CN104037814B - 一种分段平滑法与邻域搜索算法相结合的多电网调峰负荷分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水电调度运行领域，公开了一种分段平滑法与邻域搜索算法相结合的多电网调峰负荷分配方法，该方法可以兼顾大电网平台下多个省级电网的负荷平滑需求，避免或尽可能减少电网局部余荷“毛刺”，实现多个电网共同调峰。其技术方案为：根据电网负荷峰谷走势以及受电量大小，采用分段平滑法将全天分成多段，并均化各分段中多个相邻时段余荷以构造理想解；以计算解与理想解的差值平方和最小为目标，采用邻域搜索算法动态改变可行搜索区域以改善收敛速度和结果质量，使计算结果不断向理想解靠拢。本发明可在不降低电网调峰幅度的情况下，更加平滑多个省级电网的余荷曲线，为电网稳定运行提供更合理的负荷条件，发挥更好的调峰效果，适用于我国多数区域电网的调度和管理。

Description

一种分段平滑法与邻域搜索算法相结合的多电网调峰负荷分配方法

技术领域

本发明涉及水电调度运行领域，特别涉及一种分段平滑法与邻域搜索算法相结合的多电网调峰负荷分配方法。

技术背景

电网调峰是通过合理安排优质电源出力计划，使电站尽量在负荷高峰时段多发电，以满足系统峰值负荷，减小余留负荷峰谷差，同时尽可能使余留负荷保持平稳，以减少调节性能较差的火电等电源频繁开停机，达到水火互济，保证电网安全、节能、经济运行。调峰困难是我国大多数电网目前面临的共性和突出问题，随着间歇式新能源并网，这一问题变得更为突出。如何在大电网平台下，根据各个省级电网间负荷差异，充分利用有限的优质电源平衡和转移相关电力电量，以缓解我国电网日益严重的调峰压力，具有非常重要的理论和实用价值，尤其是对水电等调峰电源紧缺的华东、华北及其他类似电网具有非常突出的作用。我国目前的电网调度方式，网际协调一般由区域调度中心来进行，通过其直调的水电、火电、核电等电力资源，与区外来电一起进行省级间的电力和电量分配，从而实现一定程度上的调峰功能。这种调度方式，没有考虑动态变化的各个省级电网负荷特征，不能充分发挥优质电源，如常规水电、抽水蓄能机组的调峰作用。因此，从理论和实践上探讨新的网际间的调峰调度方式和方法，非常及时和必要。

目前国内外相关研究成果鲜有针对多电网调峰负荷分配问题的研究和求解方法，绝大部分研究集中于对单一电网调峰负荷分配问题的探讨。然而随着全国范围内特高压互联电力系统形成，协调省间以及区域间电力电量分配以提高对峰值负荷响应能力将变得愈加重要，传统调峰负荷分配方法已无法充分发挥大电网平台优势，满足大电网综合利用要求。本发明成果基于大电网平台下多个省级电网的调峰负荷分配问题提出，可以在不降低电网调峰幅度的情况下，更加平滑多个省级电网的余荷曲线，为电网稳定运行提供更合理的负荷需求，发挥更好的调峰效果，具有重要的推广使用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种分段平滑法与邻域搜索算法相结合的多电网调峰负荷分配方法，该方法通过分段平滑方法改善局部时段范围内的余荷平滑能力以满足电网实际运行需求，采用可变步长动态改变可行搜索区域，并利用邻域搜索算法优化求解以改善收敛速度和结果质量。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种分段平滑法与邻域搜索算法相结合的多电网调峰负荷分配方法，按照下述步骤(1)-(12)完成多电网调峰负荷分配过程：

(1)采用分段平滑方法构建理想解；`

(2)初始化。获取初始解，并设定搜索步长N_step＝N0_step，其中N0_step为初始步长。对所有电网进行两两组合，生成电网对的个数为每个电网对表示为<g',g″>，并记所有电网对的集合为Φ，集合中的元素标号记为φ，且对所有时段进行两两组合，生成时段对的个数为每个时段对表示为<t',t″>，并记所有时段对的集合为Θ，集合中的元素标号记为且令φ＝1，

(3)从集合Φ中取出第φ个电网组合<g',g″>；

(4)从集合Θ中取出第个时段组合<t',t″>；

(5)按照步长N_step增加或减少g'号电网t'时段的余荷，为了满足电网受电量约束，相应地减少或增加t″时段的余荷；

(6)同时为了满足时段出力平衡约束，按同等步长减少或增加g″号电网t'时段的余荷，并同时增加或减少t″时段的余荷。此时，便得到一个邻域解；

(7)对该邻域解进行可行性检验。若该邻域解严格满足所有约束条件，跳至步骤(8)；否则，转至步骤(7)；

(8)令N_step＝N0_step，若则返回步骤(3)；否则跳至步骤(11)；

(9)对比邻域解与当前解目标值：若邻域解的目标值小于当前解，则转至步骤(9)；否则，跳至步骤(10)；

(10)将该邻域解作为新的当前解，并令返回步骤(3)；

(11)按新的搜索步长N′_step＝N_step×2更新步长，以扩大搜索范围，并返回步骤(4)；

(12)判断是否满足停止条件，若不满足，令其中％为取余运算符，返回步骤(2)；否则，搜索结束，输出结果。

本发明对比现有技术有如下有益效果：本发明一种分段平滑法与邻域搜索算法相结合的多电网调峰负荷分配方法，通过分段平滑方法均化多个相邻时段余荷以构造理想解，并尽可能平滑各电网局部负荷波动；采用邻域搜索算法进行问题求解，通过可变步长动态改变可行搜索区域，以改善收敛速度和结果质量。对比现有技术，本发明通过构建多电网调峰目标函数，可以避免或尽可能减少局部余荷“毛刺”，解决现有调峰负荷分配模型和方法面临的局部时段范围内余荷频繁波动问题，得到较传统方法更合理的日调度运行结果。

附图说明

图1是分段平滑方法中分段方法示意图。

图2是分段平滑方法所得理想余荷过程示意图。

图3是邻域搜索方法原理示意图。

图4是获取邻域解的方法原理示意图。

图5(a)是本发明方法与对比方法得到的上海电网负荷平衡对比图。

图5(b)是本发明方法与对比方法得到的江苏电网负荷平衡对比图。

图5(c)是本发明方法与对比方法得到的浙江电网负荷平衡对比图。

图5(d)是本发明方法与对比方法得到的安徽电网负荷平衡对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

随着全国范围内特高压互联电力系统形成，我国已形成网间电力能源统一协调调度和分配的大电网平台，能够更好地根据各个省级电网间负荷差异，充分利用有限的优质电源平衡和转移相关电力电量，以缓解我国电网日益严重的调峰压力。但与此同时也大大增加了水电优化调度的难度，如何在大电网平台下，利用优质电源协调多个省级电网间差异负荷以缓解我国电力系统日益严重的调峰压力，这方面文献报道极为少见。本发明充分分析了多电网调峰负荷分配问题的特点，考虑动态变化的各个省级电网负荷特征，提出针对多电网调峰的负荷分配方法，通过分段平滑方式改善局部时段范围内的余荷平滑能力以满足电网实际运行需求，采用可变步长动态改变可行搜索区域以改善收敛速度和结果质量。

本发明的分段平滑法与邻域搜索算法相结合的多电网调峰负荷分配方法首先根据调峰调度中电站的主要优化目标和现有调峰优化目标存在的缺点构建多电网调峰目标函数，然后从减小电网峰谷差和减少剩余负荷频繁波动的角度出发，提出分段平滑法均化多个相邻时段余荷以构造理想解，最后采用邻域搜索算法进行问题求解，以获得较传统调峰优化建模方法更合理的日调度运行结果。

针对电网实际调度运行需求，提出一种基于理想解的调峰目标函数，其基本思路是根据电网负荷需求曲线以及受电量大小，引入适合的策略构造最理想的电网剩余负荷过程，称之为理想解，并在优化过程中，使计算结果不断向理想解靠拢，最终得到比较满意的调峰结果。从数学角度分析，两个数据序列的吻合程度可以描述为对应点的差值平方和，所以本发明方法采用计算余荷与理想余荷的差值平方和构建了电网调峰目标函数，可表示为

$\min \sqrt{\underset{1\&le;t\&le;T}{\mathrm{\&Sigma;}}{(s_{g,t}-S_{g.t})}^2}$

式中S_g,t表示第g号电网在时段t的理想余荷，s_g,t表示第g号电网在时段t的计算余荷；t为时段序号；1≤t≤T；T为时段总数。

由于大电网平台下需要满足多个省级电网的调峰要求，所以本发明方法采用线性加权和法对多个目标加权求和，将单目标理论最优解的倒数作为权系数，将问题转换为单目标优化问题，转换后的目标函数可表示为

$\min \underset{1\&le;g\&le;G}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&omega;}}_g\&times;\sqrt{\underset{1\&le;t\&le;T}{\mathrm{\&Sigma;}}{(s_{g,t}-S_{g.t})}^2}$

式中ω_g表示g号电网的权重。计算方法为其中l_g表示g号电网余荷的均值，即理论最优解。

为保证优化结果的可行和可用性，寻求电站在各电网间最优出力分配过程，以满足多个电网调峰要求，需要满足如下约束：

(1)电站的单一时段出力平衡约束，可表示为

$\underset{g=1}{\overset{G}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{m,g,t}=P_{m,t}$

式中P_m,t为m号电站在t时段的出力。单位MW。P_m,g,t为m号电站在t时段送至g号电网的出力，单位MW。1≤g≤G,G为电网总数。1≤m≤M,M为电站总数。1≤t≤T,T为时段总数。

(2)电网受电电量控制需求，可表示为

$\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{m,g,t}\&times;\mathrm{\&Delta;t}=E_m\&times;R_{m,g}$

式中：Δt为单一时段的小时数；E_m为m号电站的发电量，单位MWh。R_m,g为m号电站送g号电网的电量比例。

(3)电网单一时段受电出力非负约束(发电工况，适合各种能源形式电站)

P_m,g,t≥0

(4)电网单一时段受电出力非正约束(抽水工况，适合抽水蓄能电站)

P_m,g,t≤0

从减小电网峰谷差和减少剩余负荷频繁波动的角度出发，提出分段平滑方法构建理想解。分段平滑方法是依据电网负荷曲线的峰谷走势将全天分成多段，目的是实现各分段内余荷过程相对平滑。具体操作步骤为：

1)获取初始可行解。将电站各时段出力均按照电网的受电量比例进行分配，则g号电网任一时段t的初始余荷(计算余荷)为：

$s_{g,t}=d_{g,t}-\underset{1\&le;m\&le;M}{\mathrm{\&Sigma;}}{E}_{m,t}\&times;R_{m,g}$

式中d_g,t表示g号电网在时段t的原始负荷，E_m,t为电站m在时段t的发电量，R_m,g为电站m送g号电网的电量比例。

2)将余荷曲线按峰谷走势分段。按如下步骤操作：

①根据g号电网各时段负荷值确定主要极值点时段p₁,p₂,...,p_n。如图1所示，共给出4个极值点时段；

②对任一对相邻的极值时段p_i和p_i+1，取其均值作为阈值，该阈值所在时段为分割点，如图1所示；

③重复步骤②，确定所有分割点。两分割点之间或分割点与0点或24点之间的所有时段即被划分为一段。

3)确定t时段理想余荷值。g号电网在时段t的理想余荷值为该时段所在分段内的余荷均值，即：

$S_{g,t}=\left(\underset{i\&Element;\mathrm{\&Omega;}}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_{g,i}\right)/M$

式中i的取值为时段t所处分段内的时段集合Ω；s_g,i为第g号电网在时段i的计算余荷；M为该分段内的时段数量。

4)确定理想解。从t＝1至T重复步骤(3)，最终得到g号电网的理想余荷曲线。图2给出了分段后的理想余荷曲线示意图。

通过构造各电网理想余荷曲线，多电网调峰负荷分配问题可表示为基于上述目标函数和约束条件的非线性优化问题，根据问题特性，本发明方法采用变步长邻域搜索算法继续求解，方法原理如图3所示。邻域搜索算法是以初始解(当前解)为基础，定义当前解的邻域范围，并将当前解与其邻域范围内的解进行比较，选取目标较优的改进解作为新的当前解，并重复上述操作，经过多次迭代，即可收敛到问题最优解或满意解。图3是该算法原理示意图。围绕前述调峰问题，下文给出了使用邻域搜索算法的详细求解步骤：

(1)初始化。获取初始解，并设定搜索步长N_step＝N0_step，其中N0_step为初始步长。对所有电网进行两两组合，生成电网对的个数为每个电网对表示为<g',g″>，并记所有电网对的集合为Φ，集合中的元素标号记为φ，且对所有时段进行两两组合，生成时段对的个数为每个时段对表示为<t',t″>，并记所有时段对的集合为Θ，集合中的元素标号记为且令φ＝1，

(2)从集合Φ中取出第φ个电网组合<g',g″>；

(3)从集合Θ中取出第个时段组合<t',t″>；

(4)按照步长N_step增加或减少g'号电网t'时段的余荷，为了满足电网受电量约束，相应地减少或增加t″时段的余荷；

(5)同时为了满足时段出力平衡约束，按同等步长减少或增加g″号电网t'时段的余荷，并同时增加或减少t″时段的余荷。此时，便得到一个邻域解；

(6)对该邻域解进行可行性检验。若该邻域解严格满足所有约束条件，跳至步骤(8)；否则，转至步骤(7)；

(7)令N_step＝N0_step，若则返回步骤(3)；否则跳至步骤(11)；

(8)对比邻域解与当前解目标值：若邻域解的目标值小于当前解，则转至步骤(9)；否则，跳至步骤(10)；

(9)将该邻域解作为新的当前解，并令返回步骤(3)；

(10)按新的搜索步长N′_step＝N_step×2更新步长，以扩大搜索范围，并返回步骤(4)；

(12)判断是否满足停止条件，若不满足，令其中％为取余运算符，返回步骤(2)；否则，搜索结束，输出结果。

现以华东电网调度中心直调水火电系统为例进行仿真分析，涉及常规水电站、火电站、抽蓄电站，以及核电站共计14座，按照华东网调与各省调合同要求，这些电站需要向上海、江苏、浙江、安徽三省一市提供电量以尽可能满足各省市日调峰要求，表1给出了参考实际运行数据设置的各电站的送电量比例。依据华东电网实际负荷曲线特性，将全天分为三段，分别为：00:00-07:15(用电低谷)、07:15-17:45(工作用电高峰)、17:45-24:00(生活用电高峰)，并将本发明方法与现有的最大余荷最小优化方法(以下称对比方法)对比，由表2所示的两种方法计算得到各电网余荷峰谷差。分析可知，本发明方法在各分段范围内使电网余荷峰谷差均出现了较大降幅，特别是在白天用电高峰和晚上用电高峰时段。其中白天高峰时段上海、江苏电网的峰谷差降幅分别达到了1945.1MW(50.65％)、1166.4MW(14.55％)，晚上高峰时段则分别达到了1414.7MW(43.85％)和1149.9MW(19.40％)。说明通过分段调峰可以更好地发挥电站在局部高峰时段范围内的负荷调节作用，使多个电网在各分段内的调峰幅度更大，余荷曲线更加平滑，切实满足电网的实际运行要求。同时，由图5可知，本发明方法明显减少了多个省级电网的负荷峰谷差，尤其平滑了剩余负荷的频繁波动，为调节性能较差电源高效运行提供了重要前提条件，是一种可行有效方法。本发明优化建模思路切实来源于工程实际，研究成果创新了电网调峰调度和控制理论，对于工程实践具有重要参考和实用价值。

表1

表2

Claims (1)

1.一种分段平滑法与邻域搜索算法相结合的多电网调峰负荷分配方法，其特征包括如下步骤：

(1)采用分段平滑方法构建理想解，具体步骤如下：

1)获取初始可行解：将电站各时段出力均按照电网的受电量比例进行分配，则g号电网任一时段t的初始余荷为：

$s_{g,t}=d_{g,t}-\underset{1\&le;m\&le;M}{\mathrm{\&Sigma;}}{E}_{m,t}\&times;R_{m,g}$

式中d_g,t表示g号电网在时段t的原始负荷，E_m,t为电站m在时段t的发电量，R_m,g为电站m送g号电网的电量比例；

2)将余荷曲线按峰谷走势分段，按如下步骤操作：

①根据g号电网各时段负荷值确定主要极值点时段p₁,p₂,...,p_n；

②对任一对相邻的极值时段p_i和p_i+1，取其均值作为阈值，该阈值所在时段为分割点；

③重复步骤②，确定所有分割点，两分割点之间或分割点与0点或24点之间的所有时段即被划分为一段；

3)确定t时段理想余荷值：g号电网在时段t的理想余荷值为该时段所在分段内的余荷均值，即：

$S_{g,t}=\left(\underset{i\&Element;\mathrm{\&Omega;}}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_{g,i}\right)/M$

式中i的取值为时段t所处分段内的时段集合Ω；s_g,i为第g号电网在时段i的计算余荷；M为该分段内的时段数量；

4)确定理想解：从t＝1至T重复步骤3)，最终得到g号电网的理想余荷曲线；

(2)获取初始解，并设定搜索步长N_step＝N0_step，其中N0_step为初始步长；对所有电网进行两两组合，生成电网对的个数为每个电网对表示为<g',g”>，并记所有电网对的集合为Φ，集合中的元素标号记为φ，且对所有时段进行两两组合，生成时段对的个数为每个时段对表示为<t',t”>，并记所有时段对的集合为Θ，集合中的元素标号记为且令φ＝1，

(3)从集合Φ中取出第φ个电网组合<g',g”>；

(4)从集合Θ中取出第个时段组合<t',t”>；

(5)按照步长N_step增加或减少g'号电网t'时段的余荷，为了满足电网受电量约束，相应地减少或增加t”时段的余荷；

(6)同时为了满足时段出力平衡约束，按同等步长减少或增加g”号电网t'时段的余荷，并同时增加或减少t”时段的余荷，得到一个邻域解；

(7)对该邻域解进行可行性检验；若该邻域解严格满足所有约束条件，跳至步骤(9)；否则，转至步骤(8)；

(8)令N_step＝N0_step，若则返回步骤(4)；否则跳至步骤(12)；

(9)对比邻域解与当前解目标值：若邻域解的目标值小于当前解，则转至步骤(10)；否则，跳至步骤(11)；

(10)将该邻域解作为新的当前解，并令返回步骤(4)；

(11)按新的搜索步长N'_step＝N_step×2更新步长，以扩大搜索范围，并返回步骤(5)；

(12)判断是否满足停止条件，若不满足，令 其中％为取余运算符，返回步骤(3)；否则，搜索结束，输出结果。