CN107025513B - 一种电力系统月度火电机组组合问题的启发式搜索方法 - Google Patents

Abstract

一种电力系统月度火电机组组合问题的启发式搜索方法，涉及电力系统发电调度领域。目前，当机组规模较大时容易陷入维数灾，搜索速度较慢，且可能会导致求解结果的不唯一，这些都难以满足我国快速发展的电网调度运行需要。本发明技术方案为：引入“后续负荷率”指标来描述“三公”调度，并以电站“后续负荷率相等”为目标优化机组开机组合方式。在优化过程中，将电站后续负荷率高低及系统备用容量裕度作为启发信息，迭代修正电站开机方式，采用优先开启能耗小的大机组或优先调停能耗大的小机组的机组开停策略，实现电网节能发电。本技术方案可有效满足电力调度的“三公”原则，保证各电厂发电公平性，兼顾节能发电需求，是一种切实可行可用的方法。

Description

一种电力系统月度火电机组组合问题的启发式搜索方法

技术领域

本发明涉及电力系统发电调度领域，特别涉及一种电力系统月度火电机组组合问题的启发式搜索方法。

技术背景

自节能调度办法实施以来，我国发电量的结构发生了重大变化，能耗大的小机组逐渐被淘汰，能耗较小的大机组在电网中成为发电的主体。在这种情况下，大机组互相配合、实现开机方式的优化将成为决定系统运行效益的主要因素；当机组的开机方式确定以后，发电机组之间的负荷经济分配优化空间并不大。同时，中国是以火电机组为主的国家，这样的能源结构决定了机组不宜采用日前机组组合那样频繁启停优化的调度经营模式，从而凸显了月度机组组合在实际生产上的重要性。

电力系统月度机组组合是以月为决策周期、以日为计算时段，在确保电力系统负荷需求及电站、机组自身运行参数的条件下，安排各个电站在未来月份每日的开机方式。月度机组组合作为中长期资源优化，与日前发电计划相比，能够在更长的时间跨度上优化机组组合方案，避免机组频繁启停，从而取得更为理想的优化效果。

月度机组组合问题是一个高维、非凸、离散的混合整数非线性优化问题，优化求解难度较大，需要切实有效的求解方法。目前，国内外学者针对该问题进行建模求解，已经取得了许多有参考价值的研究成果与进展，用于解决此问题的优化方法也一般分为以改进逐步优化算法为代表的常规优化算法和以遗传算法为代表的新型智能算法两类。但前者在当机组规模较大时容易陷入维数灾，后者搜索速度较慢，且由于智能算法本身的随机性特点可能会导致求解结果的不唯一，这些都难以满足我国快速发展的电网调度运行需要，亟需切实可行的建模与求解方法。

本发明成果依托国家自然科学基金重大计划重点支持项目(91547201)、国家自然科学基金委重大国际合作(51210014)、国家自然科学基金面上项目(51579029)，以浙江电网统调火电机组组合问题为背景，满足了电力调度的“三公”原则，保证了调度的公平性，同时尽可能的兼顾了节能调度的需求，在搜索精度和搜索速度方面也具有很大的优越性，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电力系统月度火电机组组合问题的启发式搜索方法，以有效满足电力调度的“三公”原则，保证了调度的公平性，同时也尽可能的兼顾了节能调度的需求，在搜索精度和搜索速度方面也具有很大的优越性，为月度机组组合问题带来了新的解决思路。

一种电力系统月度火电机组组合问题的启发式搜索方法，其特征包括以下步骤：

1)获得初始计算条件，包括火电站机组运行条件和约束，以及电网扣除非火电机组和联络线计划后火电机组需要承担的日平均、最高负荷；

2)将初始计算时段编号t设为t＝1；

3)计算各电站月度的平均负荷率R_m,t；计算公式为：

式中：M为电站总数；T为决策周期，在本文中为一个月；E_m为m号电站的月度合同电量，MWh；F_m,t为m号电站到t时段为止时的已完成发电量，MWh；Q_m,t为m号电站在t时段的剩余可调容量；Nm为电站m内机组总数；N_i为电站m内第i号机组的装机容量，MW；RT_i,t为机组i在决策周期内t时间单元后的剩余检修时间；

4)将第(t-1)日的电网火电机组的实际开机组合方式作为搜索第t日火电机组的开机组合方式的初始解，对于在t日处于检修状态的机组，自动置为停机状态，并计算该日的总开机容量

式中，Ni为电站i内机组总数，I_i,t为机组i在第t日的开机状态变量，若机组i开机则I_i,t＝1，否则I_i,t＝0；特别地，当t＝1时，(t-1)日表示上一月度的最后一天；

5)将该日开机容量L_t与第t日考虑系统备用后的燃煤机组需要承担的最大出力

进行对比；

若

小于或等于给定的精度δ(δ>0)，则计算终止，输出第t日开机组合方式，并跳至步骤8)；

若

跳至步骤6)；

若

跳至步骤7)；

6)电网内燃煤机组开机台数过多，需要调停部分机组；

7)电网内燃煤机组开机台数过少，需要开启部分机组；

8)重新计算当日的机组开机容量L_t，若

则跳至步骤9)；

9)更新各电站已完成电量F_m,t；

10)令t＝t+1，若t<＝T，则跳至步骤3)；否则搜索终止，输出电网月度火电机组开机组合方式。

本发明一种电力系统月度火电机组组合问题的启发式搜索方法，以“三公调度”为目标，以往“三公调度”模式中以“电站装机利用小时数相同”或者“合同完成率相当”，但不能体现后续机组检修以及机组容量带来的影响，因此本方法引入了“后续负荷率”指标来评估“三公调度”，并以“后续负荷率相当”原则指导机组的开机组合方式。在优化计算过程中，以电站后续负荷率高低及负荷变化作为启发信息，迭代修正电站开机方式，同时为了兼顾节能发电，在搜索过程中优先选择开启能耗小的大机组或者优先选择调停能耗大的小机组。对比现有技术，本发明可充分考虑电力系统月度机组组合问题中的各项复杂约束，满足了电网“三公调度”需求，同时尽可能的兼顾了节能发电需求，在搜索精度和搜索速度方面也具有很大的优越性。

步骤6)中，根据以下条件调停部分机组：

601)按照R_m,t从小到大的顺序对电站进行排序，依次对电站内的机组进行预调停，一次调停1台机组，出于节能性的考虑，优先调停电站中能耗最大的机组；

602)对于R_m,t小于60％的电站，优先调停平均装机容量小的电站中的机组；

603)判断欲调停机组的已开机运行持续天数是否大于该机组的最小开机天数，若是，则转至下一电站，若否，则转至该电站的下一机组；若调停该机组后点站内的开机机组台数小于电站的最小运行方式，则放弃对该电站的任何操作，转至下一电站。

3.根据权利要求1所示的一种电力系统月度火电机组组合问题的启发式搜索方法，其特征在于：步骤7)中，根据以下条件开启部分机组：

701)按照R_m,t从大到小的顺序对电站进行排序，依次对电站内的机组进行预开机，一次开启1台机组，同样出于节能性的考虑，优先开启电站中能耗最小的机组；

702)对于R_m,t大于80％的电站，优先开启平均装机容量大的电站中的机组；

703)判断欲开启机组的已停机持续天数是否大于该机组的最小停机天数，若是，则转至下一电站，若否，则转至该电站的下一机组；若该电站内所有机组均不满足条件，则放弃对该电站的任何操作，转至下一电站。

在步骤1)中，火电站机组运行条件和约束包括：

A)机组出力约束

月度机组组合以日为时间单元，属于中长期调度范畴，因此不考虑机组日内出力的优化，机组日内出力均按系统平均负荷率计算，机组出力计算公式为：

式中：C_t为第t日燃煤机组需要平衡的日平均负荷，此处指系统扣除联络线计划以及非火电机组出力；I_i,t为机组i在第t日的开机状态变量，若机组i开机则I_i,t＝1，否则I_i,t＝0；

机组出力P_i,t处于其最大、最小技术出力范围之内，其约束条件为：

I_i,tP_i,min≤P_i,t≤I_i,tP_i,max

B)机组检修约束

I_i,t＝0,t∈[α_t,β_t]

式中：α_t、β_t分别表示机组i在决策周期内检修起始时间和终止时间；

C)机组最小启停时间约束

燃煤机组较大的物理惯性，其开停机过程涉及锅炉热力系统的缓慢动态过程，完成启停过程需要较长时间，最小启停时间约束可以描述为

式中：T_i,U、T_i,D为机组i的最小连续开机时间和最小连续停机时间；

为机组i在第t日时已经连续开机的时候和连续停机的时间；

D)电站开机台数约束

电站在任意一个时间单元内都必须保留一部分的机组出于开机状态，同时电站的开机台数也会受到电站机组总数的限制；

式中：Nm为的电站m的机组总数；I_m,j,t为电站m的第j台机组在第t日的开机状态变量；λ_m、μ_m为电站m最小、最大开机机组数；

E)边界条件约束

各电站计算周期内的开停机方式需要与上一周期内的开机方式衔接，在衔接时段处的机组启停方式需要满足约束3)的最小启停时间约束。

步骤1)中，获得初始计算条件中还包括电网约束；所述电网约束包括：

F)负荷平衡约束

G)系统最小备用容量约束

式中：η_t为第t日的系统备用率；

为第t日系统扣除联络线计划以及非火电出力后的最大负荷，MW；

H)电网安全约束

月度机组组合模型需要考虑关键断面的输电容量约束，即

式中：ψ_s为接入断面s的机组集合；P_s,t为t时刻稳定断面s的输电极限。

有益效果：本技术方案引入了“后续负荷率”指标来评估“三公调度”，并以“后续负荷率相当”原则指导机组的开机组合方式。在优化计算过程中，以电站后续负荷率高低及负荷变化作为启发信息，迭代修正电站开机方式，同时为了兼顾节能发电，在搜索过程中优先选择开启能耗小的大机组或者优先选择调停能耗大的小机组。对比现有技术，本发明可充分考虑电力系统月度机组组合问题中的各项复杂约束，满足了电网“三公调度”需求，同时尽可能的兼顾了节能发电需求，在搜索精度和搜索速度方面也具有很大的优越性。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是采用本发明方法优化计算的浙江电网统调各火电站月度电量完成结果。

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。

月度机组组合旨在更长的时间跨度内统筹考虑电网运行效益，该问题涉及复杂的电力需求和电站、机组运行控制约束，其本质是一个复杂的大规模混合整数非线性规划问题，用严格的数学优化方法很难求出最优解，因此需要更加切实有效的求解方法。如何在满足各项约束的条件下，根据月度负荷预测和电量需求预测，分解落实月度合同电量，制定切实有效的机组组合方案，是问题求解的主要难点。本发明揭示一种电力系统月度火电机组组合问题的启发式搜索方法，引入了“后续负荷率”指标来描述“三公”调度，并以电站“后续负荷率相当”原则指导机组的开机组合方式。在优化计算过程中，以电站后续负荷率负荷高低及负荷变化作为启发信息，迭代修正电站开机方式，同时为了兼顾节能发电，在搜索过程中优先选择开启能耗小的大机组或者优先选择调停能耗大的小机组。

“三公”调度是电力调度的基本原则和工作目标，它意味着在调度管理的过程中，电力调度机构应当平等对待各市场主体，保证各发电企业的合同电量完成进度大致相当，以维护竞争的有序进行。目前，衡量调度公平性的指标主要是发电计划完成率或者完成电量偏差，这些指标一般仅关注发电计划执行的结果，而较少考虑执行的过程，更不能体现机组检修以及机组容量对计划执行过程的影响。近年来，国内学者和电力系统工作者针对电力调度的公平性提出了几种新方法，本文根据电网实际需求，采用后续负荷率评估“三公”调度，并以“后续负荷率相当”原则指导月度电量分解以及月度机组组合方案。后续负荷率是指在整个决策周期内，电站在某个时间单元内、在当前的开机状态下，完成剩余合同电量所要运行的负荷率水平，用下式表示：

R_m,t＝(E_m-F_m,t)×100％/(Q_m,t×T),m＝1,2...M

式中：M为电站总数；T为决策周期，在本文中为一个月；E_m为m号电站的月度合同电量，MWh；F_m,t为m号电站到t时段为止(不包括t时段)时的已完成发电量，MWh；Q_m,t为m号电站在t时段的剩余可调容量

式中：Nm为电站m内机组总数；N_i为电站m内第i号机组的装机容量，MW；RT_i,t为机组i在决策周期内t时间单元后的剩余检修时间。

若电站后续负荷率较低，意味着电站内的机组运行在较低的负荷率水平就能完成合同电量，属于较易完成合同电量的类型，当系统内开机容量充足时为了减少能耗会优先调停这部分电站的机组；反之，若后续负荷率较高，表明电站需要运行在较高的负荷率水平才能完成三公合同电量，属于较难完成合同电量的类型，当系统开机容量不足时会优先开启这些电站内的机组。为了保证各个电站的电量完成进度在任何一个时间断面上尽可能一致，进而保证了调度的公平性，相应的目标函数为：

求解电力系统月度机组组合问题需要满足的约束条件包括：

一、电站和机组约束

A)机组出力约束

月度机组组合以日为时间单元，属于中长期调度范畴，因此不考虑机组日内出力的优化，机组日内出力均按系统平均负荷率计算，机组出力计算公式为：

式中：C_t为第t日燃煤机组需要平衡的日平均负荷，此处指系统扣除联络线计划以及非火电机组出力；I_i,t为机组i在第t日的开机状态变量，若机组i开机则I_i,t＝1，否则I_i,t＝0。

机组出力P_i,t应该处于其最大、最小技术出力范围之内，其约束条件可以描述为：

I_i,tP_i,min≤P_i,t≤I_i,tP_i,max

B)机组检修约束

I_i,t＝0,t∈[α_t,β_t]

式中：α_t、β_t分别表示机组i在决策周期内检修起始时间和终止时间。

C)机组最小启停时间约束

燃煤机组较大的物理惯性，其开停机过程涉及锅炉热力系统的缓慢动态过程，完成启停过程需要较长时间，最小启停时间约束可以描述为

式中：T_i,U、T_i,D为机组i的最小连续开机时间和最小连续停机时间；

为机组i在第t日时已经连续开机的时候和连续停机的时间。

D)电站开机台数约束

电站在任意一个时间单元内都必须保留一部分的机组出于开机状态，同时电站的开机台数也会受到电站机组总数的限制。

式中：Nm为的电站m的机组总数；I_m,j,t为电站m的第j台机组在第t日的开机状态变量；λ_m、μ_m为电站m最小、最大开机机组数。

E)边界条件约束

各电站计算周期内的开停机方式需要与上一周期内的开机方式衔接，在衔接时段处的机组启停方式需要满足约束3)的最小启停时间约束。

二、电网约束；所述电网约束包括：

F)负荷平衡约束

由于机组出力是按照系统平均负荷率计算，因此此项约束自然满足。

G)系统最小备用容量约束

式中：η_t为第t日的系统备用率；

为第t日系统扣除联络线计划以及非火电出力后的最大负荷，MW。

H)电网安全约束

月度机组组合模型需要考虑关键断面的输电容量约束，即

式中：ψ_s为接入断面s的机组集合；P_s,t为t时刻稳定断面s的输电极限；

如图1所示，根据上述思想，一次完整的电力系统月度机组组合优化过程，按照下述步骤1)-11)予以实现：

1)初始计算条件，包括火电站(机组)运行条件和约束(月度合同电量、各机组装机容量、机组典型煤耗曲线等)，以及电网扣除非火电机组和联络线计划后火电机组需要承担的日平均、最高负荷；

2)将初始计算时段编号t＝1；

3)将第(t-1)日的电网火电机组的实际开机组合方式作为搜索第t日火电机组的开机组合方式的初始解，对于在t日处于检修状态的机组，自动置为停机状态，并计算该日的总开机容量

特别地，当t＝1时，(t-1)日表示上一月度的最后一天；

4)采用下式计算各电站在t时段的后续负荷率R_m,t；

5)将该日开机容量L_t与第t日考虑系统备用后的燃煤机组需要承担的最大出力

进行对比；

若

小于或等于给定的精度δ(δ>0)，则计算终止，输出第t日开机组合方式，并跳至步骤(8)

若

跳至步骤6)；

若

跳至步骤7)；

6)电网内燃煤机组开机台数过多，需要调停部分机组。调停的具体原则如下；

①按照R_m,t从小到大的顺序对电站进行排序，依次对电站内的机组进行预调停，一次调停1台机组，出于节能性的考虑，优先调停电站中能耗最大的机组；

②对于R_m,t小于60％的电站，优先调停平均装机容量小的电站中的机组；

③判断欲调停机组的已开机运行持续天数是否大于该机组的最小开机天数，若是，则转至下一电站，若否，则转至该电站的下一机组；若调停该机组后点站内的开机机组台数小于电站的最小运行方式，则放弃对该电站的任何操作，转至下一电站；

7)电网内燃煤机组开机台数过少，需要开启部分机组。开机的具体原则如下；

①按照R_m,t从大到小的顺序对电站进行排序，依次对电站内的机组进行预开机，一次开启1台机组，同样出于节能性的考虑，优先开启电站中能耗最小的机组；

②对于R_m,t大于80％的电站，优先开启平均装机容量大的电站中的机组；

③判断欲开启机组的已停机持续天数是否大于该机组的最小停机天数，若是，则转至下一电站，若否，则转至该电站的下一机组；若该电站内所有机组均不满足条件，则放弃对该电站的任何操作，转至下一电站；

8)重新计算当日的机组开机容量L_t，若

则执行步骤(9)；

9)对超载断面进行校正，修正该部分机组的开机方式；

10)更新各电站已完成电量F_m,t；

11)令t＝t+1，若t<＝T，则跳至步骤(3)；否则算法搜索终止，输出电网月度火电机组开机组合方式；

现以浙江电网统调26座火电站(84台机组)作为研究对象，采用本发明方法制作其月度机组组合方案。各电站基础资料如表1所示(限于篇幅，仅列出部分电站资料)，计算结果如图2所示。由图分析可知，在满足电站和机组、电网约束的情况下，不考虑固定计划的电站，完成合同电量进度最大的为1.06，最小的为0.95，均满足电网月度电量控制要求。同时，与实际运行结果对比，77％的电站的合同电量完成度均有了不同程度的提高，最高幅度达到了32％，各电站电量完成进度趋于一致，电量完成度均方差为0.03，比实际降低了0.13，更加符合“三公”调度对公平性的要求。

表1

Claims (5)

1.一种电力系统月度火电机组组合问题的启发式搜索方法，其特征包括以下步骤：

1)获得初始计算条件，包括火电站机组运行条件和约束，以及电网扣除非火电机组和联络线计划后火电机组需要承担的日平均、最高负荷；

2)将初始计算时段编号t设为t＝1；

3)计算各电站月度的平均负荷率R_m,t；计算公式为：

式中：M为电站总数；T为决策周期，在本文中为一个月；E_m为m号电站的月度合同电量，MWh；F_m,t为m号电站到t时段为止时的已完成发电量，MWh；Q_m,t为m号电站在t时段的剩余可调容量；Nm为电站m内机组总数；N_i为电站m内第i号机组的装机容量，MW；RT_i,t为机组i在决策周期内t时间单元后的剩余检修时间；

4)将第t-1日的电网火电机组的实际开机组合方式作为搜索第t日火电机组的开机组合方式的初始解，对于在t日处于检修状态的机组，自动置为停机状态，并计算该日的总开机容量

式中，I_i,t为机组i在第t日的开机状态变量，若机组i开机则I_i,t＝1，否则I_i,t＝0；特别地，当t＝1时，t-1日表示上一月度的最后一天；

5)将该日开机容量L_t与第t日考虑系统备用后的燃煤机组需要承担的最大出力

进行对比；

若

小于或等于给定的精度δ,δ>0，则计算终止，输出第t日开机组合方式，并跳至步骤8)；

若

跳至步骤6)；

若

跳至步骤7)；

6)电网内燃煤机组开机台数过多，需要调停部分机组；

7)电网内燃煤机组开机台数过少，需要开启部分机组；

8)重新计算当日的机组开机容量L_t，若

则跳至步骤9)；

9)更新各电站已完成电量F_m,t；

10)令t＝t+1，若t<＝T，则跳至步骤3)；否则搜索终止，输出电网月度火电机组开机组合方式。

2.根据权利要求1所述的一种电力系统月度火电机组组合问题的启发式搜索方法，其特征在于：步骤6)中，根据以下条件调停部分机组：

601)按照R_m,t从小到大的顺序对电站进行排序，依次对电站内的机组进行预调停，一次调停1台机组，出于节能性的考虑，优先调停电站中能耗最大的机组；

602)对于R_m,t小于60％的电站，优先调停平均装机容量小的电站中的机组；

603)判断欲调停机组的已开机运行持续天数是否大于该机组的最小开机天数，若是，则转至下一电站，若否，则转至该电站的下一机组；若调停该机组后点站内的开机机组台数小于电站的最小运行方式，则放弃对该电站的任何操作，转至下一电站。

3.根据权利要求1所述的一种电力系统月度火电机组组合问题的启发式搜索方法，其特征在于：步骤7)中，根据以下条件开启部分机组：

701)按照R_m,t从大到小的顺序对电站进行排序，依次对电站内的机组进行预开机，一次开启1台机组，同样出于节能性的考虑，优先开启电站中能耗最小的机组；

702)对于R_m,t大于80％的电站，优先开启平均装机容量大的电站中的机组；

703)判断欲开启机组的已停机持续天数是否大于该机组的最小停机天数，若是，则转至下一电站，若否，则转至该电站的下一机组；若该电站内所有机组均不满足条件，则放弃对该电站的任何操作，转至下一电站。

4.根据权利要求1所述的一种电力系统月度火电机组组合问题的启发式搜索方法，其特征在于：在步骤1)中，火电站机组运行条件和约束包括：

A)机组出力约束

月度机组组合以日为时间单元，属于中长期调度范畴，因此不考虑机组日内出力的优化，机组日内出力均按系统平均负荷率计算，机组出力计算公式为：

式中：C_t为第t日燃煤机组需要平衡的日平均负荷，此处指系统扣除联络线计划以及非火电机组出力；I_i,t为机组i在第t日的开机状态变量，若机组i开机则I_i,t＝1，否则I_i,t＝0；

机组出力P_i,t处于其最大、最小技术出力范围之内，其约束条件为：

I_i,tP_i,min≤P_i,t≤I_i,tP_i,max

B)机组检修约束

I_i,t＝0,t∈[α_t,β_t]

式中：α_t、β_t分别表示机组i在决策周期内检修起始时间和终止时间；

C)机组最小启停时间约束

燃煤机组较大的物理惯性，其开停机过程涉及锅炉热力系统的缓慢动态过程，完成启停过程需要较长时间，最小启停时间约束可以描述为

式中：T_i,U、T_i,D为机组i的最小连续开机时间和最小连续停机时间；

为机组i在第t日时已经连续开机的时候和连续停机的时间；

D)电站开机台数约束

电站在任意一个时间单元内都必须保留一部分的机组出于开机状态，同时电站的开机台数也会受到电站机组总数的限制；

式中：I_m,j,t为电站m的第j台机组在第t日的开机状态变量；λ_m、μ_m为电站m最小、最大开机机组数；

E)边界条件约束

各电站计算周期内的开停机方式需要与上一周期内的开机方式衔接，在衔接时段处的机组启停方式需要满足约束C)的最小启停时间约束。

5.根据权利要求4所述的一种电力系统月度火电机组组合问题的启发式搜索方法，其特征在于：步骤1)中，获得初始计算条件中还包括电网约束；所述电网约束包括：

F)负荷平衡约束

G)系统最小备用容量约束

式中：η_t为第t日的系统备用率；

为第t日燃煤机组需要承担的最大出力，即第t日系统扣除联络线计划以及非火电出力后的最大负荷，MW；

H)电网安全约束

月度机组组合模型需要考虑关键断面的输电容量约束，即

式中：ψ_s为接入断面s的机组集合；P_s,t为t时刻稳定断面s的输电极限。

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