節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式下的AGC 機(jī)組調(diào)配策略研究

周永燦， 吳英俊

（1. 中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心， 廣州 510623； 2. 河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院， 南京 211100）

0 引言

為了提高電力市場(chǎng)的能源利用率， 保護(hù)生態(tài)環(huán)境及保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行， 國家發(fā)改委等部門于2007 年8 月頒布了《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法（試行）》， 在全國范圍實(shí)施節(jié)能發(fā)電調(diào)度。

不同于傳統(tǒng)的計(jì)劃電量調(diào)度方式和國際上普遍實(shí)行的以發(fā)電報(bào)價(jià)單一因素排序形成交易計(jì)劃的市場(chǎng)機(jī)制， 節(jié)能發(fā)電調(diào)度是在保證電力供應(yīng)量和維持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下， 以節(jié)約能源和成本為目標(biāo)， 要求優(yōu)先使用可再生能源、清潔能源和其他污染低的發(fā)電資源， 盡可能的保護(hù)生態(tài)環(huán)境。 在實(shí)施節(jié)能發(fā)電調(diào)度過程中， 各地區(qū)政府部門需要根據(jù)機(jī)組能效情況編制排序表，并結(jié)合實(shí)際情況做出調(diào)整。 因此， 如何正確、 合理的進(jìn)行機(jī)組排序， 對(duì)順利實(shí)施節(jié)能發(fā)電調(diào)度至關(guān)重要。

在節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式下， 主要目標(biāo)是在計(jì)及各種等式與不等式約束條件下， 以機(jī)組發(fā)電總能耗最低為目標(biāo)， 是目標(biāo)優(yōu)化問題。 如何兼顧發(fā)電調(diào)度的安全性和節(jié)能性， 國內(nèi)外學(xué)者及電網(wǎng)運(yùn)行管理人員從多方面進(jìn)行了研究。 文獻(xiàn)[1]提出了考慮節(jié)能發(fā)電調(diào)度規(guī)則的混合整數(shù)線性規(guī)劃機(jī)組組合與發(fā)電計(jì)劃模型用以實(shí)現(xiàn)廣東電網(wǎng)的節(jié)能發(fā)電調(diào)度。 文獻(xiàn)[2]分析了機(jī)組啟停、 機(jī)組調(diào)節(jié)能力、時(shí)段耦合、 網(wǎng)損、 替代發(fā)電、 電廠安全生產(chǎn)對(duì)節(jié)能發(fā)電調(diào)度的影響， 并提出了相應(yīng)的改進(jìn)策略。文獻(xiàn)[3]依據(jù)節(jié)能發(fā)電調(diào)度原則， 開展了基于節(jié)能發(fā)電調(diào)度的減少電網(wǎng)水電旋轉(zhuǎn)備用的研究， 對(duì)某省電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能發(fā)電調(diào)度中的水電旋轉(zhuǎn)備用問題進(jìn)行了研究。 南方電網(wǎng)于2018 年提出了《南方電網(wǎng)清潔能源調(diào)度操作規(guī)則（試行）》， 從清潔能源調(diào)度計(jì)劃編制、 跨省區(qū)優(yōu)化調(diào)度、 市場(chǎng)化交易及結(jié)算等方面進(jìn)一步明確了節(jié)能發(fā)電調(diào)度原則下的具體操作方法。 隨著政府出臺(tái)打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”和“污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)”三年行動(dòng)計(jì)劃， 節(jié)能發(fā)電調(diào)度下如何更大程度消納清潔能源更成為電力行業(yè)的關(guān)注焦點(diǎn)[4-8]。

在算法方面， 文獻(xiàn)[9]全方位分析了與環(huán)境相關(guān)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方面的算法， 闡述了其優(yōu)缺點(diǎn)； 文獻(xiàn)[10]基于改進(jìn)的Hopfield 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法改進(jìn)多目標(biāo)問題， 并對(duì)其搜索最優(yōu)解； 文獻(xiàn)[11]研究了各種發(fā)電機(jī)組在不同約束下的分類情況， 約束條件為環(huán)境保護(hù)及電網(wǎng)拓?fù)浼s束， 機(jī)組為混合燃料、轉(zhuǎn)換燃料及聯(lián)合循環(huán)； 文獻(xiàn)[12]以模型建設(shè)成本和燃料使用成本最小化為目標(biāo)函數(shù)， 建立長期電源規(guī)劃的最優(yōu)多約束模型， 使得各類電源的長期規(guī)劃成為可能， 并以污染排放量為約束條件， 使得模型最優(yōu)； 文獻(xiàn)[13]將污染排放和買電成本加入目標(biāo)函數(shù)中， 研究了一種多目標(biāo)的最優(yōu)潮流解法。 文獻(xiàn)[14]提出一種求解電力系統(tǒng)機(jī)組組合的新方法， 將機(jī)組組合問題分解為末狀態(tài)和狀態(tài)改變時(shí)間優(yōu)化2 個(gè)過程， 利用貪婪算法確定機(jī)組組合初始解， 進(jìn)而遍歷機(jī)組組合方案以保證問題優(yōu)化的深度。

智能算法雖然能解決多目標(biāo)優(yōu)化中遇到的各種數(shù)學(xué)障礙， 但在實(shí)際應(yīng)用中卻存在計(jì)算時(shí)間較長、 優(yōu)化過程難以復(fù)現(xiàn)、 優(yōu)化結(jié)果不唯一等問題， 較難直接應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)調(diào)度中。 本文從節(jié)能發(fā)電的角度出發(fā)， 將影響AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）機(jī)組運(yùn)行的幾個(gè)因素通過AHP（層次分析法）納入到計(jì)算模型中， 通過算例， 針對(duì)具體的AGC 機(jī)組在節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式下的不同的調(diào)配方案進(jìn)行討論，提出適合節(jié)能發(fā)電調(diào)度下的AGC 優(yōu)化決策模型， 為發(fā)電調(diào)度實(shí)際運(yùn)行提供輔助決策。

1 AGC 機(jī)組的服務(wù)成本及特性要求

AGC 機(jī)組的調(diào)節(jié)速率、 調(diào)節(jié)容量、 調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)時(shí)間需要實(shí)時(shí)滿足電網(wǎng)的需求。 在節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式下， 機(jī)組的能耗及排放作為重要的性能指標(biāo)應(yīng)該加以統(tǒng)籌。

調(diào)節(jié)速率是指機(jī)組自身調(diào)節(jié)的工作速率， 用以參與電網(wǎng)的頻率響應(yīng)， 在機(jī)組工作區(qū)間內(nèi)， 反應(yīng)了AGC 機(jī)組的頻率響應(yīng)速度。 調(diào)節(jié)速率有上升方向和下降方向， 上升速率和下降速率因?yàn)楦鞣N因素的影響有所差距， 并且參與響應(yīng)的機(jī)組也可能不是同一臺(tái)， 為方便處理， 本文將機(jī)組上升速率和下降速率設(shè)置一致。

AGC 的機(jī)組調(diào)節(jié)容量可以用作系統(tǒng)的備用容量， 表示AGC 機(jī)組的最大出力值與最小出力值之差， 兩個(gè)值都不會(huì)越過AGC 機(jī)組的出力范圍。 從系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力來說，AGC 調(diào)節(jié)容量越大，機(jī)組的能效越高； 從經(jīng)濟(jì)性考慮， AGC 容量又不能太大， 可以通過以往經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況來確定調(diào)節(jié)容量。

AGC 的調(diào)節(jié)精度指AGC 機(jī)組出力失去控制之后的實(shí)際出力值與預(yù)期出力值的差值， 此值可以用來檢驗(yàn)AGC 的運(yùn)行狀況， 查驗(yàn)是否處于正常工作控制狀態(tài)。

AGC 的響應(yīng)時(shí)間指響應(yīng)動(dòng)作與系統(tǒng)指令發(fā)出之間的延遲時(shí)間， 各機(jī)組的響應(yīng)時(shí)間受到自身特性、 參數(shù)和控制方式的影響， 機(jī)組的控制方式與調(diào)節(jié)方式的合理、 完善決定了AGC 系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果。

AGC 機(jī)組的能耗及排放指標(biāo)可以用機(jī)組的平均煤耗來研究。 平均煤耗反映了火電廠自身技術(shù)裝備水平、 生產(chǎn)運(yùn)行和管理水平所帶來的燃料消耗量和排放量上的高低差別， 因而是衡量電廠能源利用率的重要指標(biāo)。

2 基于AHP 的AGC 機(jī)組模型

2.1 AHP 原理

AHP 是用于分析復(fù)雜系統(tǒng)的一種決策方法，由于復(fù)雜系統(tǒng)由許多具有相關(guān)性的簡單系統(tǒng)構(gòu)成， AHP 適用于解決包含多個(gè)目標(biāo)函數(shù)的復(fù)雜問題。 AHP 運(yùn)用理性的方法解決半定性半定量的復(fù)雜問題， 將各種相關(guān)因素聚類分析比較， 分析其相關(guān)性， 為趨勢(shì)評(píng)估提供了更加科學(xué)的方法。

2.2 AGC 機(jī)組模型的建立步驟

本文從調(diào)度中心的角度選擇參與實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的AGC 機(jī)組， 各機(jī)組在申報(bào)AGC 機(jī)組調(diào)節(jié)容量及其調(diào)節(jié)速率的同時(shí)， 提交其相應(yīng)的調(diào)節(jié)精度、 響應(yīng)時(shí)間及能耗水平。 考慮以上因素調(diào)度中心對(duì)參與負(fù)荷調(diào)節(jié)的AGC 機(jī)組進(jìn)行綜合評(píng)估， 根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行選擇。

（1）基于AHP 建立用于層次結(jié)構(gòu)分析的模型。首先分析問題， 其次分析AGC 的層次結(jié)構(gòu)， 如圖1 所示評(píng)估了機(jī)組的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

圖1 AGC 機(jī)組綜合評(píng)估層次結(jié)構(gòu)

（2）在每層遞階層次結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上構(gòu)造矩陣， 用于判斷下層元素x1， x2，…， xm關(guān)于支配它的上層y（底層忽略不計(jì)）的排序權(quán)重p1， p2， …， pm。 各個(gè)元素對(duì)應(yīng)的權(quán)重用百分?jǐn)?shù)來表示， 滿足0≤pi≤1， 并且

下層元素受上層元素控制， 其中的m 個(gè)元素為： x1， x2， …， xm， 用aij來表示xi與xj關(guān)于上層元素y 的影像比值， 得出以下矩陣：

式中： A 為x1， x2， …， xm關(guān)于y 兩兩比較的判斷矩陣， 簡稱“判斷矩陣”， 其中本文aij的值采用9標(biāo)度法確定。

（3）層次單層排序及一致性檢驗(yàn)。

按照式（2）求解判斷矩陣A 特征根：

求解特征值λmax所對(duì)應(yīng)的特征向量， 通過歸一化處理得出下層元素x1， x2，…， xm關(guān)于支配它的上層y 的排序權(quán)重值， 再對(duì)判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。

（4）將層次進(jìn)行總體排序。 計(jì)算所在層所有元素對(duì)應(yīng)最高層的重要性排序權(quán)重值， 對(duì)所有判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

求出判斷矩陣的特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量，求出相關(guān)權(quán)重系數(shù)， 得到的關(guān)系式就是綜合評(píng)價(jià)公式：

運(yùn)用綜合評(píng)估公式評(píng)估不同AGC 機(jī)組的各種指標(biāo)， 計(jì)算出的值就是綜合評(píng)估值。

2.3 選擇AGC 機(jī)組

將AGC 機(jī)組的選擇使用情況看做一個(gè)復(fù)雜約束問題， 需要求其極值， 將參與響應(yīng)的AGC 機(jī)組收益最大作為目標(biāo)函數(shù)， 目標(biāo)函數(shù)如下：

式中： E 為選擇n 個(gè)AGC 機(jī)組參與負(fù)荷波動(dòng)平衡的貢獻(xiàn)綜合評(píng)估值； y（j）為貢獻(xiàn)綜合評(píng)估值； x1j，x2j， x3j， x4j， x5j為第j 個(gè)AGC 機(jī)組的調(diào)節(jié)容量、 調(diào)節(jié)速率、 調(diào)節(jié)精度、 響應(yīng)時(shí)間及平均煤耗。 約束條件的含義是AGC 機(jī)組各個(gè)性能指標(biāo)的上下限值以及平衡負(fù)荷波動(dòng)所需備用容量的上下限。

將所有AGC 機(jī)組評(píng)估指標(biāo)全部代入公式（3）， 得出每臺(tái)機(jī)組的綜合評(píng)估值， 再代入公式（4）， 求出目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。

3 算例分析

在節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式下， 某系統(tǒng)中有AGC機(jī)組10 臺(tái)， 機(jī)組的各項(xiàng)指標(biāo)如表1 所示。

在節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式下， 設(shè)計(jì)2 種方案進(jìn)行對(duì)比分析。 方案一強(qiáng)調(diào)節(jié)能經(jīng)濟(jì)性， 方案二強(qiáng)調(diào)安全性， 對(duì)2 種方案的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。

3.1 方案的選擇

（1）方案一： 某電網(wǎng)運(yùn)行較為平穩(wěn)， 負(fù)荷波動(dòng)小， 普通AGC 機(jī)組的選擇可以滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求， 所以主要考慮環(huán)保節(jié)能。 因此將各項(xiàng)性能指標(biāo)的判斷矩陣定為：

表1 AGC 機(jī)組指標(biāo)

由判斷矩陣A1可知： 機(jī)組的平均煤耗比調(diào)節(jié)容量和調(diào)節(jié)速率強(qiáng)烈重要， 比調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)時(shí)間極重要； 調(diào)節(jié)容量和調(diào)節(jié)速率同樣重要； 調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)時(shí)間同樣重要； 調(diào)節(jié)容量和調(diào)節(jié)速率比調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)時(shí)間強(qiáng)烈重要。

對(duì)方案一中的A1判斷矩陣進(jìn)行求最大特征值及對(duì)應(yīng)的歸一化后的特征向量， λA1-max=5.305，w（2）=[0.144 7， 0.144 7， 0.038 8， 0.038 8， 0632 9]T，由于A1矩陣并不是正互反矩陣， 因此要對(duì)A1 的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)， C.I.表示一致性指標(biāo)， 用于計(jì)算一致性比率C.R.的值， C.R.小于0.1 時(shí)， 表示比較矩陣A1不一致性程度在允許范圍內(nèi)， 檢驗(yàn)步驟如下：

查表可得當(dāng)n＝5 時(shí)R.I.=1.12， 所以

因此矩陣A1 有滿意的一致性， 可以取用。

得到方案1 中各機(jī)組關(guān)于目標(biāo)層的合成權(quán)重向量為：

根據(jù)各機(jī)組關(guān)于目標(biāo)層的合成權(quán)重， 可以給出方案一中的10 臺(tái)機(jī)組的發(fā)電序位， 見表2。

表2 方案一中的發(fā)電序位表

注意的是， 當(dāng)2 臺(tái)機(jī)組的合成權(quán)重相同時(shí)，選擇機(jī)組可以根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的情況， 如電網(wǎng)要求快速響應(yīng)負(fù)荷的波動(dòng)， 可以選擇調(diào)節(jié)速率和響應(yīng)時(shí)間快的機(jī)組， 如果電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)的幅度較大，則可以選擇調(diào)節(jié)容量較大的機(jī)組。

（2）方案二： 某電網(wǎng)要求AGC 機(jī)組的技術(shù)性能應(yīng)以盡量滿足電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行為主， 節(jié)能指標(biāo)處于次要位置。 在這種情況下， 各項(xiàng)指標(biāo)比較判斷矩陣為：

由判斷矩陣A2 可知： 機(jī)組的調(diào)節(jié)容量和調(diào)節(jié)速率同樣重要； 調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)時(shí)間同樣重要； 調(diào)節(jié)容量和調(diào)節(jié)速率比調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)時(shí)間要稍重要； 調(diào)節(jié)容量和調(diào)節(jié)速率比平均煤耗要極重要； 調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)時(shí)間要比平均煤耗重要。對(duì)方案二的中的A2 采取同樣的處理， 求得其最大特征值及對(duì)應(yīng)的歸一化的特征向量為λA2-max=5.042， w（2）=[0.353 2， 0.353 2， 0.130 6， 0.130 6，0.032 3]。

同樣對(duì)A2 進(jìn)行一致性檢驗(yàn)， 檢驗(yàn)步驟如下：

因此A2 也具有滿意的一致性， 同樣可得到方案二中各機(jī)組關(guān)于目標(biāo)層的合成權(quán)重向量為： w（1）=u（3）w（2）=[0.123 5，0.084 3，0.097 8，0.112 3，0.119 4，0.089 2， 0.081 8， 0.102 6， 0.103， 0.085 9]T。

方案二中的機(jī)組發(fā)電序位如表3 所示。

表3 方案二中的發(fā)電序位

3.2 方案對(duì)比分析

通過對(duì)2 個(gè)方案中的發(fā)電序位進(jìn)行比較， 可以看到， 機(jī)組1， 5 和4 的發(fā)電序位在2 個(gè)方案的序位表中的排序是一致的。 通過AHP 可以使各項(xiàng)性能都較優(yōu)的機(jī)組優(yōu)先得到選擇， 某些性能較優(yōu)但整體性能并不太強(qiáng)的機(jī)組在不同的方案中序位會(huì)隨之改變。 表4 對(duì)各種方案的機(jī)組發(fā)電排序進(jìn)行比較， 可以很容易看出各方案調(diào)配機(jī)組的不同。

表4 不同方案的發(fā)電序位的比較

對(duì)比分析可以看出， 方案一、 方案二和單純以煤耗來排序確定的發(fā)電序位表都不盡相同， 尤其AGC 機(jī)組和承擔(dān)基荷任務(wù)的機(jī)組， 因此只以煤耗來排序的做法并不適用于所有AGC 機(jī)組。

4 結(jié)語

在節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式下， AHP 通過分析電網(wǎng)的要求， 得出既考慮電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力又考慮環(huán)境友好的機(jī)組使用方案。 利用AHP 具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）靈活性。 根據(jù)不同的要求來確定不同的性能指標(biāo)權(quán)重， 根據(jù)權(quán)重值選取最優(yōu)的AGC 機(jī)組。

（2）實(shí)用性。 AHP 更加貼近實(shí)際， 算法易于實(shí)現(xiàn)， 更能準(zhǔn)確分析數(shù)據(jù)運(yùn)用數(shù)據(jù)。

（3）遠(yuǎn)瞻性。 AGC 需要長期的發(fā)展， 經(jīng)濟(jì)性高， 電力企業(yè)可以優(yōu)先考慮AGC 機(jī)組性能的改善技術(shù)， 以便更好地用于工程實(shí)際， 達(dá)到節(jié)能發(fā)電調(diào)度的目地， 為系統(tǒng)篩選性能優(yōu)良的AGC 機(jī)組來提供輔助服務(wù)， 增強(qiáng)系統(tǒng)可調(diào)節(jié)能力， 保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。