一种在线大电网恢复辅助决策系统

摘要

本发明涉及一种在线大电网恢复辅助决策系统，系统包括实时辅助模式和研究分析模式两种工作模式，包括断面操作分析模块：用于断面读取及断面调整；计算配置模块：用于计算参数设置、黑启动电源选取和被启动电源选取；计算功能模块：用于系统分区、潮流计算、电磁暂态计算、机电暂态计算和路径搜索与评估；计算管理模块：用于系统分区方案、电压波形、可用路径排名和黑启动生成方案的显示。应用本发明开发在线电力系统恢复辅助决策支持系统，可充分利用调度中心现有数据资源，综合了预案恢复方法与智能型调度的优点，无需重新建模，减少系统建设时间和成本，提高了决策建议的实时性和准确性，为电网大停电事故后的快速可靠恢复提供了强有力的支持。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种在线大电网恢复辅助决策系统。

背景技术

自电力系统出现以来，大规模停电事故时有发生，随着电力系统规模的扩大，其发生的 频率更显频繁、影响更加恶劣。1996年8月3日马来西亚全国大停电、2002年1月21日巴 西首都区域大停电、2003年8月14日美加大停电、2005年5月25日俄罗斯大停电、2005 年9月26日海南全省大停电、2011年9月15日韩国大停电以及史上影响人数最多的2012 年7月30日印度大停电，超过6.7亿人受影响。大规模停电给人类带来巨大的经济损失，严 重影响了人们的生活，并可能在一定程度上导致社会动荡。电力系统大停电事故理论研究表 明：对任何一个电力系统来说大停电的发生总是以小概率存在，且发生概率和影响程度随着 系统规模的扩大而增大，电力系统的大停电事故难以避免。在电网发生大停电事故后，快速 恢复供电系统具有十分重要的意义。

当前，国内外电力系统黑启动的通常做法是由有经验的调度运行专家根据系统的具体情 况事先研究制定出可行的黑启动预案，或通过离线系统计算出可行的黑启动预案，帮助调度 人员在系统停电时恢复系统运行。其优点是预案制定时经过了大量的安全性校验，且一般都 会组织进行黑启动试验，相关人员能从中积累到宝贵的经验，参与系统恢复的各方，包括调 度机构、发电厂及变电站的工作人员，对预案较为熟悉，能在大停电事故发生后的系统恢复 中有条不紊的按预定操作执行。只要现实情况满足预案条件，执行黑启动预案是快速、安全、 可靠恢复系统供电的可靠方式。其缺点是离线系统建模工作量大、专家的经验和离线系统模 型往往不能及时根式实际电网变化，且恢复过程中的突发事件和一些不可控因素（如设备检 修停运、设备故障、自然灾害导致的电力设施损坏等）可能使预案中的部分内容不再可行。 面对新情况，调度人员需要做大量复杂的分析方可确定新的恢复方案，容易导致黑启动过程 的中断、延误甚至失败。

“十二五”期间，国家电网将建成华北、华东、华中（“三华”）特高压电网，形成“三 纵三横一环网”的特高压网架。世界上电压等级最高、输送容量最大、技术水平最先进、运 行特性最复杂的特高压交直流混联大电网已经形成。同时，随着电网规模越来越大，调度运 行信息越来越复杂，电网的技术水平和复杂程度越来越高，调度运行管理的难度也越来越大， 大规模停电事故后的电网恢复方案制定也愈发复杂和困难。在国家电网公司的主导下，智能 电网调度技术支持系统的研发已经取得了阶段性的成果，并在二十多个网省级调度机构推广 应用。系统遵循“横向集成、纵向贯通”和“源端维护、全网共享”的设计理念，在一体化 基础平台上构建了四大类应用，为一体化调度提供了技术支撑。其研发和试点应用大幅度提 升了各级调度机构整体应用水平，为智能电网调度提供了坚强的技术支撑，同时带来了巨大 的经济和社会效益。

智能电网调度技术支持系统的设计开发中强化了一体化、在线化、精细化、实用化、可 视化和智能化的思想，设计和研发遵循统一的技术标准和功能规范。通过制订电网通用模型 命名规范、电网模型描述规范、电网图形描述规范等技术规范，为所有软件提供了统一的数 据接口和模型规范，这为黑启动模型数据研究、实时数据交互方案设计、软件设计开发等提 供了统一的技术标准，为在线大电网黑启动辅助决策软件开发奠定了坚实的基础。

基于智能电网调度技术支持系统的具备自适应能力的在线电力系统恢复辅助决策技术具 有相当高的安全性和可靠性，以及良好的适应性和交互性，可为复杂环境下的大电网黑启动 预案制定提供有效辅助，减轻调度人员工作负担，还可随时根据恢复过程中的系统状态，对 恢复策略进行快速调整，适应各种意外变化，为大停电事故发生后系统安全快速恢复保驾护 航。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种在线大电网恢复辅助决策系统，应用本 发明开发在线电力系统恢复辅助决策支持系统，可充分利用调度中心现有数据资源，综合了 预案恢复方法与智能型调度的优点，无需重新建模，减少系统建设时间和成本，提高了决策 建议的实时性和准确性，为电网大停电事故后的快速可靠恢复提供了强有力的支持，采用基 于智能电网调度技术支持系统规范的数据接口和人机展示方案，具有广阔的市场前景。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种在线大电网恢复辅助决策系统，其改进之处在于，所述系统包括实时辅助模式和研 究分析模式两种工作模式，所述系统包括：

断面操作分析模块：用于断面读取及断面调整，包括恢复目标断面读取模块、实时断面 读取模块、研究基础断面读取模块、研究断面调整模块和断面恢复模块；

计算配置模块：用于计算参数设置、黑启动电源选取和被启动电源选取，包括参数设置 模块、黑启动电源选取模块和被启动电源选取模块；

计算功能模块：用于系统分区、潮流计算、电磁暂态计算、机电暂态计算和路径搜索与 评估，包括系统分区模块、潮流计算模块、电磁暂态计算模块、机电暂态计算模块和路径搜 索与评估模块；

计算管理模块：用于系统分区方案、电压波形、可用路径排名和黑启动生成方案的显示， 包括波形显示模块。

其中，在实时辅助模式下，所述断面操作模块用于读取恢复目标断面和实时断面；在研 究分析模式下，所述断面读取模块用于读取研究基础断面和恢复目标断面以及进行研究断面 调整和断面恢复；

读取恢复目标断面由恢复目标断面读取模块实现，包括：从系统的断面库中读取指定断 面作为恢复的目标断面，为分析计算提供优化所需的各负荷节点的负荷值及系统运行状态；

读取实时断面由实时断面读取模块实现，包括：读取系统SCADA应用下所有设备的量 测和状态，获取系统运行现状；

读取研究基础断面由研究基础断面读取模块实现，包括：从系统的断面库中读取指定断 面作为研究分析用的基础断面；

研究断面调整由研究断面调整模块实现，包括：在研究基础断面进行设置（包括设备运 行状态设置、开关及刀闸状态置位、机组出力及负荷功率大小设置），得到模拟大停电事故发 生后的系统状态，即黑启动问题初态，该初态称为研究断面；

断面恢复由断面恢复模块实现，包括：将研究基础断面恢复为上一次断面调整前（最近 一次研究断面调整模块被调用之前）的状态。

其中，在实时辅助模式和研究分析模式下，所述计算配置模块均用于计算参数设置、黑 启动电源选取和被启动电源选取；

计算参数设置由参数设置模块实现，所述参数包括用于描述路径搜索规则及用于路径评 估排序的计算参数，以及计算模式选择、结果保存路径的控制参数；

黑启动电源选取由黑启动选取模块实现，所述黑启动电源选取是指定用于研究分析时采 用的黑启动电源；

被启动电源选取由被启动电源选取模块实现，所述被启动电源选取用于指定研究分析或 实时辅助时真实的被启动电源。

其中，在实时辅助模式下，所述计算功能模块用于潮流计算、电磁暂态计算、机电暂态 计算和路径搜索与评估；在研究分析模式下，所述计算功能模块用于系统分区、潮流计算、 电磁暂态计算、机电暂态计算和路径搜索与评估；

潮流计算由潮流计算模块实现，包括指定模型中的电力潮流分布情况；

电磁暂态计算由电磁暂态计算模块实现，采用EMTP工具包进行电磁暂态分析获取操作 电压校验结果；

机电暂态计算由机电暂态计算模块实现。

其中，路径搜索与评估由路径搜索与评估模块实现，路径搜索是选出从黑启动电源到被 启动电源综合性能最优的路径；

所述路径搜索与评估模块包括恢复路径生成模块和黑启动路径生成向导模块；

生成黑启动恢复路径包括下述步骤：

I、确定被启动电源：所述被启动电源采用火电机组；

II、采用基于规则的初始路径搜索算法，获得从黑启动电源到被启动电源的可行电力路 径；所述初始路径搜索算法遵循以下规则：

1）电压转换次数限制原则：控制黑启动过程中的电压转换次数；

2）路径长度限制原则：限制黑启动恢复路径长度；

3）厂站限制原则；

4）容量限定原则：被启动机组启动时所需的最小负荷小于启动机组的出力，并且恢复大 容量的机组；

5）重要负荷优先原则；

6）时间最小原则：选择处于热备用状态的机组；

7）避免环路原则：在从启动机组到被启动机组的路径中不存在环路。

III、筛选出通过可行性校验的电力路径：所述可行性校验的检验项目包括：发电机自励 磁校验、低频振荡校验、工频过电压校验、操作过电压校验和电压频率稳定性校验；

IV、确定从黑启动电源到被启动电源综合性能最优的路径，即为最优恢复路径：对通过 可行性校验的所有黑启动恢复路径进行评估和排序，选出从黑启动电源到被启动电源综合性 能最优的路径；评估指标包括选择电压转换次数、路径长度、启动时间、被启动机组容量、 技术校验优劣程度和被启动电源的优先等级，其中的技术校验优劣指标是对发电机自励磁、 工频过电压倍数、操作过电压倍数、电压偏移、频率偏移归一化之后求和得到。

其中，所述系统分区是基于模糊聚类分析的电力系统黑启动分区，由系统分区模块实现， 所述系统分区通过以下步骤实现：

（1）建立反映各节点与各黑启动电源之间电气距离的原始数据矩阵：

定义节点i与黑启动电源j之间的电气距离为：

$L_{\mathrm{ij}}=\underset{k=1}{\overset{l}{\Sigma }}{\omega }_{\mathrm{ij}\left(k\right)}{r}_{\mathrm{ij}\left(k\right)}^{\prime }$    ①;

其中，r_ij(k)为衡量电气联系强弱的第k个指标值，r_ij(k)′为其标准化后数 值，r_max、r_min分别为r_ij(k)对应于不同i的最大值、最小值；ω_i为第i个指标的权值；l代表指 标个数，取为3；i=1,2,…,m,j=1,2,…,n；节点包括被启动电源、变电站和负荷母线；

若以电网中的m个节点为分类对象，黑启动电源个数为n，则节点i与黑启动电源j之间 的电气距离构成相应特征指标，即原始数据矩阵中的各元素：

x_ij＝L_ij    ②；

则建立原始数据矩阵X=(x_ij)_m×n；其中i=1,2,…,m,j=1,2,…,n

（2）对所述原始数据矩阵中各元素进行标准化：采用极差标准化方法对原始数据矩阵进 行标准化，其表达式为：

$y_{\mathrm{ik}}=\frac{x_{\mathrm{ik}}-\underset{1\le i\le m}{\min }\left\{x_{\mathrm{ik}}\right\}}{\underset{1\le i\le m}{\max }\left\{x_{\mathrm{ik}}\right\}-\underset{1\le i\le m}{\min }\left\{x_{\mathrm{ik}}\right\}},$    ③;

其中：k=1,2,…,n；

（3）标定待分类对象，建立模糊相似矩阵：

建立模糊相似矩阵又称为标定，是指标出衡量被分类对象间相似程度的统计量r_ij；设论 域X={x₁,x₂,…,x_m}，x_i=(x_i1,x_i2,…,x_in)，则x_i与x_j的相似程度为r_ij=R(x_i,x_j)，i,j=1,2,…,m；

采用绝对值指数法来求解r_ij，其表达式为：

$r_{\mathrm{ij}}=\exp (-c\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}|y_{\mathrm{ik}}-y_{\mathrm{jk}}\left|\right)$    ④;

其中：c为正数，其取值为0≤r_ij≤1；

（4）应用传递闭包法对各对象进行聚类，得到对应不同阈值的系统分区方案：

选取合适的阈值λ∈[0,1]，根据如下式⑤求取模糊矩阵R的λ-截矩阵得到 对应不同λ值的分区方案，即为：

$r_{\mathrm{ij}}^{\left(\lambda \right)}=\left(\begin{array}{c}1,r_{\mathrm{ij}}\ge \lambda \\ 0,r_{\mathrm{ij}}<\lambda \end{array}\right),$    ⑤;

对于x_i,x_j∈X，若，则在阈值λ水平上将对象x_i和对象x_j归为同一类；对于不同 的阈值λ，按照R_λ进行分类，所得到的分类就是在λ水平上的等价分类，即对应不同阈值的 系统分区方案；

（6）参考电网黑启动电源分布和潮流校验结果进行系统分区的合并与调整，得到最终的 黑启动分区方案。

其中，在黑启动分区过程中结合以下规则：

（1）控制黑启动过程中的电压转换次数，减少空充线路造成的电压越限；

（2）限制路径长度减小线路形成的容性负荷，降低发电机发生自励磁的机率；

（3）限制黑启动过程中经过的厂站数量减少恢复操作，减小方案的风险性并缩短启动时 间。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明提供的在线大电网恢复辅助决策系统，可用于省级及其以上规模电网黑启动方 案制定时的各类校验计算，也可用于大停电事故发生后系统恢复过程的方案校验及方案外最 优路径生成等。

2、实时模式方法保留了采用传统预案式系统恢复方案时调度员、发电厂和变电站设备操 作员较为熟悉的优点，以科学的方法对预案制定进行指导和辅助，减轻了预案制定人员的工 作强度，体现电力系统恢复辅助决策的快速性、准确性和可靠性，同时能针对电网发展迅速、 实际情况与预案设想情况不一致、预案涉及恢复路径不可行等缺点，在电网大停电事故发生 后，充分利用调度自动化系统中已存在的遥信、遥测及电网拓扑信息等实时数据，校核预定 方案的可行性，并在预定方案不可用时快速生成电力系统恢复最优路径及方案，辅助调度运 行人员进行系统恢复操作，最大程度地缩短停电时间，减小停电带来的损失，提高供电可靠 能力。采用操作向导模块，便于研究人员上手操作。操作向导模块包含在路径搜索与评估模 块中，为路径搜索和评估准备计算参数，然后在该向导的最后一步调用路径搜索与评估。

3、研究模式方法集成了普通电网黑启动方案制定可能涉及到的几乎全部计算类型，并增 加了大电网恢复特有的电网分区计算，还具备方案草稿生成功能，使用人员可以方便地将其 分析过程产生的结果转换为方案草稿，大大节省了将不同结果文件整合到一起的时间开销。 采用路径生成向导，能避免因某些设定遗漏而带来结果不准确的情况发生。研究断面调整功 能结合智能电网调度技术支持系统中丰富的断面库，为使用人员提供了充足的研究素材。研 究模式下各步计算结果保存完整，便于使用人员验证计算结果的正确性。

4、系统采用智能电网调度技术支持系统（SG-OSS）多项研究成果，数据流转、系统架 构和数据接口全面满足智能电网调度技术支持系统相关标准的要求，可快速、方便地应用到 二十多个省级调度中心。充分利用SG-OSS中的已有资源，减少建设周期和成本。

附图说明

图1是本发明提供的实时辅助模式下的功能结构图；

图2是本发明提供的研究分析模式下的功能结构图；

图3是本发明提供的初始断面读取界面图；

图4是本发明提供的目标断面读取界面图；

图5是本发明提供的停电范围设置界面图；

图6是本发明提供的黑启动电源选取界面图；

图7是本发明提供的黑启动参数设置界面图；

图8是本发明提供的黑启动路径生成向导确认界面图；

图9是本发明提供的黑启动路径生成向导中的被启动电源选择界面图；

图10是本发明提供的电磁暂态分析结果波形图；

图11是本发明提供的SG-OSS基础平台层次结构图；

图12是本发明提供的实时辅助模式工作流程图；

图13是本发明提供的研究分析模式工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明的目的是提供一种在线的电力系统恢复辅助决策系统，该系统可以通过调度自动 化系统获得电力系统拓扑连接关系和设备参数，为大电网停电时的恢复方案提供分区指导及 黑启动电源规划建议；还可在发生大停电事故后黑启动预案不可用的情况下及时获取实时电 网状态和恢复目标，通过对初始运行状态的拓扑分析，选取系统中合理的黑启动电源，自动 搜索生成黑启动电源到被启动电源之间的初始路径，对通过各项校验的所有路径进行评估和 排序，选出综合性能较优的路径，供调度人员参考，由调度员来决定最终采用的黑启动路径， 并实时跟踪系统恢复进程，结合负荷恢复目标给出负荷恢复优化顺序，协助调度员尽快恢复 可能的系统供电，减轻负荷损失程度。应用本发明的方法开发在线电力系统恢复辅助决策支 持系统，可充分利用调度中心现有数据资源，综合了预案恢复方法与智能型调度的优点，无 需重新建模，减少系统建设时间和成本，提高了决策建议的实时性和准确性，为电网大停电 事故后的快速可靠恢复提供了强有力的支持，采用基于智能电网调度技术支持系统规范的数 据接口和人机展示方案，具有广阔的市场前景。

下面对术语进行描述：

1）黑启动：整个系统因故障停运后，不依赖于其他网络的帮助，通过系统中具有自启动 能力机组的启动，带动无自启动能力的机组逐渐扩大系统恢复的范围，最终实现整个系统的 恢复的过程。

2）黑启动电源：指整个系统因故障崩溃停运处于全“黑”状态时，不依赖外部电网，自 身具有自启动能力的机组。黑启动电源通常选取：水电机组、燃气轮机、轻型直流输电系统、 新能源发电、小机组主动解列为孤岛等。

3）恢复路径：各节点（发电厂、变电站等）恢复的先后顺序。

4）断面：分数据断面与模型断面。数据断面是指某一时刻电网中所有设备的运行状况描 述集合。如2013-02-2619:45:02秒断面包含的信息为该时刻电网中所有线路、变压器、电容 电抗器、机组上通过的有功、无功，所有母线的电压，所有断路器和刀闸的开合状态，以及 各设备的运行状态（正常、检修、停运、故障等）；模型断面是指某一时刻电网中所有设备的 参数和所有连接关系。本文提到的断面若未直接指明，则其同时具有数据断面和模型断面的 含义。

5）可行性校验：对自动搜索生成的初始路径进行校验，删除不满足校验的路径。主要包 括：自励磁校验、操作过电压校验、电压频率偏移等。

6）自励磁校验：在黑启动初期，系统是由启动电源、升压变压器及空载长线路组成，系 统中容性电流比较大，此易产生黑启动电源自励磁问题，发电机的端电压及电容电流不断增 大，导致发电机过电压及过电流，使得发电机的定子端部严重发热。因此，自励磁问题成为 了黑启动电源的一个重要问题。电源不产生自励磁条件为：，其中为发电机直轴电抗，为 升压变压器漏抗，为空载线路等值容抗。当该条件不满足时，所选黑启动电源不满足不产生 自励磁要求，需另选黑启动电源。自励磁条件既是黑启动电源选择的重要问题，也是路径评 估的重要指标之一。

7）操作过电压校验：考虑进行黑启动过程中，路径上各开关依次闭合后，相应母线空充 之后母线电压是否暂态越限。其实现方法是路径上各条母线进行合闸时，通过对其进行电磁 暂态仿真分析，而得到暂态电压，并与规程所规定的允许暂态电压值进行比较而得到相应的 评价。

8）评估指标：对所有可行路径进行综合性能评价及排序，以便挑选出最优，及次优的可 行路径。通常选取电压转换次数、路径长度、启动时间、被启动机组容量、技术校验优劣程 度和被启动电源的优先等级等6个指标，其中的技术校验优劣指标是对每项技术校验结果的 归一化后求和得到。

9）主网架恢复：依据生成的黑启动电源到被启动电源之间的关键路径，逐步启动系统内 的主力发电机组、重要变电站和部分输电线路来逐步恢复系统主网架。这部分工作包含两部 分：一是建立目标网架，二是确立具体的恢复顺序。

10）负荷恢复：当火电机组己经启动并具有一定的发电能力，而且也已建立较为稳定的 网架之后，逐渐开始恢复负荷的阶段。负荷恢复阶段主要目标是尽快地恢复尽可能多的负荷， 约束条件主要包括电压、线路、变压器的热稳定，以及系统频率。

11）网络拓扑分析：依据实时设备状态分析电网设备的连接性和供电状态，并构成母线 模型以支持高级应用功能和在用户界面上显示连接情况。网络拓扑分析是启动路径搜索和路 径技术校验的前提。电力网络拓扑分析一个重要要求就是实时性和快速性，在断路器、刀闸 的位置发生变化时，能马上给出电网的拓扑分析结果，电网的拓扑着色马上改变。

本发明提供的在线大电网恢复辅助决策系统，包括实时辅助模式和研究分析模式两种工 作模式，所述系统包括：

断面操作分析模块：用于断面读取及断面调整，包括恢复目标断面读取模块、实时断面 读取模块、研究基础断面读取模块、研究断面调整模块和断面恢复模块；

计算配置模块：用于计算参数设置、黑启动电源选取和被启动电源选取，包括参数设置 模块、黑启动电源选取模块和被启动电源选取模块；

计算功能模块：用于系统分区、潮流计算、电磁暂态计算、机电暂态计算和路径搜索与 评估，包括系统分区模块、潮流计算模块、电磁暂态计算模块、机电暂态计算模块和路径搜 索与评估模块；

计算管理模块：用于系统分区方案、电压波形、可用路径排名和黑启动生成方案的显示， 包括波形显示模块。

实时辅助模式下的功能结构如图1，一旦进入实时模式，将周期性地计算当前潮流，当 调度员指定想要进行的恢复操作后将对该操作进行技术校验，若校验未通过则会以操作前的 带电节点为起点，以被启动电源为终点进行路径搜索，并对搜索出的所有路径进行校验、评 估及排序，给出最优路径供调度员参考。

研究分析模式下的功能结构如图2，其计算配置及计算功能与实时模式一致，断面读取 方面读取实时断面功能变为读取研究基础断面及研究断面调整功能，增加了断面恢复功能， 计算结果显示则包括电压波形展示、可用路径排名、黑启动方案生成。研究模式下系统与用 户的交互点很多，各计算模块也相对独立，没有像实时辅助模式那样的流程图，现给出流程 示意图如附图2。其表示了为得到某一类结果所需要的基础操作步骤，以及一些数据或计算 所包含的大致内容。

一、断面读取：

在实时辅助模式下，所述断面操作模块用于读取恢复目标断面和实时断面；在研究分析 模式下，所述断面读取模块用于读取研究基础断面和恢复目标断面以及进行研究断面调整和 断面恢复；

读取恢复目标断面由恢复目标断面读取模块实现，包括：从系统的断面库中读取指定断 面作为恢复的目标断面，为分析计算提供优化所需的各负荷节点的负荷值及系统运行状态； 其界面如图4。

读取实时断面由实时断面读取模块实现，包括：读取系统SCADA应用下所有设备的量 测和状态，获取系统运行现状。

读取研究基础断面由研究基础断面读取模块实现，包括：从系统的断面库中读取指定断 面作为研究分析用的基础断面；其界面如图3。

研究断面调整由研究断面调整模块实现，包括：在研究基础断面进行一系列的设置（包 括设备运行状态设置、开关及刀闸状态置位、机组出力及负荷功率大小设置），得到模拟大停 电事故发生后的系统状态，即黑启动问题初态，该初态称为研究断面；

断面恢复由断面恢复模块实现，包括：将研究基础断面恢复为上一次断面调整前（最近 一次研究断面调整模块被调用之前）的状态。

二、断面调整：

研究断面调整：在研究基础断面进行一系列的设置，以得到模拟的大停电事故发生后的 系统状态即黑启动问题的初态，该初态也称为研究断面。

断面恢复：将研究断面恢复为上一次断面调整前的状态。

研究断面设置是研究分析模式下系统恢复辅助决策的一个重要子功能，主要通过对断路 器的开合操作实现的停电范围设置及对机组发出力和负荷大小进行设置的注入量调整功能来 实现。注入量调整可在厂站图上实现，停电范围设置界面如图5，其说明如下：

1、停电范围设置。停电范围设置区域的树状结构是根据电网模型中区域归属关系所生成 的，厂站下的设备只展示断路器和刀闸两种设备。初始状态为全选状态。当勾选某一节点时， 其子节点也会被勾选，当其某一子节点的勾选状态被取消后，该节点、该节点的子节点及其 所有父级节点的选中状态均应取消。点击反选按钮后，所有节点的选取状态取反，点击设置 按钮则会将所有被选中的刀闸和断路器的质量位置分，所有被勾选的厂站所连接的线路拓扑 着色改为白色。查找输入框的功能与黑启动电源设置界面中的查找输入框功能相似，当选中 查找下拉框中的设备后，其对应的节点应在树状图中被选中，且树状图展开。

2、数据断面获取。点击获取初始断面或选择目标断面按钮后都将弹出断面设置界面，不 同之处在于弹出的断面设置界面的初态有差别。初始断面一方面加载到实时数据库中，另一 方面要留个底，实时库中的断面会随操作而变化或随遥信遥测更新而变化。目标断面也是取 出来，但不加载到实时库中，详细说明见数据断面获取部分。

3、点击设置按钮后的程序处理是在获取的初始断面基础上进行的。

4、为指定厂站恢复供电。在停电厂站列表中选中想要从停电区域中除去的厂站，点击恢 复按钮，则该厂站内的所有开关刀闸的遥信状态按初始断面中的值来设定。

5、停电厂站列表是与实时库中某表相对应的，本界面中显示的为该表中“是否停电”域 为1的记录，读取到的每行均包含唯一标识id，允许对启动优先等级域进行修改，若修改， 点击刷新时该值将更新至关系库中对应的表里。

6、停电信息一览各项数据显示的是当前系统状态与初始断面的比对结果，在点击刷新按 钮时执行该比对。

三、计算配置：

在实时辅助模式和研究分析模式下，所述计算配置模块均用于计算参数设置、黑启动电 源选取和被启动电源选取；

计算参数设置由参数设置模块实现，参数设置模块可以设置的对象包括在前一节所提到 的用于描述路径搜索规则的及用于路径评估排序用的计算参数，也包括计算模式选择、结果 保存路径等控制类参数。参数设置界面如图7。

黑启动电源选取由黑启动选取模块实现，黑启动电源选取即指定用于研究分析时采用的 黑启动电源，在实时模式时无需人工指定，系统将判断出停电区域中最先投运的机组或母线， 以此来定位本系统在进行当次黑启动时的黑启动电源。黑启动电源选取的界面如6所示，其 列表中的内容为系统具备黑启动能力的机组、换流器、联络线以及假定具有黑启动能力的机 组。

被启动电源选取由被启动电源选取模块实现，被启动电源选择用于指定想要研究分析或 实时辅助时真实的被启动电源，其界面与黑启动电源选择类似。

四、计算功能模块：

在实时辅助模式下，所述计算功能模块用于潮流计算、电磁暂态计算、机电暂态计算和 路径搜索与评估；在研究分析模式下，所述计算功能模块用于系统分区、潮流计算、电磁暂 态计算、机电暂态计算和路径搜索与评估；

潮流计算由潮流计算模块实现，包括指定模型中的电力潮流分布情况；在实时从黑启动 电源到被启动电源的黑启动过程中，电力元件一个个逐步加入到电气活岛中的，因而计算潮 流的模型需要动态生成。潮流模块可依据用户指定的黑启动恢复路径及想要研究的母线来生 成对应的计算模型，计算结果用于工频过电压校验；在实时模式下也可计算出电力系统在恢 复中的实时潮流，用于系统电压频率稳定性控制。

电磁暂态计算由电磁暂态计算模块实现，采用EMTP工具包进行电磁暂态分析获取操作 电压校验结果；黑启动过程中存在大量断路器操作使线路和变压器由不带电到带电状态，这 个过程可能产生操作过电压从而损坏设备，因而需进行操作过电压校验。本系统采用EMTP 工具包进行电磁暂态分析以获取操作电压校验结果。EMTP程序的基本功能是进行电力系统 仿真计算，典型应用是预测电力系统在某个扰动（如开关投切或故障）之后感兴趣的变量随 时间变化的规律，正适合于黑启动过程的操作过电压校验问题分析。

电磁暂态分析结果可以体现线路或变压器投入运行时系统的电压响应，校验响应过程中 的最大电压是否超过限定值，也作为一项指标参与路径评估排序，其结果还可通过曲线展示 模块以曲线的形式表达出来，如图10所示。

机电暂态计算由机电暂态计算模块实现。机电暂态分析，主要研究电力系统受到大扰动 后的暂态稳定和受到小扰动后的静态稳定性能。其中暂态稳定分析是研究电力系统受到诸如 短路故障，切除线路、发电机、负荷，发电机失去励磁或者冲击性负荷等大扰动作用下，电 力系统的动态行为和保持同步稳定运行的能力。在黑启动过程中，被启动电源的辅机系统能 够经由黑启动电源带动起来是黑启动恢复过程初期最为关键的因素。突加辅机系统相当于突 加电动机负荷，适于采用机电暂态分析。根据机电暂态分析原理，编写了机电暂态分析程序， 在算例系统分析的结果表明其与PSASP（Power System Analysis Software Package电力系统分 析综合程序）的结果一致性较好。

五、路径搜索与评估：

路径搜索与评估由路径搜索与评估模块实现，路径搜索是选出从黑启动电源到被启动电 源综合性能最优的路径；

所述路径搜索与评估模块包括恢复路径生成模块和黑启动路径生成向导模块；

生成黑启动恢复路径包括下述步骤：

I、确定被启动电源：所述被启动电源采用火电机组。

II、采用基于规则的初始路径搜索算法，获得从黑启动电源到被启动电源的可行电力路 径；所述初始路径搜索算法遵循以下规则：

1）电压转换次数限制原则：控制黑启动过程中的电压转换次数；

2）路径长度限制原则：限制黑启动恢复路径长度；

3）厂站限制原则；

4）容量限定原则：被启动机组启动时所需的最小负荷小于启动机组的出力，并且恢复大 容量的机组；

5）重要负荷优先原则；

6）时间最小原则：选择处于热备用状态的机组；

7）避免环路原则：在从启动机组到被启动机组的路径中不存在环路。

III、筛选出通过可行性校验的电力路径：所述可行性校验的检验项目包括：发电机自励 磁校验、低频振荡校验、工频过电压校验、操作过电压校验和电压频率稳定性校验；

IV、确定从黑启动电源到被启动电源综合性能最优的路径，即为最优恢复路径：对通过 可行性校验的所有黑启动恢复路径进行评估和排序，选出从黑启动电源到被启动电源综合性 能最优的路径；评估指标包括选择电压转换次数、路径长度、启动时间、被启动机组容量、 技术校验优劣程度和被启动电源的优先等级，其中的技术校验优劣指标是对发电机自励磁、 工频过电压倍数、操作过电压倍数、电压偏移、频率偏移归一化之后求和得到。路径评估时 考虑的指标和技术校验优劣程度包含的技术内容分别如表1和表2所示：

表1路径评估时考虑的指标

表2技术校验优劣程度包含的技术内容

因生成黑启动路径所需的初始条件需要在好几个界面中设置，使用者可能在使用时遗漏 一些步骤从而无法得到合理结果。为方便使用人员掌握黑启动路径生成方法，引入了向导模 式。黑启动路径生成向导实际上是将设置黑启动电源、设置被启动电源、设置路径搜索参数 整合到一起的流程化集合体。将需要用的到设置按一定顺序全部展示出来，在调用路径搜索 运算程序的界面前（黑启动路径生成向导确认界面如图8所示），所有的必须数据均已准备完 毕。在该图中，点击完成按钮将调用路径搜索程序，以完成对指定启动电源和指定被启动电 源间路径的搜索。黑启动路径生成向导中的被启动电源选择界面如图9所示。

六、系统分区：

根据当前调度机构制定的面临大规模停电事故时的电网恢复方案来看，基本采取的是将 停电区域按电力公司归属划分为多个子区域，在各子区域中均布置黑启动电源以保证子区域 的自启动能力，各子区域并行恢复区域内主要机组和负荷，各子区域在上级调度的协调下选 择合适的时机同期并网，以实现整个电网的互联。该划分方法的缺点是区域内的负荷节点与 区域内的黑启动电源的组合未必最优，例如，A区域中的P节点经由A区域中的黑启动电源 SA来启动可能需要2小时，而经由B区域中的SB来启动只需要1.5小时，而停电后快速恢 复负荷具有重要意义。根据黑启动电源的分布情况来进行系统的分区，并考虑了机组的启动 特性和系统状态，但对于系统恢复中安全性以及发电与负荷平衡限制考虑不足。基于复杂网 络社团结构理论的恢复子系统划分算法，但其在计算前就已选定被启动电源，并将黑启动电 源到被启动电源之间路径内包含的节点合并成为一个节点，具有一定的主观性。基于有序二 元决策图的黑启动分区策略，但该方法主要是通过网络拓扑搜索寻求最优解，对其他影响因 素的考虑较少。

本发明采用了一种基于模糊聚类分析的电力系统黑启动分区方法，系统分区由系统分区 模块实现，所述系统分区通过以下步骤实现：

（1）建立反映各节点与各黑启动电源之间电气距离的原始数据矩阵：

为保证黑启动的顺利进行，在分区时，要保证每个分区至少有一个黑启动电源。各分区 内的每个黑启动电源经过几个中间变电站，启动其他电厂或恢复对负荷的供电。考虑到可靠 性和时间性，可以用以下几个指标来衡量每个被启动电厂、重要变电站、负荷母线与黑启动 电源之间电气联系的强弱：1）与黑启动电源之间的距离；2）电压转换次数；3）中间经过电 站个数。这三个指标都是成本型指标，分区的控制目标是此三个指标值越小越好。

定义节点i与黑启动电源j之间的电气距离为：

$L_{\mathrm{ij}}=\underset{k=1}{\overset{l}{\Sigma }}{\omega }_{\mathrm{ij}\left(k\right)}{r}_{\mathrm{ij}\left(k\right)}^{\prime }$    ①;

其中，r_ij(k)为衡量电气联系强弱的第k个指标值，r_ij(k)′为其标准化后数值，r_max、r_min分别为r_ij(k)对应于不同i的最大值、最小值；ω_i为第i个指标的权值；l代表指 标个数，取为3；i=1,2,…,m,j=1,2,…,n；节点包括被启动电源、变电站和负荷母线；

若以电网中的m个节点为分类对象，黑启动电源个数为n，则节点i与黑启动电源j之间 的电气距离构成相应特征指标，即原始数据矩阵中的各元素：

x_ij＝L_ij    ②；

则建立原始数据矩阵X=(x_ij)_m×n；其中i=1,2,…,m,j=1,2,…,n

（2）在实际问题中，不同的数据一般有不同的量纲，在运算过程中某些数量级特别大的 特性指标可能对分类起到过于突出的作用，而某些数量级很小的特性指标的作用可能被减小 甚至忽略。为了使不同的量纲也能进行比较，通常需要对数据做适当的变换。根据模糊矩阵 的要求，需要将数据压缩到区间[0，1]上。目前采用较多的标准化方法主要有：标准差标准 化、极大值标准化、极差标准化、均值标准化、中心标准化、对数标准化等。本发明采用极 差标准化方法对原始数据矩阵进行标准化，其表达式为：

$y_{\mathrm{ik}}=\frac{x_{\mathrm{ik}}-\underset{1\le i\le m}{\min }\left\{x_{\mathrm{ik}}\right\}}{\underset{1\le i\le m}{\max }\left\{x_{\mathrm{ik}}\right\}-\underset{1\le i\le m}{\min }\left\{x_{\mathrm{ik}}\right\}},$    ③;

其中：k=1,2,…,n；

（3）标定待分类对象，建立模糊相似矩阵：

建立模糊相似矩阵又称为标定，是指标出衡量被分类对象间相似程度的统计量r_ij；设论 域X={x₁,x₂,…,x_m}，x_i=(x_i1,x_i2,…,x_in)，则x_i与x_j的相似程度为r_ij=R(x_i,x_j)，i,j=1,2,…,m； 其求解方法主要有：相似系数法（包括数量积法、夹角余弦法、相关系数法、指数相似系数 法、最大最小法、算术平均最小法、几何平均最小法）、距离法（包括绝对值倒数法、绝对值 指数法、直接距离法）以及主观评分法等。

本发明采用绝对值指数法来求解r_ij，其表达式为：

$r_{\mathrm{ij}}=\exp (-c\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}|y_{\mathrm{ik}}-y_{\mathrm{ik}}\left|\right)$   ④;

其中：c为正数，其取值为0≤r_ij≤1；取经验数值c=1。

（4）应用传递闭包法对各对象进行聚类，得到对应不同阈值的系统分区方案：

选取合适的阈值λ∈[0,1]，根据如下式⑤求取模糊矩阵R的λ-截矩阵得到 对应不同λ值的分区方案，即为：

$r_{\mathrm{ij}}^{\left(\lambda \right)}=\left(\begin{array}{c}1,r_{\mathrm{ij}}\ge \lambda \\ 0,r_{\mathrm{ij}}<\lambda \end{array}\right),$    ⑤;

对于x_i,x_j∈X，若则在阈值λ水平上将对象x_i和对象x_j归为同一类；对于不同 的阈值λ，按照R_λ进行分类，所得到的分类就是在λ水平上的等价分类，即对应不同阈值的 系统分区方案；

（6）参考电网黑启动电源分布和潮流校验结果进行系统分区的合并与调整，得到最终的 黑启动分区方案。在黑启动分区过程中结合以下规则：

（1）控制黑启动过程中的电压转换次数，减少空充线路造成的电压越限；

（2）限制路径长度减小线路形成的容性负荷，降低发电机发生自励磁的机率；

（3）限制黑启动过程中经过的厂站数量减少恢复操作，减小方案的风险性并缩短启动时 间。

七、黑启动方案（草稿）生成：

一般而言，在研究态下进行黑启动分析的最终目标是形成完整有效的电网黑启动分析报 告，系统的黑启动方案生成模块可以将前述分析结果直接归档整理并以报告的形式输出，形 成初步的电网黑启动分析报告，免除了用户从多个结果文件中提取数据以进行整合分析的烦 恼。

八、应用设计：

本发明还提供了黑启动辅助决策方法的应用设计。

基础平台提供了各种服务的接口，为应用开发提供数据交换机制、人机支撑、数据支持、 公共服务模块和系统管理功能，支持业务定制和调整，如图11所示。

大电网恢复辅助决策系统基于相应接口和技术要求进行开发，主要包括数据库、程序和 人机界面。

数据库

在线大电网恢复辅助决策系统包括系统数据库（各种公用的设备表）、应用计算数据库（参 数表、计算结果表等），私有数据库（仅与大电网在线恢复相关的表）。在线电力系统恢复辅 助决策的数据库是联系程序、画面、输入输出信息的桥梁，起着存放原始数据、保存计算过 程记录及计算信息、输出计算结果的作用。

电力系统恢复辅助决策的数据库基于智能电网调度技术支持系统支撑平台，数据库主要 包括以下三部分：

1．设备表：用于存放各设备参数及相互连接关系，智能电网调度技术支持系统支撑系统 的基础平台公用表中包含了绝大部分需要的信息，但缺少被启动机组相应辅机的参数，新建 了辅机系统表，以包含相应参数。

——母线表（busbarsection）

——发电机表（generatingunit）

——变压器表（powertransformer）

——线路表（aclinesegment）

——负荷表（energyconsumer）

——开关（breaker）

——刀闸表（disconnector）

——辅机系统表（auxiliary_motor）

其中辅机系统表如表3所示。

表3辅机系统表

序号 英文名 中文名 数据类型 1 id 标识 long 2 un_id 所服务机组id long 3 percent_ld 动态负荷占比 float 4 tj 惯性时间常数 float 5 xs 定子绕组感抗 float 6 rr 转子绕组电阻 float

7 xr 转子绕组漏抗 float 8 alfa 恒力矩 float 9 ro 机械特性指数 float 10 s0 稳态滑差 float 11 t1 定子开路暂态时间常数 float 12 percent_ld1 恒阻抗负荷占比 float

2．方案表：

——分区方案表：存储黑启动分区方案结果。分区方案表是平台设备表的扩展，在原有 的各设备表（母线表、发电机组、变压器表、线路表、负荷表、断路器表、刀闸表）基础上 增加一个int型的“黑启动分区”域即可。

——路径方案表：存储基于规则的路径搜索后得到的方案。其表结构如表4所示：

表4路径方案表

序号 英文名 中文名 数据类型 1 id 标识 long 2 area_no 区域号 int 3 route_no 路径号 int 4 position 元件在路径中的位置 int 5 type_dev 元件类型 int 6 id_dev 元件id long 7 name_dev 元件名称 string

3.计算参数表：

——计算控制参数表：用于存放黑启动电源选取过程中用于路径搜索限制、评估计算时 各指标的权重，计算结果存储路径等参数。

表5计算控制参数表

序号 英文名 中文名 数据类型 1 id 标识 long 2 mode 模式 int 3 path_case 方案保存路径 string 4 path_emtp 暂态结果路径 string 5 path_steady 稳态结果路径 string 6 limit_transfer_v 电压转换次数限制 int 7 limit_length 路径长度限制 float 8 limit_st 途经厂站数限制 int 9 limit_starttime 启动时间限制 float 10 limit_vipload 重要负荷限制 float 11 weight_transfer_v 电压转换次数权重 float 12 weight_length 路径长度权重 float 13 weight_tech 技术校验权重 float 14 weight_time 启动时间权重 float 15 weight_unmva 被启动机组容量权重 float 16 weight_highkv 最高电压等级权重 float

——操作验证表：用于存放即将进行操作的设备，以供程序读取后进行校验。

表6操作验证表

序号 英文名 中文名 数据类型 1 id 标识 long 2 dev_id 设备id long 3 seq 操作顺序 int 4 dev_name 设备名称 string

4．评估表

——路径评估结果表：用于存放从指定黑启动电源到被启动电源之间各路径评估排名情 况。如表7所示。

表7路径评估结果表

序号 英文名 中文名 数据类型 1 id 标识 long 2 route_no 路径编号 int 3 score 评估得分 float 4 rank 排名 int

初始恢复路径评估结果表：存储可行方案的相对有效性次序。

人机界面

拉限电辅助决策计算画面的开发基于智能电网调度技术支持系统支撑系统，采用基础平 台提供的画面浏览器与编辑器及人机接口实现人机交互与结果展示。

本发明还提供一种在线大电网恢复辅助决策方法，所述方法选择不同工作模式进行相应 步骤，所述工作模式包括实时辅助模式和研究分析模式。

①实时模式下的所述方法的流程如图12所示，包括下述步骤：

<1>确认进入实时辅助工作流程：实时辅助工作流程一般由事件触发，当大停电事故发生 后，系统监测模块判断当前系统状态为大停电状态，则发出大停电状态事件，大电网恢复辅 助决策系统预备进入实时辅助工作流程，待用户确认后正式进入实时辅助工作流程，以避免 事件误信号导致误进入实时辅助工作流程的情况。

<2>读取距离大停电事件发生时刻最近的系统正常断面作为恢复的目标断面，该断面是由 智能电网调度技术支持系统的其他模块生成的，并统一存放到断面库中。

<3>读取被启动机组；

<4>读取系统状态，判断停电范围及设备带电情况；

<5>计算当前潮流；

<6>读取数据库中的操作验证表，判断是否有投运的设备；

<7>判断投运的设备是否为与被启动机组相连的变压器：若是，进行步骤<8>，否则进行 步骤<9>；

<8>机电暂态校验，并将已达到的被启动机组标识置为1；

<9>对被启动机组进行可行性校验；

<10>判断是否通过可行性校验：若是，进行步骤<11>，否则进行步骤<14>；

<11>给出该路径（该路径指的是从黑启动电源连接到操作验证表中正在校验的设备时中 间经过的设备顺序集）可行的提示；

<12>将操作验证表中已验证的投运设备删除；

<13>继续判断经过步骤<12>后的操作验证表是否已达到被启动机组：若是，则进行步骤 <20>，否则，返回步骤<4>；

<14>以与将要操作的设备相连的（该设备是指操作验证表中当前正在校验的设备）带电 母线为起点，以被启动机组为终点进行路径搜索；

<15>对符合步骤<14>的要求的路径进行可行性校验；

<16>路径评估并排序；

<17>判断是否存在通过可行性校验的路径：若是，则进行步骤<19>，否则进行步骤<18>；

<18>给出无通过可行性校验的路径，并给出预设路径的评估排名顺序；

<19>给出通过可行性校验的路径，并给出评估水平最高的路径；

<20>若已恢复到被启动电源，并退出实时辅助模式，否则，重复步骤<10>-<19>。

②研究分析模式下所述方法包括以下步骤：

A、进入研究分析模式。研究分析模式由使用者指定进入，如图13中的步骤1。

B、研究断面获取。从断面库获取基础研究断面，并以其为基础进行修改后生成使用者 想要研究的断面状态。使用者可以保存其修改后的断面以备以后使用。如图13中步骤2、3、 4、5、6、7。

C、黑启动分区计算。根据使用者设定的研究断面进行系统模糊聚类分区计算，给出分 区结果以供制定分区方案时参考。如图13中步骤8和15。

D、路径搜索。使用人员指定分析区域，并指定该区域内的黑启动电源和被启动电源后 以及一些计算控制参数后，由路径生成模块计算出满足搜索条件的路径并展示。如图13中步 骤9、10、11、12、13、14。

E、路径评估。对路径搜索后得到的所有路径进行各类校验，将校验结构作为指标参与路 径评估，得到能描述各路径优劣程度的评分及各路径的排名。如图13中步骤23、24、25。

F、详细分析与波形展示。在路径搜索完成得到所有路径后，可指定想要研究的路径及关 注的母线，分别调用潮流计算、电磁暂态计算和机电暂态计算，采用波形展示模块就可以将 关注母线相关计算的电压波形展示出来。如图13中步骤16、17、18、19、20、21、22。

G、在生成路径并完成一条路径的所有校验后，指定生成采用该路径的黑启动方案，系 统将汇总关于该路径在进行各类校验时的结果，生成黑启动方案草案。如图13中的步骤26、 27。

本发明提供的在线大电网恢复辅助决策系统和方法能为制定大型互联电力系统（省级及 其以上规模电网）黑启动方案提供系统分区、最优路径等方面的建议，能快速生成方案草稿， 能在导致电网全黑的事故发生后的恢复过程中协助调度员进行电压频率稳定控制，并能在恢 复预案不可用时为调度员提供其他可行的恢复方案建议。在研究分析模式下，能够根据大型 互联电力系统的网络结构和所预想的系统初始状态，通过模糊聚类分析得到所需恢复区域的 恢复分区方案，并可以此机制对黑启动电源进行规划，待各分区的黑启动电源与被启动电源 确定后，进行基于条件的网络拓扑分析，得到满足条件的路径后进行技术校验，将技术校验 结果作为一项指标，结合系统恢复时考虑的其他指标以熵权模糊评估方法进行综合评价，得 到恢复被启动电源的最优路径。在实时辅助恢复模式下，实时获取在线系统中的SCADA （Supervisory Control And Data Acquisition即数据采集与监视控制）数据，结合系统中的EMTP （Electro-Magnetic Transient Program电磁暂态分析程序）模块和柔性潮流计算模块，以事故 发生前最新的正常断面作为负荷恢复目标，结合电压频率控制得出最优负荷恢复方案；当黑 启动预案中所涉及的设备由于检修、故障或是自然灾害等客观因素导致其不可用时，给出在 当前电网状况下可采用的黑启动最优路径，协助调度员快速调整恢复方案，以实现整个电力 系统的恢复。系统基于SG-OSS（Smart Grid Operating and Supporting System即智能电网调度 技术支持系统）开发，满足其各项相关规范要求。

最后应当说明的是：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 上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本 发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等 同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。