规则对各个方案进行运行 模拟，以校验此方案的黑启动容量是否足够，确定 发电机组的恢复序列和各负荷恢复的时间，从而得 到计算大事故停电损失期望值所需的技术数据。 2．1 黑启动系统模型 1)输电系统模型 根据黑启动过程中输电系统逐步恢复的特征， 以各个发电厂为参考中心对输电系统进行简化建 模。如图1所示，各个发电厂都有一个本地负荷中 心和一个远程负荷中心，与发电厂相联系的输电系 统被简化分为以下几部分：本地输配电网络(10cal distributionnet，LDN)，远程输配电网络(remote distributionnet，RDN)，发电厂与远程负荷中心相 连接的输电电路(transmissioncircuitbetween generatorandRDN，GRT)，与其他发电厂相联系 的输电电路(transmissioncircuitbetween generatorandgenerator，GGT)，以及备用输电电 路(backuptransmissioncircuit，BT)。 图1 电力系统模型 Fig．1Schematicdiagramofpowersystem 万方数据 第3期 吴杰康等：基于事故损失最小化的黑启动电源选择 ·31· 2)发电系统模型 系统发生大事故后，黑启动机组首先快速启 动，非黑启动机组获得启动功率后启动，参与下一 步的系统恢复。为了获得一个合适的发电机组启动 序列，除了要考虑黑启动机组的自启动特性之外， 还必须考虑非黑启动机组的不同物理特性和启动 要求，特别是它们是否具有热启动最大或最／J,l临i界 时间限制。合适的发电机组启动序列可以有效避免 违反约束，同时加快系统的恢复。一旦发电机组和 系统同步，机组的输出功率的计算式为 Pgl'o。。=PgfⅢ。+R酊ti (1) P∥．ⅡIi。≤Pg抽。。≤Pgf．Ni=1，2，⋯，以(2) 式中：P。。。。、P“。i。和P。洲分别代表发电机组的输 出功率、与系统同步后的最小输出功率和额定输出 功率，Mw；R。为发电机有功出力爬升率， MW／min；￡，为机组i与系统同步的时间，min；，2为 系统发电机组的总数。 3)负荷模型 黑启动的负荷模型主要反映负荷接入系统后 负荷随时间变化的规律，也就是负荷曲线。下列是 几个典型的负荷模型。 类型I：Pload(f)一Pload，t>0，其中t为负荷接 入系统的时间，t=0时负荷开始接人系统。P-oad为 负荷的最大值。 类型Ⅱ：Pl。。。(f)=(1一e磕)PⅢ，这是沿指数 规律增长的负荷模型，A为负荷增长指数。 类型Ⅲ：Pl。d(￡)=(五1+at)P10ad，其中a为负 荷增长率，％／min，五。为负荷接人系统瞬间的负荷 恢复率，％。这是线性增长负荷的模型。 类型Ⅳ：P10ad(f)一 f五2PⅢ+卢1fPload 00．079时方案二较优，7<0．079时方案 一较优。 裹3 方案一的黑启动过程 Tab．3Black-startprocessofproject1 裹4 方案二的黑启动过程 Tab．4Black-startprocessofproject2 -启动撮作蒜孟矗忌系黼7 启动G1G5，接人负荷B‘A4 启霸G2G6 自动G3G9 启动G4G7 启动G8。接人负荷B2D2n‘ 接人负荷A2C2C4 接人负蔫B3 接人负荷A3 接人负荷D3 接人负荷C3 羹人负蕾B1 接人负荷A1 接人负荷DI 基人负荷c1 本文所提出的黑启动电源选择的理论和方法 对于大系统也同样适用。大系统同样可以通过对大 事故的停电损失值和方案的成本作综合比较来判 断各黑启动电源方案的可行性和优劣性。但是大系 统停电损失值的计算将会更加复杂，其中的最大技 术难题为黑启动运行模拟。目前上海电网正欲建立 黑启动仿真平台来分析研究黑启动电源选择方案 值得国内其他电网的借鉴。 在电力市场的背景下，黑启动电源的选择原则 是通过选择合适的电源，减少黑启动完成的时间， 降低电网或用户承担的黑启动服务费用，尽量减少 因为大面积断电引起的供电方和用户的损失。黑启 动电厂通过与电网经营企业签订长期黑启动服务

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的形式确定各方的权利和义务。由市场机制形 成的黑启动服务的价格和提供黑启动服务所产生 的成本将最终决定由哪些机组提供黑启动电源。 6 结语 本文基于事故损失最小化的黑启动目标，考虑 了系统黑启动成本，提出了一种评价黑启动电源方 案优劣的量化方法，实践和算例分析表明了该方法 的系统性和有效性。 本文所提的黑启动运行模拟方法和数学模型， 以及大事故停电损失的计算方法，不但对于黑启动 电源选择有重大的意义，而且对系统黑启动其它方 面问题的研究有一定的应用价值，同时为实践中系 统规划黑启动方案提出了新的思路。 参考文献： E1]IEEECommitteeReport．Powersystemrestoration-a taskforcereport[J]．IEEETransonPower Systems，1987，2(2)：271—277． E2]AdibiMM，FinkLH．Powersystemrestoration planning[J]．IEEETransonPowerSystems，1994，9 (2)：22—30． E33 AdibiMM，MilaniczDP．Estimatingrestoration duration[J]．IEEETransonPowerSystems，1999， 14(4)：1493—1501． [4]DickersK，RumpelD．Modellingforgridrestoration studies[J]．ElectricPowerandEnergySystems， 1987，9(1)：45—55． [5]IEEECommitteeReport．Specialconsiderationin powersystemrestoration[J]．IEEETranson PowerSystems，1992，7(4)：1419—1427． [63KakimotoN，EzureS，HayashiM．Developmentof 明．暑一。。H黔拍曲如n心¨¨o孙驰 万方数据 第3期 吴杰康等：基于事故损失最小化的黑启动电源选择 ·35· simulatorwithartificialintelligenceonsecondary powersystemoperation[J]．MemoirsoftheFaculty ofEngineering，1998，50(3)：129—153． E73胡键，郭志忠，刘迎春，等(HuJian，GuoZhizhong，Liu Yingchun，eta1)．故障恢复问题和发电机恢复排序 分析(Powersystemrestorationandanalysisof restorationsequenceofgeneratingsets)FJ]．电网技 术(PowerSystemTechnology)，2004，28(18)：1—4， 15． [83AdibiMM，KafkaRJ．Powersystemrestoration issue[J]．IEEEComputerApplicationsinPower， 1991，4(2)：19—24． [9]LiuCC，LiouKL，ChuRF，eta1．Generation capabilitydispatchforbulkpowersystems restoration：Aknowledge—basedapproach[J3．IEEE TransonPowerSystems，1993，8(1)：316—323． [103CIGREStudyCommittee．Modellingandsimulation ofblackstartandrestorationofelectricpower systems[J]．Electra，1993，27(2)：21—41． [113CIGREStudyCommittee．Modellingandsimulation ofblackstartandrestorationofelectricpower systems—resultsofaquestionnaire[J]．Electra， 1990，24(1)：157—169． [123陈晓，王建兴，臧宝锋(ChenXiao，WangJianxing， ZangBaofeng)．城市电网用户停电损失及其估算方 法的研究(Researchonthepoweroutagecostand itsestimationintheelectricpowernetwork)[J]．昆 明理工大学学报(JournalofKumingUniversityof ScienceandTechnology)，2003，28(1)：53—56． [133熊惠敏，房鑫炎，郁惟镛，等(XiongHuimin，Fang F143 E15] Xinyan，YuWeiyong，et“)．电力系统全网停电后 的恢复一黑起动综述(Thesummaryofblack—start- restorationof electricalpowersystemafter blackout)[J]．电力系统及其自动化学报 (ProceedingsoftheCSU—EPSA)，1999，11(3)：12 —17． 万宫泉，任震，郭小龙，等(WanGongquan，Ren Zhen，GuoXiaolong，eta1)．考虑馈线自动化的用 户停电损失计算(Calculationofcustomer’Soutage costconsideringfeederautomation)口]．电网技术 (PowerSystemTechnology)。2005。29(1)：24--29． 顾雪平，赵

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强，刘艳，等(GuXueping，Zhao Shuqiang，LiuYan，eta1)．一个实用电力系统黑 启动决策支持系统(Apracticaldecisionsupport systemforpowersystemblackstart)[J]．电网技 术(PowerSystemTechnology)，2004，28(9)：51— 54． 作者简介： 吴杰康(1965一)，男，教授，工学博士，主要从事电力系统分 析与在线监控技术、电力市场、电力系统经济性与信息化、 电力电子技术在电力系统中应用、数字继电保护、电力系统 智能检测与智能控制、配电自动化、电力系统智能仪表的研 究。Email：wujiekang@163．com 宁远鸿(1981一)，男，硕士研究生，主要从事电力系统黑启 动、电力系统运行与控制、电力系统继电保护的研究。 Email．ningyuanhon91230@163．com 陈国通(1965一)，男，高级工程师，研究方向为电力系统运 行与分析。Email：chengguotong@163．corn 万方数据 基于事故损失最小化的黑启动电源选择 作者： 吴杰康， 宁远鸿， 陈国通， 张宏亮， WU Jie-kang， NING Yuan-hong， CHEN Guo-tong ， ZHANG Hong-liang 作者单位： 吴杰康,宁远鸿,WU Jie-kang,NING Yuan-hong(广西大学电气工程学院,南宁,530004)， 陈 国通,CHEN Guo-tong(广西电网公司梧州供电局,梧州,543002)， 张宏亮,ZHANG Hong- liang(广西方元电力股份有限公司,南宁,530028) 刊名： 电力系统及其自动化学报 英文刊名： PROCEEDINGS OF THE CSU-EPSA 年，卷(期)： 2008,20(3) 参考文献(15条) 1.熊惠敏;房鑫炎;郁惟镛 电力系统全网停电后的恢复-黑起动综述 1999(03) 2.顾雪平;赵书强;刘艳 一个实用电力系统黑启动决策支持系统[期刊论文]-电网技术 2004(09) 3.万宫泉;任震;郭小龙 考虑馈线自动化的用户停电损失计算[期刊论文]-电网技术 2005(01) 4.Liu C C;Liou K L;Chu R F Generation capability dispatch for bulk power systems restoration:A knowledge-based approach[外文期刊] 1993(01) 5.Adibi M M;Kafka R J Power system restoration issue[外文期刊] 1991(02) 6.胡键;郭志忠;刘迎春 故障恢复问题和发电机恢复排序分析[期刊论文]-电网技术 2004(18) 7.Kakimoto N;Ezure S;Hayashi M Development of simulator with artificial intelligence on secondary power system operation 1998(03) 8.IEEE Committee Report Special consideration in power system restoration[外文期刊] 1992(04) 9.Dickers K;Rumpel D Modelling for grid restoration studies[外文期刊] 1987(01) 10.Adibi M M;Milanicz D P Estimating restoration duration[外文期刊] 1999(04) 11.Adibi M M;Fink L H Power system restoration planning[外文期刊] 1994(02) 12.陈晓;王建兴;臧宝锋 城市电网用户停电损失及其估算方法的研究[期刊论文]-昆明理工大学学报 2003(01) 13.CIGRE Study Committee Modelling and simulation of black start and restoration of electric power systems-results of a questionnaire 1990(01) 14.CIGRE Study Committee Modelling and simulation of black start and restoration of electric power systems 1993(02) 15.IEEE Committee Report Power system restoration-a task force report[外文期刊] 1987(02) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dlxtjqzdhxb200803006.aspx