考虑分区备用和N‑1校验的电力系统电能‑备用联合优化调度方法

技术领域

本发明涉及一种电力市场下的电力系统优化调度方法，特别是涉及电力市场下考虑分区备用和N-1校验的电力系统电能-备用联合优化调度方法。

背景技术

发电计划是指根据负荷预测，在满足功率平衡的前提下，结合各机组出力上下限、各机组最大爬坡功率等约束条件，考虑各机组的启停以及最小停机时间等实际情况，而提前编排的各机组的发电功率，制定发电计划是电力系统调度部门的重要工作。在制定发电计划的同时，需要设置一定的备用容量来应对各种不确定性因素，例如负荷波动、发电机组强迫停运以及电网故障等，从而维护电网的安全稳定运行，避免切负荷给电力用户造成损失。在不同国家和地区，电网备用的分类有所不同，但是根据备用的用途，一般可以分为调节备用和旋转备用两大类，其中，调节备用主要用于快速平衡电网的负荷波动，而旋转备用主要在电网事故发生后，用于弥补事故造成的有功缺额。一般情况下，电网购买的备用容量越多，系统的供电可靠性越高；但是如果购买的备用容量过多，会造成发电资源浪费，影响电网的经济性。2015年3月，中共中央、国务院下发的《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》(即“9号文”)开启了新一轮电改的大门，其发布意味着中国电力体制发生关键性改变。电力体制改革的最终目的是实现资源的高效配置，安全、清洁、可靠地满足全社会用电需求。因此，在保证电网安全性和经济性的同时，如何合理的安排发电计划和配置备用容量，成为电力系统调度部门亟需解决的关键问题。

考虑到电能和备用之间存在耦合关系，近年来，国外电力市场在运行实践中逐渐趋向于在日前、实时市场中采用电能-备用联合调度的方法，可以更好地实现资源的优化配置。在常规的电能-备用联合调度方法中，一般以经济性最优为目标函数，考虑功率平衡、发电机爬坡率限制、线路传输容量限制、备用容量最小需求等约束条件，对电能和备用进行联合优化，来获得费用最低的调度方案。由于备用对于维护电网的安全性和供电可靠性起着至关重要的作用，因此国内外学者从不同角度对备用的优化配置方法进行了研究，主要考虑了电网频率恢复、可靠性评估、互联电网特性、预想事故等不同因素。

现有电能-备用联合调度方法中，备用通常只需要满足全网备用的最小需求量即可。但是，在实际电网中，由于发电资源分配不均匀，发电成本差距较大，有可能会导致备用容量集中在某一区域内。考虑到线路传输容量极限和网络阻塞，事故发生后可能会出现备用容量调用不出的现象，严重影响电网运行的安全性和可靠性。因此，为了保证事故后备用容量的有效性，在电能-备用联合调度方法中，考虑分区备用最小需求量是非常必要的。与此同时，目前的电能-备用联合调度方法中很少对线路和变压器进行N-1校验，然而在实际电网中，需要进行线路、变压器以及发电机的N-1校验从而满足网络安全约束。因此，有必要综合考虑分区备用和N-1校验，提出一种新的电力系统电能-备用联合优化调度方法，为电网实际调度工作提供参考。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑分区备用和N-1校验的电力系统电能-备用联合优化调度方法，该方法以经济性最优为目标，同时考虑分区备用约束和N-1故障约束，对电能和备用进行联合优化，从而得到合理的调度方案。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

步骤1：确定下一调度时段区域电网的系统备用最小需求量和分区备用最小需求量；

步骤2：以区域电网购买的电能和备用总费用最小为目标函数，建立考虑分区备用需求的电能-备用联合优化模型；

步骤3：设置N-1初始预想事故集，包括分区联络线和各分区在上一调度时段出力最大发电机的N-1故障，并将初始预想事故的N-1安全约束作为约束条件添加到上述步骤2所得优化模型中，形成考虑分区备用和N-1约束的电力系统电能-备用联合优化调度模型并求解得到初始调度方案；

步骤4：根据调度方案对各分区内部的传输线逐一进行N-1校验

如果某条传输线的校验通过，则继续校验下一条传输线，如果校验不通过，则将该传输线的N-1校验公式作为约束条件添加到步骤3所得优化调度模型中，得到新的优化调度模型，通过求解该优化调度模型得到新的调度方案，根据新的调度方案继续校验下一条传输线；重复上述N-1校验，直到所有传输线的N-1校验完成，则最终得到的调度方案即为下一调度时段的优化调度方案。

所述步骤1中，备用可以分为调节备用和旋转备用，其中调节备用用于快速抑制系统的负荷波动，由区域电网中所有AGC(自动发电控制)机组承担，故仅考虑系统调节备用最小需求量，用表示；旋转备用主要用于弥补事故发生后的有功缺额，由区域电网中所有可调度机组承担，为了保证备用的供应能力和电网的安全性，需要同时考虑系统旋转备用最小需求量和分区旋转备用最小需求量，分别表示为和取为全网(指区域电网，下同)总负荷的a％；由全网总负荷的b％和全网最大发电机组装机容量两者的最小值决定；取为各分区负荷的c％；系数a，b，c可以根据电网实际情况选择。除此之外系统备用和分区备用的最小需求量需还可以通过离线仿真获得。

所述步骤2中，该优化调度方法的目标是经济性最优，即全网在调度时段内所购买的电能和备用总费用达到最小，具体的目标函数可以表示为：

$>min(\underset{i}{\overset{N_g}{\Sigma }}{\alpha }_i{P}_i+\underset{i}{\overset{N_a}{\Sigma }}{\beta }_i(A_i^{+}+A_i^{-})+\underset{i}{\overset{N_g}{\Sigma }}{\gamma }_i{R}_i)---\left(1\right)$>

其中，P_i为第i台发电机组的计划出力，为第i台AGC机组向上调节备用容量的购买量，为第i台AGC机组向下调节备用容量的购买量，R_i为第i台发电机组旋转备用容量的购买量，α_i,β_i,γ_i分别表示第i台发电机组电能、调节备用和旋转备用的报价，单位为Yuan/MW，N_g为全网可调度机组的总数，N_a为全网AGC机组的总数。

考虑分区备用需求的电能-备用联合优化模型包括功率平衡方程、发电机输出功率约束、发电机爬坡率约束、备用爬坡率约束、系统备用最小需求量约束、分区备用最小需求量约束和线路传输容量约束，具体表达如下所示：

1)功率平衡方程

$>\underset{i=1}{\overset{N_g}{\Sigma }}{P}_i=\underset{i=1}{\overset{N_d}{\Sigma }}{D}_i---\left(2\right)$>

其中，D_i表示第i个节点的负荷，N_d为全网的节点数。

2)发电机输出功率约束

对于所有AGC机组而言(A表示区域电网AGC机组集合)：

且同时，且

其中，P_imax为第i台发电机组的最大有功出力，P_imin为第i台发电机组的最小技术出力，A_imax为第i台发电机组的AGC调节上限，A_imin为第i台发电机组的AGC调节下限。

对于所有可调度的非AGC机组而言(B表示区域电网可调度的非AGC机组集合)：

P_i+R_i≤P_imax(4)

3)发电机爬坡率约束

$>-T·r_i^{-}\le P_i-P_{0i}\le T·r_i^{+}---\left(5\right)$>

其中，P_0i为区域电网第i台发电机组前一调度时段的有功出力值，可以从电网能量管理系统(EMS)中获得。

4)备用爬坡率约束

且

其中，为区域电网第i台发电机组的向上爬坡率，为区域电网第i台发电机组的向下爬坡率，t₁为调节备用的响应时间，t₂为旋转备用的响应时间。

5)系统备用最小需求量约束

且

以上约束条件表明全网提供的调节备用总量和旋转备用总量应满足系统调节备用和旋转备用的最小需求量。

6)分区备用最小需求量约束

对于每个分区z，都有：

$>\underset{i=1}{\overset{N_g^z}{\Sigma }}{R}_i\ge D_R^z---\left(8\right)$>

其中，表示分区z中可调度机组的台数，这条约束表明，每个分区中发电机组所提供的旋转备用应该满足分区旋转备用最小需求量。

7)线路传输容量约束

对于电网中所有线路而言：

$>-P_{l_k\max }\le P_{l_k}\le P_{l_k\max },P_{l_k}=\underset{i=1}{\overset{N_g}{\Sigma }}{H}_{ki}{P}_i-\underset{i=1}{\overset{N_d}{\Sigma }}{H}_{ki}{D}_i---\left(9\right)$>

在基态潮流下，区域电网中所有线路功率应满足传输容量的限制。其中，为第k条线路上的有功功率，为第k条线路的最大传输容量，H_ki为功率转移分布因子矩阵H的第k行第i列元素，表示第i个节点的注入功率对第k条线路有功功率的影响。

N-1事故集合可以分为两类：一是系统发电机故障集，另一类是系统传输线和变压器故障集。这两类的故障集在优化模型中需考虑不同的建模方式：发电机N-1故障后，系统的功率平衡被破坏，需要系统备用调出进行再调度，因此在优化模型建模时，考虑发电机故障后设置新变量，保证模型的可行性；线路或变压器N-1故障后，系统的功率平衡不会被破坏，因此不需要系统备用调出进行再调度，因此在优化模型建模时，考虑线路或变压器故障后不需要设置新变量，优化调度结果能同时满足正常和故障情况的约束条件。

确定N-1预想事故集后，将线路、变压器和发电机的N-1原则作为约束条件添加到步骤2所述的优化模型中，形成电力市场下考虑分区备用和N-1约束的电力系统电能-备用联合优化调度模型。

然而，这是一个超大规模的优化问题，实际运行很难求解。因此可采用动态积极集的方法进行迭代求解。设置迭代的初始故障集，其中初始线路N-1是指一条重要联络线发生断线，例如电网各分区之间的联络线；初始发电机N-1是指各个分区重要发电机组出现故障停运。具体地，线路N-1和发电机N-1的约束条件如下所示：

1)线路N-1约束

一条预想线路断开后，为了满足用户的用电需求同时保证电网的安全性，在各台发电机组出力不变的前提下，全网所有线路仍需满足线路传输容量约束。假设第m个预想线路N-1故障发生，则电网的拓扑结构发生变化，因此功率转移分布因子发生变化，计算得到新的功率转移分布因子矩阵H^m。从而线路N-1约束表示如下：

当第m个预想线路N-1故障发生后，对于区域电网中其余线路，都有：

$>-P_{l_k\max }\le P_{l_k}^m\le P_{l_k\max },P_{l_k}^{\max }=\underset{i=1}{\overset{N_g}{\Sigma }}{H}_{ki}^m{P}_i-\underset{i=1}{\overset{N_d}{\Sigma }}{H}_{ki}^m{D}_i---\left(10\right)$>

其中，为第m个预想线路N-1故障发生后区域电网第k条线路上的有功功率，为新的功率转移分布因子矩阵H^m第k行第i列元素。

由于变压器在模型中可以表示成线路的形式，因此不再单独列出变压器的N-1约束。

2)发电机N-1约束

当第n个预想发电机N-1故障发生后，该台发电机故障停运，不能继续提供电能、调节备用和旋转备用，因此全网其余发电机组调出旋转备用来弥补发电机N-1所造成的有功缺额。此时，需要保证全网所有线路仍需满足线路传输容量约束从而保证故障后电网的安全性。发电机N-1约束的具体表达如下所述：

当第n个预想发电机N-1故障发生后：

$>A_n^{+}=0,A_n^{-}=0,R_n=0$>

此时，系统调节备用最小需求量和旋转备用最小需求量仍应满足，即：

且

同时，全网其余发电机组调出的旋转备用总量应该满足有功功率缺额：

$>\underset{i=1,i\ne n}{\overset{N_g}{\Sigma }}{R}_i^n=P_n---\left(12\right)$>

其中，表示第n个预想发电机N-1故障发生后第i台发电机组应该调出的旋转备用，其值受到该第i台发电机组旋转备用购买量的限制，即：

$>0\le R_i^n\le R_i---\left(13\right)$>

同时，旋转备用调出后，全网线路仍需要满足线路传输容量约束：

$>-P_{l_k\max }\le P_{l_k}^n\le P_{l_k\max },P_{l_k}^n=\underset{i=1,i\ne n}{\overset{N_g}{\Sigma }}{H}_{ki}(P_i+R_i^n)-\underset{i=1}{\overset{N_d}{\Sigma }}{H}_{ki}{D}_i---\left(14\right)$>

其中，为第n个预想发电机N-1故障发生后区域电网第k条线路上的有功功率。

之后，根据上述考虑电力市场下分区备用和N-1约束的电力系统电能-备用联合优化调度模型，求得下一调度时段的初始调度方案。

所述步骤4中，为了保证电网运行的安全性，对步骤3所得初始调度方案进行各分区内部传输线的N-1校验。假设第u条分区内部传输线发生N-1故障，则功率转移分布因子矩阵变为H^u，在当前调度方案的基础上，按照下式校验电网中其余线路是否满足线路传输容量约束(满足则校验通过，不满足则校验不通过)：

$>-P_{l_k\max }\le P_{l_k}^u\le P_{l_k\max },P_{l_k}^u=\underset{i=1}{\overset{N_g}{\Sigma }}{H}_{ki}^u{P}_i-\underset{i=1}{\overset{N_d}{\Sigma }}{H}_{ki}^u{D}_i---\left(15\right)$>

其中，为第u条分区内部传输线发生N-1故障后区域电网第k条线路上的有功功率，为新的功率转移分布因子矩阵H^u第k行第i列元素。

对各分区内部的传输线逐一进行N-1校验，如果某传输线的校验通过，则继续校验下一条传输线；如果校验不通过，则将该传输线的N-1校验公式(参见公式15)作为约束条件添加到步骤3所得优化调度模型中，得到新的优化调度模型，通过求解该优化调度模型得到新的调度方案；重复上述N-1校验，直到所有传输线的N-1校验通过，则得到最终的优化调度方案，返回EMS，为下一时刻的电网调度提供参考。

本发明的有益效果体现在：

本发明在考虑分区备用最小需求量以及线路、变压器和发电机N-1约束的条件下，以购买的电量和备用费用最低为目标，对电量-备用进行联合优化，从而得到合理的调度方案，使得电网整体经济性更佳，实现资源的优化配置，同时N-1校验进一步保证了系统运行的可靠性，并对电力系统的调度工作提供一定的参考。

附图说明

图1为本发明所述考虑分区备用和N-1校验的电力系统电能-备用联合优化调度方法流程图；

图2为本发明实施例中的测试电网分区示意图；图中各分区之间的粗实线为分区联络线，数字1～118表示节点编号，G为发电机组。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面以某测试电网电能-备用的联合优化调度为例，对本发明进行具体介绍，但应该理解的是发明并不局限于此，也同样适用于对其他电网或电力运营商进行电能和备用的联合优化调度。

如图1所示，本发明提供的电力市场下考虑分区备用和N-1校验的电力系统电能-备用联合优化调度方法，包括以下步骤：

第一步：从EMS获取电力系统优化调度所需的原始数据，主要包括电网的拓扑结构、分区信息、运行方式、发电机数据、上一时段的调度方案以及负荷预测，为形成下一时段的优化调度方案做准备。在本实施例中，以IEEE118节点系统作为测试电网，共包含118个节点、186条线路，并将其划分为3个分区，测试电网的网络拓扑和分区如图2所示。

第二步：根据负荷预测、发电机信息、分区信息以及上一时段的调度方案，确定测试电网的系统和分区备用的最小需求量。备用分为调节备用和旋转备用，在本实施例中，系统和分区备用的最小需求量均取为负荷的某一固定百分比。其中，调节备用只考虑系统最小需求量取为全网总负荷的2％；旋转备用分为系统最小需求量和分区最小需求量取全网总负荷的8％和全网最大发电机组装机容量两者的最小值；取为各分区负荷的8％。测试电网的负荷预测值、最大发电机组装机容量以及系统和分区的备用最小需求量，如表1所示。

表1. 118节点测试电网系统、分区备用最小需求量

第三步：以所购买的电能和备用总费用最低为目标函数(参见公式1)，建立考虑分区备用的电能-备用联合优化模型，包括功率平衡方程(参见公式2)、发电机输出功率约束(参见公式3～4)、发电机爬坡率约束(参见公式5)、备用爬坡率约束(参见公式6)、系统备用最小需求量约束(参见公式7)、分区备用最小需求量约束(参见公式8)和线路传输容量约束(参见公式9)。在本实施例中，共有发电机组54台，其中9台为AGC机组，同时规定各AGC机组的AGC调节上限为装机容量的95％，AGC调节下限为装机容量的5％，即A_imax＝0.95P_imax,A_imin＝0.05P_imax；调度时段长度T设置为15分钟，调节备用响应时间t₁设置为5分钟，旋转备用响应时间t₂设置为10分钟；各台发电机组向上和向下的爬坡率相等，即

第四步：设置N-1预想事故集，在本实施例中主要包括各分区间的联络线和各分区内的重要发电机组发生N-1故障。在测试电网中，各分区间的联络线共12条；各分区内的重要发电机组是指该分区内上一调度时段出力最大的发电机组，根据EMS数据可知各分区上一调度时段出力最大的发电机组。确定N-1预想事故集后，将预想事故的N-1约束条件(参见公式10～14)补充到上述优化模型中，形成考虑分区备用和N-1约束的电力系统电能-备用联合优化调度模型。

第五步：利用Matlab和Cplex求解上述优化调度模型，得到满足约束的初始调度方案，即得到P_i、和R_i的初始最优值。

第六步：对初始调度方案进行各分区内部传输线的N-1校验。在测试电网中，各分区内部传输线共174条(其中包含表示成线路的变压器)。对各分区内部的传输线逐一进行N-1校验，如果某条传输线满足N-1校验，则继续校验下一条传输线；如果不满足，则将该传输线的N-1校验公式(参见公式15)作为约束条件添加到优化调度模型中，得到新的优化调度模型并求解得到新的调度方案，对新的调度方案重复上述校验步骤(通过将未通过校验的传输线对应的校验公式累加入步骤四所得优化调度模型中，使得在新的调度方案下已经校验的传输线均可通过校验，因此，新的调度方案下仅需对未校验的传输线继续校验)，直到所有传输线的N-1校验通过，此时的调度方案即为下一时刻的优化调度方案。

最终通过Matlab和Cplex软件，求解得到满足分区备用和N-1校验的优化调度方案，且所购买的电能和备用费用最小为897814.84元，具体而言，购买电能、调节备用和旋转备用的费用如表2所示。

表2.最终优化调度方案的各项购买费用

根据优化结果，各分区应购买的电能、调节备用以及旋转备用容量如表3所示。

表3各分区最终的优化结果

将表3与表1对比可知，最终得到的优化调度方案可以满足负荷需求，同时满足全网以及各分区的备用最小需求量。因此，该优化调度方案在满足了分区备用要求、N-1校验等安全约束的基础上，实现了经济性最优，有利于资源的优化配置。

第七步：将最终得到的优化调度方案返回EMS，为下一时段的电网调度提供参考。