CN108767855B - 一种时序持续混合的电力系统随机生产模拟方法 - Google Patents

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Abstract

一种时序持续混合的电力系统随机生产模拟方法，根据电源参数和电源出力统计数据，完成电源的经济性与可靠性建模；在时序负荷曲线上，进行逐时刻的卷积计算，依次完成核电机组和非启停调峰火电机组最小技术出力段、有调节水电站的强迫出力段以及时序运行特征显著的电源的随机生产模拟计算；汇总各时刻的等效电量函数，形成时间周期内的等效电量函数，对核电机组和非启停调峰火电机组的非最小技术出力段、有调节性能水电厂的非强迫出力段以及启停调峰的火电机组进行随机生产模拟，最终得到含多种电源电力系统的随机生产模拟结果；本发明以区分了可再生能源出力在电力系统时序波动性和随机性，有助于正确评估可再生能源出力的价值与效益。

Description

一种时序持续混合的电力系统随机生产模拟方法
技术领域
本发明属于电力系统规划与可靠性分析领域，涉及一种时序持续混合的电力系统随机生产模拟方法。
背景技术
电力系统随机生产模拟是指考虑随机性因素，模拟电力系统发电调度，预测各个机组发电量、燃料消耗量，确定发电成本的过程。同时，随机生产模拟还可以计算失负荷概率(LOLP)和电量不足期望(EENS)等可靠性指标。随机生产模拟在电力系统规划和运行方式制定中发挥重要作用，它的出现曾显著提高了电力系统规划和运行水平。
在制定一个合理的电源规划方案和运行方式时，通常需要进行多次生产模拟计算。因而，如何充分描述电源运行特性又同时保证随机生产模拟计算效率成为相关研究与开发中的核心问题。
目前，水火电等常规电源的随机生产模拟技术已十分成熟。近年来，风电、光伏等清洁、可再生能源电力备受关注、发展迅速。区别于常规电源，风电、光伏出力具有鲜明的时序性、波动性，这使得传统随机生产模拟方法不再适用，对相关方法和技术提出了新的要求。开发一种适用于多类型电源的随机生产模拟方法，对于准确评估可再生能源电力价值、开展考虑可再生能源的电源规划、引导可再生能源发电健康发展有重要意义。
根据所采用负荷曲线形式的不同，现有的随机生产模拟方法可以分为两类：一类基于时序负荷曲线，一类基于持续负荷曲线。前者便于处理电力系统生产中的时序特征和时序约束，但处理水电等具有跨时段特征的电源时运算繁琐，效率较低。后者计算效率较高，此类方法中的等效电量函数法尤其适合处理水电，在多水电电力系统中极具优势；但难以描述电力系统生产时序特性。在考虑新能源方面，现有方法通常是将其纳入已有的时序或持续模拟体系。
综上，现有方法难以兼顾计算效率和电力系统运行的时序特征；随着风电、光伏等时序波动电源的增多，这一矛盾将更加突出。
发明内容
本发明的目的在于针对含多类型电源的电力系统随机生产模拟方法的不足，结合基于时序负荷曲线和持续负荷曲线(等效电量函数)随机生产模拟方法的优势，提供一种时序持续混合的电力系统随机生产模拟方法，该方法兼顾多种电源的运行特征和计算效率，充分描述风电、光伏等新能源电源出力的随机性与波动性特征，在保证计算结果的准确性的前提下，充分提升计算效率，使方法实施简单化和通用化。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种时序持续混合的电力系统随机生产模拟方法，首先根据电源参数和电源出力统计数据，完成电源的经济性与可靠性建模；其次，在时序负荷曲线上，进行逐时刻的卷积计算，依次完成核电机组和非启停调峰火电机组最小技术出力段、有调节水电站的强迫出力段以及时序运行特征显著的电源的随机生产模拟计算；汇总各时刻的等效电量函数，形成时间周期内的等效电量函数，进而采用等效电量函数法对核电机组和非启停调峰火电机组的非最小技术出力段、有调节性能水电厂的非强迫出力段以及启停调峰的火电机组进行随机生产模拟，最终得到含多种电源电力系统的随机生产模拟结果；其中，时序运行特征显著的电源包括：风电、光伏发电以及径流式水电。
本发明进一步的改进在于，时间周期为一月或一周。
本发明进一步的改进在于，具体包括如下步骤：
步骤一：根据电源参数和电源出力统计数据，对发电机组和电厂电站进行可靠性与经济性建模，其中火电、水电、核电机组考虑机组最小技术出力或强迫出力，建立两状态分段机组模型；风电场与光伏电站电厂采用时序多状态机组模型；
步骤二：根据电力系统的最大负荷、最小负荷，各类型发电机组的装机容量、最小技术出力以及来水、光照与风速情况，确定电力系统的开机组合；
步骤三：在时序负荷曲线上进行逐时刻的卷积计算，完成随机生产模拟的时序计算部分；
步骤四：根据各个时刻的等效电量函数
Figure BDA0001707119950000031
将未满足的部分相加，得到一定时间段内的等效电量函数；
步骤五：采用等效电量函数法对核电机组的非最小技术出力段、非启停调峰火电机组的非最小技术出力段、有调节水电站的非强迫出力段以及启停调峰的火电机组以及其他未开机机组进行生产模拟，得到随机生产模拟结果。
本发明进一步的改进在于，步骤三中，针对时刻t，根据该时刻的负荷PL,t，形成该时刻原始电量函数
Figure BDA0001707119950000032
根据式(1)在原始电量函数上进行卷积计算，进行已开机的核电机组、非启停调峰的火电机组的最小技术出力段以及调节水电站的强迫出力段的随机生产模拟；已开机的核电机组与非启停调峰的火电机组的模拟发电量由式(2)计算；
Figure BDA0001707119950000033
Figure BDA0001707119950000034
式中mi和FORi分别表示第i个电站起始功率段的容量与强迫停运率，bi表示该功率段的起始带负荷位置，
Figure BDA0001707119950000035
表示功率段在该时刻的模拟发电量，
Figure BDA0001707119950000036
为第i个机组或机组段投入运行后电力系统在t时刻的等效电量函数。
本发明进一步的改进在于，通过卷积计算进行径流式水电的随机生产模拟：
Figure BDA0001707119950000037
Figure BDA0001707119950000038
式中ci,t表示径流电厂i在t时刻的发电功率；根据该径流式水电的来水期望值，计算弃水电量的期望值，如下式(5)所示：
Figure BDA0001707119950000041
式中
Figure BDA0001707119950000042
表示径流式水电的期望弃水电量；由式(4)和(5)的计算方法，计算结果为非负值。
本发明进一步的改进在于，进行光伏和风电的随机生产模拟：
由于光伏电站、风电场，具有多个出力状态，计算如下所示：
Figure BDA0001707119950000043
Figure BDA0001707119950000044
式中Ci,j和Pi,t,j分别为第i个电厂第j分段的出力以及在t时刻该电厂处于该出力状态的概率；计算得到t时刻电厂i弃光、弃风电量的期望值
Figure BDA0001707119950000045
Figure BDA0001707119950000046
与现有的电力系统随机生产模拟方法相比，本发明具有如下突出的有益效果：本方法结合时序负荷曲线卷积和持续负荷曲线(电量函数)卷积的优势，能充分考虑风电、光伏发电等电源的时序波动特征，又能高效、准确地完成火电、水电等常规电源的模拟，提高了电力系统随机生产模拟的精确程度，又尽可能提升了计算的效率。本方法对风电、光伏、径流式水电、火电、核电、有调节水电等多种不同类型的电源有普遍的适用性，能充分反映不同类型电源的不同特征，并能通过计算给出弃风、弃光、弃水等指标。同时，本方法以区分了可再生能源出力在电力系统时序波动性和随机性，有助于正确评估可再生能源出力的价值与效益。相较于现已公开的电力系统随机生产模拟方法，本方法具有明显的优越性。
附图说明
图1为本发明的整体流程；
图2为随机生产模拟时序部分的流程；
图3为随机生产模拟持续部分的流程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明的时序持续混合的电力系统随机生产模拟方法，首先根据电源参数和电源出力统计数据，完成电源的经济性与可靠性建模；其次，在时序负荷曲线上，进行逐时刻的卷积计算，依次完成核电机组和非启停调峰火电机组最小技术出力段、有调节水电站的强迫出力段以及时序运行特征显著的电源的随机生产模拟计算；时序运行特征显著的电源主要包括：风电、光伏发电、径流式水电等。汇总各时刻的等效电量函数，形成一定时间周期(通常为一月或一周)内的等效电量函数，进而采用等效电量函数法对核电机组和非启停调峰火电机组的非最小技术出力段、有调节性能水电厂的非强迫出力段以及启停调峰的火电机组进行随机生产模拟，最终得到含多种电源电力系统的随机生产模拟结果。
上述时序持续混合的电力系统随机生产模拟方法，包括如下步骤，其流程图如图1所示。
步骤一：根据电源参数和电源出力统计数据，进行电源的可靠性与经济性建模，对发电机组和电厂电站进行可靠性与经济性建模，其中火电、水电、核电等常规机组考虑机组最小技术出力或强迫出力，建立两状态分段机组模型；风电场、光伏电站等新能源电厂采用时序多状态机组模型。各类型电厂的模型如表1所示。
表1各类型电厂的模型
Figure BDA0001707119950000051
其中，风电场和光伏电站的模型如表2所示。表2中第一个元素Pwi,1,1的含义为在风电场wi在0:00-1:00间为出力状态C1的概率为Pwi,1,1。由于光伏电站仅在有日照条件下有出力，因此对应的模型表中会有大量取值为0的元素。
表2风电场、光伏电站模型
Figure BDA0001707119950000061
步骤二：根据电力系统的最大负荷、最小负荷，各类型发电机组的装机容量、最小技术出力以及来水、光照、风速情况，确定系统的开机组合；
步骤三：在时序负荷曲线上进行逐时刻的卷积计算，完成随机生产模拟的时序计算部分，如图2所示。针对时刻t，具体地说，包括以下步骤：
(A)根据该时刻的负荷PL,t，形成该时刻原始电量函数
Figure BDA0001707119950000062
(B)在原始电量函数上进行卷积计算(见式(1))，进行已开机的核电机组、非启停调峰的火电机组的最小技术出力段以及调节水电站的强迫出力段的随机生产模拟。已开机的核电机组与非启停调峰的火电机组的模拟发电量可由式(2)计算。
Figure BDA0001707119950000063
Figure BDA0001707119950000064
式中mi和FORi分别表示第i个电站起始功率段的容量与强迫停运率，bi表示该功率段的起始带负荷位置，
Figure BDA0001707119950000065
表示功率段在该时刻的模拟发电量，
Figure BDA0001707119950000066
为第i个机组或机组段投入运行后电力系统在t时刻的等效电量函数。
特别得，由于各个时刻参与卷积的功率段数量、大小一致，可先对各个功率段做卷积计算，得到结果后再与各个时刻的原始电量函数依次做卷积，以提高求解效率。
(C)通过卷积计算进行径流式水电的随机生产模拟。
本步骤的处理整体上与上一步类似，但与火电、核电机组不同的是，径流式水电出力具有时序性，即发电功率是时变的。
Figure BDA0001707119950000071
Figure BDA0001707119950000072
式中ci,t表示径流电厂i在t时刻的发电功率。根据该径流式水电的来水期望值，可以进一步计算弃水电量的期望值，如下所示：
Figure BDA0001707119950000073
式中
Figure BDA0001707119950000074
表示径流式水电的期望弃水电量。由式(4)和(5)的计算方法，可计算结果为非负值。
(D)进行光伏和风电的随机生产模拟。
由于光伏电站、风电场，具有多个出力状态，该步骤计算如下所示：
Figure BDA0001707119950000075
Figure BDA0001707119950000076
式中Ci,j和Pi,t,j分别为第i个电厂第j分段的出力以及在t时刻该电厂处于该出力状态的概率。与径流式水电类似，可计算得到t时刻电厂i弃光、弃风电量的期望值
Figure BDA0001707119950000077
Figure BDA0001707119950000078
(E)当认为，弃水、弃光或弃风量较大(比如超过5％)时，可返回步骤二调整系统的开机组合，开停部分调峰能力较差的火电机组，由调峰能力较好的机组代替。
(F)特别地，当重视、强调径流式水电来水的随机性时，可以采用类似风电、光伏电站的处理方法对其进行建模、处理。
步骤四：根据各个时刻的等效电量函数
Figure BDA0001707119950000081
将未满足的部分相加，得到一定时间段内的等效电量函数。
步骤五：参照图3所示的流程，采用等效电量函数法对核电机组的非最小技术出力段、非启停调峰火电机组的非最小技术出力段、有调节水电站的非强迫出力段以及启停调峰的火电机组以及其他未开机机组进行生产模拟，得到随机生产模拟结果。
下面以一个简单的实施例说明本方法实施流程。
实施例中，研究时段包含3个时刻，各时刻负荷如下表所示：
表3实施例中各时刻负荷值
Figure BDA0001707119950000082
实施例中的系统包含一个火电厂、一个风电场，它们参数分别参见表4和表5。
表4火电厂参数
Figure BDA0001707119950000083
表5实施例中风电场模参数
Figure BDA0001707119950000084
取步长为20MW，进行随机生产模拟。表6给出了时刻1的详细计算过程：
表6时刻1的时序生产模拟部分(MWh)
Figure BDA0001707119950000091
表中阴影部分为时序模拟部分未满足的电量。同理可以对时刻2、时刻3做相同的处理，将各个时刻等效电量函数相加得到全时段等效电量函数，如下表7所示：
表7各时刻时序模拟得到的等效电量函数(MWh)
Figure BDA0001707119950000092
按照等效电量函数法完成剩余机组、机组分段的生产模拟。结果如下表8所示：
表8实施例的生产模拟结果
Figure BDA0001707119950000093
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种时序持续混合的电力系统随机生产模拟方法，其特征在于，首先根据电源参数和电源出力统计数据，完成电源的经济性与可靠性建模；其次，在时序负荷曲线上，进行逐时刻的卷积计算，依次完成核电机组和非启停调峰火电机组最小技术出力段、有调节水电站的强迫出力段以及时序运行特征显著的电源的随机生产模拟计算；汇总各时刻的等效电量函数，形成时间周期内的等效电量函数，进而采用等效电量函数法对核电机组和非启停调峰火电机组的非最小技术出力段、有调节性能水电厂的非强迫出力段以及启停调峰的火电机组进行随机生产模拟，最终得到含多种电源电力系统的随机生产模拟结果；其中，时序运行特征显著的电源包括：风电、光伏发电以及径流式水电。
2.根据权利要求1所述的一种时序持续混合的电力系统随机生产模拟方法，其特征在于，时间周期为一月或一周。
3.根据权利要求1或2所述的一种时序持续混合的电力系统随机生产模拟方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一：根据电源参数和电源出力统计数据，对发电机组和电厂电站进行可靠性与经济性建模，其中火电、水电、核电机组考虑机组最小技术出力或强迫出力，建立两状态分段机组模型；风电场与光伏电站电厂采用时序多状态机组模型；
步骤二：根据电力系统的最大负荷、最小负荷，各类型发电机组的装机容量、最小技术出力以及来水、光照与风速情况，确定电力系统的开机组合；
步骤三：在时序负荷曲线上进行逐时刻的卷积计算，完成随机生产模拟的时序计算部分；
步骤四：根据各个时刻的等效电量函数
Figure FDA0002257873820000011
将未满足的部分相加，得到一定时间段内的等效电量函数；
步骤五：采用等效电量函数法对核电机组的非最小技术出力段、非启停调峰火电机组的非最小技术出力段、有调节水电站的非强迫出力段以及启停调峰的火电机组以及其他未开机机组进行生产模拟，得到随机生产模拟结果。
4.根据权利要求3所述的一种时序持续混合的电力系统随机生产模拟方法，其特征在于，步骤三中，针对时刻t，根据该时刻的负荷PL,t，形成该时刻原始电量函数
Figure FDA0002257873820000021
根据式(1)在原始电量函数上进行卷积计算，进行已开机的核电机组、非启停调峰的火电机组的最小技术出力段以及调节水电站的强迫出力段的随机生产模拟；已开机的核电机组与非启停调峰的火电机组的模拟发电量由式(2)计算；
Figure FDA0002257873820000022
Figure FDA0002257873820000023
式中mi和FORi分别表示第i个电站起始功率段的容量与强迫停运率，bi表示该功率段的起始带负荷位置，
Figure FDA0002257873820000024
表示功率段在该时刻的模拟发电量，
Figure FDA0002257873820000025
为第i个机组或机组段投入运行后电力系统在t时刻的等效电量函数。
5.根据权利要求4所述的一种时序持续混合的电力系统随机生产模拟方法，其特征在于，通过卷积计算进行径流式水电的随机生产模拟：
Figure FDA0002257873820000026
Figure FDA0002257873820000027
式中ci,t表示径流电厂i在t时刻的发电功率；根据该径流式水电的来水期望值，计算弃水电量的期望值，如下式(5)所示：
Figure FDA0002257873820000028
式中
Figure FDA0002257873820000029
表示径流式水电的期望弃水电量；由式(4)和(5)的计算方法，计算结果为非负值。
6.根据权利要求5所述的一种时序持续混合的电力系统随机生产模拟方法，其特征在于，进行光伏和风电的随机生产模拟：
由于光伏电站、风电场，具有多个出力状态，计算如下所示：
Figure FDA0002257873820000031
Figure FDA0002257873820000032
式中Ci,j和Pi,t,j分别为第i个电厂第j分段的出力以及在t时刻该电厂处于该出力状态的概率；计算得到t时刻电厂i弃光、弃风电量的期望值
Figure FDA0002257873820000033
Figure FDA0002257873820000034
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Shucheng Liu;Wenxiong Huang;Yi Zhang.A stochastic production simulation model for renewable integration and system flexibility studies.《2016 International Conference on Probabilistic Methods Applied to Power Systems (PMAPS)》.2016, *
基于随机生产模拟的间歇性电源可信容量计算;傅旭 等；;《电网分析与研究》;20171231;第45卷(第8期);第082-088页 *

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