CN112381375B - 一种基于潮流分配矩阵的电网经济运行域快速生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于潮流分配矩阵的电网经济运行域快速生成方法。该电网经济运行域快速生成方法通过预测新能源出力区间和负荷水平区间，根据不同需求最小化成本函数，根据不同需求添加约束条件，最后生成基于潮流分配矩阵的数学优化模型，并求解得出机组经济运行域。与传统基于两阶段鲁棒优化算法的求解过程相比，本发明的方法具有简单、求解速度更快等优点，更适用于电网日内调度计划实时滚动生成。

Description

一种基于潮流分配矩阵的电网经济运行域快速生成方法

技术领域

本发明属于大电网优化调度运行领域，具体地涉及一种基于潮流分配矩阵的电网经济运行域快速生成方法。

背景技术

电网的日前或日内调度计划通常是基于数学方法对电网元件进行抽象建模并通过优化算法进行求解得出。但随着源端大规模接入可再生能源，负荷端需求响应等电力市场机制的逐步建立，传统的基于确定性模型的优化调度算法已经越来越难以满足如今大电网的调度需要。因此，有学者提出“经济运行域”概念，用来描述同时考虑源荷双侧不确定性背景下的机组优化调度运行区间。具体做法是，首先基于源荷的历史运行数据和未来预测结果，给出某一置信度水平下的新能源出力和负荷水平区间，然后利用两阶段鲁棒优化算法，求出能够电网安全稳定运行的机组出力区间。但是，由于两阶段鲁棒优化算法存在主问题和子问题之间相互迭代的计算过程，求解速度较慢，难以满足日内滚动生成调度计划的实时性需求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有“经济运行域”生成速度慢的问题，提出了一种基于潮流分配矩阵的电网经济运行域快速生成方法。该电网经济运行域快速生成方法基于新能源出力区间和负荷水平区间，建立电网不同需求下的“经济运行域”优化模型，经求解得出经济运行域。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：一种基于潮流分配矩阵的电网经济运行域快速生成方法，包括如下步骤：

(1)使用动态腾copula模型预测新能源出力区间和负荷水平区间表示新能源出力预测的下限值，/>表示新能源出力预测的上限值，/>表示负荷水平预测的下限值，/>表示负荷水平预测的上限值；

(2)根据不同需求最小化成本函数，所述成本为机组启停成本C_ss、机组燃料成本C_fuel、维持***功率平衡造成的弃风或切负荷的惩罚成本C_unb、预留机组备用产生成本C_res中的一种或多种组合；

所述机组启停成本具体为：

其中，G为可调度机组集合，T为时段总数，c_g,ss为机组g单次开机或停机所需的费用，y_g,t为机组g在t时刻开机的指示变量，y_g,t取值1或0，1表示机组启动，0表示机组不启动，z_g,t为机组g在t时刻停机的指示变量，z_g,t取值1或0，1表示机组停机，0表示不停机；

所述机组燃料成本具体为：

其中，a_g、b_g、c_g分别为机组g燃料成本的二次项系数、一次项系数和常数项系数，P_g,t为机组g在t时刻的基准出力，u_g,t为机组g在t时刻的启停状态；

所述维持***功率平衡造成的弃风或切负荷的惩罚成本具体为：

其中，ls_t、wc_t分别为不考虑风电不确定场景下t时刻切负荷功率、弃风功率，分别为风电出力最恶劣场景下的切负荷功率、弃风功率，c_shed为单位切负荷补偿费用，c_wc为单位弃风惩罚费用，λ为反映决策者偏好的风险权重；

所述预留机组备用产生成本具体为：

其中，c_res,g为机组g单位备用成本，和P _g,t分别为机组g在t时刻的可调节功率上限和调节后功率下限；

(3)根据不同需求添加约束条件，所述约束条件为机组出力上下限约束、爬坡及滑坡约束、最短连续开机或停机时间约束、开机或停机指示变量约束、线路传输容量区间约束、电力平衡区间约束中的一种或多种组合；

(4)根据预测新能源出力区间和负荷水平区间/>最小化成本函数以及约束条件生成基于潮流分配矩阵的数学优化模型，并求解得出机组经济运行域。

进一步地，所述机组出力上下限约束具体为：

其中，和/>分别为机组g技术出力下限和上限。

进一步地，所述爬坡及滑坡约束具体为：

其中，RU_g和RD_g分别为机组g每小时爬坡和滑坡功率上限。

进一步地，所述最短连续开机或停机时间约束具体为：

其中，和/>分别为累积时间段数下机组最短停机和开机时间。

进一步地，所述开机或停机指示变量约束具体为：

y_g,t≥u_g,t-u_g,(t-1) (10)

z_g,t≥-u_g,t+u_g,(t-1) (11)

进一步地，所述线路传输容量区间约束具体为：

T^WP_t ^W+T^GP_t ^G+T^DP_t ^D≤F_max (14)

其中，T^W、T^G、T^D分别为对应新能源节点、可调度机组节点及负荷节点的潮流分配矩阵，P_t ^D为t时刻负荷节点的注入功率向量， P _t ^W、P_t ^W分别为t时刻新能源节点注入功率向量的上限、下限、基值，/> P _t ^G、P_t ^G分别为t时刻可调度机组节点注入功率向量的上限、下限、基值，F_max为线路的最大有功传输功率向量。

进一步地，所述电力平衡区间约束具体为：

其中，D_t为t时刻的***总负荷。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的电网经济运行域快速生成方法同时考虑发电机组起停成本、燃料成本、备用成本以及弃风或切负荷成本，快速求解出考虑电源和负荷双侧不确定性的机组优化运行区间——“经济运行域”，具有计算速度快和能够自动生成各机组经济运行区间的特点，可应用于日内实时滚动调度计划生成，具有较大的工程应用价值和推广前景。

附图说明

图1为本发明的电网经济运行域快速生成方法与鲁棒优化、确定性优化计算速度的对比图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于潮流分配矩阵的电网经济运行域快速生成方法，包括以下步骤：

(1)由于新能源出力受风速等天气因素的影响，其出力预测具有较强的不确定性，随着新能源渗透率的逐渐升高，其不确定性对电网运行的影响愈发强烈；此外，负荷预测也存在预测误差的不确定性。在实际***决策中，获得精确的概率密度函数往往较困难，然而获得不确定变量的置信区间则相对容易，且所需要的信息也大大减少。因此，预测新能源出力区间和负荷水平区间/>表示新能源出力预测的下限值，/>表示新能源出力预测的上限值，/>表示负荷水平预测的下限值，/>表示负荷水平预测的上限值。本领域技术人员可采用动态腾copula算法来预测新能源出力区间/>和负荷水平区间。

(2)根据不同需求最小化成本函数，所述成本为机组启停成本C_ss、机组燃料成本C_fuel、维持***功率平衡造成的弃风或切负荷的惩罚成本C_unb、预留机组备用产生成本C_res中的一种或多种组合；

所述机组启停成本具体为：

其中，G为可调度机组集合，T为时段总数，c_g,ss为机组g单次开机或停机所需的费用，y_g,t为机组g在t时刻开机的指示变量，y_g,t取值1或0，1表示机组启动，0表示机组不启动，z_g,t为机组g在t时刻停机的指示变量，z_g,t取值1或0，1表示机组停机，0表示不停机。

所述机组燃料成本具体为：

其中，a_g、b_g、c_g分别为机组g燃料成本的二次项系数、一次项系数和常数项系数。P_g,t为机组g在t时刻的基准出力，u_g,t为机组g在t时刻的启停状态。

所述维持***功率平衡造成的弃风或切负荷的惩罚成本具体为：

其中，ls_t、wc_t分别为不考虑风电不确定场景下t时刻切负荷功率、弃风功率，分别为风电出力最恶劣场景下的切负荷功率、弃风功率，c_shed为单位切负荷补偿费用，c_wc为单位弃风惩罚费用，λ为反映决策者偏好的风险权重。

所述预留机组备用产生成本具体为：

其中，c_res,g为机组g单位备用成本，和P _g,t分别为机组g在t时刻的可调节功率上限和调节后功率下限。

(3)根据不同需求添加约束条件，所述约束条件为机组出力上下限约束、爬坡及滑坡约束、最短连续开机或停机时间约束、开机或停机指示变量约束、线路传输容量区间约束、电力平衡区间约束中的一种或多种组合；

所述机组出力上下限约束具体为：

其中，和/>分别为机组g技术出力下限和上限。

所述爬坡及滑坡约束具体为：

其中，RU_g和RD_g分别为机组g每小时爬坡和滑坡功率上限。

所述最短连续开机或停机时间约束具体为：

其中，和/>分别为累积时间段数下机组最短停机和开机时间。

所述开机或停机指示变量约束具体为：

y_g,t≥u_g,t-u_g,(t-1) (10)

z_g,t≥-u_g,t+u_g,(t-1) (11)

所述线路传输容量区间约束具体为：

T^WP_t ^W+T^GP_t ^G+T^DP_t ^D≤F_max (14)

其中，T^W、T^G、T^D分别为对应新能源节点、可调度机组节点及负荷节点的潮流分配矩阵，P_t ^D为t时刻负荷节点的注入功率向量， P _t ^W、P_t ^W分别为t时刻新能源节点注入功率向量的上限、下限、基值，/> P _t ^G、P_t ^G分别为t时刻可调度机组节点注入功率向量的上限、下限、基值，F_max为线路的最大有功传输功率向量。

所述电力平衡区间约束具体为：

其中，D_t为t时刻的***总负荷。

(4)以步骤(1)为基础，将新能源预测出力区间负荷水平区间/>网络拓扑、可调度机组及机组起停计划作为输入数据。根据步骤(2)确定待优化的目标函数。根据步骤(3)列写约束条件，生成基于潮流分配矩阵的数学优化模型。最后，可基于商业求解器(如CPLEX)求解出机组经济运行域。

采用本发明经济域快速计算方法验证本发明方法在计算速度上的快速性，测试了25000个母线节点，其计算速度与各类算法计算速度进行对比，其结果如图1，本发明以机组启停成本和燃料成本为目标函数，考虑所有约束条件进行仿真测算。由测算结果可知，传统鲁棒优化的计算时间随着算例规模的增加，计算时间明显增加。本发明提出的基于潮流分配矩阵的经济运行域快速计算方法，计算时间与基于确定性优化算法相接近，对25000节点规模算例的测算时间可以小于1小时。

Claims (7)

1.一种基于潮流分配矩阵的电网经济运行域快速生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)使用动态腾copula模型预测新能源出力区间和负荷水平区间/> 表示新能源出力预测的下限值，/>表示新能源出力预测的上限值，/>表示负荷水平预测的下限值，/>表示负荷水平预测的上限值；

(2)根据不同需求最小化成本函数，所述成本为机组启停成本C_ss、机组燃料成本C_fuel、维持***功率平衡造成的弃风或切负荷的惩罚成本C_unb、预留机组备用产生成本C_res中的一种或多种组合；

所述机组启停成本具体为：

其中，G为可调度机组集合，T为时段总数，c_g,ss为机组g单次开机或停机所需的费用，y_g,t为机组g在t时刻开机的指示变量，y_g,t取值1或0，1表示机组启动，0表示机组不启动，z_g,t为机组g在t时刻停机的指示变量，z_g,t取值1或0，1表示机组停机，0表示不停机；

所述机组燃料成本具体为：

其中，a_g、b_g、c_g分别为机组g燃料成本的二次项系数、一次项系数和常数项系数，P_g,t为机组g在t时刻的基准出力，u_g,t为机组g在t时刻的启停状态；

所述维持***功率平衡造成的弃风或切负荷的惩罚成本具体为：

其中，ls_t、wc_t分别为不考虑风电不确定场景下t时刻切负荷功率、弃风功率，分别为风电出力最恶劣场景下的切负荷功率、弃风功率，c_shed为单位切负荷补偿费用，c_wc为单位弃风惩罚费用，λ为反映决策者偏好的风险权重；

所述预留机组备用产生成本具体为：

其中，c_res,g为机组g单位备用成本，和P _g,t分别为机组g在t时刻的可调节功率上限和调节后功率下限；

(3)根据不同需求添加约束条件，所述约束条件为机组出力上下限约束、爬坡及滑坡约束、最短连续开机或停机时间约束、开机或停机指示变量约束、线路传输容量区间约束、电力平衡区间约束中的一种或多种组合；

(4)根据预测新能源出力区间和负荷水平区间/>最小化成本函数以及约束条件生成基于潮流分配矩阵的数学优化模型，并求解得出机组经济运行域。

2.根据权利要求1所述基于潮流分配矩阵的电网经济运行域快速计算方法，其特征在于，所述机组出力上下限约束具体为：

其中，和/>分别为机组g技术出力下限和上限。

3.根据权利要求2所述基于潮流分配矩阵的电网经济运行域快速计算方法，其特征在于，所述爬坡及滑坡约束具体为：

其中，RU_g和RD_g分别为机组g每小时爬坡和滑坡功率上限。

4.根据权利要求1所述基于潮流分配矩阵的电网经济运行域快速计算方法，其特征在于，所述最短连续开机或停机时间约束具体为：

其中，和/>分别为累积时间段数下机组最短停机和开机时间。

5.根据权利要求1所述基于潮流分配矩阵的电网经济运行域快速计算方法，其特征在于，所述开机或停机指示变量约束具体为：

y_g,t ≥u_g,t-u_g,(t-1)(10)

z_g,t ≥-u_g,t+u_g,(t-1)(11)。

6.根据权利要求1所述基于潮流分配矩阵的电网经济运行域快速计算方法，其特征在于，所述线路传输容量区间约束具体为：

其中，T^W、T^G、T^D分别为对应新能源节点、可调度机组节点及负荷节点的潮流分配矩阵，P_t ^D为t时刻负荷节点的注入功率向量， P _t ^W、P_t ^W分别为t时刻新能源节点注入功率向量的上限、下限、基值，/> P _t ^G、P_t ^G分别为t时刻可调度机组节点注入功率向量的上限、下限、基值，F_max为线路的最大有功传输功率向量。

7.根据权利要求2所述基于潮流分配矩阵的电网经济运行域快速计算方法，其特征在于，所述电力平衡区间约束具体为：

其中，D_t为t时刻的***总负荷。