考慮不確定性的電力電量平衡分析

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 上海 200090)

電力電量平衡是電力系統(tǒng)調(diào)度計(jì)劃編制的核心,它為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了保障[1]。通過預(yù)測及保證電力電量的平衡,可以確定未來一段時(shí)間電網(wǎng)的基本運(yùn)行方式,并為設(shè)備檢修計(jì)劃、聯(lián)絡(luò)線送受電計(jì)劃、需求側(cè)管理計(jì)劃、煤炭采購計(jì)劃以及財(cái)務(wù)預(yù)算計(jì)劃等制定提供依據(jù)。在滿足電力電量平衡和電力供應(yīng)的前提下,能夠?qū)崿F(xiàn)水、火聯(lián)合發(fā)電的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模式,使全網(wǎng)效益最好[2]。為此,電力電量平衡分析一直是研究熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[3]對(duì)逐次切負(fù)荷法進(jìn)行了改進(jìn),考慮了電站運(yùn)行的限制范圍,并通過在云南電力系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用,驗(yàn)證了所提算法的實(shí)用性。文獻(xiàn)[4]提出剩余容量日利用小時(shí)控制法,解決了電力電量平衡計(jì)算中出現(xiàn)的調(diào)度被動(dòng)性和電站之間的不平等性問題。文獻(xiàn)[5]構(gòu)建了考慮電力電量平衡的安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,在滿足電網(wǎng)安全性與經(jīng)濟(jì)性要求的同時(shí)兼顧了電力電量平衡的要求。文獻(xiàn)[6]利用往年的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)行了電力電量平衡的分析,總結(jié)了中國電力需求與供給增長的歷史特征以及電力供需結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]根據(jù)地區(qū)差異,提出華東電網(wǎng)雖然在電力電量平衡方面遇到了困難,但是通過建立電力需求側(cè)管理的長效機(jī)制,能夠促進(jìn)電力電量的平衡。文獻(xiàn)[8]分析了華東地區(qū)的電力電量平衡情況,并針對(duì)需求較低的問題進(jìn)行了重點(diǎn)分析。文獻(xiàn)[9]結(jié)合華北電網(wǎng)和京津唐的一次能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電力電量平衡分析,并提出了經(jīng)濟(jì)合理的電源結(jié)構(gòu)建設(shè)方案。文獻(xiàn)[10]結(jié)合歷史數(shù)據(jù),分析了電力市場環(huán)境下的電力電量平衡,并提出了優(yōu)化運(yùn)行的方案。文獻(xiàn)[11]從電力緊缺的現(xiàn)狀出發(fā),提出電力供求的均衡模型和算法。上述文獻(xiàn)中電力電量平衡的分析大多基于外部條件已知的前提,缺少了對(duì)不確定性運(yùn)行情況的考慮。

本文以促進(jìn)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為前提,考慮水火聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中自然來水與負(fù)荷需求的不確定性,建立了以系統(tǒng)總的電力電量缺額最小化為優(yōu)化目標(biāo)的電力電量平衡分析模型;同時(shí)研究系統(tǒng)約束、機(jī)組及機(jī)組集合約束、燃煤計(jì)劃約束、水庫用水計(jì)劃約束等約束條件及其處理方法,并選擇高效的求解算法對(duì)其進(jìn)行求解。

1 中長期電力電量平衡分析模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

中長期電力電量平衡分析是以計(jì)劃期間系統(tǒng)總的電力電量缺額最小化為優(yōu)化目標(biāo),優(yōu)化計(jì)劃期內(nèi)各水火電廠的發(fā)電量、燃煤計(jì)劃和水庫水位,因此目標(biāo)函數(shù)為

(1)

式中:c——場景編號(hào);

T——時(shí)段數(shù)目;

ωc——c場景的權(quán)重;

α——電量缺額的權(quán)重系數(shù);

1.2 系統(tǒng)約束

(1) 電量平衡為

(2)

式中:I——火電機(jī)組的數(shù)目;

H——水電機(jī)組的數(shù)目;

WD,t——t時(shí)段的需求電量。

(2) 電力平衡為

(3)

PD,t——t時(shí)刻的最大負(fù)荷;

Rt——t時(shí)刻的系統(tǒng)備用。

(3) 火電系統(tǒng)最小和最大發(fā)電量約束為

(4)

式中:Wmin,ip,t,Wmax,ip,t——火電系統(tǒng)的最小和最大發(fā)電量;

ip——火電廠編號(hào);

L——火電廠總數(shù)目。

(4) 水電系統(tǒng)最小和最大發(fā)電量約束

(5)

式中:Wmin,hp,t,Wmax,hp,t——水電系統(tǒng)的最小和最大發(fā)電量。

hp——水電廠編號(hào);

M——水電廠總數(shù)目。

1.3 機(jī)組及機(jī)組集合約束

(1) 水電機(jī)組出力約束[12]為

(6)

(7)

(2) 機(jī)組最大發(fā)電量(最大可用容量)約束。對(duì)單一發(fā)電廠,其最大發(fā)電量與最大發(fā)電功率、負(fù)荷率有關(guān)。

?i,?t,?c

(8)

(9)

Di,t,Dh,t——水火電機(jī)組的有效出力系數(shù),該系數(shù)綜合考慮了負(fù)荷率和強(qiáng)迫停運(yùn)率;

Nt——t時(shí)段的小時(shí)數(shù)。

(3) 機(jī)組最小和最大發(fā)電量約束[13]。各機(jī)組的發(fā)電量應(yīng)在一定約束范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化。

(10)

(11)

式中:Wmin,i——火電系統(tǒng)的最小發(fā)電量;

Wmin,h——水電系統(tǒng)的最小發(fā)電量。

(4) 電廠集合最小和最大發(fā)電量約束。對(duì)于任一時(shí)段,各電廠集合的總發(fā)電量應(yīng)滿足上下限約束。

(12)

式中:Wmin,m,t,Wmax,m,t——電廠集合m第t時(shí)段的最小和最大發(fā)電量;

Mm——水電廠集合m。

1.4 燃煤計(jì)劃約束

火電廠燃煤庫存動(dòng)態(tài)約束[14]和最小燃煤庫存約束分別為

(13)

gip,t≥Gip,min

(14)

式中:gip,t——火電廠ip第t時(shí)段的燃煤庫存;

Gip,t——火電廠ip第t時(shí)段的供煤計(jì)劃;

Fi——煤耗系數(shù);

Gip,min——火電廠ip最小燃煤庫存。

1.5 水庫用水計(jì)劃約束

(1) 水庫流量約束。發(fā)電流量應(yīng)在其上下限之間。

(15)

(16)

(17)

(18)

Qmin,h,Qmax,h——發(fā)電流量上下限;

(2) 水庫期末庫容約束。調(diào)度期末,各水電廠應(yīng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的水位或庫容。

?hp,?c

(19)

Vterm,hP——設(shè)定的調(diào)度期末的庫容。

(3) 庫容約束。各水庫的庫容應(yīng)在可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)變化。

≤Vmax,hp,t?hp,?c

(20)

(21)

Vmax,hp,t,Vmin,hp,t——第t時(shí)段庫容的上下限。

(4) 水量平衡約束。對(duì)于任意時(shí)段,各水庫蓄水量應(yīng)保持動(dòng)態(tài)平衡。

(22)

式中:Δt——時(shí)段內(nèi)包含的小時(shí)數(shù);

(5) 水能和電能轉(zhuǎn)換平衡。各水電機(jī)組將水能轉(zhuǎn)化為電能。

(23)

式中:ηh——第h個(gè)水電機(jī)組庫容下的發(fā)電耗水率。

由于上述中長期電力電量平衡分析模型已構(gòu)建為線性規(guī)劃模型,因此在GAMS軟件平臺(tái)上調(diào)用線性規(guī)劃算法予以求解。

2 算例分析

測試系統(tǒng)為單場景和多場景,計(jì)劃周期為2年的中長期調(diào)度問題,包含2臺(tái)火電機(jī)組、6臺(tái)水電機(jī)組共8臺(tái)機(jī)組,其中機(jī)組的原始數(shù)據(jù)來自于文獻(xiàn)[15]。

2.1 單場景下的電力電量平衡分析

在單一場景下,不考慮缺煤以及水電和火電機(jī)組出力的扣減,結(jié)合電網(wǎng)的基本數(shù)據(jù),對(duì)電力電量平衡分析模型進(jìn)行了仿真分析,得到了以下優(yōu)化結(jié)果。

(1) 電力電量平衡情況。經(jīng)仿真計(jì)算,由于該場景下燃料供應(yīng)充足,來水情況正常,各時(shí)段電力電量缺額均為零,電力系統(tǒng)處于電力電量平衡的狀態(tài)。

(2) 計(jì)劃周期內(nèi)水火電的發(fā)電量。對(duì)以電力電量缺額最小為目標(biāo)的仿真模型進(jìn)行求解,得到滿足系統(tǒng)各種發(fā)用電約束的可行的水火電計(jì)劃,如圖1所示。火電機(jī)組承擔(dān)主要的發(fā)電需求,因而該水火電計(jì)劃既不節(jié)能也不經(jīng)濟(jì),需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 單一場景下各時(shí)段水電和火電機(jī)組發(fā)電量

2.2 多場景下的電力電量平衡分析

考慮了以下4個(gè)調(diào)度場景,對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行計(jì)劃周期為2年的電力電量平衡分析:中場景是指自然來水、系統(tǒng)最大負(fù)荷、系統(tǒng)發(fā)電量需求均為計(jì)劃值;高場景是指自然來水為計(jì)劃值的110%,系統(tǒng)最大負(fù)荷為計(jì)劃值,系統(tǒng)發(fā)電量需求為110%的計(jì)劃值;中場景1是指自然來水為計(jì)劃值的90%,系統(tǒng)最大負(fù)荷為計(jì)劃值,系統(tǒng)發(fā)電量需求為120%的計(jì)劃值;高場景1是指自然來水為計(jì)劃值的120%,系統(tǒng)最大負(fù)荷為計(jì)劃值,系統(tǒng)發(fā)電量需求為90%的計(jì)劃值。

(1) 電力電量平衡情況。經(jīng)過仿真計(jì)算,中場景、高場景、中場景1和高場景1的電力缺額均為零,僅有高場景1的電量缺額為零,其余3個(gè)場景均在一些時(shí)段存在電量缺額,這說明本文提出的電力電量平衡分析方法能夠針對(duì)不同的調(diào)度場景進(jìn)行水電和火電發(fā)電供需平衡的分析,適應(yīng)性很強(qiáng)。

(2) 水電和火電機(jī)組發(fā)電情況。4種場景下水電和火電的計(jì)劃發(fā)電量如圖2所示。為了滿足發(fā)電需求,與中場景相比,高場景下水電和火電的發(fā)電量均有所增加,而水電機(jī)組和發(fā)電量增加更為明顯;相比于中場景,中場景1中水電機(jī)組的發(fā)電量增加幅度較大,而火電機(jī)組的發(fā)電量與高場景下的火電機(jī)組發(fā)電量增加幅度相差不多;與中場景比較,高場景1的水電機(jī)組和火電機(jī)組的發(fā)電量均有所減少,水電機(jī)組的發(fā)電量大多數(shù)時(shí)段都減小至零。

圖2 4種場景下的水電和火電計(jì)劃發(fā)電量比較

(3) 火電煤耗量。圖3為4種場景下的火電煤耗比較。相比于中場景,高場景和中場景1中火電的發(fā)電煤耗量在大多數(shù)時(shí)段均有所增加,其中第2時(shí)段和第14時(shí)段增加最多,且中場景1比高場景的增加量更多。

對(duì)比中場景,中場景1的發(fā)電煤耗量在各時(shí)段均有所減少,其中在第13時(shí)段和第15時(shí)段減少最多。

圖3 4種場景下的火電煤耗比較

3 結(jié) 語

本文針對(duì)中長期水火電聯(lián)合發(fā)電計(jì)劃之間的復(fù)雜關(guān)系,綜合考慮自然來水和負(fù)荷需求的不確定性,建立了考慮一次能源不確定性的多場景中長期水火電站聯(lián)合電力電量平衡分析模型。該模型能夠全面優(yōu)化計(jì)劃周期內(nèi)各水火電站的發(fā)電量、水庫水位和用煤計(jì)劃。實(shí)際算例分析結(jié)果表明,水電和負(fù)荷的不確定性會(huì)影響電力電量平衡的分析結(jié)果,需要予以考慮;多場景法能夠有效地進(jìn)行不確定性建模,可以有針對(duì)性地開展電力電量平衡分析。