《Renewable Energy Focus》：Optimized black start restoration using water cycle algorithm in renewable-dominant power systems
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尼日利亚28节点传输网络中应用水循环算法（WCA）结合光伏-储能系统（PV-ESS）实现黑启动与负荷恢复，验证了WCA在可再生能源主导电网中的有效性，可在114分钟内恢复5100MW发电能力和600MW优先负荷，降低系统风险指数至25.525。
Nosagieagbon Owomano Imarhiagbe|Abraham Olatide Amole|Titilayo Adelaja Kuku
电气/电子与电信工程系，贝尔斯技术大学，P.M.B. 1015，奥贡州奥塔，尼日利亚
摘要
发展中国家持续面临电网不稳定和长时间停电的问题，这些问题削弱了经济和社会的韧性。尼日利亚频繁发生长时间停电，每年多次出现系统性停电，恢复时间往往超过数小时。随着这些系统向可再生能源发电过渡，传统的化石燃料启动程序变得越来越不适应。为了解决在可再生能源不确定性下的复杂和约束条件下的启动问题，本研究提出了一种基于可再生能源的启动和负荷恢复框架，该框架使用了水循环算法（WCA），并在IEEE 24节点基准测试中得到了验证，并应用于尼日利亚的28节点输电网络。与IEEE 24节点系统上的粒子群优化（PSO）进行比较后，进一步证实了WCA的有效性，在参数变化范围内恢复性能保持稳定。所提出的方法部署了配备电网形成逆变器的光伏-储能系统（PV-ESS）作为启动单元，以实现快速稳定的电网重新通电。在每个节点上设置了20%的关键负荷限制，以确保在严重停电情况下优先恢复。仿真结果显示，WCA在动态匹配实时发电与负荷吸收的同时，最小化了不稳定性，在114分钟内恢复了高达5100兆瓦的可用发电能力和600兆瓦的关键负荷。恢复后的风险指数为25.525，表明运行稳定性得到了提高。通过验证WCA在停电恢复期间协调可再生能源资源的能力，本研究为发展中国家以可再生能源为主导的电网提供了可复制的低碳恢复策略基准。
引言
停电后可靠快速的电网恢复对于减少电力中断造成的社会和经济破坏至关重要[1]。随着电力系统向更高比例的可再生能源和分布式能源资源发展，由于惯性降低、逆变器主导的发电以及更严格的运行约束，停电恢复变得越来越复杂[2]。尼日利亚的情况尤为具有挑战性，其国家输电网络包括热能、天然气和水力发电，装机容量约为9,065兆瓦，通过广泛的330千伏和132千伏输电网络相连[3]。尽管有这样的基础设施，电网仍然非常不稳定，表现为频繁的系统崩溃、输电瓶颈以及无法满足不断增长的需求[4]。结构缺陷，包括老化资产、有限的维护、燃料限制和破坏行为，加剧了恢复难度并延长了停电时间，导致广泛的经济损失和关键服务中断[5]、[6]。这些条件使得尼日利亚的高压输电网络成为在以可再生能源为主导的运行条件下测试先进启动和负荷恢复策略的相关且具有挑战性的平台。
启动和负荷恢复已被广泛研究为电力系统韧性的关键组成部分，现有方法从启发式排序方法到基于优化的发电机启动和负荷吸收公式都有[7]、[8]。然而，现有文献大多依赖于确定性的恢复序列或单层优化框架，通常是为传统的同步发电主导系统开发的[11]、[12]。因此，由可再生能源和储能系统引入的逆变器主导的低惯性运行条件未能得到充分考虑，特别是在早期电网重新通电阶段，此时运行约束最为严格[14]、[15]。因此，目前缺乏一个能够将可再生能源发电、储能动态和网络约束结合在一起的协调恢复框架。本研究的目标是开发并评估一种基于可再生能源的启动和负荷恢复框架，使用水循环算法（WCA）。该框架首先在IEEE 24节点基准系统上进行了验证，以确定算法的正确性和通用性，随后应用于尼日利亚的28节点、330千伏输电网络。所建模的28节点系统代表了国家电网的主要高压骨干，涵盖了在以可再生能源为主导的运行条件下进行现实恢复分析所需的关键输电走廊和发电节点。
本研究对电力系统启动和负荷恢复文献做出了以下技术贡献：
1.开发了一种多层次的基于可再生能源的启动公式，它在逆变器主导的运行条件下联合优化发电机启动顺序和可靠的传输路径选择。与依赖确定性或单层优化的现有恢复研究不同，所提出的框架在早期恢复阶段明确整合了单元级和网络级的决策。
2.提出了一种基于水循环算法的恢复策略，用于协调配备电网形成逆变器的光伏-储能系统作为启动单元。该公式考虑了系统能源可用性、关键时间间隔、单元功率特性和网络约束，使得在低惯性条件下能够实现可行的恢复排序。
3.在IEEE 24节点可靠性测试系统上进行了基准验证，以确定所提出方法的可行性、收敛行为和普遍适用性。与粒子群优化的比较评估表明，在相同的恢复约束下，目标收敛性和系统风险得到了改善。
4.将这种方法应用于尼日利亚的28节点、330千伏输电网络，首次使用标准化优化框架对尼日利亚的基于可再生能源的启动能力进行了系统级评估。结果显示，在现实的基础设施和运行约束下，实现了关键负荷的优先恢复和稳定的恢复轨迹。
电力系统恢复是指在停电或重大干扰后主动重新连接电网的过程。早期的努力主要集中在能够无需外部供应即可启动的传统启动电站上。这些单元用于启动恢复过程，依次重新激活网络的各个部分[11]。恢复实践中的主要成就包括自动恢复方案的出现、智能电网的整合以及恢复过程中复杂的控制策略[11]。设计了不同的恢复技术，尽量减少或不需要人工操作员的干预，以加快恢复过程。这些方案使用智能电子设备和算法进行故障检测、实际隔离以及机械性的网络重新连接以供电[12]。广域测量系统（WAMS）和监控控制与数据采集（SCADA）系统也被用于电网系统的实时监控和控制。
这些技术帮助操作员更好地判断电网的整体系统可靠性[12]。在恢复过程中采用的额外控制措施包括负荷削减和频率控制。负荷削减是通过切断个别负荷来减少需求并避免重复停电的过程[12]。频率控制对于调节电力系统并防止可能导致多次干扰的频率波动至关重要。总之，多年来电力系统的恢复已经发展到包括更多的自动化恢复方案、智能技术和先进的控制方法[11]。这些进步使恢复过程更加高效和可靠，使电网更具韧性[11]。
当前的研究探讨了使用可再生能源（如太阳能或风能）作为启动电源的优势。这些可再生能源启动单元似乎提供了一种可持续和绿色的电力系统恢复方法[13]。然而，它们也存在一些困难：间歇性和系统惯性较低。间歇性是指由于天气模式变化导致的电力供应波动。系统惯性是指电力系统抵抗频率变化的能力[13]。
解决这些问题意味着需要考虑创新的控制方法，并引入储能系统以提供可靠和稳定的启动。例如，使用电网形成形式的转换器来支持惯性并在启动操作期间稳定电力系统[13]。储能解决方案，如电池储能系统（BESS），也用于备用电源和平稳波动的可再生能源发电。然而，与其他方法相比，可再生能源启动单元具有多个优势。它们具有较低的温室气体排放水平，并促进了更清洁能源的采用[13]。此外，它们可以轻松调动，并能在最短时间内上线，从而为电网供电。在极端紧急情况下，快速恢复尤为重要。通过引入新的可再生能源启动单元，可以解决启动问题，同时考虑到环境问题和操作复杂性。随着新的控制策略的出现和储能系统的引入，这些单元可以为电力系统恢复提供稳定和可持续的选择[13]。
章节摘录
发展中国家电力系统中启动和恢复应用的技术回顾
为了为基于可再生能源的启动和负荷恢复在发展中国家电力系统中提供一个结构化的技术背景，根据电网规模、启动资源类型、优化策略和恢复约束对现有研究进行了比较。这种比较突出了与大规模输电网络恢复相关的方法论趋势和技术限制。表1显示，最近的启动和负荷恢复研究越来越多地纳入了可再生能源
方法论
在停电条件下对尼日利亚的28节点输电系统进行了建模，使用光伏-储能系统（PV-ESS）作为电网形成启动单元，发电机G6作为指定电源。采用了两层优化框架，应用水循环算法（WCA）进行发电排序和负荷吸收，而Dijkstra算法确定了可靠的恢复路径。分阶段恢复使用了每个节点20%的关键负荷阈值来优先处理关键服务。仿真
结果与讨论
水循环算法（WCA）被用来优化尼日利亚28节点输电网络的恢复；结果在以下图表中呈现。
讨论
本节讨论了获得的恢复结果的意义，重点关注观察到的优化行为、基于可再生能源的启动资源的作用以及所提出框架的实际相关性。讨论侧重于解释而非重复数值结果。
结论
本研究提出了一个基于可再生能源的尼日利亚28节点输电系统的启动和负荷恢复框架，采用多层次优化方法来支持在重大干扰后的韧性、低碳恢复。所提出的公式首先在IEEE 24节点可靠性测试系统上进行了验证，以确定算法的可行性和通用性，随后应用于尼日利亚的实际运行约束下的网络。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
