CN103986153B - 在大互联电网范围内协调进行电力电量平衡的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在大互联电网范围内协调进行电力电量平衡的优化方法，属于电力系统自动化领域。该方法的实施过程为：1)各省级电网按时段生成一组等效发电成本曲线；2)存在电量受限情况的省级电网生成电量受限成本增量曲线；3)各省级电网将等效发电成本曲线与电量受限成本增量曲线上传到国级电网；4)国级电网以省级电网为节点，以省间联络线为支路，构造省间送受电的等效拓扑模型；5)国级电网优化省间送受电计划和国调电厂的电力电量计划；6)国级电网将省间送受电计划下发至各个省级电网；7)各省级电网根据省间送受电计划优化省调电厂的电力电量计划。该方法避免了大规模统一计算问题，计算效率高，实施难度小，具有很强的工程实用性。

Description

在大互联电网范围内协调进行电力电量平衡的优化方法

技术领域

本发明属于电力系统自动化技术领域，特别涉及一种在大互联电网范围内协调进行电力电量平衡的优化方法。

背景技术

近年来，持续、快速、不均衡的电力需求增长以及可再生能源的迅猛发展，促使我国能源和电力的发展出现了新趋势和新变化，对电网的整体电力电量平衡提出了新的挑战。一方面，我国能源资源分布和地区经济发展不均衡的情况正在加剧，电力紧缺省份的平均缺电深度升高，不利于保障经济稳定持续发展；另一方面，“市场煤、计划电”的管理体制导致电煤矛盾突出，在供煤不足的情况下，即使具有充足的装机容量，却难以满足电量平衡。与此同时，随着特高压电网的逐步建成，跨区跨省电力电量交换能力大为提高，使得在大范围内进行电力电量平衡和能源资源的优化配置成为可能。

目前，在我国电力系统“分层分区”的管理体制下，各级调度的电力电量平衡一般采取自下而上汇总、自上而下落实的模式，于各年、季、月、旬分别开展。在各周期内，结合送受电计划、各类发电机组可调出力和检修、新投、退役情况，对周期内每时段的预测最大最小电力以及总电量作出平衡分析，并根据供需平衡的总体目标将预测负荷分解到各个发电厂或发电机组。

当前的电力电量平衡模式以省内自我平衡为主，没有充分考虑全网统筹、国省协调平衡，难以适应日益迫切的全网协调运行要求。电网规模的不断扩大为电力系统的调度运行带来了极大的优化潜力，充裕的跨区跨省电力交换能力将能够带来负荷错峰互补、电源互补、事故备用共享等效益。电力电量的全网统筹平衡将大大提高全局能源资源的优化配置水平，是我国电网调度运行发展的必然选择。

综上，我国电力工业的发展趋势对电力电量平衡工作提出了越来越高的要求，当前以省为主的电力电量平衡平衡模式与方法并不具备支撑大互联电网协调运行的条件，需要提出科学合理、切实可行的协调优化模型和方法予以解决。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种在大互联电网范围内协调进行电力电量平衡的优化方法，充分利用不断增强的跨区跨省电力电量交换能力，以提高全局能源资源优化配置水平。

本发明的技术方案包括如下步骤：

1)各省级电网根据省调电厂(省级电网所调度发电厂)各发电机组的检修计划、可调能力以及发电成本信息，按时段生成一组等效发电成本曲线，该曲线表征该省所有机组承担的发电负荷与发电成本之间的关系；

2)存在电量受限情况的省级电网，根据省调电厂的最大与最小电量约束，生成电量受限成本增量曲线，该曲线表征该省因电量受限而导致产出一定电量所需要付出的额外发电成本；

3)各省级电网将等效发电成本曲线与电量受限成本增量曲线上传到国级电网；

4)国级电网分别将各个省级电网等值为一个节点，并挂接具有相应等效发电成本曲线特性的等值机组和在该省内部上网的国调机组，以省间联络线为支路连接各省对应的节点，从而形成省间送受电的等效拓扑模型；

5)国级电网根据国调电厂(国级电网所调度发电厂)各发电机组的检修计划、可调能力以及发电成本信息，基于各省级电网等值发电机的等效发电成本曲线和电量受限成本增量曲线，以及省间联络线的传输容量，优化省间送受电计划和国调电厂的电力电量计划：在电力电量富余时，国级优化省间送受电的目标是通过省间交易最小化全网发电成本，在电力电量紧缺时，国级优化省间送受电的目标是各省在时间、空间上均衡缺电，降低平均缺电深度；

6)国级电网将省间送受电计划下发至各个省级电网；

7)各省级电网根据省间送受电计划，以及省调电厂的可调能力，优化省调电厂的电力电量计划：在电力电量富余时，省级优化省调电厂电力电量计划的目标是最小化省内发电成本，在电力电量紧缺时，省级优化省调电厂电力电量计划的目标是在时间上均衡缺电，降低平均缺电深度；

省间送受电计划、国调电厂的电力电量计划、省调电厂的电力电量计划组合形成大互联电网的电力电量平衡优化结果。

本发明的有益效果如下：

本发明提出在大互联电网范围内协调进行电力电量平衡的优化方法。该方法利用省级电网等效发电成本曲线和电量受限成本增量曲线实现国级电网和省级电网电力电量平衡优化决策的分解和协调。在电力电量富余时，该方法以最小化发电成本为目标，通过决策各个发电机组的出力计划以及省间送受电计划，提高全局能源资源优化配置水平。在电力电量紧缺时，该方法以实现时空均衡缺电为目标，降低时间和空间上的平均缺电深度，有效减少由电力供应不足带来的经济损失，实现能源资源的优化调配。该方法避免了大规模统一计算问题，计算效率高，实施难度小，具有很强的工程实用性。

附图说明

图1是本发明实施在大互联电网范围内协调进行电力电量平衡的优化方法的流程图；

图2是省级电网生成的等效发电成本曲线示意图，其中横坐标轴D^sp为等效发电负荷，纵坐标C为与之相应的发电成本；

图3是省级电网生成的电量受限成本增量曲线示意图，其中横坐标轴Q^sp为等效发电电量，纵坐标C为与之相应的发电成本增量；

图4是以四个省级电网为例的省间送受电等效拓扑模型示意图，其中L₁～L₄为各省的系统负荷预测，各省节点上分别接有两类机组：G_M,n是在省网n内部上网的国调机组集合；G_N,n是具有该省等效发电成本曲线特性的等值机组；T_ij是由i省到j省的省间联络线功率。

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式可用以解释本发明，但并不限定本发明。

本发明提供了在大互联电网范围内协调进行电力电量平衡的优化方法，具体实施方式如图1所示，包括以下步骤：

1)各省级电网根据省调电厂各发电机组的检修计划、可调能力以及发电成本信息，按时段(一般为一个月，每天分24个时段)生成一组等效发电成本曲线；

等效发电成本曲线是省内所有发电机组对外的等效特性，表征该省所有机组承担的发电负荷与发电成本之间关系；

该曲线生成具体方法如下：

生成一个省级电网一个月度范围内(每天分24个时段)的等效发电成本曲线，首先需要根据省内所有机组次月的检修计划对全月各时段的机组可调能力进行修正；然后，由机组最小出力之和到机组最大出力之和，按照一定的步长增加D^sp的值(步长越小，得到的等效发电成本曲线精度越高，一般步长取值为当季典型系统负荷峰值的5％)，依次求解优化模型的最优值，各最优值组成该省级电网一个月度范围内的等效发电成本曲线；所述优化模型由以下构建的目标函数和约束条件组成：

构建省级电网n在时段t的等效发电成本曲线的目标函数如式(1)所示，即使机组发电成本之和最小：

$\min \underset{k}{\overset{K\left(n\right)}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{P}_{k,t}---\left(1\right)$

其中，K(n)是第n省发电机组数目，c_k是第k台发电机组的成本系数，P_k,t是机组k在时段t的最优出力；

构建优化模型的约束条件如式(2)～(3)所示：

机组可调出力约束，即各个机组在指定时段t的出力在该机组的最小出力与最大出力之间：

$P_{k,t}^{\min }\≤P_{k,t}\≤P_{k,t}^{\max },\∀k---\left(2\right)$

其中，为机组k在指定时段t的最小出力，为机组k在指定时段t的最大出力。若机组k在时段t进行检修，则相应将其最大最小可调出力置为零；

发电负荷平衡约束，即各机组的出力之和等于给定的发电负荷：

$\underset{k}{\overset{K\left(n\right)}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{k,t}=D^{\mathrm{sp}}---\left(3\right)$

其中D^sp是给定的发电负荷参数；

按照一定的步长逐渐增大给定发电负荷参数D^sp的值，每一个D^sp对应一个如式(1)～(3)所示的优化模型；求解该优化模型的最优值；各最优值组成该省级电网的等效发电成本曲线。典型的省级电网等效发电成本曲线如图2所示，图中横坐标轴D^sp为等效发电负荷，纵坐标C为与之相应的发电成本。

2)存在电量受限情况的省级电网，根据省调电厂的最大与最小电量约束，生成电量受限成本增量曲线；

电量受限成本增量曲线表征某省因电量受限而导致产出一定电量所需要付出的额外发电成本。分别计算电量不受限情况下的电量供给曲线和电量受限情况下的电量供给曲线，并将这两条曲线相减，得到电量受限成本增量曲线；

电量不受限情况下的电量供给曲线的计算方法如下：

构建电量供给曲线的目标函数如式(4)所示，即使所有时段的机组发电成本之和最小：

$\min \underset{t}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k}{\overset{K\left(n\right)}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{P}_{k,t}---\left(4\right)$

其中，T为总时段数，K(n)是第n省发电机组数目，c_k是第k台发电机组的成本系数，P_k,t是机组k在时段t的最优出力；

构建电量不受限情况下电量供给曲线的约束条件如式(5)和式(6)所示：

机组可调出力约束，即各机组在所有时段的出力在该机组的最小出力和最大出力之间；

$P_{k,t}^{\min }\≤P_{k,t}\≤P_{k,t}^{\max },\∀k,\∀t---\left(5\right)$

其中，为机组k在时段t的最小出力，为机组k在时段t的最大出力；

负荷电量平衡约束，即各机组的发电量之和等于给定的负荷电量；

$T_0\underset{t}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k}{\overset{K\left(n\right)}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{k,t}=Q^{\mathrm{sp}}---\left(6\right)$

其中T₀为每个时段的时间，Q^sp是给定的负荷电量参数；

按照一定的步长(一般步长取值为当月预测系统负荷电量的5％)逐渐增大该负荷电量参数Q^sp的值，每一个Q^sp对应一个如式(4)～(6)所示的优化模型；依次求解该优化模型；各最优值组成该省级电网在电量不受限情况下的电量供给曲线；

电量受限情况下的电量供给曲线的计算方法如下：

电量受限情况下的电量供给曲线的目标函数与式(4)相同；

电量受限情况下的电量供给曲线的约束条件在式(5)和式(6)的基础上增加省调电厂最大电量约束，如式(7)所示，即各个发电厂的发电量不超过该电厂可承担的最大发电量：

$T_0\underset{t}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k}{\overset{M\left(v\right)}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{k,t}\≤Q_v^{\max },\∀v---\left(7\right)$

其中T₀为每个时段的时间长度，M(v)为第v个电厂所含机组集合，为电厂v的最大可发电量；

按照一定的步长(一般为当月预测系统负荷电量的5％)逐渐增大该负荷电量参数Q^sp的值，每一个Q^sp对应一个如式(4)～(7)所示的优化模型；依次求解该优化模型；各最优值组成该省级电网在电量受限情况下的电量供给曲线；

在电量受限时，对于某一特定负荷电量，所需最小发电成本必定大于电量不受限的情况。将电量受限的供给曲线减去电量不受限的供给曲线，可以得到因电量受限而导致的成本增量曲线。典型的电量受限成本增量曲线如图3所示，图中横坐标轴Q^sp为等效发电电量，纵坐标C为与之相应的发电成本增量。

3)各省级电网将等效发电成本曲线与电量受限成本增量曲线上传到国级电网；

4)国级电网分别将各个省级电网等值为一个节点，并挂接具有相应等效发电成本曲线特性的等值机组和在该省内部上网的国调机组，以省间联络线为支路连接各省对应的节点，从而形成省间送受电的等效拓扑模型；

以四个省级电网的简单互联情况为例，其等效拓扑模型如图4所示。图中的等效拓扑模型分别以四个省级电网作为节点，L₁～L₄为各省的系统负荷预测，各省节点上分别接有两类机组：G_M,n是在省网n内部上网的国调机组集合；G_N,n是具有该省等效发电成本曲线特性的等值机组。

5)国级电网根据国调电厂各发电机组的检修计划、可调能力以及发电成本信息，基于各省级电网等值发电机的等效发电成本曲线和电量受限成本增量曲线，以及省间联络线的传输容量，优化省间送受电计划(包括一个月度范围内的省间联络线功率曲线)和国调电厂电力电量计划(包括一个月度范围内的国调电厂各机组出力曲线)；

构建国级电网优化省间送受电计划和国调电厂电力电量计划的优化模型如下：

在电力电量富余或紧缺时，国级优化省间送受电的目标函数不同：

在电力电量富余时，目标函数如式(8)所示，即通过省间交易最小化全网发电成本：

$\min \underset{t}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}[\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{n,t}\left(G_{n,t}\right)+\underset{m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_m{P}_{m,t}+\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_n{\mathrm{\ϵ}}_{n,t}^{+}]+\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_n\left(Q_n\right)---\left(8\right)$

在电力电量紧缺时，目标函数如式(9)所示，即各省在时间、空间上均衡缺电，降低平均缺电深度：

$\min \underset{t}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_n{{\mathrm{\ϵ}}_{n,t}^{+}}^2---\left(9\right)$

其中，T为总时段数，N为省级电网数，G_n,t为第n省时段t等效出力，f_n,t(G_n,t)为第n省时段t等效发电成本曲线；Q_n为第n省总发电量；g_n(Q_n)为第n省电量受限成本增量曲线；M为国调发电机组数，c_m是第m台发电机组的成本系数，P_m,t是机组m在时段t的出力；为第n省时段t负荷平衡约束的松弛变量，λ_n为第n省负荷平衡约束的松弛罚因子；

构建国级电网优化省间送受电计划和国调电厂电力电量计划的约束条件如式(10)～(15)所示：

省级电网负荷平衡约束，即各省级电网的系统负荷等于该省的总机组出力与该省的联络线净输入功率之和；

$L_{n,t}=G_{n,t}+\underset{i}{\overset{I\left(n\right)}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{i,t}+\underset{j}{\overset{J\left(n\right)}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{j,t}+{\mathrm{\ϵ}}_{n,t}^{+},\∀n,\∀t---\left(10\right)$

L_n,t为省级电网n时段t的系统负荷；G_n,t为省级电网n时段t的等效出力；I(n)为与省网n相连的联络线集合，T_i,t为联络线i在时段t的传输功率(以输入省网n为正，由省网n输出为负)；J(n)为省网n内部上网的国调机组集合，P_j,t为国调机组j在时段t的发电出力，为第n省时段t负荷平衡约束的松弛变量；

省级电网出力约束，即各省级电网的等效出力在该省的最小等效出力和最大等效出力之间；

$G_{n,t}^{\min }\≤G_{n,t}\≤G_{n,t}^{\max },\∀n,\∀t---\left(11\right)$

G_n，t为省级电网n时段t的等效出力；为省级电网n时段t的最大、最小等效出力；

省级电网发电量约束，即各省级电网的等效发电量在该省的最大发电量和最小发电量之间；

$Q_n^{\min }\≤Q_n\≤Q_n^{\max },\∀n---\left(12\right)$

为省级电网n的最大、最小发电量，由各类型机组的可调能力统计得到；其中 $Q_n=T_0\underset{t}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{n,t};$

联络线传输容量约束，即各联络线的传输功率在该联络线的传输功率上限和传输功率下限之间；

$T_i^{\min }\≤T_{i,t}\≤T_i^{\max },\∀i,\∀t---\left(13\right)$

分别为联络线i传输功率上、下限；

国调机组可调出力约束，即各国调机组的出力在该机组的最大出力与最小出力之间；

$P_{m,t}^{\min }\≤P_{m,t}\≤P_{m,t}^{\max },\∀m,\∀t---\left(14\right)$

分别为机组m在时段t的最大、最小出力；

国调电厂最大电量约束，即各国调电厂的发电量不超过该电厂可承担的最大发电量；

$T_0\underset{t}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m}{\overset{M\left(w\right)}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{m,t}\≤Q_w^{\max },\∀w---\left(15\right)$

T₀为每个时段的时间，M(w)为第w个电厂所含机组集合，为电厂w的最大可发电量；

对如式(8)～(15)所示的优化模型进行求解，得到省间送受电计划以及国调电厂的电力电量计划；

6)国级电网将省间送受电计划下发至各个省级电网；

7)各省级电网根据省间送受电计划，以及省调电厂的可调能力，优化省调电厂的电力电量计划(包括一个月度范围内的省调电厂各机组出力曲线)；

构建省级电网优化省调电厂电力电量计划的优化模型如下：

在电力电量富余或紧缺时，省级电网优化省调电厂电力电量计划的目标函数不同：

在电力电量富余时，目标函数如式(16)所示，即最小化省内发电成本：

$\min \underset{t}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}[\underset{k}{\overset{K\left(n\right)}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{P}_{k,t}+{\mathrm{\λ}}_n{\mathrm{\ϵ}}_{n,t}^{+}]---\left(16\right)$

在电力电量紧缺时，目标函数如式(17)所示，即在时间上均衡缺电，降低平均缺电深度，目标函数如下：

$\min \underset{t}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{n,t}^{+}}^2---\left(17\right)$

其中，T为总时段数，K(n)为第n省发电机组数，c_k是第k台发电机组的成本系数，P_k,t是机组k在时段t的出力；为第n省时段t负荷平衡约束的松弛变量；

构建省级电网优化省调电厂电力电量计划的约束条件如式(18)～(20)所示：

系统负荷平衡约束，即系统负荷等于总机组出力与联络线净输入功率之和；

$L_{n,t}=\underset{k}{\overset{K\left(n\right)}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{k,t}+P_{n,t}^{\mathrm{in}}+{\mathrm{\ϵ}}_{n,t}^{+},\∀t---\left(18\right)$

其中是n省时段t的外部净注入功率，由国级下发的省间送受电计划及国调电厂电力电量计划计算得到；L_n,t为n省时段t的系统负荷；

机组可调出力约束，即各机组出力在该机组的最小出力和最大出力之间；

$P_{k,t}^{\min }\≤P_{k,t}\≤P_{k,t}^{\max },\∀k---\left(19\right)$

其中，分别为机组k在时段t的最大、最小出力；

省调电厂最大电量约束，即各省调电厂的发电量不超过该电厂可承担的最大发电量；

$T_0\underset{t}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k}{\overset{M\left(v\right)}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{k,t}\≤Q_v^{\max },\∀v---\left(20\right)$

T₀为每个时段的时间，M(v)为第v个电厂所含机组集合，为电厂v的最大可发电量；

对如式(16)～(20)所示的优化模型进行求解，即可得到省调电厂的电力电量计划。

省间送受电计划、国调电厂的电力电量计划、省调电厂的电力电量计划组合形成大互联电网的电力电量平衡优化结果。

至此，本发明所提方法实施完毕。

由以上具体实施步骤可见，本发明提出的在大互联电网范围内协调进行电力电量平衡的优化方法，利用省级电网等效发电成本曲线和电量受限成本增量曲线作为关键优化信息，实现了国级电网和省级电网电力电量平衡优化决策的分解和协调。按照本发明所提供的方法，可以实现全网电力电量平衡的有效决策，在电力电量富余时最小化全网发电成本；在电力电量紧缺时降低时间和空间上的平均缺电深度，减少由电力供应不足所带来的经济损失。该方法避免了大规模统一计算问题，计算效率高，实施难度小，具有很强的工程实用性。

需要强调的是，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。因此，以上实施步骤仅用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.在大互联电网范围内协调进行电力电量平衡的优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)各省级电网根据省调电厂各发电机组的检修计划、可调能力以及发电成本信息，按时段生成一组等效发电成本曲线，该曲线表征该省所有机组承担的发电负荷与发电成本之间的关系；等效发电成本曲线的生成方法如下：首先根据省内所有机组的检修计划对各时段的机组可调能力进行修正；然后，由机组最小出力之和到机组最大出力之和，按照一定的步长增加总发电负荷的值，依次求解发电—负荷平衡优化模型的最优值，各最优值组成该省级电网相应时段的等效发电成本曲线；

2)存在电量受限情况的省级电网，根据省调电厂的最大与最小电量约束，生成电量受限成本增量曲线，该曲线表征该省因电量受限而导致产出一定电量所需要付出的额外发电成本；根据发电量—负荷电量平衡优化模型，分别计算电量不受限情况下的电量供给曲线和电量受限情况下的电量供给曲线，并将这两条曲线相减，得到电量受限成本增量曲线；

3)各省级电网将等效发电成本曲线与电量受限成本增量曲线上传到国级电网；

4)国级电网分别将各个省级电网等值为一个节点，并挂接具有相应等效发电成本曲线特性的等值机组和在该省内部上网的国调机组，以省间联络线为支路连接各省对应的节点，从而形成省间送受电的等效拓扑模型；

5)国级电网根据国调电厂各发电机组的检修计划、可调能力以及发电成本信息，基于各省级电网等值发电机的等效发电成本曲线、电量受限成本增量曲线、省间送受电的等效拓扑模型以及省间联络线的传输容量，优化省间送受电计划和国调电厂的电力电量计划：在电力电量富余时，国级优化省间送受电的目标是最小化全网发电成本，在电力电量紧缺时，国级优化省间送受电的目标是各省在时间、空间上均衡缺电；

6)国级电网将省间送受电计划下发至各个省级电网；

7)各省级电网根据省间送受电计划，以及省调电厂的可调能力，优化省调电厂的电力电量计划：在电力电量富余时，省级优化省调电厂电力电量计划的目标是最小化省内发电成本，在电力电量紧缺时，省级优化省调电厂电力电量计划的目标是在时间上均衡缺电，降低平均缺电深度；

省间送受电计划、国调电厂的电力电量计划、省调电厂的电力电量计划组合形成大互联电网的电力电量平衡优化结果。