基于電力節能減排雙目標調度優化模型及方法的研究

李正哲，馬燕峰，婁雅融，韓金銅

0 引言

我國過去實行考慮機組容量的均衡發電調度模式在一定時期內調動了投資電源項目建設的積極性，促進了電力工業的快速發展，但同時也導致了高效環保的大火電機組、水電及核電等清潔能源機組的發電能力無法充分發揮，高污染、高能耗的小火電機組卻能多發電的情況，造成了能源資源浪費和環境污染［1］。

目前我國電力工業電源結構調整的任務仍然非常艱巨。一些傳統和計劃方式下的管理方法遏制了節能工作的展開。前幾年電力供應緊張，促使各地大量建設燃煤機組，小機組關停步伐明顯放緩，電源結構持續惡化。面對當前我國的能耗狀況和環境問題，為加快建設資源節約型，環境友好型的社會，節能發電調度的開展勢在必行。

國務院轉國家發改委的《節能發電調度辦法(試行)》［2］發布后，要求實施節能發電調度，強制性的實現節能減排，減少能源消耗和污染物排放。實施節能發電調度是一項涉及面廣且復雜的系統工程，是對我國現行發電調度制度的重大改革，對電網安全、連續可靠供電等將產生重大影響，并引起各方利益的調整。

根據《國務院關于“十一五”期間全國主要污染物排放總量控制計劃的批復》要求，到2010年電力行業二氧化硫排放應控制在951.7 萬t［3，4］。隨著我國經濟的快速發展，用電需求量不斷擴大，電力行業發展迅猛。截至2006 年底，全國發電裝機容量達到6.2 億kW。其中，火電機組4.8 億kW，約占總容量的77.8%。我國火電企業在電力工業中的比重高，是名副其實的能源消耗及污染物排放大戶。人均來講，我國電力供應仍然處于較低水平，而且電力供需基本平衡仍然是不穩定。電力結構不合理、煤炭資源分布與經濟發展不合理、電力能源利用方式落后電力工業節能減排發展落后等，這些仍然是實行節能減排要面臨的嚴峻問題。

目前，國內對節能發電調度的研究已經有一些理論成果。文獻［5］主要根據發電煤耗、廠用電、網損、排污水平等多種因素確定發電的優先級，探討了節能調度與市場化聯合實施的可能性，提出方案并將相應的節能措施按類型、時間和空間分為3 類分別進行探討。文獻［6］對比了國內外發電調度機制現狀，進行了節能調度與經濟調度特點的比較并提出了調度機制改革建議。文獻［7］主要根據發電煤耗、廠用電、網損、排污水平等多種因素確定發電的優先級，探討了節能調度與市場化聯合實施的可能性，提出了方案，并將相應的節能措施按類型、時間和空間分為3 類分別進行探討。目前研究多是較宏觀地進行研究，尚未對節能調度的日發電計劃進行具體的研究和實現。

對于電力市場中的發電主體，火電機組在集中競價的電力現貨市場中，按機組報價進行發電排序，這一過程既給出了調度依據，又給出了系統邊際電價，實現了市場的價格發現功能。節能調度是按煤耗排序，暫時仍按批復電價作為上網電價。在這種情況下，短期交易計劃中在電網公司的角度上可以改變原有的以購電成本最小的經濟調度，在其基礎上增加煤耗指標，變單目標優化調度為雙目標優化調度，引入多目標優化決策的方法。本文根據節能發電調度原則，針對電網火電機組提出既考慮電網購電成本和機組發電煤耗消耗量最小的雙目標模糊優化短期交易計劃制定策略，建立多目標模糊優化模型，并進行了算例比較。結果表明所建模型使綜合指標高的發電商在競爭時有明顯優勢。

1 節能發電調度對傳統調度模式的影響

節能發電調度方式優先調度可再生能源、高效環保發電機組，同時兼顧經濟社會效益目標的最大化，以此來推動電力工業健康發展，正迎合了當前社會經濟節能降耗和電力市場化改革目的的要求。落實節能減排工作任務，對于減少能源消耗、建設資源節約型社會和環境友好型社會、推動國民經濟可持續發展具有重要意義。

1.1 節能發電調度模式的分析

《節能發電調度辦法(試行)》中明確了節能發電調度以確保電力系統安全穩定運行和連續供電為前提，以節能、環保為目標，通過對各類發電機組按能耗和污染物排放水平排序，以分省排序、區域內優化、區域間協調的方式，實施優化調度。實施節能發電調度的關鍵問題是將現階段的以價格為標準的競價上網模式變為以能耗和污染物排放水平為標準的調度模式。電網企業也由原來的偏重商業化轉變為更多地偏向社會化功能，這必將面臨如火電機組發電成本增加，長短期節能調度優化等諸多的問題［8～10］。

節能發電調度適用于所有并網運行的發電機組，上網電價暫按國家現行管理辦法執行。對符合國家有關規定的外商直接投資企業的發電機組，可繼續執行現有購電合同，合同期滿后，執行節能發電調度。而機組發電排序的序位表(以下簡稱排序表)是節能發電調度的主要依據。各省(區、市)的排序表由省級人民政府責成其發展改革委(經貿委)組織編制，并根據機組投產和實際運行情況及時調整。排序表的編制應公開、公平、公正，并對電力企業和社會公開，對存在重大分歧的可進行聽證。在調度優先級上，各類發電機組按以下順序確定序位:

(1)無調節能力的風能、太陽能、海洋能、水能等可再生能源發電機組。

(2)有調節能力的水能、生物質能、地熱能等可再生能源發電機組和滿足環保要求的垃圾發電機組。

(3)核能發電機組。

(4)按“以熱定電”方式運行的燃煤熱電聯產機組，余熱、余氣、余壓、煤矸石、洗中煤、煤層氣等資源綜合利用發電機組。

(5)天然氣、煤氣化發電機組。

(6)其他燃煤發電機組，包括未帶熱負荷的熱電聯產機組。

(7)燃油發電機組。

1.2 節能發電調度對傳統調度模式的影響

電力行業落實節能減排有3 大主要任務:改進發電調度方式、關停小火電機組和加大脫硫力度。其中，改進發電調度方式又是電力行業節能減排的主要環節。長期以來，中國電力調度存在一些問題，主要表現在不同能耗水平的機組在電力市場和發電調度中的“大鍋飯”，這與歷史上投資機制、供需形勢、市場機制和運行管理機制有很大的關系。改進調度方式，不僅僅是技術上的電量平移，它將對投資政策、電價政策和企業生產經營穩定產生深刻影響，需要通過綜合措施才能解決。改變調度方式的過程實際上是利益再分配的過程，與市場內相關各方的切身利益密切相關［11］。

首先，節能發電調度雖然有利于建立電力行業節能減排的長效機制，逐步淘汰高能耗、高排放的發電機組，但高效大機組發電存在投資大的問題，相比已經完成還貸、上網電價偏低的小機組而言，大機組在價格上沒有優勢。隨著大量能耗低的發電機組投運，替代現有能耗高的低價電廠，新老電廠的價差必然導致電網公司購電價格較快上升，從而導致電力用戶電價過快上漲，進一步推動整個物價的增長幅度，這將不利于全國經濟發展。

其次，節能發電調度的實施主要是根據政府有關部門制定的節能排序序位安排發電，并沒有考慮線損，而線損率是衡量電網企業管理水平和貫徹節能降耗方針的重要標志。目前大部分高耗能機組處于負荷中心，用非負荷中心位置的大機組減少或替換高耗能機組發電，將增加電網網損，同時，電網潮流也將發生較大變化。處于負荷中心的小機組少發或停發，當地的用電需求無法自我平衡，必須通過外部電網送入，加劇了電網的“瓶頸”效應。這對電網在負荷高峰時期的保障電力供應提出了新的挑戰。

第三是實施節能發電調度后，部分大型、高效機組收益將大大增加，部分小型、低效火電機組關停，為保證電網可靠供電，在執行過程中仍需要保留部分參加調頻調峰備用的統調中小火電機組，其年利用小時在幾百小時，甚至只有幾十小時，這些機組依靠實際發電量收入難以滿足機組生產運行維護費用，將導致這些機組需要時無法開機，影響電網安全穩定運行。

《辦法》指出節能發電調度是指在保障電力可靠供應的前提下，按照節能、經濟的原則，優先調度可再生能源發電，按機組能耗和污染物排放水平由低到高排序，依次調用化石類發電資源，最大限度地減少能源消耗和污染物排放。節能發電優化調度是以節能減排為核心目標提出的發電調度規則。在優先調度清潔能源的基礎上，對火電機組進行節能與市場機制的結合調度，這是因為完全按能耗量排序進行發電調度能達到節能降耗目的，但必然會引起電網公司購電成本上升，不能體現市場主體意愿，而僅考慮發電廠報價的經濟調度，忽視機組煤耗、排放等因素，節能降耗將難以充分實現［10］。

對于電力市場中的發電主體，火電機組在集中競價的電力現貨市場中，按機組報價進行發電排序，這一過程既給出了調度依據，又給出了系統邊際電價，實現了市場的價格發現功能。節能調度是按煤耗排序，暫時仍按批復電價作為上網電價。在這種情況下，為保證各發電企業公平競爭及實時經濟調度，其調度原則、方案應模型化。電力市場條件下的節能日發電計劃模型應該是多目標優化模型。從電網公司的角度出發，短期交易計劃可以改變原有的以購電成本最小的經濟調度，在其基礎上增加煤耗指標，變單目標優化調度為雙目標優化調度，引入多目標優化決策的方法。

2 節能發電調度優化模型

與常規經濟調度一樣，節能調度也應包括兩個過程:一是機組的組合排序過程。該過程是針對執行調度的電力系統，在其實時運行之前，按照成本最低、污染物排放量最低等目標，決定可用機組序列的過程。針對某一負荷狀況，確定某一部分機組參加運行時整個系統運行是最經濟的，這就是機組組合問題。研究機組的最優投入問題是一項很有意義的工作，它是每天制定調度計劃的依據，而且機組最優投入所取得的經濟效益一般大于機組間經濟分配的效益。二是機組發電容量的實時調度過程。該過程是針對上一步所確定的機組序列，決定在系統實時運行期間從每個可用機組調度多少容量與電量的過程。

交易中心應盡量滿足清潔能源機組的上網電量要求，交易價格按國家規定價格執行。在節能發電序表上各火電機組的上網電價和煤耗水平已經確定的前提下，建立雙目標模型。

帶模糊約束的模糊多目標決策模型可以表示為

式中:x 為n 維決策列向量;min 表示“盡可能使目標函數小”;fi(x)為目標函數;gi(x)，hr(x)分別為約束條件函數。由于fi之間往往是相互制約甚至相互矛盾的，因此，不一定能找到一個解x，使fi都可以達到最優，這正是多目標規劃所反映的實際問題中的多目標決策的困難性與復雜性，所以人們提出關于最優解范疇的多種概念［12］。

2.1 模糊多目標規劃方法

求解多目標決策問題的算法包括目的規劃法、分層規劃法、交互規劃法以及模糊解法即隸屬函數法，本章求解上述模型采用模糊數學中最大隸屬度原則。對于多目標規劃問題，就是在相同的約束條件下，追求多個目標優化的問題。對目標函數F(x)=［f1(x)f2(x)… fm(x)］T在約束條件下的模糊極小值求取方法步驟如下:

(1)求出每一目標分量fi(x)的模糊子集，每個目標對應的隸屬度函數為μ(fi(x))，i =1，2，…。

(2)用最大隸屬度原則求x*，使x*在滿足約束條件還滿足:μ0(x*)=max［μ(f1(x))^μ(f2(x))^…^μ(fn(x))］，x∈Ω。

(3)這樣對于多目標最小化問題，引入模糊隸屬度變量μ 后，可化為單目標優化問題。

2.2 雙目標節能發電調度模型(M1)

PGi(t)為機組i 在時間段t 的出力。式(2)為發電煤耗量函數，鑒于《辦法》規定:機組運行能耗水平近期暫依照設備制造廠商提供的機組能耗參數排序，逐步過渡到按實測數值排序。現階段可認為機組能耗參數是固定的，與發電量呈線性變化關系。νi為機組i 的能耗參數，即機組每兆瓦出力消耗煤耗所產生的費用。

式(3)為以各發電商實際報價結算全網購電費用最小目標函數。wi(PGi(t))為機組i 在時間段t 報價函數。本文設機組在交易周期采用報價曲線wi(PGi(t))=aiPGi(t)+bi。T 為時段數(一般取24，48，96)，M 為系統中發電機組的臺數。

式(4)和式(5)分別為有功功率平衡約束和機組出力約束;PD(t)為t 時段電網的有功負荷，Prc(t)為t 時段有功網損，PGimax與PGimin分別為i 號機組出力約束上下限，假定已經考慮機組備用。模型只考慮的約束條件還不夠完善，為簡化模型，該模型并沒有考慮機組啟停等約束條件對調度的影響。

2.3 目標函數的模糊化

求解該模型采用模糊數學中最大隸屬度原則［13～15］。為確定等價模型，先確定各單目標函數的隸屬函數。選擇半直線形函數為它們的隸屬函數，目標隸屬函數用式(6)表示。

式中:x= ［PG1PG2… PGm］T;c0i(i =1，2)分別為以購電費用最小單目標優化和煤耗量最小的目標值;δ0i為期望的最大目標節約，它可以通過c0i乘以反映目標彈性程度的βi來確定，c0i+δ0i表示目標最大可接受值，即(－ ∞，c0i+ δ0i］為第i個目標函數值可接受的區間。

2.4 雙目標模糊優化節能發電調度模型

將模型M1 轉化為滿足兩個目標及所有約束條件的隸屬度即滿意度λ 的最大化問題，通過式(6)將模型M1 轉化為雙目標模糊優化模型M2［16］。

本文設彈性系數βi為0.1，則δ0i即為0.1c0i。

由于假定機組在交易周期采用一次報價曲線，則購電成本目標函數為二次型，即式(3)等價為

因此，模型M2 約束條件中的第一個不等式約束為二次不等式，為此采用逐步線性化方法求解。

其中，b'i=2ai+bi，c'i=(－ai()2)。

因此，該不等式約束等價為:

模型M2 成為線性規劃問題如下:

用單純形法求解該模型，求出最大滿意度及最優負荷分配結果。

3 算例仿真及結果分析

以一個5 臺火電機組為例。為簡化計算，認為有功網損已記入負荷，時段數選為24，各時段報價曲線相同。采用本文所提方法，利用Matlab7.1 進行仿真計算。算例系統參數和交易計劃期各時段負荷預測分別如表1 和表2 所示。

表1 系統參數Tab．1 Parameters of the test system

表2 交易計劃期各時段負荷預測值Tab．2 Forecast loads of different periods

表3 為以購電成本最小與消耗煤耗費用最小兩個單目標決策值及雙目標模糊決策目標值之間的計算結果。通過對表3 中的計算結果進行分析比較，可以看出雙目標模糊優化模型的有效性和可用性。

表3 單目標及雙目標模糊決策目標值Tab．3 Object fuzzy values with single and double objective

圖1 ～圖3 是以機組3 為例，在不同目標約束條件下的機組日有功負荷曲線。機組3 的煤耗系數相對其他機組較低，而機組報價系數相對較高。由圖1 可看出以購電費用最小為目標進行交易時，機組充分發揮其競爭優勢不考慮其煤耗消耗量;由圖2 可看出以煤耗量最小為目標交易時，機組不考慮其購電成本如何有優勢;當采用本文提出的雙目標模糊優化交易時(如圖3)，在安排出力時兼顧了機組的經濟和能源節約指標，充分體現了發電商多因素的公平性，使得經濟和能源節約指標高的火電機組在競爭時有明顯優勢。

4 結論

中國的電力市場還不成熟，電力工業市場化程度還較低，但只要我國目前經濟體制改革的市場化方向不變，電力工業市場化改革的方向就不會改變。因此，如何將節能發電調度與電力市場有效結合在一起，充分運用市場機制達到節能減排的目的顯得尤為迫切。本文對比節能發電調度與傳統經濟調度，對火電和清潔能源發電的經濟協調模式進行分析，分析表明節能發電調度與電力市場有機結合才能有效地建立電力行業節能的長效機制。建立了適合當前電力市場的節能發電調度優化模型。

(1)針對節能發電調度短期電力市場交易計劃，提出了兼顧成本節省和能源節約的雙目標模糊優化交易模型。本文提出的雙目標日有功負荷模糊決策模型，盡管從單目標看沒有以購電成本最小或煤耗量最小兩個單個目標分別優化時的計算結果滿意，但從雙目標綜合看明顯優于各單目標決策情況。這種綜合優化模型能更好地協調電力市場中不同量綱多目標優化問題，可很好地解決電力市場中買賣雙方利益相互沖突的多目標優化問題。

(2)算例驗證了在考慮多因素競標時，綜合性能好的競爭機組有明顯優勢，這種策略可引導發電商在不斷提高能源利用水平的同時降低成本以提高競爭優勢。

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