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
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方案,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
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标准和解决
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
,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 0
公式为
m ^』
厶.,一∑∑Ecoct(o)%』]
』=1I=1
i=1,2,⋯,砣, (10)
式中:L“为方案i发生大事故的用户停电损失值
(单位为元);m为独立综合负荷数;^』为独立综合
负荷歹包含的负荷类型数;“.j为独立综合负荷歹所
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 ·33·
包含的第五种类型负荷容量(单位为kW);o为负
荷歹的停电持续时间;COC。(rJ)为持续时间为,-J时,
第愚种负荷的单位停电经济损失(单位为元/kW);
挖,为黑启动电源方案数。
4 方案的成本计算
各方案选择一部分机组作为黑启动电源,加快
了系统恢复进程,减少了事故损失,同时也增加了
黑启动发电机组、非黑启动发电机组、输电系统和
系统控制等方面的支出。黑启动电源方案的成本支
出计算式为
C。一I,+必+T,一B,一R (11)
式中:Ci为方案i的成本支出;J,为投资支出;尬为
固定运行维修费;丁;为系统黑启动计划、测式、训
练费用;B。为黑启动补助发电机组除了提供黑启
动服务外的其他效益,比如系统热备用,系统日负
荷调峰等;足为残值回收费用。B,和足以负值的形
式计人系统的成本支出中。
5 仿真分析
图2所示的系统仿真示例由某区域电力系统
简化而成,包括2个发电厂的9个发电机组和16个
负荷。9个发电机组中机组1~4属于电厂2,机组
5~9属于电厂1,各机组的性质如表2所示。每个
负荷中心由4个负荷组成,分别记为A1、A2、A3和
A4,B1、B2、B3和B4,C1、C2、C3和C4,D1、D2、D3
和D4。为了简化计算方便分析,假设每个负荷的值
为75MW。第二个编号为1、2、3和4的负荷类型分
别为第2.1节所描述的负荷类型I、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。
各负荷参数为A一0.05,五,=0.4,口一0.02,
惫2=0.15,卢一0.01,t1—20,t2—30,卢2—0.02。
时间t的单位为rain。
G5JtG6)【G7J“38】‘G9
电厂1
—上-J
.................1..........一
重程负荷中心
(300MW)
===丁==
重程负荷中心
(300MWl
5
电厂2
图2 电力系统简化圈
Fig.2Powersystemmodelinthesimulation
表2机组特性
Tab.2Generatorcharacteristics
本次黑启动模拟以min为单位,时间间隔较
长,忽略式(7)的暂态项,并由式(8)得到计算系统
频率偏差的近似公式为
∑P一一∑P巧(£)
Af==
KL≥:PDj(£)
J=1
式中:P一和P研分别代表发电机组i和负荷.『的有
功功率值;咒和m分别代表投入系统的机组数和负
荷数;/j=50Hz,KL一1.5。
仿真系统可以作为黑启动电源的机组有燃机
机组G1和G5,可构成22—4个黑启动电源方案。
然而,无黑启动电源方案显然不可取。另外,仅以
G5作为黑启动电源无法满足G3和G4的热启动临
界时间限制要求。因此可选黑启动电源方案二个,
方案一由G1作为黑启动电源,方案二由G1和G5
共同作为黑启动电源。依据上述的黑启动模拟方
法,可以得出各方案系统恢复过程,如表3和表4
所示。
表3和表4分别列出了黑启动电源方案一和
方案二的系统黑启动过程。表中所列系统频率都小
于50Hz是因为当启动发电机组时,需要提供启动
功率,此时发电机组相当于负荷,而负荷的突然增
加瞬间发电机组的出力未来得及调整,导致系统的
频率下降。在表中所列的各个时间间隔内,同样有
频率大于50Hz的时间段,因篇幅关系未一一列
出。显然表中所示负荷的恢复时间就等于大事故负
荷的停电持续时间。根据各个独立综合负荷中所包
含的各种类型负荷的容量,由表1提供的数据和式
(10)可以计算出各黑启动电源方案的事故损失
值。
为了不失一般性,现假设仿真系统16个独立
综合负荷中分别包含相等容量的表1所列的7种
类型负荷,而表1中各停电持续时间区间内用户损
失值采用线性插值的方法计算,可以得出方案一的
事故损失值为
Ll=75×(2×5.639+3×20.5974+
3×21.91】1+22.3490+22.7869+
捌嗣篮蕊
地堕
一地侣
万方数据
·34· 电力系统及其自动化学报 第20卷
23.2248十23.6627+24.9764十
26.2901+29.3554+30.2312)=
3828.O(万元)
方案二的事故损失值为
L2—75×(2×5.639+3×20.5974+
3×21.9111+22.3490+22.7869+
23.2248+23.6627+24.9764+
26.2901+29.3554+30.2312)=
2562.6(万元)
把各方案的事故损失值和式(11)计算所得的
方案的成本值作综合比较,最后确定各方案的相对
优劣性。比如当C,一i00万元,C。=200万元时,
方案二比方案一增加了100万元的成本,减少的事
故损失值为1265.4万元,把这个减少的事故损失
值乘于一个大事故发生概率期望值7,如果它的值
大于i00万元,则方案二较优,反之方案一较优。本
算例中7>0.079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
合同的形式确定各方的权利和义务。由市场
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。
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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)
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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dlxtjqzdhxb200803006.aspx