時間窗模式下機(jī)組檢修計劃模型研究與應(yīng)用

馬曉偉，薛斌，褚云龍，郭少青，張德亮，黃紅偉

(1. 國網(wǎng)電網(wǎng)公司西北分部，陜西 西安 710048； 2．北京清大科越股份有限公司，北京 100084)

0 引 言

發(fā)電機(jī)組檢修計劃編制是電力系統(tǒng)調(diào)度運行的關(guān)鍵內(nèi)容，對電網(wǎng)供電能力具有顯著影響。隨著我國電力市場化改革的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)行政指令主導(dǎo)的檢修計劃編制模式必將改變。引入市場化調(diào)整手段，形成公平、公開的檢修計劃編制體制已成為電力市場下發(fā)電機(jī)組檢修計劃編制的必然趨勢。

檢修時間窗模式是當(dāng)前一種較為成熟的市場化發(fā)電機(jī)組檢修計劃形成機(jī)制[1-2]，在美國、英國等電力市場起步較早的國家得到了較為廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]設(shè)計了電力市場環(huán)境下發(fā)電機(jī)組檢修計劃調(diào)整機(jī)制，通過開展檢修時間調(diào)整滿足電網(wǎng)運行可靠性要求。文獻(xiàn)[4]介紹了國外市場模式下發(fā)電機(jī)組按照時間窗模式申報檢修計劃的內(nèi)容和要求。文獻(xiàn)[5]提出了基于市場公平性的發(fā)電機(jī)組檢修計劃編制模型，以提升不同發(fā)電機(jī)組檢修計劃的時間和次數(shù)。文獻(xiàn)[6]基于我國市場發(fā)展要求，設(shè)計了發(fā)電機(jī)組檢修市場的模式，其核心思想在于引入檢修成本，實現(xiàn)檢修計劃的市場化交易。文獻(xiàn)[7]深入研究了電力市場環(huán)境下的發(fā)電機(jī)組檢修問題，提出了以備用容量充裕度最大為目標(biāo)的檢修計劃編制模型。

可以發(fā)現(xiàn)盡管檢修市場窗模式在國外得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。但是由于我國電力市場改革起步較晚，相關(guān)的研究還比較少。檢修時間窗模式下發(fā)電機(jī)組檢修計劃優(yōu)化編制的模型和算法還不夠成熟。

為此，本文將首先介紹發(fā)電機(jī)組檢修計劃時間窗編制模式，分析其技術(shù)要求和實施難點；接著從獨立調(diào)度機(jī)構(gòu)(Independent System Operator，簡稱ISO)進(jìn)行檢修計劃優(yōu)化編制的角度出發(fā)，提出系統(tǒng)層面發(fā)電機(jī)組檢修計劃優(yōu)化編制的模型和算法；最后，以該模型和算法為核心，設(shè)計了發(fā)電機(jī)組檢修計劃優(yōu)化編制的系統(tǒng)功能架構(gòu)，并介紹了其在西北電網(wǎng)的應(yīng)用情況。

1 時間窗模式的主要內(nèi)容和實施要點

1.1 時間窗模式的主要內(nèi)容

發(fā)電機(jī)組檢修時間窗模式本質(zhì)上是一個以時間窗口為申報主要內(nèi)容的發(fā)電機(jī)組檢修計劃平臺式管理模式。所謂“平臺式”，是指發(fā)電企業(yè)能夠按照其意愿申報其檢修計劃方案，ISO在編制最終的檢修計劃時必須做到公平、公正。這一點有別于當(dāng)前我國大部分地區(qū)電網(wǎng)在進(jìn)行發(fā)電機(jī)組檢修計劃優(yōu)化時以行政指令為主導(dǎo)，編制過程不透明，編制結(jié)果不公平的非市場模式[3]32。在該平臺上，發(fā)電企業(yè)必須按照規(guī)定向ISO申報其發(fā)電意愿，主要申報內(nèi)容包括每臺發(fā)電機(jī)組檢修計劃時段方案和各方案所對應(yīng)的意愿成本。

檢修計劃時間方案為一臺發(fā)電機(jī)組的一項檢修任務(wù)的起止日期。由于發(fā)電機(jī)組檢修工作的連續(xù)性要求，因此對于同一臺發(fā)電機(jī)組的一項檢修任務(wù)，其申報的任意方案在檢修工作期間必將是連續(xù)的。意愿成本則是該發(fā)電機(jī)組為爭取某一檢修計劃時間方案所愿意支付的費用，該費用的高低實際上就代表了該檢修工作對該發(fā)電機(jī)組的重要程度。

圖1所示為檢修時間窗模式下一發(fā)電企業(yè)對其所轄的一臺發(fā)電機(jī)組所申報的檢修計劃意愿方案示意圖。圖1中取值為1的時段表明該發(fā)電機(jī)組處于停機(jī)檢修狀態(tài)，取值為0則表明發(fā)電機(jī)組并不處于停機(jī)檢修狀態(tài)。表1為該發(fā)電機(jī)組各檢修計劃意愿方案時間范圍、檢修天數(shù)和意愿成本的基本信息。可以發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的各檢修計劃時間方案均為一個個類似“時間窗口”形狀的連續(xù)區(qū)間。從表1可以看出不同方案下發(fā)電機(jī)組的檢修意愿不同，在示例的3個方案中發(fā)電企業(yè)偏向于選擇時間段，且安排時間靠前的方案1。

圖1 發(fā)電機(jī)組檢修時間窗申報示例

方案名稱檢修起止周總周數(shù)意愿成本/萬元方案1[6,9]44方案2[10,14]53方案3[40,45]62

1.2 時間窗模式的實施要點

時間窗模式下發(fā)電機(jī)組檢修計劃編制與執(zhí)行的實施流程如圖2所示。其實施要點包括：

1)發(fā)電企業(yè)申報檢修時間窗及各時間窗所對應(yīng)的意愿成本

在ISO規(guī)定的時間范圍，發(fā)電企業(yè)根據(jù)自身生產(chǎn)計劃安排及市場評估分析，提交其所轄各發(fā)電機(jī)組的檢修計劃時間窗和各檢修計劃方案所對應(yīng)的意愿成本。為了規(guī)范申報，ISO需要對其申報時間和意愿價格范圍作相應(yīng)規(guī)定。

2)ISO按照公平、公正的原則編制發(fā)電機(jī)組檢修計劃

該步驟是時間窗模式的核心內(nèi)容，也是本文所研究的主要內(nèi)容。ISO在接收到所有發(fā)電企業(yè)規(guī)定時間范圍的檢修計劃申請后，在確保電網(wǎng)供電可靠性的前提下，按照經(jīng)濟(jì)原則編制發(fā)電機(jī)組檢修計劃。這部分的建模和求解方法將在本文下一節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3)ISO根據(jù)檢修計劃實際執(zhí)行情況對各發(fā)電廠進(jìn)行考核和補(bǔ)償

根據(jù)檢修計劃管理要求，ISO對各發(fā)電機(jī)組實際檢修計劃執(zhí)行情況進(jìn)行統(tǒng)計，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對發(fā)電企業(yè)執(zhí)行情況考核和補(bǔ)償。由于各電力市場規(guī)定不同，因此考核和補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)不同，這里不作贅述。

圖2 時間窗模式實施流程

2 時間窗模式下檢修計劃模型與算法

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組檢修計劃優(yōu)化編制中，發(fā)電機(jī)組不同的檢修時間所對應(yīng)的成本難以量化。而在時間窗模式下，發(fā)電機(jī)組不同檢修計劃所對應(yīng)的成本可通過其申報的意愿成本量化。因此，時間窗模式下發(fā)電機(jī)組檢修計劃優(yōu)化編制的目標(biāo)為所采用的檢修計劃時間窗滿足意愿成本最小，該目標(biāo)函數(shù)可表示為：

(1)

式中：NG表示系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)組臺數(shù);Ni為第i臺發(fā)電機(jī)組所申報的檢修計劃時間窗方案數(shù);pi,j為第i臺發(fā)電機(jī)組所申報的第j項檢修計劃時間窗所對應(yīng)的意愿成本;xi,j為0～1決策變量，代表第i臺發(fā)電機(jī)組所申報的第j項檢修計劃時間窗被采用的狀態(tài)。

2.2 約束條件

所需要考慮的約束條件包括機(jī)組檢修意愿約束、電網(wǎng)運行可靠性約束兩大類。

1)機(jī)組檢修意愿約束

該約束項包括兩個方面要求：①決策變量所代表的檢修計劃方案采用情況須為0～1變量；②任意發(fā)電機(jī)組的檢修計劃方案有且僅有一個被采用。上述約束條件可表示如下：

xi,j={0,1} ?i=1,2…,NG,j=1,2…,Ni

(2)

(3)

如式(2)為決策變量取值約束，式(3)為決策變量取值之和為1的約束項。

2)電網(wǎng)運行可靠性約束

電網(wǎng)運行可靠性約束是指所安排的發(fā)電機(jī)組檢修計劃必須滿足電力供應(yīng)的備用要求。可選用失負(fù)荷概率、發(fā)電容量充裕度和備用容量充裕度等指標(biāo)來對電網(wǎng)運行可靠性進(jìn)行評價[8-9]。上述指標(biāo)計算方法不同，但是從算法原理和指標(biāo)含義來說，實際上可按照其是否考慮機(jī)組的運行可靠性分為確定性指標(biāo)和概率性指標(biāo)兩大類[10-11]。在上述兩大類指標(biāo)中盡管指標(biāo)項的計算過程有所差別，但物理含義相同，為此本文各選用一項指標(biāo)來進(jìn)行電網(wǎng)運行可靠性分析。確定性指標(biāo)選用備用容量充裕度指標(biāo)，概率性指標(biāo)選用供電可信容量指標(biāo)。為保證電網(wǎng)運行可靠性，要求上述兩項指標(biāo)不得低于規(guī)定限值。上述關(guān)系可表示如下：

Rt≥Rset?t=1,2…,NT

(4)

Et≥Eset?t=1,2…,NT

(5)

式中:NT為檢修計劃所對應(yīng)的優(yōu)化周期;Rt、Et分別為該運行周期內(nèi)第t個運行點的備用容量充裕度和供電可信容量;Rset、Eset為所規(guī)定的備用容量充裕度限值和供電可信容量限值。

其中，第t個運行點的備用容量充裕度計算公式如下：

(6)

第t個運行點的供電可信容量計算公式如下：

(7)

式中：γi為發(fā)電機(jī)組i的故障停運率。

2.3 求解算法

本文所提出的時間窗模式下發(fā)電機(jī)組檢修計劃優(yōu)化編制模型實際上為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題,該問題可基于Cplex等成熟軟件包直接求解[5]17-18，本文不再贅述。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實踐應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)功能框架

時間窗模式下發(fā)電機(jī)組檢修計劃優(yōu)化編制系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢修計劃優(yōu)化編制模式的差別在于需要提供一個開放的廠網(wǎng)互動平臺，為發(fā)電企業(yè)提供其所轄發(fā)電機(jī)組檢修計劃方案申報的窗口。該系統(tǒng)的功能框架如圖3所示。整個系統(tǒng)按照其實現(xiàn)功能，可劃分為三個功能模塊。

1)廠網(wǎng)互動模塊

作為ISO和發(fā)電企業(yè)信息交互的窗口，主要實現(xiàn)如下三方面功能:發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)信息管理，檢修計劃方案申報和檢修計劃考核申訴和考核、補(bǔ)償信息查詢。發(fā)電企業(yè)可在其功能模塊下實現(xiàn)對其所轄發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)信息管理，包括裝機(jī)容量、故障停運率等。檢修計劃方案申報則是發(fā)電企業(yè)將其檢修意愿按照時間窗要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行申報，所申報的內(nèi)容包括檢修時間窗和意愿成本。檢修計劃考核申訴和考核、補(bǔ)充信息查詢，是在實際運行后，發(fā)電機(jī)組根據(jù)實際運行情況對ISO所公布的考核費用和補(bǔ)充費用對其進(jìn)行查詢、申訴。

2)檢修計劃優(yōu)化編制

該功能模塊為ISO發(fā)電機(jī)組檢修計劃編制人員所主要使用的功能模塊。該模塊以本文第2節(jié)所提出的時間窗模式下的發(fā)電機(jī)組檢修計劃優(yōu)化編制模型構(gòu)建。編制人員在該功能模塊下除進(jìn)行數(shù)據(jù)信息查詢、編制外，還能根據(jù)所編制計劃的備用容量充裕度、發(fā)電可信容量指標(biāo)對其進(jìn)行綜合評估。

3)檢修計劃執(zhí)行情況分析

該模塊是按照檢修計劃編制結(jié)合和發(fā)電機(jī)組實際檢修計劃執(zhí)行情況，對其進(jìn)行考核和補(bǔ)償。各電力市場均會根據(jù)自身情況制訂其考核和補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。一般來說當(dāng)發(fā)電機(jī)組檢修計劃實際周期短于申報周期且短于全網(wǎng)同類檢修內(nèi)容平均檢修周期時，表明執(zhí)行情況較好，可給予適當(dāng)補(bǔ)償；當(dāng)超過其申報周期時，則需要對其進(jìn)行考核。該模塊所需要的發(fā)電機(jī)組實際檢修計劃執(zhí)行情況數(shù)據(jù)來自于發(fā)電計劃編制系統(tǒng)。

圖3 系統(tǒng)功能架構(gòu)

3.2 實踐應(yīng)用效益

本文所提出的時間窗模式發(fā)電機(jī)組檢修計劃優(yōu)化編制模型與方法已在西北電網(wǎng)得到實際應(yīng)用。從一年的實踐應(yīng)用情況來看，該系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用為廠網(wǎng)檢修計劃優(yōu)化創(chuàng)造了顯著效益，具體表現(xiàn)如下：

(1)改變了傳統(tǒng)指令式的編制模式，改善了廠網(wǎng)關(guān)系。項目實施后，各發(fā)電企業(yè)不僅能夠提交檢修計劃申請，而且能夠從公開平臺了解編制過程，大大提升了編制透明度，從而改善了廠網(wǎng)關(guān)系。

(2)引入了檢修意愿價格，提升了電網(wǎng)運行效益，特別是水火電檢修計劃協(xié)調(diào)優(yōu)化效益。通過引入檢修意愿價格，水電通過支付更高的成本獲得枯水期檢修的機(jī)會，而火電機(jī)組則可獲得相應(yīng)的價格補(bǔ)償。實際上實現(xiàn)了檢修計劃層面水火互濟(jì)，大大提升了雙方的運行效益。

(3)增加了檢修計劃考核力度，發(fā)電機(jī)組檢修計劃完成率大幅提高。時間窗模式下由于檢修計劃需要支付意愿成本，因此發(fā)電企業(yè)更加重視檢修計劃完成率。從西北電網(wǎng)的實踐情況來看，實施一年來，檢修計劃完成率由實施前的60%提升至95%，提升幅度超過30%。

4 結(jié)束語

本文介紹了電力市場發(fā)電機(jī)組檢修計劃編制常用的時間窗模式。提出了基于時間窗的發(fā)電機(jī)組檢修計劃優(yōu)化編制模型與算法。該成果已用于西北電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組檢修計劃編制，在改善廠網(wǎng)關(guān)系、提升運行效益和提高檢修計劃完成率三個方面取得了顯著的實施效益。