电力系统大停电后分区恢复问题的研究

摘要

随着现代社会对电力供应的依赖程度不断提高，大停电所带来的后果也日趋严重。作为电力系统安全防御的重要措施之一，黑启动恢复对加快系统的恢复进程、尽快恢复对用户的供电、减小大停电事故带来的经济损失和社会影响具有重要的现实意义。
　　在大规模电力系统中可能存在多个由黑启动机组或系统外部电源构成的黑启动电源，当大停电事故发生后，可利用多个黑启动电源对系统进行分区并行恢复，待条件成熟时，在各子系统之间的同期点实现子系统并列，最终实现整个系统的恢复。在此过程中任何一个子系统因某些不可预料的因素导致恢复失败时不会影响其它子系统的恢复，在提高系统恢复速度的同时提高了系统恢复的可靠性。
　　本文对大规模电力系统的分区恢复问题进行研究，在黑启动方案制定和技术校验、系统黑启动恢复的分区算法、子系统恢复策略的优化等方面进行了深入探索，论文的主要工作和研究成果为:
　　(1)结合河北南网的系统实际，提出黑启动恢复的实现思路，通过对恢复过程中可能会遇到的诸多技术问题，比如发电机自励磁、工频过电压、空载线路的操作过电压、水-火机组并列运行后的双机系统稳定性等的详细仿真，制定了河北南网黑启动方案并通过了黑启动现场试验验证。在黑启动现场试验方案的基础上，仿真研究了投入空载大容量变压器对恢复初期小系统的影响，并对一个黑启动电源以零起升压方式同时启动多台待启动机组的恢复方案进行了研究论证，结果表明投入空载大容量变压器可能会对初期小系统的安全运行造成严重的威胁，需要采取适当的防护措施，同时，多台机组同时启动的恢复方案具有可行性，对提高恢复效率、缩短恢复时间具有重要价值。
　　(2)将复杂网络理论应用于黑启动恢复的系统分区优化，提出一种基于谱聚类的子系统划分方法和一种基于节点电压相似度的子系统划分方法。在谱聚类分区方法中，基于电网的邻接矩阵定义了电网的Laplacian矩阵，并将电网节点在Laplacian矩阵的第一小和第二小非平凡特征向量张成的空间中表示出来，利用聚类算法实现了子系统的划分。在基于电压相似度的子系统划分方法中，通过对待划分网络进行特定方式的潮流计算，选取合适的子系统划分电压阈值，将系统划分为若干个子系统。基于复杂网络理论的子系统划分方法可实现子系统内部联系密切、子系统之间联系相对薄弱的划分目标，对电力系统的黑启动分区恢复具有重要应用价值。
　　(3)广泛调研了电力系统恢复中的各种时间限制要求，提出一种考虑恢复时间限制的系统分区恢复方法。在调研机组启动时间限制及恢复时间、变电站恢复时间限制和线路恢复时间的基础上建立了以最短时间内恢复尽可能多的厂站为目标的数学优化模型，用遗传算法对该模型进行了求解。使用该方法，可在获得子系统划分方案的同时确定子系统内部的优化恢复序列，IEEE118节点系统算例验证了所提出方法的有效性。
　　(4)将可靠性理论应用于电力系统的分区恢复，提出了一种考虑恢复操作可靠性的系统分区恢复方法。在系统恢复过程中考虑设备投运的不确定性，对带电区域到待恢复节点间恢复路径的可靠性进行了计算，将路径可靠性指标纳入优化求解过程，避免了片面追求恢复速度造成的网架结构薄弱的弊端，能使制定的恢复方案满足在尽可能短的时间内恢复尽可能多厂站的同时更加可靠。该方法能够同时给出子系统的划分方案和子系统内部的恢复序列，IEEE118节点系统算例验证了所提出方法的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 大停电后黑启动恢复问题的研究现状

1．2．1 黑启动恢复的基本概念和过程

1．2．2 国内外黑启动恢复问题的研究和实践

1．2．3 黑启动分区恢复的研究现状

1．3 本文的主要工作

第2章 电力系统黑启动方案研究

2．1 引言

2．2 河北南网黑启动方案的确定

2．3 过电压问题研究

2．3．1 工频过电压的计算分析

2．3．2 操作过电压的仿真分析

2．3．3 限制过电压的措施

2．4 发电机自励磁问题研究

2．4．1 发电机自励磁问题简介

2．4．2 发电机自励磁的仿真计算

2．4．3 限制自励磁可采取的措施

2．5 水、火机组并列后的低频振荡分析

2．5．1 黑启动中的低频振荡问题简介

2．5．2 基于BPA的特征值计算

2．6 空投变压器对恢复初期系统的影响

2．6．1 励磁涌流生成原理

2．6．2 空投变压器的仿真研究

2．6．3 限制投入空载大容量变压器影响的措施

2．7 同时启动多台机组的厂用电动机仿真研究

2．8 本章小结

第3章 复杂网络的社团发现原理在系统分区中的应用研究

3．1 引言

3．2 电网结构对系统分区的影响

3．3 基于谱聚类的子系统划分算法研究

3．3．1 算法原理解析

3．3．2 基于谱聚类的社团发现原理

3．3．3 采用谱聚类的子系统划分算法步骤

3．3．4 算例分析

3．4 基于节点电压相似度的分区算法研究

3．4．1 基于节点电压相似度的社团发现原理

3．4．2 基于节点电压相似度的子系统划分方法

3．4．3 算例分析

3．5 本章小结

第4章 考虑时间限制的分区恢复方法研究

4．1 引言

4．2 子系统划分中的各种时间约束

4．2．1 机组启动特性及时间约束

4．2．2 调度单位、变电站恢复时间限制

4．2．3 线路恢复的时间模型

4．2．4 不同充电方式对恢复时间的影响

4．3 考虑时间约束的分区恢复方法

4．3．1 考虑时间约束的分区恢复模型

4．3．2 考虑时间约束的分区恢复优化算法的设计

4．3．3 算例分析

4．4 本章小结

第5章 考虑恢复操作可靠性的分区恢复方法研究

5．1 引言

5．2 基于最小路集的可靠性求解方法

5．3 考虑可靠性的子系统划分方法

5．3．1 考虑可靠性的分区恢复策略

5．3．2 黑启动分区优化的模型与求解

5．4 算例分析

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介