CN109510195B - 一种电力系统黑启动容量配置方法及装置 - Google Patents

一种电力系统黑启动容量配置方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力系统黑启动容量配置方法及装置，通过黑启动容量与黑启动阶段的停电损失值，以及黑启动容量与区域电网内部黑启动建设成本之间关系，利用二次函数进行近似拟合，从而满足边际损失递减，而边际成本递增，由此确定满足最优黑启动容量的条件时满足边际成本等于边际损失的相反数，从而根据预置黑启动容量计算得到优化黑启动容量，除此之外，由于优化黑启动容量存在约束下限值，即最低黑启动容量，进一步地，通过建立不同黑启动电源效用函数与偏好设置，根据效用特性确定区域内各类黑启动电源的最优容量，除此之外，利用电介数获得外部电网黑启动支持方案，最终确定区域电网的最优黑启动容量及各类黑启动电源的最优容量配置。

Description

一种电力系统黑启动容量配置方法及装置
技术领域
本发明涉及能源规划技术领域，尤其涉及一种电力系统黑启动容量配置方法及装置。
背景技术
尽管现代电网具有较高的可靠性，大停电现象仍然难以避免。近十年间，在多个国家先后发生过大面积的停电事故，对社会经济造成了严重损失，包括2006年西欧8国大停电、2009年巴西大停电、2011年日本大停电、2012年印度大停电以及土耳其2015年大停电等。随着电网元素、结构变化，近年来导致大停电的原因进一步多样化。在2016年9月28日南澳大停电中，风机在极端天气条件下非计划脱网成为导致南澳电网崩溃的主要原因。2016年9月13日巴西远西北电网停电事故起因为直流工程两条极线故障跳闸，重要直流输电通道受阻。因此，可再生能源与交直流电网成为智能电网电力系统恢复研究的重点。但现有研究技术尚没有对可再生能源渗透的交直流电网黑启动配置问题详细地探讨解决。
黑启动过程是在系统部分或全停后，选取具有黑启动能力的机组实现自启动、向非黑机组供电的过程。在此期间，黑启动资源(BSRs)将通过及时的功率支持帮助非黑启动机组恢复。区域电网黑启动资源包含内部电源和外部电源。内部黑启动资源指发生大停电的电网内部具备自启动能力的机组。当地区内部缺乏黑启动资源时，外网将提供黑启动支持。在这种情况下，相邻系统将通过联络线提供紧急功率支持。
黑启动过程作为电力系统恢复过程的第一阶段，是后期恢复过程的基础，应当予以重视。黑启动服务是电力系统辅助服务不可或缺的一部分。在实际应用中，并非所有具备黑启动能力的机组都被选为黑启动服务供应者。一方面，地区电网黑启动容量不足将会影响恢复效率；另一方面，如果地区电网黑启动容量设置过多将使得黑启动服务花费高昂。
传统黑启动容量(BC)包含两种类型的可用出力：具备自启动能力机组的容量和辅机容量。随着智能电网中双向交互设备的发展，输电系统运营商(TSO)可以灵活调度现代电网中的各类新型黑启动资源来助力大停电后的黑启动过程。随着控制能力的提高，可再生能源电源(RES)的可靠性和稳定性大大增强。相应的，诸如风-光-储联合电源等具有较高可靠性的黑启动资源出力可成为黑启动容量的一部分。另一方面，系统传输容量的提高和互联电网的潮流控制需求催生了诸多高压直流输电(HVDC)工程。近期，高压直流输电环节被证明具备支持黑启动过程的能力。具备高度可控性和灵活调度能力的黑启动资源和高压直流输电环节可作为有价值的新型黑启动资源。如何添加新型黑启动资源参与到黑启动过程中，且确定区域电网中黑启动容量的最优配置是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种电力系统黑启动容量配置方法及装置，实现了区域电网中黑启动容量的最优配置的确定。
本发明提供了一种电力系统黑启动容量配置方法，包括：
获取区域电网一级负荷总量和主力非黑机组启动容量；
根据所述区域电网一级负荷总量和所述主力非黑机组启动容量确定最低黑启动容量；
对以黑启动容量为自变量，黑启动阶段的停电损失值为因变量的第一函数，以及以黑启动容量为自变量，区域电网内部黑启动建设成本值为因变量的第二函数进行二次函数近似，分别得到第一二次函数和第二二次函数；
根据所述第一二次函数和所述第二二次函数的二次项系数和一次项系数，通过预置黑启动容量计算函数计算得到优化黑启动容量，预置最优黑启动容量计算函数为通过分别对所述第一二次函数和所述第二二次函数求导后，将得到的第三函数和第四函数相加为零后变换得到；
判断所述优化黑启动容量是否不小于所述最低黑启动容量，若是，则区域电网的最优黑启动容量为所述优化黑启动容量，若否，则区域电网的最优黑启动容量为所述最低黑启动容量。
可选地，还包括：
获取区域电网中水电机组的黑启动容量上限值；
判断所述水电机组的黑启动容量上限值是否不小于所述最优黑启动容量，若是，则确定所述水电机组需要提供所述最优黑启动容量，若否，则确定所述水电机组需要提供所述水电机组的黑启动容量上限值。
可选地，还包括：
获取区域电网中除火电机组以外的其他黑启动资源的黑启动容量上限值；
判断所述除火电机组以外的其他黑启动资源的黑启动容量上限值是否不小于所述最优黑启动容量，若是，则确定所述火电机组不需要提供黑启动容量，若否，则根据所述火电机组的效用函数，确定当所述最优黑启动容量减去所述除火电机组以外的其他黑启动资源的黑启动容量上限值后，所述火电机组需要提供的黑启动容量。
可选地，还包括：
获取区域电网中燃气机组的黑启动容量上限值、可再生能源电源综合控制单元的黑启动容量上限值以及所述水电机组需要提供的黑启动容量；
根据所述燃气机组和所述可再生能源电源综合控制单元的效用函数，结合所述燃气机组需要提供的黑启动容量不高于所述燃气机组的黑启动容量上限值、所述可再生能源电源综合控制单元需要提供的黑启动容量不高于所述可再生能源电源综合控制单元的黑启动容量上限值以及所述燃气机组需要提供的黑启动容量与所述可再生能源电源综合控制单元需要提供的黑启动容量不高于所述最优黑启动容量减去所述水电机组需要提供的黑启动容量的约束条件，利用无差异曲线的相切特性，得到所述燃气机组需要提供的黑启动容量以及所述可再生能源电源综合控制单元需要提供的黑启动容量。
可选地，还包括：
获取需要提供黑启动容量的黑启动电源的电介数，所述电介数为与所述黑启动电源直接相连的非黑机组容量与负荷量的和，与线路距离的比值；
根据所述电介数的降序排列，确定提供黑启动容量的所述黑启动电源的启动顺序。
可选地，还包括：
获取高压直流环节的电介数；
判断所述高压直流环节的电介数是否小于所述需要提供黑启动容量的黑启动电源的电介数，若是，则不启动所述高压直流环节，若否，则所述高压直流环节提供的黑启动容量为与所述高压直流环节直接相连的非黑机组启动功率及负荷量之和。
可选地，还包括：
获取所述高压直流环节单位输送黑启动容量的定价；
若所述高压直流环节单位输送黑启动容量的定价低于所述最优黑启动容量情况下，所述区域电网内部黑启动建设成本值与所述高压直流环节提供的黑启动容量的比值，则所述高压直流环节提供的黑启动容量为所述最优黑启动容量。
本发明提供了一种电力系统黑启动容量配置，包括：
第一获取单元，用于获取区域电网一级负荷总量和主力非黑机组启动容量；
最低容量确定单元，用于根据所述区域电网一级负荷总量和所述主力非黑机组启动容量确定最低黑启动容量；
二次函数近似单元，用于对以黑启动容量为自变量，黑启动阶段的停电损失值为因变量的第一函数，以及以黑启动容量为自变量，区域电网内部黑启动建设成本值为因变量的第二函数进行二次函数近似，分别得到第一二次函数和第二二次函数；
优化单元，用于根据所述第一二次函数和所述第二二次函数的二次项系数和一次项系数，通过预置黑启动容量计算函数计算得到优化黑启动容量，预置最优黑启动容量计算函数为通过分别对所述第一二次函数和所述第二二次函数求导后，将得到的第三函数和第四函数相加为零后变换得到；
第一判断单元，用于判断所述优化黑启动容量是否不小于所述最低黑启动容量，若是，则区域电网的最优黑启动容量为所述优化黑启动容量，若否，则区域电网的最优黑启动容量为所述最低黑启动容量。
本发明提供了一种电子设备，所述设备包括处理器以及存储器：
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行如上任一项所述的电力系统黑启动容量方法。
本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行如上任一项所述的电力系统黑启动容量方法。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明通过黑启动容量与黑启动阶段的停电损失值，以及黑启动容量与区域电网内部黑启动建设成本之间关系，利用二次函数进行近似拟合，从而满足边际损失递减，而边际成本递增，由此确定满足最优黑启动容量的条件时满足边际成本等于边际损失的相反数，从而根据预置黑启动容量计算得到优化黑启动容量，除此之外，由于优化黑启动容量存在约束下限值，即最低黑启动容量，进一步地，通过建立不同黑启动电源效用函数与偏好设置，根据效用特性确定区域内各类黑启动电源的最优容量，除此之外，利用电介数获得外部电网黑启动支持方案，最终确定区域电网的最优黑启动容量及各类黑启动电源的最优容量配置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的一种电力系统黑启动容量配置方法的一个实施例的流程示意图；
图2为本发明提供的一种电力系统黑启动容量配置方法的另一个实施例的流程示意图；
图3为本发明提供的一种电力系统黑启动容量配置装置的一个实施例的结构示意图；
图4为第一函数和第二函数的曲线图；
图5为水电机组的无差异曲线图；
图6为火电机组的无差异曲线图；
图7为燃气机组和可再生能源电源综合控制单元的无差异曲线图；
图8为水电机组黑启动容量曲线图；
图9为火电机组的黑启动容量曲线图；
图10为燃气机组和可再生能源电源综合控制单元的黑启动容量第一个曲线图；
图11为燃气机组和可再生能源电源综合控制单元的黑启动容量第二个曲线图；
图12为燃气机组和可再生能源电源综合控制单元的黑启动容量第三个曲线图；
图13为含四类黑启动资源的IEEE-9节点系统；
图14为第一种情形下的最优黑启动容量曲线图；
图15为第二种情形下的最优黑启动容量曲线图；
图16为第三章情形下的最优黑启动容量曲线图；
图17为含五类黑启动资源的IEEE-30节点系统。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种电力系统黑启动容量配置方法及装置，实现了区域电网中黑启动容量的最优配置的确定。
电力系统中存在着多种多样的机组，比如：水电机组、火电机组、燃气机组和可再生能源电源综合控制单元。在正常运行的电力系统中，具备各类能源的多种机组都可以有效应用。然而，应用于黑启动过程的黑启动机组需要满足一些特殊的要求。黑启动机组应当在没有外部功率支持的情况下具备自启动能力，之后给线路充电，为非黑启动机组提供协助功率。
总的来说，通常有三种类型的黑启动机组：水电机组、燃气机组、具备隔离发电机-辅助负荷自平衡能力的火电机组。近期，高额可靠性的可再生能源电源综合控制单元和高压直流环节都可以列入可用黑启动资源之列。其特征与推荐次序如下分析所述：
1)水电机组
水电机组具有快速启动、稳定运行和快速控的特性，将是黑启动资源的首选。水电厂的厂用电负荷低，通常可以在5-10分钟之内启动。因此，所有可用水电机组都建议加装黑启动容量，作为首要选择。然而，水电机组的应用将受限于地理因素，在水电资源匮乏的地区很难提供充足黑启动资源。
2)燃气机组
燃气轮机组具有厂用负荷低、功率爬坡速度快且可以精准操控。具有5-10min启动能力的燃气轮机组可在水电机组匮乏的系统中协助提供黑启动容量。
3)可再生能源电源综合控制单元
如风电-光伏-储能混合机组的综合发电控制单元具备一定的独立运行能力。既可以发挥可再生能源电源综合控制单元发电快速启动的优势又减少了风电、光伏不确定性的影响。是一种在当代智能电网中很有竞争力的黑启动资源。然而，其通常控制系统较为复杂，成本相较于其他黑启动资源较高。
4)火电机组
火电机组虽然在理论上可作为可用的黑启动资源，但其厂用负荷较高且操作系统较为复杂。利用这类资源进行黑启动将会花费较长的时间，因此，火电机组通常作为黑启动资源的最次选择。
5)高压直流环节
依托高度可控的有功无功控制，柔性高压直流(VSC-HVDC)环节可成为一种高效可用的黑启动资源类型。高压直流具有传输能力大、起动时间短、可控性好等优点。然而在其启动应用过程中需要计及对交流电网的影响。
综上所述，水电机组由于具有高效性和经济性，是黑启动电源的首选。然而水电机组容易受到地域条件限制，因此在可作为缺乏水电厂的电网中，燃气机组可以作为次要选择。可再生能源电源综合控制单元是反应最快的黑启动电源，但是其成本较高，控制系统较复杂，在风电充沛但燃气资源使用成本高的地区可与燃气机组并列作为次要选择。火电机组由于厂用负荷较高启动时间较长，通常作为最末的选择。
当区域系统要求系统内具备黑启动容量时，将首先考虑水电机组，其次用燃气轮机或综合发电控制单元填补容量空缺。另外，利用高压直流环节引入外部电源也可对全黑系统进行紧急功率供应，而是否应用临近系统提供黑启动容量将取决于外送电服务的定价与恢复效率。如果使用外部电源高效、低价，其效果优于内部电源，那么区域系统可以不进行内部黑启动电源规划，直接使用相邻系统送电完成黑启动过程。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供了一种电力系统黑启动容量配置方法的一个实施例，包括：
101、获取区域电网一级负荷总量和主力非黑机组启动容量；
需要说明的是，对区域电力系统黑启动电源的规划首先确定系统可供应程的黑启动容量。最优的容量S*将可以最小化系统整体损失LOSS。黑启动容量S存在一个最低值，该最低值由区域电网一级负荷总量LPRI和主力非黑机组启动容量GPRI决定。
102、根据区域电网一级负荷总量和主力非黑机组启动容量确定最低黑启动容量；
需要说明的是，已知系统整体损失LOSS由黑启动阶段的停电损失值CL(S)以及黑启动建设成本P(S)决定。
103、对以黑启动容量为自变量，黑启动阶段的停电损失值为因变量的第一函数，以及以黑启动容量为自变量，区域电网内部黑启动建设成本值为因变量的第二函数进行二次函数近似，分别得到第一二次函数和第二二次函数；
需要说明的是，黑启动阶段的停电损失值CL(S)是无黑启动电源区域系统大停电后的负荷损失Ctotal与黑启动资源作用w*S的差，即：
第一函数：
Figure GDA0002775053700000081
其中，w为负荷权重，S为黑启动容量。由于大停电后的系统会优先选择重要负荷先行恢复，对于固定区域系统，负荷权重将随着黑启动容量增加而减小。
P(S)为黑启动建设成本，为区域内黑启动电源建设成本PI(S)与外部黑启动电源建设成本po(S)之和，分别为：
第二函数：
Figure GDA0002775053700000082
Po(S)＝poSo；
PI(S)为区域内不同黑启动资源单位黑启动容量建设费用pi与黑启动容量Si.的乘积加和。显然，决策者会首先建造费用低的黑启动资源，区域内黑启动资源单位建设费用随容量增加而增加。
Po(S)的表达式中，po为选用区域外黑启动资源支持时单位黑启动容量的定价，So为区域外黑启动资源提供的黑启动容量。
很显然，停电损失值CL(S)与区域内黑启动资源建设成本PI(S)为分段线性函数。为获得良好的边际特性，可利用二次函数进行近似拟合。满足边际损失递减，边际容量递减，即边际成本递增。因此，如图4所示，对CL(S)和PI(S)进行二次函数近似。
其相应函数转变为：
第一二次函数：
Figure GDA0002775053700000091
第二二次函数：PI *(S)＝kS2+gS(S＞0)；
其中，正数参数a,b,k和g可通过以下有效过程得到：
Figure GDA0002775053700000092
Figure GDA0002775053700000093
Figure GDA0002775053700000094
Figure GDA0002775053700000095
104、根据第一二次函数和第二二次函数的二次项系数和一次项系数，通过预置黑启动容量计算函数计算得到优化黑启动容量，预置最优黑启动容量计算函数为通过分别对第一二次函数和第二二次函数求导后，将得到的第三函数和第四函数相加为零后变换得到；
需要说明的是，在分别得到第一二次函数和第二二次函数的二次项系数和一次项系数a,b,k和g后，可以通过预置黑启动容量计算函数计算得到优化黑启动容量S*，预置最优黑启动容量计算函数为通过分别对第一二次函数和第二二次函数求导后，将得到的第三函数和第四函数相加为零后变换得到，具体为：
Figure GDA0002775053700000096
可以理解的是，为了满足最小化系统整体损失LOSS的目标，存在最优黑启动容量的条件是满足边际成本等于边际损失的相反数，即可以确定预置黑启动容量计算函数。
105、判断优化黑启动容量是否不小于最低黑启动容量，若是，则区域电网的最优黑启动容量为优化黑启动容量，若否，则区域电网的最优黑启动容量为最低黑启动容量；
需要说明的是，在通过预置黑启动容量计算函数计算得到优化黑启动容量S*后，还需要对优化黑启动容量S*与最低黑启动容量的大小进行判断，即判断S*与LPRI+GPRI大小，若S*不小于LPRI+GPRI，则区域电网的最优黑启动容量Sbest为优化黑启动容量S*，否则将取约束下限LPRI+GPRI，即区域电网的最优黑启动容量Sbest必须不小于区域电网一级负荷总量和主力非黑机组启动容量之和。
本发明实施例通过黑启动容量与黑启动阶段的停电损失值，以及黑启动容量与区域电网内部黑启动建设成本之间关系，利用二次函数进行近似拟合，从而满足边际损失递减，而边际成本递增，由此确定满足最优黑启动容量的条件时满足边际成本等于边际损失的相反数，从而根据预置黑启动容量计算得到优化黑启动容量，除此之外，由于优化黑启动容量存在约束下限值，即最低黑启动容量，因此可以通过一次判断确定最终的区域电网的最优黑启动容量。
以上是对本发明提供的一种电力系统黑启动容量配置方法的一个实施例进行的说明，以下将对本发明提供的一种电力系统黑启动容量配置方法的另一个实施例进行说明。
请参阅图2，本发明提供了一种电力系统黑启动容量配置方法的另一个实施例，包括：
201、获取区域电网一级负荷总量和主力非黑机组启动容量；
需要说明的是，对区域电力系统黑启动电源的规划首先确定系统可供应程的黑启动容量。最优的容量S*将可以最小化系统整体损失LOSS。黑启动容量S存在一个最低值，该最低值由区域电网一级负荷总量LPRI和主力非黑机组启动容量GPRI决定。
202、根据区域电网一级负荷总量和主力非黑机组启动容量确定最低黑启动容量；
需要说明的是，已知系统整体损失LOSS由黑启动阶段的停电损失值CL(S)以及黑启动建设成本P(S)决定。
203、对以黑启动容量为自变量，黑启动阶段的停电损失值为因变量的第一函数，以及以黑启动容量为自变量，区域电网内部黑启动建设成本值为因变量的第二函数进行二次函数近似，分别得到第一二次函数和第二二次函数；
需要说明的是，黑启动阶段的停电损失值CL(S)是无黑启动电源区域系统大停电后的负荷损失Ctotal与黑启动资源作用w*S的差，即：
第一函数：
Figure GDA0002775053700000111
其中，w为负荷权重，S为黑启动容量。由于大停电后的系统会优先选择重要负荷先行恢复，对于固定区域系统，负荷权重将随着黑启动容量增加而减小。
P(S)为黑启动建设成本，为区域内黑启动电源建设成本PI(S)与外部黑启动电源建设成本po(S)之和，分别为：
第二函数：
Figure GDA0002775053700000112
Po(S)＝poSo；
PI(S)为区域内不同黑启动资源单位黑启动容量建设费用pi与黑启动容量Si.的乘积加和。显然，决策者会首先建造费用低的黑启动资源，区域内黑启动资源单位建设费用随容量增加而增加。
Po(S)的表达式中，po为选用区域外黑启动资源支持时单位黑启动容量的定价，So为区域外黑启动资源提供的黑启动容量。
很显然，停电损失值CL(S)与区域内黑启动资源建设成本PI(S)为分段线性函数。为获得良好的边际特性，可利用二次函数进行近似拟合。满足边际损失递减，边际容量递减，即边际成本递增。因此，如图4所示，对CL(S)和PI(S)进行二次函数近似。
其相应函数转变为：
第一二次函数：
Figure GDA0002775053700000113
第二二次函数：PI *(S)＝kS2+gS(S＞0)；
其中，正数参数a,b,k和g可通过以下有效过程得到：
Figure GDA0002775053700000121
Figure GDA0002775053700000122
Figure GDA0002775053700000123
Figure GDA0002775053700000124
204、根据第一二次函数和第二二次函数的二次项系数和一次项系数，通过预置黑启动容量计算函数计算得到优化黑启动容量，预置最优黑启动容量计算函数为通过分别对第一二次函数和第二二次函数求导后，将得到的第三函数和第四函数相加为零后变换得到；
需要说明的是，在分别得到第一二次函数和第二二次函数的二次项系数和一次项系数a,b,k和g后，可以通过预置黑启动容量计算函数计算得到优化黑启动容量S*，预置最优黑启动容量计算函数为通过分别对第一二次函数和第二二次函数求导后，将得到的第三函数和第四函数相加为零后变换得到，具体为：
Figure GDA0002775053700000125
可以理解的是，为了满足最小化系统整体损失LOSS的目标，存在最优黑启动容量的条件是满足边际成本等于边际损失的相反数，即可以确定预置黑启动容量计算函数。
205、判断优化黑启动容量是否不小于最低黑启动容量，若是，则区域电网的最优黑启动容量为优化黑启动容量，若否，则区域电网的最优黑启动容量为最低黑启动容量；
需要说明的是，在通过预置黑启动容量计算函数计算得到优化黑启动容量S*后，还需要对优化黑启动容量S*与最低黑启动容量的大小进行判断，即判断S*与LPRI+GPRI大小，若S*不小于LPRI+GPRI，则区域电网的最优黑启动容量Sbest为优化黑启动容量S*，否则将取约束下限LPRI+GPRI，即区域电网的最优黑启动容量Sbest必须不小于区域电网一级负荷总量和主力非黑机组启动容量之和。
在黑启动资源中，高效经济的水电机组无疑是首先。然而水力发电机组容易受到地域条件限制，因此在可作为缺乏水电厂的电网中，燃气机组可以作为次要选择。可再生能源电源综合控制单元是反应最快的黑启动资源，但是其成本较高，控制系统较复杂。在风电充沛但燃气资源使用成本高的地区具备高稳定性的可再生能源电源综合控制单元与燃气机组可并列作为次要选择。火电机组由于厂用负荷较高启动时间较长，通常作为最末的选择。
进一步地，还包括：
206、获取区域电网中水电机组的黑启动容量上限值；
207、判断水电机组的黑启动容量上限值是否不小于最优黑启动容量，若是，则确定水电机组需要提供最优黑启动容量，若否，则确定水电机组需要提供水电机组的黑启动容量上限值；
需要说明的是，如图5所示的水电机组与其他黑启动资源相比的无差异曲线和偏好，其对应的效用函数为：
U(xpump,xother)＝k1xpump；
其中，U()是效用函数，xpump表示水电机组的黑启动容量。
利用无差异曲线，可获得边际替代率(MRS)。图5中展示了在第一边际替代率下的水电机组的无差异曲线，对应图5的边际替代率如下所示：
MRS1:Δxpump/Δxother＝0；
该公式意义为决策者不会牺牲水电机组的黑启动容量来增加其他类型黑启动资源的黑启动容量，即在区域电网中，将在水电机组的黑启动容量限制范围内尽可能多的提供黑启动容量。
因此，在确定了区域电网的最优黑启动容量Sbest的前提下，可以通过第一模型：
max U(xpump,xother)
s.t.xpump+xother＝Sbest
xpump≤Mpump
xpump≥0,xother≥0；
确定水电机组需要提供的黑启动容量，如图8所示，当Mpump大于Sbest时，最优选择为B点对应的黑启动容量，且区域电网黑启动容量由水电机组全部提供；当Mpump小于Sbest时，最优选择如A点所示。无论其中水电机组达到黑启动容量上限值与系统所需黑启动容量关系为何，均使水电机组以黑启动容量上限值支持黑启动过程。
进一步地，还包括：
208、获取区域电网中除火电机组以外的其他黑启动资源的黑启动容量上限值；
209、判断除火电机组以外的其他黑启动资源的黑启动容量上限值是否不小于最优黑启动容量，若是，则确定火电机组不需要提供黑启动容量，若否，则根据火电机组的效用函数，确定当最优黑启动容量减去除火电机组以外的其他黑启动资源的黑启动容量上限值后，火电机组需要提供的黑启动容量；
需要说明的是，如图6所示的火电机组与其他黑启动资源相比的无差异曲线和偏好，其对应的效用函数为：
U(xcoal,xother)＝k2xother；
其中，U()是效用函数，xcoal表示火电机组的黑启动容量。
利用无差异曲线，可获得边际替代率(MRS)。图6中展示了在第一边际替代率下的火电机组的无差异曲线，对应图6的边际替代率如下所示：
MRS2:Δxother/Δxcoal＝0；
该公式表示决策者不会牺牲任何其他黑启动电源容量来增加火电机组黑启动容量，即区域电网若存在其他的可用黑启动电源形式，将不考虑提供优先利用火电机组黑启动容量。
因此，在确定了区域电网的最优黑启动容量Sbest的前提下，可以通过第二模型：
maxU(xcoal,xother)
s.t.xcoal+xother＝Sbest
xother≤Mother
xother≥0,xcoal≥0；
确定火电机组需要提供的黑启动容量，如图9所示，当Mother大于Sbest时，最优选择为D点对应的黑启动容量，无需进行火电机组黑启动容量建设考虑；当Mother小于Sbest时，最优选择如C点所示。无论何种情况下均尽力避免对火电机组进行黑启动容量规划，即利用火电机组提供黑启动容量是为满足系统最优黑启动容量Sbest的不得已之选。
进一步地，还包括：
210、获取区域电网中燃气机组的黑启动容量上限值、可再生能源电源综合控制单元的黑启动容量上限值以及水电机组需要提供的黑启动容量；
211、根据燃气机组和可再生能源电源综合控制单元的效用函数，结合燃气机组需要提供的黑启动容量不高于燃气机组的黑启动容量上限值、可再生能源电源综合控制单元需要提供的黑启动容量不高于可再生能源电源综合控制单元的黑启动容量上限值以及燃气机组需要提供的黑启动容量与可再生能源电源综合控制单元需要提供的黑启动容量不高于最优黑启动容量减去水电机组需要提供的黑启动容量的约束条件，利用无差异曲线的相切特性，得到燃气机组需要提供的黑启动容量以及可再生能源电源综合控制单元需要提供的黑启动容量；
需要说明的是，如图7所示的燃气机组和可再生能源电源综合控制单元与其他黑启动资源相比的无差异曲线和偏好，其对应的效用函数为：
Figure GDA0002775053700000151
其中，U()是效用函数，xgas和xcom分别表示燃气机组和可再生能源电源综合控制单元的黑启动容量，图7为c＝d＝1/2时的Cobb-Douglas效用函数。该函数满足边际效用递减的规律，其边际替代率MRS3如下所示：
Figure GDA0002775053700000152
根据Cobb-Douglas效用函数，随着xgas的增加，边际替代率递减，即每增加一单位的燃气机组黑启动容量决策者愿意放弃的可再生能源综合控制单元黑启动容量的数量递减。该现象表明对于燃气资源有限，可再生能源丰富的区域电网，将不希望黑启动资源仅依赖于任何一种能源形式。
因此，在确定了区域电网的最优黑启动容量Sbest的前提下，可以通过第三模型：
max U(xgas,xcom)
s.t.xgas+xcom≤S*(S*＝Sbest-Spump)
xgas≤Mgas
xcom≤Mcom
xcom≥0,xgas≥0；
确定燃气机组和可再生能源电源综合控制单元需要提供的黑启动容量，如图10至12所示，Mgas,Mcom和S*分别为燃气机组、可再生能源电源综合控制单元黑启动容量上限值，区域系统最优黑启动容量Sbest减去水电机组容量的剩余量。如图10至12所示，根据Mgas、Mcom与S*取值的不同会出现不同容量分配的最优选择。在任何情况下，最优选择将处于可行域与效用函数的切点处。
进一步地，还包括：
212、获取需要提供黑启动容量的黑启动电源的电介数，电介数为与黑启动电源直接相连的非黑机组容量与负荷量的和，与线路距离的比值；
需要说明的是，通过以上的分析，区域电网内最优黑启动容量Sbest以及各类型分配方式已经得到。一般情况下，电力系统中可作黑启动资源的电厂远大于实际需要，因此可以根据恢复效果进行节点选择。其数学本质是组合问题优化。黑启动过程中希望可以尽快给非黑机组充电，且可大范围覆盖整个系统。定义电介数的概念，衡量建设黑启动资源i的恢复效果。电介数重点考量了与黑启动资源直接相连的非黑机组容量PGj、负荷量PLj，以及线路距离dij，其公式如下：
Figure GDA0002775053700000161
213、根据电介数的降序排列，确定提供黑启动容量的黑启动电源的启动顺序；
需要说明的是，存在了电介数后，可定义黑启动资源选择优化问题如下：
Figure GDA0002775053700000162
Figure GDA0002775053700000163
zi＝si,maxi∈pump
0≤zi≤si,max；
上述优化函数可保证拥有较大电介数的黑启动资源将会被优先选择。
进一步地，还包括：
214、获取高压直流环节的电介数；
215、判断高压直流环节的电介数是否小于需要提供黑启动容量的黑启动电源的电介数，若是，则不启动高压直流环节，若否，则高压直流环节提供的黑启动容量为与高压直流环节直接相连的非黑机组启动功率及负荷量之和；
需要说明的是，对于高压直流环节，仅当其电介数大于最优配置下的内部黑启动资源时，即满足
Figure GDA0002775053700000164
时，调度员才会考虑启用以高压直流环节为主导的外部功率支持。此时表明外部紧急功率支持恢复效果不差于最优设置下的内部黑启动资源。
除此之外，每个外部功率节点注入功率需满足直接相连的非黑机组启动功率及直接相连的负荷量之和，即：
Figure GDA0002775053700000165
进一步地，还包括：
216、获取高压直流环节单位输送黑启动容量的定价；
217、若高压直流环节单位输送黑启动容量的定价低于最优黑启动容量情况下，区域电网内部黑启动建设成本值与高压直流环节提供的黑启动容量的比值，则高压直流环节提供的黑启动容量为最优黑启动容量；
需要说明的是，当公式
Figure GDA0002775053700000171
和
Figure GDA0002775053700000172
均满足时，是否启用外部功率支持将取决于定价，即：
Figure GDA0002775053700000173
当外部电源单位输送容量定价低于p0时，可以不进行区域电网内部黑启动资源建设。直接以签订协议的方式，保证大停电后的外部系统功率支持。
以下将通过三个应用例对上述实施例进行具体介绍：
首先展示区域电网最优黑启动容量确定方法，然后通过改进的IEEE-9节点系统来展现所提最优黑启动配置的应用方法，最后利用改进的IEEE-30节电系统展示黑启动资源选址问题的解决方法。
在图13和图17中，G,R,H,T和N分别表示燃气机组、可再生能源电源综合控制单元、水电机组、火电机组和非黑启动机(NBS)机组。定义G,R,H和T代表的黑启动资源的黑启动最大容量为5MW,4MW,8MW and 15MW。
假设某区域电网一级负荷总量LPRI为6MW,主力非黑机组容量GPRI为10MW，该区域黑启动容量下限为16MW。停电损失CL(S)与系统内部黑启动资源建设成本PI(S)拟合二次函数分别为：
Figure GDA0002775053700000174
PI *(S)＝0.1S2+S(S＞0)；
根据式
Figure GDA0002775053700000175
得S*为18MW大于区域电网黑启动容量下限值。则该区域最优黑启动容量设置为18MW。
注意负荷权重w与黑启动电源单位容量建设费用pi取值的变化会导致拟合函数变动。若CL(S)与PI(S)最终拟合函数变为：
Figure GDA0002775053700000181
PI *(S)＝0.1S2+2S(S＞0)；
据式
Figure GDA0002775053700000182
得S*为15MW，尚达不到区域黑启动容量下限值。此时，该区域最优黑启动容量设置为16MW。
如果Sbest≤8Mw,水电机组黑启动容量可以全部满足区域黑启动容量需求。因此，如图14所示，该区域只需将水电机组(类型H)建设为黑启动资源。
如果8Mw<Sbest<17Mw，可再生能源电源综合控制单元和燃气机组将参与黑启动服务。如图15所示的可替代黑启动资源的最优黑启动容量情况。
图16表示Sbest≥17MW的情形,此时为了满足区域黑启动容量的需要，火电机组也将参与黑启动服务补充其他黑启动资源不足的部分。
进一步地，如图17所示的IEEE-30节点系统，机组N分别为20Mw,30Mw,20Mw及10Mw。母线4、8所接一级负荷分别为8MW、3MW,其他母线一级负荷均为2MW。假设已经计算得到系统整体最优黑启动容量为16MW。假设算例中线路距离系数dij为1，在实际情况中可根据线路长度定义，线路越长系数越大。根据黑启动资源直接相连的非黑机组容量PGj、负荷量PLj，以及线路距离dij，各类黑启动资源的电介数由式
Figure GDA0002775053700000183
计算得到，且如表1所示：
表1,各类黑启动资源的电介数
Bus Gas units Bus RES Hybrid units
1 ε<sub>1,G</sub>＝24 15 ε<sub>15,G</sub>＝10
8 ε<sub>8,G</sub>＝3 17 ε<sub>17,G</sub>＝4
13 ε<sub>13,G</sub>＝2 20 ε<sub>20,G</sub>＝6
利用表1与
Figure GDA0002775053700000184
可解决选址问题。由于该系统中存在两种可替代黑启动资源，其黑启动容量值由图15所示。黑启动资源最优选址结果在图17中用加粗标出。连接母线1的燃气机组为黑启动服务提供5MW功率,而母线8的可再生能源电源综合控制单元提供3MW功率。母线15与母线20连接的可再生能源电源综合控制单元将提供额定功率支持黑启动过程。
根据IEEE-30节点系统的拓扑机构，其外部黑启动资源的电介数为70MW(VSC1:56andVSC2:14)。其数值大于内部黑启动资源之和(43MW)。因此高压直流环节主导的外部黑启动功率支持方案在该电网黑启动辅助服务中也极具竞争力。根据式
Figure GDA0002775053700000191
如果相邻电网提供黑启动辅助服务的定价低于内部黑启动容量耗费P(Sbest)。则该系统无需进行黑启动资源建设，可通过与相邻电网签订黑启动辅助服务协议的方式保证充足的黑启动容量供应。
本发明实施例通过黑启动容量与黑启动阶段的停电损失值，以及黑启动容量与区域电网内部黑启动建设成本之间关系，利用二次函数进行近似拟合，从而满足边际损失递减，而边际成本递增，由此确定满足最优黑启动容量的条件时满足边际成本等于边际损失的相反数，从而根据预置黑启动容量计算得到优化黑启动容量，除此之外，由于优化黑启动容量存在约束下限值，即最低黑启动容量，进一步地，通过建立不同黑启动电源效用函数与偏好设置，根据效用特性确定区域内各类黑启动电源的最优容量，除此之外，利用电介数获得外部电网黑启动支持方案，最终确定区域电网的最优黑启动容量及各类黑启动电源的最优容量配置。
请参阅图3，本发明提供了一种电力系统黑启动容量配置装置的一个实施例，包括：
第一获取单元301，用于获取区域电网一级负荷总量和主力非黑机组启动容量；
最低容量确定单元302，用于根据区域电网一级负荷总量和主力非黑机组启动容量确定最低黑启动容量；
二次函数近似单元303，用于对以黑启动容量为自变量，黑启动阶段的停电损失值为因变量的第一函数，以及以黑启动容量为自变量，区域电网内部黑启动建设成本值为因变量的第二函数进行二次函数近似，分别得到第一二次函数和第二二次函数；
优化单元304，用于根据第一二次函数和第二二次函数的二次项系数和一次项系数，通过预置黑启动容量计算函数计算得到优化黑启动容量，预置最优黑启动容量计算函数为通过分别对第一二次函数和第二二次函数求导后，将得到的第三函数和第四函数相加为零后变换得到；
第一判断单元305，用于判断优化黑启动容量是否不小于最低黑启动容量，若是，则区域电网的最优黑启动容量为优化黑启动容量，若否，则区域电网的最优黑启动容量为最低黑启动容量。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序代码，该程序代码用于执行前述各个实施例所述的一种电力系统黑启动容量配置方法中的任意一种实施方式。
本发明实施例还提供一种包括指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行前述各个实施例所述的一种电力系统黑启动容量配置方法中的任意一种实施方式。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电力系统黑启动容量配置方法，其特征在于，包括：
获取区域电网一级负荷总量和主力非黑机组启动容量；
根据所述区域电网一级负荷总量和所述主力非黑机组启动容量确定最低黑启动容量；
对以黑启动容量为自变量，黑启动阶段的停电损失值为因变量的第一函数，以及以黑启动容量为自变量，区域电网内部黑启动建设成本值为因变量的第二函数进行二次函数近似，分别得到第一二次函数和第二二次函数；
根据所述第一二次函数和所述第二二次函数的二次项系数和一次项系数，通过预置黑启动容量计算函数计算得到优化黑启动容量，预置最优黑启动容量计算函数为通过分别对所述第一二次函数和所述第二二次函数求导后，将得到的第三函数和第四函数相加为零后变换得到；
判断所述优化黑启动容量是否不小于所述最低黑启动容量，若是，则区域电网的最优黑启动容量为所述优化黑启动容量，若否，则区域电网的最优黑启动容量为所述最低黑启动容量。
2.根据权利要求1所述的电力系统黑启动容量配置方法，其特征在于，还包括：
获取区域电网中水电机组的黑启动容量上限值；
判断所述水电机组的黑启动容量上限值是否不小于所述最优黑启动容量，若是，则确定所述水电机组需要提供所述最优黑启动容量，若否，则确定所述水电机组需要提供所述水电机组的黑启动容量上限值。
3.根据权利要求1所述的电力系统黑启动容量配置方法，其特征在于，还包括：
获取区域电网中除火电机组以外的其他黑启动资源的黑启动容量上限值；
判断所述除火电机组以外的其他黑启动资源的黑启动容量上限值是否不小于所述最优黑启动容量，若是，则确定所述火电机组不需要提供黑启动容量，若否，则根据所述火电机组的效用函数，确定当所述最优黑启动容量减去所述除火电机组以外的其他黑启动资源的黑启动容量上限值后，所述火电机组需要提供的黑启动容量。
4.根据权利要求2所述的电力系统黑启动容量配置方法，其特征在于，还包括：
获取区域电网中燃气机组的黑启动容量上限值、可再生能源电源综合控制单元的黑启动容量上限值以及所述水电机组需要提供的黑启动容量；
根据所述燃气机组和所述可再生能源电源综合控制单元的效用函数，结合所述燃气机组需要提供的黑启动容量不高于所述燃气机组的黑启动容量上限值、所述可再生能源电源综合控制单元需要提供的黑启动容量不高于所述可再生能源电源综合控制单元的黑启动容量上限值以及所述燃气机组需要提供的黑启动容量与所述可再生能源电源综合控制单元需要提供的黑启动容量不高于所述最优黑启动容量减去所述水电机组需要提供的黑启动容量的约束条件，利用无差异曲线的相切特性，得到所述燃气机组需要提供的黑启动容量以及所述可再生能源电源综合控制单元需要提供的黑启动容量。
5.根据权利要求2至4中任意一项所述的电力系统黑启动容量配置方法，其特征在于，还包括：
获取需要提供黑启动容量的黑启动电源的电介数，所述电介数为与所述黑启动电源直接相连的非黑机组容量与负荷量的和，与线路距离的比值；
根据所述电介数的降序排列，确定提供黑启动容量的所述黑启动电源的启动顺序。
6.根据权利要求5所述的电力系统黑启动容量配置方法，其特征在于，还包括：
获取高压直流环节的电介数；
判断所述高压直流环节的电介数是否小于所述需要提供黑启动容量的黑启动电源的电介数，若是，则不启动所述高压直流环节，若否，则所述高压直流环节提供的黑启动容量为与所述高压直流环节直接相连的非黑机组启动功率及负荷量之和。
7.根据权利要求6所述的电力系统黑启动容量配置方法，其特征在于，还包括：
获取所述高压直流环节单位输送黑启动容量的定价；
若所述高压直流环节单位输送黑启动容量的定价低于所述最优黑启动容量情况下，所述区域电网内部黑启动建设成本值与所述高压直流环节提供的黑启动容量的比值，则所述高压直流环节提供的黑启动容量为所述最优黑启动容量。
8.一种电力系统黑启动容量配置，其特征在于，包括：
第一获取单元，用于获取区域电网一级负荷总量和主力非黑机组启动容量；
最低容量确定单元，用于根据所述区域电网一级负荷总量和所述主力非黑机组启动容量确定最低黑启动容量；
二次函数近似单元，用于对以黑启动容量为自变量，黑启动阶段的停电损失值为因变量的第一函数，以及以黑启动容量为自变量，区域电网内部黑启动建设成本值为因变量的第二函数进行二次函数近似，分别得到第一二次函数和第二二次函数；
优化单元，用于根据所述第一二次函数和所述第二二次函数的二次项系数和一次项系数，通过预置黑启动容量计算函数计算得到优化黑启动容量，预置最优黑启动容量计算函数为通过分别对所述第一二次函数和所述第二二次函数求导后，将得到的第三函数和第四函数相加为零后变换得到；
第一判断单元，用于判断所述优化黑启动容量是否不小于所述最低黑启动容量，若是，则区域电网的最优黑启动容量为所述优化黑启动容量，若否，则区域电网的最优黑启动容量为所述最低黑启动容量。
9.一种电子设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器：
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1-7任一项所述的电力系统黑启动容量方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行权利要求1-7任一项所述的电力系统黑启动容量方法。
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