基于人工智能的黑启动方案库的开发与应用

基于人工智能的黑启动方案库的开发与应用

0黑启动决策支持系统在互联系统中，局部系统的失败可能是由于保护或自动安装的不正确行为，大型电动汽车的事故或整个电网的瘫痪。近年来,全球范围内发生的几起大停电事故造成巨大的经济和社会损失。因此,研究大停电事故后系统的黑启动恢复方案具有十分重要的意义。黑启动是指整个系统因故障停电后,不依赖别的电网的帮助,通过系统中具有自启动能力机组的启动,带动无自启动能力的机组,逐渐扩大系统的供电范围,最终实现整个系统恢复的过程。国外学者从20世纪80年代开始对黑启动问题进行了研究,取得了一些有价值的成果。近年来,黑启动问题逐渐引起国内学术和生产单位的重视,并对黑启动中一些专门问题进行了研究探讨,如黑启动中继电保护系统的设置、发电厂自身的黑启动和电力市场下的黑启动服务等。目前,黑启动方案制定方法一般是:根据系统具体情况,人工制定不同的方案,然后借助电力系统分析软件,对黑启动过程中所涉及的例如空载线路充电时的过电压、系统的稳定和低频振荡问题等,分别进行计算分析,验证方案的可行性。这种方法存在明显的不足:①由于黑启动方案的制定涉及很多技术问题的计算分析,靠人工分析比较,确定可行方案,过程繁琐,耗时费力,且所能研究的方案数量有限,很难得到最优的方案。②由于系统结构和运行状态的变化,如新厂站、设备和线路的不断投入,旧设备和线路的改造等,相应系统的黑启动方案难以及时更新,可能影响黑启动方案的有效性,延误恢复过程,加重停电损失。为克服上述不足,有必要开发辅助运行人员快速制定黑启动方案的决策支持系统。黑启动方案制定是一个非常复杂的半结构优化问题,包含了大量的人类智能活动,所以借助人工智能技术,并结合传统的电力系统分析计算和优化规划技术,开发智能化的黑启动决策支持系统是一种可行的解决途径。根据该思路,本文针对河北南网研究开发了黑启动决策支持系统,实现方案制定过程的高度自动化。该系统首先借助人工智能的搜索技术快速搜索电网结构数据库,形成初始黑启动方案库,然后针对黑启动过程中所涉及的各种技术问题,集成各种计算分析程序对黑启动方案进行校验,并对所有可行的方案进行评优排序,最终形成系统的黑启动方案库,用于指导大停电后的系统恢复。应用该系统,运行人员可以根据系统的结构和运行状态,及时快速地制定或更新黑启动方案库,对确保大停电后系统的快速恢复具有重要的应用价值。该决策支持系统具有较强的通用性,通过更换系统的数据库,可以方便地移植到其他电力系统。1系统的总体结构和功能配置1.1黑启动方案库系统的设计目标是开发一个集成的黑启动决策支持系统,辅助运行人员方便地制定和修改黑启动方案,减轻方案制定的工作负担,提高工作效率。借助所开发的决策支持系统,调度运行人员应能够根据系统结构和设备的实际运行状态及时方便地更新黑启动方案库,保证黑启动方案库时刻跟随系统结构和运行状态的变化。该系统结合人工智能技术和相关的系统计算分析技术,将方案生成、校验计算、方案评估排序集成在一个统一的软件平台下,实现黑启动方案制定过程的高度自动化。人工智能技术被用来生成和评估黑启动方案,各种相关的系统分析技术分别被用来进行各项技术指标的校验。系统采用模块化结构,不同功能模块与子系统之间相对独立,采用统一的数据库,在系统总控制器的控制下工作,接受总控制器下传的任务和发送的系统数据,进行相关计算和分析,再将结果上传给总控制器。1.2系统的功能和性能1.2.1方案黑启动分析校验功能根据黑启动方案制定的相关工作和黑启动决策支持系统的设计目标,该决策支持系统应具有以下功能:a.黑启动路径的自动搜索和初始方案确定:根据黑启动电源的分布,对电网拓扑数据库进行自动搜索,确定所有被启动电厂和可能的黑启动路径,自动生成所有可能的黑启动方案,形成初始方案库。b.初始方案的校验分析:调用相关系统计算分析程序,对初步确定的所有黑启动方案进行计算校验,验证方案的技术可行性,筛选出可行的方案。分析校验功能初步设计包括以下内容:①机组自励磁分析校验;②空载线路的充电过电压分析校验,包括工频过电压和暂态过电压;③被启动电厂的大型厂用电机启动对系统电压和频率冲击的分析校验;④自启动机组和被启动机组并列后系统的稳定性与低频振荡问题的分析校验。c.黑启动方案的评估:对通过技术校验的方案进行综合评估,用定量指标对所有的方案进行排序,以确定所有可行方案的采用顺序。d.工作票生成和打印:对每一可行的方案,自动编写相应的工作票,形成系统的黑启动方案库。1.2.2数据库设计本系统实现了方案生成、校验和评估一体化流程,整个系统功能全面,操作简单方便,系统维护容易。系统设计有图形化人机界面系统和Windows系统标准的下拉式菜单,配合弹出式对话框,数据输入和系统维护可以通过系统的地理接线图、主接线图和厂站接线图多种途径进行,实现图形和数据库的一体化,非常灵活方便。系统的各种分析结果和仿真数据通过表格、曲线的形式输出,直观醒目。1.3策支持系统的总体结构通过对黑启动决策支持系统所要达到的目标和涉及的各种技术问题的深入分析,本文设计了黑启动决策支持系统的总体结构,如图1所示。整个系统分为数据维护和决策支持2个子系统,各子系统包括相应的功能模块。核心部分是决策支持子系统,该部分完成黑启动方案制定的决策支持功能。为了方便用户使用,设计了图形化的人机接口子系统。各子系统和模块之间采用统一的数据库存储和交换数据。2系统的开发和实现2.1数据库的建立系统数据维护子系统主要功能是建立和维护电网结构数据库。为了有效组织和管理电网数据,将其划分成2个层次:第1层为厂站和线路层,第2层为厂站内部设备层。在设计系统的电网数据结构时,考虑到厂站内部设备层中各设备(线路、发电机、母线、开关设备、变压器等)数据关系复杂,而且需要频繁地对电网拓扑结构进行各种快速分析(如图形拓扑分析、方案搜索和潮流计算等),所以在应用面向对象的方法进行数据封装时以设备为中心,同时构造了虚拟节点对象,用以连接各个设备。其中母线作为特殊的设备以虚拟节点的形式加以处理。数据组织关系如图2所示。电网结构数据库的建立通常有2种方法可用:①对数据库进行直接操作,由运行人员进行数据库数据的录入、维护等工作;②建立图形界面,利用设备图形的属性自动生成数据库,并录入数据。后者就是所谓的图形数据库一体化技术,采用该方法,可通过图形界面来维护数据库,将大大减轻运行人员在数据库维护方面的工作量。本系统采用图形数据库一体化技术进行数据库的操作和管理,在系统中提供3种类型图形界面:地理接线图、系统接线图和厂站内部一次接线图。开发了配套的图形编辑器,通过该图形编辑器可完成上述电网图形的绘制、网络拓扑结构分析及电气设备信息数据管理等功能。2.2主要功能设计决策支持子系统提供了辅助运行人员进行黑启动方案库生成的主要功能,其主要工作流程如图3所示。该子系统由方案搜索、方案校验和方案评估等几个主要模块组成。下面简要介绍这几个模块的实现思路,各功能模块的详细模型和过程另文介绍。2.2.1智能搜索技术在电网运行过程中的应用在启动黑启动方案搜索模块前,需要进行设备运行状态、电网运行方式和黑启动电源等一系列初始化设置工作。设备运行状态主要是指变压器、发电机和断路器等主要电气设备的检修、运行情况,电网运行方式主要是指开关设备的开断情况和输电线路的检修情况。黑启动电源一般为具有自启动能力的水电厂,个别火电厂的发电机组也有可能具有自启动能力,也可作为黑启动电源。自动搜索功能运用人工智能的广度优先搜索技术,根据一定的搜索规则对电网结构进行分析,该工作过程不仅需要分析厂站和线路层的数据,而且对搜索中涉及的厂站内部拓扑结构也进行了必要的分析。方案自动搜索功能大大减轻了方案制定人员在选择初始方案方面的工作量,特别是在启动电源数量增多的情况下,避免遗漏可行的启动方案。2.2.2自励磁校验模块方案校验模块的功能是校验黑启动方案是否会超出系统频率和电压的约束。由于黑启动过程中涉及的技术问题很多,本系统主要考虑了黑启动中最容易出现的几个问题。下面对各校验模块的实现思路进行简要介绍。a.黑启动机组自励磁问题:本系统提供工程判据和时域仿真2种方法进行自励磁校验。时域仿真通过求解系统的微分方程,可以获得发电机带空载长线路后的机端电压和电流仿真波形,从而便于深入分析发电机产生自励磁的原因。然而,进行时域仿真所需要的发电机内部各种参数有时很难获得,因此本系统同时采用工程判据作为自励磁校验的一种实用方法,通过比较线路的容抗和发电机同步电抗以及线路和变压器电抗值来进行自励磁判断。b.空载线路合闸过电压和稳态过电压问题:空载线路合闸过电压是由线路分布参数决定的电磁暂态过程,过电压校验模块采用贝瑞隆(Bergeron)模型对电磁暂态过程进行求解,获取线路末端的电压变化过程。基本过程是将输电线路的分布参数和其他元件的集中参数L,C均等效为带有注入电流的集中阻抗,然后列出节点导纳矩阵进行求解。由于三相输电线路之间有耦合作用,其微分方程难以直接求解,故首先要利用相模变换将坐标系统中彼此相关的微分方程变换成彼此解耦的模量方程,这样便可以按照单导线微分方程的解法分别求解每一模量方程,从而得到基于某一模量坐标系统下的贝瑞隆模型。本系统从快速启动的观点出发,假定启动路径中所有的线路连成一条长线路,进行统一充电,此时过电压是最严重的。c.恢复过程中电压和频率问题:大型辅机的投入对系统电压和频率的冲击应满足系统的要求,否则可能导致黑启动失败。本系统选择被启动发电机的最大几台辅机或等效电动机按先后顺序投入进行仿真,对系统电压和频率进行校验。该方法假设电动机以满载方式启动,所以电压和频率校验条件比实际情况偏严。电压和频率的仿真通过求解黑启动电源带感应电动机负荷时的动态微分方程来实现。d.低频振荡问题:被启动电厂的发电机组启动后,与黑启动机组并机,形成了一个小系统,一般联络线路较长,系统阻尼较小,容易出现低频振荡问题。本模块采用特征值分析和小扰动仿真技术对低频振荡问题进行分析,考虑励磁系统和电力系统稳定器(PSS)的影响,提供特征值结果和小扰动仿真曲线。2.2.3roces多目标决策分析方法在方案评估模块中,利用层次分析法分析问题的基本思想,在方案评估中通过定量与定性分析相结合,建立一定的模型方法来有效解决评估决策问题,这种方法在分析该问题时有计算量少、速度快、直观、更适合实际应用等优点。层次分析法(AHP——analytichierarchyprocess)是一种定性分析与定量分析相结合的多目标决策分析方法。对于结构复杂的多准则、多目标决策问题,AHP是一种有效的决策分析工具。使用AHP进行系统分析,首先要把问题层次化,将问题分解为不同的组成因素,并按照因素间的相互关联影响以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合,形成一个多层次的分析结构模型。对同一层次内的因素,通过两两比较的方式确定诸因素之间的相对重要性(权重);下一层次的因素的重要性,既要考虑本层次,又要考虑到上一层次的权重因子,;逐层计算,直至最后一层,也就是最终把系统分析归结为最底层(供决策的方案、措施等)相对于最高层(总目标)的相对重要性权值的确定或相对优劣次序的排序问题。在黑启动方案评估权重的设计中,重点考虑了以下因素:①要启动的机组的容量;②电压转换次数;③一次设备操作次数,尤其是刀闸和开关的操作次数;④启动机组的进相能力以及线路长度;⑤该方案周边负荷的重要性等级。2.3基于数据库的方案校验系统开发的硬件环境为P4微型计算机,内存256MB,主频2.4GHz,采用Windows2000Server作为操作系统平台,采用流行的关系数据库SQLServer2000作为系统的数据库工具,采用VC++作为主程序设计语言,并可以集成其他语言开发的程序模块。由于黑启动决策支持系统涉及多方面的任务,是一个功能复杂的大型软件系统,故在系统的程序设计中充分考虑了各子系统分步和独立开发以及系统集成的方便性,主要考虑了以下问题:a.各个模块通过读取统一的数据库完成相互之间的数据交换。数据库内容主要包括系统运行的基本信息、中间信息和结果信息。用统一的数据库管理以上信息,简化了程序中各模块之间数据交换的复杂度,使各模块做到相对独立,互不影响。b.在方案校验功能的实现中,数值计算的核心部分采用了动态链接库的形式进行开发。链接库中的程序只需负责问题的求解,数据的存储和电气元件参数格式的加工则由主程序完成。采用这种方法使数值计算部分与系统主体框架相分离,有利于程序的开发、维护和升级。c.在程序设计中,黑启动方案的表示非常关键。系统的一系列功能(方案搜索、校验等)都是针对黑启动方案展开的,所以有必要对黑启动方案等相关概念进行抽象和封装,定义方案对象。在方案对象中最重要的数据信息是厂站线路链表,该链表保存方案的启动路径。在方案对象中还封装了对启动路径进行数值校验的一系列方法。本系统对黑启动方案进行的封装,不但使程序结构清晰,而且有利于将来系统功能的扩展。3张河口至许营的200kv电网河北南网水电资源缺乏,并且现有的水电机组容量很小,故本例以筹建中的张河湾抽水蓄能电厂作为黑启动电源对系统进行测试。张河湾抽水蓄能电厂位于河北省石家庄市井陉县境内,距石家庄市52km,装机容量1GW,安装4台250MW的单级混流可逆式机组,是一个理想的黑启动电源。目前电厂规划的出线为500kV,从有利于黑启动恢复的观点出发,本例中建议设置一条张河湾到许营的220kV线路。原始数据采用河北南网的实际系统数据,部分暂时无法取得的实际数据用典型参数代替。3.1拓扑结构校验系统从张河湾电站作为起点,采用广度优先搜索技术对电网拓扑数据库进行搜索,设计搜索深度为5级,也就是最长的启动路径为4条线路。系统自动快速地搜索到31个拓扑结构可行的初始方案。经过检查验证,所有初始方案拓扑结构正确合理,与调度人员的分析相吻合。对这31个方案进行自励磁、过电压、低频振荡和电压频率校验,共15个方案通过全部校验项目。方案列表和过电压仿真曲线输出界面如图4所示。3.2路径全覆盖校验采用层次分析法对通过校验的15个方案进行评估排序,选出方案7为最优方案,该结果与运行人员的分析相符合。该方案的优点表现在该方案所启动的机组容量(200MVA)最大,路径中电压等级变化次数少,操作方便等。下面对这个最优的方案进行简要介绍。图5为最优方案的电气接线图,系统可在地理接线图中显示该方案的路径,并用闪光来提示,如图6中的黑色粗线所示。最优方案的各项校验结果如下