一种基于两阶段混合整数规划的电力系统运行模拟方法与流程

本发明针对电力系统规划方案评估问题，提出一种全面的系统运行指标计算方法。该方法基于中长期尺度机组组合和经济调度方法，能为新形势下计算电力系统规划方案评估提供有力参照。

背景技术：

随着我国电网建设的发展，网架规划的重要性显得愈发重要。为了从理论上支持规划方案的评估和基于指标的选优，针对确定网架规划方案下的电力系统运行模拟方法成为当前迫切需要解决的问题。

从规划评估的角度来看，国内关于发电和输电系统规划的评估方法大都基于电力系统的生产模拟。目前国内一些高校和研究机构陆续开始进行了一些将随机生产模拟应用于电网规划方案评估的研究，但是这些随机生产模拟评估方法不能全面地考虑开机方式的影响，得到的系统经济性和可靠性指标参考价值具有一定的局限。相比之下，运行模拟克服了这类随机生产模拟方法的固有缺陷，更加贴近电力系统运行实际。

在运行模拟领域中，目前国内多采用典型日模拟的分析方法。但典型日分析方法不能体现一段时间内的新能源出力特性、负荷特性以及全网开机方式的差异性，计算结果往往过于保守，难以指导电网方案评估和方案中年度运行方式的优化。由此，将运行模拟时间尺度扩展到年时间尺度势在必行。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种中长期尺度的、全面而精细化的电力系统运行模拟方法。

为实现上述目的，本发明提供一种基于二阶段混合整数规划的电力系统运行模拟方法，包括以下步骤：

包括以下步骤：

步骤1：从电力系统规划部门获得系统基本技术数据、系统运行约束条件数据、系统可靠性数据；

系统基本技术数据：节点数据；传输线数据；变压器数据；负荷数据；发电机数据；

系统运行约束条件：各发电机组出力上下限值；支路潮流上下限值；

系统运行数据：发电机的出力上下限曲线、新能源机组的资源功率曲线、负荷功率曲线；

步骤2：生成网架的基础模型；根据系统的导纳矩阵，形成阻抗矩阵，并由此计算推得每对节点之间的发电转移分布因子(gsdf)；

步骤3：进行长期机组组合计算，根据步骤1中收集到的网架规划数据，考虑逐日的电量平衡和日典型负荷下的功率平衡约束，计入机组状态在月之间的平稳过渡，逐月生成机组组合以日为粒度的机组组合模型并分别求解，以确定各个机组的开机方式；

步骤4：进行精细化短期经济调度计算，根据步骤1中收集到的网架规划数据和步骤3中确定的机组开机方式，逐周生成以小时为粒度的经济调度模型并求解；

步骤5：根据步骤3和步骤4的计算结果，可以确定给定网架规划方案和发电/负荷曲线的前提下，系统逐小时的运行状态，根据运行状态可得到系统的运行统计指标。

步骤2中，得到发电转移分布因子的步骤如下：

建立导纳矩阵y，对电纳部分求逆，即可得到电抗矩阵

根据电抗矩阵求得各个节点对之间的广义发电分布因子(gsdf)

其中，xim、xin分别是节点阻抗矩阵中的元素，xl是支路l的串联阻抗。

步骤3中所述的长期机组组合计算，所采用的混合整数规划模型具有如下所示的目标函数

其中，δt是量纲规则化因子，以上两个部分的表达式具体表示如式(4)、(5)所示：

等号右侧两项分别是大方式下的煤耗成本和大方式下的失负荷惩罚，是机组i的煤耗成本，这是一个二次函数；是机组i的开机成本；ρl是失负荷惩罚系数，此处的t对应时间段s中负荷最大的时刻，即大方式时刻；在此步骤中，如果在公式中未特别限定t的取值，则默认t为时间段s下的大方式时刻；

fe,s的形式如下所示

其中，是机组i的煤耗成本(二次函数)，是机组i的开机成本，ρl是失负荷惩罚系数，ρw是弃风惩罚系数，ρs是弃光惩罚系数；

长期机组组合模型具有如式(6)～(16)的约束，

对于火电机组：

对于水电机组：

pt^hmin≤pt^h≤p^hmax(8)

以上约束中，t是s时间段的最大负荷时刻，是机组i在t时刻的最小技术出力，是机组i的最大出力，是机组i在大方式下的出力，是机组i在时间段s的电量，是属于第j水头的所有机组的集合，是属于第j水头的水电机组i，是水头j在第sr个调节周期内的电量，sr∈sj是属于第j水头的调节周期sr。

对于风电机组有以下约束

0≤pt^w≤pt^w(0)(10)

其中，是风电机组在t时刻的资源功率，是t时刻的实际出力；

对于光伏机组有以下约束

0≤pt^s≤pt^s(0)(11)

其中，是光伏机组在t时刻的资源功率，是t时刻的实际出力；

对于全网有以下约束

其中，是实际送入功率，送出功率则为负值，是t时刻根据协议的最大送入功率，是t时刻的最小送入功率；

以上机组约束中均省略了机组的编号；

其中，pl，max是线路l的热稳定极限功率，gl-i是节点i对线路l的gsdf，是节点i上的电源出力，是节点i上的负荷功率；

上式等号右侧是t时刻负荷i的功率，

其中，βd是负荷备用比例，通常取为2％～5％；βw和βs分别表示考虑风电和光伏的预测误差而预留的备用比例；

其中

步骤4中所述的短期经济调度计算采用混合整数规划模型具有如下所示的目标函数

其中，是机组i的煤耗成本(二次函数)，是机组i的开机成本，ρl是失负荷惩罚系数，ρw是弃风惩罚系数，βs是弃光惩罚系数，ρh是弃水惩罚系数，nr是水头总数，是属于第j水头的所有机组的集合，是属于第j水头的水电机组i，nrs，j是水头j的调节周期总数，是水头j在第s个调节周期内的电量，s∈sj是属于第j水头的调节周期s；

在短期经济调度的前提下，火电机组的约束如下所示，此处省略了机组的编号；

对于长期机组组合的一个时间段s，如果则对于此时间段内的所有时刻t有以下约束

如果则有

如果则有

水电机组的约束如下所示：

上式中，是属于第j水头的所有机组的集合；表示属于第j水头的水电机组i；是机组i在时间段s的电量，可由长期机组组合结果得知；sr∈sj表示属于第j水头的调节周期sr；s∈sr表示属于sr调节周期的时间段s；

抽水蓄能电站具有以下约束：

其中，分别是机组的最大抽水功率和最大发电功率，分别是表示在t时刻是否抽水和发电的0-1变量，分别是t时刻抽水功率和发电功率；

其中，是t时刻的库容电量，分别是允许的最小库容和最大库容，用电量表示，ηd、ηg是水量-电量转换系数，δt为机组组合计算的时间尺度，通常取为1h；

步骤4的模型中还包含了公式(10)～(15)所述的约束条件。

步骤5中系统的运行统计指标按照下式计算：

1.火电机组的煤耗成本和启停成本

2.各个发电机组的发电量

3.各个发电机组的利用小时数

4.弃风弃光总量及其随时间分布特性

5.负荷供应不足电量/临时外购电量

6.各个支路的负载功率

本发明的有益效果在于：通过全年精细化运行模拟，可以得出系统的运行状态指标，为规划人员的决策提供有益指导和理论依据。对比传统随机生产模拟和机组组合方法，本发明提出的基于二阶段混合整数规划的运行模拟方法采用中长期尺度的逐小时精细化模拟，一方面克服了传统基于典型日或典型周的运行模拟方法涉及时段有限、计算结果偏保守、不够全面的问题，另一方面又能考虑到风电光伏出力波动性和抽水蓄能机组的小时级调度行为。同时，考虑到混合整数规划问题的时间复杂度特性，通过采用二阶段分段计算的方法，将全年精细化运行模拟计算的时间缩短到规划人员可以接受的范围内，更符合电力系统可靠性评估对计算效率和时间成本的要求。

附图说明

图1为本发明所述的基于二阶段混合整数规划的电力系统运行模拟方法的流程示意图。

以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。但本发明的内容不仅仅局限如此。

应用本发明所提模型时，需要首先从相关部门获取所需数据。从相关部门获取的计算模型输入数据包括如下数据；

规划网架结构中母线和线路的连接关系；

线路的阻抗参数，以及最大传输功率值；

每条母线的发电机、负荷分布情况；

各个发电机组全年的出力上下限曲线；

火电机组的启停费用和煤耗曲线系数；

水电机组的周来水电量；

风电、光伏机组的逐小时资源功率曲线；

与外区联络线的逐小时交换功率上下限；

逐小时的负荷功率曲线。

从电网规划部门获取上述信息后，按以下步骤依次对发输电系统进行基于本发明提出的电力系统运行模拟方法进行评估。

第1步：输入网架参数，形成网络导纳矩阵。根据网架规划中的元件参数，可以建立导纳矩阵y。对电纳部分求逆，即可得到电抗矩阵

b＝im(y)(1)

x＝b^-1

根据电抗矩阵求得各个节点对之间的广义发电分布因子(gsdf)

其中，xim、xin分别是节点阻抗矩阵中的元素，xl是支路l的串联阻抗。

第2步：根据输入的网架数据，进行尺度为四周、粒度为一日的长期机组组合，直到计算完成全年的机组组合为止。

在一个计算周期t(如一个月)内，给定计算粒度δt(如24h)，则可将计算周期划分个时间段。下文假设t可以被δt整除。记这样的一个时间段为s，t∈s表示时间段s中的一个时刻。则可以构造混合整数规划问题，其目标函数可表示为

其中，fm,s反应每个粒度中大方式时刻的运行经济性，fe,s按电量估计了每个时间段中的总体运行经济性。δt是量纲规则化因子，用于使得以上两项在相加时的量级相同。

以上两个部分的表达式具体表示如式(4)、(5)所示：

等号右侧两项分别是大方式下的煤耗成本和大方式下的失负荷惩罚。是机组i的煤耗成本，这是一个二次函数；是机组i的开机成本；ρl是失负荷惩罚系数。此处的t对应时间段s中负荷最大的时刻，即大方式时刻。在此步骤中，如果在公式中未特别限定t的取值，则默认t为时间段s下的大方式时刻。

fe,s的形式如下所示

其中，各个变量的含义如下所示

—机组i的煤耗成本(二次函数)

—机组i的开机成本

ρl—失负荷惩罚系数

ρw—弃风惩罚系数

ρs—弃光惩罚系数

在长期机组组合的前提下，对于火电机组有以下约束：

大方式出力约束

启停约束

注意此处在一个时间段s内，火电机组的开机状态是一定的。考虑到时间段长度t通常为24小时，因而此处可不考虑最小开停机时间。

对于水电机组有以下约束：

大方式出力约束

pt^hmin≤pt^h≤p^hmax(8)

水量约束

以上约束中的各个变量和表达式的含义如下所示

t—s时间段的最大负荷时刻

—机组i在t时刻的最小技术出力

—机组i的最大出力

—机组i在大方式下的出力

—机组i在时间段s的电量

—属于第j水头的所有机组的集合

—属于第j水头的水电机组i

—水头j在第sr个调节周期内的电量

sr∈sj—属于第j水头的调节周期sr

风电出力约束

0≤pt^w≤pt^w(0)(10)

其中，是风电机组在t时刻的资源功率，是t时刻的实际出力。

光伏出力约束

0≤pt^s≤pt^s(0)(11)

其中，是光伏机组在t时刻的资源功率，是t时刻的实际出力。

区域交换功率(半固定出力机组)约束

其中，是实际送入功率，送出功率则为负值。是t时刻根据协议的最大送入功率，是t时刻的最小送入功率。

注意以上机组约束中均省略了机组的编号。

线路和变压器的热稳定极限约束如下所示

其中，各个变量的含义如下所示：

pl，max—线路l的热稳定极限功率

gl-i—节点i对线路l的gsdf

—节点i上的电源出力

—节点i上的负荷功率

功率平衡约束

上式等号左侧分别是如前所述的火电、水电、风电、光伏、光热、抽水蓄能机组和区域交换功率，等号右侧是t时刻负荷i的功率。

旋转备用约束

其中，βd是负荷备用比例，通常取为2％～5％；βw和βs分别表示考虑风电和光伏的预测误差而预留的备用比例。

电量平衡约束：在任意时间段s内，系统总负荷电量应当介于总发电电量的下限和上限之间。

其中

由此建立了长期机组组合模型。可以使用以上模型，通过计算13个4周长期机组组合问题来获取全年52周的火电机组逐日开机方式。同时可以估计逐日的水电电量。下一步中的短期经济调度模型将会用到这里的火电机组开机方式和水电电量结果。

第3步：根据输入的网架数据和第2步中计算得到的机组开机方式和水电电量结果，进行尺度为一周、粒度为一小时的短期经济调度，直到求解完成全年的经济调度问题为止。

短期经济调度模型与传统机组组合模型类似，其典型尺度是168h，粒度为1h。其目标函数如下所示

其中，各个变量的含义如下所示

—机组i的煤耗成本(二次函数)

—机组i的开机成本

ρl—失负荷惩罚系数

ρw—弃风惩罚系数

ρs—弃光惩罚系数

ρh—弃水惩罚系数

nr—水头总数

—属于第j水头的所有机组的集合

—属于第j水头的水电机组i

nrs，j—水头j的调节周期总数

—水头j在第s个调节周期内的电量

s∈sj—属于第j水头的调节周期s

在短期经济调度的前提下，火电机组的约束如下所示。注意此处省略了机组的编号。

出力约束

爬坡约束

启停约束

与传统机组组合模型不同的是，此处将会使用长期机组组合安排的火电开机方式。由于长期机组组合的计算粒度粗(典型情况下粒度为24h)，如果发生开停机，此处需要进一步将开停机时间精确到1h。

对于长期机组组合的一个时间段s，如果在此时间段内未发生任何开停机则对于此时间段内的所有时刻t有以下约束

如果机组在时间段s处发生了开机则有

如果机组在时间段s处发生了停机则有

水电机组的约束如下所示：

出力约束

水量约束

上式中，是属于第j水头的所有机组的集合；表示属于第j水头的水电机组i；是机组i在时间段s的电量，可由长期机组组合结果得知；sr∈sj表示属于第j水头的调节周期sr；s∈sr表示属于sr调节周期的时间段s。此处假定水电的调节周期长于长期机组组合的时间粒度。

抽水蓄能电站具有以下约束：

机组出力约束

其中，分别是机组的最大抽水功率和最大发电功率。分别是表示在t时刻是否抽水和发电的0-1变量。分别是t时刻抽水功率和发电功率。

水库库容约束

其中，是t时刻的库容电量，分别是允许的最小库容和最大库容，用电量表示。ηd、ηg是水量-电量转换系数，典型取值分别为0.749和0.998。δt为机组组合计算的时间尺度，通常取为1h。

抽水发电互斥约束

储能调节约束

短期经济调度模型中的其他约束条件与长期机组组合相同，具体而言，此模型中还包含了约束(10)～(15)。

通过先求解长期机组组合问题、再求解短期经济调度问题的方法，可以解出与前一小节中相同的决策变量值。

第4步：使用第3步中计算得到的运行模拟结果，计算系统的运行统计指标，包括

1.火电机组的煤耗成本和启停成本

2.各个发电机组的发电量

3.各个发电机组的利用小时数

4.弃风弃光总量及其随时间分布特性

5.负荷供应不足电量/临时外购电量

6.线路负载情况。参考式(13)，各个支路的负载功率

第5步：将上述电力系统运行模拟结果反馈给电网规划人员，规划人员参考上述求解结果对电力系统整体设计方案进行评估。