动态划分负荷的多目标日发电计划.pdf

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第39卷第18期2011年9月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVlo1.39NO.18Sept.16.2011动态划分负荷的多目标日发电计划周莹,白雪峰,郭志忠,张伟(哈尔滨工业大学电气工程系,黑龙江哈尔滨150001)摘要:利用负荷曲线的单调性及广义粒子群算法动态划分出负荷的子时间段落,并运用能量轨迹的方法融合子段落,求取特征断面,从而较为细致地描述了系统负荷曲线攀峰降谷的过程,更能表征出系统的实际负荷水平。建立了兼顾节能环保的多目标日发电计划模型,结合最优潮流并引入基于满意度和贴近度将多目标转化为单目标优化模型求解,并可根据决策者的主观愿望对目标满意度进行调整,制定出以经济成本低并兼顾污染气体排放量少为目标的日发电计划。IEEE30机算例证实了方法的可行性。关键词:广义粒子群算法;能量轨迹融合方法;节能减排;多目标决策;最优潮流Multiobjectivedailygenerationschedulingmethodwithdynamicpartitioningload——ZHOUYing,BAIXuefeng,GUOZhizhong,ZHANGWei(DepartmentofElectricalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:Thispaperdividesthesub-processesofloadcurvedynamicallywiththemonotonicityofloadcurveandtheextendedPSO—algorithmandgetsthecharacteristicssection.Itfusesthesubprocesseswiththeenergytrajectorymethodsinordertodescribethe—climbingpeakanddescendingvalleyoftheloadcurveclosely,andcharacterizestheactualloadcurve.Themultiobjectivedailygenerationschedulingmodelisbuiltbasedonenergyconservationandenvironmentalprotection.Thegoalsatisfactiondegreeandgoal—closedegreeareintroducedtotransformmultiobjectiveintothesingle・objectivedecision-makingmode1.Theoptimalpowerflowis—usedtosolvetheproblem.Decisionmakercanmakeinteractivesolutionviaadjustinggoalsatisfactiondegreeandclosedegree,SOastoreceivesatisfactor—yresultsbalancingeachaspectandmakethedailygenerationschedulingbasedonthegoalofloweconomiccost—andlowpollutedgasdischarge.TheexampleofIEEE30一bussystemshowstheefficiencyoftheproposedmethod.—Keywords:extendedPSO;energytrajectorymethod:energy--savingreduction;multi--objectivedecision-making;optimalpowerflow中图分类号:TM73文献标识码:A——文章编号:16743415(2011)18.0044050引言发电计划的目标是在满足系统安全和一定电能质量要求的条件下,依据电厂的发电能力、电网的输送能力和用户的需求,预先制定系统的运行方式以可能提高系统运行的经济性保证对用户可靠而满意的供电。节能发电调度以节能、环保为目标,以全电力系统内的发、输、供电设备为调度对象,优先调度可再生和清洁发电资源,最大限度地减少能源、资源消费和污染物排放,促进电力系统的高效清洁运行。将节能调度与电力市场联系,既节能环基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金(20060213042);哈尔滨工业大学科研创新基金资助(HIT.NSRIF.2008.54))保又能够达到电力市场改革的效果uJ。文献【2]阐述了两者协调运作的现实意义,指出市场机制能将市场成员的外部成本内部化,激励企业降低发电变动成本,保证价格与节能效果的一致性,两者结合有利于实现综合节能减排。在传统的日发电计划的安排中,绝大部分研究都建立在负荷曲线的等时段划分基础上,并且一般以整点负荷作为该时段的负荷水平,这就导致在负荷急剧变化时,近似负荷曲线与实际负荷曲线存在一定的差异。文献【3]和文献[4]开始提出非整时段的初步划分思想,但没有具体方法。文献[5】中提出根据单调性划分负荷时间段的方法,但这种方法只能体现负荷大致曲线的变化情况。—基于文献【67】动态划分负荷曲线的思想,本文提出了一种广义粒子算法动态划分负荷曲线,并运周莹,等动态划分负荷的多目标日发电计划.45.用能量轨迹方法融合子段落,求取特征断面。建立以火电购电费用最低,污染气体排放最小的多目标日发电计划模型,模型兼顾了电力市场交易的竞价公平性与环境保护之间的协调。在求解多目标函数的方法中,基于最优潮流算法,借鉴文献『8]中多目标决策问题的优化方法,在满足整个目标方案与理想点的满意度最低限的同时,实现各目标之问的权衡。1模型建立对于电网公司而言,为取得经济效益最优,目标函数(1)和(2)分别定义为购电费用最低,污染气体排放最少。Ⅳ巾∑minF ̄=(Po))出(1)i=1Ⅳ∑minF2=(P2G()+Po()+)d(2)式中:为研究的时间段落,单位为min;N为时段内投运的机组数;PG(f)为机组有功功率输出;为机组的购电费用函数;F为电网公司在时问周期71内总的购电费用;表示火电机组污染气体排放量,其中、、为污染气体排放系数。以上目标函数的最优解应满足如下约束[9】_(1)功率平衡约束Po=+(3)式中:PG、PL分别为机组的有功输出、网络损耗、负荷有功功率。(2)发电机功率输出约束pmPoRm(4)…式中:PGi、PGf、PGimax分别为机组i的有功输出下限、有功输出及其上限。(3)发电机功率调节速度约束.1,、Po()=一。(f()一Po加)+Po(5)式中:PG、PG加分别为时段中初始时刻发电机i的输出功率及时刻输出功率;,为功率变化率。(4)支路潮流约束,…,:1,2,,L(6)式中:、分别为支路,的传输功率及传输功率极限,后者取热稳定极限与暂态稳定极限中的较小值;£为支路总数。2负荷曲线的划分2.1动态划分负荷时段为了弥补负荷曲线静态划分不能反映其实际变化情况,本文结合负荷曲线的单调性及广义粒子群算法动态划分负荷曲线的时段数及时段问隔点,细致地跟踪负荷曲线变化,有利于制订更加合理的发电计划。负荷划分的实质是求取段落的时间间隔点,当系统的未来工况走向确定之后,勾勒曲线的特征点主要有极值点和拐点。首先按照单调性原则将负荷曲线相邻极值点之间的部分划分为一段,记为……9l,,,时问问隔点,,,。现以一个子段落为研究对象,设起始端和结束端的时问点和极值点分别为Q、、,利用定义的公式(7)、(8)计算需要划分的动态时段个数。△9(7)k=(9a~Qb)/AQ(8)Ⅳ式中:为预测的负荷点数;为负荷预测小时数;则是传统整时段划分每个时间段的预测负荷点数;定义AQ为期望的平均段落功率变化值;为时间段数。…时间问隔点t1,,,首先应该满足0~JV之间的整数,且为避免间隔点之间太短或太长,还应该满足0<l二=l<!二!,本文采用一种广—(t一~)(,afh)义粒子群算法寻求满足以上条件的时间间隔点。广义粒子群算法首先将粒子初始化为一群随机离散粒子,然后通过迭代找到最优解,但在搜索过程中并不是寻求最优解,而是寻求满足适度值的解,灵活性比较大。该算法由于不存在全局最优解和局部最优解l】,则将pbest和gbest设为定值,考虑粒Ⅳ子速度有个上限值,都设成1 ̄的中点N/2。在每一次迭代中,粒子通过公式(9)、(10)更新自己的速度和新位置:=V+c1and()(N/2一present)+(9)c2rand()present-N/2、present=persent+v(10)其中:v是粒子的更新速度;present是当前粒子的位置;通常取c1=c2=2;Vm是每一次迭代粒子速度最大限制值,如果某一维数更新后的速度超过用户设定的,那么这一次迭代中的速度就被限定为。2.2能量轨迹融合各子时段能量轨迹模拟的方法是通过初等函数对过程函数进行一定程度的近似的特征描述方法l5]。并将用于对过程函数进行近似的初等函数定义为过程特征函数,记作T(f),见式(11),且满足式(12)和式(13)。一46-电力系统保护与控制…”T(t)=ao+a1,+2++.1。(11)JT(t)dt:)df2fbtbIf(t)dt=IT(t)dt=T・P(f)Ll3)“过程特征函数描述方法,采用的是以函数代”面的思想,通过对过程函数的积分对替代过程进行了有效的约束,保证了特征描述的准确性,同时又能在一定程度上反映出所研究时间过程内系统状态变化的剧烈程度。利用能量轨迹模拟方法融合负荷曲线,取n=3,根据式(14)就可以提取出每个时间段落的特征断面值。Dr,、一出一出(14)“P1:——一=——一’、、3多目标函数的求解方法针对上述多目标决策问题的动态经济调度问题,本文借鉴文献[8】的多目标决策问题解决方法,利用目标函数满意度的隶属概念,将多目标决策问题转化为基于目标满意度和目标贴近度的单目标优化问题。定义目标满意度如式(15)、式(16)。((尸(f))):(15)(P())一(p())(()):(16)(P(f))一(P())其中:(尸(f))、(P(f))为两个目标函数的理想最优值;(P(f))、(P(f))为两个目标函数的负理想值;P(f))为所求解的最优值。理想最优值表示决策者对目标的最优期望值,负理想值表示决策者允许目标偏离期望值的最大范围。目标满意度说明当前值与最佳期望值偏离程度。如果当前与理想值非常接近,则目标满意度接近于1,多目标模型中的每个目标都有一个对应的目标满意度。定义目标贴近度为:,:丝!(17)AHl+BH2式中:■■——————————_二_二一=1∑∑/(F:(尸(f)))+(Fz(户(f)))■—■———————■——一∑∑B=、/((P(+((P(Y1l:∑∑(P(f))((P(f))+(P(f))((P(f))f1#lⅣ∑∑2=(P(f))((P(f))+(P(f))((P(f))i=l1从而可构造单目标模型(DP1)为:2∑maxGOL=(18)s.tAH1(P(f))(H1(P(j))+BH2(P(f)))(19)∽))(20)(P(f))一(P(f))lt0(())(91、(P(f))一(P())其中:20和/20为初始贴近度和最低满意度;为每个目标的权重值,两个目标的权重值之和为1。求解单目标的最优解,则可求出多目标决策问题的最优解值。4算例分析以下通过IEEE30节点算例来说明本文方法的具体计算过程,该系统由6台发电机、41条支路组成,系统参数见文献[11]。本文日负荷预测曲线取黑龙江省电网某一季度的典型日负荷曲线,设负荷预测点间隔时间为5min,即得到次日288个点负荷预测值。本文发电机费用特性曲线取二次函数形式()=+尸G+Ci,其中ai、bi、ci为常数。各发电机组费用特性曲线特性参数等如表1所示。污染气体排放系数参照文献[12】中的系数估算出,如表2所示。其中的单位是¥/I1,ai单位为美 ̄J(MW.h),bi3 ̄/(MW.h),Ci为美元/l1,max、PGfm为(Mw),RRdi为(MW/min)。表1IEEE30发电机费用特性参数及有功输出参数Tab.1ThecostandoutputparametersofIEEE30units节点dbⅢcPGimaxPGf。九RR};O8OO2O2O周莹,等动态划分负荷的多目标日发电计划表2污染气体排放系数参数表3给出了各子时段的具体划分情况。Tab.2Thedischargecoefficientsofpollutionair图1为传统整点等时段划分的24个子段落,等时段划分中是以整点数值作为该段落的负荷功率代表值,当负荷曲线变化陡峭时,整时段的起始点功率值和结束点功率值相差大,这就不能跟踪负荷曲线的变化依据前文提出的算法划分融合负荷曲线成26个子段落,见图2,这种方法在负荷变化剧烈时,时段数增加,划分的时段数随负荷曲线变化而不同,动态跟踪了负荷曲线的攀峰降谷,使发电计划能够根据实际负荷情况制定。各时段的具体划分见表3。3O0虚线.实际负荷曲线实线.整点划分负荷曲线l163l466l769l106l2l136l5l】66181l9621l226241256271286fm图1IEE30节点传统日负荷曲线24h整点划分Fig.1Traditional24hoursday-aheadloadpartitioncurveofIEE30powersystem,,.弋.1_\一飞虚线-实际负荷曲线实线一本文方法划分曲线116314661769l10612l136l51166181I96211226241256271286t/h图2lEE30节点日负荷预测图及合并后的等值负荷图Fig.2Day-aheadloadcurveandequivalentloadcurveaftercombinationoflEE30powersystem表3各个子段落的特征负荷及持续时间Tab_3Loadandtimedurationofintervals1)利用最优潮流方法求出其目标1和目标2的最优解分别为997840.83美元,52,94t,作为两个目标函数的理想值,即火电购电费用的理想值,污染气体排放量的理想值,目标函数的负理想值(取发电功率最大时候计算出的值)分别为1600921.87美元,116.00t,对于不同负荷时段,权重向量可以根据实际情况取值不同,本文设每个时段的权重向量都为=(,)=(0.7,0.3)。设目标函数的贴近度为=0.5、=0.6。2)利用第3节的求解方法,将多目标决策模型转化为单目标模型,求解出最优解。求出最后的最优值和目标满意度分别为:F=(F1,2)=(1012675.34美元,57.6t)U=(u1.U2)=(0.9754,0.9257)由以上结果可知道,这种多目标决策问题的最优解求解过程中,所求解不能同时保证两个目标同时达到最优值,但可以根据权重值寻找所需要的最优值。设各时段机组组合已知并且系统旋状备用较为充裕,通过计算各子时段发电机有功功率输出如表4所示。5结论针对负荷曲线的静态划分不能细致描述出负荷曲线的变化这一不足,本文提出了一种动态划分负荷曲线的方法,这种方法使划分的时段数随负荷曲线变化而不同,负荷变化剧烈时,时段数增加,负荷变化平缓时,时段数减少,动态跟踪了负荷曲线的攀峰降谷,使发电计划能够根据实际负荷情况制定。本文基于动态划分负荷曲线基础上,制定出多目标决策模型的日发电计划,与传统发电计划制定..48..电力系统保护与控制表4lEEE30节点系统子过程发电机有功最优输出Tab.4OptimizedactivepoweroutputofIEEE30一bussystemineverysub-processes相比,兼顾了经济与环保,制定的发电计划更加满足实际情况。参考文献[1]傅书遢,王海宁.关于节能减排与电力市场的结合[J]'电力系统自动化,2008,32(6):31.34.—FUShuti,WANGHai-ning.OncoordinationofenergysavingandreductionofpollutionpolicywithelectricitymarketreforminChina[J].Automationof—ElectricPowerSystems,2008,32(6):3134.[2]彭涛,赵明奇,鲁庭瑞,等.电力市场好节能发电的—关系[J].中国电力,2009,42(10):6468.PENGTa——n,ZHAOMingqi,LUTingrui,eta1.Researchonrelationshipbetweenelectricalpowermarketand—energysavinggenerationdispatch[J].ElectricPower,—2009,42(10):6468.13jMaranninoP,GranelliGP,MontagnaP,eta1.Differenttime-scaleapproachestotherealpowerdispatchofthermalunits[J].IEEETransactionsonPowerSystems,1990,5(1):l69.176.[4]王永刚,李卫东,柳焯,等.动态优化调度走向实用的策略与段落全局优化fJ1.中国电机工程学报,1998,l8(6):438.441.—WANGYong-gang,LIWeidong,LIUZhuo,eta1.Dynamicdispatchingstrategyandfull・stagedynamicoptimaldispatch[J].ProceedingsoftheCSEE,1998,18(6):438441.——[5]ZHANGWei,BAIXuefeng,GUOZhizhong.Steadyenergyfunctionanditstrajectorysimulationofpowersystems[C].//PowerandEnergyEngineeringConference—2009,APPEEC2009,AsiaPacific.[6]沈茂亚,丁小群,王仲达,等.电力系统时变无功优化算法『J1.电力系统及其自动化学报,2007,19(4):8487.———SHENMaoya,DINGXiaoqun,WANGZhongda.etalAlogoritmfor—timevaryingreactivepower—optimization[J].ProceedingsoftheCSUEPSA,2007,19(4):84.87.[7]别朝红,周婷,王锡凡.电力系统多时段无功优化研Ⅲ—究.西安交通大学学报,2008,42(6):698702.——BIEZhaohong,ZHOUTing,WANGXifan.Studiesonreactivepoweroptimizationbasedontranstition・’optimisedstrategy[J].JournalofXianJiaotong—University,2008,42(6):698702.[8]愈洁,李萍,等.市场机制下考虑节能环保的日计划新方式[J].电力系统及其自动化学报,2008,12(6):64.69.YUJie,LIPing,eta1.Newmodelofdailyscheduleconsideringenergysavingandenvironmentprotectingundermarketmechanism[J].ProceedingoftheCSU.EPSA,2008,12(6):64.69.[9]余加喜,白雪峰,郭志中,等.考虑负荷变化率的日发电计划[J].电力系统自动化,2008,32(18):30.33.———YUJiaxi,BAIXuefeng,GUOZhizhong,eta1.Dailygenerationschedulingwithloadvariationrateconsidered[J].AutomationofElectricPowerSystems,2008,32(18):30.33.[10]王俊伟.粒子群优化算法的改进及应用【D].沈阳:东北大学,2006.—WANGJunwei.Modifacationandapplicationofparticleswarmoptimizationalgorithm[D].Shenyang:SouthwestUniversity,2006.[11]张伯明,陈寿孙,严正.高等电力网络分析【M].2版.北京:清华大学出版社,2007.(下转第55页continuedonpage55)郑鹤玲,等光伏模拟系统建模与控制器参数优化一55一流的输出纹波,使得光伏模拟器的输出特性更加接近实际,为设计不同功率级别的光伏模拟器提供了一个合理的方案。参考文献[1]吴理博,赵争鸣,刘建政,等.用于太阳能照明系统的智能控制器fJ].清华大学学报,2003,43(9):1195.1198.——WULi.bo,ZHAOZhengming,LIUJianzheng,eta1.Intelligentcontrollerforphotovoltaiclightingsystems[J].JournalofTsinghuaUniversityScienceandTechnology,2003,43(9):1195.1198.[2]张熙霖.基于DSP2407的光伏方阵仿真电源的设计与研究【D】.北京:中国科学院电工研究所,2004.—ZHANGXilin.DeviseandresearchonaphotovoltaicsimulatorbasedonDSP2407[D].InstituteofElectricalEngineering,ChineseAcadamyofSciences,Ebgubeerubgm2004.[3]杜柯,段善旭,刘飞.基于Matlab的一种光伏阵列模拟器的研究【J1.通信电源技术,2006,23(3):8-10.DUKe,DUANShan.xu,LIUFei.ResearchonthephotovoltaicarraysimulatorbasedonMatlab[J].TelecomPowerTechnologies,2006,23(3):8-10.[4]苏建徽,余世杰,赵为,等.硅太阳电池工程用数学模型[J].太阳能学报,2001,22(4):409.412.—SUJianhui,YUShi-jie,ZHAOWei,eta1.Investigationonengineeringanalyticalmodelofsiliconsolarcells[J].ActaEnergiaeSolarisSinica,2001,22(4):409-412.[5]苏建徽,余世杰,赵为,等.数字式太阳电池阵列模拟器【J].太阳报,2002,23(1):111.114.—SUJianhui,YUShi-jie,ZHAOWei,eta1.Aninvestigationondigitalsolararraysimulator[J].ActaEnergiaeSolarisSinica,2002,23(1):1l1-114.[6]茆美琴,余世杰,苏建徽.带有MPPT功能的光伏阵列Matlab通用仿真模型[J1.系统仿真学报,2005,17(5):—12481251.—MAOMei・qin,YUShi-jie,SUJianhui.VersatilematlabsimulationmodelforphotovoltaicarraywithMPPTfunction[J].ActaSimulataSystematicaSinica,2005,17—(5):12481251.—[7]董锋斌,皇金锋.基于状态空间法的DCDC变换器的统一建模研究[J].电力电子,2008(7):21-23.——DONGFengbin,HUANGJinfeng.R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