本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度領域，特別涉及一種電力系統(tǒng)月度火電機組組合問題的啟發(fā)式搜索方法。

技術背景

自節(jié)能調(diào)度辦法實施以來，我國發(fā)電量的結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，能耗大的小機組逐漸被淘汰，能耗較小的大機組在電網(wǎng)中成為發(fā)電的主體。在這種情況下，大機組互相配合、實現(xiàn)開機方式的優(yōu)化將成為決定系統(tǒng)運行效益的主要因素；當機組的開機方式確定以后，發(fā)電機組之間的負荷經(jīng)濟分配優(yōu)化空間并不大。同時，中國是以火電機組為主的國家，這樣的能源結(jié)構(gòu)決定了機組不宜采用日前機組組合那樣頻繁啟停優(yōu)化的調(diào)度經(jīng)營模式，從而凸顯了月度機組組合在實際生產(chǎn)上的重要性。

電力系統(tǒng)月度機組組合是以月為決策周期、以日為計算時段，在確保電力系統(tǒng)負荷需求及電站、機組自身運行參數(shù)的條件下，安排各個電站在未來月份每日的開機方式。月度機組組合作為中長期資源優(yōu)化，與日前發(fā)電計劃相比，能夠在更長的時間跨度上優(yōu)化機組組合方案，避免機組頻繁啟停，從而取得更為理想的優(yōu)化效果。

月度機組組合問題是一個高維、非凸、離散的混合整數(shù)非線性優(yōu)化問題，優(yōu)化求解難度較大，需要切實有效的求解方法。目前，國內(nèi)外學者針對該問題進行建模求解，已經(jīng)取得了許多有參考價值的研究成果與進展，用于解決此問題的優(yōu)化方法也一般分為以改進逐步優(yōu)化算法為代表的常規(guī)優(yōu)化算法和以遺傳算法為代表的新型智能算法兩類。但前者在當機組規(guī)模較大時容易陷入維數(shù)災，后者搜索速度較慢，且由于智能算法本身的隨機性特點可能會導致求解結(jié)果的不唯一，這些都難以滿足我國快速發(fā)展的電網(wǎng)調(diào)度運行需要，亟需切實可行的建模與求解方法。

本發(fā)明成果依托國家自然科學基金重大計劃重點支持項目(91547201)、國家自然科學基金委重大國際合作(51210014)、國家自然科學基金面上項目(51579029)，以浙江電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)火電機組組合問題為背景，滿足了電力調(diào)度的“三公”原則，保證了調(diào)度的公平性，同時盡可能的兼顧了節(jié)能調(diào)度的需求，在搜索精度和搜索速度方面也具有很大的優(yōu)越性，具有重要的推廣使用價值。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種電力系統(tǒng)月度火電機組組合問題的啟發(fā)式搜索方法，以有效滿足電力調(diào)度的“三公”原則，保證了調(diào)度的公平性，同時也盡可能的兼顧了節(jié)能調(diào)度的需求，在搜索精度和搜索速度方面也具有很大的優(yōu)越性，為月度機組組合問題帶來了新的解決思路。

一種電力系統(tǒng)月度火電機組組合問題的啟發(fā)式搜索方法，其特征包括以下步驟：

1)獲得初始計算條件，包括火電站機組運行條件和約束，以及電網(wǎng)扣除非火電機組和聯(lián)絡線計劃后火電機組需要承擔的日平均、最高負荷；

2)將初始計算時段編號t設為t＝1；

3)計算各電站月度的平均負荷率rm,t；計算公式為：

式中：m為電站總數(shù)；t為決策周期，在本文中為一個月；em為m號電站的月度合同電量，mwh；fm,t為m號電站到t時段為止時的已完成發(fā)電量，mwh；qm,t為m號電站在t時段的剩余可調(diào)容量；nm為電站m內(nèi)機組總數(shù)；ni為電站m內(nèi)第i號機組的裝機容量，mw；rti,t為機組i在決策周期內(nèi)t時間單元后的剩余檢修時間；

4)將第(t-1)日的電網(wǎng)火電機組的實際開機組合方式作為搜索第t日火電機組的開機組合方式的初始解，對于在t日處于檢修狀態(tài)的機組，自動置為停機狀態(tài)，并計算該日的總開機容量式中，ni為電站i內(nèi)機組總數(shù)，ii,t為機組i在第t日的開機狀態(tài)變量，若機組i開機則ii,t＝1，否則ii,t＝0；特別地，當t＝1時，(t-1)日表示上一月度的最后一天；

5)將該日開機容量lt與第t日考慮系統(tǒng)備用后的燃煤機組需要承擔的最大出力進行對比；

若小于或等于給定的精度δ(δ>0)，則計算終止，輸出第t日開機組合方式，并跳至步驟8)；

若跳至步驟6)；

若跳至步驟7)；

6)電網(wǎng)內(nèi)燃煤機組開機臺數(shù)過多，需要調(diào)停部分機組；

7)電網(wǎng)內(nèi)燃煤機組開機臺數(shù)過少，需要開啟部分機組；

8)重新計算當日的機組開機容量lt，若則跳至步驟9)；

9)更新各電站已完成電量fm,t；

10)令t＝t+1，若t<＝t，則跳至步驟3)；否則搜索終止，輸出電網(wǎng)月度火電機組開機組合方式。

本發(fā)明一種電力系統(tǒng)月度火電機組組合問題的啟發(fā)式搜索方法，以“三公調(diào)度”為目標，以往“三公調(diào)度”模式中以“電站裝機利用小時數(shù)相同”或者“合同完成率相當”，但不能體現(xiàn)后續(xù)機組檢修以及機組容量帶來的影響，因此本方法引入了“后續(xù)負荷率”指標來評估“三公調(diào)度”，并以“后續(xù)負荷率相當”原則指導機組的開機組合方式。在優(yōu)化計算過程中，以電站后續(xù)負荷率高低及負荷變化作為啟發(fā)信息，迭代修正電站開機方式，同時為了兼顧節(jié)能發(fā)電，在搜索過程中優(yōu)先選擇開啟能耗小的大機組或者優(yōu)先選擇調(diào)停能耗大的小機組。對比現(xiàn)有技術，本發(fā)明可充分考慮電力系統(tǒng)月度機組組合問題中的各項復雜約束，滿足了電網(wǎng)“三公調(diào)度”需求，同時盡可能的兼顧了節(jié)能發(fā)電需求，在搜索精度和搜索速度方面也具有很大的優(yōu)越性。

步驟6)中，根據(jù)以下條件調(diào)停部分機組：

601)按照rm,t從小到大的順序?qū)﹄娬具M行排序，依次對電站內(nèi)的機組進行預調(diào)停，一次調(diào)停1臺機組，出于節(jié)能性的考慮，優(yōu)先調(diào)停電站中能耗最大的機組；

602)對于rm,t小于60％的電站，優(yōu)先調(diào)停平均裝機容量小的電站中的機組；

603)判斷欲調(diào)停機組的已開機運行持續(xù)天數(shù)是否大于該機組的最小開機天數(shù)，若是，則轉(zhuǎn)至下一電站，若否，則轉(zhuǎn)至該電站的下一機組；若調(diào)停該機組后點站內(nèi)的開機機組臺數(shù)小于電站的最小運行方式，則放棄對該電站的任何操作，轉(zhuǎn)至下一電站。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所示的一種電力系統(tǒng)月度火電機組組合問題的啟發(fā)式搜索方法，其特征在于：步驟7)中，根據(jù)以下條件開啟部分機組：

701)按照rm,t從大到小的順序?qū)﹄娬具M行排序，依次對電站內(nèi)的機組進行預開機，一次開啟1臺機組，同樣出于節(jié)能性的考慮，優(yōu)先開啟電站中能耗最小的機組；

702)對于rm,t大于80％的電站，優(yōu)先開啟平均裝機容量大的電站中的機組；

703)判斷欲開啟機組的已停機持續(xù)天數(shù)是否大于該機組的最小停機天數(shù)，若是，則轉(zhuǎn)至下一電站，若否，則轉(zhuǎn)至該電站的下一機組；若該電站內(nèi)所有機組均不滿足條件，則放棄對該電站的任何操作，轉(zhuǎn)至下一電站。

在步驟1)中，火電站機組運行條件和約束包括：

a)機組出力約束

月度機組組合以日為時間單元，屬于中長期調(diào)度范疇，因此不考慮機組日內(nèi)出力的優(yōu)化，機組日內(nèi)出力均按系統(tǒng)平均負荷率計算，機組出力計算公式為：

式中：ct為第t日燃煤機組需要平衡的日平均負荷，此處指系統(tǒng)扣除聯(lián)絡線計劃以及非火電機組出力；ii,t為機組i在第t日的開機狀態(tài)變量，若機組i開機則ii,t＝1，否則ii,t＝0；

機組出力pi,t處于其最大、最小技術出力范圍之內(nèi)，其約束條件為：

ii,tpi,min≤pi,t≤ii,tpi,max

b)機組檢修約束

ii,t＝0,t∈[αt,βt]

式中：αt、βt分別表示機組i在決策周期內(nèi)檢修起始時間和終止時間；

c)機組最小啟停時間約束

燃煤機組較大的物理慣性，其開停機過程涉及鍋爐熱力系統(tǒng)的緩慢動態(tài)過程，完成啟停過程需要較長時間，最小啟停時間約束可以描述為

式中：ti,u、ti,d為機組i的最小連續(xù)開機時間和最小連續(xù)停機時間；為機組i在第t日時已經(jīng)連續(xù)開機的時候和連續(xù)停機的時間；

d)電站開機臺數(shù)約束

電站在任意一個時間單元內(nèi)都必須保留一部分的機組出于開機狀態(tài)，同時電站的開機臺數(shù)也會受到電站機組總數(shù)的限制；

式中：nm為的電站m的機組總數(shù)；im,j,t為電站m的第j臺機組在第t日的開機狀態(tài)變量；λm、μm為電站m最小、最大開機機組數(shù)；

e)邊界條件約束

各電站計算周期內(nèi)的開停機方式需要與上一周期內(nèi)的開機方式銜接，在銜接時段處的機組啟停方式需要滿足約束3)的最小啟停時間約束。

步驟1)中，獲得初始計算條件中還包括電網(wǎng)約束；所述電網(wǎng)約束包括：

f)負荷平衡約束

g)系統(tǒng)最小備用容量約束

式中：ηt為第t日的系統(tǒng)備用率；為第t日系統(tǒng)扣除聯(lián)絡線計劃以及非火電出力后的最大負荷，mw；

h)電網(wǎng)安全約束

月度機組組合模型需要考慮關鍵斷面的輸電容量約束，即

式中：ψs為接入斷面s的機組集合；ps,t為t時刻穩(wěn)定斷面s的輸電極限。

有益效果：本技術方案引入了“后續(xù)負荷率”指標來評估“三公調(diào)度”，并以“后續(xù)負荷率相當”原則指導機組的開機組合方式。在優(yōu)化計算過程中，以電站后續(xù)負荷率高低及負荷變化作為啟發(fā)信息，迭代修正電站開機方式，同時為了兼顧節(jié)能發(fā)電，在搜索過程中優(yōu)先選擇開啟能耗小的大機組或者優(yōu)先選擇調(diào)停能耗大的小機組。對比現(xiàn)有技術，本發(fā)明可充分考慮電力系統(tǒng)月度機組組合問題中的各項復雜約束，滿足了電網(wǎng)“三公調(diào)度”需求，同時盡可能的兼顧了節(jié)能發(fā)電需求，在搜索精度和搜索速度方面也具有很大的優(yōu)越性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明流程圖；

圖2是采用本發(fā)明方法優(yōu)化計算的浙江電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)各火電站月度電量完成結(jié)果。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述。

月度機組組合旨在更長的時間跨度內(nèi)統(tǒng)籌考慮電網(wǎng)運行效益，該問題涉及復雜的電力需求和電站、機組運行控制約束，其本質(zhì)是一個復雜的大規(guī)?；旌险麛?shù)非線性規(guī)劃問題，用嚴格的數(shù)學優(yōu)化方法很難求出最優(yōu)解，因此需要更加切實有效的求解方法。如何在滿足各項約束的條件下，根據(jù)月度負荷預測和電量需求預測，分解落實月度合同電量，制定切實有效的機組組合方案，是問題求解的主要難點。本發(fā)明揭示一種電力系統(tǒng)月度火電機組組合問題的啟發(fā)式搜索方法，引入了“后續(xù)負荷率”指標來描述“三公”調(diào)度，并以電站“后續(xù)負荷率相當”原則指導機組的開機組合方式。在優(yōu)化計算過程中，以電站后續(xù)負荷率負荷高低及負荷變化作為啟發(fā)信息，迭代修正電站開機方式，同時為了兼顧節(jié)能發(fā)電，在搜索過程中優(yōu)先選擇開啟能耗小的大機組或者優(yōu)先選擇調(diào)停能耗大的小機組。

“三公”調(diào)度是電力調(diào)度的基本原則和工作目標，它意味著在調(diào)度管理的過程中，電力調(diào)度機構(gòu)應當平等對待各市場主體，保證各發(fā)電企業(yè)的合同電量完成進度大致相當，以維護競爭的有序進行。目前，衡量調(diào)度公平性的指標主要是發(fā)電計劃完成率或者完成電量偏差，這些指標一般僅關注發(fā)電計劃執(zhí)行的結(jié)果，而較少考慮執(zhí)行的過程，更不能體現(xiàn)機組檢修以及機組容量對計劃執(zhí)行過程的影響。近年來，國內(nèi)學者和電力系統(tǒng)工作者針對電力調(diào)度的公平性提出了幾種新方法，本文根據(jù)電網(wǎng)實際需求，采用后續(xù)負荷率評估“三公”調(diào)度，并以“后續(xù)負荷率相當”原則指導月度電量分解以及月度機組組合方案。后續(xù)負荷率是指在整個決策周期內(nèi)，電站在某個時間單元內(nèi)、在當前的開機狀態(tài)下，完成剩余合同電量所要運行的負荷率水平，用下式表示：

rm,t＝(em-fm,t)×100％/(qm,t×t),m＝1,2...m

式中：m為電站總數(shù)；t為決策周期，在本文中為一個月；em為m號電站的月度合同電量，mwh；fm,t為m號電站到t時段為止(不包括t時段)時的已完成發(fā)電量，mwh；qm,t為m號電站在t時段的剩余可調(diào)容量

式中：nm為電站m內(nèi)機組總數(shù)；ni為電站m內(nèi)第i號機組的裝機容量，mw；rti,t為機組i在決策周期內(nèi)t時間單元后的剩余檢修時間。

若電站后續(xù)負荷率較低，意味著電站內(nèi)的機組運行在較低的負荷率水平就能完成合同電量，屬于較易完成合同電量的類型，當系統(tǒng)內(nèi)開機容量充足時為了減少能耗會優(yōu)先調(diào)停這部分電站的機組；反之，若后續(xù)負荷率較高，表明電站需要運行在較高的負荷率水平才能完成三公合同電量，屬于較難完成合同電量的類型，當系統(tǒng)開機容量不足時會優(yōu)先開啟這些電站內(nèi)的機組。為了保證各個電站的電量完成進度在任何一個時間斷面上盡可能一致，進而保證了調(diào)度的公平性，相應的目標函數(shù)為：

求解電力系統(tǒng)月度機組組合問題需要滿足的約束條件包括：

一、電站和機組約束

a)機組出力約束

月度機組組合以日為時間單元，屬于中長期調(diào)度范疇，因此不考慮機組日內(nèi)出力的優(yōu)化，機組日內(nèi)出力均按系統(tǒng)平均負荷率計算，機組出力計算公式為：

式中：ct為第t日燃煤機組需要平衡的日平均負荷，此處指系統(tǒng)扣除聯(lián)絡線計劃以及非火電機組出力；ii,t為機組i在第t日的開機狀態(tài)變量，若機組i開機則ii,t＝1，否則ii,t＝0。

機組出力pi,t應該處于其最大、最小技術出力范圍之內(nèi)，其約束條件可以描述為：

ii,tpi,min≤pi,t≤ii,tpi,max

b)機組檢修約束

ii,t＝0,t∈[αt,βt]

式中：αt、βt分別表示機組i在決策周期內(nèi)檢修起始時間和終止時間。

c)機組最小啟停時間約束

燃煤機組較大的物理慣性，其開停機過程涉及鍋爐熱力系統(tǒng)的緩慢動態(tài)過程，完成啟停過程需要較長時間，最小啟停時間約束可以描述為

式中：ti,u、ti,d為機組i的最小連續(xù)開機時間和最小連續(xù)停機時間；為機組i在第t日時已經(jīng)連續(xù)開機的時候和連續(xù)停機的時間。

d)電站開機臺數(shù)約束

電站在任意一個時間單元內(nèi)都必須保留一部分的機組出于開機狀態(tài)，同時電站的開機臺數(shù)也會受到電站機組總數(shù)的限制。

式中：nm為的電站m的機組總數(shù)；im,j,t為電站m的第j臺機組在第t日的開機狀態(tài)變量；λm、μm為電站m最小、最大開機機組數(shù)。

e)邊界條件約束

各電站計算周期內(nèi)的開停機方式需要與上一周期內(nèi)的開機方式銜接，在銜接時段處的機組啟停方式需要滿足約束3)的最小啟停時間約束。

二、電網(wǎng)約束；所述電網(wǎng)約束包括：

f)負荷平衡約束

由于機組出力是按照系統(tǒng)平均負荷率計算，因此此項約束自然滿足。

g)系統(tǒng)最小備用容量約束

式中：ηt為第t日的系統(tǒng)備用率；為第t日系統(tǒng)扣除聯(lián)絡線計劃以及非火電出力后的最大負荷，mw。

h)電網(wǎng)安全約束

月度機組組合模型需要考慮關鍵斷面的輸電容量約束，即

式中：ψs為接入斷面s的機組集合；ps,t為t時刻穩(wěn)定斷面s的輸電極限；

如圖1所示，根據(jù)上述思想，一次完整的電力系統(tǒng)月度機組組合優(yōu)化過程，按照下述步驟1)-11)予以實現(xiàn)：

1)初始計算條件，包括火電站(機組)運行條件和約束(月度合同電量、各機組裝機容量、機組典型煤耗曲線等)，以及電網(wǎng)扣除非火電機組和聯(lián)絡線計劃后火電機組需要承擔的日平均、最高負荷；

2)將初始計算時段編號t＝1；

3)將第(t-1)日的電網(wǎng)火電機組的實際開機組合方式作為搜索第t日火電機組的開機組合方式的初始解，對于在t日處于檢修狀態(tài)的機組，自動置為停機狀態(tài)，并計算該日的總開機容量特別地，當t＝1時，(t-1)日表示上一月度的最后一天；

4)采用下式計算各電站在t時段的后續(xù)負荷率rm,t；

5)將該日開機容量lt與第t日考慮系統(tǒng)備用后的燃煤機組需要承擔的最大出力進行對比；

若小于或等于給定的精度δ(δ>0)，則計算終止，輸出第t日開機組合方式，并跳至步驟(8)

若跳至步驟6)；

若跳至步驟7)；

6)電網(wǎng)內(nèi)燃煤機組開機臺數(shù)過多，需要調(diào)停部分機組。調(diào)停的具體原則如下；

①按照rm,t從小到大的順序?qū)﹄娬具M行排序，依次對電站內(nèi)的機組進行預調(diào)停，一次調(diào)停1臺機組，出于節(jié)能性的考慮，優(yōu)先調(diào)停電站中能耗最大的機組；

②對于rm,t小于60％的電站，優(yōu)先調(diào)停平均裝機容量小的電站中的機組；

③判斷欲調(diào)停機組的已開機運行持續(xù)天數(shù)是否大于該機組的最小開機天數(shù)，若是，則轉(zhuǎn)至下一電站，若否，則轉(zhuǎn)至該電站的下一機組；若調(diào)停該機組后點站內(nèi)的開機機組臺數(shù)小于電站的最小運行方式，則放棄對該電站的任何操作，轉(zhuǎn)至下一電站；

7)電網(wǎng)內(nèi)燃煤機組開機臺數(shù)過少，需要開啟部分機組。開機的具體原則如下；

①按照rm,t從大到小的順序?qū)﹄娬具M行排序，依次對電站內(nèi)的機組進行預開機，一次開啟1臺機組，同樣出于節(jié)能性的考慮，優(yōu)先開啟電站中能耗最小的機組；

②對于rm,t大于80％的電站，優(yōu)先開啟平均裝機容量大的電站中的機組；

③判斷欲開啟機組的已停機持續(xù)天數(shù)是否大于該機組的最小停機天數(shù)，若是，則轉(zhuǎn)至下一電站，若否，則轉(zhuǎn)至該電站的下一機組；若該電站內(nèi)所有機組均不滿足條件，則放棄對該電站的任何操作，轉(zhuǎn)至下一電站；

8)重新計算當日的機組開機容量lt，若則執(zhí)行步驟(9)；

9)對超載斷面進行校正，修正該部分機組的開機方式；

10)更新各電站已完成電量fm,t；

11)令t＝t+1，若t<＝t，則跳至步驟(3)；否則算法搜索終止，輸出電網(wǎng)月度火電機組開機組合方式；

現(xiàn)以浙江電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)26座火電站(84臺機組)作為研究對象，采用本發(fā)明方法制作其月度機組組合方案。各電站基礎資料如表1所示(限于篇幅，僅列出部分電站資料)，計算結(jié)果如圖2所示。由圖分析可知，在滿足電站和機組、電網(wǎng)約束的情況下，不考慮固定計劃的電站，完成合同電量進度最大的為1.06，最小的為0.95，均滿足電網(wǎng)月度電量控制要求。同時，與實際運行結(jié)果對比，77％的電站的合同電量完成度均有了不同程度的提高，最高幅度達到了32％，各電站電量完成進度趨于一致，電量完成度均方差為0.03，比實際降低了0.13，更加符合“三公”調(diào)度對公平性的要求。

表1