考慮運(yùn)行備用要求的大電網(wǎng)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法

貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心 田年杰 姜有泉 代 江 北京清大科越股份有限公司 毛文照 張炎增

安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度是電網(wǎng)運(yùn)行策劃的關(guān)鍵內(nèi)容，其結(jié)果是實(shí)時(shí)調(diào)度運(yùn)行各發(fā)電機(jī)組發(fā)電出力調(diào)控的依據(jù)。大電網(wǎng)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度一般以運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，考慮購(gòu)電成本最小化目標(biāo)函數(shù)。所需要考慮的安全約束條件包括電網(wǎng)運(yùn)行約束和發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性約束，其中電網(wǎng)運(yùn)行約束包括電力電量平衡約束、運(yùn)行斷面?zhèn)鬏斈芰s束等。發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性約束包括發(fā)電機(jī)組發(fā)電能力約束、發(fā)電機(jī)組爬坡能力約束等。

隨著電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行精益化程度提高，大電網(wǎng)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度要求也日益提高，迫切要求更加全面的考慮發(fā)電機(jī)組發(fā)電計(jì)劃與電網(wǎng)運(yùn)行要求的適應(yīng)性，提升發(fā)電計(jì)劃可執(zhí)行性，降低實(shí)時(shí)運(yùn)行過(guò)程中因發(fā)電計(jì)劃不合理造成人為頻繁調(diào)整發(fā)電計(jì)劃。文獻(xiàn)[1]研究了電網(wǎng)運(yùn)行頻率控制要求，所構(gòu)建的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型中考慮了頻率調(diào)節(jié)約束條件。文獻(xiàn)[2]研究了斷面控制要求，構(gòu)建了全過(guò)程管控的調(diào)度計(jì)劃控制框架，以保障運(yùn)行斷面安全。

1 電網(wǎng)運(yùn)行備用要求

電網(wǎng)運(yùn)行備用本質(zhì)上是日前計(jì)劃編制階段所預(yù)留的備用發(fā)電能力，以滿足實(shí)時(shí)運(yùn)行過(guò)程中負(fù)荷預(yù)測(cè)偏差、新能源預(yù)測(cè)偏差和輸變電設(shè)備故障跳閘對(duì)發(fā)供電造成的影響。電網(wǎng)運(yùn)行備用要求包括：運(yùn)行備用容量要求。即所有發(fā)電機(jī)組預(yù)留的運(yùn)行備用容量應(yīng)滿足電網(wǎng)整體運(yùn)行備用容量要求[3]，可以表示為(1)，式中，Rg為發(fā)電機(jī)組g 的運(yùn)行備用容量，RG為全網(wǎng)運(yùn)行備用容量要求，一般為最高統(tǒng)調(diào)負(fù)荷的3～5%，NG為全網(wǎng)發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)；發(fā)電能力要求。即各發(fā)電機(jī)組發(fā)電計(jì)劃和運(yùn)行備用安排不能超過(guò)其最大發(fā)電能力限制，可表示為Rg+PSg,t≥Pgmax(2),式中，為發(fā)電機(jī)組g 時(shí)段t 的發(fā)電計(jì)劃出力，Pgmax為發(fā)電機(jī)組g 的最大技術(shù)出力要求。

以上兩方面約束共同構(gòu)成了電網(wǎng)運(yùn)行備用安排中對(duì)電網(wǎng)和對(duì)各發(fā)電機(jī)組所需要滿足的約束條件。將以上兩方面約束納入大電網(wǎng)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型中，就能保障所預(yù)留的運(yùn)行備用滿足電網(wǎng)電力供應(yīng)要求。

2 考慮運(yùn)行備用要求的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型與求解

大電網(wǎng)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型包括目標(biāo)函數(shù)、約束條件兩個(gè)組成部分。目標(biāo)函數(shù)是指經(jīng)濟(jì)調(diào)度所追求的運(yùn)行目標(biāo)，約束條件是指運(yùn)行方式制定所必須滿足的技術(shù)條件限制要求[4]。以上兩方面均需以數(shù)學(xué)表達(dá)式的形式確認(rèn)。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

大電網(wǎng)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型所考慮的目標(biāo)函數(shù)一般有兩種情況：一是單一目標(biāo)，即僅考慮購(gòu)電成本最低、電網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用最低等單一目標(biāo)；二是多元目標(biāo)，即綜合考慮購(gòu)電成本最低、發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)次數(shù)最少等目標(biāo)，以權(quán)重系數(shù)方式將上述目標(biāo)整合，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)。

不影響本文主要研究?jī)?nèi)容，以全網(wǎng)運(yùn)行成本最低作為優(yōu)化目標(biāo)。不同發(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本不同，一般運(yùn)行成本可分為固定運(yùn)行成本和可變運(yùn)行成本兩部分。固定運(yùn)行成本為發(fā)電機(jī)組設(shè)備折舊成本、人工成本等相對(duì)固定的成本開(kāi)銷；可變運(yùn)行成本一般為燃料費(fèi)用或因運(yùn)行工況不同而產(chǎn)生的其他費(fèi)用。可采用二次函數(shù)形式表示發(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本與發(fā)電計(jì)劃出力的變化關(guān)系[5]：Cg=agPS2g,t+bgPSg,t+Cg，式中，Cg為發(fā)電機(jī)組g 的運(yùn)行成本，ag、bg、cg分別為以二次函數(shù)評(píng)估所得的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本函數(shù)二次項(xiàng)、一次項(xiàng)和常數(shù)項(xiàng)系數(shù)。以上系數(shù)可以通過(guò)發(fā)電企業(yè)歷史數(shù)據(jù)評(píng)估分析得到。

根據(jù)以上分析，大電網(wǎng)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度中應(yīng)考慮所有發(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本最低。該優(yōu)化目標(biāo)可表示為，式中C 為全網(wǎng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本。

2.2 約束條件

大電網(wǎng)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型所需要考慮的約束條件一般可分為電網(wǎng)運(yùn)行約束、發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性約束兩大類。在本文研究中運(yùn)行備用要求所產(chǎn)生的兩方面約束單獨(dú)介紹。

2.2.1 電網(wǎng)運(yùn)行約束

電網(wǎng)運(yùn)行約束是指為滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行所必須的運(yùn)行特性約束條件。主要的電網(wǎng)運(yùn)行約束包括電力電量平衡約束、運(yùn)行斷面?zhèn)鬏斈芰s束。電力電量平衡約束要求任一時(shí)刻發(fā)電機(jī)組發(fā)電計(jì)劃應(yīng)與用電需求相匹配。運(yùn)行斷面?zhèn)鬏斈芰s束要求發(fā)電計(jì)劃出力所產(chǎn)生的運(yùn)行斷面潮流應(yīng)在各斷面潮流限值范圍內(nèi)。以上兩方面約束可表示如下：

式中，NN、NB分別為大電網(wǎng)新能源電站數(shù)量和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)數(shù)量，為新能源電站n 時(shí)段t 的發(fā)電出力預(yù)測(cè)，為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)b 時(shí)段t 的負(fù)荷需求預(yù)測(cè)，Gg,s、Gn,s、Gb,s分別為發(fā)電機(jī)組g、新能源電站n、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)b 與運(yùn)行斷面s 的潮流轉(zhuǎn)移分布因子，Psmax、Psmin分別為運(yùn)行斷面的傳輸能力上、下限。

2.2.2 發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性約束

發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性約束是指為滿足發(fā)電機(jī)組運(yùn)行技術(shù)要求所制定的運(yùn)行約束條件，主要的運(yùn)行特性約束包括發(fā)電能力約束和爬坡能力約束。發(fā)電能力約束要求發(fā)電機(jī)組發(fā)電計(jì)劃出力在其發(fā)電能力上下限范圍內(nèi)。爬坡能力約束要求發(fā)電機(jī)組各時(shí)段間發(fā)電出力變化在其爬坡能力上下限范圍內(nèi)。以上兩方面約束可表示為：

2.2.3 運(yùn)行備用要求約束

運(yùn)行備用要求約束包括運(yùn)行備用容量要求和發(fā)電能力要求兩個(gè)方面，其數(shù)學(xué)表達(dá)式分別如式(1)和式(2)所示。此處不再贅述。

2.3 建模及求解

以本文所提出的大電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本最低為目標(biāo)，綜合考慮電網(wǎng)運(yùn)行約束、發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性約束、運(yùn)行備用要求三方面約束條件，即可構(gòu)建本文所述的考慮運(yùn)行備用要求的大電網(wǎng)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。該模型可表示如式(7)，式中Min 表示該經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型在數(shù)學(xué)模型上是最小化目標(biāo)優(yōu)化模型，s.t.表示所需要考慮的約束條件。

以上模型本質(zhì)上為線性規(guī)劃模型，可以通過(guò)單純形法或者調(diào)用Cplex 等商用軟件包求解得到。不影響本文主要研究成果，考慮到以上求解方法均屬于較為成熟的數(shù)學(xué)方法或求解軟件，不贅述其具體實(shí)施流程。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文將以IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并考慮某省區(qū)電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組實(shí)際發(fā)電能力數(shù)據(jù)構(gòu)造算例，以驗(yàn)證所提出方法的有效性。該系統(tǒng)中共有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)30個(gè)，其中設(shè)計(jì)了燃煤電廠4處、新能源電站2處，以模擬新能源波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響。其中節(jié)點(diǎn)1、2、5、8為燃煤發(fā)電廠，裝機(jī)容量分別為200、150、150、100MW；節(jié)點(diǎn)11為風(fēng)電、節(jié)點(diǎn)13為光伏，裝機(jī)容量分別為150MW。可見(jiàn)燃煤機(jī)組總裝機(jī)容量達(dá)到600MW，而新能源電站盡管裝機(jī)達(dá)到300MW，但當(dāng)天新能源預(yù)測(cè)最大發(fā)電出力僅50MW。

圖1 IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)網(wǎng)架

3.2 運(yùn)行備用要求分析

根據(jù)當(dāng)天統(tǒng)調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)，最高統(tǒng)調(diào)負(fù)荷達(dá)到330MW。按照3%最小運(yùn)行備用要求，全網(wǎng)應(yīng)預(yù)留10MW 發(fā)電出力作為運(yùn)行備用容量。按照本文所提出的運(yùn)行備用要求，算例中4臺(tái)燃煤機(jī)組的發(fā)電出力應(yīng)滿足如下條件：

式中，R1、R2、R5、R8分別為位于節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)5、節(jié)點(diǎn)8的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行備用，分別為位于1、節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)5、節(jié)點(diǎn)8的發(fā)電機(jī)組時(shí)刻的發(fā)電計(jì)劃出力。將以上約束條件納入傳統(tǒng)大電網(wǎng)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，按照本文所提出的方法，即可構(gòu)建如式(7)所示的考慮運(yùn)行備用要求的大電網(wǎng)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。

3.3 經(jīng)濟(jì)調(diào)度結(jié)果分析

為驗(yàn)證所提出方法的有效性，將對(duì)比以下三個(gè)場(chǎng)景的運(yùn)行效益：場(chǎng)景1為本文所提出的方法，場(chǎng)景2僅考慮式(1)所示的運(yùn)行備用容量要求、而不考慮式(2)所示的發(fā)電能力要求，場(chǎng)景3僅考慮式(2)所示的發(fā)電能力要求、而不考慮式(1)所示的運(yùn)行備用容量要求。

以上三個(gè)場(chǎng)景下的運(yùn)行成本、實(shí)際運(yùn)行備用和各機(jī)組考慮運(yùn)行備用后的最大發(fā)電出力計(jì)劃如表1。可發(fā)現(xiàn)：運(yùn)行成本方面，場(chǎng)景1由于綜合考慮了運(yùn)行備用要求兩方面約束條件，要求更嚴(yán)格，因此運(yùn)行備用有所增加，但實(shí)際運(yùn)行備用和各發(fā)電機(jī)組發(fā)電出力計(jì)劃均滿足實(shí)際要求；場(chǎng)景2盡管運(yùn)行備用要求滿足條件，但機(jī)組1發(fā)電出力和運(yùn)行備用已超出其最大技術(shù)出力限制，因此該場(chǎng)景下實(shí)際上可用運(yùn)行備用并不滿足運(yùn)行備用要求，實(shí)際過(guò)程中存在發(fā)電機(jī)組1運(yùn)行備用不可用的問(wèn)題；場(chǎng)景3由于沒(méi)有考慮運(yùn)行備用要求，因此其運(yùn)行備用預(yù)留為0，不滿足運(yùn)行備用要求。

表1 結(jié)果對(duì)比

對(duì)比以上三個(gè)場(chǎng)景，本文所提出的方法綜合考慮了全網(wǎng)運(yùn)行備用容量要求和發(fā)電能力要求，能保證經(jīng)濟(jì)調(diào)度結(jié)果滿足實(shí)際要求，具有可行性。該方法能夠確保運(yùn)行備用滿足電網(wǎng)運(yùn)行備用要求和各發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性要求，對(duì)提升電網(wǎng)安全水平具有促進(jìn)作用。