本发明属于电力系统运行和控制技术领域，尤其涉及一种考虑直流输电系统启动顺序和恢复过程的系统恢复方法。
背景技术：
随着电力网络的不断扩大，电网的复杂程度随之提升，很多安全隐患也伴随而来。大面积的停电事故会给社会和居民生活造成严重的损失。事故后电力系统的恢复，其根本目标是在系统全黑或部分停电的情况下，安全、快速地恢复电网供电。目前，对于电力系统恢复的方法大多数集中在交流电网的黑启动技术研究与实践，所谓黑启动，是指整个系统因故障停运后，不依赖其他网络帮助，通过系统中具有自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复。大面积停电后，系统的启动电源必须是能够自启动的机组，一般利用本地区具有自启动能力的燃油机组、水电机组作为黑启动电源，能在停运后快速恢复发电，并通过输电线输送启动功率至其他机组，逐步启动其他大型常规发电机组。传统的电力系统恢复采用交流输电方式带动电网恢复，存在启动速度慢、辅机启动冲击大等不足，会减慢黑启动过程中负荷的恢复速度，而直流输电系统具有输送功率大、启动和调整速度快、可控性强等特点，对于负荷较重的交直流电网，若能在系统恢复初期，尽快启动直流系统，充分发挥直流输电的优点，利用外网对重负荷电网的功率补充，加快电网内部负荷恢复过程，对提高电网内部自愈恢复过程的稳定性有积极作用，有助于电网在更短的时间内恢复供电。合理设计直流输电的加入过程将大大缩短系统恢复时间。然而当前交直流电网内部存在很多直流落点，启动直流输电系统的先后顺序需要进一步的研究。
技术实现要素：
为了克服交流输电方式带动电网恢复过程中启动速度慢、辅机启动冲击大以及减慢黑启动过程中负荷的恢复速度的问题，本发明提出一种考虑直流输电系统启动顺序和恢复过程的系统恢复方法，包括以下步骤：
步骤1：获取直流输电系统参与系统恢复过程的参数数据；
步骤2：采用迪杰斯特拉算法搜索电力网络，得到所有待接入直流落点和待启动发电机的最短加权路径；
步骤3：分别判断有效直流惯性常数和交流系统短路容量是否满足直流功率接入条件，如果满足则执行步骤4，否则执行步骤7；
步骤4：计算待启动高压直流输电系统的优先级指标RD，并排序得到直流启动序列，选取最小RD对应直流落点的高压直流输电系统优先启动；
步骤5：根据步骤4的计算结果，选取最小RD对应的直流落点，建立直流输电系统参与的系统恢复模型，采用原对偶内点算法对模型求解得到最优潮流值，若计算结果收敛，则执行步骤6，否则按照RD由小到大的顺序启动下一个高压直流输电系统，循环此步骤，直至所有满足直流功率接入条件的直流落点全部求解检验完毕跳出循环；若所有满足直流功率接入条件的直流系统均不能启动成功，则执行步骤10；
步骤6：根据系统稳定运行的频率偏差和负荷接入的延迟时间确定每次提升直流传输功率值，恢复直流功率；
步骤7：根据当前直流输送功率确定控制电压指令；
步骤8：判断直流系统电压值是否提升为额定电压值，如果提升至额定电压值，确定当前需要接入的无功补偿设备容量，否则更新直流功率后执行步骤7；
步骤9：判断当前直流输送功率是否达到步骤5计算得到的最优潮流值，如果达到，则停止系统提升功率，在更新当前网络状态后执行步骤3，进行下一次直流输电系统启动判断，否则执行步骤8；
步骤10：启动发电机，考虑各待启动发电机节点的最短加权路径加权值和发电机参数，对待启动发电机进行排序，调用原对偶内点算法求解直流输电系统参与的系统恢复模型，得到发电机启动最优潮流值，如果成功启动一台发电机，则执行步骤6，否则退出最优潮流计算；直到所有发电机启动完毕，则枢纽母线、主要变电站、直流落点、发电机均启动接入。
所述步骤1中的参数数据包括：直流落点、发电机组参数、母线参数、线路参数、变压器参数。
所述直流功率接入条件为：有效直流惯性常数达到70s，以及交流系统短路容量大于单组滤波器14倍。
所述步骤4中待启动高压直流输电系统的优先级指标RD为：
RD(i)＝Ddc(i)+D'dc(i)
式中，RD(i)为待接入直流落点i对应的待启动高压直流输电系统的优先级指标；Ddc(i)为待接入直流落点i对应的最短路径加权值；D'dc(i)为高压直流输电系统性能权重因子；Hdc(i)和Sac(i)分别表示启动待接入直流落点i对应的高压直流输电系统的直流有效惯性常数和换流母线处的短路容量。
所述步骤5中的直流输电系统参与的系统恢复模型为:
目标函数为：
式中，Pk为第k台发电机待求有功功率，P0k为第k台发电机当前有功功率，tk为第k台发电机所需的调节时间，rpk为第k台发电机爬坡率，m为发电机总数，f(x)为发电机的爬坡时间；
等式约束条件：
式中，i，j为节点编号，n为节点数目，e和f分别为节点电压的实部和虚部，PGi和QGi分别为节点i的发电机有功出力和无功出力，Pdi和Qdi分别为节点i的直流有功出力和消耗的无功功率，Qci为节点i的无功补偿容量，PDi和QDi分别为节点i的有功负荷和无功负荷，Ud为直流电压，Gij为线路电导，Bij为线路电纳；
不等式约束条件：
其中，
Pdimin＝0.1PdNi
Qdimax＝10Sac,i+Qcimax
Qdimin＝Qcimax-10Sac,i
式中，Uimax、Uimin分别表示节点i电压幅值的上限和下限；PGimax、PGimin分别表示节点i发电机有功出力的上限和下限；PDimax、PDimin分别表示节点i以有功为主导的可调度负荷的有功功率上限和下限；Pdimax、Pdimin分别表示节点i直流有功出力的上限和下限；QGimax、QGimin分别表示节点i发电机无功出力的上限和下限；QDimax、QDimin分别表示节点i以无功为主导的可调度负荷的无功功率上限和下限；Qdimax、Qdimin分别表示节点i直流无功出力的上限和下限；Qcimax、Qcimin分别表示节点i无功补偿设备无功出力的上限和下限。
所述步骤6中，需要逐步提升直流功率至潮流计算的需求量，以保证交流系统的稳定。
所述步骤8中，考虑到无功功率补偿容量的限制，以补偿到系统潮流的无功需求为目标进行动态无功补偿。
所述步骤8根据提升直流输送功率值更新功率指令，并根据直流无功冲击约束和交流系统有效短路比约束确定当前需要接入的无功补偿设备容量。
本发明的有益效果在于：
本发明充分考虑了启动高压直流输电系统对电力网络稳定性的影响，结合启动时间因素，对多个可启动的直流输电系统进行排序，优化直流输电系统参与系统恢复过程；同时在保证电力系统稳定运行的情况下，提出一种系统恢复过程中的直流功率提升方法，能够进一步加快电网恢复速度，得到较优的发电机启动顺序，避免在启动过程中出现系统再崩溃的现象。
附图说明
附图1为直流输电系统参与的系统恢复方法整体流程图；
附图2为直流输电系统功率恢复过程流程图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
鉴于交流输电方式带动电网恢复存在启动速度慢、辅机启动冲击大、会减慢黑启动过程中负荷的恢复速度等缺点。本发明从直流输电系统配合发电机启动的角度，开展直流输电系统对电力系统恢复过程的分析，在考虑了黑启动条件下直流输电系统控制解锁方式、直流启动方式、直流启动条件等问题后，本发明针对直流输电系统的特性，进行直流启动优先级指标的重新建立，提出了一种考虑直流输电系统启动顺序和恢复过程的系统恢复方法。如图1所示的直流输电系统参与的系统恢复方法整体流程图，该方法的具体步骤如下所述：
步骤1：获取直流输电系统参与系统恢复过程的参数数据；
步骤2：采用迪杰斯特拉算法搜索电力网络，得到所有待接入直流落点和待启动发电机的最短加权路径；
步骤3：分别判断有效直流惯性常数和交流系统短路容量是否满足直流功率接入条件，如果满足则执行步骤4，否则执行步骤7；
步骤4：计算待启动高压直流输电系统的优先级指标RD，并排序得到直流启动序列，选取最小RD对应直流落点的高压直流输电系统优先启动；
步骤5：根据步骤4的计算结果，选取最小RD对应的直流落点，建立直流输电系统参与的系统恢复模型，采用原对偶内点算法对模型求解得到最优潮流值，若计算结果收敛，则执行步骤6，否则按照RD由小到大的顺序启动下一个高压直流输电系统，循环此步骤，直至所有满足直流功率接入条件的直流落点全部求解检验完毕跳出循环；若所有满足直流功率接入条件的直流系统均不能启动成功，则执行步骤10；
步骤6：根据系统稳定运行的频率偏差和负荷接入的延迟时间确定每次提升直流传输功率值，恢复直流功率；
步骤7：根据当前直流输送功率确定控制电压指令；
步骤8：判断直流系统电压值是否提升为额定电压值，如果提升至额定电压值，确定当前需要接入的无功补偿设备容量，否则更新直流功率后执行步骤7；
步骤9：判断当前直流输送功率是否达到步骤5计算得到的最优潮流值，如果达到，则停止系统提升功率，在更新当前网络状态后执行步骤3，进行下一次直流输电系统启动判断，否则执行步骤8；
步骤10：启动发电机，考虑各待启动发电机节点的最短加权路径加权值和发电机参数，对待启动发电机进行排序，调用原对偶内点算法求解直流输电系统参与的系统恢复模型，得到发电机启动最优潮流值，如果成功启动一台发电机，则执行步骤6，否则退出最优潮流计算；直到所有发电机启动完毕，则枢纽母线、主要变电站、直流落点、发电机均启动接入。
具体的，在步骤3中，所述直流功率接入条件为：有效直流惯性常数满足下限70s、交流系统短路容量满足大于单组滤波器14倍。
具体的，在步骤4中，综合考虑启动高压直流输电系统的路径、影响交流系统电压和频率稳定性的因素，建立评价满足两个启动条件的高压直流输电系统启动优先级的指标。需要说明的是，对于同一个电力网络，交流系统总容量一定，不同直流系统启动时，影响直流系统有效惯性常数大小的因素是直流系统的启动功率，对于满足直流系统有效惯性常数下限要求的高压直流输电系统，启动功率越大，电力网络恢复速度越快，而直流系统有效惯性常数越小；换流母线处短路容量越大，交流网络能够消纳直流系统加入带来的无功功率的能力越强。根据待接入直流落点的最短路径加权值Ddc和能够反映目标接入直流落点对应的短路容量与有效直流惯性常数的权重因子D'dc，计算待启动高压直流输电系统的优先级指标RD(i)，计算方法如下所述：
RD(i)＝Ddc(i)+D'dc(i)
式中，Ddc(i)为待接入直流落点i对应的最短路径加权值；D'dc(i)为目标接入直流落点对应的短路容量与有效直流惯性常数的权重因子D'dc；Hdc(i)和Sac(i)分别表示启动第i个高压直流输电系统时的直流有效惯性常数和换流母线处的短路容量；
具体的，在步骤5中，考虑直流加入的全网自愈启动过程的数学模型是一个优化问题，以每次启动一个发电机或一个直流落点时，所需爬坡时间最长的已带电发电机的爬坡时间最小为优化目标，综合节点潮流方程约束、直流系统有功无功关系特性约束方程和无功补偿设备容量约束，建立有高压直流输电系统落点加入的黑启动恢复优化模型，并利用原对偶内点最优潮流算法进行潮流求解，所述系统恢复模型为:
目标函数为：
式中，Pk为第k台发电机待求有功功率，P0k为第k台发电机当前有功功率，tk为第k台发电机所需的调节时间，rpk为第k台发电机爬坡率，m为发电机总数，f(x)为发电机的爬坡时间。
等式约束条件：
式中，i，j为节点编号，n为节点数目，e和f分别为节点电压的实部和虚部，PGi和QGi分别为节点i的发电机有功出力和无功出力，Pdi和Qdi分别为节点i的直流有功出力和消耗的无功功率，Qci为节点i的无功补偿容量，PDi和QDi分别为节点i的有功负荷和无功负荷，Ud为直流电压，Gij为线路电导，Bij为线路电纳；
不等式约束条件：
其中，
Pdimin＝0.1PdNi
Qdimax＝10Sac,i+Qcimax
Qdimin＝Qcimax-10Sac,i
式中，Uimax、Uimin分别表示节点i电压幅值的上限和下限；PGimax、PGimin分别表示节点i发电机有功出力的上限和下限；PDimax、PDimin分别表示节点i以有功为主导的可调度负荷的有功功率上限和下限；Pdimax、Pdimin分别表示节点i直流有功出力的上限和下限；QGimax、QGimin分别表示节点i发电机无功出力的上限和下限；QDimax、QDimin分别表示节点i以无功为主导的可调度负荷的无功功率上限和下限；Qdimax、Qdimin分别表示节点i直流无功出力的上限和下限；Qcimax、Qcimin分别表示节点i无功补偿设备无功出力的上限和下限。
具体的，在步骤6中，由于直流功率提升速度快，直流输电系统可供应的有功功率较大，需要逐步提升直流功率至潮流计算的需求量，以保证交流系统的稳定。有功功率的注入会对系统整体频率产生影响，因此从该角度对直流功率的提升值提出相应的约束要求。附图2为直流输电系统功率恢复过程流程图，如图2所示，在进入直流功率提升恢复过程中，根据系统稳定运行的频率偏差和负荷接入的延迟时间确定每次提升直流传输功率值。在能够保证电压稳定的情况下，直流传输功率的变化主要影响系统的频率。对于处于黑启动中功率调节能力较差的交流系统而言，有功功率的不平衡会造成频率的波动。在逆变侧，恢复较大的功率输送时，会引起逆变侧系统的频率下降。由于系统惯性时间常数表征了交流系统维持频率的能力，有功功率提升速度的确定可通过下式得出:
式中，ΔPdref为直流有功功率提升量，HΣ为交流系统惯性时间常数，Δf为频率波动偏差，f0为系统额定功率，Δt为功率不平衡的时间，即负荷补充滞后的时间。为了使处于黑启动状态的系统能有较好的稳定性，功率提升时可取频率偏差为0.5Hz，从而可以得到直流功率提升的约束条件。
具体的，在步骤7中，随着直流功率的提升，直流输电系统需要消耗的无功功率也逐渐变大，而在低电压情况下运行，会导致消耗的无功功率更大，所以需要在较快的时间内使电压指令达到额定值。在提升电压指令过程中，考虑到直流输电系统的加入对交流系统有功功率和无功功率的冲击，为了确保无功波动不会影响系统的电压稳定性，在保证电压稳定的基础上，根据当前直流输送功率确定控制电压指令。由于直流系统是按照70％降压启动，如果不尽快提升直流电压，随着直流输送功率的增大，其所需要消耗的无功功率会很大，如果无功补偿设备接入不及时，会引起电压稳定性问题。然而，在直流启动初期，由于投入的滤波器组容量所供给的无功要大于直流消耗的无功功率，所以在确定定电圧控制参考值时，直流功率提升和电压提升要确保不引起换流母线出现较严重的过电压现象。也就是说，一定时间内定电压控制参考值U需要满足下面的约束条件：
式中，Sac表示换流母线处短路容量，U表示直流系统启动前换流母线电压，ΔU为电压升高幅值，取0.1p.u.，Qf为投入的滤波器容量，Pd为直流当前输送的有功功率，Udo为理想空载直流电压，Udref为定电压控制的直流电压参考值。
具体的，在步骤8中，由于直流输电系统需要的无功功率较大，因此需要补充适当的无功补偿。考虑到无功功率补偿容量的限制，以补偿到系统潮流的无功需求为目标进行动态无功补偿。根据提升直流输送功率值更新功率指令，并根据直流无功冲击约束和交流系统有效短路比约束确定当前需要接入的无功补偿设备容量。由于有效短路比指标能够体现交直流系统相互影响的程度，为了保证直流在参与黑启动过程中稳定运行，需要考虑有效短路比的约束指标。通过使系统有效短路比处于较强系统的状态下(ESCR不小于2)，对直流输送功率Pd和投入的无功补偿容量Qc进行约束和检验，其中：
式中，ESCR为系统有效短路比，Sac为换流母线处短路容量，Qc为无功补偿容量，Pd为直流输送功率。
实施例1
本实施例以电网A为例说明本发明的可行性，需要说明的是电网A的系统恢复过程是以分区的形式进行，形成分区网架后再进行联网。以GD联合分区为例，以C电厂为黑启动机组，进行GD联合分区的系统恢复过程，其中对直流输电系统参与系统恢复的实施流程如下：
第一步：获取与直流输电系统加入系统恢复启动过程的参数数据，包括直流落点、发电机组参数、母线参数、线路参数、变压器参数等。并调用迪杰斯特拉算法搜索带电网络得到待接入直流落点或目标发电机的最短加权路径D。由于GD联合分区的节点较多，本实施例以一台主要发电机组和一个高压直流输电系统落点的黑启动路径。启动ZX电厂的启动路径为：C厂-LT-ZC-XT-ZX电厂；启动GZ的启动路径为：ZX电厂-ZC-BJ-GZ。
第二步：判断有效直流惯性常数和交流系统短路容量是否符合直流功率接入条件，假设GZ和HZ满足接入条件，进入对直流综合优先级指标RD的计算。综合考虑启动高压直流输电系统的路径、影响交流系统电压和频率稳定性的因素，建立评价满足两个启动条件的高压直流输电系统启动优先级的指标。由待接入直流落点的最短加权路径的权值Ddc和能够反映目标接入直流落点对应的短路容量与有效直流惯性常数的权重因子，计算目标接入直流落点的综合优先级指标RD。
第三步：建立有高压直流输电系统落点加入的黑启动恢复优化模型，并利用原对偶内点最优潮流算法求解目标函数。
第四步：进入直流功率提升恢复过程，根据系统稳定运行的频率偏差和负荷接入的延迟时间确定每次提升直流传输功率值。在能够保证电压稳定的情况下，直流传输功率的变化主要影响系统的频率。对于处于黑启动中功率调节能力较差的交流系统而言，有功功率的不平衡会造成频率的波动。在逆变侧，恢复较大的功率输送时，会引起逆变侧系统的频率下降。
第五步：根据当前直流输送功率，考虑到直流输电系统的加入对交流系统有功功率和无功功率的冲击，在保证电压稳定的基础上确定控制电压指令。由于直流系统是按照70％降压启动，如果不尽快提升直流电压，随着直流输送功率的增大，其所需要消耗的无功功率会很大，如果无功补偿设备接入不及时，会引起电压稳定性问题。然而，在直流启动初期，由于投入的滤波器组容量所供给的无功要大于直流消耗的无功功率，所以在确定定电圧控制参考值时，直流功率提升和电压提升要确保不引起换流母线出现较严重的过电压现象。
第六步：判断直流系统电压值是否提升为额定电压值。如果已经提升为额定电压，按照提升直流输送功率值更新功率指令，并由直流无功冲击的约束和交流系统有效短路比的约束确定当前需要接入的无功补偿设备容量。
第七步：重复上述直流功率提升过程，直至直流输送功率达到最优潮流计算值，并更新当前网络状态进行下一次直流输电系统启动判断。对于A电网，下一步启动HZ输电系统。
直到所有发电机启动完毕，得到枢纽母线、主要变电站、直流落点、发电机的启动接入过程，即为直流输电系统参与系统恢复的设计方法。应用考虑直流输电系统启动顺序和恢复过程的系统恢复方法，最终得到GD联合分区系统恢复方案，较之传统方案，有直流输电系统加入系统恢复的进程是在启动ZX电厂发电机组之后，优先启动TZ，能在一定程度上减少系统恢复时间。本实施例提出的方案连续启动TZ和HZ，较之不连续启动直流输电系统的方案，可提前启动HX电厂；同时，由于直流功率供应及时，可启动NZ，进一步加快了系统恢复的进程。因此，直流系统的及时加入，可加快部分线路形成环网的进程，易于供给周边线路电能，加快系统的恢复能力。与传统方法和不连续启动直流输电系统相比，本发明能够进一步加快电网恢复速度，考虑了高压直流输电系统在功率提升时对电网实际运行情况的影响，充分考虑了直流功率对电网稳定性的冲击，能够避免在启动过程中出现系统再崩溃的现象。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。