CN106786530A - 一种适应在极端天气情况下电网快速恢复的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统运行和控制技术领域，尤其涉及一种适应在极端天气情况下电网快速恢复的方法。包括步骤建立极端天气情况下支路模型，建立考虑极端天气影响的发电机模型，采用迪杰斯特拉算法搜索出所有发电机的最优启动路径，将优先级等级最高的确定为目标发电机；设置目标函数，将目标函数转换成带约束条件的可微目标函数；利用原‑对偶内点最优潮流算法求解可微目标函数；进行发电机启动路径的暂态校验；将启动的发电机放入已起发电机组，并将已启动的线路的权值更改为启动前权值的十分之一，根据网络恢复过程中关注重点的不同选择最终的启动方案。本发明能够帮助运行规划人员正确地决策分析，同时降低自愈过程中发生二次事故的风险。

Description

一种适应在极端天气情况下电网快速恢复的方法

技术领域

本发明属于电力系统运行和控制技术领域，尤其涉及一种适应在极端天气情况下电网快速恢复的方法。

背景技术

大规模的电网互联是世界范围内电力系统发展的必然趋势，我国电力系统发展迅猛，电力负荷急剧增加，超、特高压交流和直流输电线路建成投运，电网的动态特性也变得越来越复杂。正是由于电力系统的联网特性和电力的公用性，电网事故传播速度快、影响范围大，而且后果严重。大面积停电事故一旦发生，国民经济的生产建设和人民群众的生活秩序将受到严重影响，带来的不仅仅是巨大的经济损失，还会危害社会的和谐稳定发展。

造成电网大面积停电事故的原因有很多，例如电力系统运行设备故障、人为操作失误、网络攻击，还有很大一部分源于自然灾害性气候的影响，例如2008年我国南方地区遭受到罕见的冰灾天气。在我国，全国联网格局己基本形成，电网结构和运行特性日渐复杂，处于变化中的电力系统更容易受到各种灾变的影响和破坏。能够影响电力系统的恶劣气候条件多具有突发性和强破坏性，无法避免，但是影响很大。但是目前传统电网自愈方案都是基于事故发生前的完整网络进行计算，并没有考虑恶劣气候对电力系统的影响，而气候因素对网络的黑启动过程影响显著，因此这些指标结果相较实际情况有所偏差，可能会影响运行规划人员的决策分析。因恶劣气象条件引起的电力设备事故一般包括损坏性机械性事故和电气事故。损坏性机械事故包括恶劣风气候下引起线路振动，造成线路断线、断股、金具损坏、杆塔倾斜等事故；电气事故主要指雾闪、冰闪、雷击闪络等造成电场畸变引起闪络等等。从事故统计来分析，雷击造成的事故在气候因素引起的事故中比例较高，覆冰对设备和线路造成的损坏最严重，雾闪(污闪)影响的范围最大。

对电力系统而言，灾害性气候会造成对安全运行较大的影响，而灾害性气候的发生往往具有一定的随机性，气候的突变一般能够和极端气候事件相联系，因此对于极端恶劣气候事件的理解，主要基于以下三个方面的特征：一是在特定的地区或者时间条件下，该种气候发生的频率相对较低，二是具有较大的强度值，三是导致了严重的社会经济损失或者引起较为严重的电力事故。

因为在极端天气影响后，系统设备及输电线路所承受的物理压力较正常要大得多，所以系统元件的参数要重新确定。因此，在电力网络元件的实时状态下，我们需要针对某些地区的主要恶劣气候影响，进行系统设备的指标的重新建立，主要考虑了恶劣气候因素影响下的电力线路停运情况以及对发电设备的影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明采取的技术方案为一种适应在极端天气情况下电网快速恢复的方法，其特征在于，包括

步骤1、建立极端天气情况下支路模型，考虑支路的充电功率、高压电抗器容量和支路的启动时间以及极端天气情况下的受影响程度设置支路权值；

步骤2、建立考虑极端天气影响的发电机模型，设置恶劣天气对发电机的影响权重指标，将在事故中存活下来的或者是能自启动的机组定义为黑启动发电机组；

步骤3、采用迪杰斯特拉算法搜索出所有发电机的最优启动路径，然后综合考虑发电机参数，后对所有发电机按优先级指标从小到大进行排序，将优先级等级最高的确定为目标发电机；发电机参数包括启动容量、爬坡率、最小技术出力；

步骤4、设置目标函数，以已启动的发电机中所需调节时间最长的那一台相较于其它方案时间最短为目标；

步骤5、将步骤4中的目标函数转换成带约束条件的可微目标函数；

步骤6、利用原-对偶内点最优潮流算法求解可微目标函数，若结果收敛，则表示目标发电机能启动；

步骤7、进行发电机启动路径的暂态校验；

步骤8、将启动的发电机放入已起发电机组，并将已启动的线路的权值更改为启动前权值的十分之一，然后重复步骤3至步骤8；

步骤9、根据网络恢复过程中关注重点的不同选择最终的启动方案。

所述步骤1中考虑支路的充电功率、高压电抗器容量和支路的启动时间以及极端天气情况下的受影响程度设置支路的权值的具体过程为

W_i＝mT_i+(Q_Ci-Q_Li)+P_i

式中，W_i表示支路i的权值，T_i表示支路i的启动时间权重，m表示时间权重比例系数，取值为正整数，以保证输电线路的启动时间小于变压器；Q_Ci表示支路i的充电功率标幺值；Q_Li表示高压电抗器容量标幺值；P_i表示受极端天气影响后的可靠性权重；

受极端天气影响后的可靠性权重P_i主要考虑线路投入后发生故障的概率及其故障对电网造成的冲击，P_i＝ρ_i×μ_i，其中ρ_i为输电线路在此状态下发生故障的概率；μ_i为此条输电线路发生故障后对电网恢复过程的冲击。

所述步骤2中设置恶劣天气对发电机的影响权重指标，具体为

1)计算与发电机性能相关的权重因子G_k，

G_k＝S_k/R_k

式中，k为目标发电机；S_k为目标发电机k的启动容量标幺值；R_k为目标发电机的爬坡率标幺值；S_k越小、R_k越大则发电机对后续恢复过程的潜在贡献越大；

2)计算极端天气对发电机启动的影响权重因子T_k，

T_k＝H_k+L_k

式中，H_k为目标发电机k的黑启动能力受极端天气影响的程度，主要考虑火电厂的柴油发电机组等必备设备受天气的影响以及水电厂直流蓄电池、液压设备的影响，根据受影响的程度设置不同的时间权值，无黑启动能力的机组不考虑此项；L_k为目标发电机受自然灾害的风险评估，主要考虑发电机出力的受影响情况；H_k、L_k越小则发电机对后续恢复过程的潜在贡献越大；

3)计算待启动发电机组的优先级指标：

P_k＝D_k+G_k+T_k

式中，D_k表示目标发电机k对应的最短路径的加权值；D_k、G_k和T_k分别经过线性归一化；发电机的优先级指标P_k值越小，其优先级越高。

所述步骤3中，待启动发电机的最优启动路径通过迪杰斯特拉算法得到，然后确定发电机的启动顺序；采用迪杰斯特拉算法，计算并记录黑启动机组到各个待启动机组的最短路径，同时考虑发电机自身参数的指标得到发电机组的启动顺序，然后通过调用原对偶内点法求解最优潮流，如果收敛，则表示启动机组成功；当目标发电机启动完后就要重新进行发电机的排序，保证每次的启动过程都是最优的。

所述步骤4中，将最优潮流目标函数设为所需调节时间最长的发电机在不同方案中的最短调节时间，具体为

设已经有m台发电机成功启动，启动第m+1台发电机时，目标函数为：

其中，P_k为第k台发电机待求有功功率，为当前第k台发电机有功功率，t_k表示第k台发电机所需的调节时间，r_pk表示第k台发电机的爬坡率；优化目标是使所有已经带电的发电机中，所需爬坡时间最长的发电机的爬坡时间最小。

所述步骤5中将目标函数转换成带不等式约束条件的可微形式：

式中,P_G和Q_G分别为发电机组的有功出力和无功出力；e和f分别为节点电压的实部和虚部。

步骤7中在确定了目标发电机和启动路径后检验输电线路和变压器能否正常启动；

采用工程实用判据，在稳态模型中进行自励磁校验；采用容量比较法研究电网自励磁发生可能性，系统产生无功小于发电机容量与短路比之积，则不会发生自励磁；

式中：K_CBr为黑启动机组r的短路比；S_Br为黑启动机组r的额定容量；Q_Lj为线路j产生的无功功率；nB为黑启动机组的数量；nL为已经投入的线路数量。

所述步骤9中根据优化目标的不同选择最终的启动方案，分为四个优化目标：

1)以充电时间为最优目标，将输电线路和变压器的充电时间做为权重设置，偏重于快速启动方案；

2)以充电时间为最优目标，将线路的电纳值做为权重设置，越容易启动的线路优先级越高，偏重于方案的可行性；

3)以充电时间和充电功率两者做为最优目标，将两者的加权值做为权重设置，选出既兼顾时间又考虑方案的可行性的方案；

4)以开关数目为最优目标，将启动线路的数目做为权重，偏重于考虑操作的难度。

有益效果

本发明充分考虑极端天气对电网元件的影响，避免了使用电网正常情况下的系统结构模型，使结果中出现不合理的启动方案，帮助运行规划人员正确地决策分析。同时降低自愈过程中发生二次事故的风险，更加完善了自愈方案。

附图说明

图1本发明的适应在极端天气情况下电网快速恢复的方法流程图；

图2发电机启动顺序优化方法流程图；

图3 IEEE-30节点标准系统；

图4发电机出力曲线；

图5广东电网梅州分区网架示意图；

图6不考虑极端天气影响的全黑状态下系统恢复进程；

图7考虑极端天气影响的全黑状态下系统恢复进程。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

一种适应在极端天气情况下电网快速恢复的方法，如图1所示的方法流程图，具体步骤包括

步骤1、建立极端天气情况下支路模型，考虑支路的充电功率、高压电抗器容量和支路的启动时间以及极端天气情况下的受影响程度设置支路权值；

步骤2、建立考虑极端天气影响的发电机模型，设置恶劣天气对发电机的影响权重指标，将在事故中存活下来的或者是能自启动的机组定义为黑启动发电机组；

步骤3、采用迪杰斯特拉算法搜索出所有发电机的最优启动路径，然后综合考虑发电机参数后对所有发电机按优先级指标从小到大进行排序，将优先级等级最高的确定为目标发电机；

步骤4、设置目标函数，以已启动的发电机中所需调节时间最长的那一台相较于其它方案时间最短为目标；

步骤5、将步骤4中的目标函数转换成带约束条件的可微目标函数；

步骤6、利用原-对偶内点最优潮流算法求解可微目标函数，若结果收敛，则表示目标发电机能启动；

步骤7、进行发电机启动路径的暂态校验；

步骤8、将启动的发电机放入已起发电机组，并将已启动的线路的权值更改为启动前权值的十分之一，然后重复步骤3至步骤8；

步骤9、根据网络恢复过程中关注重点的不同选择最终的启动方案。

所述步骤1中考虑支路的充电功率、高压电抗器容量和支路的启动时间以及极端天气情况下的受影响程度设置支路的权值的具体过程为

W_i＝mT_i+(Q_Ci-Q_Li)+P_i

式中，W_i表示支路i的权值，T_i表示支路i的启动时间权重，m表示时间权重比例系数，取值为正整数，以保证输电线路的启动时间小于变压器；Q_Ci表示支路i的充电功率标幺值；Q_Li表示高压电抗器容量标幺值；P_i表示受极端天气影响后的可靠性权重；

受极端天气影响后的可靠性权重P_i主要考虑线路投入后发生故障的概率及其故障对电网造成的冲击，P_i＝ρ_i×μ_i，其中ρ_i为输电线路在此状态下发生故障的概率；μ_i为此条输电线路发生故障后对电网恢复过程的冲击。

所述步骤2中设置恶劣天气对发电机的影响权重指标，具体为

1)计算与发电机性能相关的权重因子G_k，如图4所示，考虑发电机的启动容量，并根据实际情况规定发电机在达到最小出力之前只能一直爬坡，达到最小出力之后可以稳定输出甚至减小功率输出，公式如下：

G_k＝S_k/R_k

式中，k为目标发电机；S_k为目标发电机k的启动容量标幺值；R_k为目标发电机的爬坡率标幺值；S_k越小、R_k越大则发电机对后续恢复过程的潜在贡献越大；

2)计算极端天气对发电机启动的影响权重因子T_k，

T_k＝H_k+L_k

式中，H_k为目标发电机k的黑启动能力受极端天气影响的程度，主要考虑火电厂的柴油发电机组等必备设备受天气的影响以及水电厂直流蓄电池、液压设备的影响，根据受影响的程度设置不同的时间权值，无黑启动能力的机组不考虑此项；L_k为目标发电机受自然灾害的风险评估，主要考虑发电机出力的受影响情况；H_k、L_k越小则发电机对后续恢复过程的潜在贡献越大；

3)计算待启动发电机组的优先级指标：

P_k＝D_k+G_k+T_k

式中，D_k表示目标发电机k对应的最短路径的加权值；D_k、G_k和T_k分别经过线性归一化；发电机的优先级指标P_k值越小，其优先级越高。

所述步骤3中，待启动发电机的最优启动路径通过迪杰斯特拉算法得到，然后确定发电机的启动顺序；图2发电机启动顺序优化方法流程图；采用迪杰斯特拉算法，计算并记录黑启动机组到各个待启动机组的最短路径，同时考虑发电机自身参数的指标得到发电机组的启动顺序，然后通过调用原对偶内点法求解最优潮流，如果收敛，则表示启动机组成功；当目标发电机启动完后就要重新进行发电机的排序，保证每次的启动过程都是最优的。

所述步骤4中，将最优潮流目标函数设为所需调节时间最长的发电机在不同方案中的最短调节时间，具体为

设已经有m台发电机成功启动，启动第m+1台发电机时，目标函数为：

其中，P_k为第k台发电机待求有功功率，为当前第k台发电机有功功率，t_k表示第k台发电机所需的调节时间，r_pk表示第k台发电机的爬坡率；优化目标是使所有已经带电的发电机中，所需爬坡时间最长的发电机的爬坡时间最小。

所述步骤5中将目标函数转换成带不等式约束条件的可微形式：

式中,P_G和Q_G分别为发电机组的有功出力和无功出力；e和f分别为节点电压的实部和虚部。

步骤7中在确定了目标发电机和启动路径后检验输电线路和变压器能否正常启动；

采用工程实用判据，在稳态模型中进行自励磁校验；采用容量比较法研究电网自励磁发生可能性，系统产生无功小于发电机容量与短路比之积，则不会发生自励磁；

式中：K_CBr为黑启动机组r的短路比；S_Br为黑启动机组r的额定容量；Q_Lj为线路j产生的无功功率；nB为黑启动机组的数量；nL为已经投入的线路数量。

所述步骤9中根据优化目标的不同选择最终的启动方案，分为四个优化目标：

1)以充电时间为最优目标，将输电线路和变压器的充电时间做为权重设置，偏重于快速启动方案；

2)以充电时间为最优目标，将线路的电纳值做为权重设置，越容易启动的线路优先级越高，偏重于方案的可行性；

3)以充电时间和充电功率两者做为最优目标，将两者的加权值做为权重设置，选出既兼顾时间又考虑方案的可行性的方案；

4)以开关数目为最优目标，将启动线路的数目做为权重，偏重于考虑操作的难度。

测试本发明提出的快速恢复方法采用IEEE-30节点标准系统(如图3)。算例包含30个节点，6台发电机，4台变压器和37条输电线路。假定本区域受极端天气影响，11号机组为受影响最严重的中心，依次往外受影响程度减小。

第一步：计算极端天气下的支路权值如表1所示。

表1 受极端天气影响后的支路权值

第二步：计算各目标发电机的优先级指标，如表2所示。

表2 目标发电机的路径权值和送电路径

因此计算可知未启动发电机组的优先级指标如表三所示。

表3 目标发电机的优先级指标

由表3可得，此时目标发电机排序向量S_T为{1,3,4,6,5}，位于节点1的1号发电机优先级最高。由表2可得1号发电机的最短加权路径为2-1。

第三步：以步骤6中所述的原对偶内点最优潮流求解该系统,并进行自励磁校验，然后启动线路和发电机。

第四步：第三步的目标发电机启动后，接着以带电网络为起点，搜索其它目标发电机的最短加权路径，进而计算目标发电机的优先级指标，确定最优先发电机。最终得到发电机的启动顺序及相应的最短加权路径如表4所示。

表4 发电机启动顺序及其送电路径

与传统方法相比，本发明更加符合实际情况，考虑了极端天气对电网实际运行情况的影响，充分考虑了各种电力元件的状态，避免了在启动过程中不合理的线路选择对系统造成二次冲击。

再结合广东实际算例说明本发明的可行性，广东电网的黑启动过程是以分区的形式进行启动，形成分区网架后再进行联网。以粤东梅州分区为例，其电网结构图如图5所示，梅州分区清溪电厂具有黑启动能力。正常情况下梅州分区的黑启动方案如图6所示，

梅州地区部分受到极端天气影响，造成嘉应-梅县线路进入异常状态，所以在黑启动的过程中，启动梅县电厂的最优路径中避免了嘉应-梅县线路，避免在启动线路的过程中发生可能的事故，对电网造成二次冲击。极端天气情况下黑启动方案如图7所示。

以上所述，充分验证了在极端天气情况下本发明能避免不合理启动路径路的选择，得到符合实际的最优启动顺序。

Claims (8)

1.一种适应在极端天气情况下电网快速恢复的方法，其特征在于，包括

步骤1、建立极端天气情况下支路模型，考虑支路的充电功率、高压电抗器容量和支路的启动时间以及极端天气情况下的受影响程度设置支路权值；

步骤2、建立考虑极端天气影响的发电机模型，设置恶劣天气对发电机的影响权重指标，将在事故中存活下来的或者是能自启动的机组定义为黑启动发电机组；

步骤3、采用迪杰斯特拉算法搜索出所有发电机的最优启动路径，然后综合考虑发电机参数，后对所有发电机按优先级指标从小到大进行排序，将优先级等级最高的确定为目标发电机；发电机参数包括启动容量、爬坡率、最小技术出力；

步骤4、设置目标函数，以已启动的发电机中所需调节时间最长的那一台相较于其它方案时间最短为目标；

步骤5、将步骤4中的目标函数转换成带约束条件的可微目标函数；

步骤6、利用原-对偶内点最优潮流算法求解可微目标函数，若结果收敛，则表示目标发电机能启动；

步骤7、进行发电机启动路径的暂态校验；

步骤8、将启动的发电机放入已起发电机组，并将已启动的线路的权值更改为启动前权值的十分之一，然后重复步骤3至步骤8；

步骤9、根据网络恢复过程中关注重点的不同选择最终的启动方案。

2.根据权利要求1所述的一种适应在极端天气情况下电网快速恢复的方法，其特征在于，所述步骤1中考虑支路的充电功率、高压电抗器容量和支路的启动时间以及极端天气情况下的受影响程度设置支路的权值的具体过程为

W_i＝mT_i+(Q_Ci-Q_Li)+P_i

式中，W_i表示支路i的权值，T_i表示支路i的启动时间权重，m表示时间权重比例系数，取值为正整数，以保证输电线路的启动时间小于变压器；Q_Ci表示支路i的充电功率标幺值；Q_Li表示高压电抗器容量标幺值；P_i表示受极端天气影响后的可靠性权重；

受极端天气影响后的可靠性权重P_i主要考虑线路投入后发生故障的概率及其故障对电网造成的冲击，P_i＝ρ_i×μ_i，其中ρ_i为输电线路在此状态下发生故障的概率；μ_i为此条输电线路发生故障后对电网恢复过程的冲击。

3.根据权利要求1所述的一种适应在极端天气情况下电网快速恢复的方法，其特征在于，所述步骤2中设置恶劣天气对发电机的影响权重指标，具体为

1)计算与发电机性能相关的权重因子G_k，

G_k＝S_k/R_k

式中，k为目标发电机；S_k为目标发电机k的启动容量标幺值；R_k为目标发电机的爬坡率标幺值；S_k越小、R_k越大则发电机对后续恢复过程的潜在贡献越大；

2)计算极端天气对发电机启动的影响权重因子T_k，

T_k＝H_k+L_k

式中，H_k为目标发电机k的黑启动能力受极端天气影响的程度，主要考虑火电厂的柴油发电机组等必备设备受天气的影响以及水电厂直流蓄电池、液压设备的影响，根据受影响的程度设置不同的时间权值，无黑启动能力的机组不考虑此项；L_k为目标发电机受自然灾害的风险评估，主要考虑发电机出力的受影响情况；H_k、L_k越小则发电机对后续恢复过程的潜在贡献越大；

3)计算待启动发电机组的优先级指标：

P_k＝D_k+G_k+T_k

式中，D_k表示目标发电机k对应的最短路径的加权值；D_k、G_k和T_k分别经过线性归一化；发电机的优先级指标P_k值越小，其优先级越高。

4.根据权利要求1所述的一种适应在极端天气情况下电网快速恢复的方法，其特征在于，所述步骤3中，待启动发电机的最优启动路径通过迪杰斯特拉算法得到，然后确定发电机的启动顺序；采用迪杰斯特拉算法，计算并记录黑启动机组到各个待启动机组的最短路径，同时考虑发电机自身参数的指标得到发电机组的启动顺序，然后通过调用原对偶内点法求解最优潮流，如果收敛，则表示启动机组成功；当目标发电机启动完后就要重新进行发电机的排序，保证每次的启动过程都是最优的。

5.根据权利要求1所述的一种适应在极端天气情况下电网快速恢复的方法，其特征在于，所述步骤4中，将最优潮流目标函数设为所需调节时间最长的发电机在不同方案中的最短调节时间，具体为

设已经有m台发电机成功启动，启动第m+1台发电机时，目标函数为：

$\min f\left(x\right)=\underset{k=1}{\overset{m}{max}}\{t_k=|\frac{P_k-P_0^k}{r_{pk}}\left|\right\}$

其中，P_k为第k台发电机待求有功功率，为当前第k台发电机有功功率，t_k表示第k台发电机所需的调节时间，r_pk表示第k台发电机的爬坡率；优化目标是使所有已经带电的发电机中，所需爬坡时间最长的发电机的爬坡时间最小。

6.根据权利要求1所述的一种适应在极端天气情况下电网快速恢复的方法，其特征在于，所述步骤5中将目标函数转换成带不等式约束条件的可微形式：

$\left\{\begin{array}{c}\min f(P_G,Q_G,e,f,t)=t\\ \begin{array}{cc}s.t.& t\≥|P_k-P_{0k}/r_{pk}|\end{array}\end{array}\right.$

式中,P_G和Q_G分别为发电机组的有功出力和无功出力；e和f分别为节点电压的实部和虚部。

7.根据权利要求1所述的一种适应在极端天气情况下电网快速恢复的方法，其特征在于，步骤7中在确定了目标发电机和启动路径后检验输电线路和变压器能否正常启动；

采用工程实用判据，在稳态模型中进行自励磁校验；采用容量比较法研究电网自励磁发生可能性，系统产生无功小于发电机容量与短路比之积，则不会发生自励磁；

$\underset{j=1}{\overset{nL}{\&Sigma;}}{Q}_{Lj}<\underset{r=1}{\overset{nB}{\&Sigma;}}{K}_{CBr}{S}_{Br}$

式中：K_CBr为黑启动机组r的短路比；S_Br为黑启动机组r的额定容量；Q_Lj为线路j产生的无功功率；nB为黑启动机组的数量；nL为已经投入的线路数量。

8.根据权利要求1所述的一种适应在极端天气情况下电网快速恢复的方法，其特征在于，所述步骤9中根据优化目标的不同选择最终的启动方案，分为四个优化目标：

1)以充电时间为最优目标，将输电线路和变压器的充电时间做为权重设置，偏重于快速启动方案；

2)以充电时间为最优目标，将线路的电纳值做为权重设置，越容易启动的线路优先级越高，偏重于方案的可行性；

3)以充电时间和充电功率两者做为最优目标，将两者的加权值做为权重设置，选出既兼顾时间又考虑方案的可行性的方案；

4)以开关数目为最优目标，将启动线路的数目做为权重，偏重于考虑操作的难度。