CN108767849A - 考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度方法，采用高斯烟羽模型建立了适应电力系统发电调度的燃煤污染物扩散模型，用以刻画燃煤污染物扩散浓度的时空分布。为满足国家环境空气质量标准中对不同污染物项目的浓度限值要求，本发明基于燃煤污染物浓度提出了大气环境质量约束，进而构建了考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度方法。通过本发明能够有效改善由电力供给导致的大气环境污染，从而实现电力能源与生态环境的协同发展。
Description
技术领域
本发明属于电力系统运行调度领域，更具体地，涉及一种考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度方法。
背景技术
近年来，我国大气环境污染形势严峻，以可吸入颗粒物PM10和细颗粒物PM2.5为特征污染物的区域性大气环境问题日益突出。全国多个地区接连出现严重的雾霾天气，大范围、长时间、高浓度的大气污染，对人体健康、生态环境和交通安全造成了严重损害，影响人类社会的可持续发展。大量的研究表明，以化石能源为主的能源消费结构是引发现代雾霾污染的根本原因，其中燃煤产生的二氧化硫、氮氧化物、粉尘等是大气污染的主要物理基源之一，对全国PM2.5年均浓度的贡献度约为50％～60％，极大地影响了我国大气环境质量。
鉴于我国以煤电为主的电源结构，电力生产是化石能源消耗的主要过程。因此，在电力工业开展环境保护工作具有十分迫切的现实需求。针对电力生产影响大气环境质量的问题，现有环境经济调度方法均是采用煤电污染物排放总量来度量电力生产对大气环境的影响，通过对污染物排放总量进行惩罚取费得到环境惩罚成本并将其纳入目标函数，或考虑由排放总量与运行成本构成的多目标优化来建立环境经济调度模型。然而，大气环境质量一方面和污染排放总量有关，更确切地，大气环境质量取决于大气中的污染物浓度，而这与大气对污染物的扩散能力是直接相关的。因此，有必要在计及环境影响的发电调度中进一步考虑污染物扩散浓度的时空分布特征。
因此，如何提供一种考虑污染物扩散浓度的时空分布特征，并满足大气环境质量约束的运行调度方法是目前亟需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度方法，由此解决现有电力系统运行调度方法的局限性，并由此带来的大气环境质量恶化的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度方法，包括：
基于连续高架点源的高斯烟羽扩散模型，以煤电机组为污染物排放点源，选取负荷中心为采样点，通过Pasquill-Gifford-Turner扩散曲线获得相应的扩散参数，由所述扩散参数建立适应电力系统发电调度的燃煤污染物扩散模型，其中，所述燃煤污染物扩散模型表示由燃煤发电产生的污染物项目在不同空间位置的浓度；
基于所述燃煤污染物扩散模型，并参考国家环境空气质量标准中对于不同污染物项目在预设时间的平均浓度限值，建立大气环境质量约束；
基于所述大气环境质量约束，建立考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度模型，由所述电力系统运行调度模型进行电力调度，其中，所述电力系统运行调度模型以最小化电力系统运行成本为目标函数。
优选地，所述高斯烟羽扩散模型为：其中，x轴向取平均风向，指向下风向；y轴向取横侧风向；z轴向取为铅垂方向；C(x,y,z)为采样点的燃煤污染物浓度；(x,y,z)为采样点在烟羽扩散坐标系中的坐标；Q为单位时间排放的污染物质量；v为平均风速；H为有效源高；σy为横向大气扩散参数，σz为垂直大气扩散参数。
优选地，所述建立适应电力系统发电调度的燃煤污染物扩散模型，包括：
基于所述高斯烟羽扩散模型，以煤电机组为污染物排放点源，选取负荷中心为采样点，通过Pasquill-Gifford-Turner扩散曲线获得相应的扩散参数，进而由所述扩散参数得到所述负荷中心地面处的煤电污染物的10分钟平均浓度为：其中，t10表示采样间隔，为10分钟；C(g,d,t10)为采样时段内煤电机组g在负荷d处造成的污染物浓度10分钟平均值；和分别为采样时段内横向与垂直大气扩散参数；为采样时段内煤电机组g的排放源强；为采样时段内的平均风速；为采样时段内负荷d距煤电机组g的横风向距离；Hg为煤电机组g的有效源高；
由针对所述煤电污染物的10分钟平均浓度进行校正以得到各研究时段内的m小时的平均浓度，其中，Qg(Pg,t)＝αgPg,t 2+βgPg,t+γg，t为调度时段；Δt为时段间隔，取m小时；C(g,d,t)为t时段煤电机组g在负荷d处带来的污染物浓度m小时平均值；a为校正指数；Kg,d,t为t时段内煤电机组g在负荷d处导致大气污染的浓度计算系数；Pg,t为t时段煤电机组g的有功出力；αg,βg和γg为机组g的排放参数。
优选地，所述大气环境质量约束为：其中，NT为调度时段数；NG为系统内机组数；为负荷处污染物在NT小时内的平均浓度的上限值。
优选地，所述基于所述大气环境质量约束，建立考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度模型，包括：
考虑所述大气环境质量约束的电力系统运行调度模型以最小化电力系统运行成本为目标函数，其中，所述目标函数为Sg,t为机组g在时段t的启动成本；ag,bg和cg为机组g的燃料成本系数。
优选地，所述电力系统运行调度模型的约束条件包括：系统功率平衡约束、线路输电容量约束、机组运行约束与大气环境质量约束，所述机组运行约束包括：最小开停机约束、最大最小出力约束和爬坡约束。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够有效改善由电力供给导致的大气环境污染，从而实现电力能源与生态环境的协同发展。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种高斯烟羽扩散坐标系示意图；
图3是本发明实施例提供的一种负荷预测曲线图；
图4是本发明实施例提供的一种场景一发电机组调度结果图；
图5是本发明实施例提供的一种场景二发电机组调度结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示是本发明实施例提供的一种考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度方法的流程示意图，在图1所示的方法中，包括以下步骤：
S1：建立连续高架点源高斯烟羽扩散模型；
如图2所示，在步骤S1中，在有界情形下，连续高架点源高斯烟羽扩散模型为：
其中，x轴向取平均风向，指向下风向；y轴向取横侧风向；z轴向取为铅垂方向；C(x,y,z)为采样点的燃煤污染物浓度；(x,y,z)为采样点在烟羽扩散坐标系中的坐标；Q为源强，即单位时间排放的污染物质量；v为平均风速；H为有效源高，包含烟囱高度hs和烟羽的抬升高度Δh，H＝hs+Δh；σy和σz分别为横向、垂直大气扩散参数，由大气稳定度、采样点离源下风向距离等因素决定，是烟羽在y和z方向上扩散范围的量度，可通过Pasquill–Gifford–Turner(PGT)扩散曲线获得。
S2：基于步骤S1提出的高斯烟羽扩散模型进行校正，建立适应电力系统发电调度的燃煤污染物扩散模型；
在步骤S2中，适应电力系统发电调度的燃煤污染物扩散模型的建立步骤如下：
S2.1：由于电力供给的连续性，电力污染物排放可视为来自连续排放的高架点源。借鉴高斯烟羽模型，以煤电机组为污染物排放点源，选取负荷中心为采样点，则当大气稳定度、源-荷相对位置等因素确定后，可通过Pasquill–Gifford–Turner(PGT)扩散曲线获得相应的扩散参数，该参数对应的采样时段为10分钟。因此，负荷中心地面处的煤电污染物10分钟平均浓度为：
其中，t10表示采样间隔，为10分钟；C(g,d,t10)为采样时段内煤电机组g在负荷d处造成的污染物浓度10分钟平均值；和分别为采样时段内横向与垂直大气扩散参数；为采样时段内煤电机组g的排放源强；为采样时段内的平均风速；为采样时段内负荷d距煤电机组g的横风向距离；Hg为煤电机组g的有效源高。
S2.2：由于本发明重点关注考虑煤电污染物扩散的日前发电优化调度，故研究时段取m小时，其中，m可以根据实际需要确定，优选取1小时。因此，需针对煤电污染物10分钟平均浓度进行校正以得到各研究时段内的m小时平均浓度。校正公式如下：
Qg(Pg,t)＝αgPg,t 2+βgPg,t+γg (4)
其中，t为调度时段；Δt为时段间隔，取m小时；C(g,d,t)为t时段煤电机组g在负荷d处带来的污染物浓度m小时平均值；a为校正指数；Kg,d,t为t时段内煤电机组g在负荷d处导致大气污染的浓度计算系数；Pg,t为t时段煤电机组g的有功出力；αg,βg和γg为机组g的排放参数。
S3：基于步骤S2提出的适应电力系统发电调度的燃煤污染物扩散模型，参考国家环境空气质量标准(GB 3095—2012)中对于不同污染物项目的n小时平均浓度限值，建立大气环境质量约束，其中，n为预设值，可以根据实际需要确定，优选取24小时；
在步骤S3中，大气环境质量约束如下：
其中，NT为调度时段数，取n小时；NG为系统内机组数；为负荷处污染物NT小时平均浓度的上限值。
S4：基于步骤S3建立的大气环境质量约束，提出考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度模型。
在步骤S4中，考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度模型的建立步骤如下：
S4.1：考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度模型以最小化电力系统运行成本为目标函数：
其中，Sg,t为机组g在时段t的启动成本；ag,bg和cg为机组g的燃料成本系数。
S4.2：考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度模型的约束条件包括系统功率平衡约束、线路输电容量约束、机组运行约束与大气环境质量约束。机组运行约束进一步包括：最小开停机约束、最大最小出力约束和爬坡约束。
具体地，系统功率平衡约束为：
其中，ND为负荷数；Ld,t为负荷d在时段t的负荷值。
具体地，线路输电容量约束为：
其中，T为功率传输分配系数矩阵；为时段t系统的注入功率列向量；和F分别为线路输电容量上下限的列向量。
具体地，机组最小开停机约束为：
其中，ug,t为t时段机组g的启停状态，1表示开机，0表示停机；和分别为机组g的最小开、停机持续时间。
具体地，机组最大最小出力约束为：
其中，和分别为机组g有功出力的上、下限。
具体地，机组爬坡约束为：
其中，和分别为机组g的上、下爬坡速率。爬坡约束将机组出力在开机后的第一小时与停机前的最后一小时限制在最小技术出力值。
具体地，大气环境质量约束为：
为了验证本发明提出的考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度方法的有效性，以IEEE RTS 14节点系统作为实施例，即负荷预测曲线如图3所示，发电机组参数如表1所示，使用CPLEX求解器编写求解。
表1发电机组参数
| 机组 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 机组类型 | 煤电 | 煤电 | 煤电 | 燃气 | 燃气 |
| 最大出力(MW) | 250 | 200 | 200 | 100 | 100 |
| 最小出力(MW) | 100 | 100 | 100 | 10 | 10 |
| 上、下爬坡速率(MW/h) | 125 | 100 | 100 | 50 | 50 |
| 最小开机时间(h) | 4 | 4 | 3 | 1 | 1 |
| 最小停机时间(h) | 4 | 4 | 2 | 1 | 1 |
| 启停成本($) | 180 | 330 | 450 | 0 | 0 |
| 燃料成本系数ag($/MW2) | 0.0045 | 0.004 | 0.004 | 0.005 | 0.005 |
| 燃料成本系数bg($/MW) | 13.5 | 12 | 12 | 16.5 | 16.5 |
| 燃料成本系数cg($) | 175 | 155 | 155 | 130 | 130 |
| 排放参数αg(g/MW2·s) | 0.006 | 0.0065 | 0.006 | 0 | 0 |
| 排放参数βg(g/MW·s) | 0.45 | 0.55 | 0.5 | 0 | 0 |
| 排放参数γg(g/s) | 24 | 65 | 55 | 0 | 0 |
引入两个场景：
场景一：不考虑大气环境质量约束的调度场景。仅采用传统运行调度模型安排各发电机组出力。
场景二：采用本发明提出的考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度方法进行发电调度。
实施例结果：场景一的发电机组调度结果如图4所示，场景二的发电机组调度结果如图5所示。由图4可以看出，在场景一下，由于燃气机组燃料成本较高，故机组4和5大体上运行在各个负荷尖峰时刻，其余时段停机；并且，在3:00～6:00的负荷低谷时段，燃料成本较高的煤电机组1停机。由图5可以看出，在场景二下，调度方案为满足大气环境质量约束，排放最大的煤电机组2在4:00～9:00的负荷低谷时段停机；并且，调度周期内的煤电机组出力减小，零排放的燃气机组则增大出力以满足负荷需求。由此可见，本发明所提出的一种考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度方法能够通过不同机组间的协调发电，实现对电力生产带来的污染物浓度的有效控制，从而达到电力消费与环境质量的协同发展。仿真结果充分说明了本发明方法的有效性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度方法，其特征在于，包括：
基于连续高架点源的高斯烟羽扩散模型，以煤电机组为污染物排放点源，选取负荷中心为采样点，通过Pasquill-Gifford-Turner扩散曲线获得相应的扩散参数，由所述扩散参数建立适应电力系统发电调度的燃煤污染物扩散模型，其中，所述燃煤污染物扩散模型表示由燃煤发电产生的污染物项目在不同空间位置的浓度；
基于所述燃煤污染物扩散模型，并参考国家环境空气质量标准中对于不同污染物项目在预设时间的平均浓度限值，建立大气环境质量约束；
基于所述大气环境质量约束，建立考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度模型，由所述电力系统运行调度模型进行电力调度，其中，所述电力系统运行调度模型以最小化电力系统运行成本为目标函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高斯烟羽扩散模型为：其中，x轴向取平均风向，指向下风向；y轴向取横侧风向；z轴向取为铅垂方向；C(x,y,z)为采样点的燃煤污染物浓度；(x,y,z)为采样点在烟羽扩散坐标系中的坐标；Q为单位时间排放的污染物质量；v为平均风速；H为有效源高；σy为横向大气扩散参数，σz为垂直大气扩散参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立适应电力系统发电调度的燃煤污染物扩散模型，包括：
基于所述高斯烟羽扩散模型，以煤电机组为污染物排放点源，选取负荷中心为采样点，通过Pasquill-Gifford-Turner扩散曲线获得相应的扩散参数，进而由所述扩散参数得到所述负荷中心地面处的煤电污染物的10分钟平均浓度为：其中，t10表示采样间隔，为10分钟；C(g,d,t10)为采样时段内煤电机组g在负荷d处造成的污染物浓度10分钟平均值；和分别为采样时段内横向与垂直大气扩散参数；为采样时段内煤电机组g的排放源强；为采样时段内的平均风速；为采样时段内负荷d距煤电机组g的横风向距离；Hg为煤电机组g的有效源高；
由针对所述煤电污染物的10分钟平均浓度进行校正以得到各研究时段内的m小时的平均浓度，其中，Qg(Pg,t)＝αgPg,t 2+βgPg,t+γg，t为调度时段；Δt为时段间隔，取m小时；C(g,d,t)为t时段煤电机组g在负荷d处带来的污染物浓度m小时平均值；a为校正指数；Kg,d,t为t时段内煤电机组g在负荷d处导致大气污染的浓度计算系数；Pg,t为t时段煤电机组g的有功出力；αg,βg和γg为机组g的排放参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述大气环境质量约束为：其中，NT为调度时段数；NG为系统内机组数；为负荷处污染物在NT小时内的平均浓度的上限值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述大气环境质量约束，建立考虑大气环境质量约束的电力系统运行调度模型，包括：
考虑所述大气环境质量约束的电力系统运行调度模型以最小化电力系统运行成本为目标函数，其中，所述目标函数为Sg,t为机组g在时段t的启动成本；ag,bg和cg为机组g的燃料成本系数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电力系统运行调度模型的约束条件包括：系统功率平衡约束、线路输电容量约束、机组运行约束与大气环境质量约束，所述机组运行约束包括：最小开停机约束、最大最小出力约束和爬坡约束。
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| US8527072B2 (en) * | 2005-12-21 | 2013-09-03 | Neuco, Inc. | System and method for multi-unit optimization of boiler and SCR operations |
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-
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Patent Citations (2)
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|---|
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| CN110535120A (zh) * | 2019-08-16 | 2019-12-03 | 华南理工大学 | 考虑大气污染扩散的电-气互联系统分布式优化调度方法 |
| CN113159402A (zh) * | 2021-04-06 | 2021-07-23 | 国家电网公司华中分部 | 一种计及大气污染的区域环境-电力系统协同优化方法 |
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