CN103746371B - Fcb机组布点方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FCB机组布点方法，包括以下步骤：获取电网数据文件，对所述文件中的错误数据进行剔除；并根据所述文件寻找最大电气岛，确定目标电网；生成与所述目标电网对应的拓扑结构图；采用递推法遍历各种可行的FCB机组布点位置，求解各种布点数目分别对应的最优布点位置；分别计算上述各种最优布点位置所对应的经济指标；确定最终的FCB机组布点位置，并进行布点。本发明提出的方法，结合了经济性指标，考虑投资成本和经济收益的特点，克服了计算量过大的缺点，鲁棒性强，能够快速确定FCB机组最优布点方案。不但能够缩短计算次数和计算时间，而且得到的FCB机组布点方案能够同时满足经济性和安全性的要求。

Description

FCB机组布点方法

技术领域

本发明涉及电力系统安全运行技术领域，尤其涉及一种FCB机组布点方法。

背景技术

目前，电网已经形成多回超高压交直流“西电东送”大通道，输电能力和实际送电规模均超过1000MW，成为世界上最复杂的交直流混合大电网之一。但是，随着电网复杂程度的提高、多馈入直流输电的存在以及负荷的不断加重，电网稳定运行的裕度逐渐减小，受端网无功支撑能力不足，系统阻尼相对较弱，一旦发生诸如多重复杂故障、受端失去大电源或者重要线路安全自动装置拒动和误动等严重故障，则有可能引起大面积停电事故。

如何防止大面积停电，实现系统潜在风险的预控，故障后的迅速恢复，是现代电力系统运行和规划面临的重大课题。高效率的系统自愈策略能够减少系统恢复时间，提高系统运行的可靠性，是实现自愈电网的核心技术。传统的系统恢复依赖水电和小型燃油机组提供启动电源，这种方法容量有限，同时受地域性影响巨大。

FCB(FastCutBack，快速切负荷)是一种可用于提供启动电源的新技术，指机组在高于某一负荷之上运行时，因内部或外部电网故障与电网解列，瞬间甩掉全部对外供电负荷，并保持锅炉在最低负荷运行，维持发电机带厂用电运行的自动控制功能。随着FCB技术的日趋成熟，经FCB功能改造的大型火力发电机，具有启动容量大和启动速率快等特点，作为网络故障情况下的启动电源，有助于电网在可能的最短时间内恢复正常。FCB机组扩大了系统停电后黑启动电源的位置和容量的选择范围，使黑启动机组布点在容量维度和空间维度有了更加灵活的选择度，将成为系统大面积停电后快速恢复的支撑点。

FCB机组的布点方案，指确定FCB机组的分布位置，由FCB机组启动对送电路径上的线路和变压器进行充电，并启动停运发电机的电网启动方案。随着待启动网络结构的变化，不断寻找最优启动目标和启动路径，直到系统中所有发电机都恢复发电能力。常规确定布点方案的方法是枚举法，计算量大，计算时间很长。因此，寻找一种有效和高效的FCB机组布点方法具有重要意义。

发明内容

基于此，本发明提供了一种FCB机组布点方法。

一种FCB机组布点方法，包括以下步骤：

获取电网数据文件，对所述文件中的错误数据进行剔除；并根据所述文件寻找最大电气岛，确定目标电网；

生成与所述目标电网对应的拓扑结构图；

根据所述拓扑结构图，采用递推法遍历各种可行的FCB机组布点位置，求解各种布点数目分别对应的最优布点位置；

按照预设的经济指标计算公式，分别计算上述各种最优布点位置所对应的经济指标；

根据计算的所述经济指标，确定最终的FCB机组布点位置，并进行布点。

与一般技术相比，本发明FCB机组布点方法解决了工程实际遇到的FCB机组最优布点方案的制定问题。本发明提出的方法，结合了经济性指标，考虑投资成本和经济收益的特点，克服了计算量过大的缺点，鲁棒性强，能够快速确定FCB机组最优布点方案。采用递推法求解FCB机组布点方案，并计算布点方案的经济效益指标，综合二者得到FCB机组布设的最优方案，不但能够缩短计算次数和计算时间，而且得到的FCB机组布点方案能够同时满足经济性和安全性的要求。

附图说明

图1为本发明FCB机组布点方法的流程示意图；

图2为采用递推法遍历布点方案的计算机实现流程图；

图3为系统地理接线示意图；

图4为连通示意图；

图5为一种黑启动路径图；

图6为本发明一个实施例中的电力系统结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。

请参阅图1，为本发明FCB机组布点方法的流程示意图。

一种FCB机组布点方法，包括以下步骤：

S101获取电网数据文件，对所述文件中的错误数据进行剔除；并根据所述文件寻找最大电气岛，确定目标电网；

S102生成与所述目标电网对应的拓扑结构图；

S103根据所述拓扑结构图，采用递推法遍历各种可行的FCB机组布点位置，求解各种布点数目分别对应的最优布点位置；

S104按照预设的经济指标计算公式，分别计算上述各种最优布点位置所对应的经济指标；

S105根据计算的所述经济指标，确定最终的FCB机组布点位置，并进行布点。

输入电网数据文件，对坏数据进行剔除，找出最大电气岛，确定目标电网。

对目标电网进行图论抽象描述，形成对应的拓扑图。

定义图G，描述形式为G＝(V，E)。其中，V表示所有顶点的集合，E表示所有边的集合。将系统中发电机所在的母线设为顶点。对于一个有N台发电机的系统，顶点集V中包含N个顶点。

调用迪杰斯特拉算法求取N个顶点两两之间的最短路径，将其作为边，用b(i，j)表示连接顶点i和顶点j的边，对应的权重用w(i，j)表示。一个有N个顶点的系统对应的边集E最多含有个元素。

具有发电能力的顶点称为活跃顶点，用u表示，活跃顶点的集合用大写字母U表示。显然，U是顶点集V的一个非空真子集。v∈(V-U)称为非活跃顶点。

在形成了目标电网的非活跃顶点集、活跃顶点集合以及边集，并调用迪杰斯特拉算法求取边权重后，进行计算数据的初始化。将活跃顶点设为空，非活跃顶点集的元素个数设为目标电网的发电机总数N_gen。将布置FCB机组的个数设为N_bs。

采用递推法遍历布点方案，分别求解出N_bs＝1，2，3...，N_gen情况下的最优布点方案。

首先遍历系统中设置一台FCB机组(N_bs＝1)的情况，将N个顶点分别作为活跃顶点，对应得到N个黑启动方案。启动路径权重和最小的方案S_min1为N_bs＝1的最优方案，FCB机组布置在i点位置。

求取两台FCB机组布点的最优方案，只需要保留点i，并追加一个活跃顶点，全部N-1个方案中黑启动时间最小的方案S_min2就是N_bs＝2的最优方案之一。

确定N_bs＝3的一个最优布点方案的方法是在方案S_min2基础上，追加一台FCB机组。启动路径权重和最小的方案S_min3就是N_bs＝3的最优方案之一。依此类推。请参阅图2，为采用递推法遍历布点方案的计算机实现流程图。

记录下每种情况的最优布点方案对应的活跃顶点集合目标电网的启动时间。

分别计算所有得到的最优布点方案之经济指标E(n，t_F)，其中E(n，t_F)的计算公式如下：

E(n，t_F)＝c₀(t_F)·ΔT(n)-(A+f+D)·n-Cp

其中，t_F表示FCB机组布点方案的黑启动总时间，单位：min，c₀(t_F)是单位时间大停电事故造成的各项经济损失和，单位：万元/min。在一定时间范围内，停电时间越长，t_F越大，单位时间停电损失c₀就越大。n表示FCB机组台数，ΔT(n)表示当n台机被改造成FCB机组后，启动过程所减小的启动时间。常数A表示改造总成本，单位：万元。改造总成本包括设备改造支出A_G，基建施工支出以及调研A_J、试验和维护费用A_Q。常数f表示燃料成本，单位：万元。常数D表示折损成本，单位：万元。Cp表示政策性补偿金额，单位：万元。

根据经济指标，既能够确定同时满足经济性和安全性要求的FCB机组最优布点方案。

在步骤S102中，调用迪杰斯特拉算法求取N个顶点两两之间的最短路径，将其作为边，用b(i，j)表示连接顶点i和顶点j的边，对应的权重用w(i，j)表示。设置边权重w(i，j)时，考虑支路的充电功率、高压电抗器容量和支路的启动时间，对应公式如下式：

W_i＝max{mT_i+(Q_Ci-Q_Li)，0}

其中，W_i是支路i的权值；Ti是支路的启动时间权重；m是时间权重比例系数，为一个适当的正整数，以保证输电线路优先于变压器；Q_Ci是支路充电功率标幺值；Q_Li是高压电抗器容量标幺值。

在步骤S103中，在发生大停电后的黑启动阶段，电力系统的恢复目标是在尽可能短的时间内启动所有停运发电机，使之并网。黑启动过程中，不但需要向待启动的发电机提供启动功率，还有大量的启动时间用于空载线路充电和启动变压器。线路和变压器的充电时间通常是预先得到的固定值。

黑启动伊始，U中的元素个数Card(U)等于FCB机组和黑启动机组的个数。从活跃顶点u出发，逐点启动非活跃顶点v。考虑到发电机启动必须经历爬坡过程，完成下一个非活跃顶点的启动后，当前被启动顶点才成为活跃顶点，活跃顶点之间的支路权重修改为一个很小的值，已启动的边权重改为原来的十分之一。

由于每台目标发电机组都将且只将被启动一次，因此黑启动路径图S＝(V，R)是图G的一个连通子图，启动路径图S的边集其元素个数等于Card(V)-1。

黑启动路径图S具有两条性质：(1)S中一定不包含回路，是图G的最小支撑树；(2)最优布点方案的黑启动路径图S_min一定包含图G中权重最小的边。由以上性质推知，最优布点方案对应的黑启动路径一定包含最小权重支路。

以某四机系统为例，图3为系统地理接线示意图，图3所示系统对应的连通图见图4。图5是图4所示连通图的一种黑启动路径图。

在步骤S104中，常数A表示改造总成本，单位：万元。改造总成本包括设备改造支出A_G，基建施工支出以及调研A_J、试验和维护费用A_Q。四个参数关系满足下式：

A＝A_G+A_J+A_Q

设备改造支出包括用于增大旁路系统容量、更换给水泵以及更换除氧器等费用。火电机组的保护装置逻辑以及蒸汽系统也应进行更改和参数优化，在此将这两部分支出计入试验费用A_Q中。常数f表示燃料成本。相比额定运行时，FCB工况下汽轮机热耗率上升、锅炉效率下降，火电机组的煤耗几乎全为发电煤耗。常数D表示折损成本。取火电机组经济寿命为30年，快速切负荷时，汽轮机的损耗主要在转子上。Cp表示政策性补偿金额，具体补偿金额因各地区电网政策规约而异。

经济效益指标E(n，t_F)越大，表明增设FCB机组获得的经济收益越多。显然，布置的FCB机组台数不同，得到的最优方案是不同的，对应的启动时间也不尽相同。对一个电力系统而言，最优方案满足安全性还不够，总希望获得经济效益最大的最优方案。计算所有已知布点个数的最优方案的经济效益指数，便能够筛选出满足系统恢复要求且经济获益最多的最优布点方案。

下面给出一个优选的实施例。下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

测试本发明的实例电力系统总计有节点171个、发电机18台、线路85条、变压器128台。发电机按地理位置为7个场站，用图论形式描述。请参阅图6，为本发明一个实施例中的电力系统结构示意图。

首先用递推法求取FCB机组最优方案。遍历布置一台FCB机组的所有方案，计算结果见表1。

表1N_bs＝1递推法计算结果

根据N_bs＝1的计算结果，计算表2中的六组方案就能选出布置两台FCB机组(N_bs＝2)的最优方案。

表2N_bs＝2递推法计算结果

递推法求得N_bs＝2的最优方案U(4，3)，在此基础上，N_bs＝3可能的方案有五组，分别计算启动时间，结果见表3。

表3N_bs＝3递推法计算结果

由递推法计求出的N_bs＝3最优方案有两组，分别为U(4，3，5)和U(4，3，7)。依据此，需计算如表4所示的七组方案，得到N_bs＝4的最优方案。

表4N_bs＝4递推法计算结果

N_bs＝4的最优方案是U(4，3，5，6)，此时非活跃顶点集V4＝(1，2，7)，那么求取N_bs＝5最优方案需计算三组候选方案，计算结果见表5。

表5N_bs＝5递推法计算结果

基于N_bs＝5的计算结果，根据递推法得到N_bs＝6的最优方案，如表6所示。

表6N_bs＝6递推法计算结果

综合上述六个计算结果表格：当N_bs＝1时，FCB布点位置选在4号厂站的方案最优。当N_bs＝2时，启动时间最小的方案是U(3，4)，启动时间为140分钟，布点位置包括了N_bs＝1的最优布点位置对应的4号厂站；当N_bs＝3时，启动时间最短的需要110分钟，有两组FCB机组布点方案启动时间最短，分别是方案U(3，4，5)和方案U(3，4，7)，两个最优方案都包含了N_bs＝2的最优布点位置3、4号发电厂。当N_bs＝4时，最优方案有三个：U(3，4，5，6)，U(3，4，5，7)和U(3，4，6，7)方案，包含了递推法得到的结果。且三组方案都包含了两个N_bs＝3最优方案的其中一个。以此类推。

为进行比较，亦将采用传统的枚举法遍历求解的计算结果表格列出，见下表7至表11。

表7N_bs＝2枚举法计算结果

表8N_bs＝3枚举法计算结果

表9N_bs＝4枚举法计算结果

表10N_bs＝5枚举法计算结果

表11N_bs＝6枚举法计算结果

采用枚举法需要计算次，而递推法计算了30次，计算次数不到枚举法的三分之一。

最后，考虑经济指标的优化方案将N_bs＝1、2、3、4、5、6的最优布点方案求出经济效益，作为衡量方案经济性的指标，结果见表12。

表12最优方案经济效益指标

根据经济性效益指标，当N_bs＝4对应的经济指标开始下降时，可以不需要再继续计算，选择N_bs＝3的最优方案为该系统FCB机组配置的最优方案。因此对实例系统而言，布置3台FCB机组比较合适，最优方案有二：分别为装设在黄埔B厂、珠江电厂和展能电厂或者黄埔B厂、珠江电厂和恒运C厂。

与一般技术相比，本发明FCB机组布点方法解决了工程实际遇到的FCB机组最优布点方案的制定问题。本发明提出的方法，结合了经济性指标，考虑投资成本和经济收益的特点，克服了计算量过大的缺点，鲁棒性强，能够快速确定FCB机组最优布点方案。采用递推法求解FCB机组布点方案，并计算布点方案的经济效益指标，综合二者得到FCB机组布设的最优方案，不但能够缩短计算次数和计算时间，而且得到的FCB机组布点方案能够同时满足经济性和安全性的要求。

本发明公开了电力系统安全运行技术领域中的一种快速确定同时满足安全性和经济性要求的FCB机组最优布点方案的方法，解决工程实际遇到的FCB机组最优布点方案的制定问题。技术方案是，对目标电网进行图论抽象描述，形成对应的拓扑图，形成目标电网的非活跃顶点集、活跃顶点集合以及边集，并调用迪杰斯特拉算法求取边权重，采用递推法遍历布点方案，依次求解出设置不同数量FCB机组情况下的最优布点方案，最后计算所有得到的最优布点方案之经济指标E(n，t_F)，选取合适的最优方案。算例测试分析结果显示，本发明在如何高效确定同时满足安全性和经济性要求的FCB机组最优布点方案的问题中，提出了新的寻优方法，计算次数大大减少且不失准确性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种FCB机组布点方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取电网数据文件，对所述文件中的错误数据进行剔除；并根据所述文件寻找最大电气岛，确定目标电网；

生成与所述目标电网对应的拓扑结构图；

根据所述拓扑结构图，采用递推法遍历各种可行的FCB机组布点位置，求解各种布点数目分别对应的最优布点位置；

按照预设的经济指标计算公式，分别计算上述各种最优布点位置所对应的经济指标；

根据计算的所述经济指标，确定最终的FCB机组布点位置，并进行布点。

2.根据权利要求1所述的FCB机组布点方法，其特征在于，所述生成与所述目标电网对应的拓扑结构图的步骤，包括以下步骤：

步骤一：定义图G，描述形式为G＝(V，E)；其中，V表示所有顶点的集合，E表示所有边的集合；将系统中发电机所在的母线设为顶点；对于一个有N台发电机的系统，顶点集V中包含N个顶点；

步骤二：调用迪杰斯特拉算法求取N个顶点两两之间的最短路径，将其作为边，用b(i，j)表示连接顶点i和顶点j的边，对应的权重用w(i，j)表示；其中，一个有N个顶点的系统对应的边集E最多含有个元素；

步骤三：具有发电能力的顶点为活跃顶点，用u表示；活跃顶点的集合用U表示；其中，U是顶点集V的一个非空真子集，v∈(V-U)为非活跃顶点；

步骤四：在形成所述目标电网的非活跃顶点集、活跃顶点集合以及边集，并调用迪杰斯特拉算法求取边权重之后，进行计算数据的初始化；将活跃顶点设为空，非活跃顶点集的元素个数设为所述目标电网的发电机总数N_gen；将布置FCB机组的个数设为N_bs；

步骤五：根据步骤一至四对所述目标电网进行图论抽象描述，形成对应的拓扑结构图。

3.根据权利要求2所述的FCB机组布点方法，其特征在于，所述求解各种布点数目分别对应的最优布点位置的步骤，包括以下步骤：

步骤一：遍历系统中设置一台FCB机组时可行的FCB机组布点位置，将N个顶点分别作为活跃顶点，对应得到N个黑启动方案；启动路径权重和最小的方案S_min1为N_bs＝1时的最优布点位置，FCB机组布置在i点位置；

步骤二：求取两台FCB机组时的最优布点位置，保留步骤一中的点i；并追加一个活跃顶点，全部N-1个方案中黑启动时间最小的方案S_min2作为N_bs＝2时的最优布点位置；

步骤三：确定N_bs＝3时的最优布点位置，保留步骤二中方案S_min2；并追加一台FCB机组；启动路径权重和最小的方案S_min3作为N_bs＝3时的最优布点位置；

步骤四：根据步骤一至三，求得各种布点数目分别对应的最优布点位置；

步骤五：记录每种布点数目的最优布点位置对应的活跃顶点集合目标电网的启动时间。

4.根据权利要求3所述的FCB机组布点方法，其特征在于，所述预设的经济指标计算公式如下：

E(n，t_F)＝c₀(t_F)·ΔT(n)-(A+f+D)·n-Cp

其中，t_F表示FCB机组布点位置的黑启动总时间；c₀(t_F)是单位时间大停电事故造成的各项经济损失和；n表示FCB机组台数；ΔT(n)表示当n台机组被改造为FCB机组后，启动过程所减小的启动时间；常数A表示改造总成本，其中，改造总成本包括设备改造支出A_G，基建施工支出以及调研AJ、试验和维护费用A_Q；常数f表示燃料成本；常数D表示折损成本；Cp表示补偿额度。

5.根据权利要求2所述的FCB机组布点方法，其特征在于，所述生成与所述目标电网对应的拓扑结构图的步骤，包括以下步骤：

调用迪杰斯特拉算法求取N个顶点两两之间的最短路径，将其作为边，用b(i，j)表示连接顶点i和顶点j的边，对应的权重用w(i，j)表示；

设置边权重w(i，j)时，对应公式如下式：

W_i＝max{mT_i+(Q_Ci-Q_Li)，0}

其中，W_i是支路i的权值；T_i是支路的启动时间权重；m是时间权重比例系数，为一个正整数，以保证输电线路优先于变压器；Q_Ci是支路充电功率标幺值；Q_Li是高压电抗器容量标幺值。

6.根据权利要求4所述的FCB机组布点方法，其特征在于，在所述预设的经济指标计算公式中，改造总成本A包括设备改造支出A_G，基建施工支出以及调研A_J、试验和维护费用A_Q；并且上述参数满足如下公式：

A＝A_G+A_J+A_Q

7.根据权利要求6所述的FCB机组布点方法，其特征在于，所述设备改造支出A_G包括增大旁路系统容量、更换给水泵以及更换除氧器的支出。

8.根据权利要求6所述的FCB机组布点方法，其特征在于，所述试验和维护费用A_Q包括火电机组的保护装置逻辑以及蒸汽系统的更改和优化费用。