（电力系统及其自动化专业论文）电力系统黑启动恢复的网架重构顺序研究.pdf

i 士= 1明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力系统黑启动恢复的网架重构顺序 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 南伟 e t 期：丝噬! ：f 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：m 日 期： 导师签名： e t期：丝! 竺：! ： ，、 i一：=i厂， 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文结合目标规划方法对黑启动恢复的网架重构顺序进行研究。文中考虑 重构时间和机组出力恢复程度两个主要因素，在传统方法的优化基础上确定各 目标期望值。根据对两个目标不同侧重程度设定相应的权重因子，引入各目标 实际值与期望值的偏差量，建立了相对于目标期望值偏差量最小的重构路径优 化的目标规划模型。本文结合最短路径法与交叉粒子群算法对重构过程进行优 化求解，寻求网架重构具体恢复路径。本文以i e e e 3 0 节点系统为例对该方法的 运算结果进行了分析比较，验证了该方法的有效性。 关键词：黑启动，网架重构，目标规划，系统恢复 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h es e q u e n c eo ft h en e t w o r kr e c o n f i g u r a f i o nf o rp o w e rs y s t e mb l a c k - s t a r t r e s t o r a t i o ni si n v e s t i g a t e db yu s i n gg o a lp r o g r a n m 1 i n gm a t h e m a t i c a lm e t h o d t w om a i n f a c t o r so ft h et i m ed u r a t i o na n du n i t s o u t p u tr e s t o r a t i o nr a t i oa r ec o n s i d e r e d t h ee x p e c t e d v a l u eo ft h et a r g e ti nt h eg o a l p r o g r a m m i n gm e t h o di sd e t e r m i n e db yt h e t r a d i t i o n a l o p t i m i z a t i o nm e t h o d t h ed i f f e r e n tw e i g h t so nd i f f e r e n tg o a l s a r es e ta c c o r d i n gt ot h e i m p o r t a n c ed e g r e e so f t h eg o a l s ，t h ed i f f e r e n c e so f t h ea c t u a lv a l u ea n dt h ee x p e c t e dv a l u ea r e i n t r o d u c e da n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eg o a lp r o g r a m m i n gi sc o n s t r u e t e dc o n s i d e r i n g d i f f e r e n tw e i g h t so f s u b - g o a l sa n dt h es m a l l e s to fd i f f e r e n c e t h ed i j k s t r aa l g o r i t h ma n dt h e c t o 豁p s oa l g o r i t h ma r ee m p l o y e dt oo p t i m i z et h ep r o c e s so fn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o na n d f i n dt h er e s t o r a t i o ns e q u e n c ew i t ht h em i n i m u md i f f e r e n c et ot h ee x p e c t e dv a l u e s t h e n u m e r i c a lr e s u l t so i lt h ei e e e3 0b u ss y s t e m 谢匆t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o d g a oq i a n ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f g ux u e p i n g k e yw o r d s ：b l a c k s t a r t ，n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n ，g o a lp r o g r a m m i n g ，s y s t e m r e s t o r a t i o n ，、 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 课题研究背景及意义一1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 黑启动的一般过程- 2 1 2 2 黑启动恢复问题的研究现状。3 1 2 3 网架重构的研究现状4 1 3 本文的主要工作5 第二章基于目标规划的重构路径优化模型7 2 1 引言。7 2 2 目标规划方法简介7 2 2 1 目标规划的基本理论7 2 2 2 目标规划基本概念介绍。8 2 2 3 目标规划的一般数学模型l o 2 3 建立基于目标规划的网架重构路径优化模型：。l o 2 3 1 目标函数的建立l o 2 3 2 约束条件1 l 2 4 机组的启动特性1 l 2 4 1 机组的启动时间1 l 2 4 2 机组的升负荷特性。1 2 2 5 线路模型的建立1 3 2 6 本章小结1 4 第三章确定目标期望值1 5 3 1 引言1 5 3 2 网架重构优化模型1 5 3 3 确定目标期望值1 6 3 4 本章小结1 6 第四章重构路径优化过程1 8 4 1 弓i 言。l8 4 2 交叉粒子群算法1 8 华北电力大学硕士学位论文目录 4 2 1 算法简介1 8 4 2 2 优化过程1 9 4 3 迪克斯特拉( d i j k s t r a ) 算法。2 0 4 4 潮流校验。2 0 4 5 流程图。：。2 2 4 6 本章小结2 3 第五章算例分析2 4 5 1 算例系统 5 2 目标期望值的统计结果2 4 5 3 结果分析2 9 5 3 1 目标规划与传统规划下优化结果比较 5 3 2 恢复路径分析 2 9 5 4 本章小结3 l 第六章结论与展望3 2 参考文献。 致谢 。3 4 ：1 7 在学期间发表的学术论文和参加科研情况3 8 n 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章引言 近年来，随着电力系统发展规模的不断扩大，复杂性逐步增加，电网对国民经 济的稳定和发展起着越来越重要的作用。电网跨区域互联日益加强，结构日趋合理， 网架也日益坚强，安全稳定水平得到了很大提高。但是与此同时，潜在的电网全停事 故发生的危险性也在增加。针对局部电网的个别闯题，若处理不当其影响将波及到广大 地域，并可能诱发恶性连锁反应，最终酿成大面积停电的重大系统事故。从根本上讲， 电力系统发生大面积停电事故是不可避免的。虽然其发生的概率很小，但一旦发生就会 造成极大的危害，给社会带来灾难性的影响。自二十世纪9 0 年代以来在国内外发生的 多起大停电事故，给社会生产、国民经济、人民生活带来了巨大的损失。例如2 0 0 3 年 美国和加拿大部分地区的8 1 4 大停电【l 】：2 0 0 6 年1 1 月4 日西欧8 国大停斟2 】；国内2 0 0 5 年海南电网发生的全省大规模停电事故【3 】；2 0 0 5 年5 月2 5 日的莫斯科大停电；2 0 0 6 年 1 1 月4 日西欧8 国大停电【4 】；以及2 0 0 8 年年初，我国南方地区受到大范围雨雪冰冻天 气影响而导致电网大范围停电【5 1 。这些已经充分说明：系统结构的加强，保护和自动 装置的改进，只能从某种程度上减小这种事故发生的概率，但不能完全避免大停电 事故的发生。大停电事故给电力企业和社会带来难以估计的经济损失。因此，研究大 停电事故后系统黑启动恢复问题，实现系统快速恢复，减少事故停电带来的损失，具 有极其重要意义。 所谓黑启动j 指某一电力系统因故障等原因全部停运后，在无外来电源供给的 情况下，通过该系统中具有自起动能力机组的起动，带动无自起动能力的机组，逐 步恢复该系统的运行。全系统停电或区域性全部停电后，恢复过程比较复杂而且恢复 时间较长，通常将整个过程分为黑启动、网架重构和负荷恢复三个阶段【6 】。前两个阶段 的主要目标就是由黑启动电源分别向系统中不具备自启动能力的电源点提供启动 电源，使其能够重新并入电网，并向其他主要节点和一些重要的负荷恢复送电，建 立起稳定的网络构架，为下一步负荷的全面恢复做好准备。通过合理掌握负荷恢复 速度，即可实现系统的全面恢复。 目前许多对电力系统黑启动的研究工作都是基于以上三个阶段划分而进行研 究的。当黑启动电源点已经确定并且黑启动初期任务完成之后，便进入网架重构阶 段。网架重构是通过启动大型带基础负荷的机组及投入主要输电线路逐步建立一个稳 定的网架，使恢复过程过渡到负荷恢复阶段。网架重构阶段一般划分为两个阶段：首 先是确定最优目标网架；然后是确定到最优网架的具体恢复序列。当确定了最优或 较优的目标网架后，若路径的恢复顺序不同，控制操作的难度和实际重构效果也将有 l 华北电力大学硕士学位论文 很大差异。因此，研究黑启动后续恢复的网架重构顺序具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 黑启动的一般过程 全系统停电或区域性全部停电后，恢复过程时间较长而且比较复杂，通常将 整个过程分为三个阶段，即黑启动阶段、网络重构阶段和负荷恢复阶段【7 1 。 ( 1 ) 黑启动阶段 黑启动过程，包括燃气轮机的自启动、空载线路及变压器充电，大型电动机启 动等，从电磁暂态过程、机电暂态过程到准稳态的恢复过程。一般历时3 0 6 0 分 钟。在这一阶段，首先由启动电源分别向跳闸的具有临界时间限制的电源提供启动 电源，使其恢复发电能力，与黑启动电源并网运行，形成一个个孤立运行的子系统。 系统的启动电源可以是水轮发电机、燃气轮发电机、事故后存留在系统中的发电机 ( 如跳闸后带自身厂用电的发电机) 或解列后的孤立子系统和相邻系统的支援。在这 一阶段涉及的主要问题有：机组的启动和运行特性、向空载线路和变压器充电引起 的自励磁和过电压问题、变压器饱和引起的并联谐振问题、大型电动机启动、孤立 小系统的调频和调压问题等。该阶段是从电磁暂态过程、机电暂态过程到准稳态的 恢复过程。 ( 2 ) 网架重构阶段 这一阶段将通过启动大型带基础负荷的机组及投入主要输电线路逐步恢复主 网的网架，一方面加强发电厂之间的联系以提高对厂用电的供电可靠性，另一方面 对一些子系统进行并列，从而建立一个稳定的网架，为下一阶段全面恢复负荷打下 基础。通常历时3 4 小时。当然，对于一些地区系统之间的较长联络线，可以暂 缓投入并将它们放在负荷恢复以后进行，以免发生稳定性问题，并减少调度人员的 紧张情绪。另外，对一些向边远地区不重要的负荷供电的线路，也可以暂时不必投 入。这一阶段涉及的主要问题是避免发电机吸收的无功超过其进相能力和空载线路 的大量充电无功功率所产生的电压升高。有时为了吸收线路电容所产生的无功功率 和降低线路的空载过电压，往往需要投入一定数量的负荷。 ( 3 ) 负荷恢复阶段 当火电机组已经启动并且有一定的发电能力，而且也已建立较为稳定的网架以 后，由于系统可供给的有功和无功大大增加，便可以逐渐恢复负荷。这一阶段主要 的问题是如何使系统频率和电压保持在允许范围之内，而且使线路不过载。由于火 一电机组的负荷增加速率有一定的限制，因此对负荷恢复限制最大的因素是系统频率” 下降不应太多( 如：下降不超过0 5 h z ) ，更不能引起低频减载动作。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 2 2 黑启动恢复问题的研究现状 对电力系统黑启动的研究始于上个世纪8 0 年代，研究内容涉及相当广泛。从 黑启动过程中局部细节技术问题到整个黑启动方案的制定、评估都进行了大量研 究。目前研究工作主要集中在以下几个方面： 1 对恢复控制一般规律的研究。 一般是通过对以往典型事故及恢复过程的分析，总结出黑启动过程中需要考虑 的各种问题以及解决问题的各种措施和原则。尽管各个电力系统的实际情况有所不 同，但是对黑启动问题的分析总结，对制定实际系统的恢复方案和措施有重要的指 导意义。例如：文献 8 】分析了三个不同类型系统( 纯火电，水火联合，水电为主) 的 恢复计划，指出它们需要考虑的共同问题，讨论了与恢复过程有关的电力系统特性； 以及“串行刀或“并行一恢复方案的选择。文献 9 扮析了多起大停电事故后恢复过程 被延误的原因。 2 对黑启动恢复过程中各个阶段的建模及相应的优化算法的研究。 通过对大停电事故的详细仿真，可以找到导致事故发生和扩大的原因，判明系 统各种保护、自动装置的动作是否得当，找到系统的薄弱环节。对恢复过程的仿真 能评估恢复方案是否合理，并能起到一定的作用。 大停电后黑启动过程中，系统结构持续变化，恢复控制涉及很多复杂问题。如 黑启动机组的自励磁、发电机进相运行、保护装置整定、线路空载合闸造成的过电 压、黑启动初期的低频振荡以及初步恢复后系统稳定等等一系列问题。大量的研究 是基于仿真工具或者仿真算法来对黑启动过程中的这些问题进行分析和校验用以 制定或评估黑启动方案。文献 1 0 l 利用e m t p ( 电磁暂态分析程序) 对输电线充电 过程进行仿真，给出了不同长度输电线路使用集中分散参数模型进行e m t p 仿真的 线路首端末端过电压情况。文献【1 1 1 讨论了利用m a t l a b 对黑启动过程中出现的操 作过电压及同步发电机自励磁现象进行的仿真分析。文献【1 2 】对被启动电厂厂用负 荷启动过程中的电压和频率稳定问题进行了仿真计算，用以校验黑启动方案的可行 性。文献 1 3 】提出了利用蒙特卡洛法建立用于电力系统黑启动路径空载过电压计算 的概率模型，结合贝瑞隆输电线路数学模型，运用时域仿真技术开发了过电压计算 和统计分析程序。 3 智能方法在黑启动恢复控制中的应用。 由于电力系统自身的复杂特性和规模的日益增大，在黑启动过程中需要考虑设备状 态、开关操作、系统运行安全等众多因素，其中既包括大量的分析校验，又需要调度人 员的判断决策，难以建立数学模型进行精确求解。自上世纪八十年代以来，人工智能方 法如：专家系统、模糊理论、p e t r i 网、人工神经网络、多a g e n t 技术、决策支持技术等 3 华北电力大学硕士学位论文 的理论研究和工程应用的深入，为有效解决黑启动及事故恢复问题提供了新的选择。 文献【1 4 】提出了将面向对象技术与p e t r i 网相结合运用于故障恢复，给出了一种简化 建模和求解的思路。文献【1 5 ，1 6 】通过采用知识的框架表示法和基于模型的推理，增强 了专家系统用于事故分析和恢复计划的实时性、可靠性和灵活性。文献 1 7 】专家系统与 模糊推理等其他智能方法的结合运用。文献 1 8 1 提出了黑启动决策支持系统的设想，基 本思路是采用专家系统处理知识性的规则，预选出数个较优的启动方案，并通过数值仿 真来检验方案的可行性，最后用风险决策中的期望值法算出各方案的期望发电量，为调 度人员提供了一个科学、直观的决策依据。本课题组经过几年在黑启动方面的研究， 研制开发了一套黑启动决策支持系统，并将其应用河北南网系统【1 9 l 。 4 数学规划方法在黑启动恢复控制中的应用 用数学的观点来看，系统恢复是一个多阶段、多目标、非线性的优化问题，将待解 的问题用标准的数学形式表达成目标函数和不等式约束条件，并用数学规划方法求解。 数学规划方法是将相应的控制方法用数学形式加以描述，通过计算推理得到最优解。由 于其在处理多约束目标函数、求取近似全局最优解等方面表现出了一定的优越性。 文献【2 0 】将故障恢复分解为两个阶段的子问题：( 1 ) 重构电网，以尽可能地为停电区 提供电源；( 2 ) 在第一阶段的基础上，重构停电区，以尽可能地恢复停电区中负荷的供电。 两个子问题分别由混合整数规划法求解，最后再将恢复策略结合，这样就大大减少了计 算时间。此外，文中还提出了膏恢复操作费用一的概念来进行数学规划，以求解优化方 案另有将专家系统与数学规划相结合，以减少计箕时间，它是依靠专家系统来分解大 问题，数学规划则负责计算各子问题【2 。文献 2 2 1 将负荷恢复看作是一个m l 的优化组 合问题，采用罚函数的形式处理各种系统约束，建立了数学优化模型。 1 2 3 网架重构的研究现状 黑启动恢复是一个动态、连续的过程，现有针对黑启动阶段形成的初期方案还无法 满足系统全面快速恢复的需要。因此，有学者进一步对网架重构问题进行了研究。 网络重构阶段一般分为两个阶段，首先是确定最优目标网架，然后是确定恢复到最优 网架的顺序。目前很多的研究工作主要集中在第一阶段，即研究最优目标网架的优化问 题。文献【2 3 】提出了网络重构中目标网架的概念。文献1 = 2 4 1 将网架重构阶段按“串行 和“并行 两个送电阶段分别进行求解，并给出了相应送电路径寻优算法。“串行打阶 段针对于系统恢复初期，采用分段寻优策略，运用最短路算法求解；“并行一阶段针对 于恢复的中后期，采用了最小生成树算法。文献 2 5 1 提出骨架网络这一概念，利用无标 度网络中“核心节点一思想作为大面积停电后系统快速恢复的指导，提出的基于节点重 要度评价的骨架网络重构策略。文献【2 6 】采用离散粒子群优化算法，以重要负荷恢复量 占已恢复负荷总量的比例最高为目标构建恢复网架。文献 2 5 ，2 6 主要是针对目标网架 4 华北电力大学硕士学位论文 的优化，利用离散粒子群优化算法求解最优的目标网。 近来，有学者进一步对网架重构过程进一步深入研究，深入研究网架重构恢复顺序。 文献 2 7 将网架重构分为重构目标确定和重构序列优化两个步骤，分别对两个阶段进行 了研究，在骨架网络的基础上，构造反应机组启动容量和启动距离的费用函数，对重构 路径进行优化，采用最短路算法确定重构路径恢复序列。文献【2 8 】引入机组的启动时限， 将目标网架的确定与节点的恢复顺序结合考虑，采用最短路径法及交叉粒子群算法选择 相结合进行路径寻优。文献 2 9 1 进一步充实优化目标，综合考虑了重构时间、机组出力 及负荷恢复程度三因素，通过三因素的组合，构造重构效率指标，以效率最大为目标进 行优化。文献 3 0 】建立了系统从树状网络恢复到环状网络过程的数学模型，并采用启发式 算法，求取线路最佳的投入次序问题。文献 3 1 1 引入介数指标，对恢复路径进行优化。文 献c 3 2 将网络重构建模为二个寻找图的局部最小树问题，采用智能优化算法搜寻最短的 加权送电路径。钾 1 3 本文的主要工作 大停电事故后，黑启动电源需要在规定时间限制内向电网中无自启动能力的机组提 供启动电源，使其能重新并入电网，并通过预先制定的恢复路径向电网中的主要节点送 电，逐步建立起一个初步的恢复网架，为下一阶段的负荷全面恢复打下基础。在实际中， 调度人员更关心的是机组或线路的投入顺序，即具体的恢复路径。对于确定的重构目标 网架，若电源节点的恢复顺序不同，则重构恢复的难度和效果也会有很大差异。电源节 点恢复顺序的不确定性要求：不仅要针对不同的电源节点恢复顺序寻找局部最优恢复顺 序，还要对其在恢复总时间、恢复代价的目标值、约束条件的满足程度、机组出力的恢 复程度等方面作动态、全面比较，这极大地增加了恢复顺序优化的难度，属于较为复杂 的多目标、全局优化问题。传统规划方法的优化结果比较理想化，优化结果保证了各个 指标均为最优。而在实际中，各指标并不一定都能达到最优。因此本文结合目标规划方 法对网架重构过程进行研究。 本文通过合理区分不同优化目标的主次，确定其优先因子与权系数，并引入恰当的 目标期望值和正、负偏差变量，可将目标函数转化为目标约束。在此基础上，构造总偏 差量为最小的达成函数，采用交叉粒子群算法与最短路径算法相结合对恢复路径优化求 解。 论文的主要工作包括： ( 1 ) 建立网架重构路径优化的目标规划数学模型。 本文考虑系统恢复总时间和机组出力恢复程度两个目标，引入各自的正、负偏 差量，确定系统约束条件，根据决策要求，构建各目标与各期望值偏差量最小以及 反映目标重要程度目标规划模型。 5 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 确定各目标期望值。 在以上目标规划模型中，需要确定各目标的期望值，构造各目标与各自期望的 偏差量。本文基于传统规划方法，建立反映机组出力恢复程度最大且重构时间最短 的优化目标，然后对传统规划网架重构优化模型进行求解。对其优化结果进行大量 统计分样，确定出各指标的目标期望值 ( 3 ) 重构路径优化算法。 重构路径的优化包括两个方面的优化，即：目标节点顺序优化及针对目标节点 送电路径顺序的优化。本文结合交叉粒子群算法与最短路算法，对目标规划模型进 行优化求解。用m a t l a b 语言编程以算例系统对目标规划方法的有效性进行验证。 6 哟 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章基于目标规划的重构路径优化模型 电力系统网架重构过程较为复杂，并且实际恢复过程存在众多不确定性因素。 对于确定的重构目标网架，若电源节点的恢复顺序不同，则重构恢复的难度和效果 也会有很大差异。需要找到全局最优的电源节点恢复顺序及与之对应的路径恢复顺 序。因此，不仅要针对不同的电源节点恢复顺序寻找局部最优恢复顺序，还要对其 恢复总时间、重要负荷的恢复量、机组出力恢复程度等方面作动态、全面比较，这 极大地增加了恢复顺序优化的难度，属于较为复杂的多目标、全局优化问题。这就 需要统筹兼顾处理多个目标的关系，求得更切合实际要求的解。因此本文提出一种 基于目标规划的网架重构路径优化方法。利用目标规划方法建立网架重构路径优化 的目标规划模型。 目标规划相对于传统的线性或非线性规划方法在处理实际的决策问题时，考虑 不同优化目标之间可能存在的冲突。可以根据对目标的侧重不同，设定它的权重因 子。采用目标规划方法对重构路径进行优化，能够根据与不同优化目标相对应的目 标值及权重系数来调整优化过程的不同侧重。在作最终决策时，并不是强调绝对意 义上的最优性，而是以目标值为基准的相对最优，因此利用目标规划来研究黑启动 恢复网络重构路径优化问题具有重要的理论意义与实践意义。 文中主要考虑系统恢复总时间及机组出力的恢复程度两方面，本文所说的恢复 总时间是指黑启动初期阶段结束小系统形成后开始计时，到系统主网架的恢复结 束。通过合理引入两目标的偏差量，建立了反映各目标权重综合目标偏差最小的目 标规划模型。 2 2 目标规划方法简介 2 2 1 目标规划的基本理论 目标规划是在决策者规定若干指标值及要求实现这些指标的先后顺序后，在给 定有限资源的条件下，以力求总的偏离目标期望值最小为目的的一种数学方法。目 标规划的有关概念和数学模型是在1 9 6 1 年由美国学者查恩斯( a c h a m e s ) 和库伯 ( w ：w ：c o o p e r ) 首次在：管理模型及线性规划的工业应用一书中提出的【3 3 1 ，当时 是作为解一个没有可行解的线性规划的一种方法而引入的。这种方法把规划问题表 达为尽可能地接近预期的目标。1 9 6 5 年尤吉艾吉里( v u j i i j i r i ) 在处理多目标问题、 分析各类目标的重要性时，引入了赋予各目标一个优先因子及加权系数等概念，并 7 华北电力大学硕士学位论文 迸一步完善了目标规划的数学模型。后来杰斯基莱思( u j a a s h e l a i n e u ) 和桑李 ( s a n g l e e ) 又对表达和求解目标规划问题的方法做了改进。 目标规划可以看成是多目标优化问题的一个特殊的妥协模型，目前已广泛应用 到实际问题当中。在多目标决策问题中，假设决策者对每一个目标设计了一个目标 值，其基本思想是极小化各目标函数与目标期望值的偏差( 正偏差、负偏差或正负 偏差) 。 在实际问题中，一个目标通常只有在牺牲另一些目标的情况下，才能实现，而 这些目标一般是不相容的。因此，在这些不相容的目标之间，根据其重要性，建立 一个优先级是非常必要的，并按照这个优先级为所有目标排序，尽可能地实现更多 的目标。为了平衡多个冲突目标，根据决策者的目标值和优先结构，一些实际的问 题可以建模为目标规划模型。目标规划方法具有以下特点【3 4 】： ( 1 ) 目标规划建立在线性规划的基础上，一些研究线性规划的方法仍可以用在 目标规划上。 ( 2 ) 因为在实际问题中往往要处理多种目标，目标规划恰恰能够统筹兼顾处理 多种目标的关系，求得更切合实际要求的满意解。 ( 3 ) 目标规划找到的最优解是指尽可能地达到或接近一个或若干个己给定的 指标值。 ( 4 ) 用划分优先级的方法来处理多个目标的相对重要性，能更好的适应决策者 的定性判断，减少了决策变量之间的量纲不一致问题的发生。 ( 5 ) 目标规划的研究对象是一般的多目标决策问题。无论问题是线性的还是非 线性的，变量是连续的还是离散的，它都具有广泛的适应性。 2 2 2 目标规划基本概念介绍 要建立一个目标规划模型，首先必须清楚了解目标规划的相关的基本概念，其 主要涉及如下几个基本概念： 1 目标值和正、负偏差变量 所谓目标值就是预先给定的某个目标的一个期望值。实现值或决策值是当决策 变量z ，( j = l ，2 ，n ) ，选定以后，目标函数的对应值? 显然，实现值和目标值之间 会有一定的差异，这种差异称为偏差变量，它是事先无法确定的未知量。正偏差变 量表示实际超过目标期望值的部分，记为d + ：负偏差变量表示实际值未达到目标期 望值部分，记为d 一。在实际情况中，可能会出现以下三种情况之一： ( 1 ) 超过规定指标，表示为d + 0 ，d 一= 0 ；。，： ( 2 ) 未达到规定指标，表示为d + = 0 ，d 一0 ； 8 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 恰好达到规定指标，表示为d + = 0 ，d 一= 0 ； 以上三种情况只能出现其中一种，表示为d + d 一= 0 。 2 目标约束和系统约束 在引入了目标值和正、负偏差变量后，可以将原目标函数加上负偏差变量d 一， 减去正偏差变量d + ，使其等于目标值，这样形成一个新的函数方程，把它作为一个 新的约束条件，加入到原问题中去，称这种新的约束条件为目标约束。 系统约束又称绝对约束i 是指必须严格满足的等式和不等式约束，如线性规划 问题的所有约束都是绝对约束，不满足这些约束条件的解称为非可行解。 3 达成函数 达成函数是指决策者根据自己的要求构造的使总偏差变量为最小的目标函数， 记为m i n z = f ( d - , d + ) ，即达成函数是正、负偏差变量所构成的函数。一般来说，可 能提出的要求可能是以下三种情况之一，对应每种要求，可分别构造的达成函数如 下： ( 1 ) 要求恰好达到规定的目标期望值，即正、负偏变量都要尽可能地小，这时 函数是m i n z = f ( d 一+ d + ) 。 ( 2 ) 要求不超过目标期望值，即允许达不到目标期望值，就是正偏差变量要尽 可能地小，这时达成函数是m i n z = f ( d + ) 。 ( 3 要求超过目标期望值，但不得低于目标期望值，即必须是负偏差变量尽可 能地小，这时达成函数是m i n z = f ( d 一) 。 4 优先因子及权系数 在目标规划中，各目标的重要性可以是不同的，决策者要按重要程度的不同对 各目标进行排队，规定眉表示第一位重要，最表示第二位重要，以此类推，即： 只 最 最 称足为优先因子。 在第，优先级( 1 ，k ) 中，根据几个目标的重要性不同，可以给它赋予不同 的权因子屹+ 和屹一，如果某个权因子为0 ，则表示偏差变量在该层目标中不出现。 偏差变量权系数的大小则体现了该级目标的轻重缓急。 5 满意解 目标规划问题根据决策者的目标值和目标侧重点不同，设置不同的优先因子。 求解对于期望值的相对最优解，这样最后求出的解就不是通常意义下的最优解，而 是最大限度地接近期望值，可体现决策的优化侧重点，可称之为满意解( 即最佳调 和解) 。 。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3 目标规划的一般数学模型 假设一个具有三个目标、k 个优先等级( k l ) 的目标规划问题，其一般数学模型 可表述为： m i n z = 最( w 二酊+ 嵋吖) 勺_ 何一吖= g ， ( 1 = l ，2 ，l ) - g j q ，= ) 屯0 = 1 , 2 ，m ) 善，20铲l 2 ，硝 西+ ，町20 俨l 2 ，l ) 式中： 丑第k 级优先因子k = l ，2 ，砷，k c ，目标函数的系数。 a 叠约束条件组成系数。 岛限定系数。 + ，屹一卅别为赋予最优先因子的第一个目标约束的正负偏差变量的加权 系数。 g ，第，个目标的预期期望值 4 + ，d ，一正负偏差变量。 2 3 建立基于目标规划的网架重构路径优化模型 2 3 1 目标函数的建立 网络重构阶段是以黑启动阶段的完成作为开始，到目标网的建立作为结束此 阶段我们希望能够尽快的恢复目标网架，并保证尽量多的机组出力得以恢复。 目标一：希望系统恢复总时间尽量小，即能够以较快的速度恢复主网架也就 是保证恢复时间超出目标值的偏差量尽量小，未达到目标值的偏差量尽量大，可以 极小化其正偏差量或极大化负偏差量，因此必须极小化一订) ：目标二：我们希 望机组出力恢复程度能够尽量大。也就是希望机组出力的恢复程度未达到目标值的 偏差量尽量小，超出其目标值的偏差量尽量大，可以极小化其负偏差量或极大化正 偏差量，因此必须极小化q ；一) 。若侧重点不同时，采用优先因子予以反映。因 此目标函数表示为： 。f = m i n p l ( d f a g + p 2 口( d ；一d ；) 】 ( 2 1 ) 式中：计、订对应恢复到目标网架的总时间的偏差量，计为超出恢复时间的目标 1 0 华北电力大学硕士学位论文 期望值的数值，订为未能达到恢复时间目标期望值数值；西、商对应机组出力的 恢复程度的偏差量，西为超出机组出力恢复程度目标期望值的数值，为未能达 到目标期望值的数值；d ；，d i o u = 1 ，2 ) ，且订计= o ；酊以= 0 。口为调节系 数，作用是使两者能保证在同一数量级上。p 。、p ：为与重构时间、机组出力恢复程 度两个目标相对应的权重因子。根据对目标的不同侧重，可以设定不同的权重因子 氏、p 2 2 3 2 约束条件 将重构时间和机组出力恢复程度作为优化目标，分别以g 。和g ：作为重构时间和 机组出力恢复程度的期望值，将目标转为约束。同时恢复过程需要满足安全运行条 件，即要满足系统潮流约束。 目标约束： 潮流约束： 稽 l + 订一钟= g l q ( 2 2 ) 等+ d 三一d ：= 9 2 胖e o , 鹾芦 q 茅q 饼q 斧 k 蛐_ 圪m 瓤 最驴 i g i g f n i l ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 式中：死为恢复到目标网络的总时间，单位为分钟，从黑启动初期结束后开始 计时。b 为第f 台机组恢复的有功功率，单位为m 矾只是机组停电前的出力总和， 单位为m w ；g 为电网中发电机节点数。g l 、g ：分别表示网架重构的恢复时间、机 组出力的恢复程度的目标期望值。n 为已恢复网络中的节点数；巧表示节点电压； 如表示支路k 上流过的有功功率；l 为已经恢复的线路。 为了保证重构阶段完成后其恢复路径及其所构成的主网架的合理性，需要对已恢复 部分进行潮流计算的校验。对出现潮流越限问题时，本文采用灵敏度分析法对发电机出 力以及负荷水平进行调节( 详细步骤见第四章第四节) 。 2 4 机组的启动特性 上节的模型中，计及了重构的恢复时间，恢复时间从黑启动阶段结束开始计时， 其主要包括机组的启动时间以及线路恢复时间。另外统计恢复过程中的机组出力 1 1 华北电力大学硕士学位论文 时，考虑了机组的升负荷特性。因此本节对机组的启动特性进行简要介绍。 2 4 1 机组的启动时间 电力系统发生事故造成大规模停电甚至全黑时，机组的启动时间直接影响到系 统恢复过程的快慢。机组与系统解列后，机组的启动时间主要取决于汽机高压缸的 温度和带最小负荷暖机的时间，如何在故障后快速实现机组的启动，要做好以下几 个方面。1 ) 选择合理的启动方式；2 ) 进行严密的启动组织；3 ) 完成充分的启动准 备；4 ) 协调不同专业之间的联系。故障跳机后，每个电厂都有自己的恢复方案， 机组启动前的准备工作现场人员已经做好，因此与系统解列后的机组启动时间主要 取决于其启动方式。以一般火电机组的启动为例。 因为具有不同缸温的机组，其启动所需要的时间将有显著不同。机组的启动又 受到多方面因素的限制。在众多因索中机组的启动时间主要由机组离线后自身的状 态来决定，也就是汽轮机缸温。机组的状态主要以汽轮机在停转一段时间后的缸温 ( 汽轮机内缸或转子表面的温度) 来决定。当机组金属温度低于某一温度t 时，机组 的状态称为冷态，此时机组的启动称为冷启动；当缸温在t 以上时，机组称为热态， 此时机组的启动称为热态启动【3 5 】。 对于机组的再启动时间，具有最小时间限制的机组，如果能够在跳闸机组的时 间限制内启动，可以不需要反复的暖机过程，缩短启动时间。具有最大时间限制的 机组，则机组跳闸后不能马上去启动，只能等到最大时间限制过后在去启动，其启 动时间取决与自身的状态然而，机组跳闸后的自身的状态又受多方面的因素影响， 而且在黑启动过程中，涉及机组种类多，机组停机后的机组状态难以分析确定。因 此无法针对每台发电机来确定具体的启动时间。根据大多数电厂多年的运行经验以 及一些数据分析统计逐渐总结出机组停机时间与启动时间的关系，如表2 1 所示。 表2 i3 0 0 m w 亚l 晦界机组停机时间与启动时间关系表 启动类型停机时间( h )启动时间 时限内启动 l 7 2 5 - 6 2 4 2 机组的升负荷特性 机组启动成功以后，经同期装置并网，送出功率开始恢复其他发电厂或者负荷。 机组并网后会按一定的曲线由空载加满负o 一般机组并网后带5 的最小初负荷暖 机( 一般为电厂的直配负荷) ，达到要求后再向电网中送出启动功率，然后随着系 1 2 华北电力大学硕士学位论文 统中负荷的投入，各个机组开始升负荷。 在恢复过程中，机组升负荷是分阶段的，主要是受到缸温、胀差、转子应力等 条件的约束。图2 - 1 实际的机组启动的升负荷曲线为一折线。因为系统的恢复过程 本身是一个不能完全量化的过程，因此对于某些机组，当其并网后，其出力的估算 可以通过简化的机组曲线来得到。可以通过线性拟合来得到机组的启动曲线，如图 2 - 1 为国产3 0 0 m w 机组的启动曲线及拟合曲线，实际取值用的曲线为一直线【3 6 1 。 反映机组启动过程升负荷快慢的指标是加负荷的平均速度，即图2 1 曲线的斜 率，这一值的大小定义为： k ：拿 ( 2 7 ) r k 为升负荷速率，单位为m w 小时，k 体现了机组并网一段时间后，能向系统提 供多少电能。在负荷投入过程中，按照机组的这一升负荷率来分配。为机组额定 出力，单位为m w ，t 为机组从并网到加满负荷的时间，单位是小时。 2 5 线路模型的建立 时问( h ) 图2 1 机组启动曲线简化示意图 缝 统计恢复时间，包括线路的恢复时间，因此本文考虑以线路恢复时间作为线路 的恢复权值，以恢复时间作为选择恢复路径的依据。 如何为每条线路设置准确的操作时间是一个非常复杂的问题。在实际操作中， 一条线路的投运时间是由三部分组成：1 ) 现场人员接收调度令的时间，也就是调 度部门发出调度令到现场人员接收到的这段时间。2 ) 现场人员的操作时间。3 ) 现 场人员操作完后，再向调度部门发回调度令的时间。其中第一部分接收调度令时间 和第三部分发回调度令时间是比较固定的，第二部分现场人员的操作时间很难定量 1 3 华北电力大学硕士学位论文 研究的，不同人员的操作时间是不一样的，这跟现场经验等因素有着密切的关系。 文献 3 7 】中提出一种线路操作时间的统计方法：基于有关操作人员的经验，将 恢复过程中某线路i 的恢复操作所花费的时间划分为乐观估计时间、悲观时间、最 可能的估计时间，该线路恢复所需的时间呈正态分布。因为涉及实际现场情况的问 题太多，很难对其操作过程进行抽象研究在本文中采用该文献提出的方法，对线 路的操作时间进行赋值，然后通过与现场人员交流对其进行修改，得出最后实验数 据。 2 6 本章小结 本章简要介绍了数学规划方法一目标规划。将其应用于对网架重构优化问题中， 建立了基于目标规划方法的网架重构路径优化的数学模型。本文考虑了系统恢复总时间 与发电机组出力的恢复程度，引入合理偏差变量，构建了反映各目标重要性及与相对于 目标值偏差量之和最小的重构目标函数。在恢复路径选择方面，建立基于恢复时间权 值的线路模型，恢复过程考虑机组的启动特性，本章进行了简要介绍。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章确定目标期望值 目标规划模型中最重要的任务之一就是目标期望值的确定。本文基于传统规划 方法下，对重构过程进行建模，通过对结果进行了大量的运算统计，找出结果分布 的大致区间范围，确定出各目标的期望值。 本文所说传统规划方法，即：重构过程考虑多个目标卜将它们整合为单一的目 标，在满足一定安全约束的前提下，对重构过程进行优化【3 筇引。网架重构过程操作 过程比较复杂，考虑的问题比较多，属于多目标、多约束的非线性优化问题。这种传统 的规划方法广泛应用在黑启动网架重构问题的研究中。本章在前人的研究基础上， 继续对网架重构路径优化问题进行深入研究。本文考虑重构时间与机组出力恢复程 度两个因素，将二者整合为一个优化目标，建立传统的优化方法下的重构路径优化 模型。 3 2 网架重构优化模型 黑启动初期恢复之后，进行后续恢复过程，即网架重构阶段。该阶段的主要目 标是在满足系统安全运行的条件下，尽快地恢