考慮多規(guī)則約束的統(tǒng)調(diào)火電機(jī)組合同電量修正策略

何治華 ，劉友波，劉俊勇，劉 洋，李 響，凌 亮，過夏明

(1.四川省電力公司，四川 成都 610041;2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 前言

在中國當(dāng)前電力市場運(yùn)行機(jī)制下，年度上網(wǎng)電量合同是組織電力交易的最主要形式，多年實(shí)踐表明，省級電網(wǎng)公司調(diào)度部門對供區(qū)內(nèi)統(tǒng)調(diào)機(jī)組發(fā)電合同的計(jì)劃性分解、進(jìn)度監(jiān)視、執(zhí)行修正、完成考核有利于特大型輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定，并兼顧電力市場平穩(wěn)運(yùn)行及合理過渡［1］。實(shí)際工程中，合同電量的修正一般遵守既定原則，如“三公”、節(jié)能或經(jīng)濟(jì)原則，具體方法簡單實(shí)用，但忽略了較多客觀因素，致使電網(wǎng)公司難以進(jìn)行精細(xì)化的發(fā)電計(jì)劃管控;理論上，不同時(shí)間尺度下的統(tǒng)調(diào)機(jī)組合同電量分解與滾動(dòng)是一個(gè)多目標(biāo)、多因素制約的尋優(yōu)問題，在時(shí)段平均利用小時(shí)、機(jī)組排放序列、檢修計(jì)劃、豐枯平衡等眾多約束下，尋求一組可行的計(jì)劃調(diào)整方案。近年來，市場公平性和節(jié)能調(diào)度愈發(fā)受到關(guān)注，統(tǒng)調(diào)機(jī)組合同電量的精細(xì)化管理算法也隨之得到了重視。文獻(xiàn)［2］根據(jù)電量預(yù)測偏差、機(jī)組少發(fā)電量和被核減合同電量對合同完成率的影響，定義了修正后的合同電量完成率，進(jìn)一步構(gòu)造了基于修正加權(quán)變異系數(shù)的合同電量執(zhí)行公平性指標(biāo)，用于測算給定時(shí)間跨度內(nèi)任意機(jī)組合同電量實(shí)際完成情況及調(diào)度公平度。文獻(xiàn)［3］考慮風(fēng)電并網(wǎng)后的不確定性，提出一種能考慮多時(shí)間段各類動(dòng)態(tài)約束的發(fā)電計(jì)劃滾動(dòng)優(yōu)化算法，用以保持發(fā)電計(jì)劃的可行性，減小系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。隨著人們對環(huán)保問題的深入認(rèn)識(shí)，電力系統(tǒng)節(jié)能調(diào)度已成為安排系統(tǒng)運(yùn)行方式的重要原則。文獻(xiàn)［4］提出了一種節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式下制定火電機(jī)組月度發(fā)電計(jì)劃的方法，可以在計(jì)算發(fā)電計(jì)劃同時(shí)給出節(jié)能發(fā)電調(diào)度序位表和組合優(yōu)先級，但未考慮各機(jī)組間合同完成進(jìn)度，容易造成實(shí)際需求電量嚴(yán)重偏小時(shí)某些機(jī)組無法開機(jī)的問題。在此背景下，這里提出較為完整的考慮多規(guī)則約束的統(tǒng)調(diào)火電機(jī)組合同電量修正算法，將時(shí)段受阻電量、電量平衡滾動(dòng)、合同進(jìn)度偏差、節(jié)能調(diào)度與利用小時(shí)數(shù)等多類規(guī)則融入到策略模型中。四川電網(wǎng)實(shí)際算例驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 統(tǒng)調(diào)火電機(jī)組合同電量修正

1.1 一般性原則

在一定時(shí)間段內(nèi)(如一月、一旬或一周)待執(zhí)行合同電量作為制定該時(shí)間段內(nèi)生產(chǎn)方式和考核機(jī)組發(fā)電水平的重要依據(jù)，應(yīng)充分考慮既定的市場規(guī)則、已完成情況、時(shí)段內(nèi)機(jī)組特性及檢修計(jì)劃等諸多條件，力求使合同電量的時(shí)序分配更符合省級電力市場與系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際。當(dāng)前，“三公”和節(jié)能降耗是合同電量核準(zhǔn)修正的主要原則，反映在不同的修正模型中即為不平衡電量分?jǐn)倷C(jī)組的排序優(yōu)先權(quán)重具有差異。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)出現(xiàn)合同執(zhí)行偏差時(shí)，對統(tǒng)調(diào)機(jī)組合同電量的處理以滾動(dòng)修正為主［5］，將對象時(shí)段實(shí)際執(zhí)行電量與計(jì)劃電量的差額按一定原則和約束分配到后續(xù)時(shí)段中。例如，文獻(xiàn)［6］以負(fù)荷平衡、檢修計(jì)劃、發(fā)電量上下限為約束，以調(diào)度公平和經(jīng)濟(jì)性作為目標(biāo)提出了火電機(jī)組年合同電量編制算法。而文獻(xiàn)［7］則在月度競價(jià)市場框架基礎(chǔ)上，開發(fā)了將年度中標(biāo)合同電量分解到各月的均衡化滾動(dòng)算法，以利于電力市場穩(wěn)定及降低電網(wǎng)公司購電成本。

1.2 實(shí)際應(yīng)用中存在的問題

當(dāng)前對省級統(tǒng)調(diào)火電機(jī)組的合同電量修正方法仍較為粗糙，更多的研究傾向于如何將各機(jī)組超前、滯后電量編制到后續(xù)電量平衡中，并進(jìn)行總體控制，使得各機(jī)組某時(shí)段內(nèi)合同總量不會(huì)偏差過大。然而以單純滾動(dòng)編制的手段難以考慮多個(gè)規(guī)則約束的作用，使執(zhí)行計(jì)劃的修正問題缺乏優(yōu)化操作。造成此類問題的難點(diǎn)之一在于，對合同電量修正的規(guī)則性約束較為模糊、相關(guān)參數(shù)難以確定、閾值選取缺乏依據(jù)等。例如傳統(tǒng)滾動(dòng)修正方法中，常見環(huán)保優(yōu)先、兼顧經(jīng)濟(jì)、利用小時(shí)大致相當(dāng)?shù)饶：栽瓌t，進(jìn)一步可細(xì)分為如下幾方面。

(1)節(jié)能環(huán)保規(guī)則，即機(jī)組煤耗、排放因素需予以考慮，實(shí)際中火電機(jī)組煤耗、排放性能有既定序列表，理論上可用相應(yīng)權(quán)重參數(shù)表示。

(2)經(jīng)濟(jì)規(guī)則，不同電氣位置的機(jī)組上網(wǎng)電量造成的邊際網(wǎng)損有一定差異，此外，上網(wǎng)電價(jià)也不完全相同，從減小購電成本提高運(yùn)行效益角度，經(jīng)濟(jì)性是電網(wǎng)公司核調(diào)合同計(jì)劃時(shí)必須考慮的問題。

(3)公平性規(guī)則，在中國當(dāng)前電力市場階段，難以全盤采用競爭性報(bào)價(jià)方式確定中標(biāo)合同與上網(wǎng)電量，仍必須要堅(jiān)持一定的公平性，例如在節(jié)能調(diào)度大原則下，排放指標(biāo)屬于同類的機(jī)組應(yīng)具有大致相當(dāng)?shù)睦眯r(shí)，同類機(jī)組合同執(zhí)行進(jìn)度應(yīng)保持一致，合同偏差方向保持一致等。

(4)系統(tǒng)規(guī)則，即存在從電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行角度出發(fā)必須以一定利用小時(shí)帶負(fù)荷上網(wǎng)發(fā)電的機(jī)組，如某些調(diào)峰機(jī)組、地區(qū)重要無功支撐機(jī)組等。

(5)定制規(guī)則，即一些人為制定且已為市場認(rèn)可的管理性、政策性規(guī)則，如某電廠總合同進(jìn)度保持一定水平、公平和效率因素如何定義和量化等。

目前尚未有成熟的方法能在統(tǒng)調(diào)火電機(jī)組合同電量執(zhí)行計(jì)劃修正中考慮上述多種規(guī)則，亦缺乏必要的優(yōu)化建模過程，無法為更好的修正、調(diào)整方案計(jì)算提供理論支撐。

小行星防御的目標(biāo)是：1)建立可靠的風(fēng)險(xiǎn)評估方法；2)發(fā)展及時(shí)有效的偏轉(zhuǎn)/摧毀技術(shù)；3)制定最佳的危害減緩策略；4)實(shí)施可行的安全防御任務(wù)。為此, 必須深入研究基于小行星軌道預(yù)報(bào)與碰撞預(yù)警的撞擊風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與威脅評估技術(shù)、基于撞擊效應(yīng)與撞擊災(zāi)害評估的撞擊應(yīng)對策略及基于軌道偏移與摧毀的主動(dòng)防御技術(shù)與方法。小行星撞擊地球防御中所涉及的超高速問題包括：1)小行星進(jìn)入地球大氣的超高速空氣動(dòng)力學(xué)問題；2)小行星對地球的超高速撞擊問題；3)小行星軌道偏離中的超高速撞擊問題。

2 合同電量修正的多規(guī)則約束

傳統(tǒng)中對統(tǒng)調(diào)機(jī)組合同電量的修正考慮因素均過于簡單，容易造成未來考察時(shí)段內(nèi)計(jì)劃電量與實(shí)際工況較大幅度失準(zhǔn)的情況，削弱了對生產(chǎn)方式安排的指導(dǎo)意義。綜合“三公”、節(jié)能調(diào)度與經(jīng)濟(jì)性原則，本節(jié)對此過程中應(yīng)考慮的若干修正策略制定進(jìn)行詳細(xì)建模。設(shè)在某一固定時(shí)間尺度t 內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)調(diào)機(jī)組合同電量的執(zhí)行計(jì)劃修正，t 可為月、周或旬，為方便理解，假設(shè)t 為月，即進(jìn)行月度電量的修正策略優(yōu)化，其他可以此類推。由于合同電量的計(jì)劃修正僅與當(dāng)前執(zhí)行情況及未來單位時(shí)間段內(nèi)約束有關(guān)，設(shè)參與合同執(zhí)行計(jì)劃修正的機(jī)組共N 臺(tái)，剩余月份為M，機(jī)組i 在第j月原上網(wǎng)合同電量為Wij，修正變量為△Wij。

2.1 剛性電量與受阻電量

對于剩余任意月度m，機(jī)組i 計(jì)劃上網(wǎng)電量具有剛性電量與受阻電量約束。剛性電量指由于電氣約束、保障性上網(wǎng)而必發(fā)的最小電量Wij，min，通常可用機(jī)組i 在t 時(shí)段內(nèi)的日均最小利用小時(shí)、t 內(nèi)小時(shí)數(shù)和機(jī)組容量的積表示，因此存在如下剛性電量約束。

式中，hijmin表示機(jī)組i 在第j月內(nèi)日均最小利用小時(shí);T 為時(shí)段總小時(shí)數(shù);Ci為機(jī)組i 裝機(jī)容量。

受阻電量影響因素主要為檢修、供煤、汛期水電大發(fā)。其中，汛期配合水電大發(fā)因素在年初合同分解時(shí)已經(jīng)考慮，一般不會(huì)出現(xiàn)重大變化，而檢修和供煤狀況則有可能根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，因此受阻電量可取2 者中的較小值，即

式中，hijmax表示機(jī)組i 在第j月內(nèi)日均最大利用小時(shí);α1、α2∈［0，1］分別為非檢修小時(shí)數(shù)占比、預(yù)測存煤可支撐滿發(fā)小時(shí)數(shù)占比。在實(shí)際中，hijmin和hijmax一般為常數(shù)，剛性電量與受阻電量給定了機(jī)組i在月份j 進(jìn)行執(zhí)行電量調(diào)整幅度的上下限。

2.2 電量平衡與滾動(dòng)規(guī)則

剩余每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的發(fā)供電量平衡是合同電量執(zhí)行計(jì)劃修正的目的之一，而需求側(cè)電量預(yù)測在修正前可能有所改成并產(chǎn)生新的偏差累計(jì)至各機(jī)組后期執(zhí)行計(jì)劃中，若將各機(jī)組總合同電量設(shè)為定值，則可能導(dǎo)致相互矛盾的約束條件而造成模型不可解，因此引入機(jī)組合同松弛因子β 消納電量平衡所產(chǎn)生的新偏差，其等式約束和不等式約束分別可用式(3)～(5)表達(dá)。

式中，Lj為第j 時(shí)段需求側(cè)電量預(yù)測;松弛因子β 可取5%;Ei為年合同電量與到當(dāng)前月已實(shí)際上網(wǎng)的電量之差。式(5)為各機(jī)組各月調(diào)整不得超過其原計(jì)劃電量的比例，γ 為比例系數(shù)，取值20%，式(5)和式(1)、(2)共同決定了電量調(diào)整幅度約束。

2.3 合同進(jìn)度偏差約束

式中，Eiy為機(jī)組i年電量合同總量;Wi0表示修正前機(jī)組i 已實(shí)際執(zhí)行的電量;SiM=100%，修正后的執(zhí)行進(jìn)度應(yīng)處于與修正前大致相當(dāng)?shù)乃剑捎靡韵虏坏仁奖磉_(dá)，其中ω 為進(jìn)度水平的約束松弛因子，用于改善解的可行域，這里取ω=0.075。

2.4 節(jié)能調(diào)度約束

發(fā)電排放量是當(dāng)前電力市場模式下的相當(dāng)重要考核指標(biāo)。在合同電量分解階段，往往以給定排放序列(與機(jī)組裝機(jī)規(guī)模有關(guān))進(jìn)行出清，并輔以一定公平性原則，如同等級機(jī)組利用小時(shí)大致相當(dāng)?shù)取Ｔ诤贤娏啃拚A段，也應(yīng)有相應(yīng)的排放變化量約束。以參數(shù)ξi表示機(jī)組i 的線性化氮化物排放當(dāng)量參數(shù)(t/kWh)，△Wijξi即為該機(jī)組在第j月的排放修正量，節(jié)能調(diào)度規(guī)則表現(xiàn)為剩余時(shí)段排放當(dāng)量不應(yīng)高于計(jì)劃剩余排放當(dāng)量，可描述為

式中，Ny、Na分別為合同電量總排放當(dāng)量和已發(fā)月份排放當(dāng)量;σ 為排放當(dāng)量約束的松弛因子，設(shè)定為0.02。

2.5 機(jī)組利用小時(shí)規(guī)則

當(dāng)前的市場考核機(jī)制中，機(jī)組利用小時(shí)約束包括兩個(gè)方面:①單個(gè)機(jī)組的日均發(fā)電利用小時(shí)不能超越所在機(jī)組類別的上下限(即同類型機(jī)組日均利用小時(shí)大致相當(dāng));②典型分類機(jī)組期望年均利用小時(shí)級差應(yīng)在一定范圍內(nèi)。以Ci表示機(jī)組i 的裝機(jī)容量，該規(guī)則約束的數(shù)學(xué)模型如下。

式中，Dj表示第j月的天數(shù);I 表示機(jī)組i 所屬機(jī)組類型;hImin和hImax分別為該類機(jī)組最小最大利用小時(shí)。按當(dāng)前市場規(guī)則，將I 劃分為I1、I2、I33 類:裝機(jī)600 MW 及以上、300 至600 MW、300 MW 及以下，各相鄰類年利用小時(shí)級差設(shè)定為hdiff=300 h。HI1表示I1類機(jī)組的預(yù)期年平均利用小時(shí)，可用式(12)計(jì)算。

機(jī)組的類型劃分需在計(jì)算前設(shè)置，屬于I2和I3的機(jī)組預(yù)期年均利用小時(shí)具有類似表達(dá)式。

2.6 目標(biāo)函數(shù)

對合同電量的修正其本質(zhì)是對既定發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，而不同機(jī)組的上網(wǎng)電價(jià)并不一致，因此導(dǎo)致了調(diào)整成本的出現(xiàn)。該模型以考慮規(guī)則約束的統(tǒng)調(diào)火電機(jī)組合同電量修正的調(diào)整成本最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，即

式中，pij為機(jī)組i 在第j月的上網(wǎng)電價(jià);A 為從當(dāng)前時(shí)段開始的總修正成本。上述所提數(shù)學(xué)模型(1)～(13)中，決策變量是各機(jī)組在剩余時(shí)段的合同電量修正調(diào)整量，即△Wij。若應(yīng)用于月度修正，變量個(gè)數(shù)為N×剩余月度數(shù)，對于超過40 臺(tái)火電機(jī)組省級電網(wǎng)而言，模型屬于較大規(guī)模線性規(guī)劃問題，需要魯棒性較高的求解方法，這里通過Java 環(huán)境的Netbeans 7.0 開發(fā)平臺(tái)開發(fā)考慮多規(guī)則約束的統(tǒng)調(diào)火電機(jī)組合同修正程序，調(diào)用LINDO 線性規(guī)劃求解動(dòng)態(tài)鏈接庫進(jìn)行穩(wěn)定解算，數(shù)據(jù)庫采用MySQL，能滿足工程要求。

3 算例分析

采用四川電網(wǎng)40 臺(tái)火電機(jī)組2012年某時(shí)段合同電量完成與計(jì)劃修正數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立研究場景(1—10月為實(shí)發(fā)電量，11—12月為修正合同計(jì)劃量)，進(jìn)行算例分析，計(jì)算流程如圖1 所示。

圖1 考慮多規(guī)則約束的機(jī)組合同電量修正程序計(jì)算流程

該程序需要輸入合同電量已經(jīng)執(zhí)行情況、本期完成情況和后期負(fù)荷預(yù)測(本算例以月修正為例，日修正具有類似形式)，各類規(guī)則約束參數(shù)如前文所設(shè)，機(jī)組輸入信息如表1 所示。

輸入數(shù)據(jù)還包括機(jī)組上網(wǎng)電價(jià)、通過最大最小利用小時(shí)數(shù)折算的電量修正量上下限、月負(fù)荷電量預(yù)測值、受阻電量等。以式(13)為目標(biāo)函數(shù)，(1)～(13)為約束條件，利用所開發(fā)的系統(tǒng)求解模型，可得如表3 所列的考慮前述所有約束在內(nèi)的統(tǒng)調(diào)火電機(jī)組合同修正方案。

表1 機(jī)組維護(hù)信息

表2 合同信息及前期執(zhí)行情況(MWh)

表3 2012年11—12月合同電量修正策略(MWh)

表4 其他輸出參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

從表4 可知，所提模型能夠有效地在多規(guī)則約束下給出統(tǒng)調(diào)火電機(jī)組的合同修正策略，并能在可接受的排放當(dāng)量變化比例、月發(fā)電量松弛總量范圍內(nèi)，盡量減小合同電量的修正成本，以較小的代價(jià)保障不同類型發(fā)電機(jī)組各自日均利用小時(shí)大致相當(dāng)、合同執(zhí)行進(jìn)度在一定控制范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

省級統(tǒng)調(diào)火電機(jī)組待執(zhí)行合同電量的計(jì)劃性修正具有其內(nèi)在規(guī)則，而長期以來此類規(guī)則尚未得到量化研究與具體建模，這里系統(tǒng)性地研究了合同電量修正過程中的各類規(guī)則，進(jìn)行集中建模，并開發(fā)了相應(yīng)的測試分析系統(tǒng)。從工程角度而言，所開發(fā)算法在電力市場某一發(fā)展階段上具有一定通用性，能可靠保證節(jié)能減排和各類公平性要求，以較小地代價(jià)保障合同電量執(zhí)行質(zhì)量，可作為省級電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)火電機(jī)組合同電量優(yōu)化調(diào)整輔助決策工具。就算法本身而言，還可以進(jìn)一步考慮更多的適用場景，如對合同執(zhí)行異常情況(如大機(jī)組因故臨時(shí)退出運(yùn)行后的電量補(bǔ)償問題)、新規(guī)則的加入與調(diào)整等問題的處理，這些將是后續(xù)的研究重點(diǎn)。

［1］王漪，湯偉，羅桓桓，等.編制直調(diào)火力發(fā)電單元月度電能交易計(jì)劃的負(fù)荷率偏差法［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(22):134－140.

［2］張成剛，王秀麗.基于修正加權(quán)變異系數(shù)的電力調(diào)度公平性指標(biāo)［J］.電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2009，21(5):5－9.

［3］張國強(qiáng)，張伯明，吳文傳.考慮風(fēng)電接入的協(xié)調(diào)滾動(dòng)發(fā)電計(jì)劃［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(19):18－22.

［4］張慧琦，常永吉，唐大勇，等.節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式下火力發(fā)電單元的月度電能計(jì)劃編制方法［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(4):84－89.

［5］溫麗麗，劉俊勇，吳志云，等.基于月度滾動(dòng)修正的合同電量分解算法［J］.現(xiàn)代電力，2008，25(1):82－87.

［6］張力，劉俊勇，劉繼春，等.火電機(jī)組年合同電量的編制與分解算法研究［J］.繼電器，2007，33(4):64－69.

［7］王漪，于繼來，柳焯.基于月度競價(jià)空間滾動(dòng)均衡化的年中標(biāo)電量分解［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(17):24－27.