CN105868859A - 一种兼顾经济效益与环境保护的跨省购电计划制定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼顾经济效益与环境保护的跨省购电计划制定方法，包括以下步骤：1)建立以购电成本最低、SO₂排放量最少CO₂排放量最小为目标的目标函数，同时建立约束条件；2)根据建立的约束条件求解目标函数，得最小购电成本F_t.min、最小SO₂排放量F_s.min及最小CO₂排放量F_c.min；3)根据最小购电成本F_t.min、最小SO₂排放量F_s.min及最小CO₂排放量F_c.min对购电成本、SO₂排放量及CO₂排放量进行无量纲化；4)求解购电成本、SO₂排放量及CO₂排放量的权重向量，然后建立购电优化目标函数；5)求解所述购电优化目标函数，得从各地区购入火电的电量、水电的电量、风电的电量及光伏的电量。本发明能够制定出兼顾经济效率与环境保护的跨省购电计划。

Description

一种兼顾经济效益与环境保护的跨省购电计划制定方法

技术领域

本发明属于电网购电计划制定领域，涉及一种兼顾经济效益与环境保护的跨省购电计划制定方法。

背景技术

由于我国的能源分布尤其是一次能源分布与地区的发展水平有很大的差异，许多地区的用电需求与当地的供电能力不能完全匹配，所以需要通过跨省跨地区购电来满足本地区电能的需要。

对于各电网公司来说，传统的跨省购电计划制定的目标就是根据本地区负荷的波动，制定相应的购电计划，使购电总成本最小，是单目标优化问题。

但是当前社会，我国面临着严峻的环境问题，我国的电力行业尤其是火力发电厂对环境的污染非常严重，是污染气体排放的大户。据统计，我国电力行业，每年排放的SO₂、CO₂、NO_x、粉尘以及灰渣等造成环境污染占全国污染总量的40％左右。对于解决我国电力行业对环境的污染，长远措施是安装环保设备，同时大力发展清洁能源发电技术，减少火力发电机组的出力，但是这些措施的投入是巨大的，且建设周期长。在现有的情况下，通过对各省电网公司购电计划的优化，减少我国电力行业对环境的污染，是一个简便可行且见效快的办法，因此兼顾经济效益与环境保护的购电计划制定方法的研究，受到了广泛的关注。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种兼顾经济效益与环境保护的跨省购电计划制定方法，该方法制定出兼顾经济效率与环境保护的跨省购电计划。

为达到上述目的，本发明所述的兼顾经济效益与环境保护的跨省购电计划制定方法包括以下步骤：

1)建立以购电成本最低为目标的目标函数，建立以SO₂排放量最少为目标的目标函数，建立以CO₂排放量最小为目标的目标函数，同时建立约束条件；

2)根据建立的约束条件求解以购电成本最低为目标的目标函数、以SO₂排放量最少为目标的目标函数、以及以CO₂排放量最小为目标的目标函数，得最小购电成本F_t.min、最小SO₂排放量F_s.min及最小CO₂排放量F_c.min；

3)根据最小购电成本F_t.min、最小SO₂排放量F_s.min及最小CO₂排放量F_c.min对购电成本、SO₂排放量及CO₂排放量进行无量纲化，得购电成本无量纲化的结果R_t、SO₂排放量无量纲化的结果R_s及CO₂排放量无量纲化的结果R_c；

4)求解购电成本、SO₂排放量及CO₂排放量的权重向量，然后根据购电成本、SO₂排放量及CO₂排放量的权重向量以及步骤3)得到的购电成本无量纲化的结果R_t、SO₂排放量无量纲化的结果R_s及CO₂排放量无量纲化的结果R_c建立购电优化目标函数；

5)求解所述购电优化目标函数，得从各地区购入火电的电量、水电的电量、风电的电量及光伏的电量，实现兼顾经济效益与环境保护的跨省购电。

以购电成本最低为目标的目标函数、以SO₂排放量最少为目标的目标函数、以及以CO₂排放量最小为目标的目标函数分别为：

${\mathrm{minF}}_t=min\[\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{4}{\Σ}}{s}_{ij}{p}_{ij}{T}_{ij}+F_{loss}\]---\left(1\right)$

${\mathrm{minF}}_s=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{p}{\Σ}}\underset{l=1}{\overset{q}{\Σ}}(a_{ikls}+b_{ikls}{p}_{ikl1}+c_{ikls}{p_{ikl1}}^2)\×T_{i1}---\left(2\right)$

${\mathrm{minF}}_c=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{p}{\Σ}}\underset{l=1}{\overset{q}{\Σ}}(a_{iklc}+b_{iklc}{p}_{ikl1}+c_{iklc}{p_{ikl1}}^2)\×T_{i1}---\left(3\right)$

其中：F_t为购电总成本，F_loss为计算周期内的网损费用，j为购电的类型，其中，购电的类型包括火电、水电、风电及光伏发电，s_ij为i地区j类电的上网电价；p_ij为单位时间内从i地区购买的j类电的电量；F_s及F_c分别为电力系统SO₂、CO₂的总排放量；a_ikls，b_ikls及c_ikls为i地区容量为k的第l台火电机组的SO₂排放系数；a_iklc，b_iklc及c_iklc为容量为k的第l台火电机组的CO₂排放系数；T_ij为计算周期内i地区j类电能对应的机组的平均利用时间，p_ikl1为单位时间内i地区容量为k的第l台火电机组的发电量。

步骤1)中的约束条件为：

供需平衡约束条件：

P_loss+P_W+P_load＝P_G (5)

$P_G=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{4}{\Σ}}{P}_{ij}---\left(6\right)$

其中，P_load为电网总负荷，P_G为i地区第j类电能对应的机组的平均出力，P_W为单位时间内电网的外送电力总和，P_loss为电网系统中的网损；

供电能力的约束条件：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{i1.\min }\≤e_{i1}\≤e_{i1.\max }\\ e_{i2.\min }\≤e_{i2}\≤e_{i2.\max }\\ e_{i3.\min }\≤e_{i3}\≤e_{i3.\max }\\ e_{i4.\min }\≤e_{i4}\≤e_{i4.\max }\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，e_i1、e_i2、e_i3及e_i4分别为单位时间内需要从i地区购买火电、水电、风电、光伏发电的电量，e_i1,max、e_i2,max、e_i3,max及e_i4,max分别为单位时间内i地区火电、水电、风电、光伏发电送出电量的上限；e_i1,min、e_i2,min、e_i3,min及e_i4,min分别为单位时间内i地区火电、水电、风电、光伏发电送出电量的下限；

输电断面输电能力约束条件：

W_a≤W_amax (8)

其中，W_a为经过第a个断面的输送功率；W_amax为第a个断面所允许的最大输送功率；

电网电压的约束条件：

U_bmin≤U_b≤U_bmax (9)

其中，U_b为电网内节点b的实际电压；U_bmax及U_bmin为电网内所规定的节点b的电压上限及电压下限；

电网频率的约束条件：

f_bmin≤f_b≤f_bmax (10)

其中，f_b为电网内节点b的实际频率，f_bmax及f_bmin为电网内所规定的节点b的频率上限及频率下限。

步骤3)中购电成本无量纲化的结果R_t、SO₂排放量无量纲化的结果R_s及CO₂排放量无量纲化的结果R_c的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_t=\frac{F_t-F_{t.\min }}{F_{t.\min }}\\ R_s=\frac{F_s-F_{s.\min }}{F_{s.\min }}\\ R_c=\frac{F_c-F_{c.\min }}{F_{c.\min }}\end{array}\right.---\left(11\right)$

步骤4)中求解购电成本、SO₂排放量及CO₂排放量的权重向量的具体操作为：采用层次分析法使用九标度法建立判断矩阵B，再计算判断矩阵B的最大特征值λ_max及其特征向量X；然后对所述特征向量进行归一化处理，得权重向量W＝[w_t,w_s,w_c]^T。

步骤4)中购电优化目标函数为：

minF＝min(w_tR_t+w_sR_s+w_cR_c) (14)。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的兼顾经济效益与环境保护的跨省购电计划制定方法在具体操作时，先分别建立以构建成本最低、SO₂排放量最少以及CO₂排放量最小为目标的三个目标函数，建立约束条件，再根据约束条件解决所述三个目标函数，从而得到最小购电成本F_t.min、最小SO₂排放量F_s.min及最小CO₂排放量，然后再求解购电成本、SO₂排放量及CO₂排放量的权重向量，最后根据获取的权重向量以及最小购电成本F_t.min、最小SO₂排放量F_s.min及最小CO₂排放量建立购电优化目标函数，然后求解所述购电优化目标函数，即可得到从各地区购入火电的电量、水电的电量、风电的电量及光伏的电量，本发明通过权重向量将多目标函数转换为单目标函数，然后再通过求解单目标函数实现最优的购电，从而兼容购电成本的同时最大限度的降低污染气体的排放量。

附图说明

图1为本发明的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的兼顾经济效益与环境保护的跨省购电计划制定方法包括以下步骤：

1)建立以购电成本最低为目标的目标函数，建立以SO₂排放量最少为目标的目标函数，建立以CO₂排放量最小为目标的目标函数，同时建立约束条件，其中，

以购电成本最低为目标的目标函数、以SO₂排放量最少为目标的目标函数、以及以CO₂排放量最小为目标的目标函数分别为：

${\mathrm{minF}}_t=min\[\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{4}{\Σ}}{s}_{ij}{p}_{ij}{T}_{ij}+F_{loss}\]---\left(1\right)$

${\mathrm{minF}}_s=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{p}{\Σ}}\underset{l=1}{\overset{q}{\Σ}}(a_{ikls}+b_{ikls}{p}_{ikl1}+c_{ikls}{p_{ikl1}}^2)\×T_{i1}---\left(2\right)$

${\mathrm{minF}}_c=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{p}{\Σ}}\underset{l=1}{\overset{p}{\Σ}}(a_{iklc}+b_{iklc}{p}_{ikl1}+c_{iklc}{p_{ikl1}}^2)\×T_{i1}---\left(3\right)$

其中：F_t为购电总成本，F_loss为计算周期内的网损费用，j为购电的类型，其中，购电的类型包括火电、水电、风电及光伏发电，s_ij为i地区j类电的上网电价；p_ij为单位时间内从i地区购买的j类电的电量；F_s及F_c分别为电力系统SO₂、CO₂的总排放量；a_ikls，b_ikls及c_ikls为i地区容量为k的第l台火电机组的SO₂排放系数；a_iklc，b_iklc及c_iklc为容量为k的第l台火电机组的CO₂排放系数；T_ij为计算周期内i地区j类电能对应的机组的平均利用时间，p_ikl1为单位时间内i地区容量为k的第l台火电机组的发电量。

步骤1)中的约束条件为：

供需平衡约束条件：

P_loss+P_W+P_load＝P_G (4)

$P_G=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{4}{\Σ}}{P}_{ij}---\left(5\right)$

其中，P_load为电网总负荷，P_G为i地区第j类电能对应的机组的平均出力，P_W为单位时间内电网的外送电力总和，P_loss为电网系统中的网损；

供电能力的约束条件：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{i1.\min }\≤e_{i1}\≤e_{i1.\max }\\ e_{i2.\min }\≤e_{i2}\≤e_{i2.\max }\\ e_{i3.\min }\≤e_{i3}\≤e_{i3\max }\\ e_{i4.\min }\≤e_{i4}\≤e_{i4.\max }\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，e_i1、e_i2、e_i3及e_i4分别为单位时间内需要从i地区购买火电、水电、风电、光伏发电的电量，e_i1,max、e_i2,max、e_i3,max及e_i4,max分别为单位时间内i地区火电、水电、风电、光伏发电送出电量的上限；e_i1,min、e_i2,min、e_i3,min及e_i4,min分别为单位时间内i地区火电、水电、风电、光伏发电送出电量的下限；

输电断面输电能力约束条件：

W_a≤W_amax (7)

其中，W_a为经过第a个断面的输送功率；W_amax为第a个断面所允许的最大输送功率；

电网电压的约束条件：

U_bmin≤U_b≤U_bmax (8)

其中，U_b为电网内节点b的实际电压；U_bmax及U_bmin为电网内所规定的节点b的电压上限及电压下限；

电网频率的约束条件：

f_bmin≤f_b≤f_bmax (9)

其中，f_b为电网内节点b的实际频率，f_bmax及f_bmin为电网内所规定的节点b的频率上限及频率下限。

2)根据建立的约束条件求解以购电成本最低为目标的目标函数、以SO₂排放量最少为目标的目标函数、以及以CO₂排放量最小为目标的目标函数，得最小购电成本F_t.min、最小SO₂排放量F_s.min及最小CO₂排放量F_c.min；

3)根据最小购电成本F_t.min、最小SO₂排放量F_s.min及最小CO₂排放量F_c.min对购电成本、SO₂排放量及CO₂排放量进行无量纲化，得购电成本无量纲化的结果R_t、SO₂排放量无量纲化的结果R_s及CO₂排放量无量纲化的结果R_c，其中，

$\left\{\begin{array}{c}{R}_t=\frac{F_t-F_{t.\min }}{F_{t.\min }}\\ R_s=\frac{F_s-F_{s.\min }}{F_{s.\min }}\\ R_c=\frac{F_c-F_{c\min }}{F_{c.\min }}\end{array}\right.---\left(10\right)$

4)求解购电成本、SO₂排放量及CO₂排放量的权重向量，然后根据购电成本、SO₂排放量及CO₂排放量的权重向量以及步骤3)得到的购电成本无量纲化的结果R_t、SO₂排放量无量纲化的结果R_s及CO₂排放量无量纲化的结果R_c建立购电优化目标函数，其中，

步骤4)中求解购电成本、SO₂排放量及CO₂排放量的权重向量的具体操作为：采用层次分析法使用九标度法建立判断矩阵B，再计算判断矩阵B的最大特征值λ_max及其特征向量X，同时检验判断矩阵的一致性，B的一致性程度C(B)＝(λ_max-n)/(n-1)，当C(B)≤0.1时，则认为判断矩阵的形容性较好，然后对所述特征向量进行归一化处理，得权重向量W＝[w_t,w_s,w_c]^T；

步骤4)中购电优化目标函数为：

minF＝min(w_tR_t+w_sR_s+w_cR_c) (11)。

5)求解所述购电优化目标函数，得从各地区购入火电的电量、水电的电量、风电的电量及光伏的电量，实现兼顾经济效益与环境保护的跨省购电。

取购电成本作为经济效益的评价指标，选取SO₂排放量、CO₂排放量作为环境保护的评价指标，建立了综合考虑购电成本、SO₂排放量、CO₂排放量的多目标函数，通过对各评价指标进行无量纲化处理以及利用层次分析法确定其各自的权重，可以将多目标优化问题转变成单目标优化问题，然后利用粒子群优化算法对优化函数进行求解，制定购电计划，通过本发明制定的购电计划可以实现在减少购电成本的同时，最大限度地降低污染气体的排放量，且不增加任何环保投入。

同时，电网公司可以根据实际情况调整各评价指标的权重值，制定满足实际情况的购电计划，验证了该模型具有很好的适应性。

Claims (6)

1.一种兼顾经济效益与环境保护的跨省购电计划制定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立以购电成本最低为目标的目标函数，建立以SO₂排放量最少为目标的目标函数，建立以CO₂排放量最小为目标的目标函数，同时建立约束条件；

2)根据建立的约束条件求解以购电成本最低为目标的目标函数、以SO₂排放量最少为目标的目标函数、以及以CO₂排放量最小为目标的目标函数，得最小购电成本F_t.min、最小SO₂排放量F_s.min及最小CO₂排放量F_c.min；

3)根据最小购电成本F_t.min、最小SO₂排放量F_s.min及最小CO₂排放量F_c.min对购电成本、SO₂排放量及CO₂排放量进行无量纲化，得购电成本无量纲化的结果R_t、SO₂排放量无量纲化的结果R_s及CO₂排放量无量纲化的结果R_c；

4)求解购电成本、SO₂排放量及CO₂排放量的权重向量，然后根据购电成本、SO₂排放量及CO₂排放量的权重向量以及步骤3)得到的购电成本无量纲化的结果R_t、SO₂排放量无量纲化的结果R_s及CO₂排放量无量纲化的结果R_c建立购电优化目标函数；

5)求解所述购电优化目标函数，得从各地区购入火电的电量、水电的电量、风电的电量及光伏的电量，实现兼顾经济效益与环境保护的跨省购电。

2.根据权利要求1所述的兼顾经济效益与环境保护的跨省购电计划制定方法，其特征在于，以购电成本最低为目标的目标函数、以SO₂排放量最少为目标的目标函数、以及以CO₂排放量最小为目标的目标函数分别为：

其中：F_t为购电总成本，F_loss为计算周期内的网损费用，j为购电的类型，其中，购电的类型包括火电、水电、风电及光伏发电，s_ij为i地区j类电的上网电价；p_ij为单位时间内从i地区购买的j类电的电量；F_s及F_c分别为电力系统SO₂、CO₂的总排放量；a_ikls，b_ikls及c_ikls为i地区容量为k的第l台火电机组的SO₂排放系数；a_iklc，b_iklc及c_iklc为容量为k的第l台火电机组的CO₂排放系数；T_ij为计算周期内i地区j类电能对应的机组的平均利用时间，p_ikl1为单位时间内i地区容量为k的第l台火电机组的发电量。

3.根据权利要求1所述的兼顾经济效益与环境保护的跨省购电计划制定方法，其特征在于，步骤1)中的约束条件为：

供需平衡约束条件：

P_loss+P_W+P_load＝P_G (4)

其中，P_load为电网总负荷，P_G为i地区第j类电能对应的机组的平均出力，P_W为单位时间内电网的外送电力总和，P_loss为电网系统中的网损；

供电能力的约束条件：

其中，e_i1、e_i2、e_i3及e_i4分别为单位时间内需要从i地区购买火电、水电、风电、光伏发电的电量，e_i1,max、e_i2,max、e_i3,max及e_i4,max分别为单位时间内i地区火电、水电、风电、光伏发电送出电量的上限；e_i1,min、e_i2,min、e_i3,min及e_i4,min分别为单位时间内i地区火电、水电、风电、光伏发电送出电量的下限；

输电断面输电能力约束条件：

W_a≤W_amax (7)

其中，W_a为经过第a个断面的输送功率；W_amax为第a个断面所允许的最大输送功率；

电网电压的约束条件：

U_bmin≤U_b≤U_bmax (8)

其中，U_b为电网内节点b的实际电压；U_bmax及U_bmin为电网内所规定的节点b的电压上限及电压下限；

电网频率的约束条件：

f_bmin≤f_b≤f_bmax (9)

其中，f_b为电网内节点b的实际频率，f_bmax及f_bmin为电网内所规定的节点b的频率上限及频率下限。

4.根据权利要求2所述的兼顾经济效益与环境保护的跨省购电计划制定方法，其特征在于，步骤3)中购电成本无量纲化的结果R_t、SO₂排放量无量纲化的结果R_s及CO₂排放量无量纲化的结果R_c的表达式为：

。

5.根据权利要求4所述的兼顾经济效益与环境保护的跨省购电计划制定方法，其特征在于，步骤4)中求解购电成本、SO₂排放量及CO₂排放量的权重向量的具体操作为：采用层次分析法使用九标度法建立判断矩阵B，再计算判断矩阵B的最大特征值λ_max及其特征向量X；然后对所述特征向量进行归一化处理，得权重向量W＝[w_t,w_s,w_c]^T。

6.根据权利要求5所述的兼顾经济效益与环境保护的跨省购电计划制定方法，其特征在于，步骤4)中购电优化目标函数为：

min F＝min(w_tR_t+w_sR_s+w_cR_c) (11)。