一种含有微网的电力系统扩展黑启动方法

摘要

本发明公开了一种含有微网的电力系统扩展黑启动方法，包括如下步骤：根据停电系统的实际情况，利用恢复子系统划分算法将其划分成若干个恢复子系统；根据以微网作为黑启动电源和一个黑启动电源同时启动多台被启动机组的扩展策略，对含有微网的电力系统扩展黑启动方案进行求解和优化；根据所确定的最优方案，各个恢复子系统中的微网对该恢复子系统的恢复路径进行充电，逐步扩大恢复范围并实现各个恢复子系统整体供电；根据恢复子系统划分先后次序确定并列先后次序，各个恢复子系统在黑启动成功后按相应的次序进行并列，实现整个电力系统恢复供电。本发明的方法，实现电力系统快速恢复供电，提高电力系统的安全稳定性，减少停电带来的经济损失。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统恢复领域，特别涉及一种含有微网的电力系统扩展黑启动方法。

背景技术

随着电网建设及其技术的快速发展，电力系统的大型化和复杂化大大增加停电事故发生的可能性，黑启动已成为电力系统恢复中不可或缺的部分，而日臻成熟的微网技术将在解决电力系统众多问题中担任重要的角色，科学合理的黑启动方案对于实现停电系统的快速恢复具有重要的意义。自上世纪80年代以来，国内外学者已对黑启动方案的生成与评估问题进行了大量的研究与试验，但是这些研究与试验基本上都是针对一个黑启动电源启动一台被启动机组的简单黑启动方案，选用的黑启动电源大多为水轮机组，存在着黑启动恢复速度慢、所提供的启动功率有限等缺陷。

微网是一种新型的网络结构，是将分布式电源、负荷、储能系统及各种控制装置有机结合在一起而构成的单一可控的具有自我控制、保护和管理的自治功能的系统单元，能够同时向用户提供电能和热能。微网具有运行控制灵活、能源利用效率高、电能质量好和容量扩展能力强等优点，在成为黑启动电源上表现出极大的潜能，但目前国内关于微网的理论研究仍处于起步阶段，并且尚无相关研究将微网作为黑启动电源。随着能源结构的调整和智能电网的进一步发展，微网的研究与建设将成为未来电力行业的一个重要发展方向，而将微网作为黑启动电源也将成为微网与传统大电网的良好结合点，在很大程度上提高传统大电网的电能质量和安全防御能力。

目前，国内与电力系统黑启动方案相关的专利仍不够完善，并且尚无含有微网的电力系统扩展黑启动方案的相关专利。因此，以微网作为黑启动电源并将其与扩展黑启动策略结合起来是本发明的重点，而利用智能算法的结合实现含有微网的电力系统扩展黑启动方案的求解和优化是本发明的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种含有微网的电力系统扩展黑启动方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种含有微网的电力系统扩展黑启动方法，包含以下顺序的步骤：

S1.根据停电系统的实际情况，利用基于复杂网络社团结构的恢复子系统划分算法将其划分成若干个恢复子系统；

S2.根据以微网作为黑启动电源和一个黑启动电源同时启动多台被启动机组的扩展策略，对含有微网的电力系统扩展黑启动方案进行求解和优化；

S3.根据所确定的最优方案，各个恢复子系统中的微网对该恢复子系统的恢复路径进行充电，逐步扩大恢复范围并实现各个恢复子系统整体供电；

S4.根据恢复子系统划分先后次序确定并列先后次序，各个恢复子系统在黑启动成功后按相应的次序进行并列，实现整个电力系统恢复供电。

所述的步骤S2具体包括以下步骤：

（1）以微网和停电系统的参数特性为约束条件，根据扩展黑启动策略，利用平均最优分配算法改进迪克斯特拉算法，并用于搜索各个黑启动电源的恢复路径，产生各个恢复子系统的满足约束条件的初步方案；

（2）利用熵权模糊综合评价算法对各个恢复子系统的初步方案进行评价，选出综合评价值最大的方案为各个恢复子系统的最优扩展黑启动方案。

步骤S2中，所述的步骤（1）中的以微网和停电系统的参数特性为约束条件，具体包括：启动功率约束、被启动机组热启动时间约束、无功功率约束、自励磁约束、系统潮流约束、启动机组约束、节点电压约束和线路传输约束。

步骤S2中，所述的步骤（1）中的平均最优分配算法，根据被启动机组的优先等级将其划分到不同的级别集合中，并根据特定的平均最优分配原则循环为同一恢复子系统中的各个黑启动电源分配被启动机组。以实现黑启动电源利用效率的最大化。

所述的步骤S3具体包括以下步骤：

（1）以微网作为各个恢复子系统的黑启动电源，微网由系统故障阶段的孤岛运行状态转换为系统恢复阶段的并网运行状态；

（2）根据最优扩展黑启动恢复路径，每个黑启动电源同时向同一恢复子系统中的多台被启动机组提供启动功率，同时启动多台被启动机组；

（3）采用黑启动电源与被启动机组并列或多台被启动机组并列的方式组成容量更大的黑启动电源，使得下一轮黑启动能够同时启动更多被启动机组，循环进行直到实现各个恢复子系统的整体供电；

（4）根据恢复整体供电后的各个恢复子系统的实际状态与微网的运行控制要求，确定微网保持并网运行状态或是切换到孤岛运行状态。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明借助图论思想，将电力系统结构转换为以机组之间的路径长度为权值的无环无向图，而求解图中的路径恢复问题则是图论中求解图的最优树问题，在此采用了迪克斯特拉算法来搜索最短恢复路径；迪克斯特拉算法的基本思想是设置两个定点集合T和S，集合S中存放已找到最短路径的定点集合，T中存放当前还未找到的最短路径的定点；初始状态时，集合S中只包含原点v₀，然后不断从集合T中选取到定点v₀路径长度最短的顶点u加入集合S；集合S中每加入一个新的顶点u，都要修改定点v₀到集合T中剩余顶点的最短路径长度值；集合T中每个顶点新的最短路径长度值为原来的最短路径长度值与定点u的最短路径长度值加上u到该顶点的路径长度值中的较小值；这个过程不断重复，直到集合T的顶点全部加入到集合S为止；在求解算法中，利用含有微网的扩展黑启动约束条件寻找合适的被启动机组并按照一定的排列顺序构成扩展黑启动方案，其中排列顺序是方案内机组的启动顺序；特别地，即使被启动机组相同，启动顺序不同，所构成的黑启动方案也是不同的，而迪克斯特拉算法则根据方案中机组不同的启动顺序去寻找相应机组的最短启动路径；

平均最优分配算法是本发明为实现黑启动扩展策略而提出来的，根据被启动机组的优先等级将其划分到不同的级别集合中，并根据特定的平均最优分配原则循环为同一恢复子系统中的各个黑启动电源分配被启动机组，以实现黑启动电源利用效率的最大化。

2、本发明通过在传统电力系统黑启动中引入微网和黑启动扩展策略，即以微网作为黑启动电源并同时启动多台被启动机组，对含有微网的电力系统扩展黑启动方案进行求解和优化，从而获得停电系统的最优扩展黑启动方案，并根据所确定的最优扩展黑启动方案逐步恢复停电系统的整体供电，在很大程度上加快了电力系统停电后的恢复进程，从而减少了电力系统停电带来的经济损失，同时也充分发挥了微网在解决电力系统问题上的作用。

3、迪克斯特拉算法是已有的算法，可以用于一般的一个黑启动电源启动一台被启动机组的黑启动路径的搜索，平均最优分配算法是本专利针对扩展黑启动策略提出的一种新算法，其实质是将迪克斯特拉算法与平均最优分配算法结合起来用于扩展黑启动路径的搜索，其效率更高。

附图说明

图1为本发明所述的一种含有微网的电力系统扩展黑启动方法的流程图；

图2为图1所述方法的步骤S2的流程图；

图3为图1所述方法的步骤S3的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本实施例的一种含有微网的电力系统扩展黑启动方案具体包括如下步骤：

步骤1：根据停电系统的实际情况，利用基于复杂网络社团结构的恢复子系统划分算法将其划分成若干个恢复子系统；

结合含有微网的特点与电力系统黑启动扩展策略的要求，本实施例中基于复杂网络社团结构的恢复子系统划分算法的具体实现步骤如下所示：

（1）对电力网络进行简化，并用抽象图表示；

（2）计算网络中所有边的介数；

（3）找到介数最高的边并将其从网络中移除；

（4）判断是否出现新的分区，如果出现新的分区，则计算此时的模块度指标；

（5）重新计算介数最高的边被移除之后的网络中所有边的介数；

（6）回到步骤（3），直到各个黑启动机组所在的节点都各自在一个退化的社团为止；

（7）计算最后得到的分区的模块度指标，以判断恢复子系统划分的合理性，即判断最后计算的模块度指标是否为最大值，如果不为最大值则考虑合并一部分已分裂的社团，如果达到最大值则继续下一步骤，此外还需判断如此划分得到的每个分区内是否包含黑启动电源（优先考虑将微网作为黑启动电源），如果不是，则应将该分区与其最紧密的分区(即与其最后被划分开的分区)合并；

（8）统计各分区的有功发电容量和负荷，判断区域内是否基本维持平衡，如果存在严重不平衡，则考虑把处在边界上的节点重新划分，以维持子系统内的有功发电容量和负荷基本平衡；

（9）根据各恢复子系统分裂出来的先后顺序来判断各分区同步并列的顺序；

步骤2：根据以微网作为黑启动电源和一个黑启动电源同时启动多台被启动机组的扩展策略，对含有微网的电力系统扩展黑启动方案进行求解和优化，如图2所示，具体包括以下步骤：

步骤2-1：以微网和停电系统的参数特性为约束条件，根据扩展黑启动策略，利用平均最优分配算法改进迪克斯特拉算法并用于搜索各个黑启动电源的恢复路径，产生各个恢复子系统的满足约束条件的初步方案；

其中，所述的以微网和停电系统的参数特性为约束条件，具体包括：

（1）启动功率约束：被启动机组启动所需的功率之和应小于黑启动电源能够提供的启动功率之和，即为

$>\underset{i=1}{\overset{n_c}{\Sigma }}{P}_{\mathrm{ic}}<K_1{P}_0$>

式中，P_ic为第i个被启动机组所需的启动功率；n_c为被启动机组的台数；K₁为有功可靠性系数，取值小于1；P₀为黑启动电源提供的启动功率之和，其值为

$>P_0=\underset{i=1}{\overset{n_B}{\Sigma }}{P}_{\mathrm{Br}}$>

式中，P_Br为黑启动机组r提供的启动功率，其取值除保证黑启动机组的可靠运行外还应保留一定的热备用；n_B为黑启动机组的台数；

（2）被启动机组热启动时间约束：被启动机组的最大临界热启动时间应大于路径恢复时间，即为

T_iMAX>t₀

式中，T_iMAX为机组i的最大临界热启动时间；t₀为路径恢复时间；

（3）无功功率约束：扩展黑启动方案的恢复路径在考虑高抗或低抗补偿后的剩余充电功率之和不能超过黑启动机组的总无功吸收容量，即为

$>\underset{j=1}{\overset{n_L}{\Sigma }}{Q}_{\mathrm{Lj}}<Q_{B\max }$>

式中，n_L为扩展黑启动恢复路径的线路条数；Q_Lj为第j条线路考虑高抗或低抗补偿后的剩余充电无功功率；Q_Bmax为黑启动电源能吸收的最大无功功率，其值为

$>Q_{B\max }=K_2\underset{r=1}{\overset{n_B}{\Sigma }}{Q}_r$>

式中，K₂为无功可靠性系数，取值小于1；Q_r为黑启动机r能吸收的最大无功功率；

（4）自励磁约束：发电机外电路考虑高抗或低抗补偿后的线路剩余充电功率小于黑启动机组的额定容量与短路比之积，即为

$>\underset{j=1}{\overset{n_L}{\Sigma }}{Q}_{\mathrm{Lj}}<\underset{r=1}{\overset{n_B}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{Br}}{K}_{\mathrm{CBr}}$>

式中，S_Br为黑启动机组r的额定容量；K_CBr为黑启动机组r的短路比；

（5）系统潮流约束

f(x,u,p)=0

式中，x为系统状态变量（发电机出力或节点电压模值）；u为系统控制变量（节点电压模值及角度）；p为系统扰动变量（负荷情况）；

（6）启动机组、节点电压与线路传输约束

发电机组有功输出和无功输出、节点电压以及线路传输极限的约束条件为

P_Gimin≤P_Gi≤P_Gimax

Q_Gimin≤Q_Gi≤Q_Gimax

U_imin≤U_i≤U_imax

P_i≤P_imax

式中，P_Gi为发电机组有功出力；Q_Gi为发电机组无功出力；U_i为节点电压；P_i为支路i上流过的有功功率；

步骤2-2：利用熵权模糊综合评价算法对各个恢复子系统的初步方案进行评价，选出综合评价值最大的方案为各个恢复子系统的最优扩展黑启动方案；

本实施例选用电压转换次数、路径长度、启动时间、被启动机组容量、技术校验优劣程度和被启动电源优先等级这6个评价指标，采用熵权模糊综合评价的方法对通过约束条件校验的黑启动方案进行评价，计算各方案的综合评价值，确定最优的扩展黑启动方案；以下是熵权模糊综合评价的具体计算过程：

令第i个方案的评价指标集为U_i={u_i1,u_i2,u_i3,u_i4,u_i5,u_i6}，其中u_ij（j=1,2,3,4,5,6）表示第i个方案的第j个评价指标值，则m个备选方案的评价矩阵为C'=[ui_j]_m×6，i=1,2,…,m。对C'进行标准化处理，得到标准化评价矩阵C=[ci_j]_m×6；

根据熵与熵权的定义，第j个指标的熵权为

$>{\omega }_j=\frac{1-H_j}{6-\underset{j=1}{\overset{6}{\Sigma }}{H}_j},0\le {\omega }_j\le 1,\underset{j=1}{\overset{6}{\Sigma }}{\omega }_j=1$>

式中，H_j为第j个指标的熵：

$>H_j=-k\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{f}_{\mathrm{ij}}\ln f_{\mathrm{ij}}$>

其中，$>k=\frac{1}{\ln m},f_{\mathrm{ij}}=\frac{C_{\mathrm{ij}}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{C}_{\mathrm{ij}}};$>

本实施例在黑启动方案评价中将熵权与专家赋权合理结合起来，假设选用的6个评价指标的专家主观权重向量为λ=[λ₁,λ₂,λ₃,λ₄,λ₅,λ₆]，则第j个评价指标的综合权重为

$>a_j=({\omega }_j+\mu {\lambda }_j)/\underset{j=1}{\overset{6}{\Sigma }}({\omega }_j+\mu {\lambda }_j)$>

式中：μ为主观权重对于客观熵权的相对有效性系数，0.3<μ<3；

由此，可得综合权重向量为A=[a₁,a₂,…,a₆]；

模糊综合评价方法是将包含评价指标的评价对象U，通过模糊映射关系（某种隶属函数）映射到评语集V上，形成模糊评价矩阵R，再对综合权重向量和模糊矩阵施加模糊运算，得到反映该评价对象对各评语的隶属程度的V上的模糊子集B，最后根据综合评价目标函数便可确定最优黑启动方案；设评语集V={v₁,v₂,v₃,v₄,v₅}={优秀，良好，中等，合格，较差}，评语集中的值表示某一黑启动方案对该评语的隶属度，则选用等腰三角形隶属函数为

式中：r_ij(v_k)为第i个方案的第j个指标相对于评语v_k的隶属度；k=1,2,…,5；p_k、q_k、s_k为相对于评语v_k的常数，取q₁=0，q₂=0.25，q₃=0.5，q₄=0.75，q₅=1；等腰三角形底边为1.6；

根据以上等腰三角形隶属函数可得第i个方案的模糊评价矩阵R_i=[r_ij(v_k)]_6×5，对矩阵A和R_i施加模糊运算，并进行归一化处理，设b_ik为第i个方案相对于评语k的隶属度，则

$>b_{\mathrm{ik}}^{\prime }=\underset{j=1}{\overset{6}{\Sigma }}{a}_j{r}_{\mathrm{ij}}\left(v_k\right),k=\mathrm{1,2},...,5$>

$>b_{\mathrm{ik}}=b_{\mathrm{ik}}^{\prime }/\underset{k=1}{\overset{5}{\Sigma }}{b}_{\mathrm{ik}}^{\prime },k=\mathrm{1,2},...,5$>

由此，第i个方案的模糊综合评价结果为B=[b_i1,b_i2,b_i3,b_i4,b_i5]。为求取每个扩展黑启动方案的综合得分，现给评语集的每一个评语赋一个分值，可得评分集V'={v'₁,v'₂,v'₃,v'₄,v'₅}，则m个备选方案的评价目标函数为

$>F=\max \underset{k=1}{\overset{5}{\Sigma }}{b}_{\mathrm{ik}}{v}_k^{\prime },i=\mathrm{1,2},...,m$>

本发明将平均最优分配算法与迪克斯特拉算法和熵权模糊综合评价方法结合起来，实现含有微网的电力系统扩展黑启动方案的求解与优化，具体算法实现步骤如下：

（1）先根据各个被启动机组的优先等级对这些机组进行排序，将相同优先级别的被启动机组集合在同一类中；

（2）遍历黑启动电源集合里的每台电源机组，让每个黑启动电源分别按等级优先原则（优先寻找等级高的被启动机组集合中的机组），从六个级别的机组中寻找一台满足约束条件的被启动机组；若有，则将被启动机组从被启动机组集合中除去；若无，则说明该电源不适合做黑启动电源，将其从电源集合里除去；

（3）每个黑启动电源都有一个被启动机组，这时每个黑启动电源都有各自的黑启动方案；将每个电源的方案代入目标函数进行计算，求出这些方案的评价值，再把每个电源的方案和方案对应的评价值放入各自的栈中；

（4）检查每个黑启动电源的发电容量是否足够启动多一台的被启动机组。若足够，该电源重复第二、三、四步，寻找合适的被启动机组并加入其方案，直到所有被启动机组被分配完毕或每个黑启动电源分配到20台被启动机组；若不足，则该电源的搜寻停止；

（5）求取每个黑启动电源的栈的最大评价值，则该评价值对应的方案则为该电源机组的最优黑启动方案；

在每个黑启动电源寻找合适的被启动机组的过程中，黑启动电源先从高等级的机组类别中进行筛选，在该级别的被启动机组中，利用迪克斯特拉算法计算出这些被启动机组离该黑启动电源的最短距离，再根据负荷、路径长度等约束条件确定合适的被启动机组；若在该级别中无法选择到符合约束条件的被启动机组，则该黑启动电源在下一级的机组类别中按上述过程寻找合适的被启动机组，一直循环下去直到找到为止；若最终无法在所有的被启动机组中寻找到符合约束条件的机组，则说明该机组不适合做黑启动电源，将其从黑启动电源机组集合中除去；当所有黑启动电源都具有各自的最优黑启动方案时，黑启动的首个启动过程即可执行，即进入步骤3，并将那些启动成功的被启动机组选入黑启动电源机组集合中，重新执行平均最优分配算法直至所有的被启动机组都被启动完毕，这时算法执行完毕，黑启动过程也相应结束；

步骤3：根据所确定的最优方案，各个恢复子系统中的微网对该恢复子系统的恢复路径进行充电，逐步扩大恢复范围并实现各个恢复子系统整体供电，如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤3-1：以微网作为各个恢复子系统的黑启动电源，微网由系统故障阶段的孤岛运行状态转换为系统恢复阶段的并网运行状态；

步骤3-2：根据最优扩展黑启动恢复路径，每个黑启动电源同时向同一恢复子系统中的多台被启动机组提供启动功率，快速同时启动多台被启动机组；

步骤3-3：采用黑启动电源与被启动机组并列或多台被启动机组并列的方式组成容量更大的黑启动电源，使得下一轮黑启动能够同时启动更多被启动机组，循环进行直到实现各个恢复子系统的整体供电；

步骤3-4：根据恢复整体供电后的各个恢复子系统的实际状态与微网的运行控制要求，确定微网保持并网运行状态或是切换到孤岛运行状态；

步骤4：根据恢复子系统划分先后次序确定并列先后次序，各个恢复子系统在黑启动成功后按相应的次序进行并列，实现整个电力系统恢复供电；在各个恢复子系统成功进行并列之后，整体电力系统的主网架得到恢复，在此基础上进一步恢复电力系统中尚未恢复的负荷，从而恢复整个电力系统的正常供电，含有微网的电力系统扩展黑启动方案得以成功实施。

由以上实施例可知，一种含有微网的电力系统扩展黑启动方案充分利用了微网作为黑启动电源的潜能和扩展策略的高效性，在很大程度上提高了电力系统的安全稳定性，加快了电力系统的黑启动恢复进程，减少了停电带来的经济损失，实现了良好的黑启动优化效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。