CN109617137B - 考虑灵活调节机组发电份额约束的电力系统出力分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑灵活调节发电机组发电份额约束的电力系统出力分配方法。计算每台灵活调节发电机组的日平均出力份额，计算获得电力系统各故障运行场景出现的概率值；针对电力系统每个故障运行场景，建立电力系统运行期望出力代价的多时间尺度最优潮流模型，以最小化电力系统运行期望出力代价为目标求解获得发电机组在每个时间段的有功出力，然后计算预测灵活调节发电机组未来一天期望出力值，采用期望出力值控制电力系统运行。本发明方法能够有效控制灵活调节发电机组和普通发电机组的运行出力，在故障运行发生时能很好地分配出力，在防止灵活调节发电机组占据过多发电份额的同时降低整个电力系统的运行成本。

Description

考虑灵活调节机组发电份额约束的电力系统出力分配方法

技术领域

本发明属于电力系统运行技术领域的一种电力系统出力分配方法，涉及一种考虑灵活调节机组发电份额约束的电力系统出力分配方法。

背景技术

随着电网智能化进程的推进，高比例间歇性能源(如风能、太阳能等)的消纳已成为突出问题。另外，电网负荷峰谷差不断增大，电力系统迫切需要灵活调节发电机组实现发用电平衡。伴随着电力市场建设的深入，灵活调节发电机组(如抽水蓄能机组、天然气机组)等主体，参与现货市场或辅助服务市场已成为可能，这也导致灵活调节发电机组可能占据过多的发电份额，不利于电力系统的健康发展。因此，限于技术中缺少了一种考虑灵活调节发电机组发电份额约束的电力系统出力分配计算方法。

发明内容

为了解决背景技术中存在问题，本发明公开了一种考虑灵活调节机组发电份额约束的电力系统出力分配方法，以多时间尺度最优潮流和概率计算为基础，充分考虑电力系统中的不同物理约束，特别考虑了灵活调节机组发电份额约束，并以最小化发电机组期望出力代价为目标，计算得到电力系统内各发电机组的有功出力期望值。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明以多时间尺度最优潮流和概率计算为基础，充分考虑电力系统中的不同物理约束，额外引入灵活调节机组发电份额约束，并以最小化发电机组期望出力代价为目标，计算得到电力系统内各发电机组的有功出力期望值。

具体方法主要包括以下步骤：

步骤1、根据电力系统历史每天位于不同电力节点上的每台灵活调节发电机组的发电出力和整个电力系统每天的总用电量，计算历史两周每台灵活调节发电机组的日平均出力份额；

电力节点是指电力传输线路、发电机、负荷等电力系统原件的连接点。

电力系统是由多个电力节点通过电力传输线路连接构成的复杂系统。灵活调节发电机组为可以在较短时间内(如30min)迅速增加或者减少机组出力的机组，普通发电机组是指不能在短时间内调节出力的发电机组。

步骤2、根据电力系统的历史数据计算获得电力系统各故障运行场景出现的概率值；

所述的电力系统故障运行场景包括电力系统正常运行、一阶故障(电力系统任意一个原件出现故障)、二阶故障(电力系统任意两个原件出现故障)、三阶故障(电力系统任意三个原件出现故障)等场景，以及各场景相对应的概率值。

步骤3、针对电力系统每个故障运行场景，建立电力系统运行期望出力代价的多时间尺度最优潮流模型，以最小化电力系统运行期望出力代价为目标利用电力系统的历史数据求解获得电力节点的灵活调节发电机组和普通发电机组在每个时间段的有功出力；

步骤4、重复步骤3获得所有故障运行场景的电力节点的灵活调节发电机组和普通发电机组在每个时间段的有功出力，然后计算预测各个电力节点上每一台灵活调节发电机组在未来一天(24个时间段)内的期望出力值，最后采用期望出力值来控制电力系统运行。

所述步骤1具体为：

采用如下的方法计算每台电力节点i上的灵活调节机组的日平均出力份额Percent(i)：

其中，P_i(Day)是位于电力节点i上的灵活调节机组在第Day天的总发电量，Demand(Day)是第Day天的电力系统总用电量；考虑的是过去两周的情况，Day的取值为[1,2,3…,12,13,14]。通过上述公式即可计算得出位于电力节点i上的灵活调节发电机组在过去2周的平均发电份额。

所述步骤2具体采用如下的方法计算每个故障运行场景出现的概率值：

其中，t(s)是指历史一年内故障运行场景s发生的持续时间，除以全年8760个小时求得各类故障每个场景的概率值Pr(s)。

对于整个电力系统的所有故障运行场景，用S表示电力系统的故障运行场景集合：

S＝[s₁,s₂,…,s_n]

式中，s₁,s₂,…,s_n表示第1个到第n个故障运行场景。

所述步骤3具体为：

对于位于电力节点i的灵活调节机组，采用如下的目标函数多时间尺度最优潮流模型，模型包括目标函数及其约束条件，目标函数如下；目标函数为最小化在整个运行周期T内所有故障运行场景下的灵活调节发电机组期望的必须被分配的总出力。

其中，

为故障运行场景s下位于电力节点i的灵活调节机组在时间段t的被分配的有功出力，

为故障运行场景s下位于电力节点i的普通发电机组在时间段t的有功出力；在某个故障运行场景s下，如果位于电力节点i的普通发电机组出现故障不能出力，则

Cost_i,t为位于电力节点i的所有发电机组在时间段t的有功出力代价，T表示运行周期取为24h，时间段t以小时为单位；上式中

即为发电出力代价的期望值。

并且建立以下约束条件：

(a)功率平衡约束：

其中，PD_i,t为位于电力节点i的在时间段t的有功负荷，

为故障运行场景s下位于电力节点i的在时间段t时的电压相角；B_i,j为电力节点i的导纳矩阵第i行第j列的元素的虚部；D_t为整个电力系统在时间段t的用电量，

为故障运行场景s下在时间段t时位于电力节点i和电力节点j之间的电力传输线的电力潮流，N表示电力节点的总数量。

功率平衡约束的第一个约束条件为电力节点功率约束；功率平衡约束的第二个约束条件为电力系统总的发电量要与总的用电量实时平衡；功率平衡约束的第三个约束条件为电力节点i和电力节点j之间的电力传输线的电力潮流(潮流是指电力系统中某条电力传输线传输的电力，单位为MW)。

(b)机组出力约束：

其中，

和

分别指电力节点i的普通发电机组的出力下限和出力上限，

和

分别指电力节点i的灵活调节发电机组的出力下限和出力上限；

机组出力约束的第一个约束条件和机组出力约束的第二个约束条件为位于电力节点i的灵活调节发电机组和普通发电机组的出力位于出力上下限之间。

(c)机组爬坡约束：

其中，

和

为故障运行场景s下位于电力节点i的普通发电机组在时间段t和时间段t+1的有功出力，

和

为故障运行场景s下位于电力节点i的灵活调节发电机组在时间段t和时间段t+1的有功出力，RDP_i和RUP_i分别指电力节点i的灵活调节发电机组的调整出力的下限和调整出力的上限，RDPG_i和RUPG_i分别指电力节点i的普通发电机组的调整出力的下限和调整出力的上限；

机组爬坡约束的第一个约束条件和机组爬坡约束的第二个约束条件为位于电力节点i的灵活调节发电机组和普通发电机组的出力变化位于机组爬坡上下限之间。

(d)潮流约束：

其中，

是指电力节点i和电力节点j之间的电力传输线限额；

潮流约束为电力节点之间的传输线上的电力潮流小于传输限额。

(e)灵活调节发电机组出力份额约束：

式中，Pr(s)为故障运行场景s出现的概率，Percent(i)为电力节点i上的灵活调节发电机组的日平均出力份额，E(i)为位于电力节点i的灵活调节发电机组的出力期望值，D_t为整个电力系统在时间段t的用电量，K为允许发电机组出力份额当天增加的系数是一个固定值，一般取1.5为宜。

是位于电力节点i的灵活调节机组在当日的出力份额。

灵活调节发电机组出力份额约束的第一个约束条件给出了位于电力节点i的灵活调节机组的出力期望值，灵活调节机组出力份额约束的第二个约束条件是指位于电力节点i的灵活调节机组在当日的出力份额应小于等于过去2周的出力份额均值的K倍。

所述步骤4具体采用如下的方法计算每台普通发电机组和灵活调节发电机组的每个时间段的期望出力：

式中，PG_i,t和P_i,t分别为电力节点i的普通发电机组和灵活调节发电机组在时间段t的期望出力，Pr^s表示故障运行场景s的概率；S表示电力系统的故障运行场景集合，S＝[s₁,s₂,…,s_n]，s₁,s₂,…,s_n表示第1个到第n个故障运行场景。这些期望出力PG_i,t和P_i,t作为未来24个小时各个机组被分配的出力值。

本发明具有的有益效果如下：

随着电力系统峰谷差的逐步增加，如果没有约束，灵活调节机组将会占据越来越多发电份额。本发明方法能够有效控制灵活调节发电机组和普通发电机组的运行，在故障运行发生时能很好地分配出力，灵活调节机组，防止占据过多发电份额，同时也能尽量降低整个电力系统的运行成本。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图。

图2是实施例改进的IEEE9节点系统图。

图3是实施例电力系统典型日负荷图。

图4是实施例机组G7的出力情况图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

按照本发明完整实施的实施例及其实施过程如下：

以图2中更改过后的IEEE9节点系统图为例：

其中，节点7和节点9上连接的为灵活调节发电机组，节点7上G7代表抽水蓄能机组，节点9上的G9代表天然气机组。节点1、节点2和节点3上为普通的发电机组分别为G1、G2、G3。本例中传输线路容量均设置为100MW。

系统里各机组的参数如下表所示：

表1：各机组的发电参数

整个系统24h内的负荷变化趋势如下图3所示：

步骤1、根据电力系统历史每天位于不同电力节点上的每台灵活调节发电机组的发电出力和整个电力系统每天的总用电量，计算历史两周每台灵活调节发电机组的日平均出力份额；其中过去两周内发电机组的份额如表2所示：

表2：过去两周G7的发电份额

天数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
															份额％	9.5	11	8.5	12	10	11	11.2	9.7	8.8	8.3	11.5	10	8.5	10

通过计算可得过去2周的出力均值份额为10％。

步骤2、根据电力系统的历史数据计算获得电力系统各故障运行场景出现的概率值。系统中有5台发电机组，一阶故障的情况有5种(每种情况概率为0.0961)，二阶故障的情况有10种(每种情况概率为0.0097)，三阶故障有10种(每种情况概率为0.00098)，四阶故障有5种(每种情况概率为0.000099)，五阶故障有1种情况(概率为0.00001)，正常运行有1种情况(概率为0.951)。

步骤3、在考虑灵活调节发电机组出力份额约束和不考虑灵活调节发电机组出力份额约束的两种情况下，求解最小化所有电力系统运行场景下电力系统发电机组期望出力代价的优化问题。

步骤4、计算各个电力系统节点上，每一台机组在接下来一天(24个时间段)内的期望出力值。对比考虑灵活调节发电机组出力份额约束和不考虑灵活调节发电机组出力份额约束两种情况下，机组G7的出力情况，结果如图4所示：

在不考虑灵活调节发电机组出力份额约束的情况下，由于机组G7的出力代价较低，因此其发电能力会被全部调用，出力均为60MW；而考虑了出力份额约束后，机组G7出力受限，相应的出力缺额由机组G1、G2、G3补偿。这是由于目标函数是最小化整个电力系统的运行出力代价，因此G7的出力缺额由出力代价较高一些的机组G1、G2、G3补偿，只有当机组G1、G2、G3补偿不足时，才会调用G9机组。

通过上述算例可以看出，本发明方法能够有效控制灵活调节发电机组和普通发电机组的运行，在故障运行发生时能很好地分配出力，可以在防止灵活调节机组占据过多发电份额的同时，尽量降低整个电力系统的运行成本。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (4)

1.一种考虑灵活调节机组发电份额约束的电力系统出力分配方法，其特征在于：方法主要包括以下步骤：

步骤1、根据电力系统历史每天位于不同电力节点上的每台灵活调节发电机组的发电出力和整个电力系统每天的总用电量，计算历史两周每台灵活调节发电机组的日平均出力份额；

灵活调节发电机组为在较短时间内，迅速增加或者减少机组出力的机组，普通发电机组是指不能在短时间内调节出力的发电机组；

步骤2、根据电力系统的历史数据计算获得电力系统各故障运行场景出现的概率值；

步骤3、针对电力系统每个故障运行场景，建立电力系统运行期望出力代价的多时间尺度最优潮流模型，以最小化电力系统运行期望出力代价为目标求解获得电力节点的灵活调节发电机组和普通发电机组在每个时间段的有功出力；

步骤4、重复步骤3获得所有故障运行场景的电力节点的灵活调节发电机组和普通发电机组在每个时间段的有功出力，然后计算预测各个电力节点上每一台灵活调节发电机组在未来一天内的期望出力值，最后采用期望出力值来控制电力系统运行；

所述步骤3具体为：

对于位于电力节点i的灵活调节发电机组，采用如下的目标函数多时间尺度最优潮流模型，模型包括目标函数及其约束条件，目标函数如下；

其中，

为故障运行场景s下位于电力节点i的灵活调节发电机组在时间段t的被分配的有功出力，

为故障运行场景s下位于电力节点i的普通发电机组在时间段t的有功出力；Cost_i,t为位于电力节点i的所有发电机组在时间段t的有功出力代价，T表示运行周期；

并且建立以下约束条件：

(a)功率平衡约束：

其中，PD_i,t为位于电力节点i的在时间段t的有功负荷，

为故障运行场景s下位于电力节点i的在时间段t时的电压相角；B_i,j为电力节点i的导纳矩阵第i行第j列的元素的虚部；D_t为整个电力系统在时间段t的用电量，

为故障运行场景s下在时间段t时位于电力节点i和电力节点j之间的电力传输线的电力潮流，N表示电力节点的总数量；

(b)机组出力约束：

其中，

和

分别指电力节点i的普通发电机组的出力下限和出力上限，

和

分别指电力节点i的灵活调节发电机组的出力下限和出力上限；

(c)机组爬坡约束：

其中，

和

为故障运行场景s下位于电力节点i的普通发电机组在时间段t和时间段t+1的有功出力，

和

为故障运行场景s下位于电力节点i的灵活调节发电机组在时间段t和时间段t+1的有功出力，RDP_i和RUP_i分别指电力节点i的灵活调节发电机组的调整出力的下限和调整出力的上限，RDPG_i和RUPG_i分别指电力节点i的普通发电机组的调整出力的下限和调整出力的上限；

(d)潮流约束：

其中，

是指电力节点i和电力节点j之间的电力传输线限额；

(e)灵活调节发电机组出力份额约束：

式中，Pr(s)为故障运行场景s出现的概率，Percent(i)为电力节点i上的灵活调节发电机组的日平均出力份额，E(i)为位于电力节点i的灵活调节发电机组的出力期望值，D_t为整个电力系统在时间段t的用电量，K为允许发电机组出力份额当天增加的系数。

2.根据权利要求1所述的一种考虑灵活调节机组发电份额约束的电力系统出力分配方法，其特征在于：所述步骤1具体为：

采用如下的方法计算每台电力节点i上的灵活调节发电机组的日平均出力份额Percent(i)：

其中，P_i(Day)是位于电力节点i上的灵活调节发电机组在第Day天的总发电量，Demand(Day)是第Day天的电力系统总用电量；Day的取值为[1,2,3…,12,13,14]。

3.根据权利要求1所述的一种考虑灵活调节机组发电份额约束的电力系统出力分配方法，其特征在于：所述步骤2具体采用如下的方法计算每个故障运行场景出现的概率值：

其中，t(s)是指历史一年内故障运行场景s发生的持续时间，除以全年8760个小时求得各类故障每个场景的概率值Pr(s)。

4.根据权利要求1所述的一种考虑灵活调节机组发电份额约束的电力系统出力分配方法，其特征在于：所述步骤4具体采用如下的方法计算每台普通发电机组和灵活调节发电机组的每个时间段的期望出力：

式中，PG_i,t和P_i,t分别为电力节点i的普通发电机组和灵活调节发电机组在时间段t的期望出力，Pr^s表示故障运行场景s的概率；S表示电力系统的故障运行场景集合，S＝[s₁,s₂,…,s_n]，s₁,s₂,…,s_n表示第1个到第n个故障运行场景。

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