基于实用化安全约束经济调度扩展建模策略.pdf

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基于实用化安全约束经济调度扩展建模策略1 基于实用化安全约束经济调度扩展建模策略2 基于实用化安全约束经济调度扩展建模策略3 基于实用化安全约束经济调度扩展建模策略4 基于实用化安全约束经济调度扩展建模策略5 基于实用化安全约束经济调度扩展建模策略6
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第41卷第24期2013年12月16同电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVo1.41NO.24Dec.16.2013基于实用化安全约束经济调度扩展建模策略许丹,赵鸿图,丁强,张晓天。,蔡帜(1.中国电力科学研究院,北京100192;2.河南理工大学计算机学院,河南焦作4540003.东北调控分中心,辽宁沈阳110180)摘要:安全约束经济调度是提高电网运行可靠率,实现节能减排,提高调度计划精细化管理水平的有效技术手段。现有安全约束经济调度研究多集中在常见目标与约束建模以及优化算法等方面,较少考虑实际生产因素,因此计划结果执行率偏低,“”安全约束经济调度在实际生产中实用化困难。针对上述问题,针对计划编制的优化目标,三公调度、计划出力曲线形状以及基础数据区间处理等实际需求,提出了基于实用化的安全约束经济调度扩展模型。将所提的建模策略应用于多个生产实“”例,证明了所提模型在增强三公调度准确率、改善计划出力曲线形状以及提高计划结果执行率上有着较好的.Y-程实用性。“”关键词:安全约束经济调度;三公调度;计划曲线形状;区间处理;计划执行率Modelingstrategybasedonutilityofsecurityconstrainedeconomicdispatch—XUDan,ZHAOHongtu,DINGQiang,ZHANGXiao.tian,CAIZhi(1.ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing100192,China;2.CollegeofComputerScienceandTechnology,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China;3.NortheastPowerDispatchingCenter.Shenyang11018O.China)Abstract:Securityconstrainedeconomicdispatchisaneffectivetechnicalmeanstoimprovethepowergridreliabilityrate,achieve—energysavingandemissionreduction,andimproveleanmanagementofdispatchingplan.Existingsecurityconstrainedeconomicdispatchstudiesfocuseoncommongoalsandconstraintsmodelingandoptimizationalgorithm,withlessconsiderationofactualproductionfactors,SOtheplannedresultisoflowimplementationrateandsecurityconstrainedeconomicdispatchhaspracticaldifficultiesintheactualproduction.Inresponsetotheseissues,forplanningoptimizationgoals,impartialandopenpowerdispatching,shapeoftheplanningoutputcurveandbasicdataintervalprocessing,thispaperpresentsanextendedmodelofsecurityconstrainedeconomicdispatchbasedonutility.Proposedmodelingmethodisappliedtomultipleproductioninstances,whichprovesthattheproposedmodelhasengineeringpracticalityinstrengtheningimpartialandopenpowerdispatchingaccuracyandimprovingplanoutputcurveshapeandtheimplementationrateoftheplannedresults.Keywords:securityconstrainedeconomicdispatch;impartialandopenpowerdispatching;curveshape;intervalprocessing;rateofimplementationoftheplan中图分类号:TM73文献标识码:A———义章编号:16743415(2013)240076060引言随着社会经济的快速发展,能源供应紧缺与环境污染问题变得日趋严重,实行节能减排已成为我国的一项基本国策。在电力生产中安全约束经济调度是提高电网运行可靠率,实现节能减排,提高调度计划精细化管理水平的有效技术手段。对于经济调度的研究早在上世纪五十年代就已经逐步开…展,主要是以系统整体煤耗为优化目标,多采用优先次序法、等微增率法、线性规划法等算法进行求解,对于网络安全约束由于局限于当时计算条件难以直接加入模型求解,所以多采用后续校验调整模式。目前对于单纯的节能经济调度研究己不多见,随着近些年来新能源发电所占比例的逐步提高,考虑风电等新能源以及环境污染约束的动态经济调度逐步成为研究热点【2J。由于实施节能发电调度将引起各方利益的重大调整J,节能发电调度经济补偿机制的建立有利于保障节能发电调度的顺许丹,等基于实用化安全约束经济调度扩展建模策略利实施,因此文献[6]则重点研究了节能发电调度经济补偿机制的市场模型及算法。考虑到安全约束机组组合(SCUC)问题能够完全包含经济调度并因为引入整数变量,而使得模型的求解难于经济调度,因此安全约束机组组合成为节能经济调度领域的研究热点引。目前对机组组合的研究多集中在建模与求解算法上,建模研究侧重于解决在机组组合问题中对开机费用的处理以及爬坡约束、最小开停、典型开停机曲线等各类必备约束的考虑。而对机组组合问题的求解算法研究则更为多见,众多学者将诸如混合整数规划、动态规划、分层分支定界、邻域搜索以及各类智能优化算法等应用于机组组合问题,研究的目标在于扩大计算规模,提高计算速度和精度。目前国内外对节能经济调度的研究主要集中在常见目标、约束建模,求解算法以及新形势下的市场补偿机制等方面,对模型与算法的验证也多是基于IEEE的典型算例,这类研究具有前瞻性与基础性,是扩展研究的基础。但要将研究结果投入实际生产运行,就需要开展面向国内调度计划实际生产业务相结合的实用化研究,然目前相关研究则较为鲜见。由于国内各省能源构成相差甚大,调度计划业务各有特点,因此传统的一成不变的模型构成不能很好地适应个性化需求,这就可能造成计划结果可执行率偏低,计划潮流与实际潮流偏差较大等问题。为解决上述问题,本文通过多地调研,以实“”际需求为基础,从计划编制的优化目标、三公调度、曲线形状以及基础数据的区问化处理等实际约束出发,提出了基于实用化安全约束经济调度扩展建模策略。将本文所提的建模策略应用于多地生产实际,运行结果有效地证明了本文所提建模方式“”的正确性与有效性,方法在提高三公调度准确性与计划结果执行率等方面体现了良好的工程适用效果。1安全约束经济调度传统数学描述安全约束经济调度优化目标是在规划周期内使机组的运行费用的最小,该运行费用可以定义为煤耗,报价或是其他相关成本。目标函数描述为三f=(min)F(p)(1)t=li=1Ⅳ式中:为规划周期内的总时段;为机组总数;,为机组f在时段f的状态,1表示开机,0表示停机;F(p,)为机组f在时段f的运行费用,当采用煤耗最小时,煤耗曲线通常可采用二次函数描述如式(2)。F(p¨)=口p+6p¨+c(2)“式中:P为机组i在时段f的出力值;、b、c为二次函数的特性值,具体取值与机组的特性相关。如果F(p)采用分段报价时,报价曲线通常可以采用分段函数进行描述如下:F(p)=“bo。P4-COPoPf.,‘≯l6l+c11(3)一‘“】P+CPP¨≯“式中:P为机组i在时段f的出力值,到为机组出力分断区间;_I,c为各分段区间一次函数系数。安全约束经济调度的主要约束包括。(1)系统负荷平衡约束。Ⅳ∑PD,,=,,(4)f式中:代表系统在时刻f的负荷预测值。(2)机组自身性能约束,其中包括机组出力限值约束、机组爬坡约束。『,,{,,一,f_l,。‘1一,,d0式中:Pi帅为机组i的上爬坡限值;,down为机组i的下爬坡限值。(3)网络潮流约束,其中包括潮流平衡约束、支路限值约束。‘’f=UUj(G.c0s0U+Bsin)(6)—≤IPfmpf,,Pfm式中:为各个节点有功;.为时段支路,的有功潮流,它必须满足支路功率约束。为了保证系统可线性化,通常对潮流约束进行线性化处理,即采用直流潮流构建优化模型为j0=Xp(7)‘\pij=、0i一0i}xij式中:P为各个节点注入有功功率;为网络的节点阻抗矩阵;.,为节点I,j之间支路的有功潮流;Xi为节点,、,之间支路的电抗值。2安全约束经济调度实用化模型构建传统的安全约束经济调度通常以成本最优为一78一电力系统保护与控制目标,以系统平衡、机组自身运77,H电网潮流为相关约束条件进行模型构造,虽然该模型具有普适性,求解算法也比较成熟,但是由于其未考虑我国各地实际情况与具体需求,因此实用性不足。2.1基于实用化的优化目标建模传统目标函数通常以煤耗曲线、报价曲线为依托,以煤耗最小或是报价最低为优化目标。但实际“”上由于我国目前采用的是i公调度模式,因此该目标在现行阶段可操作性较弱。目前各地普遍采用的都是通过虚拟成本以实现优化目标建模,在虚拟成本构建方面,本文基于实际需要提出三种具有“”呵操作性的构造方式:1)基于三公调度的优化目标,2)基了最小调整量的优化目标,3)以特定线路传输容量最优为目标。“”2.1.1三公调度目标构造“”目前我国实行的是二三公调度政策,因此完“”“”成三公电量是各省调度的核心任务。三公电量有年度指标,也有月度指标,全于年度到月度的分解,以及月度到日电量的分解为中长期发电计划的任务,本文所涉及的安全约束经济调度将直接接受由中长期计划送入目前计划的El建议电量值。此“”时三公调度在安全约束经济调度中则转化为如何在建议电量的指导下合理安排机组出力。由于中长期计划无法考虑计划当日的电网实际运行状态,因此建议电量无法直接作为机组约束纳入模型,它很容易与负荷平衡形成矛盾约束致使计算无法收“敛,所以本文提出偏差电量最少为优化目标实现三”公调度,如式(8)所示。=∑∑(min)・hb(Si・厂)(8)i=1】』式中:为中长期给出的日建议电量;为机组的电量偏差惩罚系数,当所有火电机组都同等对待时,该系数可以取为1。式(8)给出的优化目标简明易懂,当网络计算规模不大时,可以直接采用上式作为优化目标。但是由于该式中包含电量和绝对值运算,当电网规模较大时将出现计算效率偏低的缺点。为提高效率,本文提出将建议电量转化为虚拟成本,转换的方式为:首先根据式(9)将建议电量转换为各机组日发电比例。:垒二(9)’L一~一min{ ̄一・24}式中,为各机组建议电量扣除日最小发电量后的基值,该值即为各机组日发电比例。根据式(10)将日发电比例转化为分段虚拟成本。『1rT1i-<8i):4+(10)I:I,zin+・(一1)-<8TT1i-In・…式中:n为逐递增的自然数;为分段间隔功率,它由分段数n和机组最大最小技术出力而定。分段数n则由各机组日发电比例按照式(11)计算获得。p—p:『I_](11)lO.根据式(8)到式(11)即可将由中长期计划传入的机组建议电量转化为如同式(3)所示的分段成本,以该成本构建优化目标,即可将机组尽量按建“”议电量发电。最终实现了基于j公调度的目标建模。2.1.2最小调整量目标构造“”在火电计划安排中多采用三公调度为目标,“”但对于水电机组,则无法采用三公方式进行目标构造。根据各地的实际情7兄,水电计划通常来源于水调自动化系统或是水电厂的计划申报,针对水电本文采用调整量最小为构造目标,如式(12)所不。_v^’7=∑∑(min)・hbs(8,-hi,)(12)Ⅳ式中:为水电机组总数;,为水电调整惩罚系数;hi,为水电机组在时段的建议出力。的取值是比较重要的,对于不具备调节能力的径流式水电,该值取极大值;对于可以调节的但有库容约束的水电,该值取较小值,辅以电量约束进行目标构造;对于可以承担系统平衡性的水电机组,可取值为0。2.1.3线路传输容量最优目标构造在实际生产中除了满足水、火电的调度目标外,调度机构还对特定的输电线路传输功率有特殊要求,本文提出了线路传输容量最优构造方式。如式(13)所示。式中:为线路,潮流调整惩罚系数;.,为线路,在时段,的计算潮流;为线路目标潮流控制值。许丹,等基于实用化安全约束经济调度扩展建模策略一79.2.2出力曲线形状约束建模在对传统的经济调度模型求解时,当成本函数分段间隔较大时,模型自身无法控制机组的出力曲线形状,曲线极易出现毛刺与不规则抖动现象。为解决上述问题,必须在模型中加入曲线形状控制约束。本文采取两类具体曲线形状,一类为阶梯状曲线形状如式(14)所示,一类为跟随负荷预测的光滑曲线形状如式(15)所示。,=卜liffab ̄(ei.,.1一,),’(14)该式的意义为:当机组f在时刻的出力与时刻f一1的出力变化量小于某个值时,则出力维持不变。式中,为功率变动阈值系数,这个系数的取值可以根据各地的实际情况选取,当可用于吸收负荷波动的机组容量较大时,该值的取值可较大,反之则取较小值。,=0.5・(+川)if(一只川)。(只,一H)>0(15)该式的意义为当机组f在时刻的出力毛刺时,则抹平该毛刺。对于曲线形状控制建模的实现,本文采取两种处理方式:第一种是将曲线形状视为软约束以惩罚函数的形式加入优化目标,第二种是将曲线形状作为约束进行建模。两种方式各有优缺点,采用惩罚函数模式可以对所有机组进行出力形状约束,并可以对每台机组通过惩罚系数控制曲线形状要求程度,但是该方法会使目标函数过于复杂,降低求解效率;将曲线形状作为直接约束时,优点是提高了求解速率,但却不能对所有机组进行求约束,因为结合负荷平衡约束则容易致使计算不收敛,当具有较大容量水电机组用于吸收负荷波动时可采用该方式建模。2.3区间化建模传统的节能经济调度处理的都是确定的基础数据,但实际中,将有些数据进行区问化并辅以其他附加约束进行建模将更加有利于增加计算收敛性与提高优化结果可用性。本文所涉及的区间化数据包括系统负荷预测、母线负荷预测以及水电建议出力三类数据。通常系统负荷平衡约束都是以等式约束进行建模,如式(4)所示,但实际中考虑到系统负荷预测自身的准确性,系统备用的充分性,为了能够在保证收敛性的前提下获得较为理想的曲线形状,本文将系统负荷预测转变为区间数,等式约束则改变为如式(16)所示的不等式约束。(1一)(1+)(16)f式中,为系统负荷预测在时刻的浮动比例。为了确保机组出力总加不会仅仅趋近系统负荷下限,还需要在目标函数中辅助添加惩罚项,用以防止任何不必要的出力总加偏离。母线负荷预测的准确性将直接影响计划潮流准确性,实际生产中个别节点由于随机性较大致使母线负荷预测结果不理想,此时直接采用预测值计算计划潮流略显不足。本文依据母线负荷预测给出的区间预测数据,以造成线路潮流最大化的母线有功极值进行潮流计算,当出现不满足潮流约束时将越限元件按照式(7)加入模型中重新进行优化求解。按照目前的计划编制模式在水电所占比例较大的区域都具有专门的水调自动化系统用于编制水电计划。在节能经济调度中水电计划通常作为固定出力送入模型,由于水调自动化系统并未考虑电网实际运行状态与安全约束,水电难以起到快速响应负荷变化和调节潮流分布的应有作用。目前有考虑水火协调的相关研究,然而真正考虑水库容量、水头以及梯级电站等相关约束的水火协调实用化系统并不多见。为改善水电计划质量,水调自动化将单一出力建议值改为建议区问值,并辅助添加机组电量约束进行建模使水电能够起到快速响应负荷变化和调节潮流分布的作用,如式(17)所示。(17)式中:d。,e/分别为水电机组建议电力下限和上限;Q。,Q。分别为水电机组全天建议电量下限和上限。3算例及其分析本文采用国际上成熟的CPLEX规划计算软件包进行模型求解。本文将所提的建模方式运用于多个省级调度计划编制,均取得了良好的运用效果,“”以下从三公调度、曲线形状、计划执行率等方面对模型的有效性进行检验。“”本文将2.1.1节所述的三公调度建模运用于某省级调度,将中长期送入的期望电量、安全约束经济调度的计划电量以及实际发电量进行了对比,如表l所示。结果表明本文所述建模方式能够较好地完成期望电量,并且实际执行电量也很好地贴合了计划电量。同时本文对比了采用电量约束和电量转Q<一叩.<一丝∑<一<一wm舢电力系统保护与控制“”换虚拟成本两种建模方式实现三公调度的计算效率,该主网模型中包含火电机组共计38台,计算结果表明当采用电量约束时计算时间约为60s,当采用虚拟成本时计算时间约为32s,结果表明本文所提的虚拟成本模式可以极大地降低模型求解时间。“”表1三公电量对比Table1Comparisonofimpartialandopenpowerdispatching在计划出力曲线形状上,本文采用2.2节所述的建模方式,分别采取了不做平滑、曲线平滑和阶梯平滑三种处理模式,计划结果如图1所示。图形表明,曲线平滑技术可以迫使所有机组共同承担负荷波动,有效地防止曲线频繁跳动,增强计划的可执行性。在个别区域,对所有火电机组96点计划值按照(计划一实际)/计划的计算公式统计了在使用本文所述建模方式前后发电计划执行率的情况,统计表明在使用前发电计划执行率为90%,使用后发电计划执行率提高到96%,计划执行率得到了显著的提高。Ilk/...yI3I毪珏M】f—A机组无平滑一A机组阶梯平滑~A机组曲线平滑图1出力曲线平滑Fig.1SmoothcHrveshape4结论本文将传统安全约束经济调度模型与实际生产需求相结合,提出了基于实用化的安全约束经济调“”度扩展模型。本文主要针对三公调度,出力曲“”线形状和区间化数据进行建模,以提高三公调度准确性与计划执行率为主要目标,实际运行结果表明,本文所提建模方式针对上述问题具有良好的工程实用效果。参考文献[1]张朝安.发电厂及电力系统经济运行[M】.乌鲁木齐:新疆人民出版社,1985.[2]张晓辉,董兴华.含风电场多目标低碳电力系统动态经济调度研究【JJ.电网技术,2013,37(1):29.36.——ZHANGXiaohui,DONGXinghua.Researchonmulti--objectiveschedulingforlow--carbonpowersystemwithwindfarms[J].PowerSystemTechnology,2013,—37(1):2936.[3]赵俊华,文福拴,薛禹胜,等.计及电动汽车和风电出力不确定性的随机经济调度【J].电力系统自动化,—2010,34(20):2229.——ZHAOJunhua,WENFu-shuan,XUEYusheng,eta1.Powersystemstochasticeconomicdispatchconsidering—uncertainoutputsfrompluginelectricvehiclesandwindgenerators[J].AutomationofElectricPowerSystems,—2010,34(20):2229.[4]葛亮,谢宇翔,李湘祁,等.与市场机制相协调的发电交易与调度的节能减排方法[J】.电工技术学报,2009,—24(8):167173.——GELiang,XIEYuxiang,LIXiangqi,eta1.Themethodaboutenergysavingandemissionreductionofpowergenerationtransactiondispatchconformedtomarketmechanism[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2009,24(8):167-173.[5]喻洁,黄学良,夏安邦.基于分区协调优化的环境经济调度策略【J】_电工技术学报,2010,25(1):129.136.YUJie,HUANGXue-liang,—XIAAnbang.—Environmentaleconomicdispatchbasedonsubareacoordinatedoptimization[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2010,25(1):129-136.[6]尚金成,庞博,王清敏,等.节能发电调度经济补偿机制市场模型及算法[J].电网技术,2010,34(4):62.68.——SHANGJincheng,PANGBo,WANGQingmin,eta1.Marketmodelandalgorithmsforeconomic—compensationmechanismofenergysavinggenerationdispatch[J].PowerSystemTechnology,2010,34(4):6268.[7]许丹,夏少连,丁强.基于启发式混合整数规划法求解大规模机组组合问题[J].电力系统保护与控制,2012,40(21):1-6.XUDan,XIAShao・lian,DINGQiang.Fastunitcommitmentbasedonheuristicmixedinteger㈣枷枷姗许丹,等基于实用化安全约束经济调度扩展建模策略.81.programming[J].PowerSystemProtectionandControl,2012,40(21):1-6.[6]TakeshiSeki,NobuoYamashita,KaoruKawamotc.Newlocalsearchmethodsforimprovingthe——lagrangianrelaxationbasedunitcommitmentsolution[J].IEEETransonPowerSystems,2010,25(1):272-283.[8]王剑,刘天琪,刘学平.基于优先级排序和内点法的机组优化组合[J].电力系统保护与控制,2010,38(13):55.60.——WANGJian,LIUTianqi,LIUXueping.Unitcommitmentoptimizationbasedonprioritylistandinteriorpointmethods[J].PowerSystemProtectionand—Control,2010,38(13):5560.[9]黎静华,兰飞.适合于机组组合问题的扩展优先顺序法【JJ.电力系统保护与控制,2010,38(2):1-7.LIJing-hua,LANFei.Extendedprioritylistmethodforunitcommitmentproblem[J].PowerSystemProtection—andControl,2010,38(2):17.[1O]郑晓,张静,马韬韬.基于改进决策方法的电力系统多目标优化调度[J】.电工技术学报,2010,25(9):151.156.—ZHENGXiao,ZHANGJing,MATaotao.Powersystem[11][12]multi-objectiveoptimizationdispatchbasedonan—improveddecisionmakingmethod[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2010,25(9):151-156.汪洋,夏清,康重庆.机组组合算法中起作用整数变量的辨识方法[J].中国电机工程学报,2010,30(13):—4652.WANGYang,XIAQing,KANGChong-qing.IdentificationoftheactiveintegervariablesinSecurityconstrainedunitcommitment[J].Proceedingsofthe—CSEE,2010,30(13):4652.SwampKS,YamashimS.Unitcommitmentsolutionmethodologyusinggeneticalgorithm[J].IEEETransonPowerSystems,2002,17(2):87-91.收稿日期:2013-03-31;—修回B期:2013-0522作者简介:许丹(1985一)男,工程师,主要从事节能经济调度—研究;Email:xudan@epri.sgcc.com.cn赵鸿图(1965-),男,博士,副教授,研究方向为电力市场和信息处理;丁强(1981一)男,工程师,主要从事节能经济调度研究。
陌南尘
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