一种提高电网效益和电力系统稳定运行的方法及装置

1.本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种提高电网效益和电力系统稳定运行的方法及装置。


背景技术：

2.近年来，水电因其良好的调节能力、启停迅速、负荷跟踪能力强等特点，在电力系统优化调度问题研究中受到广泛关注。特别地，在水电装机比例较高的水火电系统中，水电常以其优质的调峰能力对系统负荷进行调节，减少火电机组的出力波动和启停次数，降低系统的燃料消耗和开停机成本，对于统筹考虑电网运行效益及实现节能降耗的优化目标具有显著作用。但在这个过程中，会增加水电运行在振动区的风险。振动区是指水电机组在某些水头或出力下出现的气蚀与振动现象，会导致机组出力效率低、出力不稳定，威胁水电机组的安全运行和使用寿命，严重时甚至会损害电网。目前我国西南等地区修建了许多大型梯级水电站，这些电站往往伴随着复杂的大水头、大装机容量的巨型机组、复杂的多振动区，在制定电网调度计划中不可避免会涉及到梯级水电-火电系统的机组组合问题。如何充分考虑梯级水电复杂振动区特性的影响，积极发挥梯级水电调峰效益，是提高电网效益和确保电力系统稳定运行的关键一环，然而，现有技术没有相关的研究。


技术实现要素：

3.为了解决上述现有技术所存在的至少一技术问题，本发明提供一种提高电网效益和电力系统稳定运行的方法及装置。
4.为实现上述目的，本发明的技术方案是：
5.第一方面，本发明提供一种提高电网效益和电力系统稳定运行的方法，包括：
6.输入参数，以构建机组组合目标函数以及梯级水电火电及系统约束；
7.建立梯级水电火电考虑复杂振动区的机组组合模型，并对模型进行求解；
8.根据求解结果来应用至电力系统来减少火电机组的出力波动和启停次数。
9.第二方面，本发明提供一种提高电网效益和电力系统稳定运行的装置，包括：
10.输入模块，用于输入参数，以构建机组组合目标函数以及梯级水电火电及系统约束；
11.模型模块，用于建立梯级水电火电考虑复杂振动区的机组组合模型，并对模型进行求解；
12.应用模块，用于接收求解结果，以根据求解结果来应用至电力系统来减少火电机组的出力波动和启停次数。
13.所述机组组合目标函数为：
14.15.式中，n为火电机组总数，t为系统的调度总时段数，为火电机组i时段t的有功出力，ai、bi、ci为机组i的耗量特性参数，表示机组i时段t的运行状态的变量，表示停机，表示开机，为机组i时段t的启动成本。
16.进一步地，所述梯级水电火电及系统约束包括火电机组特性约束、梯级水电特性约束、系统功率平衡约束；
17.所述火电机组特性约束包括机组出力上下限约束、机组爬坡/滑坡约束、机组最小启停时间约束；
18.所述梯级水电特性约束包括水电站出力约束、水电站出力与机组出力关系约束、水电站库容约束、水电站发电流量约束、水电站出力约束、弃水量约束、库容平衡约束、水电站振动区约束。
19.进一步地，所述系统约束包括：
20.系统功率平衡约束：系统各时段所有机组有功出力之和恒等于负荷，以确保电力系统的稳定运行；
21.系统备用约束：在任意优化时段所有机组提供的备用应满足系统的备用需求；
22.线路潮流约束：系统各时段流经线路的有功功率不能超出设置的上下限。
23.进一步地，所述对模型进行求解包括：利用多组类阶跃函数去逼近高维非线性的凝聚函数约束，将考虑复杂振动区特性的梯级水火电机组组合问题转化为混合整数线性规划问题。
24.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
25.本发明建立考虑复杂振动区特性的梯级水电－火电系统机组组合模型，有效避免水电因灵活调峰运行在振动区而引起的电力系统安全性差、运行效益低等问题，对于保障电网安全、稳定、经济运行具有重要意义；同时利用多组类阶跃函数去逼近高维非线性的凝聚函数约束，将考虑复杂振动区特性的梯级水火电机组组合问题转化为混合整数线性规划问题，提高求解效率，降低了计算机运算功耗。模型求解过程中不仅兼顾了稳定运行区和振动区的信息，而且避免了维数灾问题。
附图说明
26.图1为本发明实施例1提供的提高电网效益和电力系统稳定运行的方法流程图；
27.图2为电站数据标示图；
28.图3为多组类阶跃函数近视凝聚函数约束图；
29.图4为本发明实施例2提供的提高电网效益和电力系统稳定运行的装置的组成示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
31.实施例1：
32.参阅图1所示，本实施例提供的提高电网效益和电力系统稳定运行的方法主要包括如下步骤：
33.101、输入参数，以构建机组组合目标函数以及梯级水电火电及系统约束；
34.102、建立梯级水电火电考虑复杂振动区的机组组合模型，并对模型进行求解；
35.如此，通过上述两个步骤来建立考虑复杂振动区特性的梯级水电－火电系统机组组合模型(模型为目标函数+约束)，有效避免水电因灵活调峰运行在振动区而引起的电力系统安全性差、运行效益低等问题。
36.103、根据求解结果来应用至电力系统来减少火电机组的出力波动和启停次数，对于统筹保障电网运行效益，实现节能降耗的优化目标相对纯火电机组组合更为显著。
37.具体地，上述的机组组合目标函数采用火电机组的煤耗费用和启停成本的总和最小化为目标，具体表示如下：
[0038][0039]
式中，n为火电机组总数，t为系统的调度总时段数，为火电机组i时段t的有功出力，ai、bi、ci为机组i的耗量特性参数，表示机组i时段t的运行状态的变量，表示停机，表示开机，为机组i时段t的启动成本。
[0040]
上述的梯级水电火电及系统约束包括火电机组和梯级水电特性约束，功率平衡、备用及网络潮流等系统约束，对调度周期内机组启停和出力计划进行合理安排。
[0041]
具体地，该火电机组特性约束包括：
[0042]
1)机组出力上下限约束。当机组运行状态时，火电机组该时段出力也为0；当时，火电机组各时段出力均应介于最大、最小出力范围之间。
[0043][0044]
式中，和为机组i有功出力的最小值和最大值。
[0045]
2)机组爬坡/滑坡约束。机组出力在相邻时段内存在一定限制，不得随意变化，机组在向上、向下爬坡时应满足其爬坡/滑坡速率要求。
[0046][0047]
式中，和分别表示火电机组i的爬坡/滑坡的最大能力。
[0048]
3)机组最小启停时间约束。机组启动后需开机一段时间后才能停机，对应最小连续运行时间；机组停机则需关机一段时间后才能再次启动，对应最小连续停运时间。
[0049][0050][0051]
式中，和ti为机组i在最小连续运行时间和最小连续停运时间，τ表示时段。以最小连续运行时间约束举例来说，当t＝6，且而时，也就是机组i在时段6由停机状态切换为开机状态，若其最小开机时间为5个时段，则根据最小连续运行时间约束，该机组必须至少在6、7、8、9、10这五个时段内保持开机状态。由式(4)可知τ∈[7,10)，
又因为为0-1整数变量，所以其只能取1，加上则满足了机组的最小连续运行时间的要求。同理可对最小连续停运时间进行说明。
[0052]
该梯级水电特性约束包括：
[0053]
1)水电站出力约束。梯级水电站出力应介于其最大和最小出力之间。
[0054][0055]
式中，为电站j时段t的有功出力，和分别为电站的出力上下限。
[0056]
2)水电站出力与机组出力关系。电站j的出力等于该电站内所有水电机组出力总和。
[0057][0058]
式中，为电站j的水电机组h时段t的有功出力。
[0059]
3)水电站库容约束。梯级水电站的容积在任意时段内均应在安全区间内变化，以保证流域上下游水电站的正常运转。具体表示如下：
[0060][0061]
式中，为电站j容积的上下限，表示水电站j时段t的库容值。
[0062]
4)水电站发电流量约束。
[0063][0064]
式中，分别表示电站j发电流量的上下限，为电站j时段t的发电流量。
[0065]
5)水电站出力表达式。
[0066][0067]
式中，αj表示水电站j的流量—功率转换系数，表示将流量转换为出力的能力，该值可利用水电站的历史出力数据和历史发电流量数据拟合得出。
[0068]
6)弃水量约束。当梯级水电站某时刻库容超过其库容上限值时，会出现弃水现象。该水量无法用于发电，称为弃水量。
[0069][0070]
式中，表示梯级水电厂j在时段t的弃水流量,表示梯级水电厂j在时段t的弃水流量,。
[0071]
7)库容平衡约束。梯级电站上下游间存在复杂耦合特性，具体可描述如下：
[0072][0073]
式中，为电站j时段t的天然来水。
[0074]
8)水电站振动区约束。水电站在发电过程中，若出现出力不合理的情况，会导致水
轮机组振摆过大，影响水电机组的安全运行和使用寿命。
[0075][0076]
式中，和分别表示电站j稳定运行区k的出力下限和上限。
[0077]
该系统约束包括：
[0078]
1)系统功率平衡约束。系统各时段所有机组有功出力之和恒等于负荷，以确保电力系统的稳定运行。
[0079][0080]
式中，为系统时段t的负荷。
[0081]
2)系统备用约束。系统的备用容量由开机的机组提供，用以抑制负荷预测偏差等不确定因素带来的系统供需不平衡的波动。在任意优化时段所有机组提供的备用应满足系统的备用需求。
[0082][0083]
式中，m为梯级水电站总数，ηt表示系统在时段t的备用容量需求。
[0084]
3)线路潮流约束。系统各时段流经线路的有功功率是有限度的，不能够超出设置的上下限。
[0085][0086]
式中，p
tm,n
为时段t流经初始节点m与终止节点n构成线路的有功功率，为初始节点m与终止节点n构成线路的有功功率的上限值。
[0087]
通过分段线性化的方法处理式(1)中火电运行成本函数，再引入整数变量可将机组组合振动区约束(13)线性化，可将式(1)-(16)所示机组组合问题转换成混合整数线性规划问题进行求解。但稳定运行区约束(13)直接线性化过程中剥离了振动区信息，优化过程中会因为振动区信息丢失而出现以偏概全的结果，导致求解出现偏差；此外直接线性化求解时对数据依赖性较强，当模型无法收敛时需耗费长时间的人工干预水电出力计划进行调整。因此，本实施例提出一种兼顾水电稳定运行区与振动区信息的振动区约束表示方法，以保证问题求解过程中振动区约束的完整，有利于提高求解精度。
[0088]
梯级水电站振动区本质上是非线性约束，通过构建电站出力的多项式函数，采用根轴法确定每段由相邻的根为端点的取值区间函数的正负性，可以模拟水电站复杂振动区特性约束。假设某梯级水电站j振动区数目为s，和分别为该电站的出力上下限，和对应该水电站振动区l的上下限输出功率，其振动区约束具体表示如下：
[0089]
1)数据标示与取值区间生成
[0090]
将电站j出力及其各振动区上下限值在数轴上依次标示，以相邻两数为端点确定取值区间个数并生成取值区间表。例如，若电站j出力及其各振动区上下限值均不一致，其
数轴标示图及取值区间表可如图2所示。
[0091]
表1取值区间表
[0092][0093][0094]
2)取值区间内多项式函数正负性判断
[0095]
在生成取值区间表之后，根据取值区间的端点构建水电站出力的多项式函数，然后利用根轴法判断多项式函数在取值区间内的正负性，基于此模拟水电站的振动区约束。根轴法判断函数的取值具体可分为以下4种情景。
[0096]
情景1：当电站j出力及其各振动区上下限值均不一致时，则有
[0097][0098]
当电站出力在内时，第一项因式为正，其余2s+1项因式均为负，即多项式函数在区间1取值为负数；当电站出力在内时，前两项因式为正，其余2s项因式均为负，即多项式函数在区间2取值为正数。
[0099][0100][0101]
以此可判断水电站出力函数在剩余取值区间内的正负性，则最终函数在各取值区间的正负性可如表2所示。
[0102]
表2情景1多项式函数正负性
[0103][0104]
情景2：当电站j出力下限值与其振动区1下限值一致时，则有
[0105][0106]
当电站出力在内时，第一项因式为正，其余2s项因式均为负，即多项式函数在区间1取值为正数；当电站出力在内时，前两项因式为正，其余2s-1项因式均为负，即多项式函数在区间2取值为负数。
[0107][0108][0109]
同理可判断水电站出力函数在剩余取值区间内的正负性，则最终函数在各取值区间的正负性可如表3所示。
[0110]
表3情景2多项式函数正负性
[0111][0112]
情景3：当电站j出力上限值与其振动区s上限值一致时，则有
[0113][0114]
当电站出力在内时，第一项因式为正，其余2s项因式均为负，即多项式函数在区间1取值为正数；当电站出力在内时，前两项因式为正，其余2s-1项因式均为负，即多项式函数在区间2取值为负数。
[0115][0116][0117]
类似地可判断水电站出力函数在剩余取值区间内的正负性，则最终函数在各取值区间的正负性可如表4所示。
[0118]
表4情景3多项式函数正负性
[0119][0120]
情景4：当电站j出力上下限值分别与其振动区1下限值、振动区s上限一致时，则有
[0121]
[0122]
当电站出力在内时，第一项因式为正，其余2s-1项因式均为负，即多项式函数在区间1取值为负数；当电站出力在内时，前两项因式为正，其余2s-2项因式均为负，即多项式函数在区间2取值为正数。
[0123][0124][0125]
以此类推可判断水电站出力函数在剩余取值区间内的正负性，则最终函数在各取值区间的正负性可如表5所示。
[0126]
表5情景4多项式函数正负性
[0127][0128]
3)振动区约束表示
[0129]
由2)可知电站出力的多项式函数在以振动区上下限值为端点的取值区间内恒为正数或者恒为负数。故电站j振动区约束可以表示为：
[0130][0131]
综上，任意水电站振动区约束均可采用电站出力的多项式函数来模拟，而多项式函数的构建及振动区约束的正负性与电站出力上下限、振动区数目和上下限值密切相关。
[0132]
经过上述处理后电站振动区约束均可用多项式函数取值，即非线性不等式约束来模拟。在进行含大规模复杂振动区的梯级水电-火电机组组合问题计算时，优化模型中存在数量众多的梯级电站振动区的非线性不等式约束，表达形式复杂，求解时会占用大量时间，甚至导致问题不收敛。因此，提高对非线性不等式约束处理的计算效率能够大大加快问题求解的收敛速度和时间。
[0133]
李兴斯等学者提出的凝聚函数法可以对优化问题中的非线性不等式约束做出集成处理，加快优化问题的计算速度，为求解本问题提供了一条新的解决途径。此外凝聚函数也广泛应用于结构优化问题，对后续处理含不规则振动区的机组组合问题亦有参考借鉴意义。
[0134]
凝聚函数法基本思想是利用最大熵原理推导出一个含有参数β的可微函数，将多个不等式约束转化为一个不等式约束。当参数β足够大时，新的优化问题可以看成与原优化问题等价。假设优化问题非线性不等式约束的个数为r,任意约束可表示为二次可微函数gu(16)和(43)代表的问题，式(43)包含多座水电站的稳定运行区与振动区的信息。
[0153][0154]
水电振动区“0-1-∞-1-0”变化特性
[0155]
通过观察式(43)，当电站出力介于可运行区内部时，其对应的凝聚函数指数分量趋于0；当电站出力介于可运行区边界时，其对应的凝聚函数指数分量趋于1，这两种情况下在β足够大时各电站出力均能满足式(43)。而当电站出力介于振动区内部时，其对应的凝聚函数指数分量趋于无穷大，不能满足式(43)。
[0156][0157][0158][0159]“0-1-∞-1-0”变化特性证明
[0160]
由上述可知，电站振动区约束在凝聚前被统一表征为是电站出力的多项式函数，与电站出力上下限、振动区数目和上下限值存在重要联系。水电振动区变化特性的证明具体也可分为4个情景，本节以情景1为例进行详细说明，当电站j出力及其各振动区上下限值均不一致时，则有：
[0161][0162][0163][0164][0165]
式(47)-(50)为情景1水电振动区变化特性的证明过程，其余3种情景同理可证。
[0166]
基于上述的水电振动区阶跃变化特性，引入一组类阶跃函数去逼近水电站对应的凝聚函数分量。其中类阶跃函数的表达式如下：
[0167][0168][0169]
式中，为电站j的出力，ωj表示电站j的稳定运行区，包括可运行区内部及其边界。对各电站的凝聚函数分量均采用一组类阶跃函数进行近似，则原来耦合指数对数的高位非线性凝聚函数可用图3所示的多组类阶跃函数代替，从而实现对凝聚函数的简化。
[0170]
这样式(43)可转化成(53)。
[0171][0172]
对凝聚函数约束进行处理后，原来带凝聚函数的优化问题可转化为等价优化问题(54)。问题(54)的目标函数f(x)与原有线性约束条件g
yuan
(x)不变，凝聚函数约束g(x)被多段的阶跃函数φ(x)代替。
[0173][0174]
求解问题(54)时在目标函数中引入自适应因子ε，在原有约束g
yuan
(x)不变的前提下将多组阶跃函数约束置于目标函数，重新生成类无约束新问题(55)。问题(55)求解过程同时兼顾了振动区约束的稳定运行区与振动区信息，当自适应因子ε足够大时，为保证目标最小，各类阶跃函数各优化时段均恒等于0，也就是说寻优过程中保证电站出力运行在稳定运行区，保证新问题(55)与问题(54)等价。
[0175]
[0176][0177]
综上，本发明与现有技术相比，具有如下技术优势：
[0178]
(1)建立考虑复杂振动区特性的梯级水电－火电系统机组组合模型，有效避免水电因灵活调峰运行在振动区而引起的电力系统安全性差、运行效益低等问题，对于保障电网安全、稳定、经济运行具有重要意义。
[0179]
(2)提出一种新的振动区表示方法，兼顾水电稳定运行区与振动区信息，防止优化过程中会因为振动区信息的丢失而导致求解结果出现偏差，提高求解精度。
[0180]
(3)算法实现过程中基于水电“0-1-∞-1-0”阶跃变化的规律，采用多组类阶跃函数去逼近高维非线性的凝聚函数，实现凝聚函数的简化；提供了解决凝聚函数问题的一种新的解决思路，避免传统数值方法引入大规模的松弛变量、乘子系数等导致的维数灾问题，提高求解效率，降低了计算机运算功耗。
[0181]
(4)求解过程中目标函数引入自适应因子ε，松弛多组类阶跃函数，将原来的复杂非线性问题转化成混合整数线性规划问题，提高问题求解效率。此外，在模型无法收敛时可通过调整自适应因子ε得到一组松弛解。
[0182]
实施例2：
[0183]
参阅图4所示，本实施例提供了种提高电网效益和电力系统稳定运行的装置，包括：
[0184]
输入模块401，用于输入参数，以构建机组组合目标函数以及梯级水电火电及系统约束；
[0185]
模型模块402，用于建立梯级水电火电考虑复杂振动区的机组组合模型，并对模型进行求解；
[0186]
应用模块403，用于接收求解结果，以根据求解结果来应用至电力系统来减少火电机组的出力波动和启停次数。
[0187]
上述各个模块的作用原理和实施例1的步骤101-103相对应，在本实施例中就不再赘述。
[0188]
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。