基于模糊層次分析法的AGC機(jī)組補(bǔ)償方法研究

李燕青，葛 嫚，王 洋

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

輔助服務(wù)是電力市場的重要特征之一，為保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行發(fā)揮著重大作用。在電力市場環(huán)境下，調(diào)度機(jī)構(gòu)與發(fā)電公司分離，發(fā)電公司不再愿意無償提供輔助服務(wù)，因此國外電力市場逐漸把輔助服務(wù)作為一種電力商品，逐步建立并完善輔助服務(wù)市場。目前，國內(nèi)的AGC輔助服務(wù)還處于起步階段。雖然一些地區(qū)開始先后實施發(fā)電廠并網(wǎng)管理細(xì)則，并建立了相應(yīng)的系統(tǒng)，但其補(bǔ)償方式還存在諸多問題，各相關(guān)規(guī)定都需在實踐過程中逐步完善，因此要積極探索不同的補(bǔ)償方案，使補(bǔ)償方式更加完善。文獻(xiàn)[1]綜合考察AGC機(jī)組響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度，將三指標(biāo)乘積作為AGC機(jī)組綜合性能指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上綜合考慮性能指標(biāo)和實際調(diào)節(jié)量對AGC服務(wù)進(jìn)行補(bǔ)償，不同機(jī)組三者乘積倍數(shù)偏差較大，會造成AGC補(bǔ)償偏差過大。文獻(xiàn)[2～4]都對本文的研究有參考價值，但都單一考慮了AGC機(jī)組性能指標(biāo)，并且對求得的性能指標(biāo)參數(shù)采用求平均值的方法得到其綜合性能指標(biāo)，不利于區(qū)分機(jī)組的性能差異。本文利用模糊層次分析法，構(gòu)造判斷矩陣求取各要素所占權(quán)重值，并可以根據(jù)不同目標(biāo)要求修改判斷矩陣，求得不同目標(biāo)下機(jī)組綜合評估值。算法簡單實用，更適合評價AGC機(jī)組效能，有利于發(fā)揮補(bǔ)償機(jī)制的公平性。

1 AGC調(diào)節(jié)評估指標(biāo)

本文將AGC評估指標(biāo)分為性能指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。表征AGC調(diào)節(jié)性能的最重要的4個指標(biāo)是調(diào)節(jié)容量、響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)速度，其測量流程相互獨立。首先測量指令響應(yīng)時間，等待機(jī)組開始執(zhí)行指令后測量調(diào)節(jié)速度，在其調(diào)節(jié)結(jié)束達(dá)到目標(biāo)值一定時間后測量調(diào)節(jié)精度。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)指AGC機(jī)組的容量成本及電量成本。

(1)響應(yīng)時間

根據(jù)細(xì)則規(guī)定，火電機(jī)組響應(yīng)時間小于1 min，水電機(jī)組響應(yīng)時間應(yīng)小于10 s，多于響應(yīng)時間的機(jī)組要受到懲罰，少于響應(yīng)時間的要得到補(bǔ)償，響應(yīng)時間Ti表示為:

式中:TEi為機(jī)組第一次跨出與調(diào)節(jié)方向一致的調(diào)節(jié)死區(qū)所對應(yīng)的時間;而 TSi為機(jī)組調(diào)節(jié)開始時間。

(2)調(diào)節(jié)速度

圖1為機(jī)組AGC測試圖?！秲蓚€細(xì)則》規(guī)定要求，300～600 MW火電機(jī)組調(diào)節(jié)速度要達(dá)到3 MW/min及以上，水電單機(jī)AGC調(diào)節(jié)速度要達(dá)到Pe×60%/min及以上。調(diào)節(jié)速度表示為:

圖1 機(jī)組AGC速度測試圖Fig.1 Diagram of AGC speed

式中:PEi為機(jī)組調(diào)節(jié)結(jié)束時刻出力;Poi為機(jī)組開始時刻出力;t0為指令下發(fā)時刻，t1為響應(yīng)時間過后的時間點;可取機(jī)組朝指令目標(biāo)值變動了5 MW的時間點;PSi為此時機(jī)組出力;t2為測速結(jié)束時間;tn為機(jī)組響應(yīng)AGC指令預(yù)估時間，如果在t0+tn時刻前，機(jī)組AGC調(diào)節(jié)進(jìn)入死區(qū)范圍，則t2為機(jī)組實際出力進(jìn)入死區(qū)的時間點，反之，則t2=to+tn。

(3)調(diào)節(jié)精度

按照規(guī)定，AGC調(diào)節(jié)量誤差不超過3%，其調(diào)節(jié)精度θ可表示為:

式中:ΔP為機(jī)組實際出力與目標(biāo)值間的差值。

(4)調(diào)節(jié)容量

在一個調(diào)度時段內(nèi)，對于每臺AGC機(jī)組，在當(dāng)前出力向上及向下可調(diào)容量絕對值之和為該機(jī)組的調(diào)節(jié)容量。

(5)容量成本及電量成本

輔助服務(wù)交易市場中，各機(jī)組均有容量及電量報價，調(diào)度綜合考慮安全性及經(jīng)濟(jì)性來選擇機(jī)組提供AGC服務(wù)。國內(nèi)電力市場目前還處于起步階段，發(fā)電商還不能提供AGC服務(wù)報價曲線，因此當(dāng)前考慮經(jīng)濟(jì)性主要從AGC發(fā)電成本考慮，即考慮容量成本及電量成本。

2 基于FAHP的AGC機(jī)組補(bǔ)償機(jī)制

2.1 采用FAHP評估AGC的基本原理

層次分析法是一個用于分析由相互關(guān)聯(lián)、相互制約的眾多因素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)的實用決策方法，用于多目標(biāo)決策，是分析復(fù)雜問題的一種簡便方法，適宜于那些難以用定量進(jìn)行分析的復(fù)雜問題，是很好的數(shù)學(xué)工具，是將半定性、半定量問題轉(zhuǎn)化為定量問題的有效途徑，將各種因素層次化，并逐層比較多種關(guān)聯(lián)因素，為分析和預(yù)測事物的發(fā)展提供可比較的定量依據(jù)。通過建立層次分析模型，構(gòu)造機(jī)組指標(biāo)的比較判斷矩陣，求解判斷矩陣的最大特征根和與之對應(yīng)的特征向量，可以確定出各指標(biāo)的權(quán)重值[5]。

但是層次分析法存在以下缺點:

(1)矩陣一致性檢驗困難。矩陣一致性檢驗需要求取最大特征根λmax，看λmax是否與判斷矩陣階數(shù)相等，當(dāng)階數(shù)比較大時，精確計算λmax的工作量將非常大。

(2)矩陣調(diào)整一致性要經(jīng)過若干次嘗試，工作量大。

(3)檢驗矩陣一致性標(biāo)準(zhǔn)“CR＜0.1”缺乏科學(xué)依據(jù)。

因此本文采用模糊層次分析法FAHP法，F(xiàn)AHP較AHP基本步驟一致，只是在構(gòu)造判斷矩陣時所依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一樣，以及求取權(quán)重方法不同。

2.2 基于FAHP的AGC機(jī)組綜合性能評估模型

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型

將問題中包含的因素劃分為不同層次，用框圖形式顯示層次結(jié)構(gòu)與指標(biāo)的從屬關(guān)系。機(jī)組AGC綜合效能評估考慮兩方面指標(biāo)，即經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和性能指標(biāo)。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括AGC機(jī)組容量成本及電量成本;性能要素包括AGC機(jī)組的實際征用調(diào)節(jié)容量與調(diào)節(jié)速度以及響應(yīng)時間。由n個機(jī)組參加的評估模型層次關(guān)系如圖2所示。

(2)構(gòu)造判斷矩陣

判斷矩陣是層次分析的關(guān)鍵。假定上一層元素對下一層的元素有支配關(guān)系。設(shè)有n個因素X1，X2，…Xn對上層有影響，要確定其在上一層中的權(quán)重，采用成對比較法，用aij表示Xi相對于Xj的重要性。列出判斷矩陣A

圖2 AGC綜合評估模型Fig.2 Hierarchy model of assessing AGC units

模糊層次分析法一般采用0.1～0.9給予標(biāo)度，如表1 所示[6]。

表1 0.1～0.9數(shù)量標(biāo)度Tab.1 0.1 ～0.9 quantity scale

若R有如下性質(zhì)，則R是模糊一致矩陣。

但是在實際決策過程中，由于所研究問題的復(fù)雜性以及人們認(rèn)識上的片面性，所構(gòu)造的矩陣往往不滿足一致性，可根據(jù)模糊一致矩陣的充要條件 (模糊一致矩陣任意指定兩行對應(yīng)元素之差為常數(shù))進(jìn)行調(diào)整，步驟為:首先找出某一元素同其他元素相比重要性判斷相對準(zhǔn)確的元素，如r11，r12，r13…，r1n，然后用這一行元素將去第二行元素，如果所得差值為一常數(shù)，則無需調(diào)整，若不為常數(shù)，則進(jìn)行調(diào)整，依次下推，直到第n行元素為常數(shù)。

(3)求取權(quán)重系數(shù)

同層次分析法求最大特征值的特征向量不同，模糊層次分析法的模糊一致矩陣元素rij同權(quán)重wi，wj存在如下關(guān)系:

其中a是兩元素之間重要性差異程度的度量單位，當(dāng)差異程度較大時，a可取的稍大一些，且0＜a≤0.5。

R為模糊一致矩陣，則計算權(quán)重公式如下:

若R不為模糊一致矩陣，可采取最小二乘法求取權(quán)重:

2.3 基于FAHP的AGC補(bǔ)償機(jī)制

按照南方電網(wǎng)考核與補(bǔ)償細(xì)則[8]，AGC補(bǔ)償分為容量補(bǔ)償和電量補(bǔ)償。容量補(bǔ)償反應(yīng)AGC補(bǔ)償能力，補(bǔ)償增加AGC的成本;電量補(bǔ)償主要補(bǔ)償由于投入AGC而損失發(fā)電的機(jī)會成本。

(1)容量補(bǔ)償

在一個調(diào)度時段內(nèi)，一般是15min，對機(jī)組進(jìn)行容量補(bǔ)償計算:

其中CAGC為該時段內(nèi)AGC容量總補(bǔ)償費用;CAGCj1為第j臺機(jī)組補(bǔ)償費用;Qj1為該調(diào)度時段征用機(jī)組j的AGC調(diào)節(jié)容量，wj為機(jī)組j的綜合評估值，wAGC為各機(jī)組總的評估值。

(2)電量補(bǔ)償

Qj2為機(jī)組j實際發(fā)電量，EAGCj為機(jī)組j電量補(bǔ)償費用，R2為電量補(bǔ)償系數(shù)。

3 AGC補(bǔ)償機(jī)制算例

為說明算法的實用性，本算例考慮了兩種不同補(bǔ)償思路。設(shè)某系統(tǒng)有10臺AGC機(jī)組，機(jī)組額定容量均為200 MW，性能及成本報價見表2，系統(tǒng)需要AGC調(diào)節(jié)容量200 MW。

表2 AGC機(jī)組性能參數(shù)及成本報價Tab.2 AGC units performance index and economic index

根據(jù)AGC成本價格及機(jī)組性能指標(biāo)參數(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，各指標(biāo)評分結(jié)果見表3。

表3 AGC機(jī)組評估結(jié)果Tab.3 AGC units evaluation results

(1)激勵發(fā)電商降低AGC成本的考核補(bǔ)償算法

假設(shè)電網(wǎng)中所有AGC機(jī)組性能指標(biāo)均能滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定性要求，那么經(jīng)濟(jì)性就是選擇AGC機(jī)組的首要條件，容量成本、電量成本比調(diào)節(jié)容量明顯重要，比其他三個性能指標(biāo)更加重要，調(diào)節(jié)容量比其三個性能指標(biāo)明顯重要，構(gòu)造判斷矩陣如下:

判斷矩陣不是模糊一致矩陣，則上式等號不完全成立，采用求以下約束規(guī)劃問題。

通過β的不同取值來提高方案優(yōu)劣的分辨率，這里取β=100，求得權(quán)重為:

根據(jù)各發(fā)電商的AGC容量報價求得其需要支付的總的容量電價是1.59萬元，選中機(jī)組應(yīng)支付費用見表4。

(2)鼓勵發(fā)電商降低成本改善AGC性能

此時，選AGC調(diào)節(jié)容量為其最重要指標(biāo)，調(diào)節(jié)容量比調(diào)節(jié)速度、響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)精度稍微重要，比容量成本、電量成本明顯重要，調(diào)節(jié)速度等3個性能指標(biāo)比容量成本、電量成本明顯重要，構(gòu)造判斷矩陣。

采用上述方法，取β=100，w=[0.2607 0.1915 0.1915 0.1915 0.0824 0.0824]T

所需支付容量電價為1.415 4萬元，選中機(jī)組支付費用見表4。

(3)兩種方案對比分析

由表4可知，通過構(gòu)造不同的判斷矩陣，可得到不同的補(bǔ)償費用，第一種方案顯然比第二種方案經(jīng)濟(jì)，但第二種方案有利于發(fā)電商改善機(jī)組性能，提高系統(tǒng)安全性穩(wěn)定性。在第一種方案中，系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性占第一位，機(jī)組性能好的機(jī)組沒有報價低的機(jī)組獲得的補(bǔ)償多，如第9號、10號機(jī)組，9號機(jī)組性能明顯優(yōu)于10號，但是10號機(jī)組獲得的補(bǔ)償多。

表4 機(jī)組評分及補(bǔ)償費用Tab.4 Score and compensation cost of each unit

第二種方案更加注重機(jī)組性能，即更加注重系統(tǒng)的安全性。機(jī)組調(diào)節(jié)范圍相對較小，調(diào)節(jié)過程中很容易達(dá)到上下限，失去調(diào)節(jié)能力，并且機(jī)組響應(yīng)時間慢，調(diào)節(jié)速率慢，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定，因此機(jī)組性能好的獲得的補(bǔ)償大。方案二所選機(jī)組的調(diào)節(jié)范圍及調(diào)節(jié)速率明顯優(yōu)于方案一。

這兩種方案中，容量與電量報價相差不多的情況下，性能好的機(jī)組補(bǔ)償費用大。機(jī)組性能相差不多的情況下，容量報價跟電量報價低的獲得的補(bǔ)償大。通過補(bǔ)償?shù)牟町愋?，體現(xiàn)了補(bǔ)償?shù)墓叫?。在電網(wǎng)特性愈加復(fù)雜的今天，保持系統(tǒng)的安全性至關(guān)重要，性能好的AGC機(jī)組對電網(wǎng)的貢獻(xiàn)量更大，因此對于AGC的補(bǔ)償方法本文更側(cè)重于方案二，既激勵發(fā)電商改善機(jī)組性能，又降低成本。在實踐中，還需要因地制宜調(diào)整評估要素，改變判斷矩陣，以使評估效果更貼近實際。

4 結(jié)論

(1)并網(wǎng)電廠輔助服務(wù)考核與補(bǔ)償系統(tǒng)即將在全國范圍內(nèi)推廣，其考核與補(bǔ)償?shù)姆秶粦?yīng)只包含火電機(jī)組，也應(yīng)包括水電機(jī)組、抽水蓄能機(jī)組，補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ矐?yīng)體現(xiàn)各機(jī)組性能差異，不斷激勵各發(fā)電廠改善機(jī)組性能，提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性。

(2)AGC服務(wù)是輔助服務(wù)的重要組成部分，其補(bǔ)償方法還有待完善。本文通過對AGC機(jī)組的分析指出影響AGC機(jī)組調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)量的主要參數(shù)，包括機(jī)組調(diào)節(jié)性能參數(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)建立綜合評估模型，通過構(gòu)造目標(biāo)矩陣求取各參數(shù)所占權(quán)重，進(jìn)而求得機(jī)組綜合評估值，并以評估值為依據(jù)對AGC機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)償。該方法簡單易于編程，具有很強(qiáng)的實用性和靈活性。實際中可因地制宜增加評估要素，改變判斷矩陣及調(diào)節(jié)各項因素權(quán)重，以此選擇性能價格更好的AGC機(jī)組。在實際應(yīng)用中，對調(diào)度機(jī)構(gòu)及發(fā)電商更加公平，有利于AGC市場發(fā)展。