CN114899869A - 一种协同多类调频资源的电力系统调度方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种协同多类调频资源的电力系统调度方法及装置，属于电力系统运行控制领域。所述方法包括：构建电力系统调度模型的目标函数，所述目标函数使得火电机组费用、新能源场站调频备用费用和储能装置的运行成本之和最小化；构建所述电力系统调度模型的约束条件，所述约束条件包括频率安全约束，所述频率安全约束用于保证所述电力系统在设定功率扰动下的频率动态安全；求解所述电力系统模型，得到所述火电机组、所述新能源场站和所述储能装置的调度计划。本发明在保证电力系统频率动态安全的同时实现多类调频资源的协调配合，通过计算给出火电机组启停和储能装置充放电计划，保证电力系统的安全经济运行。
Description
技术领域
本发明属于电力系统的运行控制技术领域，具体涉及一种协同多类调频资源的电力系统调度方法及装置。
背景技术
新能源机组并网导致电力系统的惯量逐渐降低，系统的一次调频备用不足。在N-1工况或者功率波动影响下，电力系统的频率会快速跌落直至超出阈值，威胁电力系统的安全运行。为了保证电力系统的频率动态安全，需要充分挖掘利用全网的一次调频资源，实现源-荷-储多类资源的协调配合，提高系统运行的安全与经济水平。传统的电力系统调度模型没有考虑电力系统在特殊工况下的频率安全性，因此需要对原有模型进行改进，加入频率安全约束，保证电力系统在特殊工况下的频率动态安全；同时，由于电力系统调频资源种类繁多且特性各异，需要在调度模型中考虑各类调频资源的协调配合，否则，冗余的调频资源将会造成资源浪费，而调频资源不足则会威胁电力系统的安全运行。
发明内容
本发明的目的是为填补已有技术的空白之处，提出一种协同多类调频资源的电力系统调度方法及装置。本发明针对高比例新能源电力系统的调度控制，在保证电力系统频率动态安全的同时实现多类调频资源的协调配合，计算结果得到火电机组启停和储能装置充放电计划，指导调度员进行调度决策。
本发明第一方面实施例提出一种协同多类调频资源的电力系统调度方法，包括：
构建电力系统调度模型的目标函数，所述目标函数使得火电机组费用、新能源场站调频备用费用和储能装置的运行成本之和最小化；
构建所述电力系统调度模型的约束条件，所述约束条件包括频率安全约束，所述频率安全约束用于保证所述电力系统在设定功率扰动下的频率动态安全；
求解所述电力系统模型，得到所述火电机组、所述新能源场站和所述储能装置的调度计划。
在本发明的一个具体实施例中，所述火电机组费用包括：所述火电机组启停费用、所述火电机组燃料费用和所述火电机组调频备用费用。
在本发明的一个具体实施例中，所述目标函数表达式如下：
式中，
为火电机组i在时刻t的启停费用；
为火电机组i在时刻t的燃料费用；
为火电机组i在时刻t的调频备用费用；
为新能源场站j在时刻t的调频备用费用；
为储能装置k在时刻t的运行成本；下标i,j,k分别代表火电机组、新能源场站和储能装置编号，上标t代表时刻，Ng,Nw,Ne分别为火电机组总数、新能源场站总数、储能装置总数，T表示调度时刻总数。
在本发明的一个具体实施例中，所述频率安全约束包括：
频率变化率约束：
式中，
表示在时刻t的聚合惯量，
表示火电机组i的最大输出功率，
表示新能源场站j的容量，
表示储能装置k允许的最大充电或放电功率，Hi表示火电机组i的惯量，Hj表示新能源场站j提供的虚拟惯量，
表示火电机组i在时刻t的启停变量，
表示火电机组i在时刻t关闭运行，
表示火电机组i在时刻t投入运行；f0表示基准频率，ΔP表示功率扰动量，
表示频率变化率阈值；
频率最低点约束；
ωut+b≥0
ω＝(ω1 ω2 ω3 … ωi …)
式中，ω为火电机组权重系数向量，ω的维数为火电机组总数，ωi表示与火电机组i对应的权重系数，b表示偏移系数；ut表示时刻t的火电机组启停向量；
准稳态频率约束；
式中，
表示时刻t的聚合下垂系数，Ri为火电机组i的下垂系数，Rj为新能源场站j的下垂系数，Rk为储能装置k的下垂系数，D为负荷的阻尼系数，
表示准稳态频率偏差阈值；
火电机组调频备用约束；
式中，
为火电机组i在时刻t的调频备用大小；
储能装置调频备用约束；
式中，
和
分别表示储能装置k在时刻t的充电功率和放电功率；
新能源场站调频备用约束；
在本发明的一个具体实施例中，所述方法还包括：
所述火电机组启停费用计算表达式如下：
式中，
分别为火电机组i在时刻t的启动费用和关闭费用；
为火电机组i在时刻t的启停变量，
表示火电机组i在时刻t关闭运行，
表示火电机组i在时刻t投入运行；sui、sdi分别为火电机组i的启动费用系数和关闭费用系数；
所述火电机组燃料费用计算表达式如下：
式中，ai、bi、ci分别为火电机组i燃料费用函数关于机组出力的二次项、一次项和常数项的系数；
为火电机组i在时刻t的出力大小；
火电机组调频备用费用计算表达式如下：
其中，rgci为火电机组i的调频备用费用系数，
为火电机组i在时刻t的调频备用大小；
所述新能源场站调频备用费用计算表达式如下：
式中，rwcj为新能源场站j的调频备用费用系数，
为新能源场站j在时刻t的调频备用大小；
所述储能装置的运行成本计算表达式如下：
式中，
和
分别表示储能装置k在时刻t的充电功率和放电功率；eck0为储能装置的固定费用系数，eck1为储能装置充电或放电所产生的运行成本系数。
在本发明的一个具体实施例中，所述电力系统调度模型的约束条件还包括：
功率平衡约束；
式中，
为火电机组i在时刻t的出力大小，
为新能源场站j在时刻t的计划输出功率，
为节点d在时刻t的预测负荷大小，Nd表示电力系统的总节点数；
火电机组功率约束；
式中，
为火电机组i在时刻t的调频备用大小，Rupi代表火电机组i的最大爬坡量；Rdowni代表火电机组i的最大滑坡量；
为火电机组i的最小输出功率；
新能源场站功率约束；
式中，
为新能源场站j在时刻t的预测输出功率；
火电机组最小启停时间约束；
式中，UTi和DTi分别代表火电机组i的最小启动时间和停止时间；
储能装置约束；
式中，
表示储能装置k在时刻t储存的能量大小，
和
分别表示储能装置k的充电功率系数、放电功率系数，
分别为储能装置k允许的最大、最小能量存储值，
为储能装置k允许的最大充电或放电功率；
和
均为0-1变量，分别表示储能装置k在时刻t的充电状态和放电状态；
线路容量约束；
式中，
为传输线路L所允许的最大功率容量；
分别为传输线路L对
和
的传输分配系数。
在本发明的一个具体实施例中，所述求解所述电力系统模型，得到所述火电机组、所述新能源场站和所述储能装置的调度计划，包括：
式中，Ω为求解所述调度模型得到的决策变量集合。
本发明第二方面实施例提出一种协同多类调频资源的电力系统调度方法，包括：
获取电力系统中火电机组、新能源场站和储能装置的运行参数；
将所述运行参数输入预设的电力系统调度模型，所述调度模型输出所述火电机组、所述新能源场站和所述储能装置的调度计划；所述调度模型的目标函数使得所述火电机组费用、所述新能源场站调频备用费用和所述储能装置的运行成本之和最小化；所述调度模型的约束条件包括频率安全约束，所述频率安全约束用于保证所述电力系统在设定功率扰动下的频率动态安全。
本发明第三方面实施例提出一种协同多类调频资源的电力系统调度装置，包括：
目标函数构建模块，用于构建电力系统调度模型的目标函数，所述目标函数使得火电机组费用、新能源场站调频备用费用和储能装置的运行成本之和最小化；
约束条件构建模块，用于构建所述电力系统调度模型的约束条件，所述约束条件包括频率安全约束，所述频率安全约束用于保证所述电力系统在设定功率扰动下的频率动态安全；
调度计划生成模块，用于求解所述电力系统模型，得到所述火电机组、所述新能源场站和所述储能装置的调度计划。
本发明第四方面实施例提出一种协同多类调频资源的电力系统调度装置，包括：
运行参数获取模块，用于获取电力系统中火电机组、新能源场站和储能装置的运行参数；
调度模型求解模块，用于将所述运行参数输入预设的电力系统调度模型，所述调度模型输出所述火电机组、所述新能源场站和所述储能装置的调度计划；所述调度模型的目标函数使得所述火电机组费用、所述新能源场站调频备用费用和所述储能装置的运行成本之和最小化；所述调度模型的约束条件包括频率安全约束，所述频率安全约束用于保证所述电力系统在设定功率扰动下的频率动态安全。
本发明第五方面实施例提出一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；
其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被设置为用于执行上述一种协同多类调频资源的电力系统调度方法。
本发明第六方面实施例提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述一种协同多类调频资源的电力系统调度方法。
本发明特点及有益效果在于：
(1)本发明所建调度模型的目标函数和约束条件中包括火电机组、新能源场站和储能设备等，实现了多类调频资源的协调配合，提高电力系统运行的经济性。
(2)本发明调度模型的约束条件新引入了频率变化率约束、频率最低点约束、准稳态频率约束和不同类型资源的调频备用约束，可以保证电力系统在一定功率波动下的频率动态安全。
(3)本发明在保证电力系统频率动态安全的同时实现多类调频资源的协调配合，可以通过调用商业求解器进行快速求解，给出火电机组启停和储能装置充放电计划，保证电力系统的安全经济运行。
附图说明
图1为本发明实施例的一种协同多类调频资源的电力系统调度方法的整体流程图。
具体实施方式
本发明实施例提出一种协同多类调频资源的电力系统调度方法及装置，下面结合附图及具体实施例进一步详细说明如下。
本发明第一方面实施例提出一种协同多类调频资源的电力系统调度方法，整体流程如图1所示，包括：
1)构建电力系统调度模型的目标函数，所述目标函数使得火电机组费用、新能源场站调频备用费用和储能装置的运行成本之和最小化；
2)构建所述电力系统调度模型的约束条件，所述约束条件包括频率安全约束，所述频率安全约束用于保证所述电力系统在设定功率扰动下的频率动态安全；
3)求解所述电力系统调度模型，得到所述火电机组、所述新能源场站和所述储能装置的调度计划。
在本发明的一个具体实施例中，所述火电机组费用包括：所述火电机组启停费用、所述火电机组燃料费用和所述火电机组调频备用费用。
1)在本发明的一个具体实施例中，所述电力系统调度模型的目标函数，表达式如下：
式中，
为火电机组i在时刻t的启停费用；
为火电机组i在时刻t的燃料费用；
为火电机组i在时刻t的调频备用费用；
为新能源场站j在时刻t的调频备用费用；
为储能装置k在时刻t的运行成本。下标i,j,k分别代表火电机组、新能源场站和储能装置编号，上标t代表时刻，Ng,Nw,Ne分别为火电机组总数、新能源场站总数、储能装置总数，T表示调度时刻总数。
进一步地，在本发明一个具体实施例中，火电机组启停费用由启动费用和关闭费用两部分组成，其数值大小由相邻机组开关变量决定：
式中，
分别为火电机组i在时刻t的启动费用和关闭费用；
为火电机组i在时刻t的启停变量，
表示机组关闭运行，而
表示其投入运行。sui、sdi分别为火电机组i的启动、关闭费用系数，需要由各个火电厂上传到调度中心。
进一步地，在本发明一个具体实施例中，火电机组燃料费用
为机组出力的二次函数：
式中，
为火电机组i在时刻t的燃料费用，ai、bi、ci分别为火电机组i燃料费用函数关于机组出力的二次项、一次项和常数项的系数，需要由各个火电厂上传到调度中心。
为火电机组i在时刻t的出力大小，
为火电机组i在时刻t的启停变量。
进一步地，在本发明一个具体实施例中，火电机组调频备用费用
与机组的备用容量大小成正比：
其中，
为火电机组i在时刻t的调频备用费用，rgci为火电机组i的调频备用费用系数，需要由各个火电厂上传到调度中心。
为火电机组i在时刻t的调频备用大小。
进一步地，在本发明一个具体实施例中，新能源场站调频备用费用计算方法如下：
新能源场站运行设为减载(de-loading)模式，即通过弃风/光运行留出调频备用，调频备用费用
与备用的平方成正比：
式中，
为新能源场站j在时刻t的调频备用费用，rwcj为新能源场站j的调频备用费用系数，该系数需要由各个新能源场站上传到调度中心。
为新能源场站j在时刻t的调频备用大小。
进一步地，在本发明一个具体实施例中，储能装置的运行成本与其充、放电功率有关，可以表示为：
式中，
为储能装置k在时刻t的运行成本，
和
分别表示储能装置k在时刻t的充、放电功率。eck0、eck1分别表示储能装置的运行成本系数。eck0为储能装置的固定费用系数，eck1为储能装置充、放电所产生的运行成本系数，该两个系数需要由各个储能装置上传到调度中心。
2)在本发明的一个具体实施例中，所述电力系统调度模型的约束条件，包括：
2-1)功率平衡约束；
式中，
为火电机组i在时刻t的出力大小，
为新能源场站j在时刻y的计划输出功率，
和
分别表示储能装置k在时刻y的充、放电功率，
为节点d在时刻t的预测负荷大小，Nd表示电力系统的总节点数。式(9)保证了火电机组出力、新能源场站计划出力和储能装置净注入功率之和等于当前系统的预测负荷大小。
2-2)火电机组功率约束；
式中，
为火电机组i在时刻t的启停变量，
为火电机组i在时刻t的出力大小，
为火电机组i在时刻t的调频备用大小，Rupi代表火电机组i的最大爬坡量；Rdowni代表火电机组i的最大滑坡量；
为火电机组i的最大输出功率；
为火电机组i的最小输出功率。其中Rupi、Rdowni、
四个参数需要由各个火电厂上传到调度中心。
式(10)和(11)要求火电机组的输出功率在最小输出功率
和最大输出功率
之间。式(12)和(13)分别为机组的爬坡约束和滑坡约束。
2-3)新能源场站功率约束；
式中，
为新能源场站j在时刻t的预测输出功率，该预测值为计划输出功率
和调频备用
之和。式(15)和(16)限制了
的取值范围。
2-4)火电机组最小启停时间约束；
式中，
为火电机组i在时刻t的启停变量，UTi和DTi分别代表了火电机组i的最小启动时间和停止时间，该系数需要由各个火电厂上传到调度中心。约束(17)-(20)均为关于机组启停变量的线性约束，且不需要引入额外的辅助变量。
2-5)储能装置约束；
式中，
表示储能装置k在时刻t储存的能量大小，与前一时刻的储能值和当前时段的充放电功率有关，
和
分别表示储能装置k的充电功率系数、放电功率系数，
和
分别表示储能装置k在时刻t的充电功率、放电功率。
分别为储能装置k允许的最大、最小能量存储值，
为储能装置k允许的最大充/放电功率。
和
均为0-1变量，分别表示储能装置k在时刻t的充、放电状态，两个变量在同一时刻至多有一个可取值为1。式(22)表示，在一个调度周期结束后储能装置的储能大小要等于其初始储存能量。(23)、(24)给出了储能装置储存能量的上下限值。(25)、(26)对充、放电功率大小进行了限制。(27)表示储能装置不能同时运行在充电、放电模式。
2-6)频率变化率约束：
式中，
表示在时刻t的聚合惯量，并以全网总装机容量为基准功率；
为火电机组i的最大输出功率，
表示新能源场站j的容量，
表示储能装置k允许的最大充/放电功率，Hi表示火电机组i的惯量，Hj表示新能源场站j提供的虚拟惯量，
表示火电机组i在时刻t的启停变量，f0表示基准频率，ΔP表示调度员提前设定的功率扰动量，
表示频率变化率阈值，也由调度员提前设定。式(29)表示可以将最大频率变化率约束转化为关于系统总惯量的线性约束，等价于关于机组启停变量的线性约束。
2-7)频率最低点约束；
ωut+b≥0 (30)
ω＝(ω1 ω2 ω3 … ωi …) (31)
式中，ω为火电机组权重系数向量，其维数与火电机组数量相同，ωi表示与火电机组i对应的权重系数，b表示偏移系数。其中，系数向量ω和偏移系数b可以根据历史运行数据或者仿真数据通过机器学习的方法得到。ut为时刻t的火电机组启停向量，
为火电机组i在时刻t的启停变量。
2-8)准稳态频率约束；
式中，
表示时刻t的聚合下垂系数，并以全网总装机容量为基准功率；
表示火电机组i的最大输出功率，
表示新能源场站j的容量，
为储能装置k允许的最大充/放电功率，Ri为火电机组i的下垂系数，Rj为新能源场站j的下垂系数，Rk为储能装置k的下垂系数，
为火电机组i在时刻t的启停变量，D为负荷的阻尼系数，ΔP为调度员提前设定的功率扰动量，f0为基准频率，
表示准稳态频率偏差阈值，也由调度员提前设定。式(34)表示可以将准稳态频率约束转化为关于系统聚合下垂系数的线性约束，等价于关于机组启停变量的线性约束。
2-9)火电机组调频备用约束；
式中，
为火电机组i在时刻t的调频备用大小，
为火电机组i的最大输出功率，
为火电机组i在时刻t的启停变量，Ri为火电机组i的下垂系数，
表示准稳态频率偏差阈值，f0为基准频率。式(35)保证各个在线运行的火电机组均能提供足够的调频备用。
2-10)储能装置调频备用约束；
式中，
为储能装置k允许的最大充/放电功率，
和
分别表示储能的充、放电功率，Rk为储能装置k提供的下垂系数，
表示准稳态频率偏差阈值，f0为基准频率。
2-11)新能源场站调频备用约束；
式中，
为新能源场站j在时刻t的调频备用大小，
表示新能源场站j的容量，Rj为新能源场站j的下垂系数，
表示准稳态频率偏差阈值，f0为基准频率。
2-12)线路容量约束；
式中，
为传输线路L所允许的最大功率容量。
分别为传输线路L对火电机组出力
新能源场站出力
储能装置净注入功率
和负荷预测功率
的传输分配系数，其计算采用直流潮流法。式(38)和(39)保证了传输线路L的双向功率潮流均不会超过其最大功率容量。
在本发明的一个具体实施例中，所述求解所述电力系统调度模型，得到所述火电机组、所述新能源场站和所述储能装置的调度计划，包括：
步骤1)和步骤2)建立的协同多类调频资源的电力系统调度模型是一个混合整数二次规划模型，可以通过调用商业求解器(如Gurobi、Cplex等)进行快速的求解。通过增加频率动态安全约束，即步骤2-6)至步骤2-11)，可以保证三个重要的频率动态指标(最大频率变化率、最大频率偏差、准稳态频率偏差)均不越限，从而保证了电力系统的频率动态安全。
通过求解所建立的调度模型，可以得到考虑频率安全的火电机组启停和储能装置充放电计划：
式中，Ω为求解得到的决策变量集合，
为火电机组i在时刻t的启停变量，
为火电机组i在时刻t的出力，
为火电机组i在时刻t的调频备用，
为新能源场站j在时刻t的计划输出功率，
为新能源场站j在时刻t的调频备用，
和
为储能装置k在时刻t的充、放电状态，
和
分别表示储能装置k在时刻t的充电功率、放电功率，
表示储能装置k在时刻t储存的能量大小。
为实现上述实施例，本发明第二方面实施例提出一种协同多类调频资源的电力系统调度方法，包括：
获取电力系统中火电机组、新能源场站和储能装置的运行参数；
将所述运行参数输入预设的电力系统调度模型，所述调度模型输出所述火电机组、所述新能源场站和所述储能装置的调度计划；所述调度模型的目标函数使得所述火电机组费用、所述新能源场站调频备用费用和所述储能装置的运行成本之和最小化；所述调度模型的约束条件包括频率安全约束，所述频率安全约束用于保证所述电力系统在设定功率扰动下的频率动态安全。
需要说明的是，前述对第一方面实施例中一种协同多类调频资源的电力系统调度方法的实施例解释说明也适用于本实施例的一种负荷频率控制系统的攻击风险评估方法，在此不再赘述。
为实现上述实施例，本发明第三方面实施例提出一种协同多类调频资源的电力系统调度装置，包括：
目标函数构建模块，用于构建电力系统调度模型的目标函数，所述目标函数使得火电机组费用、新能源场站调频备用费用和储能装置的运行成本之和最小化；
约束条件构建模块，用于构建所述电力系统调度模型的约束条件，所述约束条件包括频率安全约束，所述频率安全约束用于保证所述电力系统在设定功率扰动下的频率动态安全；
调度计划生成模块，用于求解所述电力系统模型，得到所述火电机组、所述新能源场站和所述储能装置的调度计划。
在本发明的一个具体实施例中，所述目标函数构建模块中，所述火电机组费用包括：所述火电机组启停费用、所述火电机组燃料费用和所述火电机组调频备用费用。
在本发明的一个具体实施例中，所述目标函数构建模块具体用于构建目标函数如下：
式中，
为火电机组i在时刻t的启停费用；
为火电机组i在时刻t的燃料费用；
为火电机组i在时刻t的调频备用费用；
为新能源场站j在时刻t的调频备用费用；
为储能装置k在时刻t的运行成本。下标i,j,k分别代表火电机组、新能源场站和储能装置编号，上标t代表时刻，Ng,Nw,Ne分别为火电机组总数、新能源场站总数、储能装置总数，T表示调度时刻总数。
进一步地，在本发明一个具体实施例中，火电机组启停费用由启动费用和关闭费用两部分组成，其数值大小由相邻机组开关变量决定：
式中，
分别为火电机组i在时刻t的启动费用和关闭费用；
为火电机组i在时刻t的启停变量，
表示机组关闭运行，而
表示其投入运行。sui、sdi分别为火电机组i的启动、关闭费用系数，需要由各个火电厂上传到调度中心。
进一步地，在本发明一个具体实施例中，火电机组燃料费用
为机组出力的二次函数：
式中，
为火电机组i在时刻t的燃料费用，ai、bi、i分别为火电机组i燃料费用函数关于机组出力的二次项、一次项和常数项的系数，需要由各个火电厂上传到调度中心。
为火电机组i在时刻t的出力大小，
为火电机组i在时刻t的启停变量。
进一步地，在本发明一个具体实施例中，火电机组调频备用费用
与机组的备用容量大小成正比：
其中，
为火电机组i在时刻t的调频备用费用，rgci为火电机组i的调频备用费用系数，需要由各个火电厂上传到调度中心。
为火电机组i在时刻t的调频备用大小。
进一步地，在本发明一个具体实施例中，新能源场站调频备用费用计算方法如下：
新能源场站运行设为减载(de-loading)模式，即通过弃风/光运行留出调频备用，调频备用费用
与备用的平方成正比：
式中，
为新能源场站j在时刻t的调频备用费用，rwcj为新能源场站j的调频备用费用系数，该系数需要由各个新能源场站上传到调度中心。
为新能源场站j在时刻t的调频备用大小。
进一步地，在本发明一个具体实施例中，储能装置的运行成本与其充、放电功率有关，可以表示为：
式中，
为储能装置k在时刻t的运行成本，
和
分别表示储能装置k在时刻t的充、放电功率。eck0、eck1分别表示储能装置的运行成本系数。eck0为储能装置的固定费用系数，eck1为储能装置充、放电所产生的运行成本系数，该两个系数需要由各个储能装置上传到调度中心。
在本发明的一个具体实施例中，所述约束条件构建模块具体用于构建约束条件如下：
2-1)功率平衡约束；
式中，
为火电机组i在时刻t的出力大小，
为新能源场站j在时刻t的计划输出功率，
和
分别表示储能装置k在时刻t的充、放电功率，
为节点d在时刻t的预测负荷大小，Nd表示电力系统的总节点数。式(9)保证了火电机组出力、新能源场站计划出力和储能装置净注入功率之和等于当前系统的预测负荷大小。
2-2)火电机组功率约束；
式中，
为火电机组i在时刻t的启停变量，
为火电机组i在时刻t的出力大小，
为火电机组i在时刻t的调频备用大小，Rupi代表火电机组i的最大爬坡量；Rdowni代表火电机组i的最大滑坡量；
为火电机组i的最大输出功率；
为火电机组i的最小输出功率。其中Rupi、Rdownx、
四个参数需要由各个火电厂上传到调度中心。
式(10)和(11)要求火电机组的输出功率在最小输出功率
和最大输出功率
之间。式(12)和(13)分别为机组的爬坡约束和滑坡约束。
2-3)新能源场站功率约束；
式中，
为新能源场站j在时刻t的预测输出功率，该预测值为计划输出功率
和调频备用
之和。式(15)和(16)限制了
的取值范围。
2-4)火电机组最小启停时间约束；
式中，
为火电机组i在时刻t的启停变量，UTi和DTi分别代表了火电机组i的最小启动时间和停止时间，该系数需要由各个火电厂上传到调度中心。约束(17)-(20)均为关于机组启停变量的线性约束，且不需要引入额外的辅助变量。
2-5)储能装置约束；
式中，
表示储能装置k在时刻t储存的能量大小，与前一时刻的储能值和当前时段的充放电功率有关，
和
分别表示储能装置k的充电功率系数、放电功率系数，
和
分别表示储能装置k在时刻t的充电功率、放电功率。
分别为储能装置k允许的最大、最小能量存储值，
为储能装置k允许的最大充/放电功率。
和
均为0-1变量，分别表示储能装置k在时刻t的充、放电状态，两个变量在同一时刻至多有一个可取值为1。式(22)表示，在一个调度周期结束后储能装置的储能大小要等于其初始储存能量。(23)、(24)给出了储能装置储存能量的上下限值。(25)、(26)对充、放电功率大小进行了限制。(27)表示储能装置不能同时运行在充电、放电模式。
2-6)频率变化率约束：
式中，
表示在时刻t的聚合惯量，并以全网总装机容量为基准功率；
为火电机组i的最大输出功率，
表示新能源场站j的容量，
表示储能装置k允许的最大充/放电功率，Hi表示火电机组i的惯量，Hj表示新能源场站j提供的虚拟惯量，
表示火电机组i在时刻t的启停变量，f0表示基准频率，ΔP表示调度员提前设定的功率扰动量，
表示频率变化率阈值，也由调度员提前设定。式(29)表示可以将最大频率变化率约束转化为关于系统总惯量的线性约束，等价于关于机组启停变量的线性约束。
2-7)频率最低点约束；
ωut+b≥0 (30)
ω＝(ω1 ω2 ω3 … ωi …) (31)
式中，ω为火电机组权重系数向量，其维数与火电机组数量相同，ωi表示与火电机组i对应的权重系数，b表示偏移系数。其中，系数向量ω和偏移系数b可以根据历史运行数据或者仿真数据通过机器学习的方法得到。ut为时刻t的火电机组启停向量，
为火电机组i在时刻t的启停变量。
2-8)准稳态频率约束；
式中，
表示时刻t的聚合下垂系数，并以全网总装机容量为基准功率；
表示火电机组i的最大输出功率，
表示新能源场站j的容量，
为储能装置k允许的最大充/放电功率，Ri为火电机组i的下垂系数，Rj为新能源场站j的下垂系数，Rk为储能装置k的下垂系数，
为火电机组i在时刻t的启停变量，D为负荷的阻尼系数，ΔP为调度员提前设定的功率扰动量，f0为基准频率，
表示准稳态频率偏差阈值，也由调度员提前设定。式(34)表示可以将准稳态频率约束转化为关于系统聚合下垂系数的线性约束，等价于关于机组启停变量的线性约束。
2-9)火电机组调频备用约束；
式中，
为火电机组i在时刻t的调频备用大小，
为火电机组i的最大输出功率，
为火电机组i在时刻t的启停变量，Ri为火电机组i的下垂系数，
表示准稳态频率偏差阈值，f0为基准频率。式(35)保证各个在线运行的火电机组均能提供足够的调频备用。
2-10)储能装置调频备用约束；
式中，
为储能装置k允许的最大充/放电功率，
和
分别表示储能的充、放电功率，Rk为储能装置k提供的下垂系数，
表示准稳态频率偏差阈值，f0为基准频率。
2-11)新能源场站调频备用约束；
式中，
为新能源场站j在时刻t的调频备用大小，
表示新能源场站j的容量，Rj为新能源场站j的下垂系数，
表示准稳态频率偏差阈值，f0为基准频率。
2-12)线路容量约束；
式中，
为传输线路L所允许的最大功率容量。
分别为传输线路L对火电机组出力
新能源场站出力
储能装置净注入功率
和负荷预测功率
的传输分配系数，其计算采用直流潮流法。式(38)和(39)保证了传输线路L的双向功率潮流均不会超过其最大功率容量。
在本发明的一个具体实施例中，所述调度计划生成模块具体用于：
所述协同多类调频资源的电力系统调度模型是一个混合整数二次规划模型，可以通过调用商业求解器(如Gurobi、Cplex等)进行快速的求解。通过增加频率动态安全约束，即步骤2-6)至步骤2-11)，可以保证三个重要的频率动态指标(最大频率变化率、最大频率偏差、准稳态频率偏差)均不越限，从而保证了电力系统的频率动态安全。
通过求解所建立的调度模型，可以得到考虑频率安全的火电机组启停和储能装置充放电计划：
式中，Ω为求解得到的决策变量集合，
为火电机组i在时刻t的启停变量，
为火电机组i在时刻t的出力，
为火电机组i在时刻t的调频备用，
为新能源场站j在时刻t的计划输出功率，
为新能源场站j在时刻t的调频备用，
和
为储能装置k在时刻t的充、放电状态，
和
分别表示储能装置k在时刻t的充电功率、放电功率，
表示储能装置k在时刻t储存的能量大小。
根据本发明实施例提出的一种协同多类调频资源的电力系统调度装置，通过构建电力系统调度模型的目标函数，所述目标函数使得火电机组费用、新能源场站调频备用费用和储能装置的运行成本之和最小化；构建所述电力系统调度模型的约束条件，所述约束条件包括频率安全约束，所述频率安全约束用于保证所述电力系统在设定功率扰动下的频率动态安全；求解所述电力系统调度模型，得到所述火电机组、所述新能源场站和所述储能装置的调度计划。由此，实现在保证电力系统频率动态安全的同时实现多类调频资源的协调配合，可以通过调用商业求解器进行快速求解，给出火电机组启停和储能装置充放电计划，保证电力系统的安全经济运行。
为实现上述实施例，本发明第四方面实施例一种协同多类调频资源的电力系统调度装置，包括：
运行参数获取模块，用于获取电力系统中火电机组、新能源场站和储能装置的运行参数；
调度模型求解模块，用于将所述运行参数输入预设的电力系统调度模型，所述调度模型输出所述火电机组、所述新能源场站和所述储能装置的调度计划；所述调度模型的目标函数使得所述火电机组费用、所述新能源场站调频备用费用和所述储能装置的运行成本之和最小化；所述调度模型的约束条件包括频率安全约束，所述频率安全约束用于保证所述电力系统在设定功率扰动下的频率动态安全。
需要说明的是，前述对第一方面实施例中一种协同多类调频资源的电力系统调度方法的实施例解释说明也适用于本实施例的一种负荷频率控制系统的攻击风险评估装置，在此不再赘述。
为实现上述实施例，本发明第五方面实施例提出一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；
其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被设置为用于执行上述一种协同多类调频资源的电力系统调度方法。
为实现上述实施例，本发明第六方面实施例提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述一种协同多类调频资源的电力系统调度方法。
需要说明的是，本公开上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。
上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备执行上述实施例的一种协同多类调频资源的电力系统调度方法。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种协同多类调频资源的电力系统调度方法，其特征在于，包括：
构建电力系统调度模型的目标函数，所述目标函数使得火电机组费用、新能源场站调频备用费用和储能装置的运行成本之和最小化；
构建所述电力系统调度模型的约束条件，所述约束条件包括频率安全约束，所述频率安全约束用于保证所述电力系统在设定功率扰动下的频率动态安全；
求解所述电力系统调度模型，得到所述火电机组、所述新能源场站和所述储能装置的调度计划。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述火电机组费用包括：所述火电机组启停费用、所述火电机组燃料费用和所述火电机组调频备用费用。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述目标函数表达式如下：
式中，
为火电机组i在时刻t的启停费用；
为火电机组i在时刻t的燃料费用；
为火电机组i在时刻t的调频备用费用；
为新能源场站j在时刻t的调频备用费用；
为储能装置k在时刻t的运行成本；下标i,j,k分别代表火电机组、新能源场站和储能装置编号，上标t代表时刻，Ng,Nw,Ne分别为火电机组总数、新能源场站总数、储能装置总数，T表示调度时刻总数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述频率安全约束包括：
频率变化率约束：
式中，
表示在时刻t的聚合惯量，
表示火电机组i的最大输出功率，Pj cap表示新能源场站j的容量，
表示储能装置k允许的最大充电或放电功率，Hi表示火电机组i的惯量，Hj表示新能源场站j提供的虚拟惯量，
表示火电机组i在时刻t的启停变量，
表示火电机组i在时刻t关闭运行，
表示火电机组i在时刻t投入运行；f0表示基准频率，ΔP表示功率扰动量，
表示频率变化率阈值；
频率最低点约束；
ωut+b≥0
ω＝(ω1 ω2 ω3 … ωi …)
式中，ω为火电机组权重系数向量，ω的维数为火电机组总数，ωi表示与火电机组i对应的权重系数，b表示偏移系数；ut表示时刻t的火电机组启停向量；
准稳态频率约束；
式中，
表示时刻t的聚合下垂系数，Ri为火电机组i的下垂系数，Rj为新能源场站j的下垂系数，Rk为储能装置k的下垂系数，D为负荷的阻尼系数，
表示准稳态频率偏差阈值；
火电机组调频备用约束；
式中，
为火电机组i在时刻t的调频备用大小；
储能装置调频备用约束；
式中，
和
分别表示储能装置k在时刻t的充电功率和放电功率；
新能源场站调频备用约束；
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述火电机组启停费用计算表达式如下：
式中，
分别为火电机组i在时刻t的启动费用和关闭费用；
为火电机组i在时刻t的启停变量，
表示火电机组i在时刻t关闭运行，
表示火电机组i在时刻t投入运行；sui、sdi分别为火电机组i的启动费用系数和关闭费用系数；
所述火电机组燃料费用计算表达式如下：
式中，ai、bi、ci分别为火电机组i燃料费用函数关于机组出力的二次项、一次项和常数项的系数；
为火电机组i在时刻t的出力大小；
火电机组调频备用费用计算表达式如下：
其中，rgci为火电机组i的调频备用费用系数，
为火电机组i在时刻t的调频备用大小；
所述新能源场站调频备用费用计算表达式如下：
式中，rwcj为新能源场站j的调频备用费用系数，
为新能源场站j在时刻t的调频备用大小；
所述储能装置的运行成本计算表达式如下：
式中，
和
分别表示储能装置k在时刻t的充电功率和放电功率；eck0为储能装置的固定费用系数，eck1为储能装置充电或放电所产生的运行成本系数。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电力系统调度模型的约束条件还包括：
功率平衡约束；
式中，
为火电机组i在时刻t的出力大小，
为新能源场站j在时刻t的计划输出功率，
为节点d在时刻t的预测负荷大小，Nd表示电力系统的总节点数；
火电机组功率约束；
式中，
为火电机组i在时刻t的调频备用大小，Rupi代表火电机组i的最大爬坡量；Rdowni代表火电机组i的最大滑坡量；
为火电机组i的最小输出功率；
新能源场站功率约束；
式中，
为新能源场站j在时刻t的预测输出功率；
火电机组最小启停时间约束；
式中，UTi和DTi分别代表火电机组i的最小启动时间和停止时间；
储能装置约束；
式中，
表示储能装置k在时刻t储存的能量大小，
和
分别表示储能装置k的充电功率系数、放电功率系数，
分别为储能装置k允许的最大、最小能量存储值，
为储能装置k允许的最大充电或放电功率；
和
均为0-1变量，分别表示储能装置k在时刻t的充电状态和放电状态；
线路容量约束；
式中，
为传输线路L所允许的最大功率容量；
分别为传输线路L对
和
的传输分配系数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述求解所述电力系统模型，得到所述火电机组、所述新能源场站和所述储能装置的调度计划，包括：
式中，Ω为求解所述调度模型得到的决策变量集合。
8.一种协同多类调频资源的电力系统调度方法，其特征在于，包括：
获取电力系统中火电机组、新能源场站和储能装置的运行参数；
将所述运行参数输入预设的电力系统调度模型，所述调度模型输出所述火电机组、所述新能源场站和所述储能装置的调度计划；所述调度模型的目标函数使得所述火电机组费用、所述新能源场站调频备用费用和所述储能装置的运行成本之和最小化；所述调度模型的约束条件包括频率安全约束，所述频率安全约束用于保证所述电力系统在设定功率扰动下的频率动态安全。
9.一种协同多类调频资源的电力系统调度装置，其特征在于，包括：
目标函数构建模块，用于构建电力系统调度模型的目标函数，所述目标函数使得火电机组费用、新能源场站调频备用费用和储能装置的运行成本之和最小化；
约束条件构建模块，用于构建所述电力系统调度模型的约束条件，所述约束条件包括频率安全约束，所述频率安全约束用于保证所述电力系统在设定功率扰动下的频率动态安全；
调度计划生成模块，用于求解所述电力系统模型，得到所述火电机组、所述新能源场站和所述储能装置的调度计划。
10.一种协同多类调频资源的电力系统调度装置，其特征在于，包括：
运行参数获取模块，用于获取电力系统中火电机组、新能源场站和储能装置的运行参数；
调度模型求解模块，用于将所述运行参数输入预设的电力系统调度模型，所述调度模型输出所述火电机组、所述新能源场站和所述储能装置的调度计划；所述调度模型的目标函数使得所述火电机组费用、所述新能源场站调频备用费用和所述储能装置的运行成本之和最小化；所述调度模型的约束条件包括频率安全约束，所述频率安全约束用于保证所述电力系统在设定功率扰动下的频率动态安全。
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|---|---|---|---|---|
| CN115276008A (zh) * | 2022-09-28 | 2022-11-01 | 国网湖北省电力有限公司经济技术研究院 | 考虑调峰调频需求的电力系统新能源承载能力评估方法 |
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2022
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| CN115276008A (zh) * | 2022-09-28 | 2022-11-01 | 国网湖北省电力有限公司经济技术研究院 | 考虑调峰调频需求的电力系统新能源承载能力评估方法 |
| CN115276008B (zh) * | 2022-09-28 | 2023-01-17 | 国网湖北省电力有限公司经济技术研究院 | 考虑调峰调频需求的电力系统新能源承载能力评估方法 |
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