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user: 3. 并行计算技术与理念在黑启动中的应用 电力大数据的应用场合涵盖发、输、变、配、用、调等电力行业的各个环节，在风电场选址、降低网损、风电并网、电网安全监测、大灾难预警、电力企业精细化运营、电力设备状态监测等领域都有非常强的可实现性。随着智能电网建设的进一步推进，大数据技术在智能电网中将发挥越来越大的作用。 黑启动是指电力系统因故障导致全网停电后，仅依靠停电区域内能够自启动的发电机组带动其他无自启动能力的发电机组，逐渐以点带面，逐步恢复系统供电的过程，广义上讲，在自启动发电机组快速启动后，恢复附近的重要负荷，维持重要负荷的稳定运行，也称为黑启动过程 [ 8 ]。 黑启动过程可以简单分为三个阶段，即黑启动电源点选择、网架重构、负荷恢复 [ 9 ]。因此在制定黑启动恢复策略时也需要经过以下几个步骤： 1) 确定黑启动电源。黑启动过程中所要用到的电源可以分为两批，分别为第一批的自启动电源与第二批被启动电源。第一批启动电源必须是能够快速实现自启动的机组，通常选择具有优异的自启动能力的水轮机组、柴油机组和燃气轮机等。第二批启动电源为因故障而停运的大型电厂，不具有自启动能力，通过第一批启动电源的带动而恢复。第二批启动电源恢复后，在电网中形成分散的“孤点电源”，为后续的网架重构与负荷恢复奠定能源保障，完成黑启动过程中电网的“点”复原。 2) 确定网架重构方案。网架重构即是电网中的“孤点电源”相互链接的过程。通过系统内主要的发电机组，向重要的输电线路进行充电，恢复骨干输电线路，逐步重构电网网架，与此同时，向重要性高的负荷供电，恢复枢纽负荷节点，保障社会的正常运作，实现黑启动过程中的“线”复原。 3) 确定负荷恢复方案。网架重构后，系统的可靠性和稳定性有了一定的基础，大范围的负荷恢复成为首要目标。尽量以最短的时间恢复符合供电，减少停电时间，降低停电所带来的经济损失和社会危害，实现黑启动过程中的“面”复原。 4) 黑启动方案技术校验。在黑启动的过程中，电力系统大面积停运，与正常运行时的状态有很大的不同，电网处于一种较脆弱的状态，而黑启动过程又受线路操作过电压和变压器励磁涌流等多个技术问题的影响，在黑启动的过程中稍有不慎就可能导致黑启动的失败。因此，无论是在黑启动方案的研讨制订阶段，还是在现场调度人员根据实际情况进行方案的优化选取，都必须进行变压器励磁涌流、输电线路合闸过电压等问题的幅值校验，以确保黑启动方案的可行性。目前，常采用手动建模的方式，采用电磁暂态仿真软件PSCAD或EMTP进行建模，通过仿真的方式进行技术校验。 5) 黑启动方案优化评估。在经过上述四个步骤后，会形成一定数量的可行黑启动方案，需要进行黑启动方案的优劣排序，以便现场调度人员根据实际情况选择合适的黑启动方案。 3.1. 并行理念在黑启动恢复策略中的体现 针对黑启动恢复策略方面的研究，主要可分为串行恢复和并行恢复及两者混合的恢复策略。串行恢复策略是指通过单个黑启动电源逐步恢复电网内负荷的方式；并行恢复策略是指多个具有黑启动电源的子系统同时启动，运行稳定后再同步并网 [ 10 ]。 串行恢复策略，也可称为向下恢复，或“自上而下”恢复。依靠相邻系统的功率支援或系统内具有较大无功调节能力的机组，首先恢复主干网架，依托长距离超高压输电通道，向分布在各地的发电厂提供启动功率，并使带电范围逐渐向低电压等级延伸，最终实现全网恢复。“自上而下”恢复适用于黑启动电源较为匮乏但系统主干网架比较强壮的地区。在发生局部停电、主要依靠外部电源进行恢复时，也应首先考虑该策略。如图3所示，串行恢复策略由于是一种从单个黑启动电源逐步恢复电网内负荷的方式，因此无需准备同期并列装置，较为简单，调度人员可以利用超高压输电网络，对有限的资源进行快速、统一的部署。但它无法充分利用系统内各个电源的黑启动能力，无法保证负荷的供电可靠性，且由于将整个停电区域看做一个整体，控制过程更为复杂，决策难度较高。 并行恢复策略，可称为向上恢复，或“自下而上”恢复。该方法根据黑启动电源和待恢复电厂的分布情况，将整个停电区域划分为若干个子区域，各子区域利用其内部的黑启动电源进行独立并行恢复(图4)。待各子系统恢复到一定程度后，通过事先选定的同期点进行并列，最终实现各子系统的同步运行。向上恢复适用于黑启动电源较为充足且无外部功率支援的情况。通过对系统分区，可以实现多进程并行操作和对恢复的分散化管理，从而提高系统恢复效率。停电区域越大、分区数量越多，其对恢复效率的提升就越明显。另一方面，采用分区恢复方式后，单个分区的系统规模有限，因此相关优化问题的建模和求解会变得相对容易，降低了恢复决策的难度。当然，如果采用这种恢复策略，对所需要恢复电网的各独立子系统并联组网方面需要满足一定的同步要求。 图3. 串行恢复示意图 图4. 并行恢复示意图 3.2. 并行计算在黑启动方案的决策过程中的应用 决策是为了解决某一问题，根据特定的多个目标及客观的实际情况，借用合适的工具、方法和技巧等制定出多个可行的候选方案，然后遵循一定的标准再从候选方案中选取出最佳方案的过程。 大面积的停电事故发生的原因和导致的后果是多样且不可预知的，在大停电事故发生后，电网处于一种紧急且脆弱的状态，在系统的整体架构、电气设备的运行方式和负荷的供电状态与电网正常运行时有很大的不同，事先制定的黑启动预案可能无法直接使用，致使系统的恢复被延误。另外，电网中会有新机组和新线路不断地投入，系统的运行方式也会经常性的变化，黑启动预案会因为无法及时根据电网的变化进行更新，导致系统的恢复被延误。对大量的大停电事故进行调查发现，过时的恢复方案是导致黑启动进程被延误的第二关键问题。因此，十分需要一套黑启动决策支持体系，不仅能够有效地制定黑启动预案，还能够帮助调度人员根据实际情况在线快速地更新恢复计划。 根据决策的含义可知，黑启动方案的决策过程即是黑启动方案的优化和评估两个过程的总称。不同的机组在黑启动路径选择、负荷恢复策略等各方面存在一定差异，因此需要建立各自的决策支持体系。 3.2.1. 考虑可靠性与发电量的黑启动决策系统 黑启动恢复方案的决策过程中，需要综合考虑黑启动方案的可靠性与发电量，以系统恢复过程中的电压稳定性和整体发电量为两个优化目标，在优化目标电压稳定性中，同时考虑了各节点的电压水平和合闸空载输电线路产生的操作过电压对黑启动可靠性的影响，然后运用适当的路径搜索与优化算法，得出上述两个目标的最优解集。 图5. 黑启动方法决策体系流程图 如图5所示，运用路径优化搜索(Dijkstra法)和群搜索优化算法(Group search optimizer， GSO)获取电压稳定性和整体发电量的帕累托最优解集后，应用证据推理(Evidential reasoning， ER)的方法合理地将电力工作者的工作经验等融入决策体系，对帕累托解集中的方案进行多属性决策的体系流程图。 3.2.2. 考虑群体决策差异的黑启动决策系统 采用黑启动群体决策是通过专家之间的相互妥协和协商，达成黑启动决策专家们意见一致的群体决策结果。若专家们的决策意见有较明显的差异，就需要衡量专家意见之间的差异，在他们满意的范围内对专家与指标的权重进行调整，使得最终得出的黑启动群体决策结果具有较好的一致性。通过改善群体决策结果的一致性，减少专家的主观偏好对黑启动决策结果的不良影响，增大群体决策的合理性。 用群体决策来评估黑启动方案时，指标权重和专家权重对最终的决策结果都有很大影响，因此，设置权重是十分重要的。主观、客观、主客观结合三种权重设置法中，主观赋权法得到的主观权重在用于黑启动决策时会让决策结果带有很强的主观随机性；客观赋权法得到的客观权重用于黑启动决策时可能让决策结果与实际结合得不够紧密；让主观与客观并行使用的综合权重结合两者的优点，更适用于实际情况。主客观权重结合的算法有很多，以乘法合成法为例： 设对于包括x个评价指标的黑启动决策问题，代表主观权重的向量为 W s u b = [ w s u b ( 1 ) ， w s u b ( 2 ) ， ⋯ ， w s u b ( m ) ] ， 代表客观权重的向量为 W o b j = [ w o b j ( 1 ) ， w o b j ( 2 ) ， ⋯ ， w o b j ( m ) ] ， 综合权重向量设为 W = [ w ( 1 ) ， w ( 2 ) ， ⋯ ， w ( m ) ] ， 则有 w ( j ) = w s u b ( j ) w o b j ( j ) ∑ j = 1 m w s u b ( j ) w o b j ( j ) ，   j = 1 ， 2 ， ⋯ ， m 。 黑启动决策问题较为复杂，仅一次的赋权也许难以让绝大部分决策专家们满意。因此，在决策一致性较差的情况出现时，就应该先对指标权重和专家权重进行修正，再利用调整后的权重重新决策。 图6. 黑启动群体决策一致性分析及权重调整算法流程图 如图6所示，运用直觉模糊集和直觉模糊距离并结合乘法合成法来进行黑启动群体决策一致性的分析与权重调整，能让黑启动方案决策过程更符合于实际情况。