备用辅助电源系统

备用辅助电源系统篇1

电力市场运行中,电量和有功备用的联合优化是一种有效的资源分配方法[1]。美国联邦能源委员会归纳了主辅市场联合优化的基本思想,总结了几个电力市场的经验[2]。美国PJM(Pennsylvania—New Jersey—M aryland,PJM)电力市场[3]建立了分层辅助服务市场,保证系统可靠性和经济性,但没有对有功备用和电量的优化。在纽约[4]独立电力交易中心(Independent System Operator,ISO)市场中,运行备用的获得是基于区域定价,可是没有明确地考虑传输容量。加州市场实施辅助服务获得方法,运用了连续市场和合理的购买者算法,没有考虑电量和备用的耦合。北美电力市场[5](The Independent Electricity System Operator,IESO)基于全系统,对运行备用加入了电量和有功备用出清的方法。

目前,电量和备用联合优化的研究还处于探索阶段。文献[6]在电量市场和旋转备用市场中,以2个市场效益最大化为目标进行仿真,利用增广式拉格朗日对目标函数进行简化,再基于代理的方法对目标函数进行优化,有效克服了2个市场耦合的难题,但忽略了自动发电控制(Automatic Generation Control,AGC)仍占有一定的容量。文献[7]将旋转备用分为上调、下调进行优化,加入网络安全约束条件,利用商品的边际价格定价,比较了在成本最小为目标的情况下,加入安全约束和没有安全约束时备用的分配,得到最优备用分配和价格。文献[8]将电量、AGC服务、10 min旋转备用服务、10 min非旋转备用和30 min备用进行联合优化,运用混合整数线性规划法进行计算。其约束条件和目标函数考虑的情况相对单一,计算量大,市场透明度低,不利于监管。

目前我国还没有形成电力市场,对电力市场的研究也处于探索阶段。辅助服务主要体现在对发电企业提供辅助服务的补偿,采取在发电企业间利益调节的机制。这种方法缺乏科学依据,不能保证系统的经济性,对于发电企业违背了公平性,并不是长久之计。

本文建立了电量、AGC和旋转备用联合优化模型,在保证系统约束条件、AGC和旋转备用调节能力限制的同时,以系统总成本最小为目标,运用自适应免疫遗传算法求解。通过仿真计算,验证了该模型是兼顾经济性和可靠性的最优电量、AGC和旋转备用的获取方案,为所倡导的电量市场和备用辅助服务市场联营机制的设计和优化提供了借鉴

1电量、AGC和旋转备用联合优化模型

按照响应时间,有功备用可分为AGC[9]、10 min旋转备用、10 min非旋转备用、30 min备用和运行备用AGC指实时处理负荷与发电功率的较小范围的功率不平衡,可维持系统频率,使控制区负荷与发电功率的偏差及控制区之间的交换功率实际值与计划值的偏差最小。虽然机组提前预留了AGC容量,并在基值点上运行,可是在实时调度中,根据需要对机组运行基值点进行再调整。10 min旋转备用是指由在线运行机组提供,且能在10～15 min内带上负荷的有功备用。

由于AGC的容量取决于有功市场的竞争结果,有功出力出现波动时,AGC容量的确定直接关系到电能市场的价格。而传统的旋转备用确定方法,不能满足经济性的要求。对于AGC和旋转备用,同样占有发电容量,且机组始终处于开机状态,所以三者的关系是交互作用的,机组需要根据报价选择提供电量、AGC服务或者旋转备用。

1.1市场假设

基于美国PJM市场环境下[10],采用电力库的市场模式。从ISO考虑,发电机组可以同时参与电量市场、AGC市场和旋转备用市场。PJM将电量、AGC和旋转备用投标等数据输入市场出清机制,通过软件对备用预调度进行优化[11],先出清电量,然后AGC,最后为旋转备用。

1.2联合优化模型的目标函数

假设AGC的上调出力和下调出力的调节速率和报价相同,设I为所有在线运行机组且具有AGC和旋转备用调节能力的机组集合。对第i(i∈I)台机组,市场运营机构中,安排日前预调度交易计划时,事先要对这个交易时段的负荷PD和AGC容量需求Ai进行预测。

以社会效益最大化为目标,联合优化的目标函数为:

式中:为第i台发电机的报价函数;为第i台发电机的有功出力;ai为AGC的报价;Ai为第i台发电机的AGC出力;为10 min旋转备用的报价函数;Ri为第i台发电机10 min旋转备用的出力。

第i台发电机报价函数:

式中:为第i台发电机有功出力;αi、βi、γi为报价系数。

在安排日前预调度计划时,已经在市场中提交了AGC报价。因此AGC在联合优化市场上的交易成本为报价和实际AGC出力的乘积[12]。

发电机组的旋转备用报价函数[13]为:

式中:θi(t)和βi(t)为报价系数;Ri(t)为在预测时段t中旋转备用容量;Ri(t)≤r'i(t)为发电机组申报的有功出力不能超出其被选中的旋转备用容量。

假设旋转备用市场的容量是完全竞争时,可以根据发电机组的生产成本以及电量市场的出力确定报价系数:

1.3联合优化模型的约束条件

(1)系统功率平衡方程[14]

(2)机组输出功率约束

式中:分别为第i台机组最小、最大出力;

(3)AGC调节容量上下限约束

式中:Ai-min、Ai-max别为机组i有功出力的上限和下限。

(4)AGC爬坡速率约束

式中:为机组能够在1 min内根据AGC信号改变的出力,实现对这段交易时段的系统AGC机组所需的调节速率的预测;vi为机组i的调节速率;vi-min、vi-max分别为机组i的最小和最大调节速率。

(5)机组旋转备用容量约束

式中:Rmax,i为第i台机组所能提供的最大旋转备用容量。

(6)机组旋转备用需要满足机组的爬坡约束

式中:Rramp,j为机组的爬坡速率,用以计算规定的时间内(10 min)备用能够投入运行的容量。

(7)整个系统电量出力和备用约束

式中:x为第i台机组的最大出力。

综上所述,本文所建立的有功、AGC和旋转备用的联合优化模型的其目标函数由式(1)表示,约束条件包括式(7)～(14)。该模型联合电量、AGC和旋转备用,考虑了在系统运行过程中的安全和经济性,并以社会效益最大化为目标。因此,所得优化结果更合理,且具有实际应用价值。

2自适应免疫遗传算法

为了更好地优化电量、AGC和旋转备用,在交叉、变异过程中采用自适应[15]的策略进行改进[16]。

(1)抗原识别

输入目标函数及约束条件,作为免疫遗传算法的抗原,设定种群规模。

(2)产生初始种群

对抗原进行具体分析,从中提取基本特征信息,即疫苗,形成初始抗体。

(3)编码

产生初始种群,对抗体进行实数编码,编码包括电量Pi、AGC容量Ai和旋转备用容量Ri。

把电量、AGC备用和旋转备用分成3个个体,每个个体有n个变量的随机群种,其中编码的长度取决于出力机组的数目n。

(4)形成初始种群

设定遗传算法区域,定义边界变量,初始编码满足约束条件(7)～(13)上下限。在限定的搜索空间内,产生n个初始抗体,本文取群体规模为200。每个个体有n个变量的随机群种,

对染色体进行启发式调整,形成的染色体如果不满足约束条件(14),则任选电量的基因数减1重新计算,反复调整,直至满足发电机最大处理约束为止。

(5)适应度函数

采用动态罚函数对处理约束,目标函数:

由于约束(7)是等式约束,故设,

罚函数c为

式中:λ和μ为惩罚因子。

由此,适应度函数为:

为了得到合适的适应度函数,Rk取比较大的常数。

按照式(19)计算得到个体的适应度大小,将其作为评价个体优劣的参考标准。

(6)选择、交叉和变异

遗传算法开始后,再一次启发式调整,甄选出合适的变量,然后运用随机遍历采样对变量进行二次选择。

为了避免目标值的不收敛,对传统的遗传算法进行了改进,运用了自适应策略进行交叉变异。

调整过程为:

自适应交叉概率:

式中:pc1和pc2分别为交叉率取值的上限和下限;pc1取0.9,pc2取0.6;fit*为每次迭代后的平均适应度值;fit为变异个体的适应度值;fitmax为群体中的最大适应度值;fitavg为种群平均适应度值。

自适应变异概率:

式中:pm1和pm2分别为变异率的上限和下限,pm1取0.1,pm2取0.01。

(7)记忆单元更新

完成一次迭代后,将现有种群重插入到子代种群,用子代代替父代并返回结果种群,在保证抗体多样性的同时选择与抗原亲和度高的抗体存入记忆单元中,进行下一次的迭代,重新计算目标函数值。

(8)终止条件判断

若最优抗体保存代数或最大迭代次数超过设定参数值时,算法收敛并结束,若不满足则返回步骤3。

流程图如图1所示。

3 算例分析

为了验证本文建立的模型及算法的有效性,运用Matlab对电力系统进行仿真。采用IEEE-新英格兰10机39节点测试系统[17],测试系统的网络拓扑见图2。

IEEE-新英格兰10机39节点一天中24时段负荷数据见图3。

自适应免疫遗传算法的改进见图4。可以看出经过200次优化迭代,距离最优目标,即成本最小化越来越接近,为2 782元,且比较改进前(虚线)结果是收敛的,因此证明使用改进后的遗传算法可行。

3.1 机组实际总出力和备用容量比较分析

负荷、实际总出力、AGC和旋转备用容量在24 h的趋势比较如图5所示。在t=4 h时负荷开始增加,t=12 h时达到峰荷(7 380.6 MW)后开始下降,在t=14 h下降到低谷(6 482.63 MW),t=19 h,负荷达到一天第二峰荷(7 269.89 MW),之后在t=24 h,负荷缓慢下降到6 300.64 MW。机组出力的趋势和负荷趋势基本相近,在第一峰荷(t=12 h)时,机组出力上升到2 392.86 MW,t=14 h时下降到1 850.87 MW,之后上升到2 641.73 MW(t=20 h),然后下降到1 238.42 MW(t=24h)。在负荷和出力增加时,AGC从152.08 MW(t=9 h)下降到98.38 MW(t=10 h),旋转备用从117.87 MW(t=11h)下降到77.23 MW(t=12 h)。在负荷和出力平缓下降的过程中,AGC从88.44 MW(t=19 h)上升到115.55 MW(t=23 h),旋转备用从72.72 MW(t=20 h)上升到130.36 MW(t=24 h),相比峰荷时AGC和旋转备用变化较为平缓。

当系统负荷处于峰荷时,负荷本身的波动比较大,系统发电容量比较紧张。机组出力在满足负荷变化的同时,发电公司在这些时段也投入了较多的精力来参与AGC和旋转备用的投标以谋求更高的利润。为了维护系统的安全稳定,就需要获取较大的AGC和旋转备用容量,故AGC和旋转备用容量波动较大。当系统负荷的波动比较平坦时,对预测的AGC容量和旋转备用容量所作的调整也不大,加上发电公司对此时的AGC和旋转备用报价也比较平稳,故所获取的AGC和旋转备用容量较低、较平坦。

3.2联合优化下社会效益分析

系统某一天24时段成本与负荷变化见图6。最小成本(包含有功发电成本、AGC成本和旋转备用成本)曲线的趋势呈波动性,且和负荷波动的趋势相反。

这是因为在电力市场中,为了提高发电商提供辅助服务的积极性,通常给AGC和旋转备用更多补偿,故AGC和旋转备用的成本较高。在负荷较高时,更多的容量用于有功出力,没有多余的容量安排给AGC和旋转备用,相对系统的总成本较低,而负荷较低时,AGC和旋转备用容量相对增加,在这样一个多商品市场中,系统总成本增加。

3.3不同目标下社会效益比较

使用同样的系统和算法,目标函数分别为电量、AGC和旋转备用购买成本最小,不考虑旋转备用时优化的最小成本和不考虑AGC优化的最小成本,高负荷和低负荷时的成本对比如图7所示。可以看出,在低负荷和高负荷的情况下,电量、AGC和旋转备用联合优化的成本均小于另外2种优化算法。低负荷时三者联合优化成本为4 044.78元,高负荷联合优化成本为3 175.84元,低于电量和AGC优化的成本(高负荷为5 463.13元,低负荷时为4 487.367元)和电量旋转备用优化的成本(高负荷时为6 181.86元,低负荷时为4 117.54),充分体现了联合优化的优势。相对另外2种方法,电量、AGC和旋转备用联合优化模型的系统运行总成本较小,达到了经济性和安全性的目的。

4结论

在电力市场环境下,对电量、AGC服务和旋转备用服务调度的优化问题进行讨论,建立了电量、AGC和旋转备用联合优化的数学模型,并运用了免疫遗传算法对模型进行了分析。该模型充分考虑电量、AGC和旋转备用容量的成本和调节特性,得到发电机出力、AGC容量和旋转备用的最优分配。该模型目标清晰、考虑周全,对统筹电量市场和辅助服务市场,保证安全性和经济性具有现实指导意义。

在电能和有功备用联合优化的模式下,随着负荷的变化,发电机通过模型寻求最优的备用获取方式,有利于系统合理利用资源。在电能市场、AGC市场和旋转备用市场中相互作用下,通过联合优化,缓和了系统中有限装机容量、AGC和旋转备用容量分配之间的矛盾,维持了系统运行的稳定性。联合优化后,在满足系统要求的同时,相对只开放AGC或者只开放旋转备用市场,本文研究的AGC市场和旋转备用市场同时开放,以成本最小为目标联合优化电量、AGC和旋转备用,节约发电成本,达到经济运行的目的。

摘要：在电力市场和有功备用辅助服务市场中,AGC服务、旋转备用和有功电量具有较强的耦合性,即AGC容量和旋转备用容量直接关系到电量市场波动,故电量、AGC和旋转备用统一决策是辅助服务中的一项重要内容。首先研究了电量、AGC和旋转备用联合优化的可行性,说明了该优化方式和现行市场运营模式相适应。建立了以社会效益最大化为目标的最优备用数学模型,考虑到备用约束,机组爬坡速率以及系统安全性约束,运用自适应免疫遗传算法求解模型。对电力系统进行仿真计算,验证了该模型是兼顾经济性和可靠性的最优电量、AGC和旋转备用的获取方案,为所倡导的电量市场和有功备用辅助服务市场联营机制的设计和优化提供了借鉴。

备用电源自动投入装置的应用篇2

【关键词】供电系统；备用电源；自动投入；恢复供电；方便快捷；经济效益

电力系统与其他工业生产相比有其特有的规律，电能的生产、输送和消费都在同一时间内完成。因此，电力系统各环节之间存在着紧密的联系，从发电厂到供电部门，于用户组成一个整体，只要有任何一处发生故障，都有可能影响局部甚至整个供电系统，给用户带来极大的不便和经济损失。因此，要求电能生产和消费在同一时刻内完成，不允许间断和停顿电网接线一般采用一主一备双电源的接线形式。备用电源自动投入装置，是主供电源发生故障时，备用电源自动投入，从而立即恢复对用户的供电。备用电源自投装置在电网中的使用，是保证电网安全、可靠、不间断稳定运行的有力技术手段。

七煤集团电力总公司东风变电所于2008年11月投入使用备用电源自投装置（型号Rcs-9651c），仅投资5万元，便减少了因故障时不能持续供电带来的损失，其间接效益不可估量。

下图为典型双电源进线配置接线方式，对于这种方式，Rcs-9651c具有4种自适应的备自投方式：

方式1和2：对应1#和2#进线互为明备用的两种动作方式。

方式3和4：对应通过分段断路器实现Ⅱ母和Ⅰ母互为暗备用的两种动作方式。

方式1详解：（方式2原理相同）

1#进线运行，2#进线备用，即1DL、3DL 在合位，2DL 在分位。当1#进线电源因故障或其他原因被断开后，2#进线备用电源应能自动投入，且只允许动作一次。为了满足这个要求，设计了类似于线路自动重合闸的充电过程，只有在充电完成后才允许自投。

充电条件：（1）Ⅰ母、Ⅱ母均三相有压，当2#线路电压检查控制字投入时，2#线路有压（Ux2）。

（2）1DL、3DL在合位， 2DL在分位。经备自投充电时间后充电完成。备自投充电时间可在“装置整定-辅助参数”菜单中整定。

放电条件：（1）当2#线路电压检查控制字投入时，2#线路不满足有压条件（Ux2），经15S 延时放电。其门槛是：当线路额定电压二次值为100V时为Uyy；当线路额定电压二次值为57.7V时为Uyy*0.577。

（2）2DL合上经短延时。

（3）本装置没有跳闸出口时，手跳1DL 或3DL（本条件可由用户退出，即“手跳不闭锁备自投”控制字整为1）。

（4）引至‘闭锁方式1自投和‘自投总闭锁开入的外部闭锁信号。

（5）1DL，2DL，3DL的TWJ异常。

（6）1DL、1DLF、2DLF开关拒跳。

（7）整定控制字或软压板不允许#2进线自投。

动作过程：当充电完成后，Ⅰ母、Ⅱ母均无压（三线电压均小于无压起动定值），Ux2 有压（JXY2 投入时），I1无流起动，经延时Tt1，两对电源1 跳闸接点动作跳开电源1开关（1DL）、Ⅰ母需要联切的开关，电源2跳闸接点动作跳开Ⅱ母需要联切的开关（JLT2投入时）。确认1DL 跳开、1DLF跳开（JLT1 投入时）和2DLF 跳开（JLT2投入时）后，且Ⅰ母、Ⅱ母均无压（三线电压均小于无压合闸定值）或满足同期条件2（检同期2 投入时），分别经Th1、Th2延时合电源2的两对合闸接点。若“加速备自投12”控制字投入，当备自投起动后，若1DL 主动跳开（TWJ1为1），则不经延时空跳1DL和需要联切的开关，其后逻辑同上。

方式3，4详解：

当两段母线分列运行时，装置选择分段开关自投方案。

充电条件：（1）Ⅰ母、Ⅱ母均三相有压。

（2）1DL、2DL在合位，3DL在分位。经备自投充电时间后充电完成。

方式3—Ⅰ母失压：

放电条件：（1）3DL在合位经短延时。

（2）Ⅰ、Ⅱ母不满足有压条件（线电压均小于Uyy），延时15S。

（3）本装置没有跳闸出口时，手跳1DL或2DL（本条件可由用户退出，即“手跳不闭锁备自投”控制字整为1）。

（4）引至‘闭锁方式3自投和‘自投总闭锁开入的外部闭锁信号。

（5）1DL，2DL，3DL的TWJ异常；使用本装置的分段操作回路时，控制回路断线，弹簧未储能（合闸压力异常）。

（6）1DL、1DLF开关拒跳。

（7）整定控制字或软压板不允许Ⅰ母失压分段自投。

动作过程：当充电完成后，Ⅰ母无压（三线电压均小于无压起动定值）、I1无流，Ⅱ母有压起动，经Tt3延时后，两对电源1跳闸接点动作跳开1DL、Ⅰ母需要联切的开关。确认1DL跳开和1DLF跳开（JLT1投入时）后，且Ⅰ母无压（三线电压均小于无压合闸定值）或满足同期条件3（检同期3投入时）经Th34延时合上3DL。

方式4—Ⅱ母失压：

放电条件：（1）3DL在合位经短延时。

（2）Ⅰ、Ⅱ母不满足有压条件（线电压均小于Uyy），延时15S。

（3）本装置没有跳闸出口时，手跳1DL 或2DL（本条件可由用户退出，即“手跳不闭锁备自投”控制字整为1）

（4）引至‘闭锁方式4自投和‘自投总闭锁开入的外部闭锁信号。

（5）1DL，2DL，3DL的TWJ异常；使用本装置的分段操作回路时，控制回路断线，弹簧未储能（合闸压力异常）。

（6）2DL、2DLF开关拒跳。

（7）整定控制字或软压板不允许Ⅱ母失压分段自投。

动作过程：当充电完成后，Ⅱ母无压、I2 无流，Ⅰ母有压起动，经Tt4 延时后，两对电源2 跳闸接点动作跳开2DL、Ⅱ母需要联切的开关。确认2DL跳开和2DLF 跳开（JLT2 投入时）后，且Ⅱ母无压或满足同期条件3（检同期3投入时）经Th34延时合上3DL。若“加速备自投34”控制字投入，当备自投起动后，若1DL/2DL主动跳开，则不经延时空跳1DL/2DL和需要联切的开关，其后逻辑同上。

Rcs-9651c装置可以通过不同的充电条件来自动选择以上4种不同的备自投方式动作，这4种方式也可以通过控制字或者硬压板来实现功能投退，方便操作，为电网的安全运行提供了可靠保证。

东风变的备自投方式：

东风变共有两个备自投装置，分别实现单投单备和双投双备功能。

1.单投单备（新胜线、新风线互为备投）

（1）自投方式1：新胜线带东风变全所负荷，新胜线故障跳新胜线开关，合新风线开关。

（2）自投方式2：新风线带东风变全所负荷，新风线故障跳新风线开关，合新胜线开关。

（3）自投方式3：新胜线、新风线带东风变分列运行，新胜线故障跳新胜线开关，合母联开关。

（4）自投方式4：新胜线、新风线带东风变分列运行，新风线故障跳新风线开关，合母联开关。

2.双投双备（新胜线、新风线运行，新东线、新建线备投）

只实现自投方式2：新胜线、新风线分列运行，同时故障时跳新胜线、新风线开关，合新东线、新建线开关。

3.压板投、退说明

3.1单投单备