電力市場(chǎng)過渡期的中長(zhǎng)期交易安全校核

杜延菱， 張志， 李遠(yuǎn)卓， 王浩儒， 賴曉文， 汪洋

(1. 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司, 北京 100053；2.北京清能互聯(lián)科技有限公司，北京 100080；3.清華大學(xué)，北京 100084)

0 引 言

中長(zhǎng)期安全校核是開展電力市場(chǎng)交易時(shí)確保電網(wǎng)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電網(wǎng)運(yùn)行邊界條件不確定性、電網(wǎng)運(yùn)行方式變化、計(jì)劃臨時(shí)調(diào)整和市場(chǎng)交易變化等問題均會(huì)影響到校核的結(jié)論。當(dāng)前我國(guó)還未建立完善的電力現(xiàn)貨市場(chǎng)，正處于電力市場(chǎng)過渡期，大部分的交易電量由市場(chǎng)成員分散決策確定，且經(jīng)過多周期的迭代交易簽訂的中長(zhǎng)期合同往往為電量合同，未明確交易電量的分時(shí)電力曲線。電力交易的分散決策給電網(wǎng)安全帶來(lái)了較大的不確定性[1-2]，而多周期迭代交易增加了預(yù)估電網(wǎng)安全邊界和裕度的難度。因此，在綜合考慮電網(wǎng)運(yùn)行安全的前提下，如何實(shí)現(xiàn)未來(lái)態(tài)交易關(guān)鍵校核斷面的生成，如何對(duì)中長(zhǎng)期電量合同進(jìn)行精細(xì)、高效的校核，成為亟待解決的難題。

現(xiàn)有的一些文獻(xiàn)提及了中長(zhǎng)期交易安全校核相關(guān)的研究工作。文獻(xiàn)[3]提出了大用戶直購(gòu)電交易下省級(jí)電網(wǎng)的安全校核工作內(nèi)容、校核流程和求解算法。文獻(xiàn)[4]提出了節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式下的中長(zhǎng)期安全校核的功能和流程，提出安全分區(qū)及安全分區(qū)校核的算法流程；考慮到中長(zhǎng)期安全校核模型的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[5]用局部最小偏差的分段線性化方法以提取特征時(shí)段，大幅提高了安全校核模型的求解效率。但這些工作缺乏對(duì)中長(zhǎng)期交易安全校核的精細(xì)化考慮，計(jì)算效率也存在較大的提升空間，難以滿足當(dāng)前中長(zhǎng)期交易安全校核的應(yīng)用需求。

本文結(jié)合電力市場(chǎng)過渡期對(duì)中長(zhǎng)期交易安全校核的實(shí)際需求和當(dāng)前電力調(diào)度運(yùn)行現(xiàn)狀，提出了考慮安全約束閉環(huán)優(yōu)化的中長(zhǎng)期交易安全校核方法，設(shè)計(jì)了中長(zhǎng)期交易安全校核決策流程，研究了中長(zhǎng)期交易安全校核關(guān)鍵技術(shù)，最后基于我國(guó)某省實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提出方法的有效性。

1 中長(zhǎng)期交易安全校核的決策方法

結(jié)合中長(zhǎng)期交易安全校核的核心需求，本文提出了一種考慮安全約束閉環(huán)優(yōu)化的中長(zhǎng)期交易安全校核決策方法，如圖1所示。其總體思路和流程如下：

(1)在組織交易之前，電網(wǎng)調(diào)度部門計(jì)算極限電量，例如在國(guó)家電網(wǎng)公司的相關(guān)規(guī)范中，需要計(jì)算的極限電量包括機(jī)組(電廠)極限電量、機(jī)組群極限電量、總電量、斷面極限電量及必開機(jī)組最低電量等。

(2)電力交易中心根據(jù)極限電量，組織電力交易，形成各機(jī)組(電廠)的中長(zhǎng)期電量計(jì)劃(含基數(shù)電量和直接交易電量)。

(3)按電量完成進(jìn)度均衡原則，將中長(zhǎng)期電量計(jì)劃分解為逐日機(jī)組開機(jī)組合和發(fā)電出力計(jì)劃。

(4)根據(jù)逐日機(jī)組開機(jī)組合和發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行安全校核。

(5)若無(wú)法滿足全部安全約束，則給出越限情況明細(xì)及機(jī)組出力(或開停機(jī))調(diào)整建議，發(fā)電機(jī)根據(jù)調(diào)整建議優(yōu)化分解過程或調(diào)整電量計(jì)劃，至安全約束全部滿足。

(6)若全部安全約束均滿足，則將可行的電量計(jì)劃與之前相比，若無(wú)調(diào)整，則認(rèn)為安全校核通過，否則認(rèn)為安全校核不(完全)通過，并給出部分電廠電量計(jì)劃的增減建議。

其中，步驟(1)稱為事前校核，步驟(4)～(6)稱為事后校核。此處“事前”、“事后”指政府主管部門/交易中心組織直接交易前、后。事前、事后安全校核是整個(gè)中長(zhǎng)期交易校核的核心技術(shù)內(nèi)容，下面將重點(diǎn)介紹。

圖1 中長(zhǎng)期交易安全校核的決策方法

2 中長(zhǎng)期交易安全校核模型

2.1 中長(zhǎng)期交易事前安全校核模型

事前安全校核以機(jī)組(機(jī)組群或電廠)的電量最大或最小為目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算不同極限電量對(duì)應(yīng)不同的目標(biāo)函數(shù)，比如，若考慮機(jī)組最大極限電量，則以機(jī)組的最大電量為目標(biāo)函數(shù)[6]：

(1)

式中:Pi,t為發(fā)電機(jī)組i在時(shí)段t的有功出力；T為優(yōu)化總時(shí)段數(shù)；NG為發(fā)電機(jī)組總數(shù)；H0為發(fā)電計(jì)劃周期內(nèi)的時(shí)段長(zhǎng)度。

所需要考慮的約束包括系統(tǒng)負(fù)荷平衡約束、系統(tǒng)備用約束等[7-8]。

1)系統(tǒng)負(fù)荷平衡約束

(2)

式中:Dt為時(shí)段t的電網(wǎng)總負(fù)荷。

2)系統(tǒng)備用約束

(3)

3)機(jī)組最小持續(xù)開機(jī)/關(guān)機(jī)時(shí)間約束條件

(4)

式中:ti,t,on為機(jī)組i在時(shí)段t的持續(xù)開機(jī)時(shí)間；ti,t,off為機(jī)組i在時(shí)段t的持續(xù)關(guān)機(jī)時(shí)間;Ti,U為機(jī)組i的最小持續(xù)開機(jī)時(shí)間；Ti,D為機(jī)組i的最小持續(xù)關(guān)機(jī)時(shí)間。

4)機(jī)組出力上下限約束

(5)

5)機(jī)組爬坡能力約束

(6)

(7)

6)線路潮流約束

(8)

式中:K為系統(tǒng)中的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)總數(shù)；L為系統(tǒng)拓?fù)渲械木€路總數(shù)；Pl,max為線路l傳輸功率的上限；Pl,min為線路l傳輸功率的下限；Dj,t為電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)j在時(shí)段t的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷預(yù)測(cè)值；Gl-i為機(jī)組i對(duì)線路l的節(jié)點(diǎn)-線路功率轉(zhuǎn)移分布因子；Gl-j為負(fù)荷j對(duì)線路l的節(jié)點(diǎn)-線路功率轉(zhuǎn)移分布因子。

7)N-1故障下的線路潮流約束

(9)

式中:dl-c為線路c發(fā)生故障對(duì)線路l的開斷轉(zhuǎn)移分布因子。該約束表示在線路c發(fā)生N-1故障情況下，其他線路仍需滿足線路潮流極限約束。

2.2 中長(zhǎng)期交易事后安全校核模型

中長(zhǎng)期交易事后安全校核模型本質(zhì)上是一個(gè)考慮安全約束的中長(zhǎng)期機(jī)組組合模型。該模型以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小(包括機(jī)組運(yùn)行成本與機(jī)組啟停成本)為目標(biāo)函數(shù)：

(10)

需要滿足的約束條件包括第2.1節(jié)中的約束式(2)～式(9)及合約電量約束。合約電量約束可表示如下：

(11)

式中:Wi為發(fā)電機(jī)組i的合約電量。

3 算例分析

為了驗(yàn)證本文所提出中長(zhǎng)期交易安全校核決策流程與關(guān)鍵技術(shù)的有效性，本文測(cè)試了中國(guó)某省級(jí)電網(wǎng)算例。該算例包含機(jī)組96臺(tái)，線路921條，節(jié)點(diǎn)336個(gè)，電廠15個(gè)。這里考慮年度電量安全校核，方便起見，合同電量約束以電廠為單位考慮，一共考慮366天，每天分別考慮高峰、低谷負(fù)荷2個(gè)時(shí)段，也即共考慮732個(gè)時(shí)段。

3.1 事前校核

事前校核的核心是極限電量的計(jì)算，包括機(jī)組(電廠)極限電量、機(jī)組群極限電量、總電量、斷面電量及必開機(jī)組最低電量等。依據(jù)事前校核模型，各電廠的極限電量如圖2所示。

圖2 電廠的最大/最小極限電量

事前校核工作可以有效地計(jì)算目標(biāo)機(jī)組、電廠或機(jī)組群的極限電量，從而為中長(zhǎng)期交易直接交易的組織及安全校核提供邊界條件。

3.2 事后校核

根據(jù)事前校核所得電量極限和政府下達(dá)的基數(shù)電量，給出各電廠的電量計(jì)劃如圖3所示。

圖3 各電廠的年度電量計(jì)劃

根據(jù)2.2節(jié)所建立的數(shù)學(xué)模型，對(duì)圖3所示各電廠的年度電量計(jì)劃進(jìn)行校核，結(jié)果表明給定的各電廠電量計(jì)劃滿足要求，校核通過。此時(shí)，計(jì)算各機(jī)組每天的開停機(jī)狀態(tài)及出力，受到篇幅所限，這里不再單獨(dú)列出每天每臺(tái)機(jī)組的開停機(jī)狀態(tài)及出力情況。

選取其中某月的計(jì)算結(jié)果，對(duì)各時(shí)段的正備用率和負(fù)備用率進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示。由圖4可知，大多數(shù)時(shí)段系統(tǒng)的正備用率、負(fù)備用率均大于備用率下限0.08，由此可見，該月的電量計(jì)劃應(yīng)對(duì)發(fā)電機(jī)故障退出運(yùn)行、負(fù)荷預(yù)測(cè)偏差或者開機(jī)過多的能力較強(qiáng)，電量計(jì)劃具有良好的魯棒性。

圖4 各時(shí)段的系統(tǒng)備用率

由該算例可如，本文所提出的中長(zhǎng)期交易安全校核的決策過程是合理的，相對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)是有效的。采用本文所提出的中長(zhǎng)期交易安全校核決策流程和核心技術(shù)，能夠精確、高效地對(duì)機(jī)組以及電廠的中長(zhǎng)期交易合同進(jìn)行安全校核。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了電力市場(chǎng)過渡期中長(zhǎng)期交易安全校核的決策方法和流程，主要包括基于極限電量的中長(zhǎng)期事前電量安全校核以及基于安全約束機(jī)組組合的中長(zhǎng)期事后電量安全校核方法?；谥袊?guó)某省級(jí)電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)的算例表明，本文提出的決策方法、流程和核心技術(shù)能夠在保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的前提下，精確、高效地實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)期交易的安全校核。