基于電廠日負(fù)荷率的火電機(jī)組發(fā)電計劃優(yōu)化

李真

摘要：隨著中國電網(wǎng)互聯(lián)的不斷深入，風(fēng)電、光伏等各種新能源也大幅接入，并到了廣泛應(yīng)用，由此電廠的發(fā)電計劃也應(yīng)適應(yīng)新環(huán)境要求，以“三公”調(diào)度模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行基于電廠日負(fù)荷率的火電機(jī)組發(fā)電計劃優(yōu)化。概述發(fā)電計劃與機(jī)組組合優(yōu)化情況，針對實(shí)際算例分析優(yōu)化效果，達(dá)到滿足電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行需求的目的。

關(guān)鍵詞：電廠日負(fù)荷率;火電機(jī)組;發(fā)電計劃;“三公”調(diào)度

引言

智能電網(wǎng)系統(tǒng)要求調(diào)度組織不斷提高其為能源系統(tǒng)分配資源的能力。由于智能電網(wǎng)的深入建設(shè)，需要通過隨時調(diào)整和改進(jìn)發(fā)電計劃來滿足環(huán)境變化下的電網(wǎng)調(diào)度，以此維持電力市場的穩(wěn)定。在決定優(yōu)化整體發(fā)電計劃時，必須考慮許多因素，如安全和經(jīng)濟(jì)、效率和公平、節(jié)能減排等，科學(xué)合理地制定發(fā)電計劃，以確保系統(tǒng)安全，反映目標(biāo)的優(yōu)先順序，兼顧多方利益。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)根據(jù)電力計劃的綜合效用進(jìn)行調(diào)整，以此提升電力計劃各利益相關(guān)者的滿意度。基于“三公”調(diào)度模型，本文提出了一種基于電廠日負(fù)荷火電機(jī)組發(fā)電計劃的優(yōu)化策略，盡量滿足電力系統(tǒng)的節(jié)能與經(jīng)濟(jì)需求，使其能夠?qū)崿F(xiàn)直接交易計劃，并保持穩(wěn)定的電廠日負(fù)荷水平。

1.1編制電力生產(chǎn)計劃

編制電力生產(chǎn)計劃的主要目的在于發(fā)電機(jī)組的啟動、停止計劃以及發(fā)電機(jī)組的出力計劃達(dá)成一致。

1.1.1中長期（年度或月度）發(fā)電規(guī)劃

中期和長期發(fā)電計劃通常基于電力流量的最小偏差，基于系統(tǒng)負(fù)荷的中期和長期預(yù)測以及電力消耗，設(shè)備的中長期維護(hù)，電廠中長期發(fā)電計劃和中長期的連接計劃等數(shù)據(jù)，交易計劃會逐步分解到各個機(jī)組進(jìn)行直接交易，考慮系統(tǒng)容量，功率平衡，機(jī)組操作限制，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行限制等，協(xié)調(diào)能源生成資源，生成機(jī)組啟動停止計劃和日出功率計劃，并檢查安全性。

1.1.2短期（日）發(fā)電計劃

短期發(fā)電計劃建立在對電廠短期負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測的基礎(chǔ)上，需要考慮到負(fù)荷能力、機(jī)組的組合情況以及電廠計劃的真實(shí)完成度，并保持電力的穩(wěn)定，限制單元的輸出功率等，制定計劃生成單元，機(jī)組輸出更準(zhǔn)確地規(guī)劃。電力生產(chǎn)的短期規(guī)劃可能涉及目標(biāo)需達(dá)到最小經(jīng)濟(jì)成本與最小偏差，最終經(jīng)濟(jì)成本中包含了電力生產(chǎn)的總成本和環(huán)境成本。

1.2電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型

在進(jìn)行電力生產(chǎn)計劃編制時，依據(jù)不同的規(guī)劃形式可組織進(jìn)行不同計劃。目前，規(guī)劃模式主要包括在安全限制內(nèi)，進(jìn)行環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度和經(jīng)濟(jì)調(diào)度、“三公”調(diào)度以及基于市場競爭的電力系統(tǒng)調(diào)度。“三公”的規(guī)劃應(yīng)旨在確保公平分配發(fā)電。市場競爭規(guī)劃制度包括優(yōu)化購買電力的總成本或最大化電力市場中的社會福利。

電力系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃模型是指機(jī)組啟停的合理安排和單位輸出功率，受系統(tǒng)功率平衡的限制、系統(tǒng)安全性的限制、備用電源的限制、輸出的限制條件下，合理進(jìn)行機(jī)組技術(shù)的開啟和關(guān)閉時間計劃。優(yōu)化節(jié)點(diǎn)之間的負(fù)載分配，以便特定目標(biāo)實(shí)現(xiàn)最佳解決方案。此模型可以為不同規(guī)劃模式下機(jī)組計劃進(jìn)行優(yōu)化。

1.3電量計劃的分解和滾動

目前，中國各省電網(wǎng)公司的調(diào)度中心通常采用“三公”計劃模式。省電網(wǎng)公司根據(jù)明年的預(yù)計用電需求和電力系統(tǒng)運(yùn)行情況提出“三公”調(diào)度模式，并提出明年的電力需求，作為制定電力生產(chǎn)計劃和制定各種電力需求和省級能源類生產(chǎn)的基礎(chǔ)。電力監(jiān)督負(fù)責(zé)監(jiān)督管理電力企業(yè)年度電力生產(chǎn)規(guī)劃，監(jiān)督電力交易是否符合“三公”調(diào)度。基于“三公”調(diào)度的規(guī)劃模式，并兼顧電網(wǎng)安全，要保證相同類型的發(fā)電機(jī)組在同一年的使用時間是對等的原則，其中還有不同的修正因素影響，給出每個發(fā)電廠發(fā)電計劃。

本文基于“三公”調(diào)度模型編制的電力生產(chǎn)計劃，涉及數(shù)學(xué)中的混合整數(shù)線性優(yōu)化，一般采用CPLEX進(jìn)行求解。以此模型為基礎(chǔ)，目前正在特定的電源網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行測試，并且使用由C++標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的于優(yōu)化年度發(fā)電計劃的軟件和用于優(yōu)化塊組合的軟件，試運(yùn)行后實(shí)現(xiàn)了良好的結(jié)果。

2.1實(shí)際算例數(shù)據(jù)

實(shí)際算例：根據(jù)某電網(wǎng)2018年9月12日特定電力系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行的實(shí)際計算中，根據(jù)建議的優(yōu)化模型，9月13日起推出年度發(fā)電規(guī)劃軟件以及優(yōu)化包開發(fā)軟件，12月31日進(jìn)行發(fā)電與電廠優(yōu)化的聯(lián)合分析。截至2018年8月，本算例中電網(wǎng)裝機(jī)容量主要來源于火力和水力，當(dāng)前水電在電網(wǎng)中具有重要地位，占比為38%左右。根據(jù)不同地區(qū)電力系統(tǒng)的運(yùn)作環(huán)境，特定電力系統(tǒng)中電力系統(tǒng)的資源充足，但電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)薄弱，火力發(fā)電廠主要基于熱電聯(lián)產(chǎn)。由于采暖和網(wǎng)絡(luò)安全，主要火力發(fā)電廠對安全的貢獻(xiàn)很小。“三公”調(diào)度的實(shí)施存在一些問題。所以，對算例中電廠“三公”調(diào)度模型還要進(jìn)一步功率優(yōu)化，其結(jié)果更加精確的對模型的效用進(jìn)行解釋。2018年，特定能源系統(tǒng)各自流域的自然水供應(yīng)充足。從7月到9月是汛期，水電正在上升，對負(fù)荷的需求疲軟。在“三公”調(diào)度時，涉及17個火力發(fā)電廠，其中9個火力發(fā)電廠由于供暖和安全而對安全性的貢獻(xiàn)最小。

2.2電量完成率情況

根據(jù)上述用于優(yōu)化計算的發(fā)電實(shí)際數(shù)據(jù)，將9月12日之后的計劃和發(fā)電單位的組合。根據(jù)優(yōu)化計算的結(jié)果，2018年9月和9月火電廠的累計發(fā)電完成系數(shù)更好。在優(yōu)化結(jié)果中，在優(yōu)化日期之前，17個火力發(fā)電廠的年度計劃能源完成率差異很大，能源供應(yīng)從最低水平的27.16%提高到101.177%。為后續(xù)的發(fā)電計劃以及“三公”規(guī)劃產(chǎn)生新的障礙。在17家火力發(fā)電廠優(yōu)化后，16家發(fā)電廠完成了年度計劃網(wǎng)絡(luò)容量，14家發(fā)電廠的年完成率保持不變，均占122.971%，相當(dāng)于“三公”調(diào)度分配功率偏差，即接近年末完成計劃功率完成的要求，結(jié)果良好。

2.3機(jī)組日間負(fù)荷率變化情況

考慮到實(shí)際工作的可行性，為了使火力發(fā)電廠的負(fù)荷盡可能穩(wěn)定，應(yīng)盡量減少熱力機(jī)組功率的波動，使發(fā)電廠組的日負(fù)荷保持相對穩(wěn)定。根據(jù)前面的生產(chǎn)計劃與調(diào)度模型，完成“三公”調(diào)度下的機(jī)組組合。但是發(fā)電廠的日常容量不是唯一的，并且發(fā)電廠的日負(fù)荷可能存在顯著的變化。因此，有必要進(jìn)一步制定發(fā)電計劃優(yōu)化方案。考慮到發(fā)電廠日均負(fù)荷均衡的發(fā)電計劃，該計劃包括一個最小目標(biāo)指標(biāo)，用于改變發(fā)電廠的日負(fù)荷，并優(yōu)化每個發(fā)電廠負(fù)荷的日常變化，而不影響電量的完成率。然而，由于發(fā)電廠負(fù)荷的日常標(biāo)準(zhǔn)和包括多個火力發(fā)電廠的最小優(yōu)化目標(biāo)的變化，一個火力發(fā)電廠不一定能從一個月的生產(chǎn)計劃中看到每日負(fù)荷變化結(jié)果。但對于發(fā)電廠的總體規(guī)劃，其負(fù)荷速度的日常波動仍然顯著減少。

選擇負(fù)荷速度明顯變化的發(fā)電廠來分析10月份電廠優(yōu)化的結(jié)果。火電機(jī)組的日負(fù)荷率變化曲線如圖1所示，結(jié)果表明基于電廠日負(fù)荷率的火電機(jī)組發(fā)電計劃優(yōu)化，使機(jī)組出力穩(wěn)定性有所提高、負(fù)荷率相對均衡。

綜上所述，以電量完成進(jìn)度為主要目標(biāo)的“三公”調(diào)度是我國目前普遍采用的調(diào)度模式，本文基于“三公”調(diào)度的年度發(fā)電計劃與機(jī)組組合優(yōu)化模型，進(jìn)行了基于電廠日負(fù)荷率的火電機(jī)組發(fā)電計劃優(yōu)化，結(jié)果表明：可以最大限度地實(shí)現(xiàn)“三公”調(diào)度目標(biāo)（即能耗完成系數(shù)收斂的年度指標(biāo)）：本次優(yōu)化可以提供機(jī)組啟動和停止計劃，避免機(jī)組在低負(fù)荷下工作，盡可能減少設(shè)備低負(fù)載運(yùn)行啟動，減少停啟次數(shù)，由此提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)型和安全性，為電廠輪換計劃的合理安排提供了參考。

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