CN109871587A - 一种极端天气条件下电力系统受控解列的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种极端天气条件下电力系统受控解列的方法。它包括如下步骤：以最小恢复时间mints为目标函数，分配策略优化方法；FCB机组功能成本分析；FCB机组的成本包括机组启动成本、机组工况运行成本和设备改造成本；基于FCB机组的电网主动解列策略的制定；快速找到主动解列最优断面。本发明通过在发电厂设置FCB机组，使得发电厂因极端天气导致的某种不可抗拒因素(故障，电网解列)，瞬间甩掉全部对外供电负荷，但主燃料锅炉未跳闸的情况下，机组通过旁路系统维持低功率输出，从而维持“发电机解列带厂用电运行”或“停机不停炉”，电网能立即恢复供电。

Description

一种极端天气条件下电力系统受控解列的方法
技术领域
本发明涉及电力系统运行与故障恢复领域，具体涉及一种极端天气条件下基于FCB机组的电力系统受控解列的方法。
背景技术
电力系统网络的运行对其所处的环境条件有着一定的严格要求，当其遭受极端天气的环境时，往往会面临一系列的诸如电网解列，发电机停运，线路损坏等问题。目前，在我国，这类极端天气所造成的电力系统灾害对电网的正常运行造成的灾害越来越不可忽视。着手于研究在极端恶劣天气条件下对电力系统进行升级和调控就变得极为重要。
现有的方法主要有更换更高强度的输电线路和设备、甩负荷运行和主动解列。更换更高强度的输电线路和设备存在如下缺点：
1、换成本太高，难以在刚建成不久的电厂或是偏远地区实现；
2、极端天气的到来具有不确定性，难以提前预测，这种成本高又不确定的方法不值得去实施。
甩负荷运行和主动解列存在如下缺点：不能较好的区分不同等级的负荷，有可能在极端天气时切除一级负荷。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用快速切接机组(FCB)机组受控解列的方法，通过FCB机组降低负载丢失，维持系统孤岛运行，来提高极端天气条件下电力系统运行稳定性的极端天气条件下电力系统受控解列的方法。
为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：一种极端天气条件下电力系统受控解列的方法，它包括如下步骤：
步骤一：以最小恢复时间min ts为目标函数，采用以下分配策略优化方法中的一个：
d)基于粒子群算法的优化策略；
e)基于序优化理论的布点策略；
f)基于鲁棒优化(Robust Optimization)的求解策略。
步骤二：FCB机组功能成本分析；FCB机组的成本包括机组启动成本、机组工况运行成本和设备改造成本；
步骤三：基于FCB机组的电网主动解列策略的制定；快速找到主动解列最优断面的方法采用以下方法中的一个：
I)基于连通图的背包约束问题求解；
II)基于Floyd算法的机群搜索；
III)谱聚类解列断面搜索。
作为本发明的进一步改进；所述步骤二的FCB机组的具体成本如下所示：
(A)FCB机组启动成本：启动成本单位为元/次，包括启动燃料费用、电站服务费用、与启动相关的维护费用以及额外人力成本；
(B)FCB机组工况运行成本：无负荷成本单位元/小时，指FCB机组带厂用电运行，一般可视为固定的费用；
(C)设备改造成本：机组实现FCB功能，需要对原有设备进行改造才可实现，主要包括对热力系统、旁路除氧器等设备进行改造、也包括保护逻辑的更改、发电机出口断路器的增设等。
作为本发明的进一步改进；所述步骤三所提出的基于Floyd算法的机群搜索的步骤如下：
1)采集系统的暂态稳定参数，判断子系统受到扰动后失去稳定分为a个机群；
2)假设系统G＝(V，E)中有β个节点，y个发电机节点vG，用集合VG表示；g个负荷节点vL，用集合VL表示；y+g＝β，VG∩VL＝φ，V＝VG∪VL；构造系统的带权重邻接矩阵
3)使用Floyd算法，得出任意两点间的最短电抗累积和，提取其中发电机与负荷节点间的最短路径矩阵：
其中为负荷节点到之间的最短电抗累积和；
4)现已知系统分化成了α个机群，若要得到系统中负荷节点到其他同调机群的最短电抗累积和，则通过计算所有机组的累积和的平均值来确定：
其中αs为某一机群；为机群αs所包含的发电机数量；为负荷节点VLi到机群αs的最短距离；
通过机群优化算法，按照上述步骤，则可以获得最优解列断面。
采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：
A、能够在电网解列的情况下维持低出力运行，不仅提高了经济效益，同时由于其增加了可调度负载(dispatchable load)的容量，使得电网可以对更多的负荷进行调整；
B、使得主动解列的灵活性和选择性更得以大大提高；
C、相对现有的方法经济性更好。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的粒子群算法流程图；
图2是本发明的FCB机组经济效益分析流程图；
图3是本发明实施例中IEEE30节点系统节点参数；
图4是本发明实施例中IEEE30节点系统受到极端天气影响示意图；
图5是本发明实施例中主动解列形成的两个孤岛后系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1-图2，本具体实施方式采用以下技术方案：一种极端天气条件下电力系统受控解列的方法，它包括如下步骤：
步骤一：FCB机组的点布优化。FCB机组的安装位置和容量对系统的恢复速率有很大影响，我们以最小恢复时间min ts为目标函数，以基于粒子群优化算法的优化策略来对FCB机组进行点布优化。
步骤二：FCB机组功能成本分析。FCB机组的成本包括机组启动成本、机组工况运行成本和设备改造成本。
步骤三：基于FCB机组的电网主动解列策略的制定。如何快速找到主动解列最优断面就是首要考虑的问题，采用基于Floyd算法的机群搜索来确定断面。
FCB机组的布点优化的流程如图1所示；
FCB机组的具体成本如下所示：
(A)FCB机组启动成本：启动成本单位为元/次。包括启动燃料费用、电站服务费用、与启动相关的维护费用以及额外人力成本。
启动成本(元/次)
其中，启动燃料包括从机组开始启动到闭合出口断路器消耗的燃料，和从机组上次停机以后到预启动期间消耗的燃料。
电站服务量包括从机组开始启动到闭合出口断路器期间，以及机组停机期间出口断路器断开后的电站服务量。
电站服务费率根据之前数月平均能源价格，定期更新。
启动维护相关费用根据之前的维护费用得出，仅包括与启动相关的花费，需要定期进行修改。此外设备改造以及设备运行方式的不同也可能影响启动维护相关费用。
维护期限内第i+1年总启动维护费用Cms(i+1)
Cmsi为第i年运行维护成本，Xi为第i年的发展系数。
到第i年总启动次数n：
n＝ni+ni-1+ni-2+L+n2+n1 (1c)
得到第i+1年启动维护相关费用为：
(B)FCB机组工况运行成本
无负荷成本单位元/小时，指FCB机组带厂用电运行，一般可视为固定的费用。
(C)设备改造成本
机组实现FCB功能，需要对原有设备进行改造才可实现。主要包括对热力系统、旁路除氧器等设备进行改造、也包括保护逻辑的更改、发电机出口断路器的增设等。
基于FCB机组的电网主动解列策略的制定，其核心是快速找到主动解列最优断面，本发明采用基于Floyd算法的机群搜索来确定断面。其步骤如下：
1)采集系统的暂态稳定参数，判断子系统受到扰动后失去稳定分为a个机群。
2)假设系统G＝(V，E)中有β个节点，y个发电机节点vG，用集合VG表示；g个负荷节点vL，用集合VL表示；y+g＝β，VG∩VL＝φ，V＝VG∪VL。构造系统的带权重邻接矩阵
3)使用Floyd算法，得出任意两点间的最短电抗累积和，提取其中发电机与负荷节点间的最短路径矩阵：
其中为负荷节点到之间的最短电抗累积和。
4)现已知系统分化成了α个机群，若要得到系统中负荷节点到其他同调机群的最短电抗累积和，则通过计算所有机组的累积和的平均值来确定：
其中αs为某一机群；为机群αs所包含的发电机数量；为负荷节点VLi到机群αs的最短距离。
通过机群优化算法，按照上述步骤，则可以获得最优解列断面。
本发明克服现有技术存在的不足，提供一种利用快速切接机组(FCB)机组受控解列的方法，通过FCB机组降低负载丢失，维持系统孤岛运行，来提高极端天气条件下电力系统运行的稳定性。
实施例：
请参阅图3-图5，图3是IEEE30节点系统节点参数；图4是IEEE30节点系统受到极端天气影响示意图；图5是主动解列形成的两个孤岛后系统示意图。
以case30节点系统为例，通过完整的模拟电力系统网络从受到极端天气冲击，到系统解列，到FCB机组自持维持孤岛负荷稳定运行。对比系统网络在有FCB机组和没有FCB机组自持的情况下，其负荷切除程度的区别。该系统接线如图3所示，系统中共有6个发电机组，分别位于节点1，2，13，23，22，27；发电机总输出功率为340MW。
表1 IEEE30节点系统节点参数
假设此时，电力系统遭受从东北方向往西南方向的飓风影响，如图4，电力系统主动解列：
此时电力系统通过主动解列的方式，主动分化为两个孤岛，如图5所示。
连接线6-28，6-9，6-10，6-8，10-17，10-20，23-24，线路主动断开。剩余两个子系统分别通过其自身剩余电源维持孤岛运行。孤岛1包含了4台发电机组(两台FCB机组，两台非FCB机组)，17个节点；孤岛2包含了2台发电机组(一台FCB机组，一台非FCB机组)，13个节点；两孤岛的具体参数在下表2、表3中给出：
表2 解列后第一子系统孤岛参数
表3 解列后第二子系统孤岛参数
将IEE30节点修改为符合该系统运行状况，在IEEE30节点系统中，其有功功率为192.06MW，无功功率为105.8MVar，节点所带有功负载为289.2MW，节点负载所带无功为107.2MVar；遭到极端天气的袭击后，系统主动解列将电网解列为两个单独运行的孤岛，如图5所示，则第一孤岛的有功功率为95.43MW，无功为38.89MVar，带有功负载为93.92MW，无功负载为44.75MWar；第二个孤岛的有功功率为38.67MW，无功为17.95MVar，所带负载为有功37.82MW，无功18.52MVar。
为了对比FCB机组对孤岛自持的增益情况，现将节点1，2，22三台FCB黑启动机组投入运行，让系统重新解列，解列后第一个孤岛的有功功率为112.28，无功为45.86MVAr，所带负载为有功110.44MW，无功52.21MVar；第二个孤岛的有功功率为67.33MW，无功为45.88MVar，所带负载为有功66.32MW，无功42.82MVar。具体数据如表4所示。
表4 功率参数
通过对比系统在解列够带负载的能力可以看到，没有带FCB功能机组的系统，和带FCB机组电网在解列后，没有FCB机组的第一孤岛相比带FCB的第一孤岛多切除了110.44-93.92＝16.52MW的负载，没有带FCB机组的第二孤岛相比带FCB机组的第二孤岛，多切除了66.32-37.82＝28，5MW的负载；可以看出，系统在投入FCB机组后，其带负载能力明显提升，切除负荷的容量显著降低，这样可以帮助系统在解列后维持更多的负载运行，减少电力系统因极端天气造成停电的损失。同时，由于启用了FCB机组，系统的可调度负载也得到提升，系统在极端天气过后，能以更快的速度回复机组运行。
通过对比系统在有FCB机组以及没有FCB机组的情况下解列后切除负荷的配额，可以看到由于FCB机组的存在，第一孤岛和第二孤岛的总切机负荷都有显著降低。这恰好印证了，因为FCB功能机组具有自持功能，其可以使电网在发生解列的情况下，带上更多的负荷，从而避免大面积停电事故，确保了电力系统的安全稳定运行。同时，由于其机组的可调度容量提高了，电网能够更好的应对在解列的过程中产生的电压震荡以及频率震荡，让电网解列的成功概率更高。多出来的可调节容量也可以让系统在之后的重新恢复结网更加的迅速。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种极端天气条件下电力系统受控解列的方法，它包括如下步骤：
步骤(一)：以最小恢复时间min ts为目标函数，采用以下分配策略优化方法中的一个：
a)基于粒子群算法的优化策略；
b)基于序优化理论的布点策略；
c)基于鲁棒优化的求解策略；
步骤(二)：FCB机组功能成本分析；FCB机组的成本包括机组启动成本、机组工况运行成本和设备改造成本；
步骤(三)：基于FCB机组的电网主动解列策略的制定；快速找到主动解列最优断面的方法采用以下方法中的一个：
I)基于连通图的背包约束问题求解；
II)基于Floyd算法的机群搜索；
III)谱聚类解列断面搜索。
2.根据权利要求1所述的一种极端天气条件下电力系统受控解列的方法，其特征在于，所述步骤(二)的FCB机组的具体成本如下所示：
(A)FCB机组启动成本：启动成本单位为元/次，包括启动燃料费用、电站服务费用、与启动相关的维护费用以及额外人力成本；
(B)FCB机组工况运行成本：无负荷成本单位元/小时，指FCB机组带厂用电运行，一般可视为固定的费用；
(C)设备改造成本：机组实现FCB功能，需要对原有设备进行改造才可实现，主要包括对热力系统、旁路除氧器设备进行改造、也包括保护逻辑的更改、发电机出口断路器的增设等。
3.根据权利要求1所述的一种极端天气条件下电力系统受控解列的方法，其特征在于，所述步骤(三)所提出的基于Floyd算法的机群搜索的步骤如下：
1)采集系统的暂态稳定参数，判断子系统受到扰动后失去稳定分为a个机群；
2)假设系统G＝(V，E)中有β个节点，y个发电机节点vG，用集合VG表示；g个负荷节点vL，用集合VL表示；y+g＝β，VG∩VL＝φ，V＝VG∪VL；构造系统的带权重邻接矩阵
3)使用Floyd算法，得出任意两点间的最短电抗累积和，提取其中发电机与负荷节点间的最短路径矩阵：
其中为负荷节点到之间的最短电抗累积和；
4)现已知系统分化成了α个机群，若要得到系统中负荷节点到其他同调机群的最短电抗累积和，则通过计算所有机组的累积和的平均值来确定：
其中αs为某一机群；为机群αs所包含的发电机数量；为负荷节点VLi到机群αs的最短距离；
通过机群优化算法，按照上述步骤，则可以获得最优解列断面。
4.根据权利要求2所述的一种极端天气条件下电力系统受控解列的方法，其特征在于，所述FCB机组启动成本的计算方法为：
启动成本(元/次)
＝[启动燃料(焦/次)×燃料成本(元/焦)×运行因数]
+[电站服务量(MW)×电站服务费率(元/MW) (1a)
+启动维护相关费用(元/次)
+额外人力费用(元/次)]
其中，启动燃料包括从机组开始启动到闭合出口断路器消耗的燃料，和从机组上次停机以后到预启动期间消耗的燃料；
电站服务量包括从机组开始启动到闭合出口断路器期间，以及机组停机期间出口断路器断开后的电站服务量；
电站服务费率根据之前数月平均能源价格，定期更新；
启动维护相关费用根据之前的维护费用得出，仅包括与启动相关的花费，需要定期进行修改。此外设备改造以及设备运行方式的不同也可能影响启动维护相关费用；
维护期限内第i+1年总启动维护费用Cms(i+1)
Cmsi为第i年运行维护成本，Xi为第i年的发展系数；
到第i年总启动次数n：
n＝ni+ni-1+ni-2+L+n2+n1 (1c)
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