考慮交流潮流校正的日內(nèi)滾動發(fā)電計劃模型與方法（電力）
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考慮交流潮流校正的日內(nèi)滾動發(fā)電計劃模型與方法（電力）
王鐵強(qiáng)1，孫廣輝1，曹欣1，楊曉東1，匡洪輝2，郭少青2
（1河北省電力公司，河北石家莊050022;2．北京清大科越科技有限公司，北京 100084）
摘要：為了提高日內(nèi)滾動發(fā)電計劃的計算效率和潮流計算精度，采用直流潮流建立日內(nèi)滾動發(fā)電計劃優(yōu)化模型．考慮基態(tài)和N-1故障方式下的網(wǎng)絡(luò)安全約束，從而高效求解滾動發(fā)電計劃；基于機(jī)組有功出力計劃，結(jié)合無功負(fù)荷預(yù)測和無功補(bǔ)償設(shè)備投切情況，建立以有功出力調(diào)整量最小為目標(biāo)的交流潮流校正模型，對有功出力計劃進(jìn)行修正，從而提高計劃潮流的準(zhǔn)確性，滿足實(shí)時運(yùn)行的精度要求�；趯�(shí)際電網(wǎng)的算例分析表明．該方法能夠有效提高優(yōu)化計算效率和潮流準(zhǔn)確度。
關(guān)鍵詞：發(fā)電計劃：經(jīng)濟(jì)調(diào)度：日內(nèi)滾動；交流潮流：網(wǎng)絡(luò)安全；安全校正；非線性規(guī)劃；并行計算 中圖分類號：TM732 DOI：10.11930/j．issn．1004-9649.2016.04.083.05
0引言
由于負(fù)荷預(yù)測精度、天氣和事故等因素，電力系統(tǒng)的計劃運(yùn)行方式與實(shí)際運(yùn)行情況會有一定差別．日前發(fā)電計劃H1力水平與實(shí)際運(yùn)行時的負(fù)荷水平也可能出現(xiàn)較大偏差。這種偏離計劃的非指導(dǎo)性的偏差將導(dǎo)致電能的不平衡，嚴(yán)重影響日前計劃的執(zhí)行，不能簡單地依靠AGC機(jī)組調(diào)節(jié)來消除。作為與日前發(fā)電計劃的重要銜接環(huán)節(jié)，日內(nèi)滾動發(fā)電計劃是消除這一不平衡量的有效手段。
日內(nèi)滾動發(fā)電計劃以動態(tài)滾動的時間窗口f通常為2h）為優(yōu)化尺度，敏銳監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)與日前發(fā)電計劃偏差，及時修正母線負(fù)荷預(yù)測，及時更新電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、公平的方式，對各個發(fā)電機(jī)組進(jìn)行再調(diào)度，從而跟蹤系統(tǒng)負(fù)荷的變化。由此制定的滾動發(fā)電計劃將直接發(fā)送到各個電廠，控制機(jī)組運(yùn)行，達(dá)到調(diào)節(jié)實(shí)施發(fā)電計劃的目的，實(shí)現(xiàn)了從日前到日內(nèi)時序上的有機(jī)銜接和白適應(yīng)滾動優(yōu)化，有效減輕了調(diào)度員實(shí)時再調(diào)度的壓力。
日內(nèi)滾動發(fā)電計劃系統(tǒng)能夠根據(jù)檢修計劃、聯(lián)絡(luò)線交換計劃、負(fù)荷預(yù)測、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�、機(jī)組發(fā)電能力等信息的日內(nèi)變化，綜合考慮系統(tǒng)負(fù)荷平衡約束、電網(wǎng)安全約束和機(jī)組運(yùn)行約束，采用數(shù)學(xué)優(yōu)化算法，滾動修正日前發(fā)電計劃，以滿足新的系統(tǒng)負(fù)荷平衡。
為滿足實(shí)際運(yùn)行的安全要求，靜態(tài)安全校核與校正是日內(nèi)滾動發(fā)電計劃制定過程中的重要環(huán)節(jié)。靜態(tài)安全校核和校正是指采用直流潮流或交流潮流對電力系統(tǒng)的潮流分布進(jìn)行計算與分析，并在必要時對發(fā)電機(jī)組的出力水平進(jìn)行調(diào)整，以使得發(fā)電計劃結(jié)果滿足基態(tài)和N-1故障情況下的潮流安全約束。交流潮流模型具有極強(qiáng)的非線性，相關(guān)算法不易收斂，較難對復(fù)雜約束進(jìn)行建模，因此．目前國內(nèi)外對發(fā)電計劃算法的研究與應(yīng)用主要采用直流潮流模型。直流潮流具備線性計算的優(yōu)勢，易于進(jìn)行潮流安全約束建模，從而考慮靜態(tài)安全校核與校正。然而，直流潮流沒有考慮無功和網(wǎng)損，無法保證實(shí)時調(diào)度所要求的計算精度．導(dǎo)致其校核校正結(jié)果的可信度下降，為電力系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行帶來風(fēng)險。
國內(nèi)外學(xué)者在日內(nèi)滾動發(fā)電計劃及提高發(fā)電計劃潮流計算精度方面開展了大量工作。
提出了涵蓋日前發(fā)電計劃、超前調(diào)度和經(jīng)濟(jì)調(diào)度等不同時間尺度的火電機(jī)組有功調(diào)度方法。超前調(diào)度即根據(jù)最新的負(fù)荷、機(jī)組可用性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、環(huán)保約束等，修正日前發(fā)電計劃曲線。
提出了能有效提高電網(wǎng)消納風(fēng)電等新能源能力的滾動發(fā)電計劃編制策略，基于拉格朗日松弛算法框架提出了高效求解方法。設(shè)計了消納大規(guī)模風(fēng)電的多時間尺度協(xié)調(diào)的有功調(diào)度系統(tǒng)。
以擴(kuò)展短期負(fù)荷預(yù)測為基礎(chǔ)，滾動對日內(nèi)剩余時段的發(fā)電計劃進(jìn)行修正、刷新。結(jié)合日前
發(fā)電計劃曲線，根據(jù)日內(nèi)短期和超短期負(fù)荷預(yù)測、檢修計劃及電網(wǎng)實(shí)時拓?fù)淝闆r，利用長周期優(yōu)化、短周期優(yōu)化完成日內(nèi)發(fā)電計劃。通過交直流混合迭代提高潮流與網(wǎng)損的計算精度。
提出的預(yù)報潮流自動生成方法能夠提高校核潮流的準(zhǔn)確度。提出了以調(diào)整量最小為目標(biāo)進(jìn)
行潮流越限后出力校正的優(yōu)化策略。則將協(xié)調(diào)平衡有功計劃數(shù)據(jù)失配量的有功子問題與求
解無功電壓分布的子問題進(jìn)行解耦，提高了計劃交流潮流的可信度。針對大規(guī)模風(fēng)電分析
并評述了增加額外旋轉(zhuǎn)備用、基于場景的隨機(jī)規(guī)劃、魯棒優(yōu)化3種主要方法的特點(diǎn)及其優(yōu)缺點(diǎn)，為適應(yīng)大規(guī)模風(fēng)電接入的發(fā)電計劃不確定性研究提供參考。也有文獻(xiàn)考慮風(fēng)電功率波動特性的日前發(fā)電計劃模型。以上文獻(xiàn)雖然通過一些技術(shù)手段提高了計劃潮流的準(zhǔn)確性，但并未將其應(yīng)用于日內(nèi)滾動計劃模塊當(dāng)中。
針對上述問題，本文提jJ考慮交流潮流校正的日內(nèi)滾動發(fā)電計劃模型與方法。該方法采用直流潮流建立日內(nèi)滾動發(fā)電計劃優(yōu)化模型，考慮基態(tài)和N-1故障方式下的網(wǎng)絡(luò)安全約束，從而高效求解滾動發(fā)電計劃：然后，基于機(jī)組有功出力計劃．結(jié)合無功負(fù)荷預(yù)測和電容器投切情況，建立以有功出力調(diào)整量最小為目標(biāo)的交流潮流校正模型．對有功出力計劃進(jìn)行修正�；趯�(shí)際電網(wǎng)的算例分析表明本方法能夠有效提高日內(nèi)滾動發(fā)電計劃的計算效率和潮流精度。
1 日內(nèi)滾動發(fā)電計劃編制流程
日內(nèi)滾動發(fā)電計劃的編制流程如圖1所示。
(1)實(shí)時監(jiān)視電網(wǎng)數(shù)據(jù)。實(shí)時監(jiān)視電網(wǎng)的負(fù)荷變化、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、聯(lián)絡(luò)線變化等最新信息，結(jié)合運(yùn)行人員預(yù)沒的滾動計算啟動門檻，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時負(fù)荷與日前計劃的偏差，自適應(yīng)決策是否啟動滾動計算。系統(tǒng)拓?fù)浒l(fā)生變化和電網(wǎng)發(fā)生阻塞時和負(fù)荷偏差超過門檻值時均會啟動日內(nèi)滾動計劃優(yōu)化計算，消除阻塞和預(yù)測產(chǎn)生的偏差。負(fù)荷偏差的門檻值不建議設(shè)置的太大，具體值根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)的規(guī)模和魯棒程度綜合考慮，門檻值也可以設(shè)置為0。(2)數(shù)據(jù)合理性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)輸入數(shù)據(jù)的合理性．提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)荷無法平衡、機(jī)組出力與電量設(shè)置沖突、沒備參數(shù)錯誤等方面的問題。對于一般性問題，由算法按一定的規(guī)則進(jìn)行處理后繼續(xù)：對于嚴(yán)重問題，給出提示由用戶進(jìn)行調(diào)整。(3)直流發(fā)電計劃模型建立與求解。建立日內(nèi)滾動發(fā)電計劃優(yōu)化模型，考慮基態(tài)和N-1故障方式下的網(wǎng)絡(luò)安全約束，并進(jìn)行高效求解，得到日內(nèi)滾動發(fā)電計劃結(jié)果。(4)交流潮流校正模型建立與求解。基于機(jī)組有功出力計劃，結(jié)合無功負(fù)荷預(yù)測和無功補(bǔ)償設(shè)備投切情況，建立以有功出力調(diào)整量最小為目標(biāo)的交流潮流校正模型，對有功出力計劃進(jìn)行修正，得到交流校正后的日內(nèi)滾動發(fā)電計劃。(5)日內(nèi)滾動發(fā)電計劃結(jié)果輸出與發(fā)布。輸出日內(nèi)滾動發(fā)電計劃的計算結(jié)果，并將其作為調(diào)度指令，下達(dá)各個發(fā)電機(jī)組。
2直流發(fā)電計劃模型建立與求解
采用直流潮流建立日內(nèi)滾動發(fā)電計劃數(shù)學(xué)優(yōu)化模型并通過有效約束添加技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效求解。
2.1 數(shù)學(xué)模型
日內(nèi)滾動發(fā)電計劃的優(yōu)化對象是機(jī)組出力在日前發(fā)電計劃基礎(chǔ)上的調(diào)整量。其曰標(biāo)函數(shù)可選擇為發(fā)電煤耗最小（節(jié)能調(diào)度）、發(fā)電成本最�。ń�(jīng)濟(jì)調(diào)度）或者與計劃發(fā)電量偏差最�。ㄈ蚨龋�，約束條件主要包括負(fù)荷平衡、網(wǎng)絡(luò)安全、機(jī)組運(yùn)行限制與實(shí)用化約束4類。
2.1.1 目標(biāo)函數(shù)
經(jīng)濟(jì)調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)為
(3)機(jī)組出力調(diào)整表達(dá)式為
(4)機(jī)組出力限制和爬坡約束為
2.2 有效約束添加技術(shù)
在滾動發(fā)電計劃優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型巾．網(wǎng)絡(luò)安全約束規(guī)模非常龐大。若考慮基態(tài)下的安全約束，以500條線路、300臺變壓器的中等省級電網(wǎng)規(guī)模為例．8時段的基態(tài)安全約束有6 400條：若再考慮N-1安全約束，則將對問題的高效求解造成極大的困難、在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行巾，真正起作用的安全約束數(shù)量極少，沒有必要將所有約束都添加到模型當(dāng)巾。岡此，本文采用有效約束添加技術(shù)。首先進(jìn)行無約束計算，然后對基態(tài)和故障潮流進(jìn)行掃描，如果有越限發(fā)生，再把相應(yīng)的約束添加到模型當(dāng)中重新計算。通過在迭代過程中不斷發(fā)現(xiàn)有效約束，逐步將有效約束添加到日內(nèi)滾動發(fā)電計劃優(yōu)化決策模型中，快速獲得最優(yōu)解。
簡單來說，安全約束的檢驗(yàn)和校正的步驟為：(1)進(jìn)行無約束發(fā)電計劃優(yōu)化計算；(2)根據(jù)無約束優(yōu)化結(jié)果計算潮流，掃描越限對象與越限時段，對其添加約束；(3)進(jìn)行有約束發(fā)電計劃優(yōu)化計算，淵整受約束機(jī)組的出力計劃；(4)重新計算潮流，再次掃描越限對象與越限時段．如有則添加約束返同(3)，如無跳至(5)；(5)進(jìn)行N-1檢驗(yàn)，掃描N-1場景下的越限對象與越限時段．對其添加約束；(6)進(jìn)行N-1場景發(fā)電計劃優(yōu)化計算，調(diào)整受約束機(jī)組的出力計劃；(7)重新進(jìn)行N-1檢驗(yàn)，如有越限則添加約束返回(6)，如無跳至(8);(8)結(jié)束計算，輸出結(jié)果。
3交流潮流校正模型建立與求解
采用直流潮流對日內(nèi)滾動發(fā)電計劃進(jìn)行建模優(yōu)化，得到發(fā)電機(jī)組的日內(nèi)滾動有功計劃。為考慮無功和網(wǎng)損對計劃潮流的影響．本節(jié)將采用最優(yōu)潮流方法對日內(nèi)滾動發(fā)電計劃進(jìn)行交流潮流校正。為了盡量維持直流發(fā)電計劃模型所得到的結(jié)果，交流潮流校正模型以機(jī)組出力修正量最小為日標(biāo)，結(jié)合無功負(fù)荷預(yù)測和無功補(bǔ)償設(shè)備投切情況，考慮節(jié)點(diǎn)有功、無功平衡，線路、斷面的潮流約束，逐時段對機(jī)組有功出力計劃進(jìn)行修正。該模型中，機(jī)組無功出力參與優(yōu)化，母線無功負(fù)荷采用超短期預(yù)測數(shù)據(jù)，無功補(bǔ)償設(shè)備的投切則采用滾動時間窗口前的實(shí)際數(shù)據(jù)．不進(jìn)行優(yōu)化，、
3.1 數(shù)學(xué)模型
交流潮流校正的目標(biāo)函數(shù)是機(jī)組出力修正量最小，考慮節(jié)點(diǎn)有功平衡、節(jié)點(diǎn)無功平衡、線路潮流安全等約束條件。
3.1.1 目標(biāo)函數(shù)
3.1.2約束條件
(1)節(jié)點(diǎn)有功、無功平衡條件為
以上模型將在直流有功出力計劃的基礎(chǔ)卜．修正網(wǎng)損，得到交流可行解．進(jìn)而提高計劃潮流的可信度和日內(nèi)滾動發(fā)電計劃結(jié)果的可執(zhí)行度。
3.2求解方法
根據(jù)不同的爬坡約束考慮方式．交流潮流校正的計算策略為：(1)精細(xì)化考慮時段間爬坡約束。由于交流潮流校正模型的相鄰時段之間存在爬坡約束的耦合，在精細(xì)化考慮時段間爬坡約束時，每個時段需要根據(jù)上一時段的交流校正結(jié)果和機(jī)組的爬坡速率修正當(dāng)前時段的機(jī)組出力上下限。在該模式下，需要逐時段依次進(jìn)行交流潮流校正的計算，上一時段的計算結(jié)果作為判定下一時段機(jī)組出力上下限的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)爬坡約束的精細(xì)化考慮。(2)忽略交流潮流校正模型中的爬坡約束。爬坡約束已在直流發(fā)電計劃中進(jìn)行了完善的考慮，并且交流潮流校正模型以機(jī)組有功出力的修正量最小為目標(biāo)（機(jī)組出力的修正量往往低于2%），因此．在工程實(shí)用允許的誤差范圍內(nèi)，并不需要在交流潮流校正模型中考慮爬坡約束，其計算結(jié)果也將在誤差范圍內(nèi)滿足爬坡。在該模式下，可在交流潮流校正的建模與求解過程中采用并行計算技術(shù)，以提高計算效率。
4算例分析
采用中國北部某省級電網(wǎng)2012年11月某日的日內(nèi)滾動發(fā)電計劃數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證與分析，數(shù)學(xué)優(yōu)化求解器采用IBM ILOG CPLEX。該省2012年11月某日16:45 -18:30的超短期系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測與原日前系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測的偏差如圖2所示。為消除該負(fù)荷偏差，采用本文日內(nèi)滾動發(fā)電計劃模型與方法進(jìn)行優(yōu)化，分別進(jìn)行直流發(fā)電計劃的優(yōu)化和交流潮流校正。
4.1 直流發(fā)電計劃優(yōu)化
采用有效約束添加技術(shù)大幅提高了直流發(fā)電計劃的計算效率，該8時段省級電網(wǎng)算例用時僅為2.31s。若直接添加所有安全約束，計算時間將超過60 s．難以滿足實(shí)時性要求。
直流發(fā)電計劃模型中考慮了基態(tài)和N-1故障方式下的網(wǎng)絡(luò)安全約束。為測試算法有效性，所設(shè)定的斷面在指定線路開斷時的N-1校正效果如圖3所示。可見本文方法給出了滿足網(wǎng)絡(luò)安全約束的直流日內(nèi)滾動發(fā)電計劃結(jié)果。
4.2 交流潮流校正
選取16:45．交流潮流校正前機(jī)組出力之和為19165.66 MW,校正后，機(jī)組出力之和為19 378.53MW,新增系統(tǒng)網(wǎng)損212.87 MW。最大機(jī)組出力修正量的絕對值為10.34 MW，相對比例為4.56%。為了平衡系統(tǒng)網(wǎng)損，機(jī)組出力之和上升1.11%；最大線路潮流誤差超過了10%，可見直流計劃潮流存在較大偏差，有必要采用本文方法進(jìn)行交流校正．以滿足實(shí)時運(yùn)行要求。
圖4所示為一臺中等容量(300 MW)機(jī)組在交流潮流校正前后的有功出力曲線，8個時段平均出力上升比例為2.18%。交流潮流校正模型對機(jī)組有功出力進(jìn)行了微量修正以平衡系統(tǒng)網(wǎng)損，同時優(yōu)化機(jī)組無功出力以降低系統(tǒng)網(wǎng)損�；诔唐陬A(yù)測和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行無功匹配，從而使得系統(tǒng)無功分布符合實(shí)際運(yùn)行狀況。通過交流潮流校正模型的優(yōu)化計算，得到滿足非線性交流潮流方程的計劃潮流解，避免了直流潮流模型所引入的誤差，大幅提高計劃潮流精度。
5結(jié)語
本文針對日內(nèi)滾動發(fā)電計劃提出了基于直流潮流的優(yōu)化模型和基于交流潮流的校正方法。在直流優(yōu)化模型中考慮基態(tài)和N-1故障方式下的網(wǎng)絡(luò)安全約束：通過交流潮流校正考慮無功和網(wǎng)損的影響，提高潮流計算精度。基于中國北部某省級電網(wǎng)的算例分析表明本文方法能夠有效提高日內(nèi)滾動發(fā)電計劃的計算效率和潮流精度。
