CN105098774A - 一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法，其特征在于：基于迪杰斯特拉最短路径法搜索待启动电源的局部最优送电路径，采用回溯法进行机组启动顺序的全局优化。本发明所达到的有益效果：通过结合回溯法和迪杰斯特拉算法对含直流换流站的停电电网的恢复路径进行优化，考虑直流换流站启动条件的约束，在黑启动初期恢复直流输电系统，由于直流输电系统容量大、调速快、可控性强，能快速为停电电网提供大容量电能，对加速电网的恢复进程，保证系统的稳定运行有积极作用。

Description

一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法

技术领域

本发明涉及一种网架重构方法，具体涉及一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法，属于电力系统分析控制领域。

背景技术

电力系统大停电后恢复控制是电力系统控制的重要环节。停电系统的恢复过程主要可以分为3个阶段：1)黑启动阶段，2)网架重构阶段，3)负荷的全面恢复阶段。前两个阶段的主要目标是由黑启动电源尽可能快的恢复无自启动能力的机组和重要的负荷，建立初步的恢复网架，为负荷的全面恢复提供基础。机组启动路径的优化，可以加快机组的启动速度，对电网的恢复具有重要作用。

目前，机组启动路径优化的一般流程为：建立单目标或者多目标优化模型，并采用数学方法求解，优化机组启动顺序和路径。单目标优化时，优化目标主要有：机组全部启动的时间最短、预定时间内系统发电量最大等；多目标优化时，综合系统发电量、网架铺设和利于后续机组厂站层恢复、恢复代价、重构效率等因素。机组启动顺序的优化主要采用粒子群算法、遗传算法等智能优化算法。也有文献按优先级指标数值对发电机进行排序，按优先级顺序依次恢复目标机组。机组恢复路径主要采用Bellman-ford算法和迪杰斯特拉算法(Dijkstra'salgorithm)。但现有主要针对的是传统的火电和水电机组，未考虑直流换流站的启动。

直流输电线路的受端电网停电不会影响送端电网的运行，直流换流站可以作为电网恢复过程中的电源。直流输电系统具有调速快、可控性强的优点，可以快速地为停电区域提供大容量的电能，在黑启动初期恢复直流输电系统，对加速电网的恢复进程具有积极作用。但是含直流换流站的启动具有特别的要求，不能采用现有的恢复算法求解含直流换流站系统的恢复。因此，有必要在电网恢复过程中考虑直流换流站的启动，加快停电系统的恢复速度。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法，能快速为停电电网提供大容量电能，对加速电网的恢复进程，保证系统的稳定运行有积极作用。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法，其特征是，包括以下步骤，

1)系统初始化：确定黑启动电源点，并将其压入已带电队列q，待恢复机组和直流换流站组成n个待恢复电源，按节点编号排序存放在待恢复队列中；

2)从黑启动电源开始，采用深度优先的规则确定下一台待启动电源，用变量g表示搜索层次，g∈N；

3)调用迪杰斯特拉算法搜索黑启动电源点至待启动电源的最优恢复路径；

4)判断待启动电源及其恢复路径能否通过技术校验：

41)如果技术校验通过，将待启动电源加入已带电序列q，继续判断已带电序列q是否已包含所有电源：

如果已带电序列q中已包含所有电源，计算此方案的发电量，并与已搜索到的方案进行比较，记录发电量最大的方案；

如果已带电序列q中没有包含所有电源，则层数g加1，搜索下一个待启动电源，转到步骤3)；

42)如果技术校验未通过或已带电序列中已经包含所有电源，回溯到上一层，层数g减1；

如果恢复层数g小于0，表示所有方案均已搜索完毕，输出最优的方案；

如果恢复层数g大于等于0，判断该层已恢复电源是否还有未检索过的待恢复电源：

如果所有待恢复电源均已搜索，则继续采用步骤42)的方法判断；

如果存在未检索的待恢复电源，则层数g加1，在基于深度优先的原则下选择下一个待启动电源点，转到步骤3)。

前述的一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法，其特征是，所述步骤2)中搜索层次是指当前恢复路径中电源的个数，在已带电序列中每添加一个电源，层数g加1；每回溯一次，层数g减1；g＝0表示回溯到最后一层，所有路径都已搜索完毕。

前述的一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法，其特征是，所述步骤3)中在调用迪杰斯特拉算法过程中，线路的权值取为高抗或抵抗补偿后线路的剩余充电无功，变压器支路权值取为一个较大数，依据经验值选取；所述最优送电路径是指充电功率最小的恢复路径。

前述的一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法，其特征是，所述步骤3)中在进行迪杰斯特拉算法时，将已带电的支路权值设置为0。

前述的一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法，其特征是，所述步骤4)中的技术校验内容如下：如果待启动电源是常规机组，进行启动时间和启动功率、无功和自励磁的校验；如果是直流换流站，先对已恢复系统的负荷进行调节，使已恢复系统的潮流满足约束，再对已恢复系统的惯性时间常数和最小转动惯量进行校验。

前述的一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法，其特征是，所述步骤42)中在恢复过程中，投入适量的负荷来平衡系统功率，并按5％的步长从负荷最大值减小，直到满足潮流要求。

本发明所达到的有益效果：通过结合回溯法和迪杰斯特拉算法对含直流换流站的停电电网的恢复路径进行优化，考虑直流换流站启动条件的约束，在黑启动初期恢复直流输电系统，由于直流输电系统容量大、调速快、可控性强，能快速为停电电网提供大容量电能，对加速电网的恢复进程，保证系统的稳定运行有积极作用。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为机组出力曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明涉及的一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法，如图1所示，包括以下步骤，

1)系统初始化：确定黑启动电源点，并将其压入已带电队列q，待恢复机组和直流换流站组成n个待恢复电源，按节点编号排序存放在待恢复队列中；

2)从黑启动电源开始，采用深度优先的规则确定下一台待启动电源，用变量g表示搜索层次，g∈N，这里搜索层次是指当前恢复路径中电源的个数，在已带电序列中每添加一个电源，层数g加1；每回溯一次，层数g减1；g＝0表示回溯到最后一层，所有路径都已搜索完毕。

3)调用迪杰斯特拉算法搜索黑启动电源点至待启动电源的最优恢复路径。

这里的迪杰斯特拉算法，需要给每一条线路赋予一个非负的权值，且权值为0的支路有最高启动优先级。

线路和变压器的支路权值设置规则：

(1)带电的线路和变压器，支路权值均为0；

(2)不带电的线路，支路L_i权值W_Li为：

W_Li＝max{|Q_Ci|-|Q_Li|,0}(1)

式中，Q_Ci——支路充电功率，其值由式(2)计算；

Q_Li——高压电抗器容量；

$Q_{Ci}=-\frac{1}{2}{V}_i{B}_i^2---\left(2\right)$

式中，V_i表示线路i的额定电压；B_i表示线路i的对地电纳。

(3)不带电的变压器，支路权值取为一个较大的数值ρ，使其优先级低于线路。

在调用迪杰斯特拉算法过程中，考虑空载线路的充电无功易导致系统过电压问题，线路的权值取为高抗或抵抗补偿后线路的剩余充电无功，考虑变压器的复杂操作及电磁谐振的可能性，变压器支路权值取为一个较大的数。与待恢复电源对应的最优送电路径是指充电功率最小的恢复路径。

由于迪杰斯特拉算法只能搜索两点之间的最短加权路径，恢复过程中，要搜索已带电系统至待恢复电源的最短送电路径时，对支路权值做相应处理：已带电的支路权值设置为0，使得带电系统内任一节点至目标机组的最短路径即带电系统至目标机组的最短路径。

4)判断待启动电源及其恢复路径能否通过技术校验；

技术校验内容如下：

如果待启动电源是常规水电和火电机组，校验以下4方面内容：

(1)启动功率约束：待恢复电源所需的启动功率应小于启动电源和已并网的机组在当前时刻所能提供的总功率，标号为i的机组的启动功率约束定义为：

ΣP_G(t)-P_cr,i≥0(3)

式中，ΣP_G(t)——当前时刻系统具有的可供发电机组启动用的总功率；

P_cr,i——标号为i的机组启动过程所需的机组启动功率，为已知的参数。

(2)启动时间T_s,i约束，主要针对火电机组，包括最大临界热启动时间和最小临界冷启动时间的限制：

停电初期，机组仍处于热状态，通电后可以立即启动，T_CH,i称为机组i的最大临界热启动时间，机组i的热启动时间约束为：

0＜T_s,i≤T_CH,i(4)

当机组已经超过其热启动时间，只能通过冷启动方式进行启动。设定T_CC,i为机组i的最小临界冷启动时间，冷启动机组i的最小临界冷启动时间约束：

0＜T_s,i≤T_CC,i(5)

(3)无功和自励磁约束：

无功功率约束是指线路的充电无功功率之和不能超过已有电源的总吸收无功量：

$\underset{j=1}{\overset{n_L}{\&Sigma;}}{Q}_{Lj}<\underset{r=1}{\overset{n_B}{\&Sigma;}}{Q}_r^{\max }---\left(6\right)$

式中，n_L——电源恢复路径的线路和已恢复系统中线路条数的总和；

Q_Lj——线路j产生的无功功率；

n_B——已并网电源的个数；

——电源机组r能吸收的最大无功功率。

自励磁约束的工程判据为：

$\underset{j=1}{\overset{n_L}{\&Sigma;}}{Q}_{Lj}<\underset{r=1}{\overset{n_B}{\&Sigma;}}{K}_{CBr}{S}_{Br}---\left(7\right)$

式中，K_CBr——机组r的短路比；

S_Br——机组r的额定容量。

将无功和自励磁约束合并为一个充电功率约束：

$\underset{j=1}{\overset{n_L}{\&Sigma;}}{Q}_{Lj}<\min (\underset{r=1}{\overset{n_B}{\&Sigma;}}{Q}_{Br,max},\underset{r=1}{\overset{n_B}{\&Sigma;}}{K}_{CBr}{S}_{Br})---\left(8\right)$

(4)潮流和节点电压约束：

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_{Gi}^{\min }\&le;P_{Gi}\&le;P_{Gi}^{\max },& i=1,2,\mathrm{...},n_G\\ Q_{Gi}^{\min }\&le;Q_{Gi}\&le;Q_{Gi}^{\max },& i=1,2,\mathrm{...},n_G\\ P_i\&le;P_{i\max },& i=1,2,\mathrm{...},n_L\\ U_i^{\min }\&le;U_i\&le;U_i^{\max },& i=1,2,\mathrm{...},n_b\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中，P_Gi——发电机i发出的有功功率；

Q_Gi——发电机i发出的无功功率；

n_G——已恢复系统的发电机台数；

P_i——支路i上流过的有功功率；

n_L——已恢复系统线路的条数；

U_i——节点电压；

n_b——已恢复系统的节点个数；

P_Gi(t)——发电机i在t时刻所发出的有功功率，由图2所示的机组出力曲线获得，表达式为：

$P_{Gi}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0,& 0\&le;t\&le;T_{Ai}+T_{Bi}\\ K_i(t-T_{Ai}-T_{Bi}),& T_{Ai}+T_{Bi}\&le;t\&le;T_{Ai}+T_{Bi}+T_{Ci}\\ P_{Mi},& t\&GreaterEqual;T_{Ai}+T_{Bi}+T_{Ci}\end{array}\right.---\left(10\right)$

式中，T_Ai——电源i的启动时刻；

T_Bi——电源i从启动到同步合闸向系统送电所需的时间；

T_Ci——电源i从开始爬坡到最大出力所需要的时间；

K_i——电源i的最大爬坡速率；

P_Mi——电源i的额定出力。

如果待启动电源是直流换流站，先对已恢复系统的负荷进行调节，使已恢复系统的潮流满足约束，再对已恢复系统的惯性时间常数和最小转动惯量进行校验：

S_sc≥14Q_filer(11)

H_dc≥20s(12)

式中，S_SC——换流站交流母线的短路容量；

H_dc——已启动交流系统的惯性时间常数；

Q_filter——单组滤波器容量。

41)如果技术校验通过，将待启动电源加入已带电序列q，继续判断已带电序列q是否已包含所有电源：

如果已带电序列q中已包含所有电源，计算此方案的发电量，并与已搜索到的方案进行比较，记录发电量最大的方案；

如果已带电序列q中没有包含所有电源，则层数g加1，搜索下一个待启动电源，转到步骤3)；

42)如果技术校验未通过或已带电序列中已经包含所有电源，回溯到上一层，层数g减1；

如果恢复层数g小于0，表示所有方案均已搜索完毕，输出最优的方案；

如果恢复层数g大于等于0，判断该层已恢复电源是否还有未检索过的待恢复电源：

如果所有待恢复电源均已搜索，则继续采用步骤42)的方法判断；

如果存在未检索的待恢复电源，则层数g加1，在基于深度优先的原则下选择下一个待启动电源点，转到步骤3)。

在恢复过程中，投入适量的负荷来平衡系统功率，并按5％的步长从负荷最大值减小，直到满足潮流要求。

在本方法中优化的对象包括待恢复电源的送电路径和机组的启动顺序，送电路径是指已带电系统启动待恢复电源时通过的线路和变压器的组合；机组的启动顺序是指机组按启动时间的排列次序。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法，其特征是，包括以下步骤，

1)系统初始化：确定黑启动电源点，并将其压入已带电队列q，待恢复机组和直流换流站组成n个待恢复电源，按节点编号排序存放在待恢复队列中；

2)从黑启动电源开始，采用深度优先的规则确定下一台待启动电源，用变量g表示搜索层次，g∈N；

3)调用迪杰斯特拉算法搜索黑启动电源点至待启动电源的最优恢复路径；

4)判断待启动电源及其恢复路径能否通过技术校验：

41)如果技术校验通过，将待启动电源加入已带电序列q，继续判断已带电序列q是否已包含所有电源：

如果已带电序列q中已包含所有电源，计算此方案的发电量，并与已搜索到的方案进行比较，记录发电量最大的方案；

如果已带电序列q中没有包含所有电源，则层数g加1，搜索下一个待启动电源，转到步骤3)；

42)如果技术校验未通过或已带电序列中已经包含所有电源，回溯到上一层，层数g减1；

如果恢复层数g小于0，表示所有方案均已搜索完毕，输出最优的方案；

如果恢复层数g大于等于0，判断该层已恢复电源是否还有未检索过的待恢复电源：

如果所有待恢复电源均已搜索，则继续采用步骤42)的方法判断；

如果存在未检索的待恢复电源，则层数g加1，在基于深度优先的原则下选择下一个待启动电源点，转到步骤3)。

2.根据权利要求1所述的一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法，其特征是，所述步骤2)中搜索层次是指当前恢复路径中电源的个数，在已带电序列中每添加一个电源，层数g加1；每回溯一次，层数g减1；g＝0表示回溯到最后一层，所有路径都已搜索完毕。

3.根据权利要求1所述的一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法，其特征是，所述步骤3)中在调用迪杰斯特拉算法过程中，线路的权值取为高抗或抵抗补偿后线路的剩余充电无功，变压器支路权值取为一个较大数，依据经验值选取；所述最优送电路径是指充电功率最小的恢复路径。

4.根据权利要求1所述的一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法，其特征是，所述步骤3)中在进行迪杰斯特拉算法时，将已带电的支路权值设置为0。

5.根据权利要求1所述的一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法，其特征是，所述步骤4)中的技术校验内容如下：如果待启动电源是常规机组，进行启动时间和启动功率、无功和自励磁的校验；如果是直流换流站，先对已恢复系统的负荷进行调节，使已恢复系统的潮流满足约束，再对已恢复系统的惯性时间常数和最小转动惯量进行校验。

6.根据权利要求1所述的一种含直流换流站的停电电网电源启动次序的生成方法，其特征是，所述步骤42)中在恢复过程中，投入适量的负荷来平衡系统功率，并按5％的步长从负荷最大值减小，直到满足潮流要求。