調(diào)峰市場(chǎng)出清模型和關(guān)鍵技術(shù)研究

李 琦，張成剛，郭志恒，馬遠(yuǎn)程

(1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力調(diào)度控制中心,陜西 西安710048；2.北京清大科越股份有限公司，北京100084)

0 引言

現(xiàn)階段，電網(wǎng)面臨著巨大調(diào)峰壓力。隨著用電峰谷差的不斷擴(kuò)大，區(qū)域內(nèi)電力與外送電力的特性不完全匹配，新能源快速增長(zhǎng)等因素加劇了電網(wǎng)調(diào)峰的困難程度。隨著可再生能源裝機(jī)的持續(xù)增長(zhǎng)，外來(lái)電力電量的增加，都使得電網(wǎng)調(diào)峰難度更加突出。另一方面，國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)化改革進(jìn)程進(jìn)一步加快，電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)有序推進(jìn)，多項(xiàng)政策的落地均促進(jìn)了現(xiàn)有電力平衡的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)以傳統(tǒng)水電調(diào)峰為主的形式轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥稍偕茉?儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車和多用戶等不同客戶群體參與的新型調(diào)峰體系。

目前,針對(duì)電力市場(chǎng)條件下的調(diào)峰模型和技術(shù)研究不充分，文獻(xiàn)[1]分析了廣西電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)路徑及關(guān)鍵問(wèn)題；文獻(xiàn)[2]分析了不同調(diào)峰模式下負(fù)荷聚集商參與程度；文獻(xiàn)[3]分析了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)參與多調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)組合優(yōu)化調(diào)度策略；文獻(xiàn)[4]分析了新能源大規(guī)模并網(wǎng)條件下火電機(jī)組深度調(diào)峰控制策略優(yōu)化；文獻(xiàn)[5]分析了東北區(qū)域火電機(jī)組分級(jí)深度調(diào)峰經(jīng)濟(jì)效益；文獻(xiàn)[6]針對(duì)促進(jìn)負(fù)備用跨省調(diào)劑的華東電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

為此，本文針對(duì)日前市場(chǎng)和日內(nèi)市場(chǎng)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度建立了出清模型。并且針對(duì)相應(yīng)模型給出了求解算法流程。說(shuō)明了調(diào)峰市場(chǎng)與聯(lián)絡(luò)線計(jì)劃跟蹤一體化機(jī)制、起作用約束識(shí)別的SCED預(yù)處理技術(shù)和兩級(jí)調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)協(xié)調(diào)技術(shù)等調(diào)峰關(guān)鍵技術(shù)在電力市場(chǎng)中的應(yīng)用。最后針對(duì)日前市場(chǎng)調(diào)峰進(jìn)行了算例分析。

1 日前市場(chǎng)出清SCED模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

日前市場(chǎng)出清的目標(biāo)函數(shù)為最小化系統(tǒng)調(diào)峰成本：

(1)

N為機(jī)組的總臺(tái)數(shù)；S為機(jī)組調(diào)峰報(bào)價(jià)檔位數(shù)；T為調(diào)度總時(shí)段數(shù)，一般考慮24 h；Pi,s,t表示機(jī)組i第s檔在t時(shí)段的調(diào)峰中標(biāo)量；Ci,s為機(jī)組i第s檔的調(diào)峰報(bào)價(jià)。

1.2 約束條件

a.功率平衡約束。要求系統(tǒng)各個(gè)時(shí)段發(fā)電和用電之間保持功率平衡，即

(2)

Dt為t時(shí)段的系統(tǒng)負(fù)荷，該負(fù)荷已扣減聯(lián)絡(luò)線送入功率以及新能源、水電、地調(diào)電廠出力。

b.機(jī)組出力約束為

(3)

c.機(jī)組爬坡約束。機(jī)組上爬坡或下爬坡時(shí)，均應(yīng)滿足爬坡速率要求，即

(4)

(5)

d.機(jī)組調(diào)峰分段約束。當(dāng)系統(tǒng)需要調(diào)峰的時(shí)候，需要添加機(jī)組調(diào)峰分段約束，即

(6)

Pi,Base為機(jī)組i的調(diào)峰基準(zhǔn)值；M為機(jī)組報(bào)價(jià)總段數(shù)；Pi,m,t為機(jī)組i申報(bào)的第m個(gè)出力分段在t時(shí)段的中標(biāo)量。

e.機(jī)組出力平滑約束。非調(diào)峰時(shí)段為使機(jī)組出力曲線盡量平滑，需添加出力平滑約束。

(7)

f.機(jī)組上分段約束。非調(diào)峰時(shí)段且有電廠考慮電量約束，需添加機(jī)組上分段約束,即

(8)

g.風(fēng)光限電比例約束。若有棄風(fēng)棄光，則等比例削減風(fēng)光指定出力。

h.電廠電量約束。如果全天無(wú)調(diào)峰，則添加電廠電量約束，即

(9)

i.線路潮流約束為

(10)

j.斷面潮流約束為

(11)

1.3 算法流程

在全天有調(diào)峰需求時(shí)，調(diào)峰時(shí)段機(jī)組按規(guī)則中標(biāo)調(diào)峰，非調(diào)峰時(shí)段若有電廠考慮電量約束，電廠內(nèi)機(jī)組按開(kāi)機(jī)容量分電廠電量；若全天無(wú)調(diào)峰需求，則增加電廠電量約束，最大限度地滿足電廠電量的需求。

整個(gè)算法流程如圖1所示。

圖1 日內(nèi)市場(chǎng)出清求解步驟

一般來(lái)講，電廠電量是對(duì)計(jì)劃周期(全天)內(nèi)電廠計(jì)劃安排的約束，調(diào)峰出清是分時(shí)刻進(jìn)行出清的，也就是說(shuō)，如果全天都存在調(diào)峰需求，則電廠電量約束失效，如果全天存在無(wú)調(diào)峰時(shí)刻，電廠電量約束就會(huì)起到作用。

2 日內(nèi)市場(chǎng)出清SCED模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

日內(nèi)市場(chǎng)的出清SCED目標(biāo)函數(shù)同式(1)。

2.2 約束條件

a.人工指定區(qū)域調(diào)峰約束。當(dāng)人工指定區(qū)域需要調(diào)峰時(shí)，需要添加該約束，即

(12)

b.機(jī)組跟蹤日前計(jì)劃約束為

(13)

Pi,t,Plan為機(jī)組i在t時(shí)段需跟蹤的日前計(jì)劃出力。

日內(nèi)市場(chǎng)的其余約束條件同式(2)～式(11)。

2.3 算法流程

日內(nèi)調(diào)峰市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在有調(diào)峰需求的時(shí)候，按規(guī)則讓報(bào)價(jià)機(jī)組中標(biāo)調(diào)峰，出清機(jī)組中標(biāo)和出力結(jié)果。具體流程如下所述。

a.首先判斷是否有人工全網(wǎng)出清需求，若有，則按人工全網(wǎng)出清需求量出清；若無(wú)，則轉(zhuǎn)步驟b。

b.同時(shí)考慮自動(dòng)計(jì)算全網(wǎng)出清需求(依據(jù)機(jī)組調(diào)峰基準(zhǔn)值和系統(tǒng)負(fù)荷判斷得到的全網(wǎng)出清需求)和人工區(qū)域出清需求。假設(shè)自動(dòng)計(jì)算全網(wǎng)出清量為A，人工區(qū)域出清需求量為B，則具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

①若A≥B，則區(qū)域內(nèi)機(jī)組出清B電力(若區(qū)域內(nèi)機(jī)組最大調(diào)峰空間

②若A

c.某時(shí)段無(wú)全網(wǎng)出清需求且有人工區(qū)域出清需求，而其他時(shí)段有全網(wǎng)出清需求時(shí)，則嚴(yán)格保證人工區(qū)域出清需求。其他時(shí)段的全網(wǎng)出清順序可能因?yàn)榕榔碌仍蚴苡绊憽?/p>

以上步驟如圖2所示。

圖2 日內(nèi)市場(chǎng)出清求解步驟

3 調(diào)峰關(guān)鍵技術(shù)

3.1 柔建模與約束松弛技術(shù)

在實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中，有可能出現(xiàn)各類約束沖突或邊界條件不合理，造成市場(chǎng)出清模型和發(fā)電計(jì)劃模型在嚴(yán)格數(shù)學(xué)意義上不可行的情況?；陂L(zhǎng)期以來(lái)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了柔性建模與約束松弛技術(shù)，在發(fā)生不可行時(shí)能夠自動(dòng)根據(jù)事先指定的約束優(yōu)先級(jí)針對(duì)性地松弛一些非關(guān)鍵約束，確保市場(chǎng)出清和發(fā)電計(jì)劃模型在有限范圍內(nèi)能夠獲得可行結(jié)果，并且能夠根據(jù)松弛情況給出輔助信息供運(yùn)行人員進(jìn)一步分析決策。

柔性建模與約束松弛技術(shù)大大提升了市場(chǎng)出清與發(fā)電計(jì)劃優(yōu)化的魯棒性，對(duì)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行有著關(guān)鍵性意義。

3.2 基于出清約束識(shí)別的閉環(huán)SCED預(yù)處理技術(shù)

由于全網(wǎng)的斷面/線路安全約束過(guò)多，直接將所有的斷面/線路約束條件添加到數(shù)學(xué)模型中進(jìn)行優(yōu)化，必然會(huì)極大地降低計(jì)算效率。

本文提出基于起作用約束識(shí)別的閉環(huán)SCED預(yù)處理技術(shù)。首先，建立不考慮網(wǎng)絡(luò)安全約束的優(yōu)化模型，求得無(wú)安全約束出清結(jié)果；接著，計(jì)算斷面/線路的基態(tài)直流潮流，并開(kāi)展安全校核：若不存在新增斷面/線路潮流越限，則優(yōu)化結(jié)束，否則將新增斷面/線路潮流約束添加到優(yōu)化模型的約束條件中，重新計(jì)算有安全約束市場(chǎng)出清，并開(kāi)展直流潮流安全校核，如此循環(huán)直至沒(méi)有新增斷面/線路潮流越限。

該技術(shù)通過(guò)SCED與安全校核之間的迭代，逐步識(shí)別起作用約束并加入到SCED中，獲得最優(yōu)解，從而極大地提高優(yōu)化效率。具體流程如圖3所示。

圖3 閉環(huán)SCED預(yù)處理流程

在上述思路的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步利用歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，提高第1次優(yōu)化計(jì)算時(shí)重載斷面的識(shí)別完整度。具體而言，可以利用歷史同類型日(或前一運(yùn)行日)的發(fā)電機(jī)組出力曲線和相關(guān)斷面的重載情況，選取重載程度高于一定閾值的斷面在首次優(yōu)化時(shí)即進(jìn)入約束集，從而提升起作用斷面的識(shí)別、迭代新增效率。

3.3 兩級(jí)調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)協(xié)調(diào)技術(shù)

基于高占比新能源的網(wǎng)省兩級(jí)調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)的交易機(jī)制和協(xié)調(diào)優(yōu)化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)調(diào)峰資源的協(xié)調(diào)出清和余缺互濟(jì)。

按照“先省內(nèi)后省間”的市場(chǎng)運(yùn)行原則，制定銜接有序的兩級(jí)市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制。網(wǎng)調(diào)機(jī)組報(bào)價(jià)由網(wǎng)調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)調(diào)機(jī)組在省內(nèi)市場(chǎng)中標(biāo)后，中標(biāo)結(jié)果發(fā)送網(wǎng)調(diào)校核，網(wǎng)調(diào)返回校核后的中標(biāo)結(jié)果作為在省內(nèi)市場(chǎng)的出清結(jié)果，保障了電網(wǎng)省內(nèi)省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)業(yè)務(wù)高效協(xié)同運(yùn)行。具體流程如圖4所示。

圖4 調(diào)峰輔助服務(wù)協(xié)調(diào)技術(shù)

日內(nèi)調(diào)峰市場(chǎng)中，省間及省內(nèi)兩級(jí)調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)的銜接模式如下所述。

省內(nèi)機(jī)組先參與省間調(diào)峰，在省間調(diào)峰市場(chǎng)中標(biāo)的機(jī)組,在參與省內(nèi)調(diào)峰時(shí)義務(wù)調(diào)峰下限在外部被修改(已扣減在省間調(diào)峰市場(chǎng)的中標(biāo)量)，若仍有出力往下調(diào)的空間，則在省內(nèi)調(diào)峰市場(chǎng)依舊有中標(biāo)能力；在省間調(diào)峰市場(chǎng)未中標(biāo)的機(jī)組,在參與省內(nèi)調(diào)峰時(shí)義務(wù)調(diào)峰下限和省間調(diào)峰一致，全部的調(diào)峰能力都能在省內(nèi)調(diào)峰中調(diào)用。算法出清的機(jī)組中標(biāo)量只是省內(nèi)調(diào)峰市場(chǎng)中標(biāo)量。

這樣優(yōu)先保證了省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)的執(zhí)行，同時(shí)提供更多的省內(nèi)調(diào)峰能力，實(shí)現(xiàn)了省級(jí)電網(wǎng)調(diào)峰資源的協(xié)調(diào)出清及最大化利用。能通過(guò)網(wǎng)省兩級(jí)市場(chǎng)協(xié)調(diào)機(jī)制，有效挖掘省調(diào)機(jī)組、省內(nèi)網(wǎng)調(diào)機(jī)組及省外通道調(diào)峰資源，優(yōu)化調(diào)峰資源配置，提升新能源發(fā)電能力消納水平，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 日前市場(chǎng)調(diào)峰算例分析

本文選取日前市場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，共計(jì)5臺(tái)機(jī)組，仿真環(huán)境為MATLAB2014b。

市場(chǎng)成員包括5臺(tái)火電機(jī)組及區(qū)域負(fù)荷。假設(shè)某地區(qū)電網(wǎng)在0～12時(shí)有調(diào)峰需求，共12個(gè)時(shí)段，其需求如圖5所示。

根據(jù)火電機(jī)組報(bào)價(jià)[7]，得到日前市場(chǎng)機(jī)組無(wú)約束條件下出清結(jié)果如圖6所示，從圖6可以看出各機(jī)組的中標(biāo)量。

圖6 機(jī)組中標(biāo)量

由圖6可知，機(jī)組1的中標(biāo)量在連續(xù)時(shí)間段上為最大，機(jī)組2～5在不同時(shí)段上均有交叉。

本文各時(shí)段的調(diào)峰成本如表1所示。

表1 調(diào)峰成本

由機(jī)組的報(bào)價(jià)以及圖6可知，報(bào)價(jià)低的機(jī)組會(huì)被優(yōu)先調(diào)用。另外，火電機(jī)組出力較低的深度調(diào)峰成本較高，需要等待較低報(bào)價(jià)的所有容量出清結(jié)束后再選擇成本高的進(jìn)行出清。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立日前市場(chǎng)和日內(nèi)市場(chǎng)出清模型，說(shuō)明了電力市場(chǎng)條件下調(diào)峰的算法流程。針對(duì)調(diào)峰過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。最后針對(duì)日前市場(chǎng)調(diào)峰進(jìn)行了仿真計(jì)算，說(shuō)明了在日前市場(chǎng)條件下根據(jù)報(bào)價(jià)規(guī)則，機(jī)組能夠滿足調(diào)峰需求，并且能夠較快速地得到求解結(jié)果。