一种考虑变电站无人值守和线路遥控操作的黑启动方法与流程

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种考虑变电站无人值守和线路遥控操作的黑启动方法。

背景技术：

随着大停电事故的频繁发生，电网停电事故后，如何安全、快速恢复电网运行，减少经济损失已经逐渐成为人们关注和研究的课题。一般将黑启动过程分为相互联系和衔接的三个阶段：黑启动、网络重构和负荷恢复。

电网的发展和运行模式已的逐渐改进，我国已经逐渐实现了500kV及以下变电站无人值守模式。调控一体的融合使远程操作技术不断应用于实际生产，目前我国江苏、河北等省份已经陆续推广试行断路器和隔离开关远程操作，变电站的操控进入新的发展形势。远程操控技术的实现使电网应急处理能力实现跃升，但由于无人值守制度和远程操控同时产生，在发生黑启动事故时，按照《电力安全工作规程》等规定，一些恢复操作需要在恢复有人值守情况下进行，而驻守于“中心站”的运维人员需要赶往“受控站”，如附图1所示。根据统计(河北省)由于交通、天气等原因到达“受控站”可能需要0.5-3小时以上，如此长时间的等待会对黑启动的进程造成较大影响，故需对此问题加以研究和分析，制定更为合理的方案。在考虑变电站远程操作时限和线路启动成功概率的条件下，研究电网大停电时，发电机组启动顺序和骨架网的重构问题，提出更加切合实际生产的投运方法，对黑启动方案制定和在线决策均有参考价值。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑变电站无人值守和普遍实施远程操控条件下更贴近电网实际情况、具有实用价值的黑启动建模分析方法。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种考虑变电站无人值守和线路遥控操作的黑启动方法，其关键技术在于：通过针对无人值守模式下变电站的远程操控进行建模，获得线路启动的时间期望成本，考虑黑启动的其它限制因素，制定出系统恢复方案。

具体包括如下步骤：

步骤一、对每条线路j定义其线路操作时限、遥控操作覆盖系数和线路恢复概率，其中，j表示线路的编号，j＝1、2、3…；

所述线路操作时限包括远程操作线路j所需的时间t1j、现场操作线路j所需的时间t2j、线路j上如操作不成功对设备检查处理的时间t3j、从中心站派人赶往线路j两侧变电站所需的时间t节点j、线路j两侧变电站恢复有人仍需的时间t4j和线路j可现场操作仍需的时间t5j；其中t1j，t2j，t3j，t节点j均由每条线路j运行数据统计获得，t4j的定义式(1)如下：

上式(1)中，t0j表示从大停电开始至派人到j线路两侧变电站的时间；

t表示从大停电开始计时的时间变量；

线路可现场操作仍需时间t5j取决于两端变电站所需时间，t5j的定义式(2)如下：

t5j＝max(t4j,a,t4j,b) (2)

上式(2)中，a、b分别表示线路j两端变电站的编号；

t4j,a表示线路j两侧的变电站a恢复有人仍需的时间；

t4j,b表示线路j两侧的变电站b恢复有人仍需的时间；

在可遥控操作变电站未达到100％情况下，或个别变电站遥控操作系统不可用时，变电站的操作方式应根据实际情况加以区分，故定义所述遥控操作覆盖系数针对线路j表示为λj，其公式(3)如下：

上式(3)中，所述线路j两端变电站都可实现遥控操作时，所述线路j可遥控操作投入，所述线路j的遥控操作覆盖系数λj由电网的即时运行状态决定；

所述线路恢复概率针对线路j包括遥控操作投入线路成功概率P′j和变电站现场操作方式线路投入成功概率P″j；

在进行线路投入恢复过程中，线路j的投入存在一定的恢复失败概率，而通过远方遥控操作投入线路成功概率P′j要小于变电站现场操作方式线路投入成功概率P″j，即P″j>P′j。这是由于远方遥控操作是通过通信系统调用站内操作机构实现的，故可靠性要受到通信系统制约。P′j可通过长期遥控操作统计获得，P″j主要受限于操作过电压、操作系统可靠性等。

步骤二、根据步骤一中定义线路操作时限、遥控操作覆盖系数和线路恢复概率计算每条线路j的启动时间期望：

考虑电网实际情况，设定运行条件如下：认为可进行遥控操作的线路j，首选遥控操作模式进行线路投入操作；不可进行远方操作的线路j在故障后即刻派人赶往相关线路两侧的变电站；认为t0j时刻远方操作不成功情况下，则线路j的启动方式转化为现场操作，即刻派人前往两侧变电站；认为线路j远方操作不成功或现场操作不成功情况下，现场进行一次耗时t3j的检查处理后可在下次现场启动时100％成功；认为中心站的恢复有人的时间t4j＝0；

在考虑以上黑启动过程中线路启动时限和启动概率情况下，针对每条线路建立启动时间期望。

所述启动时间期望为首次启动所需时间的期望函数Tj(t)或再次启动所需时间的期望函数T′j(t)，Tj(t)的计算公式(4)如下：

Tj(t)＝λj[[t1jP′j+(1-P′j)(t1j+t2j+t3j+t5j)]]+λj-1[[(t2j+t5j)P″j+(1-P″j)(2t2j+t3j+t5j)] ] (4)

当首次启动成功，线路的再次启动时间期望函数T′j(t)定义为一个极小值常数；当首次启动失败，则令P′j、P″j为零，计算其再次启动所需时间的期望函数T′j(t)，其计算公式(5)如下：

步骤三、以t时刻每条线路j的首次启动所需时间的期望函数Tj(t)或再次启动所需时间的期望函数T′j(t)作为权值，将待启动电网看作一个无向图，调用迪克拉斯算法计算得到每台发电机组i至启动电源点的最短启动路径；i表示发电机组的编号，i＝1、2、3…；

所述迪克拉斯算法(Dijkstra算法)是用逐点增长的方法构造一棵路径树，从而得到从该树的根节点到其它所有节点的最短路径，该算法适用于已知电网中线路的权值时，任意两个节电间最小权值路径的求取，本发明利用此算法计算机组的最短启动路径。

步骤四、针对步骤三中求得t时刻的发电机组i的最短启动路径，计算出发电机组i的综合优先级指标ηi，其计算公式(6)如下：

上式(6)中，εi表示发电机组i的修正系数；当发电机组i为火电机组时，则ε＝1，当发电机组i为水电机组时，则ε大于1；由于水电机组启动后出力迅速，调节能力强，定义发电机组修正系数εi，增强水电机组优先级。

PGMi表示发电机组i的额定有功功率；

l表示当前送电路径包含的线路数量；

Tj(t)表示线路j首次启动或再次启动所需时间的期望函数；

表示最短启动路径中所有线路j的Tj(t)的总和；

步骤五、针对步骤四计算得到t时刻的各个发电机组的综合优先级指标ηi，选取各个发电机组中综合优先级指标ηi最大的发电机组进行启动校验，启动校验中启动限制要满足发电机组启动限制因素和启动过程限制因素；当通过启动校验时，则启动综合优先级指标ηi最大的发电机组；当未能通过启动校验时，则选取综合优先级指标ηi次优的发电机组进行校验，直至得到通过启动校验的发电机组；当在所述步骤五中通过常规电压调整的操作，能使启动过程电压不越限时，则满足限制要求，即可通过启动校验。

其中，满足所述发电机组启动限制因素即单台已获得厂用电的发电机组可发出的最大有功功率Pi(t)，如附图2所示，满足所述Pi(t)的计算公式(7)如下：

上式(7)中，Tsi表示发电机组i获得启动电源时刻；

T1i表示发电机组i出力所需准备时间；

T2i表示发电机组i的爬坡时间；

PMi表示发电机组i的最大有功功率；

Ki表示发电机组i的爬坡速率。

其中，所述启动过程限制因素包括如下因素：

1)启动功率限制因素：

系统恢复过程中每一步校验投入新的设备均需要满足所有已启动发电机组的有功功率需大于已并网发电机组的厂用电和已投入负荷之和，表达式(8)如下：

上式(8)中，PGi表示发电机组i的有功功率；

PDi表示发电机组i的厂用电大小；

Pk表示节点k投入负荷大小；

n表示已并网机组数量；

m表示已投入负荷节点数量；

2)启动时限限制因素：

针对热启动火电机组i具有最大临界启动时间约束，即0＜Tsi≤TCH,i，其中TCH,i表示热启动火电机组i最大临界热启动时间，Tsi表示热启动火电机组i获得启动电源时刻；

针对冷启动火电机组i具有最小临界启动时间约束，即Tsi≥TCC,i,其中TCC,i表示冷启动机组i的最小临界启动时间，Tsi表示冷启动火电机组i获得启动电源时刻；

3)电压和潮流限制因素：

电网恢复过程中的每一时刻，在已并网机组有功、无功功率出力范围内，满足所有节点k电压不越限，所有线路j不过载，即满足如下不等式组(9)：

上式(9)中，PGi、QGi分别表示已投入发电机组i的有功功率和无功功率；

Pj表示已投入线路j的输送有功功率大小；

Uk表示已投入节点k的电压大小。

分别表示发电机组i的有功功率下限和上限；

分别表示发电机组i的有功功率下限和上限；

Pjmax表示线路j的额定功率；

分别表示技术上允许的节点k的最低、最高电压。

步骤六、针对步骤五中得到的通过启动校验的发电机组进行启动操作，启动操作从电源点至待启动发电机组沿步骤三求得的该发电机组的最短启动路径进行，选取其中首条线路进行线路操作，当完成首条线路i的启动操作时，更新此时刻整个网络中所有未进行过操作的线路的首次启动所需时间期望函数和已进行过启动的线路的再启动所需时间的期望函数，更新后数据作为线路权值代入执行步骤三并顺序执行；

上述循环计算直至所有发电机组启动完成或所述时间变量t超过设定限值时停止，所述设定限值一般为变电站UPS供电时间。

无论启动成功与否，都有进行所有线路的期望函数更新，每个线路同时只有一个首次启动时间函数或一个再次启动时间函数作为权值，进行一次操作如果成功权值更新。

进一步的，在所述步骤六之后，若没有任何发电机组通过启动校验，则将综合优先级指标调整为启动时限最小以保证在机组爬坡过程中启动更多线路。

整个算法的思想为，以机组迅速恢复为目标，采用贪心思想，时刻选取综合优先级最高且能通过启动校验的机组进行启动。连接待启动机组的线路组成启动路径，实时考虑线路的投入与否、投入是否成功对后续决策影响，如果出现优于现启动目标的机组，则修正启动路径。

整个算法的实施说明为：

1、如不同机组的综合优先级指标相同，则选取路径线路数少、对地导纳小作为进一步判优指标。

2、系统恢复过程中由于长线路对地导纳过大，常常出现电压过高问题，考虑到实际中高压电抗器通常与线路同投退，在出现过电压时，采取投入低压电抗器、负荷方式缓解过电压问题，负荷投入点优先选择电压较高节点。

3、如果启动初期有功功率不足，或受机组最小启动时限限制，无法启动机组时，将综合优先级指标调整为启动时限最小以保证在机组爬坡过程中启动更多线路，以待有功功率充足后机组尽快投入运行。

4、算法在事件发生前考虑启动成本的期望进行决策，在事件发生后，立即将事件作为已知信息投入到下一次决策应用中。即线路启动成功时，下一次计算中更新其启动成本为极小值，线路启动失败时，需计算再次启动成本。

5、每个发电厂只启动一台发电机，即发电厂含有多台发电机时，只考虑启动优先级最高一台。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明提供的一种考虑变电站无人值守和线路遥控操作的黑启动建模分析方法，该方法基于对无人值守变电站的远程控制建模分析，通过考虑线路启动过程中的限制因素、启动成功概率及其它限制因素，利用迪克拉斯算法制定黑启动方案；该方法考虑了线路启动的实际情况和调度实际状况，制定方案更加贴近线路运行实际、实用性更强；该方法可以用于黑启动的方案制定和在线决策。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的变电站远程控制示意图。

图2是本发明的机组出力示意图。

图3是本发明的算法逻辑图。

图4是本发明的IEEE39节点系统。

图5是本发明的机组启动路径图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合图1-图5和具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。

如图4～图5所示，实施例1选用IEEE39节电系统作为算例进行验证分析，认为所有节点间由线路连接，随机设置算例信息如下：如附图4所示，电网分为虚线所分割三个区域，节点6，节点16，节点26为中心站节点，与中心节点直接相连节点到站时间为20分钟，其余为60分钟；与节点8连接支路遥控覆盖系数为0，其余支路为1；所有线路遥控操作成功率为99％，现场操作成功率为99.5％；检查处理时间为15分钟；远程操作时间为5分钟，现场操作时间为5分钟。

30节点为黑启动水电机组，额定功率250MW，进相运行能力为80MVar；31-39节点机组为600MW火电机组，进相能力150Mvar；火电机组均有最大启动时限2.5小时；机组厂用电为发电机额定功率的5％，爬坡时间为70分；发电准备时间T1为20分，所有类型负荷功率因数0.8，图中有负荷节点才可被选择为负荷投入节点。

启动过程中每一个节点的电压限制在额定电压的95％-105％以内；单次负荷投入耗时5分钟，变电站UPS系统持续供电时间为2小时，超过火电机组最大启动时限时计算停止。

1)线路操作时限定义

为设置简便，针对每条线路j统一定义如下：远程操作线路所需时间t1j为5分钟，现场操作线路所需时间t2j为5分钟，如操作不成功对设备检查处理时间t3j为15分钟，从中心站到受控站所需时间t节点为20或60分钟，计算变电站在t时刻恢复有人需要时间：

针对每条线路，可现场操作仍需时间t5j取决于两端变电站所需时间

t5j＝max(t4j,a,t4j,b)

其中，a、b分别表示线路j两端变电站的编号。

2)遥控操作覆盖系数定义

定义与节点8连接支路遥控覆盖系数λ为0，其余支路为1

3)线路恢复概率定义

定义所有线路遥控操作成功率P′为99％，现场操作成功率P″为99.5％；

4)获得线路操作时间期望函数

将以上步骤1)到步骤3)中各参数值代入下式，针对每条线路j建立启动时间的期望函数T(t)如下

Tj(t)＝λj[[t1jP′j+(1-P′j)(t1j+t2j+t3j+t5j)]]+λj-1[[(t2j+t5j)P″j+(1-P″j)(2t2j+t3j+t5j)]]应用期望函数T(t)即可判别t时刻线路的启动成本。如果线路进行过启动操作后，其再次启动时间成本期望函数如下

5)考虑发电机启动限制因素

Tsi表示机组i获得启动电源时刻，T1i为机组i出力所需准备时间20分钟，T2i为机组i的爬坡时间70分钟，PMi为机组i的最大有功功率出力能力，Ki为机组i的爬坡速率PMi/70，代入下式，获得机组i的出力函数

6)考虑启动过程限制

启动功率限制：

系统恢复过程中每一步校验投入新的设备均需要满足所有已启动机组的有功出力能力需大于已并网机组的厂用电和已投入负荷之和。即

其中PGi表示机组i出力能力大小，PDi表示机组i的厂用电大小，Pk表示节点k投入负荷大小，n表示已并网机组数量，m表示已投入负荷节点数量。启动时限限制：

热启动火电机组均具有最大临界启动时间约束2.5小时，即0＜Tsi≤150电压和潮流限制：

电网恢复过程中的每一时刻，在已并网机组有功、无功功率出力能力范围内，满足所有节点电压不越限，所有线路不过载，即

其中，PGi、QGi表示已投入发电机i的出力大小，Pj表示已投入线路j的输送有功功率大小，为0.95倍额定电压，为1.05倍额定电压。

7)求取黑启动方案

调用迪克拉斯算法(Dijkstra算法)以步骤4)获得的线路操作时间期望值作为权值，求取最短启动路径。

定义机组i的综合优先级指标为：

其中，PGMi表示机组i的额定发电功率，l表示当前送电路径包含线路数量，Tj(t)表示线路j的启动时间期望。由于待启动机组全部为火电机组，机组修正系数ε为1。选取综合优先级指标由大到小逐一进行机组进行启动校验，执行逻辑过程如图3所示，求取过程中遵循步骤5)和步骤6)的限制。

结果分析如下：

根据算例信息制定启动预案，在145分钟内，共有26条线路，27个节点，220MW负荷投入，在第7步投入14-13后，共远程投入21条线路，时间达到2小时，后续5条线路转为现场启动，启动方案能够成功实施的概率为0.99²¹×0.995⁵＝79.0％。具体启动方案如下表所示，启动完成电网结构图如附图5所示。在步骤2、3、5、7、8路径投入前，按照算法步骤均校验了39节点机组投入路径，由于与39节点机组连接线路对地导纳过大，在恢复最后阶段仍未通过启动校验，启动失败。

表1发电机启动方案

逻辑流程图如附图3所示，具体流程为：

1、读入线路操作时间、操作成功概率，节点到站时间、无功补偿配置、节点负荷，发电厂容量、启动时限等数据集，计算各个线路初始期望权值。

2、调用迪克拉斯算法，计算待启动机组节点到已启动电网的最短路径，计算各个待启动机组综合优先级指标，并排序。

3、提取综合优先级指标最好且满足启动时限的待启动机组启动路径。如校验启动过程中出现节点电压越限时，进行低压电抗器、负荷等投入操作，仍不能满足执行步骤6，如出现线路过载，则选择提取优先级指标次优机组进行启动校验。

4、如果所有机组启动时限均不满足，则提取启动时限最小机组启动路径，进行如步骤3校验。

5、将步骤3和步骤4校验通过的启动路径保存为含线路启动顺序的待启动路径，进行第一条线路启动操作，根据启动成功与否更新基础数据，更新校验时间节点。

6、根据时间节点更新基础数据，继续从步骤1执行搜索和校验，直至所有待启动发电机节点均已启动或到达指定时间T时结束。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。