CN103020486A - 基于情景分析的电力系统运行风险评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于情景分析的电力系统运行风险评价方法，包括：采用拉丁超立方采样方法进行等效负荷的情景生成；基于Kantorovich距离进行情景削减；以及计算基于情景分析的电力系统运行风险评价指标。该方法用情景生成与情景削减的方法同时表征风电出力与负荷的不确定性，结合投资组合理论中的半绝对离差模型，计算决策风险指标，具有更加全面合理的优点。

Description

基于情景分析的电力系统运行风险评价方法

技术领域

本发明属于电力系统调度自动化领域，具体涉及一种基于情景分析的电力系统运行风险评价方法。

背景技术

节能发电调度改变了传统的发电调度方式，取消了按行政计划分配发电量指标的做法，以节能、环保为目标，以全电力系统内发、输、供电设备为调度对象，优先调度可再生和清洁发电资源，按能耗和污染物排放水平，由低到高依次调用化石类发电资源，最大限度地减少能源、资源消耗和污染物排放，促进电力系统高效、清洁运行。节能发电调度要求可再生发电资源按其申报安排出力，但由于可再生能源出力具有不确定性，其实际出力与申报值存在偏差，不能简单地在负荷曲线中去除可再生能源申报的出力，这给实际调度带来了很大的困难。

投资组合理论中称投资结果对期望收益的偏差为投资风险。在风火系统中，若机组组合策略安排不当，风电出力的不确定性可能导致系统运行的实际成本严重偏离期望成本，借鉴投资组合中的概念，称其为机组组合的决策风险。决策风险随着不确定性的增加而增大，因此同时考虑风电出力和负荷的不确定性能够使得决策风险的评价更加合理。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种更加全面合理的基于情景分析的电力系统运行风险评价方法。

根据本发明实施例的基于情景分析的电力系统运行风险评价方法，包括：S1.采用拉丁超立方采样方法进行等效负荷的情景生成；S2.基于Kantorovich距离进行情景削减；S3.计算基于情景分析的电力系统运行风险评价指标。

本发明提出了一种基于情景分析的电力系统运行风险评价方法。用情景生成与情景削减的方法同时表征风电出力与负荷的不确定性，结合投资组合理论中的半绝对离差模型，计算决策风险指标。本发明具有更加全面合理的优点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的基于情景分析的电力系统运行风险评价方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

为了考虑风电出力与负荷的不确定性，并进行决策风险的评价，本发明通过情景生成与情景削减的方法来描述风电出力与负荷的不确定性，结合投资组合中的半绝对离差（Semi Deviation）模型，提出一种考虑风电出力与负荷不确定性的节能发电调度的决策风险评价方法。如图1所示，本发明的方法包括如下步骤：

步骤1：

情景生成。在每个时段，风电出力预测值与负荷预测值是两个独立的连续型随机变量，设为X₁和X₂，其密度函数分别为f₁(x)和f₂(x)，则X＝X₁+X₂也是连续型随机变量，且其密度函数为f₁(x)与f₂(x)的卷积。由于卷积的Fourier变换是Fourier的乘积，且特征函数是密度函数的Fourier变换，因此X的特征函数为X₁和X₂的特征函数的乘积。不失一般性，假设X₁和X₂分别服从正态分布N(μ_w，σ_w ²)和N(μ_d，σ_d ²)，其中μ_w为风电出力预测值，μ_d为负荷预测值，σ_w和σ_d分别为风电出力预测和负荷预测的标准差。风电出力可以作为负的负荷需求加入负荷当中，因此得到新的等效负荷随机变量服从正态分布N(μ_d-μ_w，σ_d ²+σ_w ²)。本发明基于风电出力与负荷的预测数据和统计规律，采用拉丁超立方采样（Latin Hypercube Sampling，LHS）的方法产生等效负荷的大量情景，一个情景表征一种可能的确定性情形。

步骤2：

情景削减。本发明采用基于Kantorovich距离的情景削减技术，削减出现概率较小的情景并合并相似的情景，使得削减后的情景集合能够以较少的情景数目最大程度地近似原始情景集合。

步骤3：

计算基于情景分析的电力系统运行风险评价指标。以各个情景中运行费用的最小决策风险期望值作为评价指标。然而决策风险的减小会导致运行成本期望的增加，因此需要添加运行成本期望约束，以保证运行成本期望值不超过电网运营者可接受的水平。

对单个情景，采用混合整数线性规划的机组组合模型，约束条件包括系统负荷平衡、旋转备用约束、机组出力限制及爬坡约束、最小起停时间约束。

在各个情景中，虽然同一火电机组在相同时段的起停状态相同，但其出力并不相同。由于最终下发的计划值为确定的值，因此需要添加调整量约束，保证各情景中火电机组实际出力与下发的计划值相近。

1)指标计算

评价指标为各个情景中运行费用的最小决策风险期望值，即

$\min R_{-}=\underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}{p}_s{|M_E-M_s|}_{-}$ (1)

$=\underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}{p}_s{|\underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}{p}_s{M}_s-M_s|}_{-}$

其中R_表示半绝对离差风险，对任意实数v，其半绝对离差定义为

|v|_=max{0,-v}                    (2)

S表示情景削减之后的情景集合，M_E为该集合中所有情景运行费用的期望值，p_s表示情景s发生的概率，M_s表示情景s的运行总费用。

M_s表示为

$M_s=\underset{g\∈G}{\mathrm{\Σ}}\underset{t\∈T}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{CP}}_g^s\left(t\right)+{\mathrm{CU}}_g^s\left(t\right)+{\mathrm{CD}}_g^s\left(t\right)---\left(3\right)$

其中G为火电机组的集合，T为调度时段的集合，

分别为情景s中机组g在t时段的运行成本、起动费用和停机费用，其计算表达式为

${\mathrm{CP}}_g^s\left(t\right)=a_g{v}_g\left(t\right)+b_g{P}_g^s\left(t\right)---\left(4\right)$

CU_g(t)=|K_g[v_g(t-1)-v_g(t)]|_    (5)

CD_g(t)=|C_g[v_g(t)-v_g(t-1)]|_    (6)

其中

为机组g在t时段的出力，a_gb_g为机组运行成本曲线的相关参数，v_g(t)为表示机组g在t时段状态的0-1变量，0表示关停，1表示运行。K_g、C_g分别为机组g起动、停机一次的费用常数。

2)运行成本期望约束

运行总费用的期望值不超过电网运营者可接受的水平M₀，即满足如下约束

$M_E=\underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}{p}_s{M}_s\≤M_0---\left(7\right)$

M₀由电网运营者根据实际运营情况指定。

3)调整量约束

由于不同情景中风电出力存在波动，导致最终优化结果中同一火电机组在不同情景相同时段的出力可能不同（起停状态相同），为了保证不同情景发生时，火电机组均能够及时调整出力，以适应风电的波动性，需要添加调整量约束

$-{\mathrm{\Δ}}_g^L\≤P_g^s\left(t\right)-P_g^{\mathrm{avg}}\left(t\right)\≤{\mathrm{\Δ}}_g^U---\left(8\right)$

$P_g^{\mathrm{avg}}\left(t\right)=\underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}{p}_s{P}_g^s\left(t\right)---\left(9\right)$

其中为火电机组g在时段t各情景下出力的加权平均值，将作为机组组合计划值下发。

和

分别为火电机组g快速调整量的上、下限。

4)系统负荷平衡

忽略网络损耗，

满足

$\underset{g\∈G}{\mathrm{\Σ}}{P}_g^s\left(t\right)+\underset{w\∈W}{\mathrm{\Σ}}{P}_w^s\left(t\right)=D\left(t\right)---\left(10\right)$

其中G为火电机组的集合，W为风电机组的集合，表示情景s中风电机组w在t时段的出力。D(t)为系统在t时段的负荷需求。

5)旋转备用约束

满足

$\underset{g\∈G}{\mathrm{\Σ}}{P}_{g\max }{v}_g\left(t\right)+\underset{w\∈W}{\mathrm{\Σ}}{P}_w^s\left(t\right)\≥D\left(t\right)+R\left(t\right)---\left(11\right)$

其中，P_gmax为火电机组g出力的上限，R(t)为系统在t时段的旋转备用容量需求。

6)机组出力及爬坡约束

以RU_g表示机组g的爬坡速率，RD_g表示机组g的滑坡速率，可以得到机组的出力限制及爬坡约束

$P_{g\min }{v}_g\left(t\right)\≤P_g^s\left(t\right)\≤P_{g\max }{v}_g\left(t\right)---\left(12\right)$

$\begin{array}{c}{P}_g^s\left(t\right)-P_g^s(t-1)\≤\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{RU}}_g,\mathrm{if}{v}_g(t-1)=v_g\left(t\right)=1\\ P_{g\min },\mathrm{fif}{v}_g(t-1)=0,v_g\left(t\right)=1\\ 0,{\mathrm{ifv}}_g(t-1)=1,v_g\left(t\right)=0\end{array}\right.\\ P_g^s\left(t\right)-P_g^s(t-1)\≥\left\{\begin{array}{c}-{\mathrm{RD}}_g{\mathrm{ifv}}_g(t-1)=v_g\left(t\right)=1\\ P_{g\min },\mathrm{if}{v}_g(t-1)=0,v_g\left(t\right)=1\\ {-P}_{g\min },{\mathrm{ifv}}_g(t-1)=1,v_g\left(t\right)=0\end{array}\right.\end{array}----\left(13\right)$

7)最小起停时间约束

满足

$\underset{t=1}{\overset{U_g}{\mathrm{\Σ}}}[1-v_g\left(t\right)]=0---\left(14\right)$

$\underset{n=t}{\overset{t+{\mathrm{UT}}_g-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_g\left(n\right)\≥{\mathrm{UT}}_g[v_g\left(t\right)-v_g(t-1)],\∀t=U_g+1,...,T-{\mathrm{UT}}_g+1---\left(15\right)$

$\underset{n=t}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\{v_g\left(n\right)-[v_g\left(t\right)-v_g(t-1)\left]\right\}\≥0,\∀t=T-{\mathrm{UT}}_g+2,...,T---\left(16\right)$

其中UT_g为机组g的最小起动时间，

为机组g在调度周期的第1个时段之前在线的时长，V_g(0)为机组g的初始状态，

表示初始时段机组g必须在线的时长。

满足

$\underset{t=1}{\overset{D_g}{\mathrm{\Σ}}}{v}_g\left(t\right)=0---\left(17\right)$

$\underset{n=t}{\overset{t+{\mathrm{DT}}_g-1}{\mathrm{\Σ}}}{[1-v}_g\left(n\right)]\≥{\mathrm{DT}}_g[v_g(t-1)-v_g\left(t\right)],\∀t=D_g+1,...,T-{\mathrm{DT}}_g+1---\left(18\right)$

$\underset{n=t}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\{{1-v}_g\left(n\right)-[v_g(t-1)-v_g\left(t\right)\left]\right\}\≥0,\∀t=T-{\mathrm{DT}}_g+2,...,T---\left(19\right)$

其中DT_g为机组g的最小停机时间，

为机组g在调度周期的第1个时段之前停机的时长，V_g(0)为机组g的初始状态，表示初始时段机组g必须停机的时长。

需要说明的是，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种基于情景分析的电力系统运行风险评价方法，其特征在于，包括：

S1.采用拉丁超立方采样方法进行等效负荷的情景生成；

S2.基于Kantorovich距离进行情景削减；

S3.计算基于情景分析的电力系统运行风险评价指标。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：

S31.指标计算，评价指标为各个情景中运行费用的最小决策风险期望值，即

$\min R_{-}=\underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}{p}_s{|M_E-M_s|}_{-}$ $=\underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}{p}_s{|\underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}{p}_s{M}_s-M_s|}_{-},$

其中R_{_}表示半绝对离差风险，对任意实数v，其半绝对离差定义为|v|_{_}=max{0,-v}，S表示情景削减之后的情景集合，M_E为该集合中所有情景运行费用的期望值，p_s表示情景s发生的概率，M_s表示情景s的运行总费用，M_s表示为其中G为火电机组的集合，T为调度时段的集合，

分别为情景s中机组g在t时段的运行成本、起动费用和停机费用，其计算表达式为CU_g(t)=|K_g[v_g(t-1)-v_g(t)]|_{_}，CD_g(t)=|C_g[v_g(t)-v_g(t-1)]|_{_}，其中

为机组g在t时段的出力，a_gb_g为机组运行成本曲线的相关参数，v_g(t)为表示机组g在t时段状态的0-1变量，0表示关停，1表示运行。K_g、C_g分别为机组g起动、停机一次的费用常数；

S32.运行成本期望约束，运行总费用的期望值不超过电网运营者可接受的水平M₀，即满足

其中M₀由电网运营者根据实际运营情况指定；

S33.调整量约束，添加调整量约束

其中

为火电机组g在时段t各情景下出力的加权平均值，将作为机组组合计划值下发，

和

分别为火电机组g快速调整量的上、下限；

S34.系统负荷平衡，忽略网络损耗，

满足其中G为火电机组的集合，W为风电机组的集合，

表示情景s中风电机组w在t时段的出力，D(t)为系统在t时段的负荷需求；

S35.旋转备用约束，

满足

其中，P_gmax为火电机组g出力的上限，R(t)为系统在t时段的旋转备用容量需求；

S36.机组出力及爬坡约束，以RU_g表示机组g的爬坡速率，RD_g表示机组g的滑坡速率，可以得到机组的出力限制及爬坡约束：

$P_{g\min }{v}_g\left(t\right)\≤P_g^s\left(t\right)\≤P_{g\max }{v}_g\left(t\right),---\left(12\right)$

$\begin{array}{c}{P}_g^s\left(t\right)-P_g^s(t-1)\≤\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{RU}}_g,\mathrm{if}{v}_g(t-1)=v_g\left(t\right)=1\\ P_{g\min },\mathrm{fif}{v}_g(t-1)=0,v_g\left(t\right)=1\\ 0,{\mathrm{ifv}}_g(t-1)=1,v_g\left(t\right)=0\end{array}\right.\\ P_g^s\left(t\right)-P_g^s(t-1)\≥\left\{\begin{array}{c}-{\mathrm{RD}}_g{\mathrm{ifv}}_g(t-1)=v_g\left(t\right)=1\\ P_{g\min },\mathrm{if}{v}_g(t-1)=0,v_g\left(t\right)=1\\ {-P}_{g\min },{\mathrm{ifv}}_g(t-1)=1,v_g\left(t\right)=0\end{array}\right.\end{array}-;$

S37.最小起停时间约束，

满足 $\underset{t=1}{\overset{U_g}{\mathrm{\Σ}}}[1-v_g\left(t\right)]=0,$

$\underset{n=t}{\overset{t+{\mathrm{UT}}_g-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_g\left(n\right)\≥{\mathrm{UT}}_g[v_g\left(t\right)-v_g(t-1)],\∀t=U_g+1,...,T-{\mathrm{UT}}_g+1,$

$\underset{n=t}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\{v_g\left(n\right)-[v_g\left(t\right)-v_g(t-1)\left]\right\}\≥0,\∀t=T-{\mathrm{UT}}_g+2,...,T,$

其中UT_g为机组g的最小起动时间，

为机组g在调度周期的第1个时段之前在线的时长，V_g(0)为机组g的初始状态，

表示初始时段机组g必须在线的时长，以及

满足 $\underset{t=1}{\overset{D_g}{\mathrm{\Σ}}}{v}_g\left(t\right)=0,$

$\underset{n=t}{\overset{t+{\mathrm{DT}}_g-1}{\mathrm{\Σ}}}[1-v_g\left(n\right)]\≥{\mathrm{DT}}_g[v_g(t-1)-v_g\left(t\right)],\∀t=D_g+1,...,T-{\mathrm{DT}}_g+1,$

$\underset{n=t}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\{1-v_g\left(n\right)-[v_g(t-1)-v_g\left(t\right)\left]\right\}\≥0,\∀t=T-{\mathrm{DT}}_g+2,...,T,$

其中DT_g为机组g的最小停机时间，

为机组g在调度周期的第1个时段之前停机的时长，V_g(0)为机组g的初始状态，

表示初始时段机组g必须停机的时长。

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