專題：電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度.ppt

專題 電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度 主講 張子泳武漢大學電力自動化研究所 1電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度的內(nèi)容 1 電力負荷預測問題按照調(diào)度計劃的周期 可分為日負荷預測 周負荷預測和年負荷預測等 不同周期的負荷有不同的變化規(guī)律 負荷預測的精度直接影響經(jīng)濟調(diào)度效益 提高預測的精度就可以降低備用容量 減少臨時出力調(diào)整和避免計劃外開停機組 2 火電機組經(jīng)濟特性曲線的編制和電廠內(nèi)機組間經(jīng)濟負荷分配與一般概念不同 火電機組不是按照效率 或煤耗率 或容量分配機組負荷 而是按等微增的原則分配各機組的負荷才是最經(jīng)濟的 機組的耗煤量曲線和它的微增率曲線是電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度的基礎性資料 它們的準確性直接影響經(jīng)濟調(diào)度的效益 3 機組組合問題一般情況下由水電廠承擔負荷曲線的變化部分 而水電廠的調(diào)節(jié)能力受到限制時 火電機組就必須開停以適應負荷的變化 這就涉及機組最優(yōu)組合問題 其目標是在滿足短期電力負荷變化和安全備用的條件下 確定火電機組的啟停計劃 使發(fā)電費用最小 4 水火電經(jīng)濟協(xié)調(diào)問題水電廠的水庫容量越大 調(diào)節(jié)能力也就越強 從水電廠本身經(jīng)濟性來看應該盡量維持高水位運行 用自然來水發(fā)出更多的電能 但從系統(tǒng)角度來看更希望利用水電廠的調(diào)峰能力 這就需要充分研究水火電經(jīng)濟協(xié)調(diào)問題 水電系統(tǒng)按日調(diào)節(jié)能力劃分為不變水頭水電廠和變水頭水電廠 而在有水利聯(lián)系的水電廠間還存在梯級協(xié)調(diào)調(diào)度問題 這是一個復雜的優(yōu)化問題 5 聯(lián)合電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度隨著電力網(wǎng)的不斷擴大和電網(wǎng)互聯(lián) 臨近的電力網(wǎng)通過聯(lián)絡線連接在一起運行 由此可以錯開峰荷 降低備用容量 充分利用對方資源 這就需要考慮聯(lián)合電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度問題 其目的是確定各系統(tǒng)間的聯(lián)絡線交換功率計劃 以協(xié)調(diào)更大范圍的運行經(jīng)濟效益 6 考慮安全約束的經(jīng)濟調(diào)度 印度大停電事件 僅僅考慮經(jīng)濟特性編制的調(diào)度計劃不一定實用 因為它可能不滿足系統(tǒng)的安全約束 實際電力系統(tǒng)調(diào)度計劃總是要把安全放在第一位的 因為電網(wǎng)事故所造成的經(jīng)濟損失要遠遠大于經(jīng)濟調(diào)度帶來的效益 因此必須研究考慮安全約束的經(jīng)濟調(diào)度 如果兩個區(qū)域間的傳輸線或功率流超過傳輸線實際物理能力極限時 就要減少相應的實際發(fā)電功率 不再考慮經(jīng)濟性 7 考慮網(wǎng)損的經(jīng)濟調(diào)度網(wǎng)損的計算要對網(wǎng)絡結構和潮流分布情況進行充分了解和計算 通常傳輸損耗可以看成是用戶電力負荷的一部分 并由相應的發(fā)電廠負擔 也可在計算成本時 給機組的邊界價格上加入罰因子 以反映傳輸損耗對機組的相對影響 8 考慮環(huán)保要求的經(jīng)濟調(diào)度 我國的 節(jié)能發(fā)電調(diào)度 在歐美發(fā)達國家 公眾對生態(tài)環(huán)境保護的意識目益增強 早在1990年美國就出臺了法律強制要求火力發(fā)電廠通過改進生產(chǎn)設備 或者優(yōu)化運行方式來減少污染以及有害氣體排放量 發(fā)電廠可以通過安裝凈化設備 采用排放更少的燃料 用燃燒更充分的鍋爐設備來替換陳舊的設備從而減少有害氣體的排放 或者采用 環(huán)境經(jīng)濟調(diào)度 方法 前三種方法需要改進 安裝或替換現(xiàn)有的設備 由于需要大量的投資 因此是長期規(guī)劃涉及的問題 環(huán)境經(jīng)濟調(diào)度卻是在維持現(xiàn)有運行設備不變的情況下 通過優(yōu)化運行方式 使廢氣排放量與燃料費用都達到最低水平的短期規(guī)劃方案 2電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度的方法 實現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行對國民經(jīng)濟發(fā)展其有重大的意義 在滿足電力系統(tǒng)供電可靠性和電能質(zhì)量的前提下 電力系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度問題一直受到電力工程技術人員和學者的重視 從二十世紀三十年代開始 世界各國對發(fā)電廠的經(jīng)濟負荷分配 系統(tǒng)的安全經(jīng)濟調(diào)度 最優(yōu)潮流等問題都進行了深入的研究 并逐步將各種優(yōu)化調(diào)度方法應用到實際電力系統(tǒng)中去 傳統(tǒng)意義上的最優(yōu)經(jīng)濟調(diào)度主要研究多臺機組之間如何進行負荷分配使發(fā)電總費用最低的問題 盡管發(fā)電總費用與許多因素有關 但是燃料費用最小是這種最優(yōu)方案的主要因素 同時 需要滿足負荷功率平衡的等式約束條件 以及發(fā)電機出力 節(jié)點電壓不能越限等不等式約束條件 因此經(jīng)濟調(diào)度問題是一個高維 多約束的非線性優(yōu)化問題 這里涉及許多方面的問題 隨著風電 光伏發(fā)電 儲能等可再生能源的發(fā)展 經(jīng)濟調(diào)度研究的問題將向風光儲輸和風水火聯(lián)合經(jīng)濟調(diào)度的方向進行 我國的 風光儲輸一體化示范工程 2 1目前電力市場條件下經(jīng)濟調(diào)度方法的特點 1 目標函數(shù)是全網(wǎng)的購電成本函數(shù)電力市場環(huán)境下 調(diào)度人員只關心購電成本 編制發(fā)電計劃的目的是購電成本最低 機組的效率問題由電廠的運行人員解決 而在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中 調(diào)度人員追求的是使整體系統(tǒng)中的機組發(fā)電成本 耗量最小 因此 電力市場條件下經(jīng)濟調(diào)度算法的目標函數(shù)是全網(wǎng)的購電成本函數(shù) 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中經(jīng)濟調(diào)度算法的目標函數(shù)是全網(wǎng)的機組發(fā)電成本函數(shù) 2 發(fā)電報價曲線是任意的電力市場條件下 各發(fā)電公司為了獲取最大利潤 報價是任意的 而不像傳統(tǒng)電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度模式下那樣發(fā)電機的成本曲線有一定的規(guī)律 一般是單調(diào)的 電力市場條件下報價曲線可能存在單調(diào)上升 單調(diào)下降 無規(guī)律報價曲線等多種情況 如圖所示 因此 經(jīng)濟調(diào)度算法應做多種準備 既可以處理不降的報價曲線 又可處理下降 甚至波動 的報價曲線 不能為此 削足適履 同時 電力市場條件下競價的單位可以是機組 發(fā)電廠和發(fā)電公司 競價的周期可以是年 月 日 時 3 約束條件較多傳統(tǒng)電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度模式要考慮系統(tǒng)功率平衡 機組出力上下限 旋轉(zhuǎn)備用 最小開停機時間等約束條件 到了電力市場條件下 經(jīng)濟調(diào)度的約束條件更加多樣 如交易的輔助服務約束等等 這類約束往往較多 4 精度和速度要求較高理論上講 算法的精度越高越好 速度越快越好 但實際上是不可能同時達到100 的精度和0秒的計算速度的 但如果算法帶來的誤差太大 會直接影響經(jīng)濟性 達不到經(jīng)濟調(diào)度的效果 如果速度太慢 算法也將失去實用價值 因此 電力市場條件下選擇的經(jīng)濟調(diào)度算法必須滿足一定的精度和速度要求 2 2經(jīng)濟調(diào)度常用方法 1 排隊法排隊法也稱優(yōu)先級法 其基本思想是按照經(jīng)濟原則建立一個優(yōu)先次序表 即按機組的報價進行排隊 報價低的機組排在前面 報價高的機組排在后面 然后根據(jù)約束條件依次進行出力分配 排隊技術包括插入排號法和分配排號法 排隊法既可以用于解決機組經(jīng)濟組合或機組開停問題 又可用于解決經(jīng)濟功率分配問題 同時還可以用作動態(tài)規(guī)劃機組經(jīng)濟組合的初始狀態(tài) 排隊法可以用于各種周期包括年月目的計劃矯正和控制以及實時調(diào)度之中 排隊法的缺點是報價曲線必須是分段水平線 階梯形 而且不能有下降段 同時 排隊法應用的技術難點在于很難滿足發(fā)電機組升降功率限值和起停時間限制 我國早期的調(diào)度模式 2 等微增率法等微增率法是在1919年提出問題 1931年摸索出原則 1934年做出數(shù)學證明的 至今已有70多年的歷史 這種方法是一種連續(xù)變量的拉格朗目乘予法 簡單有效 它的基本思想是 借助拉格朗日乘子建立經(jīng)濟調(diào)度的增廣目標函數(shù) 在計算過程中以目標函數(shù)對各負荷變量的一階導數(shù)相等為原則 直接求出各負荷值 然后檢驗是否滿足約束條件 若不滿足再用迭代法進行修正 直到所有的解都滿足約束條件為止 等微增率法缺點是 要求機組的輸入輸出特性曲線是單調(diào)增加的 許多工業(yè)算法還要求耗量微增曲線是線性或分段線性的 而實際發(fā)電機組的輸入輸出特性并不嚴格滿足這些條件 如閥點效應 通過某種近似而滿足上述條件的解必然是不精確的 當報價曲線趨于水平時收斂困難 更不能解決有下降性報價曲線的負荷分配問題 這樣就使電力公司的發(fā)電報價計劃在一定程度上受到限制 影響了市場的公平性原則 3 動態(tài)規(guī)劃法動態(tài)規(guī)劃方法是一種基于多階段決策和最優(yōu)化原理的優(yōu)化方法 因此可以解決各種類型報價曲線的經(jīng)濟調(diào)度問題 該方法將問題分成若干步 每步增加1個機組 使得從第1步到該步目標函數(shù)最小 然后遞推 進行下一步 直至完成對所有機組的尋優(yōu) 目前在實際應用中多采用局部加密動態(tài)規(guī)劃法 能進一步提高運算精度 縮短計算時間 其基本思想是 先取較大的格點間隔 疏網(wǎng)絡 求出較粗糙的最優(yōu)解 在最優(yōu)軌線附近縮小格點問隔 密網(wǎng)格 再求最優(yōu)解 如此繼續(xù)下去 直至求得滿意的最優(yōu)解 動態(tài)規(guī)劃法可以解決任意形狀報價曲線的經(jīng)濟調(diào)度問題 而且計算速度較快 精度較高 其局限性是 1 計算量較大 動態(tài)規(guī)劃法是一種有限窮舉法 維數(shù)障礙是求解較大規(guī)模問題的主要局限 2 該方法不夠簡明 4 線性規(guī)劃法線性規(guī)劃法是較為常見的算法 它的基本思路是先對經(jīng)濟調(diào)度的目標函數(shù) 約束條件進行線性化處理 梅造成標準的線性規(guī)劃問題 然后求解 得到機組的最優(yōu)組合 使購電成本最低 線性規(guī)劃法的主要優(yōu)點是 快速 可靠 能有效的處理網(wǎng)絡安全約束 可以直接解決與時間有關的約束 對于下降型的報價曲線同樣適用 線性規(guī)劃法缺點是 處理網(wǎng)絡比較麻煩 逐次線性化會造成計算精度損失 5 網(wǎng)絡流規(guī)劃法網(wǎng)絡流規(guī)劃法是針對網(wǎng)絡問題的一類特殊算法 適合解高維數(shù) 多約束線性和非線性優(yōu)化悶題 非常適用予發(fā)電競價 它的計算原理符合市場操作過程 網(wǎng)絡流規(guī)劃法的基本思路是 根據(jù)網(wǎng)絡的性質(zhì)和特點 將各種約束條件用一個網(wǎng)絡流模型來表示 逐次以一次的步長增加報價最小的機組功率 直至負荷達到要求 使購電成本最小 網(wǎng)絡流規(guī)劃法能夠解決其它一些競價算法難以解決的時間類約束和網(wǎng)絡安全類約束 它的難點主要有兩個 一是降價可行解的搜索范圍 另一個是解決潮流與實際潮流一致性問題 6 遺傳算法遺傳算法是一種模擬生物進化過程的基于隨機搜索的人工智能方法 對比以往常規(guī)優(yōu)化算法 以自然界優(yōu)勝劣汰原則為基礎的遺傳算法在解決組合優(yōu)化問題上有難以比擬的優(yōu)勢 遺傳算法對目標函數(shù)和約束條件沒有任何限制 求解的問題可以是非線性的和不連續(xù)的 遺傳算法的主要缺點是求解問題相對比較費時 用遺傳算法尋求最優(yōu)解對 要花費大量的時間對基因進行測試 組合 另外遺傳算法的性能還強烈地依賴于所采用的編碼方法 例如交叉與變異概率的選取 3電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度基本數(shù)學模型 電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度是在負荷需求滿足的條件下使購電總成本以及污染指數(shù)等指標最優(yōu)的發(fā)電機的功率分配 經(jīng)濟調(diào)度問題實質(zhì)上是一個既包括等式約束 又包括不等式約束的多目標優(yōu)化問題 其研究目標包括最小化燃料費用 最小化污染排放 最小化網(wǎng)損等等 雖然總體說來燃料費用是最重要的目標 但是如果能夠統(tǒng)籌考察多個目標的折衷關系 就更有利于的制定調(diào)度策略 從不同的角度確定不同的經(jīng)濟運行方式 3 1目標函數(shù) 在綜合節(jié)能和環(huán)保等因素 并考慮污染物排放量的情況下 多目標經(jīng)濟調(diào)度可以采用以下的目標函數(shù) 1 最小化全系統(tǒng)發(fā)電燃料總耗量 或總費用 發(fā)電燃料總費用是電廠生產(chǎn)最重要的經(jīng)濟指標 可以用發(fā)電機有功出力的二階多項式表示如下 1 2 最小化污染物排放量 考慮到環(huán)境污染對生態(tài)平衡的影響 如酸雨及臭氧層的破壞 一些法律規(guī)定各電廠必須控制NOx S02的排放量 以減小空氣污染 另外 有些法規(guī)對熱輻射也有限制 為了不失一般性 下面給出考慮NOx排放限制的情況 NOx的排放量可以由各發(fā)電機出力的二階多項式與指數(shù)方程的和來表示 2 3 最小化全網(wǎng)有功網(wǎng)損 電力系統(tǒng)的無功功率優(yōu)化結果直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及電能的質(zhì)量 無功優(yōu)化調(diào)度是以最小化傳輸網(wǎng)絡的網(wǎng)損來實現(xiàn)的 表示如下 3 3 2約束條件 1 功率平衡約束 這是一個等式約束條件 系統(tǒng)發(fā)電機總出力必須滿足系統(tǒng)總負荷與傳輸線路網(wǎng)損之和 4 2 機組發(fā)電容量約束 這是一個不等式約束條件 發(fā)電機輸出功率以及母線電壓幅值必須在維持在系統(tǒng)穩(wěn)定運行要求的范圍之內(nèi) 5 3 安全約束 為了保證安全運行 傳輸線路潮流不能高于其上限 6 3 3數(shù)學描述 綜上所述 本專題所介紹的常見電力經(jīng)濟調(diào)度問題的目標函數(shù)及約束條件 可描述為一個帶有等式與不等式約束的非線性多目標優(yōu)化問你 其數(shù)學表述如下 7 4小結 首先對電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度的內(nèi)容進行了概括 并對其中的負荷預測 機組組合 聯(lián)合電力系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度 考慮環(huán)保的經(jīng)濟調(diào)度