以短期發(fā)電計劃為題的畢業(yè)設(shè)計教學實踐

初 壯， 李 娟， 安 軍， 孫銀鋒

(東北電力大學電氣工程學院， 吉林 132012)

以短期發(fā)電計劃為題的畢業(yè)設(shè)計教學實踐

初 壯， 李 娟， 安 軍， 孫銀鋒

(東北電力大學電氣工程學院， 吉林 132012)

為使畢業(yè)生建立對電力系統(tǒng)運行工作的清晰認識，進行了以電力系統(tǒng)短期發(fā)電計劃為核心的電氣工程及其自動化專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計課題的開發(fā)教學工作。課題主要包括負荷預測、機組組合、負荷經(jīng)濟分配、潮流計算等內(nèi)容。開發(fā)工作主要包括仿真電力系統(tǒng)的選擇、發(fā)電機組參數(shù)的確定、歷史負荷數(shù)據(jù)的編制及給學生提供適當?shù)那蠼夥椒ǖ取?名本科畢業(yè)生的教學實踐證明本課題難度、工作量較適合本科畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)。

電氣工程； 畢業(yè)設(shè)計； 電力系統(tǒng)； 發(fā)電計劃； 短期負荷預測

畢業(yè)設(shè)計是大學本科的一個重要實踐教學環(huán)節(jié)，工科學生應(yīng)在這一環(huán)節(jié)綜合運用大學期間所學專業(yè)知識，解決工程實踐問題；能力較強學生也可嘗試解決一些具有研究性題目。因此，課題應(yīng)具有一定的廣度，覆蓋該專業(yè)的多個方面；同時，課題也應(yīng)具有一定深度，以培養(yǎng)學生獨立思考與研究問題的能力；另外，課題還應(yīng)具有足夠的工作量。

指導教師同時指導多名畢業(yè)生是目前教學中較為常見的情況。在這種情況下，若學生畢業(yè)設(shè)計題目完全不同，則需教師進行大量的前期課題設(shè)計工作，在畢業(yè)設(shè)計期間，學生間無法開展較為深入的討論。若多名學生題目雷同，則部分學生會“搭順風車”，依靠抄襲完成設(shè)計。因此，性質(zhì)相同、具體內(nèi)容有別、適合大多數(shù)學生知識水平和能力、必要時也可深入研究的設(shè)計題目是較理想的選擇。

本文針對以電力工程為特色的電氣工程及其自動化專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計了以“電力系統(tǒng)短期發(fā)電計劃確定”為主要內(nèi)容的畢業(yè)設(shè)計課題，并努力達到前述要求與目標。第2節(jié)介紹設(shè)計課題的基本內(nèi)容及課題開發(fā)所做的主要工作；第3節(jié)介紹這一畢業(yè)設(shè)計課題在教學實踐中的執(zhí)行情況、發(fā)現(xiàn)的主要問題及一些教學體會。

1 短期發(fā)電計劃畢業(yè)設(shè)計基本內(nèi)容開發(fā)

1.1 畢業(yè)設(shè)計基本內(nèi)容

電力系統(tǒng)的負荷是不斷變化的。電能不能大規(guī)模存儲的特點使得發(fā)電機組的有功輸出功率必須與不斷變化的有功負荷保持實時平衡；因火電機組在冷備用狀態(tài)與正常發(fā)電狀態(tài)間轉(zhuǎn)換需較長時間(從幾小時至十幾小時不等)，為保證有功功率的實時平衡，需要預先制定發(fā)電計劃，在負荷變化到來前投入或切除機組，以使系統(tǒng)從容應(yīng)對負荷變化。

通過畢業(yè)設(shè)計，學生應(yīng)了解電力系統(tǒng)短期發(fā)電計劃制定工作的主要環(huán)節(jié)，能根據(jù)給定負荷歷史數(shù)據(jù)形成各負荷節(jié)點的負荷需求預測曲線，采用啟發(fā)式方法完成機組組合并計算各時段機組負荷分配，最后通過潮流計算考察系統(tǒng)潮流分布情況。

整個課題分為負荷預測、機組組合、負荷分配、潮流計算等步驟。學生在《電力系統(tǒng)分析》[1]中較為細致地學習過潮流計算與負荷經(jīng)濟分配，而對負荷預測、機組組合則只有一個基本了解。在發(fā)電計劃的制定過程中，這四個環(huán)節(jié)依次銜接，缺一不可，學生在這幾方面都應(yīng)得到一定程度的訓練。

首先，對于一個給定的電力系統(tǒng)，預測出調(diào)度周期內(nèi)各個負荷節(jié)點的負荷需求曲線，這里調(diào)度周期為1周，5天工作日、2天休息日，每天分為24個時段。因此，對于一個負荷節(jié)點，其負荷曲線由24×7=168個時間點構(gòu)成。

第2，根據(jù)各節(jié)點負荷需求預測曲線和各機組技術(shù)特性，確定調(diào)度周期內(nèi)各機組在168個時間點的運行狀態(tài)，即獲得系統(tǒng)的機組組合。機組的技術(shù)特性應(yīng)包括機組的最小連續(xù)運行時間、最小連續(xù)停機時間等。

第3，機組組合確定后，進行各時段機組間的有功輸出功率分配計算。這一部分可根據(jù)學生具體情況，要求其計算連續(xù)多個時段的動態(tài)優(yōu)化調(diào)度問題或計算每個時段的靜態(tài)優(yōu)化分配問題。

第4，計算交流潮流，進而確定系統(tǒng)網(wǎng)損及平衡節(jié)點發(fā)電機組有功輸出功率。

1.2 畢業(yè)設(shè)計課題內(nèi)容開發(fā)

負荷預測需基于歷史負荷數(shù)據(jù)完成，確定發(fā)電計劃還需要發(fā)電機組運行參數(shù)和系統(tǒng)結(jié)線圖及支路參數(shù)。畢業(yè)設(shè)計課題開發(fā)的主要工作就是選擇(或設(shè)計)用于仿真計算的電力系統(tǒng)及相應(yīng)的歷史負荷數(shù)據(jù)。

用于仿真計算的電力系統(tǒng)可采用真實系統(tǒng)，其優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)、機組參數(shù)和歷史負荷數(shù)據(jù)是真實的，不過，實際電力系統(tǒng)對于教學而言顯得規(guī)模過大。另一個選擇是采用IEEE仿真系統(tǒng)，如IEEE 30節(jié)點系統(tǒng)。

畢業(yè)設(shè)計采用IEEE Reliability Test System[2]，該系統(tǒng)有24個節(jié)點，38條支路。文獻[2]給出了每日24個時段負荷與日峰荷的比例、一周中各日峰荷與周峰荷的比例、周峰荷與年負荷的比例及負荷在各節(jié)點的分布比例。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，設(shè)定一個年峰荷數(shù)值(文中為2850 MW)，就可構(gòu)造出該系統(tǒng)在一年中某一天的各節(jié)點負荷變化曲線。

工作日負荷歷史數(shù)據(jù)構(gòu)造基本步驟為：

①設(shè)定年峰荷數(shù)值，獲得一個各節(jié)點工作日負荷變化曲線；

②以步驟①中的負荷曲線為基準，使每節(jié)點每時段的負荷在(1 2.5%)幅度內(nèi)隨機變化，產(chǎn)生一個新的各節(jié)點日負荷變化曲線(采用一定幅度內(nèi)的隨機變化構(gòu)成各時段負荷，使每次生成的負荷數(shù)據(jù)不同，即各個學生的任務(wù)數(shù)據(jù)不同，避免"搭車"現(xiàn)象)；

③根據(jù)需要，得到其它各日的負荷曲線。把這些多個日負荷曲線作為歷史負荷數(shù)據(jù)資料。

休息日歷史負荷數(shù)據(jù)的構(gòu)造過程大致相同，只是在步驟①時需要獲得一個休息日的日負荷變化曲線。

這些“歷史”負荷數(shù)據(jù)供學生完成負荷預測用。指導教師還需提供制定發(fā)電計劃所需的發(fā)電機組數(shù)據(jù)。文獻[2]給出該系統(tǒng)發(fā)電機組的部分參數(shù)，但對于制定短期發(fā)電計劃的計算而言，數(shù)據(jù)不夠完整。因此，在題目中采用文獻[3]中的發(fā)電機組數(shù)據(jù)，包括有功輸出功率的最大值與最小值、爬坡速率、經(jīng)濟參數(shù)、最小連續(xù)運行時間、最小連續(xù)停機時間等。年峰荷值在2600 MW～3000 MW時，文獻[3]中的機組可以滿足調(diào)度要求并保留一定裕度。

2 以短期發(fā)電計劃為題的畢業(yè)設(shè)計教學實踐

2009-2010年度秋季學期，對這一畢業(yè)設(shè)計課題有興趣的教師就開始討論課題的可行性，并初步擬定了基本內(nèi)容。在接下來的寒假里，編寫出相應(yīng)的畢業(yè)設(shè)計指導書和任務(wù)書。2010年三月開始教學實踐。

2.1 學生畢業(yè)設(shè)計基本流程

畢業(yè)設(shè)計前三周學生的主要工作是熟悉課題并完成開題報告。

課題的第一個任務(wù)是完成負荷預測。短期負荷預測方法多種多樣[4，5]，工程實踐中應(yīng)根據(jù)負荷特點和生產(chǎn)需求采用適合的方法。本設(shè)計要求學生采用基于溫度準則的外推法[6]編寫負荷預測程序，提供的“歷史”負荷數(shù)據(jù)也是根據(jù)這一方法的需要編制的。雖然負荷預測需要處理大量數(shù)據(jù)，但編程工作本身工作量并不大，大致需要一周時間即可完成。加之學習負荷預測及了解編程軟件的時間，基本上需要三周時間。

接下來，獲得調(diào)度周期內(nèi)的機組組合方案。推薦學生采用優(yōu)先級表法[7]。雖然機組組合是整個任務(wù)里面數(shù)學性質(zhì)最復雜的部分[8，9]，但采用優(yōu)先級表法等啟發(fā)式方法獲得一個可行方案的難度并不大。學生最初獲得的方案可能是可行卻不盡合理的，如存在容量較大機組頻繁啟?，F(xiàn)象等，此時指導教師需指出問題，并與學生一起形成方案。這大致需要兩周時間。

第3，靜態(tài)經(jīng)濟負荷分配是《電力系統(tǒng)分析》課程的基本教學內(nèi)容，學生較為熟悉。要求學生運用《數(shù)值分析》課程知識編制基于等微增率準則的負荷分配程序。這對于編程能力較強的學生來說難度不大，編程基礎(chǔ)較差的學生經(jīng)過指導后也可完成。學生可在兩周內(nèi)完成計算程序的代碼調(diào)試。

第4，使用商業(yè)軟件或開源程序等成熟的潮流計算工具進行潮流計算。

2.2 畢業(yè)設(shè)計指導

布置課題之后，教師指定一些閱讀書目(如文獻[6，7])、提供一些電網(wǎng)公司的年度運行方式資料，供學生閱讀，使學生了解發(fā)電計劃制定工作的應(yīng)用背景、具體內(nèi)容，并鼓勵學生在圖書館與互聯(lián)網(wǎng)查找、閱讀相關(guān)文獻及資料。

學生需掌握上述問題的基本內(nèi)涵，并采用相應(yīng)方法進行求解。由于畢業(yè)設(shè)計時間只有15周左右，故要求學生編程實現(xiàn)的算法應(yīng)該是大多數(shù)學生可以短期掌握的，較難的部分則由教師提供軟件或程序求解。如前所述，對于基于溫度準則的外推法負荷預測、基于等微增率準則的負荷分配計算要求學生采用MATLAB編程完成；而機組組合則采用優(yōu)先級表法人工完成；潮流計算采用MATPOWER[10]或PSAT[11]完成。

之所以采用上述軟件計算潮流而不要求學生自己編程求解，一是因為潮流計算程序較為復雜，學生短期內(nèi)難以完成。另一方面，是因為這兩個軟件都是采用MATLAB編寫的開源程序，是學生學習程序設(shè)計與軟件開發(fā)的一個良好范例。在開題時即布置學生熟悉MATPOWER，閱讀源程序，并要求學生在編寫負荷預測和負荷分配程序采用MATPOWER程序中的數(shù)據(jù)格式，這不但可鍛煉學生閱讀程序代碼能力，也有助于學生形成良好編程習慣。

本設(shè)計以工程問題為主要內(nèi)容，故畢業(yè)論文應(yīng)是工程報告形式。論文主要內(nèi)容應(yīng)以各個階段的計算結(jié)果及相應(yīng)分析為主，這包括節(jié)點負荷變化曲線、系統(tǒng)機組組合表、機組的發(fā)電曲線等。

整個畢業(yè)設(shè)計的編程工作量不大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也較簡單，學生在指導下完成并不困難。計算中難度較大的環(huán)節(jié)，如機組組合方案的形成，為滿足爬坡約束而進行的機組組合與負荷分配之間的反復協(xié)調(diào)，是在準備題目時就已經(jīng)考慮到的，每周例會及其他時間協(xié)助學生解決。

也有一些問題是教師預先沒有考慮到的，如學生在計算潮流時出現(xiàn)部分高峰時段無法收斂的情況。與學生討論發(fā)現(xiàn)，這是因為平衡節(jié)點機組經(jīng)濟性較好，負荷分配結(jié)果使其達到了有功功率輸出最大值(即系統(tǒng)總負荷減去其它發(fā)電機組的輸出功率剛好等于平衡節(jié)點發(fā)電機組的最大輸出功率)，而沒有預留潮流計算中用來平衡網(wǎng)損的發(fā)電裕量，導致無法收斂。找到并問題解決后，學生對運行方式與發(fā)電計劃制定工作的復雜性有了更深刻的認識，指導教師也豐富了教學經(jīng)驗。

2.3 教學體會與思考

2010屆畢業(yè)生有6人選擇了“短期發(fā)電計劃確定”畢業(yè)設(shè)計課題。通過畢業(yè)設(shè)計的訓練，學生對電力系統(tǒng)發(fā)電計劃制定工作流程有了較為清晰、完整的認識，對負荷預測、機組組合、潮流計算等問題有了更為具體的理解，并鍛煉了綜合分析問題、解決問題的能力。

在教學過程中還發(fā)現(xiàn)了一些值得思考的問題。如布置題目時一名學生認為，“發(fā)電計劃制定”不屬于電氣工程專業(yè)的學習研究的核心內(nèi)容。這使教師大為驚訝。通過討論與分析認為，由于培養(yǎng)方案大幅增加了基礎(chǔ)類課程的學時，專業(yè)課學時不得不有所縮減，使部分專業(yè)知識無法在相關(guān)課程中進行介紹。本設(shè)計中的各個內(nèi)容雖然在《電力系統(tǒng)分析》課程都有提及，但只對潮流計算與負荷經(jīng)濟分配問題有較為深入的分析，故學生對負荷預測、機組組合等內(nèi)容感覺很陌生，進而產(chǎn)生了錯誤認識。

再如，給學生布置任務(wù)時，學生更喜歡采用真實電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)構(gòu)成的算例。給學生解釋采用IEEE仿真算例的原因，如可以控制計算規(guī)模、出現(xiàn)不可行解的概率較小等，學生不是十分信服。實際上，即使是本文采用的規(guī)模很小的IEEE Reliability Test System，據(jù)此形成的本設(shè)計各環(huán)節(jié)需處理的數(shù)據(jù)量也非常大，尤其是在機組組合與潮流計算階段。當學生在進行這一部分求解時，對教師布置任務(wù)時的解釋才有了具體且深入的理解，進而認識到實際電力系統(tǒng)的發(fā)電計劃制定的復雜程度。

3 結(jié)語

電力工程是電氣工程專業(yè)的一個重要領(lǐng)域，而電力系統(tǒng)發(fā)電計劃確定是電力系統(tǒng)運行工作的重要環(huán)節(jié)?！岸唐诎l(fā)電計劃制定”本科畢業(yè)設(shè)計課題不但可以訓練學生綜合運用專業(yè)知識解決工程問題的能力，在一定程度上也是對理論課教學的有益補充。這一題目能較好適應(yīng)教師指導畢業(yè)生人數(shù)較多的實際情況，且在教師工作強度增加不大的前提下即可設(shè)計出形式相同而內(nèi)容不同的畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書，一定程度上避免了畢業(yè)設(shè)計過程中的“搭車”現(xiàn)象。

由于這一課題只經(jīng)過一輪教學實踐環(huán)節(jié)的檢驗，還有多細節(jié)需要進一步完善，如調(diào)整仿真系統(tǒng)發(fā)電機組參數(shù)與數(shù)量、增加其它仿真系統(tǒng)等，這是今后工作的一個重點。

[1] 陳怡，蔣平，萬秋蘭，等.電力系統(tǒng)分析[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2] Anon.IEEE reliability test systems[J].IEEE Trans on Power Apparatus Systems，1979，98(6)：2047-2054.

[3] Wang C, Shahidehpour S M．Effects of ramp-rates on unit commitment and economic dispatch[J].IEEE Trans on Power Systems，1993，8(3): 1341-1350.

[4] 沈秀汶, 吳耀武, 熊信銀(Shen Xiuwen, Wu Yaowu, Xiong Xinyin).基于有偏最小最大概率回歸的短期負荷預測(Short-term load forecasting based on BMPMR)[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報(Proceedings of the CSU-EPSA)，2007,19(4): 46-49.

[5] 孟思齊,楊洪耕(Meng Siqi,Yang Hongeng).基于灰色生成的卡爾曼濾波短期負荷預測(Short-term load forecasting using Kalman filter based on grey generation)[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報(Proceedings of the CSU-EPSA)，2008,20(6):78-82.

[6] 于爾鏗，劉廣一，周京陽，等.能量管理系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，1998.

[7] 李文沅.電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行——模型與方法[M].重慶：重慶大學出版社，1989.

[8] 吳宏宇，管曉宏，翟橋柱，等(Wu Hongyu, Guan Xiaohong, Zhai Qiaozhu，etal).水火電聯(lián)合短期調(diào)度的混合整數(shù)規(guī)劃方法(Short-term hydrothermal scheduling using mixed-integer linear programming)[J].中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE),2009,29(28):82-88.

[9] 呂林, 周學億(Lü Lin, Zhou Xueyi).改進PSO算法和Lagrange 乘數(shù)法應(yīng)用于短期發(fā)電計劃(Improved PSO algorithm and Lagrange multipliers method application in the short-term scheduling)[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報(Proceedings of the CSU-EPSA)，2010,22(1):106-110,125.

[10]Zimmerman D, Carlos E Murillo-Sanchez, Deqiang Gan. MATPOWER[EB/OL].http://www.pserc.cornell.edu/matpower,2010.

[11]Federico Milano. PSAT[EB/OL].http://www.uclm.es/area/gsee/Web/Federico/psat.htm, 2010.

TeachingPracticeontheGraduationProjectofShort-termGenerationSchedulingandDispatching

CHU Zhuang， LI Juan， AN Jun， SUN Yin-feng

(College of Electrical Engineering, Northeast Dianli University， Jilin 132012， China)

A graduation project of short-term generation scheduling and economical dispatching which can help undergraduate students in electrical engineering and automation form a clear awareness of power system operation is discussed. The project covers load forecasting, unit combination, economical dispatch and power flow computation. Tutors' preparative tasks include choosing power system and generation units for simulation, forming historical data of load, and providing students with accessible and feasible solving methods. Teaching practice on six students shows that the difficulty degree and workload are suitable as graduation projects.

electrical engineering； graduation project； electrical power systems； generation scheduling and dispatching； short-term load forecasting

2010-09-15；

2011-01-14

東北電力大學博士科研啟動基金(BSJXM-200701)

TM732

B

1003-8930(2011)06-0157-04

初 壯(1973-)，男，博士，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化運行及電力市場。Email:chuzhuangmail@tom.com 李 娟(1972-)，女，博士，副教授，研究方向為FACTS與電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行。Email:hitljzgfy@yahoo.com.cn 安 軍(1978-)，男，博士，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)辨識與穩(wěn)定分析。Email:ahanjun@mail.nedu.edu.cn