一種結(jié)合黑啟動(dòng)優(yōu)化模型與fcb工況的機(jī)組布點(diǎn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制【技術(shù)領(lǐng)域】中的一種結(jié)合黑啟動(dòng)優(yōu)化模型與FCB工況的機(jī)組布點(diǎn)方法。包括設(shè)置最優(yōu)潮流目標(biāo)函數(shù)；設(shè)置系統(tǒng)中某一臺火電機(jī)組為FCB機(jī)組，并根據(jù)該機(jī)組特性設(shè)置FCB工況，設(shè)置預(yù)估時(shí)間以解決變約束集的求解問題，利用數(shù)學(xué)等價(jià)方法，將不可微的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為可微的目標(biāo)函數(shù)形式及一組不等式約束條件，以基于最優(yōu)中心參數(shù)的多中心校正內(nèi)點(diǎn)最優(yōu)潮流算法求解當(dāng)前解域內(nèi)的可行解，等步驟。與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明的計(jì)算結(jié)果對系統(tǒng)的恢復(fù)效率有顯著幫助。
【專利說明】—種結(jié)合黑啟動(dòng)優(yōu)化模型與FCB工況的機(jī)組布點(diǎn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種大停電后考慮FCB技術(shù)快速恢復(fù)系統(tǒng)的黑啟動(dòng)模型優(yōu)化算法和FCB機(jī)組改造布點(diǎn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]所謂黑啟動(dòng)，是指整個(gè)系統(tǒng)因故障停運(yùn)后，系統(tǒng)全部停電(不排除孤立小電網(wǎng)仍維持運(yùn)行)，處于全“黑”狀態(tài)，不依賴別的網(wǎng)絡(luò)幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力的黑啟動(dòng)電源向無自啟動(dòng)能力的目標(biāo)發(fā)電機(jī)提供啟動(dòng)電源，使其重新并入電網(wǎng)，帶動(dòng)無自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組，逐漸擴(kuò)大系統(tǒng)恢復(fù)范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)供電。黑啟動(dòng)階段的首要目標(biāo)應(yīng)是以最快的速度啟動(dòng)最多的電源，恢復(fù)盡可能強(qiáng)的發(fā)電能力。目前相關(guān)參考文獻(xiàn)中，通常以最優(yōu)潮流算法來優(yōu)化黑啟動(dòng)過程，但在目標(biāo)函數(shù)的選取上往往沒有考慮發(fā)電機(jī)的出力特性。發(fā)電機(jī)的出力特性直接限制了發(fā)電機(jī)在固定時(shí)間內(nèi)能夠發(fā)出的有功功率，尤其是FCB(FCB，F(xiàn)ast Cut Back快速切負(fù)荷)機(jī)組具有快速調(diào)節(jié)功率的能力，使得發(fā)電機(jī)恢復(fù)相同的功率所耗費(fèi)的時(shí)間不同，忽略這一點(diǎn)可能會(huì)造成計(jì)算結(jié)果無法在實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。在各臺發(fā)電機(jī)并行調(diào)節(jié)的情況下，應(yīng)該使所有發(fā)電機(jī)都在爬坡，最大程度利用發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)能力，盡快啟動(dòng)全網(wǎng)。因此，數(shù)學(xué)上優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)該是:最終的發(fā)電機(jī)出力分配方案使得已啟動(dòng)的發(fā)電機(jī)中所需調(diào)節(jié)時(shí)間最長的那一臺相較于其它方案時(shí)間最短，全網(wǎng)自愈啟動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型實(shí)際上是一個(gè)以最大值最小問題作為目標(biāo)函數(shù)且?guī)в凶兗s束的優(yōu)化問題。而在當(dāng)前最優(yōu)潮流計(jì)算的常用解法中，對于變約束最大值最小問題沒有很好的數(shù)學(xué)求解方法。為了求解得到黑啟動(dòng)方案，現(xiàn)行黑啟動(dòng)模型通常使用近似等價(jià)的目標(biāo)，降低求解難度，但并不能很好地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)。
[0003]黑啟動(dòng)電源類型多為水電機(jī)組和小型火力發(fā)電機(jī)，電源的類型、容量和地理位置等因素限制了黑啟動(dòng)方案的制定，早先的黑啟動(dòng)電源配置方案由于受限過多幾乎不需要優(yōu)化計(jì)算。近些年，快速切負(fù)荷(FCB，F(xiàn)ast Cut Back)技術(shù)開始受到重視。具有FCB功能的發(fā)電機(jī)是指正常運(yùn)行工況下，能夠與電網(wǎng)解列并甩掉部分外部供電負(fù)荷，帶孤島運(yùn)行的發(fā)電機(jī)。隨著FCB技術(shù)的日趨成熟，經(jīng)FCB功能改造的大型火力發(fā)電機(jī)，具有啟動(dòng)容量大和啟動(dòng)速率快等特點(diǎn)，擴(kuò)大了系統(tǒng)停電后黑啟動(dòng)電源的位置和容量的選擇范圍，使黑啟動(dòng)機(jī)組布點(diǎn)在容量維度和空間維度有了更加靈活的選擇度，成為系統(tǒng)大面積停電后快速恢復(fù)的支撐點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明充分考慮發(fā)電機(jī)的物理調(diào)節(jié)特性，設(shè)置了以系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間最短為目標(biāo)的最優(yōu)潮流目標(biāo)函數(shù)，提出描述實(shí)際問題的變約束最大值最小優(yōu)化模型，并通過巧妙的數(shù)學(xué)處理將此問題等價(jià)為內(nèi)點(diǎn)法可解的定約束最優(yōu)潮流問題，克服了 OPF (Optimal power flow傳統(tǒng)最優(yōu)潮流)中求解變約束最大值最小問題的難點(diǎn)，提出計(jì)及發(fā)電機(jī)出力特性的電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)優(yōu)化計(jì)算策略。結(jié)合此優(yōu)化模型，提出了 FCB工況下帶孤島運(yùn)行，加快系統(tǒng)恢復(fù)進(jìn)程的方法，并以此為基礎(chǔ)提出FCB機(jī)組改造布點(diǎn)的方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種結(jié)合黑啟動(dòng)優(yōu)化模型與FCB工況的機(jī)組布點(diǎn)方法，包括下列步驟:
[0006]步驟1:設(shè)置最優(yōu)潮流目標(biāo)函數(shù)minf(x)，本發(fā)明以已啟動(dòng)的發(fā)電機(jī)中所需調(diào)節(jié)時(shí)間最長的那一臺相較于其它方案時(shí)間最短為目標(biāo)。
[0007]步驟2:設(shè)置系統(tǒng)中某一臺火電機(jī)組為FCB機(jī)組，并根據(jù)該機(jī)組特性合理設(shè)置FCB工況，本發(fā)明以最適合輔助系統(tǒng)恢復(fù)為目標(biāo)設(shè)置工況。
[0008]步驟3:設(shè)置預(yù)估時(shí)間TpM，根據(jù)發(fā)電機(jī)出力曲線(附圖1)，確定在這個(gè)預(yù)估時(shí)間內(nèi)的已啟動(dòng)發(fā)電機(jī)有功出力約束Pmin(Tpre)和Pmax(Tpre)。
[0009]步驟4:利用數(shù)學(xué)等價(jià)的方法，將不可微的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為可微的目標(biāo)函數(shù)形式及一組不等式約束條件。
[0010]步驟5:以基于最優(yōu)中心參數(shù)的多中心校正內(nèi)點(diǎn)最優(yōu)潮流算法求解當(dāng)前解域內(nèi)的可行解。如果最優(yōu)潮流不收斂，回到步驟3，在可行范圍內(nèi)放大預(yù)估時(shí)間TPM。如果最優(yōu)潮流收斂，則說明在小的預(yù)估時(shí)間內(nèi)能找到最優(yōu)解，則它必定是大解空間內(nèi)的最優(yōu)解，本臺發(fā)電機(jī)恢復(fù)方案求解完成。
[0011]步驟6:選擇下一臺待啟動(dòng)發(fā)電機(jī),將上一步啟動(dòng)成功的發(fā)電機(jī)加入已啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組。
[0012]步驟7:重復(fù)步驟3到步驟6，直到所有目標(biāo)發(fā)電機(jī)都收斂。如果所有目標(biāo)發(fā)電機(jī)的最優(yōu)潮流都不收斂，則說明當(dāng)前系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或配置下無法完成恢復(fù)控制操作，需要更改系統(tǒng)配置。如果所有發(fā)電機(jī)啟動(dòng)成功，記錄下FCB機(jī)組在此處改造恢復(fù)系統(tǒng)所需要的時(shí)間。
[0013]步驟8:重復(fù)步驟2到7，比較FCB改造在不同位置時(shí)，恢復(fù)系統(tǒng)所消耗的時(shí)間，最快恢復(fù)者即為最優(yōu)布點(diǎn)位置。進(jìn)一步地，
[0014]步驟I中，將最優(yōu)潮流目標(biāo)函數(shù)設(shè)為所需調(diào)節(jié)時(shí)間最長的發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)時(shí)間最短。不妨設(shè)已經(jīng)有m臺發(fā)電機(jī)成功啟動(dòng)，那么，啟動(dòng)第m+1臺發(fā)電機(jī)時(shí)，目標(biāo)函數(shù)為:
^m I P -Pk I,
[0015]min/(x) = max\tk - —-— >(I)

k=i { rPk J
[0016]其中，Pk為第k臺發(fā)電機(jī)待求有功功率，PtlkS當(dāng)前第k臺發(fā)電機(jī)有功功率，I.表示取絕對值，tk表示第k臺發(fā)電機(jī)所需的調(diào)節(jié)時(shí)間，rpk表示第k臺發(fā)電機(jī)的爬坡率。優(yōu)化目標(biāo)是使所有已經(jīng)帶電的發(fā)電機(jī)中，所需爬坡時(shí)間最長的發(fā)電機(jī)的爬坡時(shí)間最小。
[0017]步驟2中，F(xiàn)CB技術(shù)只能用于火電機(jī)組，只有系統(tǒng)中的火電廠能設(shè)置為FCB機(jī)組，改造后機(jī)組的爬坡率等特性參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況做出修改。已有文獻(xiàn)考慮將FCB技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)恢復(fù)中，但沒有給出孤島的具體運(yùn)行方式。由于黑啟動(dòng)階段負(fù)荷尚未全面恢復(fù)，線路產(chǎn)生的無功功率往往過剩，在投入線路時(shí)需要投入少量負(fù)荷用于平衡無功功率，也就導(dǎo)致發(fā)電機(jī)需要發(fā)出更多的有功功率，降低黑啟動(dòng)階段系統(tǒng)恢復(fù)速度。假設(shè)故障發(fā)生在離FCB機(jī)組一定范圍以外，F(xiàn)CB機(jī)組甩負(fù)荷后能以一定容量穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)應(yīng)優(yōu)先保證電納值大的線路處于投運(yùn)狀態(tài)，在機(jī)組出力允許的范圍內(nèi)保證一定量的負(fù)荷使潮流收斂。在斷電時(shí)使FCB所帶孤島維持在此狀態(tài)運(yùn)行，能夠避免黑啟動(dòng)階段發(fā)電能力不足的其它機(jī)組長時(shí)間啟動(dòng)某些重要線路。
[0018]步驟3中，如發(fā)電機(jī)出力曲線所示，R為發(fā)電機(jī)啟動(dòng)容量，C為發(fā)電機(jī)有功出力上限，D為發(fā)電機(jī)最小技術(shù)出力。h代表發(fā)電機(jī)開始充電時(shí)刻，ti為發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)刻，t2為發(fā)電機(jī)達(dá)到最小技術(shù)出力時(shí)刻。在達(dá)到最小技術(shù)出力之前，發(fā)電機(jī)只能向上爬坡；在達(dá)到最小技術(shù)出力之后，可以向上爬坡也可以向下爬坡，但最大不能超過發(fā)電機(jī)最大容量，最小不能少于最小技術(shù)出力，如圖1中箭頭所示。rpS爬坡率，表示發(fā)電機(jī)有功出力調(diào)節(jié)的快慢，也就是出力特性曲線的斜率。
[0019]黑啟動(dòng)模型的不等式約束主要包括節(jié)點(diǎn)電壓上下限約束、發(fā)電機(jī)有功出力和無功出力約束。由圖1可以看出，由于發(fā)電機(jī)能夠提升的功率與爬坡時(shí)間有關(guān)系，因此，發(fā)電機(jī)的有功出力約束是一個(gè)變上下限約束:
'Umm <u< Umax
[0020]^nin (O < Pg < P1 (O(2)
Qmm
[0021]其中，Pmin(t)和Pniax(t)表示已經(jīng)啟動(dòng)的m臺發(fā)電機(jī)的有功出力范圍，因此有功功率約束是關(guān)于時(shí)間t的變約束。
[0022]由式⑵可知，發(fā)電機(jī)有功出力約束不同于一般定約束的OPF問題，解空間隨時(shí)間而變化；而啟動(dòng)時(shí)間t的取值范圍，又取決于系統(tǒng)的功率缺額及其最終的分配方式，即我們希望求解優(yōu)化的目標(biāo)。也就是說，在變約束OPF模型中，要求解優(yōu)化方案必須先確定約束的范圍，而要確定約束的范圍又要先知道優(yōu)化方案的結(jié)果。
[0023]分析OPF模型的求解本質(zhì)，是在由變量約束集構(gòu)成的解空間內(nèi)尋找最優(yōu)解。為了將變約束問題轉(zhuǎn)化為定約束模型，本發(fā)明在求解優(yōu)化問題前事先給定一個(gè)預(yù)估時(shí)間Tpm，確定在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的有功出力約束Pmin(Tpm)和Pmax(TpJ，再把時(shí)間t作為目標(biāo)函數(shù)的變量。設(shè)置預(yù)估時(shí)間后將變約束集轉(zhuǎn)化為范圍可變的定約束集，如果在預(yù)估時(shí)間內(nèi)OPF不收斂，則在功率還有調(diào)節(jié)空間的情況下放大預(yù)估時(shí)間取值，增大解空間范圍。由于本發(fā)明提出的優(yōu)化目標(biāo)是使每一步啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的時(shí)間最短，若在小的預(yù)估時(shí)間內(nèi)能找到最優(yōu)解，則它必定是大解空間內(nèi)的最優(yōu)解。通過這種處理方式，實(shí)際上是將變約束集轉(zhuǎn)化為范圍可變的定約束集。
[0024]步驟4中，為了表示變量t的取值范圍受有功功率的限制，目標(biāo)函數(shù)可等價(jià)為帶一組不等式約束條件的可微形式:
[0025]minf (PG, Qg, e, f, t' ) = t'
(P -P 丫(3)
[0026]S1.t'> ————
VJ
[0027]步驟8中，各種布點(diǎn)方案下的系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間，不僅與FCB機(jī)組本身的特性參數(shù)有關(guān)，也與機(jī)組周圍輸電環(huán)境等因素有密切聯(lián)系，因此FCB機(jī)組的布點(diǎn)并不是簡單的對大容量機(jī)組進(jìn)行改造，本發(fā)明從大停電后系統(tǒng)恢復(fù)考慮，選擇改造后使系統(tǒng)最快恢復(fù)的火電機(jī)組布點(diǎn)。
[0028]本發(fā)明的效果在于，充分考慮發(fā)電機(jī)物理特性，對以往恢復(fù)模型進(jìn)行優(yōu)化，求得符合實(shí)際情況的最短啟動(dòng)時(shí)間和潮流結(jié)果。將此優(yōu)化模型結(jié)合FCB工況應(yīng)用到FCB機(jī)組布點(diǎn)方案的研究中。與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明的計(jì)算結(jié)果對系統(tǒng)的恢復(fù)效率有顯著幫助。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1發(fā)電機(jī)出力曲線圖
[0030]圖2IEEE-30節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)
[0031]圖3本發(fā)明與傳統(tǒng)方法的發(fā)電機(jī)爬坡時(shí)間和系統(tǒng)恢復(fù)總時(shí)間比較
[0032]圖4廣東電網(wǎng)粵東分區(qū)網(wǎng)架示意圖
[0033]圖5粵東分區(qū)全黑狀態(tài)下系統(tǒng)恢復(fù)進(jìn)程
[0034]圖6粵東分區(qū)紅海灣電廠帶孤島運(yùn)行恢復(fù)進(jìn)程

【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0036]測試本發(fā)明提出的優(yōu)化模型采用IEEE-30節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)(如圖2)。算例包含30個(gè)節(jié)點(diǎn)，6臺發(fā)電機(jī)，4臺變壓器和37條輸電線路。發(fā)電機(jī)參數(shù)如表1所示。
[0037]表1 IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)參數(shù)
[0038]

【權(quán)利要求】
1.一種結(jié)合黑啟動(dòng)優(yōu)化模型與FCB工況的機(jī)組布點(diǎn)方法，其特征在于包括下列步驟: 步驟1:設(shè)置最優(yōu)潮流目標(biāo)函數(shù)minf (X)，以已啟動(dòng)的發(fā)電機(jī)中所需調(diào)節(jié)時(shí)間最長的那一臺相較于其它方案時(shí)間最短為目標(biāo)； 步驟2:設(shè)置系統(tǒng)中某一臺火電機(jī)組為FCB機(jī)組，并根據(jù)該機(jī)組特性設(shè)置FCB工況，以最適合輔助系統(tǒng)恢復(fù)為目標(biāo)設(shè)置工況； 步驟3:設(shè)置預(yù)估時(shí)間Tpm，根據(jù)發(fā)電機(jī)出力曲線，確定在所述預(yù)估時(shí)間內(nèi)已啟動(dòng)發(fā)電機(jī)有功出力約束Pmin(Tpre)和Pmax (TpJ ； 步驟4:利用數(shù)學(xué)等價(jià)方法，將不可微的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為可微的目標(biāo)函數(shù)形式及一組不等式約束條件； 步驟5:以基于最優(yōu)中心參數(shù)的多中心校正內(nèi)點(diǎn)最優(yōu)潮流算法求解當(dāng)前解域內(nèi)的可行解，如果最優(yōu)潮流不收斂，回到步驟3，在可行范圍內(nèi)放大預(yù)估時(shí)間Tpm ;如果最優(yōu)潮流收斂，則其為大解空間內(nèi)的最優(yōu)解； 步驟6:選擇下一臺待啟動(dòng)發(fā)電機(jī),將上一步啟動(dòng)成功的發(fā)電機(jī)加入已啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組；步驟7:重復(fù)步驟3至步驟6，直到所有目標(biāo)發(fā)電機(jī)都收斂，如果所有目標(biāo)發(fā)電機(jī)的最優(yōu)潮流都不收斂，則更改系統(tǒng)配置；如果所有發(fā)電機(jī)啟動(dòng)成功，則記錄該FCB機(jī)組改造恢復(fù)系統(tǒng)所需要的時(shí)間； 步驟8:重復(fù)步驟2至步驟7，比較FCB改造在不同位置時(shí)，恢復(fù)系統(tǒng)所消耗的時(shí)間，選擇最快恢復(fù)時(shí)間為最優(yōu)布點(diǎn)位置。
2.如權(quán)利要求1所述結(jié)合黑啟動(dòng)優(yōu)化模型與FCB工況的機(jī)組布點(diǎn)方法，其中所述步驟I中，將最優(yōu)潮流目標(biāo)函數(shù)設(shè)為所需調(diào)節(jié)時(shí)間最長的發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)時(shí)間最短，設(shè)已經(jīng)有m臺發(fā)電機(jī)成功啟動(dòng)，啟動(dòng)第m+1臺發(fā)電機(jī)時(shí)，最優(yōu)潮流目標(biāo)函數(shù)為:
其中，Pk為第k臺發(fā)電機(jī)待求有功功率，Pj為當(dāng)前第k臺發(fā)電機(jī)的有功功率，I.I表示取絕對值，tk表示第k臺發(fā)電機(jī)所需的調(diào)節(jié)時(shí)間，rpk表示第k臺發(fā)電機(jī)的爬坡率，優(yōu)化目標(biāo)是使所有已經(jīng)帶電的發(fā)電機(jī)中，所需爬坡時(shí)間最長的發(fā)電機(jī)的爬坡時(shí)間最小。
3.如權(quán)利要求1所述結(jié)合黑啟動(dòng)優(yōu)化模型與FCB工況的機(jī)組布點(diǎn)方法，其中所述步驟2中，所述FCB機(jī)組帶孤島運(yùn)行以解決黑啟動(dòng)階段系統(tǒng)恢復(fù)速度的降低。
4.如權(quán)利要求1所述結(jié)合黑啟動(dòng)優(yōu)化模型與FCB工況的機(jī)組布點(diǎn)方法，其中所述步驟3中，發(fā)電機(jī)在達(dá)到最小技術(shù)出力之前只能向上爬坡；在達(dá)到最小技術(shù)出力之后,可以向上爬坡也可以向下爬坡，其中，最大不能超過發(fā)電機(jī)最大容量，最小不能少于最小技術(shù)出力；發(fā)電機(jī)的有功出力約束是一個(gè)變上下限約束:
其中，Pmin(t)和Pmax(t)表示已經(jīng)啟動(dòng)的m臺發(fā)電機(jī)的有功出力范圍； 設(shè)置預(yù)估時(shí)間后將變約束集轉(zhuǎn)化為范圍可變的定約束集，如果在預(yù)估時(shí)間Tpm內(nèi)OPF不收斂，則在功率還有調(diào)節(jié)空間的情況下放大預(yù)估時(shí)間取值，增大解空間范圍。
5.如權(quán)利要求1所述結(jié)合黑啟動(dòng)優(yōu)化模型與FCB工況的機(jī)組布點(diǎn)方法，其中所述步驟4中，所述目標(biāo)函數(shù)可等價(jià)為帶一組不等式約束條件的可微形式:
其中，變量t的取值范圍受有功功率的限制。
【文檔編號】G06F19/00GK104135028SQ201410332361
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】劉崇茹, 吳旻昊, 郭龍, 林周宏, 贠飛龍 申請人:華北電力大學(xué)