CN110363335B - 考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化方法，包括：基于实时发电计划各类基础数据，构造广义联络线模式下网省两级实时发电计划协调优化模型，为实时发电计划和陕北级联断面限额联合优化提供机组初始计划值和断面初始潮流值；基于实时发电计划各类基础数据、机组初始计划和断面初始潮流值，构建考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化模型，优化目标引入陕北虚拟分区新能源弃风量最小，约束条件引入陕北分区级联断面、关中分区接纳能力等约束，实现机组出力和稳定断面限额的联合优化，充分挖掘了陕西省陕北分区新能源消纳潜力，提升了陕北级联断面的利用率，提高了西北区域电网新能源调度的精益化水平。
Description
技术领域
本发明属于电力系统调度自动化技术领域，具体涉及一种考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化方法。
背景技术
西北区域电网作为新能源富集的区域电网，为促进新能源消纳，2012年实现日前发电计划上线运行，2014年实现实时发电计划上线运行，2015年实现短期交易平台上线运行，2016年对短期交易平台进行功能提升，开发了实时交易预测、交易校核等核心功能，2017年至2018年进一步研究开发跨省调峰、跨区现货和新能源消纳平台，来促进西北区域电网新能源的全额消纳。
陕西省新能源主要集中在陕北分区(陕西电网以陕北级联断面为界划分为了陕北分区和关中分区)，该分区新能源装机容量581万千瓦，火电装机容量687万千瓦，但其2017年最大负荷仅为311万千瓦，无法实现新能源就地消纳，迫切需要外送至其他分区或省份，保证新能源全额消纳。然而，从西北区域电网架构来看，陕西电网为末端电网，陕北分区新能源无法直接外送其他省份，必须通过陕北级联断面送至关中分区，关中分区若无法全额消纳，再由关中分区外送至其他省份，实现新能源的全额消纳。
陕北分区新能源需经陕北级联断面送出使得陕北级联断面限额和断面裕度成为陕北分区新能源消纳的关键。陕北送出断面控制原则根据切机量和检修方式的不同有294种，需要根据运行目标不断调整切机量，实现新能源消纳或者电力支援的目标。正常及检修方式下，每个断面有6种不同的稳定限额，且陕北送出断面1、2、3为级联断面，断面间潮流具有关联关系，实际运行中需要协调控制不同断面下常规机组及新能源出力，达到断面运行控制目标。陕北地区允切机组出力档位与送出断面限额关系表如下：
表1陕北地区允切机组与送出断面限额关系表
陕北级联断面控制目标有两个：一是在新能源大发时为新能源消纳腾出最大消纳空间；二是主网备用不足时，为主网提供电力支援。陕北级联断面控制需考虑诸多因素，人工控制难度大，主要表现在三个方面：一是调节滞后，当出现弃风时，根据弃电电力计算最优断面控制限额，存在滞后现象；二是协调代价高，西北分中心、陕西在陕北均有切机机组，在调节控制档位时，需两级调度人工协调，人工代价高；三是新能源出力波动频繁，人工调节难以实时跟踪断面裕度调节机组出力，断面利用率低。综上所述，西北分中心迫切需要实时发电计划和陕北级联断面限额的联合优化，实现实时发电计划和陕北级联断面限额的自动调整，促进新能源消纳。
文献一《计及稳控系统运行状态的电网稳定断面控制限额识别方法》(专利号：CN201510498728.6)提供一种计及稳控系统运行状态的电网稳定断面控制限额识别方法，不仅能够实现对稳定限额结构化数据和非结构数据的统一描述，同时还支持对稳定限额相关的稳控系统运行状态基于稳控装置的实际运行工况进行在线识别，并对稳定断面在线识别的相关限额变化信息提交进行确认，在保证稳定限额正确性的基础上，有效提高了稳定限额监视管理自动化水平。
文献二《广义联络线模式下网省两级实时发电计划协调优化方法》(申请号：CN201410141490.7)提供了一种基于广义联络线计划的网省两级实时发电计划协调优化方法。该方法划分了省调调管机组与省调直属网调调管机组承担系统负荷和新能源预测偏差的比例，澄清实时计划运行中各自机组的责任，保证网省调实时计划协调运行，减轻AGC运行压力，满足日益精益化的大电网安全运行需求。
文献一虽然实现了电网稳定断面限额的识别方法，但仅仅是对电网实时运行状态的稳定限额识别，没有对电网未来态稳定限额进行识别。文献二提供了基于广义联络线计划的网省两级实时发电计划协调优化方法于2014年成功应用于西北分中心实时发电计划编制系统，通过分中心和省级电网分别跟踪各自广义联络线计划实现了西北区域电网和下辖各省实时发电计划编制系统的协调运行。然而，该方法中稳定限额都是已知常量，仅对机组出力计划进行编制。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化方法。本发明建立适应西北区域电网和下辖省级电网实时发电计划编制系统协调运行且促进陕西省陕北分区新能源最大消纳的实时发电计划和稳定断面限额联合优化方法，通过区域电网未来态机组出力计划和陕北级联断面限额的联合优化调整，达到西北全网和下辖省级电网的发用电平衡，保证电网安全运行，实现西北区域电网和陕北分区的新能源最大消纳。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化方法，包括以下步骤：
步骤S1，获取陕北级联断面限额计算的关键数据，结合实时发电计划编制的各类基础数据，生成机组计划和断面限额联合优化计算场景；
步骤S2，构造广义联络线模式下网省两级实时发电计划协调优化模型，通过安全校核和优化迭代机组得到实时发电预计划，为实时发电计划和陕北级联断面限额联合优化提供机组初始计划值和断面初始潮流值；
步骤S3，基于步骤S1的计算场景数据和步骤S2的初始计划值和断面初始潮流值构建考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化模型；
步骤S4，对步骤S3生成的优化模型进行优化求解和安全校核迭代计算，获得满足电网安全、机组运行约束的陕北分区新能源最大消纳的陕北级联断面限额，实现机组出力和稳定断面限额的联合优化。
优选地，所述实时发电计划编制的各类基础数据包括超短期系统负荷预测、超短期新能源预测、日内广义联络线计划、临时检修计划、稳定断面限额、机组停机信息、日内联络线计划、机组可调出力、机组经济参数信息及机组对监视元件灵敏度信息。
优选地，所述机组对监视元件灵敏度信息是获取最新电网物理模型和未来运行方式数据，采用PQ解耦法计算得到。
优选地，所述陕北级联断面限额计算的关键数据主要包括陕北分区机组模型、陕北级联断面和切机量之间的关联关系、陕北/关中分区负荷、陕北/关中分区新能源计划、关中分区接纳能力、陕北断面初始潮流、陕北分区机组初始计划、陕北分区机组稳控标志。
优选地，步骤S3进一步包括：以广义联络线模式下网省两级实时发电计划协调优化模型为原型，优化目标引入陕北虚拟分区新能源弃风量最小，约束条件在原型模型的基础上，进一步引入陕北分区发用电平衡约束、关中分区接纳限制约束、陕北级联断面限额与切机量关联关系约束、允切机组档位约束，通过优化调整各省常规机组出力和陕北级联断面限额，寻找未来一段时间满足西北区域电网和下辖省级电网发用电平衡、西北区域电网和陕北分区新能源最大消纳的机组出力计划和陕北级联断面限额。
优选地，考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化模型，步骤S3中的优化目标表达式如下：
式中:F为优化目标；F0为广义联络线模式下网省两级实时发电计划协调优化模型的优化目标；ρw，t为新能源机组w时刻t的弃电功率；
为新能源机组弃电成本函数。
进一步地，步骤S3中，约束条件主要包括电网安全、机组运行、分省平衡、机组群电量、广义联络线计划约束，在此基础上引入陕北级联断面限额优化的相关约束。针对新增加的陕北级联断面限额优化的相关约束，进行如下说明：
由于新能源弃电功率最大为新能源预测功率，因此，引入新能源弃电相关约束条件：
pw，t≥0
式中:pw，t为新能源机组w时刻t的机组出力；
为新能源机组w时刻t的预测功率；ρw，t为新能源机组w时刻t的弃电功率。
为更加准确计算陕北级联断面的潮流信息，西北分中心基于陕北级联断面构建了虚拟分区，并预测各分区的超短期负荷预测，给出了机组和各虚拟分区的所属关系，通过计算各虚拟分区的外送功率得到各断面潮流信息。
计算陕北级联断面限额，首先需要确定陕北级联断面切机量机组出力档位，对应约束表达式为:
式中:h表示陕北级联断面；i表示常规火电机组；t表示时段；Sh表示断面h对应分区的常规火电机组集合；Sl表示切机量档位分段集合；pi，t为常规机组i时刻t的机组出力，为优化标量；θh，l，t表示断面h时刻t关联的切机量机组出力档位，为0/1变量；πh，l表示断面h档位l的切机量有功功率，为已知常量。
同一时刻同一断面的断面限额关联的切机量出力只能位于某一个档位，因此，同一个断面关联的切机量档位标识是唯一生效的：
至此，断面限值可以表示为：
式中:Gh，l表示断面h档位l的断面限额，为已知常量；gh，t表示断面h时段t的断面限额，为优化变量。
断面潮流约束做了进一步修改，通过断面对应分区的平衡关系得到分区外送功率，即断面潮流：
式中:Sh表示断面h对应分区的机组集合；Lh，t表示断面h对应分区的用电负荷，为已知常量。
陕北分区通过陕北级联断面送入关中分区，需要保证送入量小于关中分区接纳能力：
式中:
表示陕北级联断面h时段t的初始潮流，步骤S2计算得到；Ka，t表示关中地区a的接纳能力；γh，t表示陕北级联断面h时段t的最终计划潮流，可以进一步表示为：
关中地区接纳能力计算方法如下：
式中:Sa表示关中分区a对应的机组集合；La，t表示关中分区a对应的用电负荷。
优选地，步骤S4进一步包括：给出西北分中心直调机组出力计划和陕北分区机组出力计划，并通过步骤S3和步骤S2结果对比，分析陕北级联断面限额优化对陕北分区新能源消纳的促进作用；最后，陕北级联断面限额和陕北分区机组出力计划下发陕西省级电网，西北分中心直调机组出力计划发送AGC跟踪执行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于文献二中广义联络线模式下网省两级实时发电计划协调优化模型及其基础数据，保证了西北分中心现有功能的正常运转；通过引入陕北级联断面限额优化相关的基础数据、约束条件和优化目标，实现了西北分中心直调机组出力计划和陕北级联断面限额的联合优化，消除了人工修正限额滞后导致的新能源弃电问题，减少了网省两级调度人员人工协调的繁杂工作，解决了新能源随机波动频繁导致人工无法实时调整切机量控制陕北级联断面限额的难题；该技术首次实现了实时发电计划和级联断面限额的联合优化，充分挖掘了陕西省陕北分区新能源消纳潜力，提升了陕北级联断面的利用率，提高了西北区域电网新能源调度的精益化水平。
附图说明
图1为根据实施例的本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
现有的西北广义联络线模式下实时发电计划编制是根据电网未来运行方式、机组实时运行状态、超短期负荷预测、超短期新能源预测、临时检修计划、稳定断面限额和日内受电计划，编制未来数小时机组出力计划。实时发电计划的时段间隔为15或5分钟，计划编制的时间范围为未来数小时。现有西北实时发电计划模型为SCED模型，以与日前发电计划偏差最小、网广义计划偏差为优化目标，在综合考虑分省平衡、网广义约束、机组运行约束、备用约束、平滑约束、网络安全约束和机组群约束条件下，优化决策机组出力水平，完成实时发电计划的编制。
本发明的考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化方法以西北广义联络线模式下实时发电计划优化模型为原型，引入陕北级联断面相关约束，形成考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化模型，通过对此优化模型进行求解得到西北分中心直调机组计划和陕北级联断面最优限额。具体包括以下步骤，参见图1：
步骤S1，机组计划和断面限额联合优化计算场景生成。获取陕北级联断面限额计算的关键数据，主要包括陕北分区机组模型、陕北级联断面和切机量之间的关联关系、陕北/关中分区负荷、陕北/关中分区新能源计划、关中分区接纳能力、陕北断面初始潮流、陕北分区机组初始计划、陕北分区机组稳控标志等，结合实时发电计划编制的各类基础数据，生成机组计划和断面限额联合优化计算场景。
实时发电计划编制各类基础数据包括超短期系统负荷预测、超短期新能源预测、日内广义联络线计划、临时检修计划、稳定断面限额、机组停机信息、日内联络线计划、机组可调出力、机组经济参数信息、以及机组对监视元件灵敏度信息。其中监视元件灵敏度信息是获取最新电网物理模型和未来运行方式数据，采用PQ解耦法计算得到的，其具体过程参见现有技术。监视元件是指电网中的各类设备，灵敏度是现有实时发电计划优化模型计算直流潮流需要的参数。
步骤S2，实时预计划编制。基于步骤S1计算场景提供的系统负荷预测、受电计划、新能源预测、断面限额等基础数据，以文献二中广义联络线模式下网省两级实时发电计划协调优化模型为优化模型，通过安全校核和优化迭代机组得到实时发电预计划，为实时发电计划和陕北级联断面限额联合优化提供机组初始计划值和断面初始潮流值。
步骤S3，基于步骤S1的计算场景数据和步骤S2的初始计划值和断面初始潮流值构建考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化模型。该模型以文献二中广义联络线模式下网省两级实时发电计划协调优化模型为原型，在此不再赘述；为了与原型模型优化目标方向一致，不采用陕北分区新能源最大消纳为优化目标，而是在原型模型优化目标基础上引入陕北分区新能源弃电量最小的优化目标；约束条件在原型模型的基础上，进一步引入陕北分区发用电平衡约束、关中分区接纳限制约束、陕北级联断面限额与切机量关联关系约束、允切机组档位约束等，通过优化调整各省常规机组出力和陕北级联断面限额，寻找未来一段时间满足西北区域电网和下辖省级电网发用电平衡、西北区域电网和陕北分区新能源最大消纳的机组出力计划和陕北级联断面限额。
考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化模型，优化目标表达式如下：
式中:F为优化目标；F 0为文献二中广义联络线模式下网省两级实时发电计划协调优化模型的优化目标；ρw，t为新能源机组w时刻t的弃电功率；
为新能源机组弃电成本函数。
约束条件主要包括电网安全、机组运行、分省平衡、机组群电量、广义联络线计划等约束，在此基础上引入陕北级联断面限额优化的相关约束，接下来针对新增加的约束条件进行一一介绍。
由于新能源弃电功率最大为新能源预测功率，因此，引入新能源弃电相关约束条件：
p w，t≥0
式中:p w，t为新能源机组w时刻t的机组出力；
为新能源机组w时刻t的预测功率；ρw，t为新能源机组w时刻t的弃电功率。
为更加准确计算陕北级联断面的潮流信息，西北分中心基于陕北级联断面构建了虚拟分区，并预测各分区的超短期负荷预测，给出了机组和各虚拟分区的所属关系，通过计算各虚拟分区的外送功率得到各断面潮流信息。
计算陕北级联断面限额，首先需要确定陕北级联断面切机量机组出力档位，对应约束表达式为:
式中:h表示陕北级联断面；i表示常规火电机组；t表示时段；Sh表示断面h对应分区的常规火电机组集合；Sl表示切机量档位分段集合；pi，t为常规机组i时刻t的机组出力，为优化标量；θh，l，t表示断面h时刻t关联的切机量机组出力档位，为0/1变量；πh，l表示断面h档位l的切机量有功功率，为已知常量。
同一时刻同一断面的断面限额关联的切机量出力只能位于某一个档位，因此，同一个断面关联的切机量档位标识是唯一生效的：
至此，断面限值可以表示为：
式中:Gh，l表示断面h档位l的断面限额，为已知常量；gh，t表示断面h时段t的断面限额，为优化变量。
断面潮流约束做了进一步修改，通过断面对应分区的平衡关系得到分区外送功率，即断面潮流：
式中:Sh表示断面h对应分区的机组集合；Lh，t表示断面h对应分区的用电负荷，为已知常量。
陕北分区通过陕北级联断面送入关中分区，需要保证送入量小于关中分区接纳能力：
式中:
表示陕北级联断面h时段t的初始潮流，步骤S2计算得到；Ka，t表示关中地区a的接纳能力；γh，t表示陕北级联断面h时段t的最终计划潮流，可以进一步表示为：
关中地区接纳能力计算方法如下：
式中:Sa表示关中分区a对应的机组集合；La，t表示关中分区a对应的用电负荷。
步骤S4，对步骤S3生成的数学模型进行优化求解和安全校核迭代计算，获得满足电网安全、机组运行等约束的陕北分区新能源最大消纳的陕北级联断面限额，同时给出西北分中心直调机组出力计划和陕北分区机组出力计划，并通过步骤S3和步骤S2结果对比，分析陕北级联断面限额优化对陕北分区新能源消纳的促进作用。最后，陕北级联断面限额和陕北分区机组出力计划下发陕西省级电网，西北分中心直调机组出力计划发送AGC跟踪执行。
对于考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化模型，由于引入了切机量档位标识0/1变量，优化模型类型为混合整数线性规划模型，与现有SCUC模型类型相同，需采用分支定界切平面和对偶单纯型算法进行求解；其安全校核算法与现有SCUC和SCED模型的校核算法相同，校核内容相同。具体计算和校核过程参见现有技术，此处不多赘述。
本发明的基本原理在于：以文献二中广义联络线模式下网省两级实时发电计划协调优化模型为原型，优化目标引入陕北虚拟分区新能源弃风量最小，约束条件引入陕北分区级联断面、关中分区接纳能力等约束，形成考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化模型，实现机组出力和稳定断面限额的联合优化，编制机组出力计划的同时，实现稳定断面限额的调整，促进西北区域电网和陕北分区新能源最大消纳。
本发明方法同时构建了广义联络线模式下网省两级实时发电计划协调优化模型和考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化模型，通过两阶段优化对比分析陕北级联断面限额优化前后陕北分区新能源消纳情况，进而说明陕北级联断面限额优化对陕西省调陕北分区新能源消纳的重要作用和现实意义。同时，该方法具有计算强度低、适应性强的特点，更加适合在我国各种规模的调度机构推广应用。
本发明技术方案在西北分中心得到应用，应用效果符合预期。实际应用表明，本发明能够结合电网未来运行情况，通过优化调陕北分区机组出力、西北分中心直调机组出力和陕北级联断面限额，得到促进陕北分区新能源最大消纳的陕北级联断面最优限额，实现西北分中心和陕北分区新能源最大消纳，满足日益精益化的大电网安全运行需求。
本发明基于文献二中广义联络线模式下网省两级实时发电计划协调优化模型及其基础数据，保证了西北分中心现有功能的正常运转。通过引入陕北级联断面限额优化相关的基础数据、约束条件和优化目标，实现了西北分中心直调机组出力计划和陕北级联断面限额的联合优化，消除了人工修正限额滞后导致的新能源弃电问题，减少了网省两级调度人员人工协调的繁杂工作，解决了新能源随机波动频繁导致人工无法实时调整切机量控制陕北级联断面限额的难题。该技术首次实现了实时发电计划和级联断面限额的联合优化，充分挖掘了陕西省陕北分区新能源消纳潜力，提升了陕北级联断面的利用率，提高了西北区域电网新能源调度的精益化水平。
此处根据特定的示例性实施案例描述了本发明。对本领域的技术人员来说不脱离本发明范围下进行适当的替换或修改是显而易见的。示例性的实施案例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附属的权利要求定义。
Claims (5)
1.考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，获取陕北级联断面限额计算的关键数据，结合实时发电计划编制的各类基础数据，生成机组计划和断面限额联合优化计算场景；
步骤S2，构造广义联络线模式下网省两级实时发电计划协调优化模型，通过安全校核和优化迭代机组得到实时发电预计划，为实时发电计划和陕北级联断面限额联合优化提供机组初始计划值和断面初始潮流值；
步骤S3，基于步骤S1的计算场景数据和步骤S2的初始计划值和断面初始潮流值构建考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化模型；步骤S3进一步包括：以广义联络线模式下网省两级实时发电计划协调优化模型为原型，优化目标引入陕北虚拟分区新能源弃风量最小，约束条件在原型模型的基础上，进一步引入陕北分区发用电平衡约束、关中分区接纳限制约束、陕北级联断面限额与切机量关联关系约束、允切机组档位约束，通过优化调整各省常规机组出力和陕北级联断面限额，寻找未来一段时间满足西北区域电网和下辖省级电网发用电平衡、西北区域电网和陕北分区新能源最大消纳的机组出力计划和陕北级联断面限额；考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化模型，步骤S3中的优化目标表达式如下：
式中:F为优化目标；F0为广义联络线模式下网省两级实时发电计划协调优化模型的优化目标；ρw，t为新能源机组w时刻t的弃电功率；
为新能源机组弃电成本函数；
步骤S4，对步骤S3生成的优化模型进行优化求解和安全校核迭代计算，获得满足电网安全、机组运行约束的陕北分区新能源最大消纳的陕北级联断面限额，实现机组出力和稳定断面限额的联合优化。
2.根据权利要求1所述的考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化方法，其特征在于，所述实时发电计划编制的各类基础数据包括超短期系统负荷预测、超短期新能源预测、日内广义联络线计划、临时检修计划、稳定断面限额、机组停机信息、日内联络线计划、机组可调出力、机组经济参数信息及机组对监视元件灵敏度信息。
3.根据权利要求2所述的考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化方法，其特征在于，所述机组对监视元件灵敏度信息是获取电网物理模型和未来运行方式数据，采用PQ解耦法计算得到。
4.根据权利要求1所述的考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化方法，其特征在于，所述陕北级联断面限额计算的关键数据包括陕北分区机组模型、陕北级联断面和切机量之间的关联关系、陕北/关中分区负荷、陕北/关中分区新能源计划、关中分区接纳能力、陕北断面初始潮流、陕北分区机组初始计划、陕北分区机组稳控标志。
5.根据权利要求1所述的考虑陕北级联断面限额联动调整的实时发电计划优化方法，其特征在于，步骤S4进一步包括：给出西北分中心直调机组出力计划和陕北分区机组出力计划，并通过步骤S3和步骤S2结果对比，分析陕北级联断面限额优化对陕北分区新能源消纳的促进作用；最后，陕北级联断面限额和陕北分区机组出力计划下发陕西省级电网，西北分中心直调机组出力计划发送AGC跟踪执行。
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