CN106410789B - 一种针对孤网的电力系统黑启动分区方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对孤网的电力系统黑启动分区方法，包括以下步骤：S1：确定分区个数：确定孤网中黑启动机组、待启动机组和负荷这三类节点的数量，再根据黑启动机组和待启动机组的数量关系确定分区个数；S2：机组分区：结合孤网实际拓扑结构，对黑启动机组和待启动机组按照以下三个原则进行划分：(1)以最短时间恢复电力系统中的重要输电线路；(2)以最短时间恢复电网的发电能力；(3)以最短时间建立恢复网架；S3：负荷分区：计算每个待启动机组分区的有功和无功容量，对各个待启动机组分区划入负荷节点，以平衡待启动机组分区的功率。本发明实现了孤网拓扑的简化，构建出最佳恢复网架，增强了孤网恢复的快速性和稳定性。

Description

一种针对孤网的电力系统黑启动分区方法

技术领域

本发明涉及电力系统故障恢复，特别是涉及一种针对孤网的电力系统黑启动分区方法。

背景技术

随着经济的快速发展，现代电力系统日趋复杂化，导致电网抵抗大扰动能力却在不断被弱化。大规模电力系统中，当局部电网发生严重故障时，一旦调度人员操作不当或保护装置不正确动作，将会引发电力系统的连锁反应，扩大故障影响，导致大范围停电甚至是全网的崩溃。如果能在大停电事故时，采取合理快捷的黑启动措施，及时排除故障，减小对经济、社会、民生的不良影响，具有非常重要的意义。但是常规黑启动方案只研究单个黑启动机组的恢复方法，无法同时启动多台机组，浪费了启动时间。除此以外，近年来不断引入智能算法求解电力系统的恢复网架以及分区方案，存在计算量较大，结果稳定性较差等问题，难以应用于工程实践。为了能实现复数台机组同时启动，降低分区方法的计算量并提高结果稳定性，需要研究一种新的启动方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的一种针对孤网的电力系统黑启动分区方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的针对孤网的电力系统黑启动分区方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：确定分区个数：确定孤网中黑启动机组、待启动机组和负荷这三类节点的数量，再根据黑启动机组和待启动机组的数量关系确定分区个数；

S2：机组分区：结合孤网实际拓扑结构，对黑启动机组和待启动机组按照以下三个原则进行划分：(1)以最短时间恢复电力系统中的重要输电线路；(2)以最短时间恢复电网的发电能力；(3)以最短时间建立恢复网架；

S3：负荷分区：计算每个分区的有功和无功容量，对各个分区划入负荷节点，以平衡单个分区的功率。

2、根据权利要求1所述的针对孤网的电力系统黑启动分区方法，其特征在于：所述步骤S1中的分区个数按照如下的方法来确定：如果黑启动机组个数小于待启动机组个数，则分区数等于黑启动机组个数；如果黑启动机组个数大于待启动机组个数，则分区数等于待启动机组个数。

3、根据权利要求1所述的针对孤网的电力系统黑启动分区方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下步骤：

S2.1：定义分区目标函数：

s.t.s_1g+s_2g+....+s_ng＝1 (1)

式(1)中，m为待启动机组数量；n为黑启动机组数量；[s_1g,s_2g,....,s_ng]^T表示g号待启动机组是否属于黑启动机组的布尔变量：s_ig＝0表明g号待启动机组不属于i号黑启动机组所在的分区，s_ig＝1表明g号待启动机组属于i号黑启动机组所在的分区，1≤i≤n；[b_1g,b_2g,....,b_ng]^T中的b_ig表示g号待启动机组到i号黑启动机组所需的最短启动时间，1≤i≤n；

S2.2：定义约束条件：

S2.3：待启动机组分区：

按照式(3)对s_ig进行求解：

4、根据权利要求1所述的针对孤网的电力系统黑启动分区方法，其特征在于：所述步骤S2.1中b_ig按照如下的步骤计算得到：

S2.11：初始化：选取g号待启动机组为起始点s，集合P为空，并标记起始点s，记k＝s，孤网中剩余节点设为未标记点；

S2.12：寻找一个不在P中的节点j，检验从所有已标记的点k到与其直接连接的未标记的点j的距离，并设置

d_j＝min[d_j,d_k+l_kj] (4)

式(4)中，l_kj为从点k到j的直接连接距离，dj为起始点s到点j的距离；

S2.13：选取下一个点：从所有未标记的点中，选取到起始点s距离最小的点，并将该点进行标记；

S2.14：检查是否所有的点都已经标记：如果都标记，则最后一个未标记节点到起始点s的距离即为b_ig；否则，返回步骤S2.12。

5、根据权利要求1所述的针对孤网的电力系统黑启动分区方法，其特征在于：所述步骤S3包括以下步骤：

S3.1：定义分区目标函数：

s.t.c_1k+c_2k+....+c_nk＝1

(5)

式(5)中，l为负荷节点数量；n为黑启动机组数量；Y_k＝[y_1k,y_2k,....,y_nk]^T表示k号负荷节点是否属于黑启动机组的布尔变量：y_ik＝0表明k号负荷节点不属于i号黑启动机组所在的分区，y_ik＝1表明k号负荷节点属于i号黑启动机组所在的分区，1≤i≤n；[c_1k,c_2k,....,c_nk]^T中的c_ik表示k号负荷到i号黑启动机组所需的最短启动时间，1≤i≤n；

S3.2：定义约束条件：

有功功率平衡约束如式(6)所示：

式(6)中，P_Ga为a号黑启动机组所在的分区中机组的有功容量之和，p_k为k号负荷节点消耗的有功功率，α₁和β₁为有功功率平衡约束系数，y_ak表示k号负荷节点与a号黑启动机组的从属关系；

无功功率平衡约束如式(6)所示：

式(7)中，Q_Ga为a号黑启动机组所在的分区中机组的无功容量之和，q_k为k号负荷节点消耗的无功功率，α₂和β₂为无功功率平衡约束系数；

S3.3：负荷分区：

按照式(8)对y_ik进行求解：

有益效果：本发明针对含有复数台黑启动机组的孤网分区问题进行了较为细致的研究，并建立了一个完整的分区模型。本发明依次通过确定分区数量、机组分区和负荷分区这三个步骤，将复杂的多目标非线性规划问题化简为单目标多约束的线性规划问题。本发明实现了孤网拓扑的简化，构建出最佳恢复网架，增强了孤网恢复的快速性和稳定性，为黑启动路径的分析工作奠定了良好的基础。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的总体流程图；

图2为本发明具体实施方式中最短启动时间算法的流程图；

图3为本发明具体实施方式中的新英格兰10机39节点系统网络的分区结果图。

具体实施方式

本具体实施方式公开了一种针对孤网的电力系统黑启动分区方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：确定分区个数：确定孤网中黑启动机组的数量n、待启动机组的数量m和负荷的数量l，再根据黑启动机组和待启动机组的数量关系确定分区个数；

S2：机组分区：结合孤网实际拓扑结构，对黑启动机组和待启动机组按照以下三个原则进行划分：(1)以最短时间恢复电力系统中的重要输电线路；(2)以最短时间恢复电网的发电能力；(3)以最短时间建立恢复网架；因此，以机组恢复时间最短为目标函数，黑启动机组平衡为约束构造单目标多约束的目标函数，对分区结果进行求解；

S3：负荷分区：计算每个待启动机组分区的有功和无功容量，对各个待启动机组分区划入负荷节点，以平衡待启动机组分区的功率。因此，以负荷恢复时间最短为目标函数，分区有功、无功平衡为约束构造单目标多约束的目标函数，对分区结果进行求解。

下面以新英格兰10机39节点系统为例进行计算，来证明本方法的可行性。

表1新英格兰10机39节点系统中线路的恢复时间

输电线路的恢复时间如表1所示，假设节点30、31和34为黑启动机组，32、33、35、36、37、38、39为待启动机组，剩下的节点即为负荷节点。

S1：确定分区个数：

比较黑启动机组和待启动机组的个数，取两者中的最小值3为分区个数。

S2：机组分区：

表2新英格兰10机39节点系统中待恢复机组的恢复矩阵

以节点30、31、34分别为分区1，分区2，分区3的源节点。针对7台待启动机组构造7个恢复时间矩阵。分别以节点32、33、35、36、37、38、39为末节点进行最短启动时间计算，最短启动时间的算法流程图如图2所示，求解的数值放入7个3维恢复时间矩阵B₁、B₂、…、B₇中。对于系统中任意一个待启动节点，如节点37，其从3个分区的黑启动机组获取启动功率的时间分别为6min、20min、19min，这样节点37所对应的恢复时间矩阵为[6,20,19]^T，待启动机组的恢复时间向量如表2所示。

根据求解得到的恢复时间矩阵，可以得到分区机组矩阵为：

由求解得到的分区机组矩阵可得，节点37、38、39与黑启动节点30同属于分区1；节点33、35、36与黑启动节点34同属于分区2；节点32与黑启动节点31同属于分区3。

S3：负荷分区：

在得到待启动机组分区后，可以继续进行负荷分区的计算。负荷分区计算与待启动机组分区相类似，取约束系数α₁、β₁为0.8，α₂、β₂为1.2，分别以3个黑启动节点为源点，29个负荷节点为末端进行最短启动时间计算，构造29个3维恢复时间矩阵，得到的分区结果如表3和图3所示。

表3新英格兰10机39节点负荷节点分区结果

为证明本发明的有效性，将本发明与现有文献所求得的分区恢复网架进行比分析。现有文献将39号待启动机组划入黑启动机组31所在的分区，启动所需时间为15min，而本发明将39号机组划划入黑启动机组30所在的分区，启动所需时间为10min。除此以外，文献所求得的分区1中负荷消耗有功功率超过机组发出有功17％，分区2机组发出的无功功率较负荷高出13％；本发明采用了相关的约束条件进行计算，功率不平衡量可以保证在5％以内。因此，采用本发明的分区方法和恢复网架更有利于孤网黑启动。详细的对比参数如表4所示。

表4分区参数对比

Claims (4)

1.一种针对孤网的电力系统黑启动分区方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：确定分区个数：确定孤网中黑启动机组、待启动机组和负荷这三类节点的数量，再根据黑启动机组和待启动机组的数量关系确定分区个数；

S2：机组分区：结合孤网实际拓扑结构，对黑启动机组和待启动机组按照以下三个原则进行划分：(1)以最短时间恢复电力系统中的重要输电线路；(2)以最短时间恢复电网的发电能力；(3)以最短时间建立恢复网架；

S3：负荷分区：计算每个分区的有功和无功容量，对各个分区划入负荷节点，以平衡单个分区的功率；

所述步骤S3包括以下步骤：

S3.1：定义分区目标函数：

s.t. y_1k+y_2k+....+y_nk＝1

(5)

式(5)中，l为负荷节点数量；n为黑启动机组数量；Y_k＝[y_1k,y_2k,....,y_nk]^T表示k号负荷节点是否属于黑启动机组的布尔变量：y_ik＝0表明k号负荷节点不属于i号黑启动机组所在的分区，y_ik＝1表明k号负荷节点属于i号黑启动机组所在的分区，1≤i≤n；[c_1k,c_2k,....,c_nk]^T中的c_ik表示k号负荷到i号黑启动机组所需的最短启动时间，1≤i≤n；

S3.2：定义约束条件：

有功功率平衡约束如式(6)所示：

式(6)中，P_Ga为a号黑启动机组所在的分区中机组的有功容量之和，p_k为k号负荷节点消耗的有功功率，α₁和β₁为有功功率平衡约束系数，y_ak表示k号负荷节点与a号黑启动机组的从属关系；

无功功率平衡约束如式(7)所示：

式(7)中，Q_Ga为a号黑启动机组所在的分区中机组的无功容量之和，q_k为k号负荷节点消耗的无功功率，α₂和β₂为无功功率平衡约束系数；

S3.3：负荷分区：

按照式(8)对y_ik进行求解：

2.根据权利要求1所述的针对孤网的电力系统黑启动分区方法，其特征在于：所述步骤S1中的分区个数按照如下的方法来确定：如果黑启动机组个数小于待启动机组个数，则分区数等于黑启动机组个数；如果黑启动机组个数大于待启动机组个数，则分区数等于待启动机组个数。

3.根据权利要求1所述的针对孤网的电力系统黑启动分区方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下步骤：

S2.1：定义分区目标函数：

s.t. s_1g+s_2g+....+s_ng＝1 (1)

式(1)中，m为待启动机组数量；n为黑启动机组数量；[s_1g,s_2g,....,s_ng]^T表示g号待启动机组是否属于黑启动机组的布尔变量：s_ig＝0表明g号待启动机组不属于i号黑启动机组所在的分区，s_ig＝1表明g号待启动机组属于i号黑启动机组所在的分区，1≤i≤n；[b_1g,b_2g,....,b_ng]^T中的b_ig表示g号待启动机组到i号黑启动机组所需的最短启动时间，1≤i≤n；

S2.2：定义约束条件：

S2.3：待启动机组分区：

按照式(3)对s_ig进行求解：

4.根据权利要求3所述的针对孤网的电力系统黑启动分区方法，其特征在于：所述步骤S2.1中b_ig按照如下的步骤计算得到：

S2.11：初始化：选取g号待启动机组为起始点s，集合P为空，并标记起始点s，记k＝s，孤网中剩余节点设为未标记点；

S2.12：寻找一个不在P中的节点j，检验从所有已标记的点k到与其直接连接的未标记的点j的距离，并设置

d_j＝min[d_j,d_k+l_kj] (4)

式(4)中，l_kj为从点k到j的直接连接距离，dj为起始点s到点j的距离；

S2.13：选取下一个点：从所有未标记的点中，选取到起始点s距离最小的点，并将该点进行标记；

S2.14：检查是否所有的点都已经标记：如果都标记，则最后一个未标记节点到起始点s的距离即为b_ig；否则，返回步骤S2.12。