CN110458319A - 一种电网安全约束节能调度模型的构建方法 - Google Patents

一种电网安全约束节能调度模型的构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电网安全约束节能调度模型的构建方法，包括：构建优化目标，对优化目标进行模型构建；对国分省多级调度的平衡策略进行模型构建；构建联络线计划模型；构建直流输电系统模型；对基础数据进行处理；对业务场景进行构建。本发明的方法，涉及国调、大区、省调发电计划的具体业务，针对国(分)省不同调度机构对电力调度的使用需求，可实现跨省区的全网安全约束节能调度优化。

Description

一种电网安全约束节能调度模型的构建方法
技术领域
本发明属于电网优化调度运行的领域，具体涉及一种电网安全约束节能调度模型的构建方法。
背景技术
电力系统是指由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节组成的电能生产与消费系统，它是将自然界的能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。电力系统的主体结构包括电源、电网和负荷中心，电源指各类发电厂、发电站，它将能源转换成电能；电网由电源的升压变电所、输电线路、负荷中心变电所、配电线路等构成。
为了提高电网的运行安全可靠性和节能环保性，需要对电网的供电能力和供电可靠性进行准确、及时的评估和调度。安全约束节能调度是保障电网安全经济运行的有效技术手段之一，而跨省区的大电网安全约束节能调度是一种解决大范围资源优化配置的有效技术手段。不同于省级电网优化调度，涉及跨省区的大电网安全约束节能调度不但计算规模扩大，还需考虑国(分)省各级调度运行规则和特色需求。更大的规模、更多更复杂的约束将给模型构建和求解带来不少困难，如何从优化目标选择，约束条件配置，基础数据处理等方面通过策略组合构建适用于不同场景的优化模型，从而实现求解性能与使用效果的合理匹配，是一个棘手的问题。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明提供了一种电网安全约束节能调度模型的构建方法，其特征在于，包括：
S1：构建优化目标，对优化目标进行模型构建；
S2：对国分省多级调度的平衡策略进行模型构建；
S3：对国分业务涉及的联络线计划进行模型构建，构建联络线计划模型；
S4：对国调涉及的直流联络线计划进行模型构建，构建直流输电系统模型；
S5：对基础数据进行处理；
S6：对业务场景进行构建，根据优化目标和约束选择，进行电网安全约束节能调度业务场景模型构建。
本发明的电网安全约束节能调度模型的构建方法，涉及国调、大区、省调发电计划的具体业务，针对国(分)省不同调度机构对电力调度的使用需求，可实现跨省区的全网安全约束节能调度优化。电力调度在不同的应用场合下具有不同的使用目的，可以通过优化目标和约束条件的灵活配置形成按需使用的特色场景，以满足不同需求，从而既可以充分发挥大电网安全约束节能调度的大范围优化优势，又可降低模型构建难度，提升求解效率，实现求解性能与使用效果的合理匹配，为电网安全稳定运行和决策提供有效的技术支撑。
附图说明
图1本发明的方法流程图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图参考实施例的描述，对本发明的方法和系统进行进一步的说明。
为了全面理解本发明，在以下详细描述中提到了众多具体细节。但是本领域技术人员应该理解，本发明可以无需这些具体细节而实现。在实施例中，不详细描述公知的方法、过程、组件，以免不必要地使实施例繁琐。
参见图1所示，本发明提供了一种电网安全约束节能调度模型的构建方法，包括：
S1：构建优化目标，对优化目标进行模型构建；
S2：对国分省多级调度的平衡策略进行模型构建；
S3：对国分业务涉及的联络线计划进行模型构建，构建联络线计划模型；
S4：对国调涉及的直流联络线计划进行模型构建，构建直流输电系统模型；
S5：对基础数据进行处理；
S6：对业务场景进行构建，根据优化目标和约束选择，进行电网安全约束节能调度业务场景模型构建。
优选地，其中，所述S1：构建优化目标，对优化目标进行模型构建，具体包括：
传统节能调度模型在现有文献中已多有描述，在此不再重复。通常节能调度模型以全网购电价格最低、煤耗最小等为优化目标。考虑到我国的实际调度情况，我国省内的节能调度优化目标多为考虑火电“三公”节能调度模式。而全网节能调度由于使用人员通常是站在全局范围内决策问题，因此除了省内“三公”优化目标外，还需要增加清洁能源最大化消纳为优化目标。
构建清洁能源最大化消纳为优化目标，对清洁能源最大化消纳优化目标进行模型构建：
式中，Pi,t,f为可再生清洁能源i在时刻t的预测出力，Pi,t为可再生清洁能源i在时刻t的计划出力，计划出力只削减预测出力，满足Pi,t,f≥Pi,t，Nc为可再生能源总数，Nt为时段总数。
综上，根据传统模式以及本发明提供的方式，可供选择的优化目标可为：①成本(煤耗、购电价格等)最低；②考虑火电“三公”的节能调度；③全网清洁能源消纳最大化。
优选地，其中，所述S2：对国分省多级调度的平衡策略进行模型构建，具体包括：
S2-1：构建以省为单位的负荷平衡策略模型，平衡方式为区域内机组总出力等于区域内负荷总需求：
式中，PD,c,t为省域c在时刻t的负荷总需求，Pi,t为参与省域c负荷平衡的机组i在时刻t的计划出力，Tc,t为省域c在时刻t的外送功率；
S2-2：构建全局负荷平衡策略模型，各省均采取式(2)中的平衡约束，将联络线作为待求等值电源以保留全局寻优性，采用等值方式即省对外交互的任意一条物理连接线即为一台等值机组参与分省平衡；模型中添加以下约束：①送受端耦合约束，即在忽略网络损耗的前提下送受端功率之和为0；②等值机功率不可自由控制特性，具体模型构建如下：
式中，为联络线物理支路等值机，ei为决策变量，λi为支路功率分布系数，根据历史统计规律计算；
S2-3：构建分省的负荷平衡策略模型，计算计划潮流分布，按照与S2-2相同的方法对联络线计划进行分解计算，得到分省的负荷平衡策略模型。
对于S2-2构建全局负荷平衡策略，除了采用本发明提供的上述方法①联络线作为等值机参与分省平衡之外，还可采用方法②从传统的分省平衡推广到全网统一平衡，这是一种易于处理的方法，仍然采用式(2)的平衡策略将省域c直接扩展到全网范围，以各省负荷预测总加作为平衡量，全网与外网的功率传输依然可采用已知值。当优化结束后通过潮流计算即可获取Tc,t。这种处理方式策略简单，但Tc,t值可能与实际联络线计划背离甚远，因为按照传统节能优化目标，未添加电力交易相关约束时，联络线功率主要取决于互联电网各区域内机组的“经济性”。这与我国联络线计划的形成机制不符，实用性较差。以及可采用方法③添加联络线约束的全网平衡，直接添加联络线断面约束，以约束形式使联络线计划在可接受范围内，可解决上述问题，如下式所示：Tc,t,min≤Tc,t≤Tc,t,max，式中，Tc,t,min，Tc,t,max分别为省域c在时刻t可外送(受入)的最小、最大功率。这时有两个问题需在模型中给予体现：1.需要在优化模型中增加联络线断面潮流控制约束，优化模型规模增加；2.必须确保潮流计算的准确性，否则为控制联络线断面功率将致使机组出力出现较大偏差。
优选地，其中，所述S3：对国分业务涉及的联络线计划进行模型构建，构建联络线计划模型，具体包括：
S3-1：联络线功率组成可分为省区间电力交易和跨省跨区平衡电源两部分：
式中，Ts,t为第s笔电力交易，Ns为交易总量，αs,c为交易与省份c的相关性，相关则为1，不相关则为0，Tu,t为跨省跨区电源出力，Nu为电源总数，βu,c为电源对省份c的输入比例，取值在[0，1]之间；
S3-2：若电力交易可调整，根据交易的刚性程度给出Ts,t的可调区间，电力交易需满足电量约束：
式中，Qs,t,d，Qs,t,u分别为交易s的交易电量上下限；T为时刻总数。
当跨区跨省大电源做固定出力处理(事实上，由于跨区跨省大电源大多为大规模火电、水电群，通常都会先于其他电源制定计划值)，Tu,t则没有改变空间。如果大电源参与优化，则其变化对联络线的影响也可通过式(4)得以体现。
综上，根据实际需求，联络线计划模型有两种处理模式可供选择：①当电力交易可调、跨省跨区大电源计划不可调时，可采用S3-1步骤方法；②当电力交易和跨省跨区大电源计划均可调时，可采用S3-1与S3-2步骤方法。
优选地，其中，在大区电网互联中，区域之间通过直流输电系统进行互联是普遍采取的方式。直流与交流联络线的不同之处在于，直流具有调度可控性，因此有必要对直流输电系统进行单独处理。所述S4：对国调涉及的直流联络线计划进行模型构建，构建直流输电系统模型，具体包括：
直流输电系统在交流侧的换流阀处进行等值，如果将直流功率设置为全网节能调度的优化变量，仍可采取送受端等值机处理模式。但相对于交流联络线，直流计划将受到直流运行特性、方式，运行规程等一系列约束。除了直流上下限约束、直流爬坡约束(类似于机组)外，本发明将直流功率设置为全网安全约束节能调度的优化变量，采取送受端等值机处理模式，将运行约束转换为禁止运行区及出力维持约束，构建模型：
式中：Pi,b1，Pi,b2，Pi,b3，Pi,b4为等值机禁止运行区上下限，一个等值机可以具有多个禁止运行区间，Pi,t为参与省域c负荷平衡的机组i在时刻t的计划出力；
式中：tn为出力保持的持续时段数，它可根据需求设定。
综上，根据实际需求，直流存在以下两种处理方式：①直流不参与优化决策，按照固定出力处理，此时直流连接可解耦处理，减少了求解规模，但降低了区域之间的寻优空间。②如本发明S4步骤作为变量参与优化。
优选地，其中，所述S5：对基础数据进行处理，具体包括：
S5-1：机组基础数据处理
机组在调度计划中存在特殊属性，在调度计划中的调度关系方面，根据机组调度关系分为就地平衡和跨省跨区平衡，分别采用不同的数据处理方式；
在调度计划中的网络模型构建方面，根据机组属于已建模或未建模，分别采用不同的数据处理方式：根据式(4)可知部分机组属于已建模机组，其在平衡时已经体现在联络线功率中，此步骤不再以机组形式参与系统平衡，否则将造成电源出力重复计算，但其必须参与系统潮流计算，否则潮流计算中有功缺失；对于未建模机组，其为小容量机组，在全网安全约束节能调度中，以电厂上报或相似日计划形式按固定出力处理。由于其不影响全网资源的优化配置和潮流分析，因此对未建模机组采取省域内打包处理模式：
式中，pi,s为未建模小机组，Ps,c为省域c内的未建模小机组出力总加；
综上可知，不同调度关系机组的处理方式将取决于平衡策略的选择。模型构建中需要考虑到：①采取全网统一平衡模式，则可不考虑跨省跨区平衡特性，即机组无需转化为联络线计划直接参与平衡即可。②考虑大区、省间联络线约束，且按照实际情况进行调整，则必须考虑机组的不同调度属性。
S5-2：网络基础数据处理
诸如“三华+两北”的大规模电网，由于机组数与支路数的大幅增加，在节能调度中对网络模型的考虑将带来极大的计算量。但如若不考虑网络约束，又散失了全网节能调度对潮流预控的价值，且可能出现网络约束不满足的情况。
在计划潮流中用等值模式将大电网分解为省级电网进行分析是目前调度计划普遍采取的方法，若按照本发明S2-2构建全局负荷平衡策略，则可以对网络进行分省处理，将极大的减少网络分析计算时间。
实际中，全网节能调度对国分调计划人员更具使用价值，根据使用人员的关注焦点，选取关注支路进行计划潮流分析，所述关注支路通过以下三种方式选取：①分布在跨区跨省大电源近区网络，以及特高压交直流落点近区网络中的关键支路；②当运行方式变化不大时，线路潮流的重载情况可根据历史潮流做出判断，重载线路纳入关注支路；③当电网运行存在较大变化时，判定变化所带来的关键线路潮流转移情况，从而确定关注支路；
在选定所述关注支路后，根据直流灵敏度分析，计算关注支路潮流：
式中，Pz,t为支路z在时刻t的潮流，βi,z为机组i对支路z的灵敏度，Pload,z,t为所有负荷对该支路的潮流贡献；Pi为机组i的出力。
优选地，其中，其中，Tc,t为上级调度的下发数据，按确定值参与平衡。
综上，在对网络基础数据的处理方面，根据实际需要存在以下几种处理方式：①不考虑网络约束，即不做计划潮流分析，转换为ED问题；②以联络线物理支路等值机模式，分省考虑；如上述本发明提供的方法③全网模式下关注部分关键支路或断面。
S6：对业务场景进行构建，根据优化目标和约束选择，进行电网安全约束节能调度业务场景模型构建。
根据第前面几个步骤，大电网节能调度面对诸多需要处理的策略性及基础数据处理问题，不同的策略和处理方式将构成不同的计划场景和对应的计划模型，结合实际情况和组合关联性，可通过优化目标和约束选择进行模型构建。表1列出了部分场景。
表1.场景列表
分析可知，场景1是将传统的省域电力节能调度问题以直流联络线为分割的大区电网优化，适合分析的问题包括：(1)分析在大区范围内按照机组特性得到的理论优化结果；(2)分析风电、水电等清洁能源在大区范围内的极限消纳能力。而对于场景4则将其扩展到了全网范围。
场景2和3是在满足交易调整和大电源同时优化的背景下开展大区电力节能调度优化，适合分析的问题包括：(1)大区内部省间联络线断面潮流偏差及控制研究；(2)满足交易调整情况下区域内资源优化配置。相对于场景1需要增加额外的断面约束，潮流计算准确性将直接影响计划结果。
场景4在场景3的基础上，放开直流输电计划，适合分析的问题包括：(1)直流计划模式对送受端电网计划的影响；(2)全网范围内的资源优化配置。相对于场景3，由于大区之间无法简单分割优化，且新增直流相关约束，计算规模将显著增大。
场景5则是最贴合目前调度实际情况的全网范围内的资源优化配置。它既考虑了联络线计划编制的实际情况，又允许调整直流计划，但其在网络处理时采取了适当的简化，有利于计算求解。
上述罗列的是本发明认为具有适用价值的各类场景，它并非所有场景集合，使用人员可以根据研究需求进行不同的场景组合。由于不同场景对计划模型所考虑的约束条件具有较大差异，因此根据需求构建场景具有一定的实际意义。
为了验证本发明所提按需模型构建法的有效性和正确性，以我国通过直流互联的两个大区电网构建了测试算例。两个大区电网共计包含主力机组近1300台，200kV及以上支路近12000条。针对本文所提的平衡策略、联络线策略、直流处理模式及网络约束的处理分别进行了验证测试。
1)平衡策略的影响
针对第步骤S6中所提及的场景1和场景2进行测试。测试数据使用的是我国某大区电网的实际运行数据，该算例中包含主力机组近700台，含200kV及以上支路近7000条，需考虑的断面约束近70个，其中经济数据是按照机组容量给出的煤耗曲线(并非每个机组的真实煤耗曲线，但保障了大容量机组在经济性上优于小容量机组的特性)。
计算结果为：场景1的最优解为2257607，计算时间为253秒。而在场景2中其最优解为2263858，计算时间为307秒。对比两个场景可知，增加联络线的调整区间约束会降低全局最优性，由于模型约束的增加，还会增加求解时间。约束的增加可以减少联络线计划与初始计划的偏离。(本算例中是设置了联络线最小出力约束，设置的内容不同，所得出来的结果则各异，可按照需求进行设置)。
2)联络线等值的影响
将交流联络线作为等值机进行处理，可以较好的实现互联电网的解耦建模。将式(3)所述的联络线处理方式应用于本文所述的大区电网，由于等式约束的存在，因此这种模式不会影响分省的平衡量和最优值，主要影响在于网络的潮流分布。本算例的初始条件为：已知某省的口子计划为-2185MW，由15条物理线路构成。其中最大支路的最大偏差达到60％，但大部分偏差均分布在10％至20％的范围。这对联络线附近的潮流分布确实会造成一定的计算误差，但对于远离联络线的支路则影响有限。另一方面，虽然这种等值会降低部分支路的潮流计算准确率，但也可以极大的减少计算资源开销。依然以该省对外口子的15条联络线为例，该15条支路的潮流几乎与所有并网机组均相关，如果构建支路的96时段潮流模型将消耗近3.5G的内存，增加计算时间42秒。等值后，相当于用等值机组替代了互联对端网络的所有机组，因此可以节省大量计算内存，且有效提升计算速度。
3)直流处理模式的影响
首先将直流联络线作为可优化变量构建两个互联大区电网的优化模型，大区内部仅考虑联络线和部分断面限额约束。等值机按照较大发电成本、平均发电成本、较小发电成本分别进行模拟仿真，平均计算时间为780秒。通过多次模拟计算表明，对于直流计划的优化宜采取等值机解耦单边优化模式，对方的需求以上下限约束的形式给出，既可以体现送受双方的电力电量平衡需求，也可以较大的减少计算时间(多个区域可分别并行计算)，特别是当多个区域电网通过直流互联时，对计算节省计算资源非常有效。
本发明的电网安全约束节能调度模型的构建方法，涉及国调、大区、省调发电计划的具体业务，针对国(分)省不同调度机构对电力调度的使用需求，可实现跨省区的全网安全约束节能调度优化。电力调度在不同的应用场合下具有不同的使用目的，可以通过优化目标和约束条件的灵活配置形成按需使用的特色场景，以满足不同需求，从而既可以充分发挥大电网安全约束经济调度的大范围优化优势，又可降低模型构建难度，提升求解效率，实现求解性能与使用效果的合理匹配，为电网安全稳定运行和决策提供有效的技术支撑。
这里只说明了本发明的优选实施例，但其意并非限制本发明的范围、适用性和配置。相反，对实施例的详细说明可使本领域技术人员得以实施。应能理解，在不偏离所附权利要求书确定的本发明精神和范围情况下，可对一些细节做适当变更和修改。

Claims (7)

1.一种电网安全约束节能调度模型的构建方法，其特征在于，包括：
S1：构建优化目标，对优化目标进行模型构建；
S2：对国分省多级调度的平衡策略进行模型构建；
S3：对国分业务涉及的联络线计划进行模型构建，构建联络线计划模型；
S4：对国调涉及的直流联络线计划进行模型构建，构建直流输电系统模型；
S5：对基础数据进行处理；
S6：对业务场景进行构建，根据优化目标和约束选择，进行电网安全约束节能调度业务场景模型构建。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述S1：构建优化目标，对优化目标进行模型构建，具体包括：
构建清洁能源最大化消纳为优化目标，对清洁能源最大化消纳优化目标进行模型构建：
式中，Pi,t,f为可再生清洁能源i在时刻t的预测出力，Pi,t为可再生清洁能源i在时刻t的计划出力，计划出力只削减预测出力，满足Pi,t,f≥Pi,t，Nc为可再生能源总数，Nt为时段总数。
3.根据权利要求1的方法，其中，所述S2：对国分省多级调度的平衡策略进行模型构建，具体包括：
S2-1：构建以省为单位的负荷平衡策略模型，平衡方式为区域内机组总出力等于区域内负荷总需求：
式中，PD,c,t为省域c在时刻t的负荷总需求，Pi,t为参与省域c负荷平衡的机组i在时刻t的计划出力，Tc,t为省域c在时刻t的外送功率；
S2-2：构建全局负荷平衡策略模型，各省均采取式(2)中的平衡约束，将联络线作为待求等值电源以保留全局寻优性，采用等值方式即省对外交互的任意一条物理连接线即为一台等值机组参与分省平衡；模型中添加以下约束：①送受端耦合约束，即在忽略网络损耗的前提下送受端功率之和为0；②等值机功率不可自由控制特性，具体模型构建如下：
式中，为联络线物理支路等值机，ei为决策变量，λi为支路功率分布系数，根据历史统计规律计算；
S2-3：构建分省的负荷平衡策略模型，计算计划潮流分布，按照与S2-2相同的方法对联络线计划进行分解计算，得到分省的负荷平衡策略模型。
4.根据权利要求1的方法，其中，所述S3：对国分业务涉及的联络线计划进行模型构建，构建联络线计划模型，具体包括：
联络线功率组成可分为省区间电力交易和跨省跨区平衡电源两部分：
式中，Ts,t为第s笔电力交易，Ns为交易总量，αs,c为交易与省份c的相关性，相关则为1，不相关则为0，Tu,t为跨省跨区电源出力，Nu为电源总数，βu,c为电源对省份c的输入比例，取值在[0，1]之间；
若电力交易可调整，根据交易的刚性程度给出Ts,t的可调区间，电力交易需满足电量约束：
式中，Qs,t,d，Qs,t,u分别为交易s的交易电量上下限；T为时刻总数。
5.根据权利要求1的方法，其中，所述S4：对国调涉及的直流联络线计划进行模型构建，构建直流输电系统模型，具体包括：
直流输电系统在交流侧的换流阀处进行等值，将直流功率设置为全网安全约束节能调度的优化变量，采取送受端等值机处理模式，将运行约束转换为禁止运行区及出力维持约束，构建模型：
式中：Pi,b1，Pi,b2，Pi,b3，Pi,b4为等值机禁止运行区上下限，一个等值机可以具有多个禁止运行区间，Pi,t为参与省域c负荷平衡的机组i在时刻t的计划出力；
式中：tn为出力保持的持续时段数。
6.根据权利要求1的方法，其中，所述S5：对基础数据进行处理，具体包括：
S5-1：机组基础数据处理
在调度计划中的调度关系方面，根据机组调度关系分为就地平衡和跨省跨区平衡，分别采用不同的数据处理方式；
在调度计划中的网络模型构建方面，根据机组属于已建模或未建模，分别采用不同的数据处理方式：对于已建模机组，其在平衡时已经体现在联络线功率中，此步骤不再以机组形式参与系统平衡，但须参与系统潮流计算；对于未建模机组，其为小容量机组，在全网安全约束节能调度中，以电厂上报或相似日计划形式按固定出力处理，对未建模机组采取省域内打包处理模式：
式中，pi,s为未建模小机组，Ps,c为省域c内的未建模小机组出力总加；
S5-2：网络基础数据处理
全网安全约束节能调度选取关注支路进行计划潮流分析，所述关注支路通过以下三种方式选取：①分布在跨区跨省大电源近区网络，以及特高压交直流落点近区网络中的关键支路；②当运行方式变化不大时，线路潮流的重载情况可根据历史潮流做出判断，重载线路纳入关注支路；③当电网运行存在较大变化时，判定变化所带来的关键线路潮流转移情况，从而确定关注支路；
在选定所述关注支路后，根据直流灵敏度分析，计算关注支路潮流：
式中，Pz,t为支路z在时刻t的潮流，βi,z为机组i对支路z的灵敏度，Pload,z,t为所有负荷对该支路的潮流贡献；Pi为机组i的出力。
7.根据权利要求3的方法，其中，其中，Tc,t为上级调度的下发数据，按确定值参与平衡。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116757388A (zh) * 2023-04-20 2023-09-15 中国南方电网有限责任公司 一种基于冗余约束筛选的电力市场出清方法及装置

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