CN105406508A - 一种火电双层调峰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火电双层调峰方法，包括：S1、对各个火电机组，划分调峰出力范围，不同出力范围对应不同的整数变量值；S2、给出火电所应承担的负荷曲线；S3、进行整数变量的求解，即第一层求解：S4、进行各火电机组出力的求解，即第二层求解；S5：根据所述第二层火电调峰模型的求解结果给出每个火电机组的出力和等效启停调峰容量。本发明具有如下优点：能够考虑火电机组的各个调峰出力范围；能够将混合整数规划问题解耦为一个整数规划问题和一个线性规划问题，从而减少计算时间；能够给出调峰方案中火电机组的等效启停调峰容量，从而对火电调峰代价有一个较为宏观的描述。

Description

一种火电双层调峰方法

技术领域

本发明涉及电力系统的优化与运行，尤其涉及火电机组占较大比例且需要参与调峰的省级电网，具体涉及一种火电双层调峰方法。

背景技术

调峰问题是电网日常运行规划中的重要问题之一。在某些省级电网中，电网峰谷差及峰谷差率增长水平要远快于负荷增长水平，而且随着可控性较差的特高压的接入，最小负荷增长缓慢，造成峰谷差进一步拉大，特高压引入后缓解了峰时缺电的问题，但又给谷荷时段带来新的压荷和停机压力。因此，电网面临的调峰问题日益严峻，需要通过各种手段来解决调峰问题。

常规燃煤火电机组虽然并非良好的调峰电源，但确实是可控性最好的调峰电源之一。而且合理地安排火电调峰方案，可以提高火电机组的利用率，减少火电启停次数。因此，对火电机组的调峰方案研究和计算是很有意义的。然而，目前的火电调峰模型中，大多没有专门对火电机组的深度调峰进行考虑，或者考虑的不够详细。这就使得电网调峰缺乏了一种很重要的手段。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种火电双层调峰方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种火电双层调峰方法，包括以下步骤：S1、对每个火电机组，均划分调峰出力范围；S2、给出火电负荷曲线；S3、以火电机组整体等效启停调峰容量为目标，以火电机组最小可带负荷、最大可带负荷、持续开机时间、持续停机时间、向上备用需求和向下备用需求为约束，建立第一层火电调峰模型，并对所述第一层调峰模型进行求解；S4、以减小系统运行总费用和火电机组出力波动为目标，以火电机组爬坡速率、向上备用需求和向下备用需求等为约束，建立第二层火电调峰模型，并对所述第二层火电调峰模型进行求解；S5：根据所述第二层火电调峰模型的求解结果给出每个火电机组的出力值，其中，所述第二层优化目标包括火电机组出力波动和系统运行总费用。

根据本发明实施的一种火电双层调峰方法，能够考虑火电机组的各个调峰出力范围，并且减少计算时间。

另外，本发明还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述步骤S1进一步包括：以R_it表示描述i号火电机组t时刻出力范围的整数变量，所述R_it的取值及相应的描述状态确定如下表：

取值	描述状态
		0	停机
1	出力范围为0～30％额定容量
		2	出力范围为30～40％额定容量
3	正常出力为50～100％额定容量

。

进一步地，所述步骤S3进一步包括：S301：等效启停调峰容量的定义：同一机组相邻时刻变量R_it和R_it+1在不同取值的情况下所表示的意义如下表：

；S302：建立所述第一层火电调峰模型，表达式如下式：

$\begin{array}{c}{\mathrm{Obj}}_{GA}=\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}{P}_{i\max }^c\·N_{si}\\ \left\{\begin{array}{c}+\mathrm{\α}\·\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\left(\max \right(P_t^l+{\mathrm{RSV}}_t^u-C_{t\max },0)+\max (C_{t\min }-P_t^l-{\mathrm{RSV}}_t^d,0\left)\right)\\ +\mathrm{\β}\·\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}(\Σ\max (X_i^{on}-T_i^{on},0)+\Σ\max (X_i^{off}-T_i^{off},0\left)\right)\end{array}\right.\\ =P_{UD}+{\mathrm{Pena}}_1+{\mathrm{Pena}}_2\end{array}$

其中，P_UD为所述火电机组整体等效启停调峰容量，N_si所述火电机组整体等效启停调峰次数，C_tmin为所述最小可带负荷，C_tmax为所述最大可带负荷，为持续开机时间，为停机时间集合，为系统t时刻的向上备用需求，为系统t时刻的向下备用需求，为火电机组i的容量，T为所研究时间段节点数，N_c为火电机组数目，α、β为加权系数，为t时刻负荷预测值，为火电机组i的最大开机、关机时间；

$\begin{array}{cc}{C}_{t\min }=\underset{i=1}{\overset{Nc}{\Σ}}{P}_{i1}\left(R_{it}\right),& C_{t\max }=\underset{i=1}{\overset{Nc}{\Σ}}{P}_{i2}\left(R_{it}\right)\end{array}$

P_i1(·)和P_i2(·)将整数变量映射到各机组出力范围下限和上限给出，采用搜索的方法进行计算。

进一步地，所述步骤S4进一步包括：S401：总燃煤费用如下式：

$\begin{array}{c}TC=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}{I}_{it}^c{\mathrm{FC}}_{it}=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}{I}_{it}^c\[C_{ai}{P}_{it}^{c2}+C_{bii}{P}_{it}^c+C_{ci}\]\\ =\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}{C}_{ai}{P}_{it}^{c2}+C_{bii}{P}_{it}^c+C_{ci}{I}_{it}^c\end{array}$

其中，FC_it为第i号火电机组t时刻的运行燃料费用，C_ai、C_bi和C_ci为所述第i号火电机组费用特性曲线中的常数，为火电机组i在t时刻的出力；全体火电机组出力波动的惩罚项如下项：

${\mathrm{Pena}}_c=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Pena}}_{c1}=\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}\frac{1}{P_{i\max }^c}\[\frac{1}{T}\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{P}_{it}^{c2}-{\left(\frac{1}{T}\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{P}_{it}^c\right)}^2\]\\ {\mathrm{Pena}}_{c2}=\frac{1}{4T}\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}\frac{1}{P_{i\max }^c}\[\underset{t=2}{\overset{T}{\Σ}}{(P_{it-1}^c-P_{it}^c)}^2\]\end{array}\right.$

其中，Pena_c1、Pena_c2为惩罚项Pena_c的两种表示方法，所述第二层火电调峰模型的整体目标函数如下式：

Obj_c＝α₁TC+α₂Pena_c

其中，α₁、α₂均为权重系数；S402：采用二次规划软件对所述第二层火电调峰模型进行求解，所述二次规划软件包括Cplex或Gurobi。

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是本发明一个实施例的流程图；

图2是本发明一个实施例的1号火电机组出力的示意图；

图3是本发明一个实施例的3号火电机组出力的示意图；

图4是本发明一个实施例的7号火电机组出力的示意图；

图5是本发明一个实施例的9号火电机组出力的示意图。

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，仅用于解释本发明，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”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述根据本发明实施例的一种火电双层调峰方法。

本发明所述的考虑不同调峰深度的火电双层调峰模型原理为：对各个火电机组，划分调峰出力范围，不同出力范围对应不同的整数变量值；给出火电所应承担的负荷曲线；进行整数变量的求解，即第一层求解：考虑目标为火电机组整体的启停调峰容量最小，考虑约束条件为启停时间约束、以及处理上下限和功率平衡的松弛约束，并采用一种改进的遗传算法进行计算；进行各火电机组出力的求解，即第二层求解：考虑目标为火电机组煤耗量或者出力波动最小，考虑约束条件为火电机组出力上下限约束、爬坡速率约束、以及功率平衡的严格约束。

发明实施例公开的一种火电双层调峰方法，包括以下步骤：

S1、对各个火电机组，划分调峰出力范围，不同出力范围对应不同的整数变量值。

具体地，以下根据《湖南电网火电厂调峰管理办法》中提到的方法，可以将R_it的取值及意义确定如下：

表1整数变量R_it的取值及对应状态

S2、给出火电所应承担的负荷曲线；

具体地，根据需要给出某日一定时间间隔的火电机组部分承担的负荷曲线。

S3、进行整数变量的求解，即第一层求解；

具体地，即为电调峰双层模型的第一层建模及求解方法。第一层模型需要考虑等效启停调峰容量作为优化目标，而在约束条件的处理方面，考虑两个约束条件，一是出力范围约束，二是最小启停时间约束，将它们作为惩罚项加入目标函数中。如果某时刻负荷不在基因所确定的出力范围内，则以功率不平衡量乘以系数作为惩罚项。如果某次启/停不满足最小时间要求，则以时间差乘以系数作为惩罚项。

如果还希望系统留有一定的向上和向下备用，那么可在计算功率不平衡量时，对火电机组的出力范围进行一定程度的缩小，留出来的裕度作为备用容量。

最终，包含火电机组启停调峰容量、备用以及约束惩罚项的遗传算法目标函数Obj_GA表达式为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{Obj}}_{GA}=\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}{P}_{i\max }^c\·N_{si}\\ \left\{\begin{array}{c}+\mathrm{\α}\·\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\left(\max \right(P_t^l+{\mathrm{RSV}}_t^u-C_{t\max },0)+\max (C_{t\min }-P_t^l-{\mathrm{RSV}}_t^d,0\left)\right)\\ +\mathrm{\β}\·\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}(\Σ\max (X_i^{on}-T_i^{on},0)+\Σ\max (X_i^{off}-T_i^{off},0\left)\right)\end{array}\right.\\ =P_{UD}+{\mathrm{Pena}}_1+{\mathrm{Pena}}_2\end{array}$

其中，P_UD为总等效启停调峰容量。N_si、C_tmin和C_tmax、和分别为遗传算法中由某条基因解码确定的等效启停调峰次数，最小和最大可带负荷，持续开机和停机时间集合。和分别为系统t时刻的向上、向下备用需求。C_tmin和C_tmax的计算方法为：

$\begin{array}{cc}{C}_{t\min }=\underset{i=1}{\overset{Nc}{\Σ}}{P}_{i1}\left(R_{it}\right),& C_{t\max }=\underset{i=1}{\overset{Nc}{\Σ}}{P}_{i2}\left(R_{it}\right)\end{array}$

P_i1(·)和P_i2(·)将整数变量映射到各机组出力范围下限和上限给出。采用搜索的方法进行计算。

S4、进行各火电机组出力的求解，即第二层求解。

具体地，本层优化目标函数包括：机组启停费用、运行费用以及波动惩罚项。

启停费用可利用上一层优化求解出的变量直接进行计算，是确定的值，因此可不包含在优化模型内。

描述火电机组的运行效率，可用总煤耗或燃煤费用进行考察。一般考察的煤耗特性中，将火电机组的燃煤费用描述成有功出力的二次函数形式，于是总燃煤费用可以写成：

$\begin{array}{c}TC=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}{I}_{it}^c{\mathrm{FC}}_{it}=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}{I}_{it}^c\[C_{ai}{P}_{it}^{c2}+C_{bii}{P}_{it}^c+C_{ci}\]\\ =\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}{C}_{ai}{P}_{it}^{c2}+C_{bii}{P}_{it}^c+C_{ci}{I}_{it}^c\end{array}$

其中，FC_it为i号火电机组t时刻的运行燃料费用，C_ai、C_bi、C_ci为该火电机组费用特性曲线中的常数。该式的右边两项，是考虑启停变量只能取0或1两种值的约束，以及之后的上下限约束，从而将目标函数表达式由三次函数转化为二次函数。

对于火电出力波动的惩罚项，采取火电机组各时刻出力方差之和的形式。以方差形式描述的i号火电机组出力波动的惩罚项为：

${\mathrm{Pena}}_{i1}=\frac{1}{T}\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{P}_{it}^{c2}-{\left(\frac{1}{T}\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{P}_{it}^c\right)}^2$

此目标函数比较顾及整体，即整体出力波动大时惩罚项大，但对可能出现的局部出力波动较大的情况(比如，某时刻出力很大而其他时刻均为0)描述较差。因此可以考虑分时段求取方差，再求平均的方式。设分成(T/dT)段，每段有dT个点，如果dT→2，那么就成为如下形式：

${\mathrm{Pena}}_{i2}=\frac{1}{4T}\underset{t=2}{\overset{T}{\Σ}}{(P_{it-1}^c-P_{it}^c)}^2$

即相邻时刻机组出力之差的平方和形式，此目标函数对于局部出力波动大的情况较为敏感。

对于多个火电机组，首先对上述惩罚项进行归一化处理，即令不同容量机组标幺出力曲线相同时惩罚相同。再考虑大容量机组减小波动的要求，乘以装机容量作为权重，最终描述火电机组出力波动性的惩罚项为：

${\mathrm{Pena}}_c=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Pena}}_{c1}=\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}\frac{1}{P_{i\max }^c}\[\frac{1}{T}\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{P}_{it}^{c2}-{\left(\frac{1}{T}\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{P}_{it}^c\right)}^2\]\\ {\mathrm{Pena}}_{c2}=\frac{1}{4T}\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}\frac{1}{P_{i\max }^c}\[\underset{t=2}{\overset{T}{\Σ}}{(P_{it-1}^c-P_{it}^c)}^2\]\end{array}\right.$

这两种惩罚项对火电机组出力波动性的描述不同，实际计算仿真中发现，当调峰压力较小时，分别采取两种目标函数求解的差异较大。正常出力情况下各火电机组惩罚项一般为0～30。

至此，所要考察的三个方面：减少启停、提高运行效率以及减少波动已经描述完毕。但TC和Pena_c两项的量纲不同，另外实际考察中对费用和波动性的侧重也不同(虽然它们之间有一定程度的等价)，因此乘以各自的权重系数α₁、α₂后，构成模型中火电项的子目标函数：

Obj_c＝α₁TC+α₂Pena_c

约束条件

本层模型对火电机组加以三个约束条件：功率上下限约束、功率平衡约束、爬坡速率约束。其中，功率上下限约束中的上下限是有上层优化求解出的变量R_it所确定的，而功率平衡约束则是严格的等式约束。爬坡速率约束数学形式较为简单，这里不再给出。

S402：采用二次规划软件对所述第二层火电调峰模型进行求解，所述二次规划软件包括Cplex、Gurobi等。

具体地，请参考图2至图5，采用改进的遗传算法进行第一层求解(整数变量的求解)，采用优化软件进行第二层变量的求解(具体出力值的求解)。

可以发现有两台机组(1号和7号)某时段出现了启停调峰和深度调峰的情况。若不考虑火电机组的深度调峰手段，会出现无解的情况。对于峰谷差较大的电网，在特高压接入后谷荷变低，留给火电的调峰压力骤增的情况，这种火电深度调峰的情况会经常出现，因此考虑深度调峰的模型才是比较有现实意义的。

另外，本发明实施例的一种火电双层调峰方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (4)

1.一种火电双层调峰方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对每个火电机组，均划分调峰出力范围；

S2、给出火电负荷曲线；

S3、以火电机组整体等效启停调峰容量为目标，以火电机组最小可带负荷、最大可带负荷、持续开机时间、持续停机时间、向上备用需求和向下备用需求为约束，建立第一层火电调峰模型，并对所述第一层调峰模型进行求解；

S4、以减小系统运行总费用和火电机组出力波动为目标，以火电机组爬坡速率、向上备用需求和向下备用需求等为约束，建立第二层火电调峰模型，并对所述第二层火电调峰模型进行求解；

S5：根据所述第二层火电调峰模型的求解结果给出每个火电机组的出力值，其中，所述第二层优化目标包括系统运行总费用和火电机组出力波动。

2.根据权利要求1所述的火电双层调峰方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：

以R_it表示描述i号火电机组t时刻出力范围的整数变量，所述R_it的取值及相应的描述状态确定如下表：

取值 描述状态 0 停机 1 出力范围为0～30％额定容量 2 出力范围为30～40％额定容量 3 正常出力为50～100％额定容量

。

3.根据权利要求2所述的火电双层调峰方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：

S301：等效启停调峰容量的定义：同一机组相邻时刻变量R_it和R_it+1在不同取值的情况下所表示的意义如下表：

S302：建立所述第一层火电调峰模型，表达式如下式：

${\mathrm{Obj}}_{GA}=\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}{P}_{i\max }^c\·N_{si}$

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}+\mathrm{\α}\·\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\left(\max \left(P_t^l+{\mathrm{RSV}}_t^u-C_{t\max },0\right)+\max \left(C_{t\min }-P_t^l-{\mathrm{RSV}}_t^d,0\right)\right)\\ +\mathrm{\β}\·\underset{i=1}{\overset{T}{\Σ}}\left(\mathrm{\Σ}\max \left(X_i^{on}-T_i^{on},0\right)+\mathrm{\Σ}\max \left(X_i^{off}-T_i^{off},0\right)\right)\end{array}\right.\\ =P_{UD}+{\mathrm{Pena}}_1+{\mathrm{Pena}}_2\end{array}$

其中，P_UD为所述火电机组整体等效启停调峰容量，N_si所述火电机组整体等效启停调峰次数，C_tmin为所述最小可带负荷，C_tmax为所述最大可带负荷，为持续开机时间，为停机时间集合，为系统t时刻的向上备用需求，为系统t时刻的向下备用需求，为火电机组i的容量，T为所研究时间段节点数，N_c为火电机组数目，α、β为加权系数，为t时刻负荷预测值，为火电机组i的最大开机、关机时间；

$C_{tmin}=\underset{i=1}{\overset{Nc}{\Σ}}{P}_{i1}\left(R_{it}\right),C_{tmax}=\underset{i=1}{\overset{Nc}{\Σ}}{P}_{i2}\left(R_{it}\right)$

P_i1(·)和P_i2(·)将整数变量映射到各机组出力范围下限和上限给出，采用搜索的方法进行计算。

4.根据权利要求3所述的火电双层调峰方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：

S401：总燃煤费用如下式：

$\begin{array}{c}TC=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}{I}_{it}^c{\mathrm{FC}}_{it}=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}{I}_{it}^c\[C_{ai}{P}_{it}^{c2}+C_{bi}{P}_{it}^c+C_{ci}\]\\ =\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}{C}_{ai}{P}_{it}^{c2}+C_{bi}{P}_{it}^c+C_{ci}{I}_{it}^c\end{array}$

其中，FC_it为第i号火电机组t时刻的运行燃料费用，C_ai、C_bi和C_ci为所述第i号火电机组费用特性曲线中的常数，为火电机组i在t时刻的出力值；

全体火电机组出力波动的惩罚项如下项：

${\mathrm{Pena}}_c=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Pena}}_{c1}=\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}\frac{1}{P_{i\max }^c}\[\frac{1}{T}\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{P}_{it}^{c2}-{\left(\frac{1}{T}\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{P}_{it}^c\right)}^2\]\\ {\mathrm{Pena}}_{c2}=\frac{1}{4T}\underset{i=1}{\overset{N_c}{\Σ}}\frac{1}{P_{i\max }^c}\[\underset{t=2}{\overset{T}{\Σ}}{\left(P_{it-1}^c-P_{it}^c\right)}^2\]\end{array}\right.$

Pena_c1、Pena_c2为惩罚项Pena_c的两种表示方法，

所述第二层火电调峰模型的整体目标函数如下式：

Obj_c＝α₁TC+α₂Pena_c

其中，α₁、α₂均为权重系数；

S402：采用二次规划软件对所述第二层火电调峰模型进行求解，所述二次规划软件包括Cplex或Gurobi。