CN104408557B - 一种汛期水电富集电网省调平衡电厂电源电量分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电网规划和调度运行领域，公开了一种汛期水电富集电网省调平衡电厂电源电量分配方法，可兼顾电网调度公平性与经济性目标，针对汛期富水电电网发电能力激增的问题，实现汛期各电源、电站上网电量的合理分配，保证电网电量平衡的基础上淡化各方利益矛盾冲突。其解决方案为：以电网调度的公平性和经济性作为优化调度目标，通过各地调上报的发电计划确定各电厂发电能力及当日实际负荷需求，确定计划日全网电量平衡情况，根据不同情况分类处理，并以此为基础分配各电源及场站的上网电量，分配过程中引入权重系数体现决策者在各子目标间的偏好，最终给出基于不同权重系数的多目标决策集。本发明的有益效果是前瞻电网未来发展，兼顾公平性、经济性、可操作性等因素，保证汛期电网调度的合理有效，具有重要的率先垂范意义。

Description

一种汛期水电富集电网省调平衡电厂电源电量分配方法

技术领域

本发明涉及电网规划和调度运行领域，特别涉及一种汛期水电富集电网省调平衡电厂电源电量分配方法。

技术背景

水力发电相比于其他常规发电方式具有营运成本低廉、清洁可再生、调度灵活等优点，并且相比于太阳能、风能等新型可再生能源发电量更为稳定。“十二五”期间内，为贯彻节能减排约束性目标，缓解资源环境约束，应对全球气候变化，充分利用清洁可再生能源，我国陆续投产了许多大型水电厂，尤其是境内乌江、红水河、澜沧江、雅砻江、大渡河等特大流域水电基地的陆续竣工投产，促使我国西南地区形成了规模庞大的富水电电网。云南、四川作为典型的富水电电网，统调水火电发电装机比例接近2:1。大规模水电的快速发展，使电网面临严峻的电能消纳问题，加之通道极限和市场环境等限制，增加了电网调度难度。特别是汛期来水量较大时，电能消纳矛盾尤为突出。

云南省作为典型富水电电网，全省总装机60154.77MW，其中纳入省调平衡装机容量50988.6MW。纳入省调平衡装机中，水电36218.6MW，占总装机的71.03％；火电12400MW，占总装机的24.32％；风电2190MW，占总装机的4.3％；光伏180MW，占总装机的0.35％。不同于以煤电能源为主的电网，富水电电网中水电比重较大，使得全网发电能力对气候变化以及由此带来的来水波动更趋敏感，汛期来水量较大时，大部分水电厂受调节能力等限制需要加大出力或满发，导致火电按最小方式运行、新能源全部停机让电、水电大量外送的情况下，发电能力仍超出实际用电需求，形成大规模富余电量。上述背景下，如何在各电源、各流域、各厂站间合理的分配上网电量、避免利益矛盾冲突，是富水电电网汛期发电调度的重要任务。

本发明成果前瞻电网未来发展，针对上述问题目前国内相关研究成果和文献报道大多集中于几个方面：引入分时电价提高水电竞价能力、基于大电网平台下的集中调度、优化产业结构提高负荷需求以及加强网架建设提高外送电量。但实际工程中，针对由来水不确定性、通道送出能力、合同电量完成情况和实际市场需求等限制形成的不可避免的富余电量，缺乏一套行之有效的上网电量分配方法。本成果在我国西南地区，尤其是西南富水电地区调度运行管理中，具有重要的率先垂范意义。

发明内容

本发明的目的是针对上述提出的不足问题，提供一种汛期水电富集电网省调平衡电厂电源电量分配方法，可兼顾电网调度中的公平性与经济性，实现汛期各电源、电站上网电量的合理分配，保证电网输送平衡的基础上淡化各方利益矛盾冲突。

针对上述问题，本发明提出了如下解决方案：一种汛期水电富集电网省调平衡电厂电源电量分配方法，兼顾调度公平性原则和经济性原则，方法包含步骤(1)-(9)，详述如下：

(1)确定方法目标为：各参与计算省调平衡电厂装机利用率相等minf₁＝D(r)和各参与计算省调平衡电厂总购电成本最小其中N为参与计算的省调平衡电站数目，r＝[r₁,r₂,…,r_N]为参与计算省调平衡电厂装机利用率序列，D(r)为电站装机利用率序列的方差；C_i为i电站的电价，P_Fi为i电站的上网电量；

(2)地调上报次日发电计划及地区用电负荷至省调；省调调度员根据地调上报计划确定各电站发电能力，根据次日实际情况、电源结构确定省内用电负荷E_p及外送电量需求E_o；

(3)首先对省调火电厂，根据装机利用率降序排列，以等装机利用率为目标，依次减少各火电厂发电量，直至满足电量平衡约束，转至步骤(9)；若各火电厂均按最小方式运行时，仍不能满足电量平衡约束，则安排除水电以外的新能源电厂停机让电，若满足电量平衡条件，转至步骤(9)；如果发电能力仍大于用电需求，转至步骤(4)调整各水电厂的上网电量；

(4)根据各省调平衡水电厂的末台机组投产时间，分类电站，分省调平衡电厂为两类：新投电站Ω_new、已投电站Ω_old；根据各电站电价分别对Ω_new和Ω_old集合内的电站进行降序排列，确定各水电厂电量削减次序；

(5)根据决策者在公平性和经济性间的偏好程度确定权重α，并根据权重α划分上网电量为两部分：基于公平性总上网电量E_h′；基于经济性总上网电量E_h″；

(6)针对基于公平性总上网电量E_h′，以等装机利用率为目标，采用等负荷比例分配方法求解，得到各电站基于公平性目标分配的上网电量P_Ci(i＝1,2,...,N)，判断P_Ci是否达到出力上限，未达到则该电站进入步骤(7)，否则该电站终止分配电量；

(7)针对基于经济性总上网电量E_h″，以总体购电成本最小为目标，采用电价相对排序策略和线性规划优化各电站基于经济性目标分配的上网电量P_Fi(i＝1,2,...,N)；对于电站组合Ω_new，引入经验分配削减系数ε(0<ε<1)，调整新投电厂Ω_new上网电量；验证出力上下限约束，对于破坏约束的电站重新分配电量；

(8)累加各水电厂分段分配电量，得到各电站总的分配电量P_i，省调根据分配结果整合各电源及场站分配电量，下发各省调平衡电厂计划日总分配电量；

(9)地调调度员根据分配结果，制定辖区内各电站计划日的发电计划。

本发明对比现有技术有如下有益效果：本发明是一种解决汛期水电富集电网省调平衡电厂上网电量分配问题的技术方法，针对由来水不确定性、通道送出能力、合同电量完成情况和实际市场需求等限制形成的不可避免的富余电量，提供一套行之有效的分配方法。本发明兼顾电网调度中的公平性原则和经济性原则，实现各电源、各场站间上网电量的合理分配。本发明的有益效果是前瞻电网未来发展，兼顾公平性、经济性、可操作性等因素，保证汛期电网调度的合理有效，具有重要的率先垂范意义。

附图说明

图1是本发明一种汛期水电富集电网省调平衡电厂电源电量分配方法的总体求解流程图；

图2是本发明中基于公平性目标的电量分配流程图；

图3是本发明中基于经济性目标的电量分配流程图；

图4是本发明中对应于不同削减系数的多目标决策集；

图5是本发明中不同权重方案的对比图；

图6是本发明中公平性权重为0.4、新投电站削减系数为0.85方案下各电站分配电量；

图7是本发明中以0.4为公平性权重的分配上网电量曲线与实际上网电量曲线对比图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

大规模水电的快速发展，使电网面临严峻的电能消纳问题，加之通道极限和市场环境等限制，增加了电网调度难度。特别是汛期来水量较大时，消纳矛盾尤为突出，在采取加大电力外送，实施自备电厂替代发电、大用户直购电、发电权交易、丰水期富余电量消纳政策等措施加大水电消纳的情况下，仍存在大量富余电量。上述背景下如何合理的分配各电源及场站间的上网电量是汛期富水电电网调度的关键问题。目前实际调度中主要采用等比例削减各电站上网电量及经验试算的调度分配方法，但具有以下局限性：(1)以牺牲经济目标为代价来保证公平性，但忽略了公平性的增加与经济性的牺牲非正比关系的事实；(2)经验因素占主导地位，不能很好的保证调度过程中的公平性目标。

本发明从调度的公平性和经济性出发，考虑节能环保调度原则，以等装机利用率和总体购电成本为求解目标，确定各电源总上网电量；采用权重组合体现决策者偏好，并划分电网负荷；采用等装机利用率分配方法分配各电站基于公平性的总负荷需求；以最小购电成本为目标，采用线性规划方法分配各电站基于经济性的总负荷需求；累加两种方法给出的各电站最终分配电量。

附图1为兼顾公平性和经济性的总体求解流程图，图中可以看出，本发明的具体步骤为：

(1)地调上报次日发电计划及地区用电负荷至省调；省调调度员根据地调上报计划确定各电站发电能力，根据次日实际情况、电源结构确定省内用电负荷E_p及外送电量需求E_o；

(2)比较计划日参与计算省调平衡电厂总的发电能力及全网总的用电需求，如果满足电量平衡条件，无需调整，可按原计划发电，转至步骤(9)；如果发电能力大于用电需求，根据装机利用率降序排列，依次减少各火电厂发电量，直至满足需求电量或各火电厂按最小方式运行，若满足电量平衡条件，转至步骤(9)；如果发电能力仍大于用电需求，则安排新能源电厂停机让电，若满足电量平衡条件，转至步骤(9)；如果仍不能与用电需求匹配，则削减各水电厂的上网电量，转至步骤(4)；

(3)根据各省调平衡电厂的末台机组投产时间，分类电站，分省调平衡电厂为两类：新投电站Ω_new、已投电站Ω_old；根据各电站电价分别对Ω_new和Ω_old集合内的电站进行降序排列，确定各水电厂削减次序；

(4)根据权重α体现决策者在公平性和经济性间的偏好程度并划分上网电量为两部分：基于公平性总上网电量E_h′＝α×(E_p+E_o)、基于经济性总上网电量E_h″＝(1-α)×(E_p+E_o)；

(5)以等装机利用率为目标，采用等负荷比例分配方法求解各电站基于公平性目标分配的上网电量P_Ci(i＝1,2,...,N)，判断分配电量是否达到出力上限，未达到则该电站进入步骤(7)，否则该电站终止分配电量；

(6)以总体购电成本最小为目标，采用电价相对排序策略和线性规划优化各电站基于经济性目标分配的上网电量P_Fi(i＝1,2,...,N)；对于电站组合Ω_new，由于电价相对较高，为保证经济性原则，引入经验分配削减系数ε；验证出力上下限约束，对于破坏约束的电站重新分配电量；

(7)根据目标权重加权求和各水电厂分配电量，得到各电站总的分配电量P_i，省调根据分配结果整合各电源及场站分配电量，下发各省调平衡电厂计划日总分配电量；

(8)地调调度员根据分配结果，制定计划日辖区内各电站的发电计划。

附图2为基于公平性目标的电量分配流程图，具体步骤为：

(1)已知基于公平性目标的总电量E_h′及水电总装机I，求得水电站的总装机利用率r；

(2)按平均利用率r分配各电站上网电量P_Ci，P_Ci＝r×I_i×24；

(3)判断各电站分配电量是否满足发电能力要求，满足转入步骤(6)，否则转入步骤(4)；

(4)按发电能力安排i电站上网电量，并在分配过程中剔除i电站；

(5)根据当前电站集合调整对应的基于公平性目标的总电量E_h′及水电总装机I,

式中，为调整后的基于公平性的总电量；为调整后的水电总装机。

(6)进入下一次迭代，并判断是否达到终止条件，达到进入步骤(7)，否则返回(2)；

(7)结束计算，并输出结果。

附图3为基于经济性目标的电量分配流程图，具体步骤为：

(1)给定新投电厂经验削减系数ε；

(2)根据装机比例在新投电厂和已投电厂间分配电量E_h″，式中P_new、P_old分别为新投电厂和已投电厂的总分配电量，k_new、k_old分别为新投电厂和已投电厂的装机比例；

(3)根据新投电厂经验削减系数ε削减新投电站总的分配电量，

(4)对于新投电厂集合，P_new为总电量，以总购电成本为目标，采用线性规划进行求解；

(5)对于已投电厂集合，P_old为总电量，以总购电成本为目标，采用线性规划进行求解；

(6)输出各电站基于经济性目标的分配电量P_Fi(i＝1,2,…,n)；

方法求解过程中考虑的约束条件表达式如下：

(a)发电能力约束：

式中，P_Ci为i电厂按等装机利用率分配的上网分配电量，MWh；P_Fi为i电厂按弃水购电成本最小分配的上网分配电量，MWh；N_i为i电厂的发电能力，MWh；N_i,t为i电厂t时段的发电计划值，MW。

(b)电量平衡约束：E_t+E_n+E_h＝E

式中，E_t为总的火电用电需求，MWh；E_n为总的水电以外新能源用电需求，MWh；E_h为总的水电用电需求，MWh；E为计划日全网负荷需求，MWh。

(c)通道能力约束：N_Lk≤N_Lk,max

式中，k为线路级别，从低压到高压逐级递增；N_Lk为第k级线路的输送电量，MWh；N_Lk,max为第k级线路的通道能力，MWh。

以云南电网汛期典型日为例，纳入省调平衡装机容量46750.6MW，其中水电36218.6MW、火电12400M、风电以及其他新能源2370MW，所占比例分别为68.4％、26.5％、5.1％。省调平衡水电厂98座，按机组投产时间拆分后，水电厂数目为100座，其中新投水电厂5座，已投水电厂95座。考虑省内用电需求及外送电量需求，确定总体负荷需求。安排火电以最小开机方式运行；其他能源电站按初始计划发电；计算水电总的可上网电量；根据基于公平性和经济性的汛期电源电量分配方法求得各电站分配的上网电量。图4为不同新投电站削减系数对应的多目标决策集。

由图4可知，削减系数ε越小，新投电站总体发电量越少，购电成本越小(f₂(E)<f₂(D)<f₂(A))，与实际相符。在相同的购电成本下，新投电站削减系数越小，各电站发电比例越接近，各电站装机利用率方差越小(f₁(A)>f₁(B)>f₁(C))。在同一新投电站削减系数下，各电站装机利用率方差越小、决策越倾向于公平性、购电成本越大、牺牲了电网调度经济性；反之，购电成本越小、各电站装机利用率方差越大、决策越倾向于经济性、牺牲了电网调度公平性。

表1为3种不同方案下各电站上网电量分配结果，方案1为仅考虑公平性，方案2为仅考虑经济性，方案3为经济性和公平性权重各占50％。3种方案下，各电站上网电量曲线趋势基本一致，并均满足发电能力约束；对于仅考虑公平性的方案，各电站按等比例发电，在满足约束前提下，上网电量大小与装机容量呈正相关；对于仅考虑经济性的方案，在满足约束前提下，各电站上网电量仅与电价相关，高电价电站分配的上网电量较少、部分电站几乎为0，低电价电站分配的上网电量较多、部分电站逼近其发电能力，曲线波动较大；对于公平性和经济性各占50％的方案，在满足约束前提下，各电站分配的上网电量与装机和电价均存在相关性，保证了各电站均可分配到上网电量，曲线存在波动，但波动相对方案2较小。各方案目标函数值列于表1：对比可知，方案3相比于方案1，装机利用率方差增加4％，总体购电成本减少426万元；方案2与方案3相比装机利用率方差增加3.9％，总体购电成本减少121万元，装机利用率方差变化量与购电成本变化量呈非线性关系。

表1

方案	装机利用率方差	购电成本(万元)
			方案1	0	13169.4
方案2	0.0789	12622.3
			方案3	0.0400	12743.4

图6为公平性权重为0.4、新投电站为0.85方案下各电站分配电量对比图。在公平性分配阶段，各电站装机利用率相等，上网电量与装机呈正比，相对装机越高分配电量越多；在经济性分配阶段，各电站上网电量与电价呈反比，电价越高该阶段分配电量越少。

图7为公平性权重为0.4、新投电站削减系数为0.85时各电站上网电量曲线与当日实际上网电量曲线对比：实际方案采用等比例分配各电站上网电量，该方案下各电站上网电量曲线与实际上网电量曲线趋势基本一致，仅在电价相对较高和相对较低电站存在偏差。表2为公平性权重为0.4、新投系数0.85方案与实际方案的目标值，在保持总电量一致的基础上，相对于实际计划，0.4/0.85方案方差减少0.9％、日购电成本减少21.5万元，效益显著。表3为公平性权重为0.4、经济性权重为0.6、新投电站削减系数为0.85方案下最终给出的各电站上网电量分配结果。

表2

方案	等装机利用率方差	购电成本(万元)
			0.4/0.85	0.047	12691.9
实际	0.056	12713.4

表3

Claims (1)

1.一种汛期水电富集电网省调平衡电厂电源电量分配方法，其特征包括如下步骤：

(1)确定方法目标为：各参与计算省调平衡电厂装机利用率相等min f₁＝D(r)和各参与计算省调平衡电厂总购电成本最小其中N为参与计算的省调平衡电站数目，r＝[r₁,r₂,…,r_N]为参与计算省调平衡电厂装机利用率序列，D(r)为电站装机利用率序列的方差；C_i为i电站的电价，P_Fi为i电站的上网电量；

(2)地调上报次日发电计划及地区用电负荷至省调；省调调度员根据地调上报计划确定各电站发电能力，根据次日实际情况、电源结构确定省内用电负荷E_p及外送电量需求E_o；

(3)首先对省调火电厂，根据装机利用率降序排列，以等装机利用率为目标，依次减少各火电厂发电量，直至满足电量平衡约束，转至步骤(9)；若各火电厂均按最小方式运行时，仍不能满足电量平衡约束，则安排除水电以外的新能源电厂停机让电，若满足电量平衡条件，转至步骤(9)；如果发电能力仍大于用电需求，转至步骤(4)调整各水电厂的上网电量；

(4)根据各省调平衡水电厂的末台机组投产时间，分类电站，分省调平衡电厂为两类：新投电站Ω_new、已投电站Ω_old；根据各电站电价分别对Ω_new和Ω_old集合内的电站进行降序排列，确定各水电厂电量削减次序；

(5)根据决策者在公平性和经济性间的偏好程度确定权重α，并根据权重α划分上网电量为两部分：基于公平性总上网电量E_h′；基于经济性总上网电量E_h″；

(6)针对基于公平性总上网电量E_h′，以等装机利用率为目标，采用等负荷比例分配方法求解，得到各电站基于公平性目标分配的上网电量P_Ci，i＝1,2,...,N；判断P_Ci是否达到出力上限，未达到则该电站进入步骤(7)，否则该电站终止分配电量；

(7)针对基于经济性总上网电量E_h″，以总体购电成本最小为目标，采用电价相对排序策略和线性规划优化各电站基于经济性目标分配的上网电量P_Fi，i＝1,2,...,N；对于电站组合Ω_new，引入经验分配削减系数ε，0＜ε＜1；调整新投电厂Ω_new上网电量；验证出力上下限约束，对于破坏约束的电站重新分配电量；

(8)累加各水电厂分段分配电量，得到各电站总的分配电量P_i，省调根据分配结果整合各电源及场站分配电量，下发各省调平衡电厂计划日总分配电量；

(9)地调调度员根据分配结果，制定辖区内各电站计划日的发电计划。