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电力系统动态优化调度与电力市场

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2007/12/27 18:50:10   

 关键词:  电力市场 电力系统 调度

电力系统动态优化调度与电力市场
李彩华  郭志忠樊爱军(哈尔滨工业大学 哈尔滨 150001)(北京许继电气有限公司 北京 100085)
摘要 本篇文章叙述了电力系统优化调度研究的目的和意义,回顾了动态优化调度近二十年来的发展状况,详细地分析了动态优化调度发展中出现的问题以及相应的解决方法。这种优化调度方法根据负荷变化来调整发电机输出功率,其内存占用量大。同时提出了动态优化调度方法目前存在的问题。并且介绍了经济调度、最优潮流以及动态优化调度这三种优化方法在电力市场中的应用。
关键词 优化调度 动态优化调度 电力市场
1 引言  
  电力系统是一个复杂的动态变化的系统,传统的经济调度和最优潮流已经不能适应动态系统优化调度的需求。动态优化调度是考虑系统负荷各个时间段之间的联系,而计入发电机组出力的一些技术约束的一种优化调度方法。近年来电力系统的负荷峰谷差在逐渐地加大,使用动态优化调度方法可以很好的完成这种负荷落差较大的系统的调度问题。因此,从本世纪60年代开始,广大电力工作者开始了关于动态优化调度方面的研究,至今已经提出了很多解决方案。进入80年代以来,电力系统的运行体制问题引起广泛的关注,世界各国纷纷开始建立电力市场改变电力企业垄断经营,来增强企业的竞争力。由于优化调度方法对提高电力系统经济效益和改善系统安全运行有很大的贡献,因此这种方法在电力市场中也得到普遍的应用。
2 动态优化调度
  电力系统是一个复杂的动态系统,其相邻的各个时间段的运行状态之间互为约束,这种约束表现为发电机调整速度、发电机备用容量限制、火电厂燃料限制、水电厂水量限制、核电站带来的特殊要求等等,这些动态约束的制约使得静态优化调度方法无能为力。60年代初,电力工作者已经开始重视负荷变化对优化调度策略的影响,来进一步考虑负荷的改变对于系统发电费用变化的影响,因此负荷预报与动态优化调度有着密切的关系。
  在70年代,W.O.stadlin首次提出了优化调度要考虑未来负荷的变化、发电机输出功率变化速率及其调节容量的有限性,但在他建立经济负荷分配的模型中,仅仅是通过给发电机组预留一定比例的调整裕度来保证未来的负荷变化需求,这种方法还不能称得上是动态优化调度。随后一部分学者将发电机输出功率变化速度限制作为优化调度的约束来处理,用动态规划法对所建立的自动发电控制模  型进行求解,尽管这种模型做到了一定程度的简化,但其模型与发电机组数成指数关系,仍无法在实际系统中应用。RossD.W.等人提出在一段时间范围内,根据系统负荷的变化对各机组的输出功率进行整体的动态优化调度[1],强调前瞻未来负荷变化的重要性。作者将整个时段的负荷分成多个序列,用动态规划法对各个小时段进行优化求解。但这种离散化处理方法的弊端为步长较小时优化计算时间长,步长较大时优化的精度又不能保证。并且对于大系统而言,这种动态优化方法的计算量随发电机组数成指数增长,因此处理大系统不具有优势。
  以等微增率为基础的经典经济调度方法由于其算法简单,计算速度快而得到了广泛的应用,一些学者也试图利用此方法来简化处理动态优化调度问题。WoodWG提出用序列解耦技术求解考虑旋转备用的动态优化调度[2],他将发电机分为两类,一类发电机已经达到输出功率极限,另一类未达到极限能够继续上下调整输出功率,通过利用可调解的发电机组跟踪负荷变化。这种方法需要不停地对前推、后推过程进行修正,计算量大。
  由于非线性规划法可以很方便地考虑各种约束条件,如线路安全约束,可靠性约束,能源约束,环境约束等等,因而能更好地解决实际系统的动态优化调度问题。许多学者也积极的使用该方法来建立非线性规划的动态优化调度的模型。文献3以共轭梯度法来解算动态优化调度问题,将各个时段的约束以罚函数的形式引入目标函数,形成扩展的目标函数。但这种方法需要根据经验值选取罚因子,且对大系统而言维数过大,不能保证其收敛性和计算速度。文献4提出以powell法为基础结合稀疏技术进行动态优化调度计算,最大能够处理包含2000个变量4000个约束的系统进行日调度时间级的动态优化调度。文献5提出以二次规划法将一段时间的优化分解成各小时间段的静态优化调度,在静态优化调度的基础上考虑相邻时段的耦和约束,进行线性化后用有界变量单纯形法进行求解。以上几种方法基本思想是将很长时间的动态优化调度整体进行优化,对日调度的动态优化调度而言,如果时段分的比较小(如每五分钟进行一次优化),即使系统中的发电机数目较少,也无法保证在能承受的时间内完成动态优化调度计算。
  电力系统的负荷时刻在变化,就要求发电功率能够实时与负荷需求保持动态平衡。多数的动态优化调度方法能够成功调节发电机功率,完成负荷变化较平缓的动态优化调度,但系统中陡峭的负荷变化情况越来越多,一般的动态优化调度手段已经无法很好解决这个问题,因此许多学者开始了这方面的研究。文献6提出了多时段的最优潮流,考虑了热电厂的发电机的开机约束、停机约束以及水电厂的约束,使用Bender分解技术对火电和水电厂的综合动态优化调度进行了优化。王永刚等人将动态瓶颈约束引入最优潮流计算中[7],提出动态优化潮流的思想,在对当前时段进行最优潮流计算的同时,考虑相邻时段控制变量变化的连续性,使系统能顺利地对陡峭的爬峰降谷段落进行整体优化调度,较以往的方法相比能同时实现对发电机有功和无功进行协调优化调度。
  动态优化调度策略的实现与现代自动发电控制(AGC)密不可分,动态优化调度与现代自动发电控制(AGC)要完成的任务是优化调度与负荷频率控制(LFC)的协调统一。优化调度主要研究系统的静态特性,而LFC主要针对系统的动态特性。长期以来优化调度与负荷频率控制的研究各自独立,造成了两种优化控制行为经常发生矛盾,使得系统输出功率振荡或功率传输时不能满足安全约束。Zaborszky,Mukai等人对AGC问题做出了调查和研究,认为它分为三个阶段,估计、最优化和控制。Zaborszky等人根据预估负荷的持续时间将优化调度分为日调度级(24小时)、预调度级(30分钟)和在线调度级(15~30秒)三个级别。而HMukai等人则在前人的工作基础上,提出具有继承性和协调性的三阶段优化调度的策略。但由于以上所提的方法都没有考虑系统的安全性和可靠性约束,因此用于实际系统调度有困难,但却给后人的深入研究指出了一个方向。1990年DMarannino提出了考虑各种安全约束的日调度时间级基础上的预调度级动态优化调度[8],将此优化调度的结果作为AGC机组功率的初值,改善了动态优化调度与系统负荷频率协调控制的性能。而后我国学者提出了基于积留量法的动态优化调度算法[8],能成功地对系统进行不同时间级的考虑安全约束的动态经济调度。
  从动态优化调度算法上来看,目前现有的动态优化调度算法都是在给定的时间范围内计算出发电机输出功率的优化调度轨迹来达到计入未来负荷变化的目的,这种方法不仅计算量大而且占用内存量大。因此寻求动态优化调度各时间序列解耦的必要条件和充分条件,成为动态优化调度发展的一个重要因素。
3 优化调度方法在电力市场中应用
  在电力系统中引入市场经济的运营模式可以给社会带来可观的经济效益,促进电力系统健康有序的发展,因此电力市场化成为全球电力工业普遍发展的发展方向。实施电力系统市场化运行后,对电力系统运行的各个环节都提出了很多需要解决的技术问题。例如:面向电力市场的能量管理系统(EMS)的开发,考虑动态安全约束的最优潮流,电厂的经济效益与风险的评估,实时电价与辅助服务价格的制定,输电费用与电力转运费的确定。其中节点实时电价问题、输电费用与电力转运费计算问题、电力市场中的传输拥挤问题、电力市场环境下的电力系统优化调度等都与传统的优化调度有着密切的联系,因此优化调度理论及其计算方法在电力市场中也将发挥很大的作用。
  电力市场要采用经济手段管理各成员,电价是体现管理思想的工具,所以电价的制定原则、计算贸易电价,是电力市场的重要内容。目前各国学者提出的计算基础电价的方法有三种:实时电价法,嵌入成本法,边际成本法。实时电价法能反映短期(0.5小时甚至更短时段)的生产成本及用电量信息,能更好的指导用户优化用电。嵌入成本法和边际成本法计算电价,反映的是较长时期电力生产成本及总体负荷水平,而不能反映负荷及供电能力在短期内变化所引起的生产成本的变化。
  从本世纪70年代末期国外的学者就已经开始研究实时电价理论,从80年代起引起了各国学者的广泛关注。其中最早、最著名的为Schweppe等人提出的理论,它从经典经济调度理论出发,深入地探讨了实时电价的定义、组成部分和相应的模型,并且给出了基于经典经济调度和直流潮流的实时电价计算方法。Schweppe等人认为实时电价是电力系统优化运行理论的发展和延伸,与经济调度、无功优化、最优潮流有着非常深刻的联系。Baughman等人在Schweppe等人工作基础上提出了利用最优潮流的数据求解节点实时电价,并且发现了OPF中对应于潮流平衡方程的拉格朗日乘子λp、λq与有功、无功负荷的实时电价具有相同的经济意义。但这种方法一个重要的缺陷是没有很好地
解决节点无功电价,而只是简单的规定当节点无功发电容量越限时产生无功费用,当节点无功发电容量没有越限时,无功价格为零;这极大的影响了电力系统健康有序地发展。而文献9提出了基于解耦最优潮流计算节点有功、无功实时电价,本文重点介绍了电力市场条件下无功电价的计算方法,并将其计算模型扩展到危急状态后无功优化和无功电价计算。我国学者常宝波等人[10]从Schweppe的概念出发,建立了解耦的有功、无功经济调度模型,并通过二次规划法成功地解算出节点的实时有功电价、无功电价,并引入无功费用,进一步考虑了有功和无功的耦合关系。
  以上介绍的方法都充分考虑影响实时电价的各种因素,计算其对生产费用的灵敏度,并将其组合在一起构成实时电价。而Finney等人提出以分解模型计算节点电价,并且得出一个重要的结论,对于耦合求解的最优潮流中,对应于潮流平衡方程的拉格朗日乘子可以分为两项,其中有功拉格朗日乘子对应系统边际价格和网损,无功拉格朗日乘子对应阻塞约束的灵敏度乘子与该约束的影子价格的乘积。1999年谢开等人在Finney等人工作基础上进一步完善了实时电价的分解模型,借用内点法求解最优潮流[11],详细分析了拉格朗日乘子的经济意义,并明确把有功、无功的实时电价分解到各种辅助服务,这些辅助服务包括旋转备用、网损补偿费用、电压支持费用、安全费用。作者认为这种方法计算的实时电价较组合实时电价在数学上更严格、更能周全考虑各种相关因素。
  传统的嵌入成本法能够保证电网收支平衡,但它不包含任何经济学信息,因此无法引导电网资源的最优利用和长期发展。用边际成本法计算输电电价时,以实现社会经济效益最大为目标,能够优化利用电网资源,但它不能保证电网的收支平衡,尤其不能保证建网资金的回收,一直以来都不被电网公司所接受。在1998年言茂松等人提出一种基于边际成本法的输电定价方法[12],在保留了边际成本法的经济学信息的同时,在优化的目标函数中嵌入了输电网建设成本的过路费率,这种方法保证电网收支平衡。用这种方法进行输电电价的结算,能够实现引导经济供电,并且有利于电网运营的收支平衡。
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来源:中国电力资料网
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