節能發電調度模式下的AGC 機組調配策略研究

周永燦， 吳英俊

（1. 中國南方電網電力調度控制中心， 廣州 510623； 2. 河海大學 能源與電氣學院， 南京 211100）

0 引言

為了提高電力市場的能源利用率， 保護生態環境及保證電力系統的安全穩定運行， 國家發改委等部門于2007 年8 月頒布了《節能發電調度辦法（試行）》， 在全國范圍實施節能發電調度。

不同于傳統的計劃電量調度方式和國際上普遍實行的以發電報價單一因素排序形成交易計劃的市場機制， 節能發電調度是在保證電力供應量和維持電力系統安全穩定運行的前提下， 以節約能源和成本為目標， 要求優先使用可再生能源、清潔能源和其他污染低的發電資源， 盡可能的保護生態環境。 在實施節能發電調度過程中， 各地區政府部門需要根據機組能效情況編制排序表，并結合實際情況做出調整。 因此， 如何正確、 合理的進行機組排序， 對順利實施節能發電調度至關重要。

在節能發電調度模式下， 主要目標是在計及各種等式與不等式約束條件下， 以機組發電總能耗最低為目標， 是目標優化問題。 如何兼顧發電調度的安全性和節能性， 國內外學者及電網運行管理人員從多方面進行了研究。 文獻[1]提出了考慮節能發電調度規則的混合整數線性規劃機組組合與發電計劃模型用以實現廣東電網的節能發電調度。 文獻[2]分析了機組啟停、 機組調節能力、時段耦合、 網損、 替代發電、 電廠安全生產對節能發電調度的影響， 并提出了相應的改進策略。文獻[3]依據節能發電調度原則， 開展了基于節能發電調度的減少電網水電旋轉備用的研究， 對某省電網實現節能發電調度中的水電旋轉備用問題進行了研究。 南方電網于2018 年提出了《南方電網清潔能源調度操作規則（試行）》， 從清潔能源調度計劃編制、 跨省區優化調度、 市場化交易及結算等方面進一步明確了節能發電調度原則下的具體操作方法。 隨著政府出臺打贏“藍天保衛戰”和“污染防治攻堅戰”三年行動計劃， 節能發電調度下如何更大程度消納清潔能源更成為電力行業的關注焦點[4-8]。

在算法方面， 文獻[9]全方位分析了與環境相關的經濟調度方面的算法， 闡述了其優缺點； 文獻[10]基于改進的Hopfield 神經網絡法改進多目標問題， 并對其搜索最優解； 文獻[11]研究了各種發電機組在不同約束下的分類情況， 約束條件為環境保護及電網拓撲約束， 機組為混合燃料、轉換燃料及聯合循環； 文獻[12]以模型建設成本和燃料使用成本最小化為目標函數， 建立長期電源規劃的最優多約束模型， 使得各類電源的長期規劃成為可能， 并以污染排放量為約束條件， 使得模型最優； 文獻[13]將污染排放和買電成本加入目標函數中， 研究了一種多目標的最優潮流解法。 文獻[14]提出一種求解電力系統機組組合的新方法， 將機組組合問題分解為末狀態和狀態改變時間優化2 個過程， 利用貪婪算法確定機組組合初始解， 進而遍歷機組組合方案以保證問題優化的深度。

智能算法雖然能解決多目標優化中遇到的各種數學障礙， 但在實際應用中卻存在計算時間較長、 優化過程難以復現、 優化結果不唯一等問題， 較難直接應用于實際生產調度中。 本文從節能發電的角度出發， 將影響AGC（自動發電控制）機組運行的幾個因素通過AHP（層次分析法）納入到計算模型中， 通過算例， 針對具體的AGC 機組在節能發電調度模式下的不同的調配方案進行討論，提出適合節能發電調度下的AGC 優化決策模型， 為發電調度實際運行提供輔助決策。

1 AGC 機組的服務成本及特性要求

AGC 機組的調節速率、 調節容量、 調節精度和響應時間需要實時滿足電網的需求。 在節能發電調度模式下， 機組的能耗及排放作為重要的性能指標應該加以統籌。

調節速率是指機組自身調節的工作速率， 用以參與電網的頻率響應， 在機組工作區間內， 反應了AGC 機組的頻率響應速度。 調節速率有上升方向和下降方向， 上升速率和下降速率因為各種因素的影響有所差距， 并且參與響應的機組也可能不是同一臺， 為方便處理， 本文將機組上升速率和下降速率設置一致。

AGC 的機組調節容量可以用作系統的備用容量， 表示AGC 機組的最大出力值與最小出力值之差， 兩個值都不會越過AGC 機組的出力范圍。 從系統的調節能力來說，AGC 調節容量越大，機組的能效越高； 從經濟性考慮， AGC 容量又不能太大， 可以通過以往經驗和實際情況來確定調節容量。

AGC 的調節精度指AGC 機組出力失去控制之后的實際出力值與預期出力值的差值， 此值可以用來檢驗AGC 的運行狀況， 查驗是否處于正常工作控制狀態。

AGC 的響應時間指響應動作與系統指令發出之間的延遲時間， 各機組的響應時間受到自身特性、 參數和控制方式的影響， 機組的控制方式與調節方式的合理、 完善決定了AGC 系統的調節效果。

AGC 機組的能耗及排放指標可以用機組的平均煤耗來研究。 平均煤耗反映了火電廠自身技術裝備水平、 生產運行和管理水平所帶來的燃料消耗量和排放量上的高低差別， 因而是衡量電廠能源利用率的重要指標。

2 基于AHP 的AGC 機組模型

2.1 AHP 原理

AHP 是用于分析復雜系統的一種決策方法，由于復雜系統由許多具有相關性的簡單系統構成， AHP 適用于解決包含多個目標函數的復雜問題。 AHP 運用理性的方法解決半定性半定量的復雜問題， 將各種相關因素聚類分析比較， 分析其相關性， 為趨勢評估提供了更加科學的方法。

2.2 AGC 機組模型的建立步驟

本文從調度中心的角度選擇參與實時調節的AGC 機組， 各機組在申報AGC 機組調節容量及其調節速率的同時， 提交其相應的調節精度、 響應時間及能耗水平。 考慮以上因素調度中心對參與負荷調節的AGC 機組進行綜合評估， 根據評估結果進行選擇。

（1）基于AHP 建立用于層次結構分析的模型。首先分析問題， 其次分析AGC 的層次結構， 如圖1 所示評估了機組的各項性能指標。

圖1 AGC 機組綜合評估層次結構

（2）在每層遞階層次結構基礎上構造矩陣， 用于判斷下層元素x1， x2，…， xm關于支配它的上層y（底層忽略不計）的排序權重p1， p2， …， pm。 各個元素對應的權重用百分數來表示， 滿足0≤pi≤1， 并且

下層元素受上層元素控制， 其中的m 個元素為： x1， x2， …， xm， 用aij來表示xi與xj關于上層元素y 的影像比值， 得出以下矩陣：

式中： A 為x1， x2， …， xm關于y 兩兩比較的判斷矩陣， 簡稱“判斷矩陣”， 其中本文aij的值采用9標度法確定。

（3）層次單層排序及一致性檢驗。

按照式（2）求解判斷矩陣A 特征根：

求解特征值λmax所對應的特征向量， 通過歸一化處理得出下層元素x1， x2，…， xm關于支配它的上層y 的排序權重值， 再對判斷矩陣的一致性進行檢驗。

（4）將層次進行總體排序。 計算所在層所有元素對應最高層的重要性排序權重值， 對所有判斷矩陣進行一致性檢驗。

求出判斷矩陣的特征值和對應的特征向量，求出相關權重系數， 得到的關系式就是綜合評價公式：

運用綜合評估公式評估不同AGC 機組的各種指標， 計算出的值就是綜合評估值。

2.3 選擇AGC 機組

將AGC 機組的選擇使用情況看做一個復雜約束問題， 需要求其極值， 將參與響應的AGC 機組收益最大作為目標函數， 目標函數如下：

式中： E 為選擇n 個AGC 機組參與負荷波動平衡的貢獻綜合評估值； y（j）為貢獻綜合評估值； x1j，x2j， x3j， x4j， x5j為第j 個AGC 機組的調節容量、 調節速率、 調節精度、 響應時間及平均煤耗。 約束條件的含義是AGC 機組各個性能指標的上下限值以及平衡負荷波動所需備用容量的上下限。

將所有AGC 機組評估指標全部代入公式（3）， 得出每臺機組的綜合評估值， 再代入公式（4）， 求出目標函數的最優解。

3 算例分析

在節能發電調度模式下， 某系統中有AGC機組10 臺， 機組的各項指標如表1 所示。

在節能發電調度模式下， 設計2 種方案進行對比分析。 方案一強調節能經濟性， 方案二強調安全性， 對2 種方案的權重進行計算。

3.1 方案的選擇

（1）方案一： 某電網運行較為平穩， 負荷波動小， 普通AGC 機組的選擇可以滿足電網安全穩定運行的要求， 所以主要考慮環保節能。 因此將各項性能指標的判斷矩陣定為：

表1 AGC 機組指標

由判斷矩陣A1可知： 機組的平均煤耗比調節容量和調節速率強烈重要， 比調節精度和響應時間極重要； 調節容量和調節速率同樣重要； 調節精度和響應時間同樣重要； 調節容量和調節速率比調節精度和響應時間強烈重要。

對方案一中的A1判斷矩陣進行求最大特征值及對應的歸一化后的特征向量， λA1-max=5.305，w（2）=[0.144 7， 0.144 7， 0.038 8， 0.038 8， 0632 9]T，由于A1矩陣并不是正互反矩陣， 因此要對A1 的一致性進行檢驗， C.I.表示一致性指標， 用于計算一致性比率C.R.的值， C.R.小于0.1 時， 表示比較矩陣A1不一致性程度在允許范圍內， 檢驗步驟如下：

查表可得當n＝5 時R.I.=1.12， 所以

因此矩陣A1 有滿意的一致性， 可以取用。

得到方案1 中各機組關于目標層的合成權重向量為：

根據各機組關于目標層的合成權重， 可以給出方案一中的10 臺機組的發電序位， 見表2。

表2 方案一中的發電序位表

注意的是， 當2 臺機組的合成權重相同時，選擇機組可以根據系統當時的情況， 如電網要求快速響應負荷的波動， 可以選擇調節速率和響應時間快的機組， 如果電網負荷波動的幅度較大，則可以選擇調節容量較大的機組。

（2）方案二： 某電網要求AGC 機組的技術性能應以盡量滿足電網的安全穩定運行為主， 節能指標處于次要位置。 在這種情況下， 各項指標比較判斷矩陣為：

由判斷矩陣A2 可知： 機組的調節容量和調節速率同樣重要； 調節精度和響應時間同樣重要； 調節容量和調節速率比調節精度和響應時間要稍重要； 調節容量和調節速率比平均煤耗要極重要； 調節精度和響應時間要比平均煤耗重要。對方案二的中的A2 采取同樣的處理， 求得其最大特征值及對應的歸一化的特征向量為λA2-max=5.042， w（2）=[0.353 2， 0.353 2， 0.130 6， 0.130 6，0.032 3]。

同樣對A2 進行一致性檢驗， 檢驗步驟如下：

因此A2 也具有滿意的一致性， 同樣可得到方案二中各機組關于目標層的合成權重向量為： w（1）=u（3）w（2）=[0.123 5，0.084 3，0.097 8，0.112 3，0.119 4，0.089 2， 0.081 8， 0.102 6， 0.103， 0.085 9]T。

方案二中的機組發電序位如表3 所示。

表3 方案二中的發電序位

3.2 方案對比分析

通過對2 個方案中的發電序位進行比較， 可以看到， 機組1， 5 和4 的發電序位在2 個方案的序位表中的排序是一致的。 通過AHP 可以使各項性能都較優的機組優先得到選擇， 某些性能較優但整體性能并不太強的機組在不同的方案中序位會隨之改變。 表4 對各種方案的機組發電排序進行比較， 可以很容易看出各方案調配機組的不同。

表4 不同方案的發電序位的比較

對比分析可以看出， 方案一、 方案二和單純以煤耗來排序確定的發電序位表都不盡相同， 尤其AGC 機組和承擔基荷任務的機組， 因此只以煤耗來排序的做法并不適用于所有AGC 機組。

4 結語

在節能發電調度模式下， AHP 通過分析電網的要求， 得出既考慮電網的調節能力又考慮環境友好的機組使用方案。 利用AHP 具有以下優點：

（1）靈活性。 根據不同的要求來確定不同的性能指標權重， 根據權重值選取最優的AGC 機組。

（2）實用性。 AHP 更加貼近實際， 算法易于實現， 更能準確分析數據運用數據。

（3）遠瞻性。 AGC 需要長期的發展， 經濟性高， 電力企業可以優先考慮AGC 機組性能的改善技術， 以便更好地用于工程實際， 達到節能發電調度的目地， 為系統篩選性能優良的AGC 機組來提供輔助服務， 增強系統可調節能力， 保證系統的安全穩定。