專題電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度

1、1 電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的內(nèi)容,1.電力負(fù)荷預(yù)測問題 按照調(diào)度計(jì)劃的周期，可分為日負(fù)荷預(yù)測、周負(fù)荷預(yù)測和年負(fù)荷預(yù)測等。不同周期的負(fù)荷有不同的變化規(guī)律。負(fù)荷預(yù)測的精度直接影響經(jīng)濟(jì)調(diào)度效益，提高預(yù)測的精度就可以降低備用容量、減少臨時(shí)出力調(diào)整和避免計(jì)劃外開停機(jī)組。,,2．火電機(jī)組經(jīng)濟(jì)特性曲線的編制和電廠內(nèi)機(jī)組間經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配 與一般概念不同，火電機(jī)組不是按照效率(或煤耗率)或容量分配機(jī)組負(fù)荷，而是按等微增的原則

2、分配各機(jī)組的負(fù)荷才是最經(jīng)濟(jì)的。機(jī)組的耗煤量曲線和它的微增率曲線是電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的基礎(chǔ)性資料，它們的準(zhǔn)確性直接影響經(jīng)濟(jì)調(diào)度的效益。,,3. 機(jī)組組合問題 一般情況下由水電廠承擔(dān)負(fù)荷曲線的變化部分，而水電廠的調(diào)節(jié)能力受到限制時(shí)，火電機(jī)組就必須開停以適應(yīng)負(fù)荷的變化，這就涉及機(jī)組最優(yōu)組合問題。其目標(biāo)是在滿足短期電力負(fù)荷變化和安全備用的條件下，確定火電機(jī)組的啟停計(jì)劃，使發(fā)電費(fèi)用最小。,,4．水火電經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)問題 水

3、電廠的水庫容量越大，調(diào)節(jié)能力也就越強(qiáng)，從水電廠本身經(jīng)濟(jì)性來看應(yīng)該盡量維持高水位運(yùn)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(jì)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(gè)復(fù)雜的優(yōu)化問題。,,5．聯(lián)合電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度 隨著電力網(wǎng)的不斷擴(kuò)大和電網(wǎng)互聯(lián)，臨近的電力網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線連接在一起運(yùn)行，由此

4、可以錯(cuò)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(jì)調(diào)度問題，其目的是確定各系統(tǒng)間的聯(lián)絡(luò)線交換功率計(jì)劃，以協(xié)調(diào)更大范圍的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。,,6．考慮安全約束的經(jīng)濟(jì)調(diào)度（印度大停電事件） 僅僅考慮經(jīng)濟(jì)特性編制的調(diào)度計(jì)劃不一定實(shí)用，因?yàn)樗赡懿粷M足系統(tǒng)的安全約束。實(shí)際電力系統(tǒng)調(diào)度計(jì)劃總是要把安全放在第一位的，因?yàn)殡娋W(wǎng)事故所造成的經(jīng)濟(jì)損失要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)濟(jì)調(diào)度帶來的效益，因此必須研究考慮安全約束的經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

5、如果兩個(gè)區(qū)域間的傳輸線或功率流超過傳輸線實(shí)際物理能力極限時(shí)，就要減少相應(yīng)的實(shí)際發(fā)電功率，不再考慮經(jīng)濟(jì)性。,,7．考慮網(wǎng)損的經(jīng)濟(jì)調(diào)度 網(wǎng)損的計(jì)算要對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和潮流分布情況進(jìn)行充分了解和計(jì)算，通常傳輸損耗可以看成是用戶電力負(fù)荷的一部分，并由相應(yīng)的發(fā)電廠負(fù)擔(dān)。也可在計(jì)算成本時(shí)，給機(jī)組的邊界價(jià)格上加入罰因子，以反映傳輸損耗對機(jī)組的相對影響。,,8．考慮環(huán)保要求的經(jīng)濟(jì)調(diào)度（我國的“節(jié)能發(fā)電調(diào)度”） 在歐美發(fā)達(dá)

6、國家，公眾對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的意識目益增強(qiáng)，早在1990年美國就出臺(tái)了法律強(qiáng)制要求火力發(fā)電廠通過改進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備，或者優(yōu)化運(yùn)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(shè)備、采用排放更少的燃料、用燃燒更充分的鍋爐設(shè)備來替換陳舊的設(shè)備從而減少有害氣體的排放，或者采用“環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度”方法。前三種方法需要改進(jìn)、安裝或替換現(xiàn)有的設(shè)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(jì)調(diào)度卻是在維持現(xiàn)有運(yùn)行設(shè)備不變的情況下，通過優(yōu)化運(yùn)行

7、方式，使廢氣排放量與燃料費(fèi)用都達(dá)到最低水平的短期規(guī)劃方案。,2 電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的方法,實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對國民經(jīng)濟(jì)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(jì)調(diào)度問題一直受到電力工程技術(shù)人員和學(xué)者的重視。從二十世紀(jì)三十年代開始，世界各國對發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配、系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度、最優(yōu)潮流等問題都進(jìn)行了深入的研究，并逐步將各種優(yōu)化調(diào)度方法應(yīng)用到實(shí)際電力系統(tǒng)中去。,,傳統(tǒng)意義上的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)調(diào)度主要

8、研究多臺(tái)機(jī)組之間如何進(jìn)行負(fù)荷分配使發(fā)電總費(fèi)用最低的問題。盡管發(fā)電總費(fèi)用與許多因素有關(guān)，但是燃料費(fèi)用最小是這種最優(yōu)方案的主要因素。同時(shí)，需要滿足負(fù)荷功率平衡的等式約束條件，以及發(fā)電機(jī)出力、節(jié)點(diǎn)電壓不能越限等不等式約束條件，因此經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題是一個(gè)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(fēng)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能等可再生能源的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)調(diào)度研究的問題將向風(fēng)光儲(chǔ)輸和風(fēng)水火聯(lián)合經(jīng)濟(jì)調(diào)度的方向進(jìn)行。（我國的“風(fēng)光儲(chǔ)

9、輸一體化示范工程”）,2.1 目前電力市場條件下經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法的特點(diǎn),1. 目標(biāo)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(guān)心購電成本，編制發(fā)電計(jì)劃的目的是購電成本最低，機(jī)組的效率問題由電廠的運(yùn)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(jī)組發(fā)電成本，耗量最小。因此，電力市場條件下經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法的目標(biāo)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(jì)調(diào)度算法的目標(biāo)函數(shù)是全網(wǎng)

10、的機(jī)組發(fā)電成本函數(shù)。,,2．發(fā)電報(bào)價(jià)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(bào)價(jià)是任意的，而不像傳統(tǒng)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模式下那樣發(fā)電機(jī)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(bào)價(jià)曲線可能存在單調(diào)上升、單調(diào)下降、無規(guī)律報(bào)價(jià)曲線等多種情況，如圖所示。,,因此，經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法應(yīng)做多種準(zhǔn)備，既可以處理不降的報(bào)價(jià)曲線，又可處理下降(甚至波動(dòng))的報(bào)價(jià)曲線，不能為此“削足適履” 。

11、同時(shí)，電力市場條件下競價(jià)的單位可以是機(jī)組、發(fā)電廠和發(fā)電公司，競價(jià)的周期可以是年、月、日、時(shí)。,,3. 約束條件較多 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模式要考慮系統(tǒng)功率平衡、機(jī)組出力上下限、旋轉(zhuǎn)備用、最小開停機(jī)時(shí)間等約束條件。到了電力市場條件下，經(jīng)濟(jì)調(diào)度的約束條件更加多樣，如交易的輔助服務(wù)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(shí)際上是不可能同時(shí)

12、達(dá)到100％的精度和0秒的計(jì)算速度的。但如果算法帶來的誤差太大，會(huì)直接影響經(jīng)濟(jì)性，達(dá)不到經(jīng)濟(jì)調(diào)度的效果，如果速度太慢，算法也將失去實(shí)用價(jià)值。因此，電力市場條件下選擇的經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法必須滿足一定的精度和速度要求。,2.2 經(jīng)濟(jì)調(diào)度常用方法,1. 排隊(duì)法 排隊(duì)法也稱優(yōu)先級法、其基本思想是按照經(jīng)濟(jì)原則建立一個(gè)優(yōu)先次序表，即按機(jī)組的報(bào)價(jià)進(jìn)行排隊(duì)。報(bào)價(jià)低的機(jī)組排在前面，報(bào)價(jià)高的機(jī)組排在后面，然后根據(jù)

13、約束條件依次進(jìn)行出力分配。排隊(duì)技術(shù)包括插入排號法和分配排號法。排隊(duì)法既可以用于解決機(jī)組經(jīng)濟(jì)組合或機(jī)組開停問題，又可用于解決經(jīng)濟(jì)功率分配問題，同時(shí)還可以用作動(dòng)態(tài)規(guī)劃機(jī)組經(jīng)濟(jì)組合的初始狀態(tài)。排隊(duì)法可以用于各種周期包括年月目的計(jì)劃矯正和控制以及實(shí)時(shí)調(diào)度之中。,,排隊(duì)法的缺點(diǎn)是報(bào)價(jià)曲線必須是分段水平線(階梯形)，而且不能有下降段。同時(shí)，排隊(duì)法應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)在于很難滿足發(fā)電機(jī)組升降功率限值和起停時(shí)間限制。（我國早期的調(diào)度模式）,,2．等微增率法

14、 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(xué)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(jì)調(diào)度的增廣目標(biāo)函數(shù)，在計(jì)算過程中以目標(biāo)函數(shù)對各負(fù)荷變量的一階導(dǎo)數(shù)相等為原則，直接求出各負(fù)荷值，然后檢驗(yàn)是否滿足約束條件，若不滿足再用迭代法進(jìn)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(diǎn)是：要

15、求機(jī)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(shí)際發(fā)電機(jī)組的輸入輸出特性并不嚴(yán)格滿足這些條件(如閥點(diǎn)效應(yīng))，通過某種近似而滿足上述條件的解必然是不精確的。當(dāng)報(bào)價(jià)曲線趨于水平時(shí)收斂困難，更不能解決有下降性報(bào)價(jià)曲線的負(fù)荷分配問題。這樣就使電力公司的發(fā)電報(bào)價(jià)計(jì)劃在一定程度上受到限制，影響了市場的公平性原則。,,3．動(dòng)態(tài)規(guī)劃法 動(dòng)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

16、法，因此可以解決各種類型報(bào)價(jià)曲線的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題。該方法將問題分成若干步，每步增加1個(gè)機(jī)組，使得從第1步到該步目標(biāo)函數(shù)最小，然后遞推，進(jìn)行下一步，直至完成對所有機(jī)組的尋優(yōu)。 目前在實(shí)際應(yīng)用中多采用局部加密動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，能進(jìn)一步提高運(yùn)算精度，縮短計(jì)算時(shí)間，其基本思想是：先取較大的格點(diǎn)間隔（疏網(wǎng)絡(luò)），求出較粗糙的最優(yōu)解，在最優(yōu)軌線附近縮小格點(diǎn)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(dòng)態(tài)規(guī)劃法可以解

17、決任意形狀報(bào)價(jià)曲線的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題，而且計(jì)算速度較快、精度較高。其局限性是：(1)計(jì)算量較大，動(dòng)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(jì)調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)、約束條件進(jìn)行線性化處理，梅造成標(biāo)準(zhǔn)的線性規(guī)劃問題，然后求解，得到機(jī)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(diǎn)是：快速，

18、可靠；能有效的處理網(wǎng)絡(luò)安全約束，可以直接解決與時(shí)間有關(guān)的約束；對于下降型的報(bào)價(jià)曲線同樣適用。,,線性規(guī)劃法缺點(diǎn)是：處理網(wǎng)絡(luò)比較麻煩，逐次線性化會(huì)造成計(jì)算精度損失。,,5．網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃法 網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃法是針對網(wǎng)絡(luò)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(jià)，它的計(jì)算原理符合市場操作過程。 網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃法的基本思路是：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)和特點(diǎn)，將各種約束條件用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)流模型

19、來表示，逐次以一次的步長增加報(bào)價(jià)最小的機(jī)組功率，直至負(fù)荷達(dá)到要求，使購電成本最小。,,網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃法能夠解決其它一些競價(jià)算法難以解決的時(shí)間類約束和網(wǎng)絡(luò)安全類約束，它的難點(diǎn)主要有兩個(gè)，一是降價(jià)可行解的搜索范圍，另一個(gè)是解決潮流與實(shí)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(jìn)化過程的基于隨機(jī)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(chǔ)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。

20、遺傳算法對目標(biāo)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(diǎn)是求解問題相對比較費(fèi)時(shí)，用遺傳算法尋求最優(yōu)解對，要花費(fèi)大量的時(shí)間對基因進(jìn)行測試、組合。另外遺傳算法的性能還強(qiáng)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(jì)調(diào)度基本數(shù)學(xué)模型,電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度是在負(fù)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(biāo)最優(yōu)的發(fā)電機(jī)的功率分配。 經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題實(shí)質(zhì)上是

21、一個(gè)既包括等式約束、又包括不等式約束的多目標(biāo)優(yōu)化問題，其研究目標(biāo)包括最小化燃料費(fèi)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(fèi)用是最重要的目標(biāo)，但是如果能夠統(tǒng)籌考察多個(gè)目標(biāo)的折衷關(guān)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(jì)運(yùn)行方式。,3.1 目標(biāo)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(biāo)經(jīng)濟(jì)調(diào)度可以采用以下的目標(biāo)函數(shù)： （1）最小化全系統(tǒng)發(fā)電燃料總耗量(或總費(fèi)用)。發(fā)電燃

22、料總費(fèi)用是電廠生產(chǎn)最重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，可以用發(fā)電機(jī)有功出力的二階多項(xiàng)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(jī)出力的二階多項(xiàng)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

23、率優(yōu)化結(jié)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(luò)的網(wǎng)損來實(shí)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(gè)等式約束條件，系統(tǒng)發(fā)電機(jī)總出力必須滿足系統(tǒng)總負(fù)荷與傳輸線路網(wǎng)損之和：,（4）,,（2）機(jī)組發(fā)電容量約束。這是一個(gè)不等式約束條件，發(fā)電機(jī)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(yùn)行要求的范圍之內(nèi)：,（5）,,（3）安全約束。為了保證安全運(yùn)行，傳輸線路潮流不能高于其上限。,（6

24、）,3.3 數(shù)學(xué)描述,綜上所述，本專題所介紹的常見電力經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題的目標(biāo)函數(shù)及約束條件，可描述為一個(gè)帶有等式與不等式約束的非線性多目標(biāo)優(yōu)化問你，其數(shù)學(xué)表述如下：,（7）,4 小結(jié),首先對電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的內(nèi)容進(jìn)行了概括，并對其中的負(fù)荷預(yù)測、機(jī)組組合、聯(lián)合電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度、考慮環(huán)保的經(jīng)濟(jì)調(diào)度等內(nèi)容進(jìn)行了較為詳細(xì)的敘述； 其次，介紹了電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度常用的計(jì)算方法，并對電力市場條件下經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)；

25、 最后，對于常見的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的基本數(shù)學(xué)模型進(jìn)行介紹，包括其目標(biāo)函數(shù)、約束條件、數(shù)學(xué)描述等。,5 課堂習(xí)題,1.請說明電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度研究的主要問題包括哪些？（寫出4項(xiàng)即可） 2.電力市場條件下經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法的特點(diǎn)有哪幾點(diǎn)？ 3.電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度常用方法有哪幾種？（寫出3項(xiàng)即可） 4.節(jié)能發(fā)電調(diào)度的含義? 5.你認(rèn)為印度大停電的原因有哪些？（可以寫出自己認(rèn)為的原因，自圓其說，