CN110890767A

CN110890767A - 一种多抽水蓄能电厂均衡调度方法

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Publication number: CN110890767A
Application number: CN201911192876.XA
Authority: CN
Inventors: 王科; 周浩然; 聂涌泉; 别朝红; 徐克强; 李泽文; 张勇; 刘凡; 何越; 刘起兴
Original assignee: China Southern Power Grid Co Ltd
Current assignee: China Southern Power Grid Co Ltd
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2039-11-28
Also published as: CN110890767B

Abstract

本发明公开了一种多抽水蓄能电厂均衡调度方法。本发明针对多抽水蓄能电厂实际调度的不均衡问题，提出了多抽水蓄能电厂综合评价指标，从抽水蓄能电厂的机组性能、利用率、利用合理程度等方面对多个抽水蓄能电厂中抽水蓄能机组利用情况进行评价。在此基础上，本发明建立了多抽水蓄能电厂均衡调度策略，优化目标为机组实际电量与均衡分配电量偏差最小，并考虑了一定的经济性。通过算例对该调度策略进行仿真分析，验证了其合理性，为多抽水蓄能电厂的实时调度提供了参考。

Description

一种多抽水蓄能电厂均衡调度方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及多抽水蓄能电厂的综合评价指标及均衡调度策略。

背景技术

抽水蓄能电厂作为电力系统安全经济运行的重要工具，在调峰、调频、黑启动、事故备用等方面都发挥着重要的作用。由于抽水蓄能机组启动调节方便迅速，当系统中有较多抽水蓄能资源时，实时调度中出现的负荷偏差大部分交给抽水蓄能机组来平衡。

当前抽水蓄能电厂的评价指标仅限于针对单一机组或单一电厂，不存在针对多个抽水蓄能电厂的综合评价指标。如果一个电网中的抽水蓄能电厂较多，当系统中出现负荷偏差时，由于缺少评价指标的引导，电量在各个抽水蓄能电厂之间的分配方式目前没有形成确定的方案，而是根据调度人员的经验进行分配，有时同一电网下不同区域的地方调度中心会按照自己的CPS考核指标对抽水蓄能资源进行调度，导致同一电网下的各抽水蓄能电厂利用不均衡、不公平的结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多抽水蓄能电厂均衡调度方法，可以对电网中多个抽水蓄能电厂的均衡调度问题形成指导，解决多个抽水蓄能电厂之间调度不均衡、不公平问题。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

该调度方法包括以下步骤：

1)建立多抽水蓄能电厂均衡调度模型，所述均衡调度是指使各抽水蓄能机组(多个抽水蓄能电厂中抽水蓄能机组)的利用时间(例如，利用小时数)相同；

2)针对电力系统某时刻或时间段的负荷波动，通过对步骤1)建立的多抽水蓄能电厂均衡调度模型进行求解，得到各抽水蓄能机组的实时调度结果，调度结果包括抽水蓄能机组修改后的出力。

优选的，所述步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)以多个参与调度的抽水蓄能电厂中所有抽水蓄能机组实际电量(电量指发电量或抽水电量)和目标电量的偏差最小及调度时刻抽水蓄能机组启停成本最小为优化目标，确定多抽水蓄能电厂均衡调度模型的目标函数；

1.2)确定多抽水蓄能电厂均衡调度模型的约束条件，所述约束条件包括抽水蓄能机组约束以及电力系统约束。

优选的，所述目标函数表示为：

其中：N_Kunits为参与调度的抽水蓄能机组总台数，

为当前调度时刻之前第k个抽水蓄能机组的总电量，P_k为当前调度时刻第k个抽水蓄能机组修改后的出力，Δt为调度时间尺度，

为当前调度时刻第k个抽水蓄能机组按装机容量比例分配到的电量，K为归一化系数，y_k、z_k分别为第k个抽水蓄能机组的开机变量、停机变量，

为上一调度时刻第k个抽水蓄能机组按装机容量比例分配到的电量。

优选的，所述抽水蓄能机组约束包括机组有功功率约束、机组运行状态约束及水库水量约束。

优选的，所述电力系统约束包括线路潮流约束、备用约束及电力平衡约束。

优选的，所述调度方法还包括以下步骤：所述步骤1)之前和/或步骤2)之后，对抽水蓄能电厂的利用情况进行量化评估。

优选的，所述量化评估采用的指标选自机组性能指标、机组利用率统计指标、机组利用合理程度指标(例如，机组单次开机发电量\抽水电量、利用均衡性)中的一种或多种。

本发明的有益效果体现在：

本发明在考虑多个抽水蓄能电厂的利用均衡程度基础上，提出了多抽水蓄能电厂均衡调度模型，通过求解该模型可以得到用于多个抽水蓄能电厂之间的均衡、公平的调度策略。为多抽水蓄能电厂的实时调度提供了有效的参考。

进一步的，本发明对利用均衡程度以电量偏差的形式进行量化，以各抽水蓄能机组实际电量与目标电量偏差最小为优化目标，同时考虑一定的经济性，以启停成本最小为优化目标，在此基础上运用归一化系数统一建立了目标函数，并在考虑了抽水蓄能机组约束条件和电力系统约束条件下进行求解，从而得到多抽水蓄能电厂的合理的均衡调度结果，通过算例对该调度策略进行仿真分析，验证了其合理性。

进一步的，相对于针对单一抽水蓄能机组或抽水蓄能电厂的评价指标，本发明提出了针对多个抽水蓄能电厂的综合评价指标，不仅可以用于对调度的结果进行约束以及在调度策略中指导均衡利用，而且可以用于在电网中存在多个抽水蓄能电厂时对抽水蓄能资源的利用情况作出评价。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。所描述的实施例仅用于解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。

(一)多抽水蓄能电厂的综合评价指标及均衡调度策略

步骤1、确定多抽水蓄能电厂的综合评价指标

为了对抽水蓄能电厂的利用情况进行量化合理的评估，特别是在多个抽水蓄能电厂利用均衡性这一点上反映电厂间利用程度的差别，对于多抽水蓄能电厂所提出的综合评价指标主要包括以下3类：机组性能指标、利用率统计指标和利用合理程度指标。其中，所述的利用率统计指标的统计时间段均是指从初始时刻开始的一个统计周期(例如，一年)。

1)机组性能指标：

抽水蓄能机组作为电力系统中重要的调峰调频电源，一旦出现问题，比如机组启动失败导致抽水蓄能的出力没有及时跟上调度的安排而使电力平衡出现较大波动，会给电力系统的安全性带来威胁，同时，改用其他方式弥补又会带来经济上的损失，因此机组性能指标应当作为抽水蓄能电厂的首要的前提指标。本发明考虑的机组性能指标主要包括机组启停成功率及机组可用率，该类指标并不影响本发明中所描述的均衡调度策略的具体实施，但抽水蓄能机组性能的好坏作为机组参与运行调度的前提发挥着基础性作用。

机组启停成功率：

机组启停成功率反映的是抽水蓄能机组及时、可靠响应调度任务的能力，按照电力系统调度的需要可以随时开停机，并且开停机操作要在一定时间内完成；其计算方法为：

式中：SSSR为机组启停成功率，N_SSS为机组启停成功次数，N_SSF为机组启停失败次数，这里的启停成功率是发电状态启停和抽水状态启停总的启停成功率。

机组可用率：

机组可用率反映的是抽水蓄能机组在一个统计周期中处于可用状态(非检修状态)的时间比例，可用率越高，抽水蓄能机组提供备用的能力越好；其计算方法为：

式中：AR为机组可用率，T_HOA为机组处于可用状态的小时数，T_HOM为机组处于维护状态的小时数。

2)利用率统计指标：

为了从统计数据中粗略的判断出多个抽水蓄能电厂之间利用程度的差别(在调度前比较利用的均衡性好坏，以及在调度后判断调度的结果是否合理)，本发明考虑的利用率统计指标主要包括机组总发电量\抽水电量、利用小时数和机组启停次数。

机组总发电量\抽水电量：

主要统计从初始时刻到调度前时刻为止，抽水蓄能机组的总上网电量或者抽水消耗的总电量。可以对比多个抽水蓄能电厂的发电或抽水电量在统计时段内的电量分配情况大致判断哪些电厂利用过度，哪些电厂利用不足。

利用小时数：

不同容量的抽水蓄能机组，均衡利用时发电量可能不同，但利用小时数要求一致；其计算方法为(以发电利用小时数为例，抽水利用小时数类似)：

式中：N_HU为机组利用小时数，C_G为机组总发电量(抽水状态时C_G应替换为机组总抽水电量)，C_I为机组装机容量。

机组启停次数：

主要统计从初始时刻到调度前时刻，抽水蓄能机组的发电或抽水状态启停次数。该指标类似电量指标，或者说机组启停次数与机组的总发电量\抽水电量是呈正相关的。

3)利用合理程度指标：

在实现机组间均衡调度的过程中，机组的利用率统计指标仅仅是作为一个数据参考，为了对调度的结果进行约束以及在调度策略中指导均衡利用，提出了以下两个实用指标，即本发明考虑的利用合理程度指标主要包括机组单次开机发电量\抽水电量和利用均衡性：

机组单次开机发电量\抽水电量：

抽水蓄能机组开机之后能够持续运行的时间越长越好，这样每次开机发电量多，完成一定电量任务时需要开机的次数就少，启停成本少，经济环保；其计算方法为(以发电为例)：

式中：SPG为单次开机发电量，N_GSSS为发电状态启动成功次数。

对于抽水状态，SPG应替换为单次开机抽水电量，C_G应替换为机组总抽水电量，N_GSSS应替换为抽水状态启动成功次数。每次开机抽水电量多，则消耗一定电量时需要开机的次数少，启停成本少。

利用均衡性：

按照均衡利用、公平调度的思想，当各抽水蓄能机组的利用小时数相同时即为均衡，将参与调度的抽水蓄能电厂中所有抽水蓄能机组的总发电量按照装机容量比例分配给各机组即可实现这一点，如果各抽水蓄能机组的实际发电量与按此分配的发电量出现差别，则均衡性下降，按照这种思想所提出的利用均衡性指标的计算方法为：

式中：DOEQ为偏差电量，N_Kunits为抽水蓄能机组总台数，

为抽水蓄能机组k(即机组k)实际总发电量，

为抽水蓄能机组k按装机容量比例分配到的发电量。由于该指标衡量的是机组利用的均衡性，无需区分是抽水还是发电状态，对于抽水状态的对应电量是按照抽水与发电的能量利用效率加和到发电状态的电量当中的，例如：某次调度机组中机组k抽水消耗电量m，则本次调度结束后

应增加0.8m(0.8为能量利用效率)。

步骤2、建立多抽水蓄能电厂均衡调度模型

步骤2.1、建立以所有抽水蓄能机组实际电量和目标电量的偏差最小、启停成本最小为目标的2个优化目标；

根据上述指标中的均衡性思想，以各抽水蓄能机组实际发电量与目标发电量偏差最小为优化目标，同时，为了使每次调度时的开停机台数最少，考虑一定的经济性，以启停成本最小为优化目标，总体目标函数如下：

式中：N_Kunits为抽水蓄能机组总台数，

为当前调度时刻之前抽水蓄能机组k的总发电量，

为当前调度时刻抽水蓄能机组k修改后的出力，Δt为调度时间尺度(即两个调度时刻的时间间隔)，

为当前调度时刻抽水蓄能机组k按装机容量比例分配到的发电量，K为归一化系数，

分别为抽水蓄能机组k发电状态开机变量、发电状态停机变量(为0-1变量；当抽水蓄能机组k上一调度时刻为发电停机，而当前调度时刻为发电开机时，

若当前调度时刻仍未开机，则

当抽水蓄能机组k上一调度时刻为发电开机，而当前调度时刻为发电停机时，

若当前调度时刻仍未停机，则

)，

为上一调度时刻抽水蓄能机组k按装机容量比例分配到的发电量。

上述目标函数只是考虑抽水蓄能机组在发电状态的形式，抽水状态下类似，需把相关的发电量换成抽水电量，具体如下：

式中：

为当前调度时刻之前抽水蓄能机组k的总抽水电量，

为当前调度时刻抽水蓄能机组k修改后的出力，

为当前调度时刻抽水蓄能机组k按装机容量比例分配到的抽水电量，

分别为抽水蓄能机组k抽水状态开机变量、抽水状态停机变量(为0-1变量；当抽水蓄能机组k上一调度时刻为抽水停机，而当前调度时刻为抽水开机时，

若当前调度时刻仍未开机，则

当抽水蓄能机组k上一调度时刻为抽水开机，而当前调度时刻为抽水停机时，

若当前调度时刻仍未停机，则

)

为上一调度时刻抽水蓄能机组k按装机容量比例分配到的抽水电量。

步骤2.2、确定多抽水蓄能电厂均衡调度模型中要考虑的约束条件；

本发明所涉及的调度为实时调度问题，与日前计划确定一整天的运行方式不同，实时调度的工作任务为针对单一时刻或时间段负荷波动的情况做出反应，修改机组出力。抽水蓄能机组非常适合承担该任务，当只调用抽水蓄能资源时，电力系统中火电机组、核电机组以及与外省的联络线的功率均维持原出力不变，约束条件中考虑了抽水蓄能机组约束以及电力系统约束。

1)抽水蓄能机组约束包括机组有功功率约束、机组运行状态约束和水库水量约束；

机组有功功率约束包括：①机组抽水\发电状态的机组出力限制、②水量与功率的转换关系、③每种状态(抽水\发电状态)能提供的备用；以及④调度时针对不同情况机组出力变化方向的限制。

抽水状态下的机组有功功率约束具体如下：

①

②

③

④

(抽水状态负荷增加)或

(抽水状态负荷降低)

式中：

为机组k的抽水功率，

为机组k的抽水功率点(只能满出力抽水)，

为机组k的抽水状态变量，

为机组k的抽水水量，DownFactor_k为机组k抽水功率水量系数，

为机组k抽水状态提供的备用，

为机组k调度时刻的抽水功率。

发电状态下的机组有功功率约束具体如下：

①

②

③

④

(发电状态负荷增加)或

(发电状态负荷降低)

式中：

为当前调度时刻机组k的发电功率，

为当前调度时刻机组k的发电状态变量，

和

为机组k的发电出力下限和上限，

为机组k的发电水量消耗，UpFactor_k为机组k的发电功率水量系数，

为机组k发电状态提供的备用，

机组k调度时刻的发电出力。

机组运行状态约束包括抽水蓄能机组的开停机变量

与状态变量的关系：

机组运行状态约束还包括机组统一抽水或统一发电限制：

如果

则

式中：

为前一调度时刻机组k的抽水状态变量，

为抽水状态开机变量，

为抽水状态停机变量，

为前一调度时刻机组k的发电状态变量，

为发电状态开机变量，

为发电状态停机变量。

水库水量约束：水库的水量变化取决于调度时刻的抽水水量或发电用水量，而且要求上水库的水量不能超过上下限值。

式中：V_i ^up为抽水蓄能电厂i在调度结束后的上水库水量，V_i ^up,before为抽水蓄能电厂i在前一调度时刻的上水库水量，

为水量变化，它是通过将抽水蓄能电厂i的所有机组水量变化求和得到的，

和

为抽水蓄能电厂i的上水库水量下限和上限。

2)电力系统约束包括线路潮流约束、备用约束和电力平衡约束。

线路潮流约束是指电力系统中线路流过的功率不能超过线路容量限制，具体为：

式中：H为电力系统的直流潮流灵敏度矩阵，

为电力系统的所有节点的净注入功率，

和

为线路潮流下限值和上限值。

备用约束是指电力系统中所有机组所提供的旋转备用要求大于负荷的一定百分比，而且大于系统中最大一台发电机组的容量，具体为：

式中：P_i为系统中提供备用的机组i(一般为火电机组、燃气机组，一般不包括其他未参与调度的抽水蓄能电厂的机组)的出力，I为系统中提供备用的机组的总数，P_i ^max为系统中提供备用的机组i的最大出力，P_r为系统的备用要求，max(Gen)为系统中出力最大的一台机组的容量。

由于在日前计划时电力平衡约束是满足的，因此这里电力平衡约束是指抽水蓄能出力的变化需要跟踪负荷变化量，具体为：

式中：

为抽水蓄能机组k出力的变化量，ΔP_d为系统负荷变化量。

步骤3、优化结果的获得

模型建立后，采用商业软件(例如Matlab、Gurobi等)进行求解，求解的变量包括

和

即得到实时调度方案。

(二)仿真算例

下面以含多抽水蓄能电厂的某一地区系统为例，来验证所提利用均衡性指标与调度策略的合理性。该地区内主要的抽水蓄能电厂有三个，共20台机组，各电厂按A、B、C标号，A厂有8台容量300MW的机组，B厂有8台容量300MW的机组，C厂有4台容量320MW的机组，按顺序进行编号。

假设在某一调度时刻，系统的日前预测负荷值为73890MW，而此刻的实时负荷为7490MW，即出现了正700MW的负荷偏差，将这700MW偏差全部交给抽水蓄能来平衡，各抽水蓄能机组的计划出力值以及年内的历史发电量数据均假设如下：

表1.抽水蓄能机组运行模拟数据

注：具体数据仅为假设，并不是该地区抽水蓄能机组运行的真实数据。

数据中各抽水蓄能电厂的均衡电量分别为：前16台机组146000MWh，后4台机组155733MWh，

为了比较目标函数中考虑经济性带来的结果的不同，算例计算了两种：考虑启停成本和不考虑启停成本(不考虑启停成本的情况下模型的变化在于，将目标函数中关于机组启停的部分

或

去掉)。表2展示了不考虑开停机成本(启停成本)时的优化结果：

表2.不考虑开停机成本均衡调度优化结果

从优化结果中看出，分配到出力的机组均出自之前利用不充分的机组，分配的结果是向均衡利用的方向发展的。计算电量偏差(DOEQ)，调度前为2459MWh，调度后为2428.1MWh，偏差减小，均衡性得到改善。但不考虑经济性的问题也十分明显，表2所示结果中的4、8、11、12号机组以60MW的低效率开机运行，开机成本为5台机的成本。

作为对比，表3为考虑开停机成本时的优化结果：

表3.考虑开停机成本均衡调度优化结果

表3所示优化结果与表2所示结果的不同在于，原分配到4、8、11、12号机组的出力全部分配到了7号机组一台机上，电量偏差(DOEQ)为2431.2MWh，均衡性改善程度没有表2所示结果好，但新开机组只有2台，相较于不考虑机组启停成本的情况下，放弃了少量均衡性，但保证了调度结果的经济性。

因此，本发明提出的调度方案相较于传统的凭经验调度的方法就抽水蓄能资源利用的均衡性来说具有合理性。

总之，本发明针对多抽水蓄能电厂调度的工程问题，提出了多抽水蓄能电厂综合评价指标，指标中给出了评价多抽水蓄能电厂调度均衡性的方法，即通过电量偏差衡量均衡性；基于该方法，提出了多抽水蓄能电厂均衡调度策略，目标函数考虑了各电厂的实际电量与均衡电量偏差最小以及保证调度的经济性。最后通过算例证明该方法对于解决实际调度问题具有合理性，该策略可以作为实际调度的一种指导方案，确定抽水蓄能机组的调度序列，供调度参考。