CN112491091B - 一种大规模区域电网日前安全约束机组组合快速求解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模区域电网日前安全约束机组组合快速求解方法，针对国内大规模区域电网日前安全约束机组组合优化求解效率提升需求，本发明提供一种大规模区域电网日前安全约束机组组合快速求解方法，在大规模区域电网日前安全约束机组组合优化求解前，采用本方法预先判断系统内次日必开、必停机组集合，以及预先判断系统内次日存在、不存在潮流越限隐患的稳定断面，从而大幅度缩减日前安全约束机组组合优化中待确定的机组组合状态整数变量规模和需要考虑的电网稳定断面安全约束数量；提高大规模区域电网日前安全约束机组组合优化求解计算效率，使大规模区域电网日前安全约束机组组合优化算法达到实际应用水平。

Description

一种大规模区域电网日前安全约束机组组合快速求解方法

技术领域

本发明涉及一种大规模区域电网日前安全约束机组组合快速求解方法，属于电力系统调度自动化技术领域。

背景技术

随着国内风电、光伏等新能源快速发展，电网新能源并网的快速扩大，部分电网受本地新能源装机容量、电源结构、负荷水平等因素，存在新能源消纳困难。长远来看，解决新能源消纳困难问题，主要是通过加强电网规划，解决于电网结构薄弱，以及电源布局不合理，无法满足高渗透率新能源发电接入后的电网频率电压和供电可靠性要求的问题。但从短期角度，通过大范围电网资源统筹优化，对促进新能源接纳也有非常明显的影响，当前，通过大规模区域电网常规能源与间歇式能源发电协调优化，挖掘电网潜力，提升风电、光伏等新能源发电接纳能力已经成为提升新能源消纳能力的主要手段之一。

大规模区域电网常规能源与间歇式能源发电协调优化，主要通过大规模区域电网内常规机组与新能源机组启停和出力计划的联合优化，合理安排常规机组启停，在保障电网安全前提下提升电网消纳新能源能力。在技术上，大规模区域电网内常规机组与新能源机组启停和出力计划的联合优化，主要是建立安全约束机组组合(SCUC)模型，采用混合整数线性规划(MIP)方法进行求解。大规模区域电网的安全约束机组组合模型，因机组数量大(国内区域电网一般包含4-6个省级电网，常规水火电机组超过1000台)，包含了大量的机组组合状态整数变量；并且大规模区域电网运行需要考虑的稳定断面数量庞大(一般省级电网稳定断面数量就可达到近500个)，需要考虑各个时段稳定断面潮流约束，采用混合整数线性规划方法求解时，存在求解时间长、收敛速度慢的问题，特别是对日前机组组合优化，难以在较短的时间(日前机组组合优化一般要求30分钟完成)求解出合理的机组组合计划，影响了安全约束机组组合技术在大规模区域电网日前调度计划中的应用。因此，提供大规模区域电网安全约束机组组合优化求解计算效率，是解决区域电网常规能源与新能源协调优化调度、提升大范围资源优化配置、促进新能源消纳能力提升的关键。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的针对国内大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型直接求解耗时过长难以实际应用的问题，针对国内大规模区域电网日前安全约束机组组合优化求解效率提升需求，本发明提供一种大规模区域电网日前安全约束机组组合快速求解方法，在大规模区域电网日前安全约束机组组合优化求解前，采用本方法预先判断系统内次日必开、必停机组集合，以及预先判断系统内次日存在、不存在潮流越限隐患的稳定断面，从而大幅度缩减日前安全约束机组组合优化中待确定的机组组合状态整数变量规模和需要考虑的电网稳定断面安全约束数量；提高大规模区域电网日前安全约束机组组合优化求解计算效率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种大规模区域电网日前安全约束机组组合快速求解方法，包括如下步骤：

步骤1：将大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型中的0/1整数变量y_i,t、z_i,t及u_i,t，松弛为[0,1]之间的连续变量，得到松弛后的大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型，采用线性规划方法对松弛后的大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型进行求解，得到全部机组各计划时段最优计划出力P_i,t；

步骤2：基于松弛后的大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型的求解结果P_i,t，将各机组对应运行状态的0/1整数变量u_i,t分为取1整数变量集合R、取0整数变量集合D、待组合有效优化空间集合S三类；

步骤3：基于松弛后大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型的求解结果P_i,t，计算大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型的所有稳定断面nfg各时段潮流P_nfg,t，再根据判断准则，将稳定断面nfg分为两类，一类是考虑的稳定断面nfg，另一类是不考虑的稳定断面nfg。

步骤4：将大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型中0/1整数变量u_i,t属于取1整数变量集合R的变量修改为参数，参数值设置为1；0/1整数变量u_i,t属于取0整数变量集合D的变量修改为参数，参数值设置为0；将模型中的属于不考虑的稳定断面nfg及其稳定断面潮流安全约束从模型中删除；得到修改后的大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型；

步骤5：对修改后的大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型，采用混合整数线性规范算法求解，得到各发电机组各时段的组合状态u_i,t及最优计划出力P′_i,t。

作为优选方案，所述大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型，包括目标函数、约束条件；

所述目标函数为以总购电成本最小为优化目标，公式如下：

其中：N表示发电机组的总台数；T表示所考虑的计划时段总数，i表示发电机组，t为一个计划时段；P_i,t表示发电机组i在t时段的计划出力；C_i,t(P_i,t)、

分别为机组i在时段t的运行费用、启动费用；将发电机组i划分为以下整数变量，0/1整数变量y_i,t表示发电机组i在t时段由停机状态变为开机状态，其中0代表没有由停机状态变为开机状态，1代表由停机状态变为开机状态；0/1整数变量z_i,t表示发电机组i在t时段由开机状态变为停机状态，其中0代表没有由开机状态变为停机状态，1代表由开机状态变为停机状态；0/1整数变量u_i,t表示发电机组i在t时段是否运行，0表示发电机组i在t时段停机，1表示发电机组i在t时段运行；

所述约束条件包括：

1)机组出力上下限约束：

P_i,minu_i,t≤P_i,t≤P_i,maxu_i,t (1)

式中，P_i,min与P_i,max分别为发电机组i的出力下限与出力上限，u_i,t为0/1整数变量；

2)机组开停机时间约束：

y_i,t-z_i,t＝u_i,t-u_i,t-1 (4)

式中：τ为时段，MU_i与MD_i分别为机组i最小开机运行时段数、最小停机时段数；u_i,0表示机组i的初始状态；TU_i,0与TD_i,0分别为机组i在初始时刻已经开机和停机时段数，UT_i与DT_i分别为机组i为满足最小运行时间或停运时间而必须继续运行或停运的时段数；

3)机组爬坡约束：

P_i,t-P_i,t-1≤RU_i(1-y_i,t)+P_i,maxy_i,t (7)

P_i,t-1-P_i,t≤RD_i(1-z_i,t)+P_i,maxz_i,t (8)

式中：P_i,t-1是发电机组i在t-1时段计划出力，RU_i与RD_i分别为发电机组i的爬坡率和滑坡率；

4)负荷平衡约束

式中：N_d系统外部联络线总个数；P_d,t为联络线d在时段t的有功出力，L_t为电网在时段t的系统负荷；

5)稳定断面潮流安全约束：

机组出力需要满足电网输电断面功率要求：

式中：L_nfg,t表示稳定断面nfg在t时段潮流上限；j为负荷节点；l_j,t为节点负荷功率；S_i,nfg,t为机组i的注入功率对稳定断面nfg的灵敏度；S_j,nfg,t为负荷节点j功率对稳定断面nfg的灵敏度。

作为优选方案，所述取1整数变量集合R：即必开机组对应的整数变量u_i,t，其判断准则为机组i各个时段t的出力均不小于该机组该时段的最小技术出力，即：

则机组i为必开机组，其对应整数变量u_i,t∈R；P_i,min为机组最小技术出力；

所述取0整数变量集合D：即必停机组对应的整数变量u_i,t，其判断准则为机组i各个时段t的出力均小于该机组该时段的出力下限的δ倍，即：

则机组i为必停机组，其对应整数变量u_i,t∈D；

所述待组合有效优化空间集合S：即边际启停机组对应的整数变量u_i,t，其判断准则为机组i至少存在一个时段t1的出力不小于δP_i,min，并且存在一个时段t2出力小于机组出力下限，即：

此时该机组对应变量u_i,t∈S。

作为优选方案，所述考虑的稳定断面nfg为日前机组组合潮流可能越限的稳定断面集合M，判断准则是断面nfg至少存在一个时段t1的潮流不小于αL_nfg,t1或至少存在一个时段t2的潮流不大于-αL_nfg,t2，即：

则对应的稳定断面nfg∈M，α取小于1的数；

所述不考虑的稳定断面nfg为日前机组组合潮流不可能越限的稳定断面集合N；判断准则是断面nfg任何一个时段t的潮流都小于αL_nfg,t并且都大于-αL_nfg,t，则该稳定断面不存在越限的可能，即：

作为优选方案，所述T为96个计划时段，每个时段间隔15分钟。

作为优选方案，所述取0整数变量集合的判断准则中δ＝0.3。

作为优选方案，所述考虑的稳定断面nfg的判断准则中α＝0.7。

有益效果：本发明提供的一种大规模区域电网日前安全约束机组组合快速求解方法，采用将混合整数优化模型松弛为线性规划模型预求解，预先判断系统内次日必开、必停机组集合，以及预先判断系统内次日存在、不存在潮流越限可能的稳定断面，从而大幅度缩减日前安全约束机组组合优化中待确定的机组组合状态整数变量规模和需要考虑的电网稳定断面安全约束数量；提高大规模区域电网日前安全约束机组组合优化求解计算效率，使大规模区域电网日前安全约束机组组合优化算法达到实际应用水平。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种大规模区域电网日前安全约束机组组合快速求解方法，包括如下步骤：

1)建立大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型，包括目标函数、约束条件。

所述目标函数为以总购电成本最小为优化目标，公式如下：

其中：N表示发电机组的总台数；T表示所考虑的计划时段总数，日前计划全天分为96个计划时段，每个时段间隔15分钟；i表示发电机组，t为一个计划时段；P_i,t表示发电机组i在t时段的计划出力；C_i,t(P_i,t)、

分别为机组i在时段t的运行费用、启动费用。将发电机组i划分为以下整数变量，0/1整数变量y_i,t表示发电机组i在t时段由停机状态变为开机状态，其中0代表没有由停机状态变为开机状态，1代表由停机状态变为开机状态；0/1整数变量z_i,t表示发电机组i在t时段由开机状态变为停机状态，其中0代表没有由开机状态变为停机状态，1代表由开机状态变为停机状态；0/1整数变量u_i,t表示发电机组i在t时段是否运行，0表示发电机组i在t时段停机，1表示发电机组i在t时段运行；

所述约束条件包括：

1)机组出力上下限约束：

P_i,minu_i,t≤P_i,t≤P_i,maxu_i,t (1)

式中，P_i,min与P_i,max分别为发电机组i的出力下限与出力上限，u_i,t为0/1整数变量。

2)机组开停机时间约束：

y_i,t-z_i,t＝u_i,t-u_i,t-1 (4)

式中：τ为时段，MU_i与MD_i分别为机组i最小开机运行时段数、最小停机时段数；u_i,0表示机组i的初始状态；TU_i,0与TD_i,0分别为机组i在初始时刻已经开机和停机时段数，UT_i与DT_i分别为机组i为满足最小运行时间或停运时间而必须继续运行或停运的时段数。

3)机组爬坡约束：

P_i,t-P_i,t-1≤RU_i(1-y_i,t)+P_i,maxy_i,t (7)

P_i,t-1-P_i,t≤RD_i(1-z_i,t)+P_i,maxz_i,t (8)

式中：P_i,t-1是发电机组i在t-1时段计划出力，RU_i与RD_i分别为发电机组i的爬坡率和滑坡率。

4)负荷平衡约束

式中：N_d系统外部联络线总个数；P_d,t为联络线d在时段t的有功出力，L_t为电网在时段t的系统负荷。

5)稳定断面潮流安全约束：

机组出力需要满足电网输电断面功率要求：

式中：L_nfg,t表示稳定断面nfg在t时段潮流上限；j为负荷节点；l_j,t为节点负荷功率；S_i,nfg,t为机组i的注入功率对稳定断面nfg的灵敏度；S_j,nfg,t为负荷节点j功率对稳定断面nfg的灵敏度。

2)将大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型中的0/1整数变量y_i,t、z_i,t及u_i,t，松弛为[0,1]之间的连续变量；对松弛后的大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型，采用线性规划方法(LP)求解满足优化目标和约束条件的全部机组各计划时段最优计划出力P_i,t，P_i,t表示求解得到的机组i在t时段的计划出力；

3)基于松弛后的大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型的求解结果P_i,t，可利用如下分类判断方法，将各机组对应运行状态的整数变量u_i,t分为三类：

(1)取1整数变量集合R：即必开机组对应的整数变量u_i,t，其判断准则为机组i各个时段t的出力均不小于该机组该时段的最小技术出力，即：

则机组i为必开机组，其对应整数变量u_i,t∈R；P_i,min为机组最小技术出力；

(2)取0整数变量集合D：即必停机组对应的整数变量u_i,t，其判断准则为机组i各个时段t的出力均小于该机组该时段的出力下限的δ倍，即：

则机组i为必停机组，其对应整数变量u_i,t∈D。为保证得到全集，通常将δ取的较小，如选δ＝0.3；

(3)待组合有效优化空间集合S：即边际启停机组对应的整数变量u_i,t，其判断准则为机组i至少存在一个时段t1的出力不小于δP_i,min，并且存在一个时段t2出力小于机组出力下限，即：

此时该机组对应变量u_i,t∈S。

4)基于松弛后大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型的求解结果P_i,t计算大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型的所有稳定断面nfg各时段潮流P_nfg,t，再根据判断准则，将稳定断面nfg分为两类，一类是考虑的稳定断面nfg，另一类是不考虑的稳定断面nfg。

(1)日前机组组合潮流可能越限的稳定断面集合M，定义为考虑的稳定断面nfg；判断准则是断面nfg至少存在一个时段t1的潮流不小于αL_nfg,t1或至少存在一个时段t2的潮流不大于-αL_nfg,t2，即：

则对应的稳定断面nfg∈M，α应当取小于1的数，如选α＝0.7；

(2)日前机组组合潮流不可能越限的稳定断面集合N，定义为不考虑的稳定断面nfg；判断准则是断面nfg任何一个时段t的潮流都小于αL_nfg,t并且都大于-αL_nfg,t，则该稳定断面不存在越限的可能，即：

5)根据上述判断结果，修改1)建立的大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型，将模型优化变量u_i,t属于取1整数变量集合R的变量修改为参数，参数值设置为1；优化变量u_i,t属于取0整数变量集合D的变量修改为参数，参数值设置为0；将模型中的属于日前机组组合潮流不可能越限的稳定断面集合N的稳定断面nfg及其稳定断面潮流安全约束从模型中删除；

6)对修改后的大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型，采用混合整数线性规范(MIP)算法求解；得到各发电机组各时段的组合状态u_i,t及最优计划出力P′_i,t。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种大规模区域电网日前安全约束机组组合快速求解方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：将大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型中的0/1整数变量y_i,t、z_i,t及u_i,t，松弛为[0,1]之间的连续变量，得到松弛后的大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型，采用线性规划方法对松弛后的大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型进行求解，得到全部机组各计划时段最优计划出力P_i,t；

步骤2：基于松弛后的大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型的求解结果P_i,t，将各机组对应运行状态的0/1整数变量u_i,t分为取1整数变量集合R、取0整数变量集合D、待组合有效优化空间集合S三类；

步骤3：基于松弛后大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型的求解结果P_i,t，计算大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型的所有稳定断面nfg各时段潮流P_nfg,t，再根据判断准则，将稳定断面nfg分为两类，一类是考虑的稳定断面nfg，另一类是不考虑的稳定断面nfg；

步骤4：将大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型中0/1整数变量u_i,t属于取1整数变量集合R的变量修改为参数，参数值设置为1；0/1整数变量u_i,t属于取0整数变量集合D的变量修改为参数，参数值设置为0；将模型中的属于不考虑的稳定断面nfg及其稳定断面潮流安全约束从模型中删除；得到修改后的大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型；

步骤5：对修改后的大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型，采用混合整数线性规范算法求解，得到各发电机组各时段的组合状态u_i,t及最优计划出力P′_i,t。

2.根据权利要求1所述的一种大规模区域电网日前安全约束机组组合快速求解方法，其特征在于：所述大规模区域电网日前安全约束机组组合优化模型，包括目标函数、约束条件；

所述目标函数为以总购电成本最小为优化目标，公式如下：

其中：N表示发电机组的总台数；T表示所考虑的计划时段总数，i表示发电机组，t为一个计划时段；P_i,t表示发电机组i在t时段的计划出力；C_i,t(P_i,t)、

分别为机组i在时段t的运行费用、启动费用；将发电机组i划分为以下整数变量，0/1整数变量y_i,t表示发电机组i在t时段由停机状态变为开机状态，其中0代表没有由停机状态变为开机状态，1代表由停机状态变为开机状态；0/1整数变量z_i,t表示发电机组i在t时段由开机状态变为停机状态，其中0代表没有由开机状态变为停机状态，1代表由开机状态变为停机状态；0/1整数变量u_i,t表示发电机组i在t时段是否运行，0表示发电机组i在t时段停机，1表示发电机组i在t时段运行；

所述约束条件包括：

1)机组出力上下限约束：

P_i,minu_i,t≤P_i,t≤P_i,maxu_i,t (1)

式中，P_i,min与P_i,max分别为发电机组i的出力下限与出力上限，u_i,t为0/1整数变量；

2)机组开停机时间约束：

y_i,t-z_i,t＝u_i,t-u_i,t-1 (4)

式中：τ为时段，MU_i与MD_i分别为机组i最小开机运行时段数、最小停机时段数；u_i,0表示机组i的初始状态；TU_i,0与TD_i,0分别为机组i在初始时刻已经开机和停机时段数，UT_i与DT_i分别为机组i为满足最小运行时间或停运时间而必须继续运行或停运的时段数；

3)机组爬坡约束：

P_i,t-P_i,t-1≤RU_i(1-y_i,t)+P_i,maxy_i,t (7)

P_i,t-1-P_i,t≤RD_i(1-z_i,t)+P_i,maxz_i,t (8)

式中：P_i,t-1是发电机组i在t-1时段计划出力，RU_i与RD_i分别为发电机组i的爬坡率和滑坡率；

4)负荷平衡约束

式中：N_d系统外部联络线总个数；P_d,t为联络线d在时段t的有功出力，L_t为电网在时段t的系统负荷；

5)稳定断面潮流安全约束：

机组出力需要满足电网输电断面功率要求：

式中：L_nfg,t表示稳定断面nfg在t时段潮流上限；j为负荷节点；l_j,t为节点负荷功率；S_i,nfg,t为机组i的注入功率对稳定断面nfg的灵敏度；S_j,nfg,t为负荷节点j功率对稳定断面nfg的灵敏度。

3.根据权利要求1所述的一种大规模区域电网日前安全约束机组组合快速求解方法，其特征在于：所述取1整数变量集合R：即必开机组对应的整数变量u_i,t，其判断准则为机组i各个时段t的出力均不小于该机组该时段的最小技术出力，即：

则机组i为必开机组，其对应整数变量u_i,t∈R；P_i,min为机组最小技术出力；

所述取0整数变量集合D：即必停机组对应的整数变量u_i,t，其判断准则为机组i各个时段t的出力均小于该机组该时段的出力下限的δ倍，即：

则机组i为必停机组，其对应整数变量u_i,t∈D；

所述待组合有效优化空间集合S：即边际启停机组对应的整数变量u_i,t，其判断准则为机组i至少存在一个时段t1的出力不小于δP_i,min，并且存在一个时段t2出力小于机组出力下限，即：

此时该机组对应变量u_i,t∈S。

4.根据权利要求1所述的一种大规模区域电网日前安全约束机组组合快速求解方法，其特征在于：所述考虑的稳定断面nfg为日前机组组合潮流可能越限的稳定断面集合M，判断准则是断面nfg至少存在一个时段t1的潮流不小于αL_nfg,t1或至少存在一个时段t2的潮流不大于-αL_nfg,t2，即：

则对应的稳定断面nfg∈M，α取小于1的数；

所述不考虑的稳定断面nfg为日前机组组合潮流不可能越限的稳定断面集合N；判断准则是断面nfg任何一个时段t的潮流都小于αL_nfg,t并且都大于-αL_nfg,t，则该稳定断面不存在越限的可能，即：

5.根据权利要求2所述的一种大规模区域电网日前安全约束机组组合快速求解方法，其特征在于：所述T为96个计划时段，每个时段间隔15分钟。

6.根据权利要求3所述的一种大规模区域电网日前安全约束机组组合快速求解方法，其特征在于：所述取0整数变量集合的判断准则中δ＝0.3。

7.根据权利要求4所述的一种大规模区域电网日前安全约束机组组合快速求解方法，其特征在于：所述考虑的稳定断面nfg的判断准则中α＝0.7。

Images