基于社会效益最大化的黑启动电源规划

为Biblioteka Baidu算到每年的自备黑启动机组的初装费 。
2. 2 互联电网中黑启动电源规划 假定系统中有 n 个节点的机组具有黑启动能
·运行可靠性与广域安全防御 · 刘 栋 ,等 基于社会效益最大化的黑启动电源规划
力 , m 个节点不具有黑启动能力 。给定网络结构 ,需
要规划出合理的安装黑启动电源的地点 ,安装容量
unit start2up
首先对待供电机组进行优先级排序 ,优先级按 照文献[ 9 ]给出的机组启动顺序计算 ;然后按顺序寻 找可供电的电源 ,当找不到启动电源时等待一段时 间直到获得启动电源 ;最后所有机组启动并网完毕 。 负荷恢复时间采用文献[ 13 ]中的方法计算 。本文采 用蒙特卡罗方法多次模拟计算平均值来获得给定黑
2 黑启动电源规划模型
本文以社会停电损失最小为优化目标 ,由于供 电企业的供电量损失与用户停电损失相比较小 ,可 忽略供电企业的供电量损失 。在黑启动电源较充足
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2009 , 33 (12)
的电网 ,非黑启动电厂有较多可选择的黑启动电源 , 此时可将问题简化为黑启动电源与非黑启动电厂对 口支援的情况 ,易用解析法求解 。而在互联电网中 , 可能出现多个非黑启动电厂同时需要电源的情况 , 此时还需考虑调度方案的优化问题 ,求解比较复杂 , 不易用解析方法给出目标函数值 。因此 , 本文分 2 种情况研究黑启动电源规划问题 。 2. 1 黑启动电源与非黑启动电厂对口支援
途径获得电源的用户损失期望值 。
方案 2 的损失期望值为 :
∫ CexA2 = Pbo
Tlim
( Pload -
PG ( t) u ( t - tm -
0
thot ) )
Ccus ( t) d t
+
Cdpm S bs
+
Cbase Tlf
(3)
其中 ,第 1 项为大停电事故中的用户停电损失 ;
第 2 项为自备黑启动机组的日常维护成本 ;第 3 项
关于黑启动电源选择的文献中 ,较多采用水电 厂远程启动火电厂的方案 ,但这种方法也存在一些 问题 ,例如自励磁 、线路故障 、操作时间长 、机组参数 配合和两地电厂调度操作协调等问题 。为了解决这 些问题 ,研究人员已经进行了大量计算 ,但由于系统 大停电的成因很复杂 ,远程启动火电厂难以保证不 出现意外 。例如 ,2006 年海南电网在遭受台风而崩 溃后的黑启动过程中 ,尽管有多处黑启动电源 ,但向 海口电厂送电仍然经历了多次失败[10] 。
由于一般采用水电厂远程启动火电厂的黑启动 方案 ,以下模型用水电厂代表黑启动电厂 ,火电厂代 表非黑启动电厂 ,其他种类的黑启动方式与此类似 。
黑启动过程描述如下 :水电厂机组容量 Shs ;自 启动需要时间 th ,恢复水电厂厂用电时间 tf ,这些参 数可通过水电机组黑启动实验获得[11] ;对输电线路 充电向火电厂送电需要时间 Tsl ,输电距离 L tr ,操作 开关数 Nop ,这些参数可通过模拟计算或远程送电 黑启动实验获得[4] ;火电厂能够热启动的最长保持 时间 tmax ,热启动时间 thot ,冷启动时间 tcold ,机组容 量 S G ,辅机功率 Sbs ,这些参数可通过查询具体机组 使用说明获得 ,文献 [ 12 ]列出了典型机组的启动时 间特性 。
本文阐述了黑启动策略 ,提出了黑启动电源规 划模型 ,并结合算例验证了所提出的方法 ,总结出影 响黑启动电源布置的因素 。
1 黑启动策略
黑启动是电力系统恢复的第 1 步 。黑启动方案 的制定 、实验和评价方法已经被广泛研究[429] 。文献 [ 9 ]归纳了机组启动的一般顺序 : ①启动黑启动机 组 。 ②优先启动具有热启动最大临界时间限制的机 组 ,如果启动电源不足 ,则优先启动最大临界时间短 的机组 ;如果 2 台机组最大临界时间相同 ,则优先启 动额定有功出力少的机组 。 ③如果由于电源不足无 法启动具有最大临界时间的机组 ,则可以考虑用剩 余电源启动其他机组 ;但是 ,如果启动其他机组会延 迟启动具有最大临界时间的机组 ,则不能启动其他 机组 。 ④启动完具有最大临界时间的机组后 ,优先 启动加载负荷最快的机组 。
黑启动电源对于恢复进程的影响是多方面的 , 火电厂自备厂用电比外来电源更可靠 ,可暂时保证 火电厂内的通信 、自动控制装置 、照明等必需电源 , 在故障运行状态下迅速启动保证辅机电源 ,避免设 备损坏 。
收稿日期 : 2009201213 ; 修回日期 : 2009203213 。 中国博士后科学基金资助项目 (20080430376) 。
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均能正常启动并供电 。以上机组的运行维护参数可
通过电厂的运行资料获得 。当送电失败后 ,假定火 电厂再次获得启动电源的时间为 tres ,此时电厂需通 过其他途径获得电源 ,与具体的电网和电厂运作模
式有关 。设系统恢复正常最长时间为 Tlim ,这是一 个表示模型优化规模的参数 ,可设置为较大的时间 。 用户停电损失率随时间的变化用函数 Ccus ( t) 表示 , 单位为美元/ kW ,可通过用户调查的方式获得 。负 荷需求量为 Pload ,根据负荷预测结果确定 。
第 33 卷 第 12 期 2009 年 6 月 25 日
Vol. 33 No . 12 J une 25 , 2009
基于社会效益最大化的黑启动电源规划
刘 栋 , 孙英云
(清华大学电机系电力系统国家重点实验室 , 北京市 100084)
摘要 : 通过论述电力系统恢复的步骤和策略 ,分析了黑启动电源对电力系统恢复的影响 。建立了 以社会停电损失最小为目标的黑启动电源规划模型 ,用以优化黑启动电源的安装位置及容量 。模 型考虑了 2 种情况 ,分别研究黑启动电厂对口支援非黑启动电厂和互联电网情况下黑启动电源规 划问题 ,并考虑了用户停电损失率随时间变化的问题 。应用遗传算法求解互联电网黑启动电源规 划问题 ,并给出算例对所提出的规划模型进行了验证 。最后总结了影响黑启动电源布置的因素 。
(2)
式中 : P 为概率函数 , 其为确定值时 , 结果为 1 或 0 (真或假) ; 积分项为用户停电损失 ; u ( t) 为阶跃函 数 ; PG ( t) 为发电机并网后出力随时间变化函数 。
式 (2) 中包含 3 项 :第 1 项为水电厂在热启动时
间范围内向火电厂送电成功的用户损失期望值 ;第 2 项为水电厂送电成功但火电厂只能冷启动的用户 损失期望值 ;第 3 项为送电失败后火电厂通过其他
示火电厂安装自备黑启动机组 (方案 2) 。
方案 1 的损失期望值为 :
CexA1 = Pbo Psuc Psl P ( th + ttf + Tsl ≤
∫Tlim
tmax )
( Pload - PG ( t) u ( t - th - tf -
0
Tsl - thot ) ) Ccus ( t) d t + Psuc Psl P ( th + ttf +
本文中黑启动电源规划的目标就是使社会效益
最大即损失期望值 Cex 最小 ,包括大停电后用户损失 期望值和电力公司设备投入及维护费用 ,以此确定 火电厂是否需要自备黑启动发电机以及配备多大容
量的黑启动发电机 。目标函数为 :
f ob = mi n{ CexA1 , CexA2 }
(1)
式中 :A1 表示用水电启动火电方案 (方案 1) ; A2 表
关键词 : 电力系统恢复 ; 黑启动 ; 黑启动电源规划 ; 停电损失率
中图分类号 : TM715 ; TM73
0 引言
近年来频繁发生的大停电事故使得人们更加关 注电网的安全运行 ,同时也促进了电力系统恢复问 题的研究[1] 。系统恢复研究一方面可以从调度决策 入手 ,安排合理的预案 ,优化调度方案 ,进行事故演 练 ,加强人员素质培养 ,以提高软件防范水平 ;另一 方面可以从电网建设入手 ,增加投入消除或降低潜 在的危险 ,提高硬件防范水平 ,使故障后的电网能够 尽快恢复正常运行 。在大停电事故后 ,电网能否快 速恢复的一个关键因素是能否尽快提供电源恢复电 厂 ,这取决于在线运行的机组分布和黑启动电源的 布置 。如何合理确定黑启动电源安装容量和安装地 点 ,对系统恢复来说是一个值得研究的问题 ,而这一 问题在以往的系统恢复研究中较少提及 。
文献[ 2 ]描述了黑启动的目标 、形式 ,通过对黑 启动机组的选择及提供黑启动服务所需工作的讨 论 , 提出了黑启动服务费用的计算 、收取和支付方 法 , 并指明了参与黑启动服务各方在提供服务过程 中的权利和义务 。文献 [ 3 ]提出一种针对系统恢复 的电力资源布置规划模型 ,研究在特定地区如何布 置检修站 ,以及检修站内如何布置资源 ,使得在系统 发生事故后的资源运输和检修站建设总成本最小 。
∫Tlim
Tsl > tmax )
( Pload - PG ( t) u ( t - th -
0
tf - Tsl - tcold ) ) Ccus ( t) d t + (1 -
∫Tlim
Psuc Psl )
( Pload - PG ( t) u ( t - tres -
0
tcold ) ) Ccus ( t) d t
黑启动过程可能出现以下几种情况 : 1) 水电厂远程启动火电厂 ,可能出现的情况 。 ①水电厂自启动成功 ,成功概率为 Psuc ,此参数 可通过统计历年来水电机组自启动实验结果获得 ; 通过输电线并向火电厂送电成功 ,成功概率为 Psl , 其数值与线路长度 、机组参数等因素有关 。由于线 路易受自然灾害影响 ,可假定其数值是线路长度的 函数 ,并可通过历年来线路故障记录统计获得 。 ②水电厂自启动成功 ,成功概率为 1 - Psuc ,由 于线路问题导致向火电厂供电失败 ,或者由于操作 超时导致送电时间太长 ,火电厂无法热启动 。送电 时间主要与开关操作数有关 ,假定为 Tsl ( Nop ) 。 ③水电厂自启动失败 ,失败概率为 1 - Psuc ,不 能及时向火电厂供电 ,需采用自备柴油机组自行再 启动 ,不能及时向火电厂供电 。 2) 火电厂自备柴油机组 ,柴油机容量与辅机容 量相当 。柴油机启动需要的时间为 tm ,此参数可查 询技术参数或通过实验获得 。启动后提供厂用电 。 设系统发生大停电事故的概率为 Pbo ,该参数 可以从特定地区电力系统多年运行历史记录中估 计 。购置 、初装黑启动机组费用为 Cbase ,寿命为 Tlf 。 年维护费用 (包括雇佣额外工人 、更换零件等) Cbs = Cdpm Sbs ,其中 Cdpm 为单位功率的价格 , Sbs 为机组容 量 。由于自备柴油机组可靠性高 ,并且其参数均按 正常启动辅机整定 ,因此假定任何情况下柴油机组
i=1 0
(5)
TBLi为负荷 i 的停电时间 ; FBi 表示是否在节点 i 装
设黑启动电源 ; N node 为节点个数 ; N case 为考虑的停电
模式个数 ; Pboi为模式 i 的发生概率 。
在本文中 ,仅考虑几种典型的停电模式并人工
估计每个停电模式的发生概率 ,在应用中可根据电
力系统多年运行记录进行分析归纳 。
启动电源配置下的停电损失期望值 。
本文采用遗传算法进行优化 ,步骤如下 : 1) 编码方案 :控制变量为每个发电机节点是否 安装黑启动机组 。当某个发电机节点需要安装黑启
按照安装地点的辅机容量总加确定 。
仍以社会总损失最小为目标函数 :
N ca se
∑ f ob = min{ Cex } = min
Pbo i P ( Cload ) -
i=1
N node
∑FBi
i =1
Cba se Tlf
+ Cbs
(4)
式中 :
∑∫ Nload TBL i
Cload =
Ccus ( t) Pi d t
系统大停电后 ,假定系统恢复操作只能串行 。
由于存在多个停运的非黑启动机组和黑启动电源 ,
需要合理选择供电电源和路径 ,这个优化过程和最
终的停电损失不易使用解析方式表达 。为非黑启动
机组提供电源的节点和路径根据当时的网络状态按
图 1 所示框图计算 ,其中 i 为机组号 , T 为总时间 。
图 1 机组恢复时序框图 Fig. 1 Flow chart to determine the sequence of