CN104102954B - 考虑黑启动功能的分布式综合供能系统的优化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供考虑黑启动功能的分布式综合供能系统的优化配置方法，包括以下步骤：获取区域黑启动方案数据，包括系统分区、第二批启动电源位置与容量、启动路径等；获取各子系统(分区)负荷数据(负荷量与负荷价值密度)；确定各分区拟采用黑启动电源类型及其可靠性；量化计算黑启动可靠性、停电损失、黑启动建设改造成本；以停电损失和黑启动建设改造成本加权为目标，以技术指标为约束，建立优化数学模型；采用粒子群优化算法(PSO)计算各子系统启动电源位置及容量。本发明配置方法能够为分布式综合供能系统的规划设计提供参考，为黑启动电源的改造提供参考，提高电力系统可靠性。

Description

考虑黑启动功能的分布式综合供能系统的优化配置方法

技术领域

本发明涉及电力系统黑启动电源规划领域，特别涉及分布式综合供能系统作为黑启动电源的规划设计。

背景技术

分布式综合供能系统是指通过一次能源转换技术的集成运用，在一个区域内为用户同时提供电、热、冷等多种能量，实现能源的梯级、高效利用。由于其高效、环保的性能，分布式综合供能系统得到迅速发展运用。

分布式综合供能系统启动速度快，出力调节速度快，是良好的黑启动电源。对于缺少水电机组的城市电网，负荷密度大而缺少具有自启动能力的机组，分布式综合供能系统是最佳黑启动电源，如广州大学城分布式综合供能系统即为广州电网的黑启动电源。

在分布式综合供能系统规划设计阶段考虑其黑启动功能，能够更加全面衡量其带来的总体效益，包括分布式综合供能系统作为黑启动电源对电网可靠性的提高从而带来的社会经济效益。从提高电网可靠性方面考虑，亦可以引入分布式综合供能系统为重要负荷供电或者作为黑启动电源。

目前，分布式综合供能研究集中在其运行优化，其规划设计主要根据负荷需求及其经济效益，其优越的黑启动性能并没有考虑在内。

在黑启动方面的研究大多在集中在黑启动过程中的技术问题分析与仿真、黑启动过程中的优化和黑启动方案评估与决策，但黑启动电源的可靠性对系统恢复的影响并没有进行细致分析考虑。

另外，由于黑启动过程复杂，可靠性、经济性指标复杂，难以对其进行精确衡量。目前虽有研究对停电时间与经济损失之间的关系进行了分析，但并没有考虑到黑启动过程可靠性与停电时间的关系。

随着分布式综合供能系统的大规模应用发展，考虑其黑启动功能对于电网来说更具意义。本发明提出对分布式综合供能系统作为黑启动电源进行优化配置，为分布式综合供能系统的规划设计提供参考。同时，提出的衡量黑启动经济性能的指标及其量化方法也可以应用到其总体规划当中。

本发明采用粒子群算法对分布式综合供能系统进行优化配置。粒子群算法，也称粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization)，缩写为PSO。PSO算法属于进化算法的一种，和模拟退火算法相似，它也是从随机解出发，通过迭代寻找最优解，它也是通过适应度来评价解的品质，但它比遗传算法规则更为简单，它没有遗传算法的“交叉”(Crossover)和“变异”(Mutation)操作，它通过追随当前搜索到的最优值来寻找全局最优。这种算法实现容易、精度高、收敛快，在解决实际问题中具有其优越性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了考虑黑启动功能的分布式综合供能系统的优化配置方法。该方法旨在解决目前黑启动可靠性与经济性指标量化困难、分布式综合供能系统的规划设计未考虑其黑启动功能的问题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

(1)优化配置原则

A、本发明的优化配置考虑黑启动过程可靠性、黑启动电源配置成本及其经济效益、黑启动过程的技术约束，对区域内含有黑启动功能的分布式综合供能系统进行规划配置。黑启动方案为首先对区域进行黑启动分区，每个系统分区启动以后，各分区互联，实现黑启动。

B、对于有第二批启动电源的分区，分区内须配置一个或以上数量的启动电源，没有第二批启动电源的分区，不配置黑启动电源。

C、对于已经有黑启动电源的分区，将该黑启动电源计算在内，即认为其在黑启动过程中可利用。

D、分布式综合供能系统具有优越的黑启动性能，但并不是所有分布式综合供能系统都具有黑启动功能。黑启动电源对电厂厂用电系统，主变压器都有一定要求，需要在设计阶段考虑，或者对已建成的系统进行改造并进行试验。黑启动实施概率小，并且黑启动功能只是分布式综合供能系统的附属功能，因此本发明所提出的黑启动配置投资成本是指为使分布式综合供能系统具有黑启动功能所发生的费用，包括线路改造、黑启动配套设施投资、黑启动方案制定及试验等费用，并不是分布式综合供能系统的全部投资费用。黑启动配置投资成本与容量关系密切，容量越大产生投资成本越大，故本发明将配置容量作为优化对象之一。

(2)指标获取与量化

本发明的分布式综合供能系统优化配置主要考虑了四个方面指标：黑启动可靠性指标、黑启动过程中的停电损失、黑启动电源及其配套设施的建设与改造成本、黑启动技术指标。

A、可靠性指标

区域电力系统黑启动的可靠性主要有几个方面的指标：a.系统发生全黑事故后，在规定的时间范围内，在没有使用外部电源支援的情况下，能够启动的主发电机组的数量；b.全黑事故后，能够给电网的输电子系统或配电子系统供电的数量；c.系统的可用黑启动容量期望值。

采用“加权系数法”综合考察上述三个系统黑启动可靠性指标，量化计算黑启动可靠性，得到黑启动可靠性评价值。

B、停电损失指标

黑启动的经济效益主要体现在停电期间(即黑启动过程持续时间)的经济损失，停电时间越短，经济损失越小。

对停电损失的量化计算采用调查统计的方法。首先，对该区域各种负荷类型进行统计分析，得到每种负荷类型经济损失与停电时间的关系。然后，根据该区域负荷构成计算其综合停电损失。最后，对统计结果进行曲线拟合，得到该区域停电损失与停电时间的关系。

C、经济成本指标

黑启动的经济成本分为两个部分，一是设备的初期投资，二是黑启动实施时发生的费用。在规划设计阶段，经济成本主要考虑投资成本，包括了黑启动电源的投资、改造，黑启动专用线路的投资等。投资成本包括了不变成本与可变成本，可变成本与黑启动电源、线路建设长度密切相关。本发明所提指的黑启动投资成本是为使分布式综合供能系统具有黑启动功能所发生的费用，并不是分布式综合供能系统的全部投资费用。

黑启动经济成本的计算，本发明采用对现有投资建设的分布式综合供能系统进行分析统计，得到黑启动成本与分布式综合供能系统容量之间的关系。线路投资部分，根据目前建设所需价格计算。

D、技术约束指标

黑启动过程中，需要考虑其技术问题，如线路操作过电压、变压器励磁涌流、大型异步电机启动产生的冲击电流等。以上问题难以通过理论分析得到明显的计算方法。

本发明采用在PSCAD中建立模型，进行大量仿真，进行数据进行分析总结得到。

(3)优化配置

A、建立优化模型

通过(2)中的技术方案，得到四个方面的指标：可靠性指标、停电损失指标、经济成本指标、技术指标。停电损失与停电时间关联，停电时间与黑启动可靠性关联，即可靠性指标最终反应到经济损失当中。对于技术指标，本发明主要考虑了黑启动电源容量、黑启动路径长度两方面最主要因素，作为优化配置的约束条件。

根据上述分析，建立优化模型：

minf＝α*经济损失+β*经济成本

s.t.技术约束

其中，α、β分别为经济损失和经济成本的权重。

B、采用粒子群算法进行优化

对建立的优化模型，采用PSO算法进行优化，得到黑启动电源的规划位置和容量。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)对黑启动过程中的可靠性指标、停电损失指标等进行了量化计算分析；

(2)将黑启动电源可靠性、黑启动路径长度反映到停电时间中，最终体现在停电经济损失中，直观体现了黑启动的经济效益；

(3)综合考虑了黑启动的可靠性、停电损失、黑启动投资建设成本和技术约束等，定量分析了黑启动带来的效益；同时对其效益进行了优化，可以大大提高黑启动电源投资经济效益和电力系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的案例优化配置结果示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步进行阐述，但本发明的实施方式不限于此。具体步骤如下：

(1)背景参数设定

A、确定黑启动系统分区。对该区域建立地理位置坐标，对该黑启动区域进行分区(分区数为m)，确定每个分区内是否有黑启动电源(有黑启动电源的分区数目为n)和第二批启动电源(有第二批启动电源的分区数目为k)。

B、第i个分区内黑启动电源的位置设为(x_i，y_i)，容量设为c_i。x_i、y_i、c_i(i＝1，2，…，k)即为本发明的优化对象。

C、确定第二批启动电源参数。明确每个分区第二批启动电源的坐标位置(a_i，b_i)与容量(S_i)。

D、确定黑启动电源类型。黑启动电源具有故障率(r_i，i表示第i个分区启动电源)，黑启动过程的可靠性与黑启动电源的故障率密切相关，黑启动电源的可用率为(1-r_i)，可用容量则为(1-r_i)×c_i。

E、确定负荷参数。

a、把电力用户分成工业、商业、政府机关、公用事业、居民5类。对每一类别负荷停电损失进行调查分析，得到每一类负荷单位时间单位功率的经济损失e_i，j(i表示第i个分区，j表示某一类别)。

b、调查分析各类用户年负荷率和用电量比例，得到每一类负荷的平均用电功率P_i，j(i表示第i个分区，j表示某一类别)。

(2)指标量化与计算

A、经济指标的获取

a、黑启动可靠性计算

技术方案中已经阐明，黑启动实施过程的可靠性通过三个方面指标衡量：黑启动电源的数量、子系统(系统分区)数目、可用黑启动容量期望值。其中，黑启动电源容量与第二批启动电源容量比值对黑启动可靠性的贡献大致呈对数增长，即随着黑启动电源容量的增大，单位容量对黑启动可靠性的贡献下降。

对上述指标进行加权得到黑启动可靠性指标：

c_u，i＝(1-r_i)×c_i

其中，RE为黑启动过程的可靠性；Re_i为i分区启动过程的可靠性；a_r、b_r、c_r为三个指标的权重值；c_u，i为黑启动电源的可用容量期望值，即为除去电源故障概率后的容量；u、v、g、h、q为相关拟合参数。

b、距离矩阵计算

计算启动电源与第二批启动电源的位置。L_i，j为i分区内的启动电源到j分区内的第二批启动电源的位置。形成距离矩阵为k×k规模矩阵。

c、停电损失计算

将电力负荷分成工业、商业、政府机关、公用事业、居民5类。每一类负荷单位时间单位功率的经济损失e_i，j。则i分区内j类负荷经济损失为：

E_i，j＝e_i，j×P_i，j×t_i

其中，t_i为i分区停电时间；P_i，j为i分区内j类负荷量。

i分区内平均单位功率单位时间停电损失e_TDSS，i(定义为负荷价值密度)为

i分区停电经济损失为：

E_TDSS，i＝e_TDSS，i×P_i×t_i

其中，P_i为i分区负荷总量。

d、停电时间计算

黑启动过程持续时间与启动电源的稳定性、启动电源容量、黑启动过程可靠性、黑启动路径长度密切相关。启动电源与第二批启动电源容量已经反应在可靠性Re_i中，i分区黑启动期间停电时间可以归纳为：

其中，a_t、b_t为相关拟合参数；L_ii为本分区内启动电源与第二批启动电源的距离。该式体现了黑启动电源可靠性越高、启动路径越短，停电时间越短。

e、黑启动投资计算

为使分布式综合供能系统具有黑启动功能，需要投资的部分包括：配备柴油发电机费用、必要的黑启动专用线路建设费用、黑启动方案制定和试验费用、人员培训费用、燃料运输和贮存费用。

上述几项费用中，柴油发电机配置费用、燃料运输和贮存费用与分布式综合供能系统容量有关，系统容量越大，所需柴油发电机容量与燃料需求越大。黑启动方案制定和试验费用、人员培训费用与分布式综合供能系统容量无关。这四个方面的费用可以用一次函数拟合：

cos_i＝a×c_i+b

cos_i表示i分区黑启动电源的经济成本，a反应了柴油发电机配置费用、燃料运输和贮存费用，b反应了黑启动方案制定和试验费用、人员培训费用。

黑启动专用线路建设费用与线路长度有关。线路投资部分，考虑黑启动电源最主要任务为本分区提供黑启动功能，同时，兼顾紧急情况下为周围区域提供支援的功能。专用线路建设分两类，一是本分区内的专用线路建设，要求可靠性极高；二是为周围分区提供支援的专用线路，可靠性要求较低。因此，两种线路建设费用有所区别。

cosL_i＝d×∑L_ii+e×∑L_ij

其中，cosL_i表示黑启动专用线路建设费用，d、e分别为本分区和跨分区单位长度线路建设费用，L_ij分别为i分区内的启动电源到j分区内的第二批启动电源的距离，L_ii则为本分区内启动电源与第二批启动电源的距离。

B、技术指标获取

黑启动过程涉及技术问题较多，主要关注方面有：空载线路合闸过电压、变压器励磁涌流、异步电机冲击电流、电压频率控制等。其决定性因素有启动电源的容量、启动路径长度与电压等级变换次数，其深层决定因素包括了线路类型与参数、变压器剩磁、合闸角等。其理论分析计算规模大，通过建模仿真得到其对应关系，实用性更强。

a、PSCAD建模

在PSCAD软件中，分别建立发电机、变压器、线路、负荷模型。分布式综合供能系统一般采用永磁同步电机，故在根据永磁同步电机的特性与参数建立发电机模型。根据电缆线路与架空线路的特性与参数，分别建立电缆线路与架空线路模型。根据电网主力机组厂用电负荷特性与参数，分别建立静态负荷与大型异步电机负荷模型。

根据黑启动方案，将建立的各模块连接，建立黑启动仿真模型。

b、PSCAD仿真

改变线路长度，进行仿真，研究不同线路长度下，空载合闸过电压大小。

改变发电机组容量，研究不同发电机容量，励磁涌流大小水平及衰减特性，分析其对变压器保护的影响。

改变变压器容量，研究不同变压器容量，励磁涌流大小水平及衰减特性，分析其对变压器保护的影响。

综合上述仿真结果，根据继电保护原理及动作条件，分析黑启动过程中方案的可行性，即得到相应发电机容量和电压等级下最大允许路径长度L_limitii和L_limitij以及最小允许容量比P_ro。

(3)优化实现

根据(1)中的背景参数设定，未知数x_i、y_i、c_i(i＝1，2，3…，k)，须为k个分区进行黑启动电源优化配置，则共有(3×k)个未知数。

优化模型可以表示成以下四个式子：

其中，α、β分别为停电损失与投资成本的权重；L_limitii、L_limitij分别为本区与跨区距离限制值；P_ro为启动电源容量与第二批启动电源容量之比限制值。

在计算过程中通过加入惩罚函数来实现其约束条件。粒子初始值通过限定区域内生成随机数得到。

以下是一个具体案例：

将黑启动区域平均分成七个黑启动分区，各黑启动分区启动电源都采用分布式综合供能系统，且启动电源故障率一致；各分区第二批启动电源分布在区域中心，容量完全一致；各分区负荷参数完全一致；具体数据如表格1所示。

表格1案例基本数据

考虑黑启动功能的分布式综合供能系统优化配置结果如表格2和图1所示。

表格2案例优化配置结果

分区编号	1	2	3	4	5	6	7
								横坐标x/km	5.32	-1.20	-4.52	-16.06	-16.55	16.90	17.09
纵坐标y/km	-1.38	-21.99	21.80	13.90	-14.69	10.93	-11.56
								容量c/MW	12.00	12.00	13.11	12.77	12.00	12.00	12.00

由图1可以看到，由于案例中数据完全对称，规划配置结果趋近于对称。分布式综合供能系统分布在区域I周围，保证了黑启动电源对其他系统分区的支援功能。同时，该分布也考虑到了离本系统分区第二批启动电源的距离。七个分布式综合供能系统的优化配置容量都趋近于12MW，进一步体现了案例的对称性以及优化配置方法的科学性和有效性。

Claims (1)

1.考虑黑启动功能的分布式综合供能系统的优化配置方法，其包括以下步骤：

1)根据规划区域黑启动预案，整理分析区域黑启动数据，包括黑启动系统分区、第二批启动电源位置与容量、启动路径；调查统计各子系统负荷数据；确定各分区拟采用黑启动电源类型及其可靠性；

2)对黑启动电源可靠性以及黑启动过程可靠性进行量化计算，其包含以下步骤：

A、根据每个系统分区拟采用黑启动电源类型、容量及其可靠性，记第i个系统分区启动电源的容量为c_i，其故障率为r_i，通过下述公式计算得到第i个系统分区黑启动电源可用容量期望值c_u，i：

c_u，i＝(1-r_i)×c_i

B、根据各分区黑启动电源可用容量期望值、每个系统分区第二批启动电源容量，记第i个系统分区第二批启动电源容量为S_i，通过下述公式计算得到第i个系统分区启动过程的可靠性：

${\mathrm{Re}}_i=u\×\ln (v\×{\left(\frac{c_{u,i}}{S_i}\right)}^2+g\×(\frac{c_{u,i}}{S_i})+h)+q$

其中，u，v，g，h，q为相关拟合参数；

C、根据黑启动区域内黑启动分区数目m、具有第二批启动电源的黑启动分区数目k，根据下述公式计算得到黑启动过程可靠性RE：

$RE=a_r\×k+b_r\×m+c_r\×\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{\mathrm{Re}}_i$

其中，a_r、b_r、c_r为三个指标的权重值；

3)将黑启动电源可靠性反应到停电时间，根据停电时间和负荷价值系数，对停电经济损失进行量化计算，其包含以下步骤：

A、将电力负荷分成工业、商业、政府机关、公用事业、居民5类，根据各系统分区内各类负荷单位时间单位功率的经济损失、各系统分区内各类负荷大小和各系统分区的停电时间，记i分区内j类负荷单位时间单位功率的经济损失e_i，j，i分区内j类负荷量为P_i，j，i分区停电时间为t_i，根据下述公式计算得到i分区内j类负荷经济损失E_i，j：

E_i，j＝e_i，j×P_i，j×t_i

B、根据各系统分区内各类负荷经济损失、各系统分区内各类负荷大小和各系统分区的停电时间，根据下述公式计算i分区内平均单位功率单位时间停电损失e_TDSS，i，将其定义为负荷价值密度：

$e_{TDSS,i}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{j=5}{E}_{i,j}}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{j=5}{P}_{i,j}\×t_i}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{j=5}{e}_{i,j}\×P_{i,j}\×t_i}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{j=5}{P}_{i,j}\×t_i}$

C、根据各系统分区内启动电源与第二批启动电源的距离L_ii，根据下述公式计算各分区停电时间t_i：

$t_i=a_t+b_t\×\frac{L_{ii}}{{\mathrm{Re}}_i}$

其中，a_t、b_t为相关拟合参数，该式体现黑启动电源可靠性越高、启动路径越短，停电时间越短；

D、根据负荷价值密度、各系统分区负荷总量和各系统分区停电时间，记i分区负荷总量为P_i，停电时间为t_i，根据下述公式计算各分区停电经济损失E_TDSS，i：

E_TDSS，i＝e_TDSS，i×P_i×t_i；

4)对黑启动建设改造成本进行量化计算；

5)在PSCAD软件中建立黑启动仿真模型，对黑启动过程中的技术问题进行仿真，对大量仿真结果分析得到黑启动技术约束，其包含以下顺序的步骤：

A、在PSCAD中分别建立发电机、变压器、线路、负荷模型；

B、根据建立的黑启动仿真模型，分别改变发电机容量、第二批启动电源容量、变压器容量、线路长度进行仿真；

C、分析仿真结果，得到为保证黑启动成功发电机容量、第二批启动电源容量、变压器容量、线路长度所需满足的条件；

6)将停电经济损失与黑启动投资成本加权作为优化目标，采用粒子群优化算法，优化各子系统启动电源位置及容量。