CN110826773B - 一种考虑新能源接入的火电机组月度发电计划优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种考虑新能源接入的火电机组月度发电计划优化方法，涉及电力系统发电调度领域。该方法首先获取省级电力系统中各火电机组信息，建立火电机组月度机组组合优化模型；通过制定火电机组月度开机规则，进行火电机组最大最小总出力校核，得到火电机组月度开机计划；进而对模型求解，得到火电机组月度出力计划；基于火电机组月度停备规则，优化机组停备计划；最终得到由三个计划共同组成的火电机组月度发电计划优化方案。本发明能够高效计算出符合工程实际需求的月度发电计划，有效满足省级电力公司的数万个变量级别下电力调度的实际生产要求，具有重要的现实意义。

Description

一种考虑新能源接入的火电机组月度发电计划优化方法

技术领域

本发明涉及电力系统发电调度领域，尤其是涉及一种考虑新能源接入的火电机组月度发电计划优化方法。

背景技术

电力系统优化调度是是指在满足各种技术性和安全性约束的条件下，合理安排机组运行方式，满足负荷需求，兼顾新能源消纳要求，并在合理的时间内求得满足工程生产实际、安全可靠的发电计划。在推动能源结构转型升级，促进可再生能源产业发展的过程中，现有的以传统能源为主的电力系统调度模型尚不能完全满足风电、光伏发电等波动性可再生能源的并网运行要求，电力系统的灵活性未能充分发挥，存在弃水、弃风、弃光的新能源消纳难题。可再生能源发展不平衡不充分的矛盾和消纳问题日益凸显，制约了电力行业健康可持续发展。

月度发电计划作为优化调度的核心工作之一，即为电力系统的运行方式制定预案，也为电力市场成员安排其自身的生产、检修提供了依据。而大型火电机组最小连续启停时间长，且启停成本昂贵。因此，制定合理的月度发电计划对于大规模新能源接入下的电力系统的稳定、安全运行具有重要意义。

制定月度发电计划的核心工作是安排月度的机组组合，而月度机组组合本质上是一个高维、非凸、非线性、强约束的混合整数规划问题，目前虽有很多优化方法包括混合整数规划法、动态规划法、拉格朗日松弛法等解析类方法以及蚁群算法、粒子群算法、遗传算法等智能优化类算法，均已应用到这一问题的求解，但其实际应用中的效果却差强人意，随着系统规模的增大，在有限的时间内难以得到精确的可行解。混合整数规划直接用于实际问题中时效率低，必须把问题进行有效分解；动态规划是一种被广泛使用的机组组合算法，但难以考虑与时间有关的约束，且随着调度周期以及火电机组数量的增加，其容易引起“维数灾”；拉格朗日松弛法在求解过程中对迭代中的振荡、可行解的获取、收敛条件等问题不能做到鲁棒处理。智能优化方法本质上都属于无约束优化算法，难以处理机组组合中离散的启停约束，且其在面对强约束的月度机组组合问题时，搜索可行解的效率较低。因此，常规机组组合求解方法随着机组数量和调度时间的增加，容易引起维数灾，求解过程效率低，且所得结果无法满足生产实际的要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种考虑新能源接入的火电机组月度发电计划优化方法。本发明能够高效计算出符合工程实际需求的月度发电计划，有效满足省级电力公司的数万个变量级别下电力调度的实际生产要求，具有重要的现实意义。

本发明提出一种考虑新能源接入的火电机组月度发电计划优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取省级电力系统中各火电机组信息，包括：火电机组总台数N,火电机组编号i，每台火电机组的最大有功出力P_i,max和最小有功出力P_i,min，每台火电机组的最大向上爬坡速率

和最大向下爬坡速率

每台火电机组启动一次的成本

每台火电机组停机一次的成本

火电机组i耗量函数常系数c_i、一次项系数b_i、二次项系数a_i；获取t时段除新能源以及联络线购售电计划之外的负荷需求E_t以及热负荷需求Q_load,t；获取电网支路最大潮流极限L；

2)建立火电机组月度机组组合优化模型；该模型由目标函数和约束条件构成；具体如下：

2-1)确定火电机组月度机组组合优化模型目标函数；该目标函数为火电机组的总成本最小化，其中总成本包括火电机组的运行成本以及火电机组的启动成本和停机成本；表达式如下：

式中，N_T为总时段数，f_i,t为火电机组i在t时段的运行成本；

为火电机组i在t时段的启动成本；

为火电机组i在t时段的停机成本；

式中，α_i,t为火电机组i在t时段的启停状态，为0-1整数变量；P_i,t为火电机组i在t时段的有功出力；

为机组i在t时段的启动变量，为0-1整数变量；

为机组i在t时段的停机变量，为0-1整数变量；

为机组i停机一次的成本，

为机组i开机一次的成本；

2-2)确定模型的约束条件，具体如下：

2-2-1)火电机组出力约束：

P_i,min≤P_i,t≤P_i,max

2-2-2)火电机组爬坡约束：

其中，Δt为火电机组出力调整时间；

2-2-3)火电机组启停逻辑约束：

2-2-4)火电机组最小开停持续时间约束：

2-2-5)备用约束：

其中，E_t,min、E_t,max分别为t时段的除新能源以及联络线购售电计划之外的最小负荷需求和最大负荷需求；

为t时段的正旋转备用，

为t时段的负旋转备用；

2-2-6)火电机组负载率约束：

K_min≤K_i,t≤K_max

其中，K_i,t为火电机组i在t时段的负载率；K_min为火电机组负载率下限，K_max为火电机组负载率上限；

2-2-7)网络安全约束：

其中，L_ij为支路ij最大潮流极限；M为电网计算节点集；P_i,t,max为火电机组i在t时段最大负荷时的输出；l_i,t为t时段火电机组i所在节点的负载功率；S_i,j,t为火电机组i所在节点的注入功率对支路ij的灵敏度；

3)制定火电机组月度开机规则；具体如下：

3-1)火电机组的最小总出力小于计算周期T内的负荷与联络线售电之和的最小值；表达式如下：

式中，Load_t为t时段的负荷，

为t时段的联络线售电量；

3-2)火电机组的最大出力大于计算周期T内的负荷与联络线售电与最小旋转备用之和的最大值；表达式如下：

式中，

为t时段的联络线购电量；R_t,min为t时段最小旋转备用容量；

3-3)冬季供热时期，供热机组开机和出力满足热负荷出力要求；表达式如下：

Q_chp,t＝Q_load,t

其中，Q_chp,t、Q_load,t分别为t时段的供热机组热出力以及热负荷；

4)利用整数规划优化火电机组月度开机方式；

根据步骤3)的火电机组月度开机方式规则，进行火电机组最大最小总出力校核，通过整数规划求得同时满足三个规则的火电机组月度开机计划U；

式中，α_i,t为火电机组i在t时段的启停状态，i∈[1,N],t∈[1,N_T]；

5)在步骤4)得到的火电月度开机计划的基础上，通过线性规划求解步骤2)建立的火电机组月度机组组合优化模型，得到火电机组月度出力计划P；

式中，P_i,t为火电机组i在t时段的有功出力，i∈[1,N]，t∈[1,N_T]；

6)基于火电机组月度停备规则，优化机组停备计划；具体方法如下：

6-1)按照地区停备次数与地区月度目标电量完成率的差值升序，将省内各地区进行排序，得到火电机组i所在地区的序号

6-2)按照区域内各电厂停备次数与电厂月度目标电量完成率的差值升序，将地区内各电厂进行排序，得到火电机组i所在电厂的序号

6-3)按照电厂内各火电机组发电煤耗率与机组平均负载率之差的降序，将电厂内各火电机组进行排序，得到火电机组i在电厂内的序号

6-4)计算每台火电机组的停备权值：

6-5)按照每台火电机组的停备权值升序对火电机组进行排序，得到停备计划，并按照该停备计划依次停备对应火电机组，直至达到最小开机容量；

7)根据步骤4)得到的机组启停计划U，步骤5)得到的出力计划P以及步骤6)得到的停备计划，最终得到由三个计划共同组成的火电机组月度发电计划优化方案。

本发明的特点及有益效果在于：

本发明将月度机组组合问题进行合理简化，把求解流程分解为离散启停优化及连续的出力调度两个子问题。第一阶段基于实际工程实际，制定启发式规则，通过整数规划求解月度机组开机方式；第二阶段结合生产实际，通过线性规划进行出力调度，并给出停备计划制定方法。该方法在合理的时间内能计算出符合工程实际需求，保证各电厂火电机组负载率合理，兼顾新能源消纳需求的月度发电计划，可有效满足省公司的数万个变量级别下电力调度的实际生产要求，是一种切实可行可用的方法。

该方法可广泛应用于可再生能源资源丰富的省级电网中，为电网管理人员制定适应可再生能源高比例消纳的政策提供科学及时的决策依据，为电网运行人员制定考虑大规模新能源接入的月度调度计划提供方法。

附图说明

图1为本发明方法的整体流程图。

图2为本发明实施例中月度停备机组排序计算流程图。

具体实施方式

本发明提出一种考虑新能源接入的火电机组月度发电计划优化方法，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下。

本发明提出一种考虑新能源接入的火电机组月度发电计划优化方法，整体流程如图1所示，包括以下步骤：

1)获取省级电力系统中各火电机组信息，包括：火电机组总台数N,火电机组编号i，每台火电机组的最大有功出力P_i,max和最小有功出力P_i,min，每台火电机组的最大向上爬坡速率

和最大向下爬坡速率

每台火电机组启动一次的成本

每台火电机组停机一次的成本

火电机组i耗量函数常系数c_i、一次项系数b_i、二次项系数a_i；获取t时段除新能源以及联络线购售电计划之外的负荷需求E_t以及热负荷需求Q_load,t；获取电网支路最大潮流极限L；

2)建立火电机组月度机组组合优化模型；该模型由目标函数和约束条件构成；具体如下：

2-1)确定火电机组月度机组组合优化模型目标函数：

该目标函数为火电机组的总成本最小化，其中总成本包括火电机组的运行成本以及火电机组的启动成本和停机成本。

式中，N为火电机组总数；N_T为总时段数；f_i,t为火电机组i在t时段的运行成本；

为火电机组i在t时段的启动成本；

为火电机组i在t时段的停机成本。

进一步地，f_i,t、

可分别由以下公式获得：

式中，α_i,t为火电机组i在t时段的启停状态，为0-1整数变量；P_i,t为火电机组i在t时段的有功出力；

为机组i在t时段的启动变量，为0-1整数变量；

为机组i在t时段的停机变量，为0-1整数变量；

为机组i停机一次的成本，

为机组i开机一次的成本。

2-2)确定模型的约束条件，具体如下：

2-2-1)火电机组出力约束：

P_i,min≤P_i,t≤P_i,max

其中P_i,min、P_i,max分别为火电机组i最小有功出力和最大有功出力。

2-2-2)火电机组爬坡约束：

其中，

分别为火电机组i最大向上爬坡速率和最大向下爬坡速率；Δt为火电机组出力调整时间。

2-2-3)火电机组启停逻辑约束：

2-2-4)火电机组最小开停持续时间约束：

该式表示火电机组i开机后3天内不能停机，停机后3天内不准开机。

2-2-5)备用约束：

其中，E_t,min、E_t,max分别为t时段的除新能源以及联络线购售电计划之外的最小负荷需求和最大负荷需求；

分别为t时段的正负旋转备用。

2-2-6)火电机组负载率约束：

K_min≤K_i,t≤K_max

其中，K_i,t为火电机组i在t时段的负载率；K_min为火电机组负载率下限；通常取70％；K_max为火电机组负载率上限，通常取80％。负载率保持在70～80％之间，即可以保证火电机组运行的经济性，又可以给火电机组参与辅助服务留有一定的空间，保证机组月度计划电量的完成。

2-2-7)网络安全约束：

其中，L_ij为支路ij最大潮流极限；M为电网计算节点集；P_i,t,max为火电机组i在t时段最大负荷时的输出；l_i,t为t时段火电机组i所在节点的负载功率；S_i,j,t为火电机组i所在节点的注入功率对支路ij的灵敏度。

3)制定火电机组月度开机规则；具体如下：

3-1)火电机组的最小总出力应小于计算周期T(周期常规为31天)内的负荷与联络线售电之和的最小值。否则将风电、光伏发电等新能源全部切除时，系统发电仍大于负荷，无法做到发电、负荷平衡。即：

式中，Load_t为t时段的负荷，

为t时段的联络线售电量。

3-2)火电机组的最大出力应大于计算周期T内的负荷与联络线售电与最小旋转备用之和的最大值，这样在最保守的情况下，即新能源实际出力为0时，系统也能保证不切负荷，保证用户正常用电。即：

式中，

为t时段的联络线购电量；R_t,min为t时段最小旋转备用容量。

3-3)冬季供热时期，供热机组开机和出力应满足热负荷出力要求，以保证用户日常生活需要。即：

Q_chp,t＝Q_load,t

其中，Q_chp,t、Q_load,t分别为t时段的供热机组热出力以及热负荷。

4)利用整数规划优化火电机组月度开机方式；

根据步骤3)的火电机组月度开机方式规则，根据每日除新能源出力与联络线购电计划以外的火电机组所需出力，进行火电机组最大最小总出力校核，通过整数规划求得同时满足三个规则的火电机组月度开机计划U。

式中，α_i,t为火电机组i在t时段的启停状态，i∈[1,N],t∈[1,N_T]。

5)通过线性规划对步骤4)的结果进行出力调度优化；

在步骤4)得到的火电月度开机计划的基础上，通过线性规划求解步骤2)建立的火电机组月度机组组合优化模型，得到火电机组月度出力计划P。

式中，P_i,t为火电机组i在t时段的有功出力，i∈[1,N]，t∈[1,N_T]。

6)基于火电机组月度停备规则，优化机组停备计划；

其中，火电机组停备规则如下：

地区均衡：记录省内每个地区火电机组参加月度停备的次数，根据地区火电机组参加停备次数从低到高，逐个地区进行轮流停备。轮流停备过程中所要考虑的安全约束为每个地区最小开机容量、最小发电负荷比。

地区内各电厂本月计划完成率：应按照地区内各电厂本月计划完成率从高到低对电厂进行排序，本月计划完成率高的电厂优先进行停备。

如该电厂只有一台在运机组，则该电厂不参加停备计划。同时记录每个电厂月度参加停备的次数，保证在月度计划内，各个电厂参加停备次数均衡。

综上，根据地区参与停备次数均衡，各地区月度目标电量完成率均衡，电厂参与停备次数均衡，各电厂月度目标电量完成率均衡，机组平均负载率(月度目标电量除以电厂在运机组容量)低的火电机组优先进行停备5条准则，计算每台火电机组的停备权值W_i，按照每台火电机组的权值升序对火电机组进行排序，得到停备计划，并按照该停备计划依次停备对应火电机组，直至达到最小开机容量。W_i具体计算方法如下：

按照地区停备次数与地区月度目标电量完成率的差值升序，将省内各地区进行排序，得到火电机组i所在地区的序号

按照区域内各电厂停备次数与电厂月度目标电量完成率的差值升序，将地区内各电厂进行排序，得到火电机组i所在电厂的序号

按照电厂内各火电机组发电煤耗率与机组平均负载率之差降序，将电厂内各火电机组进行排序，得到火电机组i在电厂内的序号

则：

由于省内总电厂数一般小于100，而每个电厂内的火电机组一般也小于100，因此将

的权重系数取值为100，

的权重系数取10000求得各火电机组权值，然后将其按照升序排序，所得到的火电机组停备顺序严格满足上述5条停备准则。

停备计划制定具体流程如下：

6-1)输入机组数据；

6-2)判断机组是否为自备机组，若不是，跳转至603)，若是，该机组不参加停备；

6-3)判断机组停备次数是否大于1，若不是，跳转至604)，若是，该机组不参加停备；

6-4)计算该机组的参与停备权值；

6-5)按照各机组权值升序对火电机组进行排序，综合权值低的火电机组优先停备。

6-6)完成火电机组停备计划安排。

7)根据步骤4)得到的机组启停计划U，步骤5)得到的出力计划P以及步骤6)得到的停备计划，制定火电机组月度发电计划优化方案(三个计划共同组成了最终的发电计划优化方案)。

以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种考虑新能源接入的火电机组月度发电计划优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取省级电力系统中各火电机组信息，包括：火电机组总台数N,火电机组编号i，每台火电机组的最大有功出力P_i,max和最小有功出力P_i,min，每台火电机组的最大向上爬坡速率r_i ^up和最大向下爬坡速率r_i ^down，每台火电机组启动一次的成本

每台火电机组停机一次的成本

火电机组i耗量函数常系数c_i、一次项系数b_i、二次项系数a_i；获取t时段除新能源以及联络线购售电计划之外的负荷需求E_t以及热负荷需求Q_load,t；获取电网支路最大潮流极限L；

2)建立火电机组月度机组组合优化模型；该模型由目标函数和约束条件构成；具体如下：

2-1)确定火电机组月度机组组合优化模型目标函数；该目标函数为火电机组的总成本最小化，其中总成本包括火电机组的运行成本以及火电机组的启动成本和停机成本；表达式如下：

式中，N_T为总时段数，f_i,t为火电机组i在t时段的运行成本；

为火电机组i在t时段的启动成本；

为火电机组i在t时段的停机成本；

式中，α_i,t为火电机组i在t时段的启停状态，为0-1整数变量；P_i,t为火电机组i在t时段的有功出力；

为机组i在t时段的启动变量，为0-1整数变量；

为机组i在t时段的停机变量，为0-1整数变量；

为机组i停机一次的成本，

为机组i开机一次的成本；

2-2)确定模型的约束条件，具体如下：

2-2-1)火电机组出力约束：

P_i,min≤P_i,t≤P_i,max

2-2-2)火电机组爬坡约束：

其中，Δt为火电机组出力调整时间；

2-2-3)火电机组启停逻辑约束：

2-2-4)火电机组最小开停持续时间约束：

2-2-5)备用约束：

其中，E_t,min、E_t,max分别为t时段的除新能源以及联络线购售电计划之外的最小负荷需求和最大负荷需求；

为t时段的正旋转备用，

为t时段的负旋转备用；

2-2-6)火电机组负载率约束：

K_min≤K_i,t≤K_max

其中，K_i,t为火电机组i在t时段的负载率；K_min为火电机组负载率下限，K_max为火电机组负载率上限；

2-2-7)网络安全约束：

其中，L_ij为支路ij最大潮流极限；M为电网计算节点集；P_i,t,max为火电机组i在t时段最大负荷时的输出；l_i,t为t时段火电机组i所在节点的负载功率；S_i,j,t为火电机组i所在节点的注入功率对支路ij的灵敏度；

3)制定火电机组月度开机规则；具体如下：

3-1)火电机组的最小总出力小于计算周期T内的负荷与联络线售电之和的最小值；表达式如下：

式中，Load_t为t时段的负荷，

为t时段的联络线售电量；

3-2)火电机组的最大出力大于计算周期T内的负荷与联络线售电与最小旋转备用之和的最大值；表达式如下：

式中，

为t时段的联络线购电量；R_t,min为t时段最小旋转备用容量；

3-3)冬季供热时期，供热机组开机和出力满足热负荷出力要求；表达式如下：

Q_chp,t＝Q_load,t

其中，Q_chp,t、Q_load,t分别为t时段的供热机组热出力以及热负荷；

4)利用整数规划优化火电机组月度开机方式；

根据步骤3)的火电机组月度开机方式规则，进行火电机组最大最小总出力校核，通过整数规划求得同时满足三个规则的火电机组月度开机计划U；

式中，α_i,t为火电机组i在t时段的启停状态，i∈[1,N],t∈[1,N_T]；

5)在步骤4)得到的火电月度开机计划的基础上，通过线性规划求解步骤2)建立的火电机组月度机组组合优化模型，得到火电机组月度出力计划P；

式中，P_i,t为火电机组i在t时段的有功出力，i∈[1,N]，t∈[1,N_T]；

6)基于火电机组月度停备规则，优化机组停备计划；具体方法如下：

6-1)按照地区停备次数与地区月度目标电量完成率的差值升序，将省内各地区进行排序，得到火电机组i所在地区的序号

6-2)按照区域内各电厂停备次数与电厂月度目标电量完成率的差值升序，将地区内各电厂进行排序，得到火电机组i所在电厂的序号

6-3)按照电厂内各火电机组发电煤耗率与机组平均负载率之差的降序，将电厂内各火电机组进行排序，得到火电机组i在电厂内的序号

6-4)计算每台火电机组的停备权值：

6-5)按照每台火电机组的停备权值升序对火电机组进行排序，得到停备计划，并按照该停备计划依次停备对应火电机组，直至达到最小开机容量；

7)根据步骤4)得到的机组启停计划U，步骤5)得到的出力计划P以及步骤6)得到的停备计划，最终得到由三个计划共同组成的火电机组月度发电计划优化方案。

Images