电网安全节能发电日前调度优化模型及算法
电网安全节能发电日前调度优化模型及算法
陈之栩1 , 谢 开1 , 张 晶1 , 杨争林2 , 刘 军1 , 汪 鸿1
(1. 华北电网有限公司电力调度通信中心 , 北京市 100053 ; 2. 国电南瑞科技股份有限公司 , 江苏省南京市 210061)
摘要 : 华北电网安全节能发电调度辅助决策系统中的日前调度模块实现了机组组合和安全约束经
济调度两大功能 ,制定日发电计划既符合各种安全约束又满足各类辅助服务需求。采用同一个优
化模型 ,通过修改输入信息实现节能发电调度、电量进度发电调度、成本调度、市场竞争等多种调度
模式。引入 violation 和 violation penalty weights 两类参数 ,确保优化模型始终有解 ,满足工程实
际应用的要求。采用同时可行性测试与优化计算相迭代的方法缩短了计算时间。日前调度模型为
混合整数规划模型 ,采用分支定界法进行求解。为了精确校核日前调度结果 ,该系统开发了研究态
全网络多时段安全校核功能 ,选择多个时间节点对日前调度结果进行精确的交流潮流校核 ,确保日
前调度结果满足安全运行要求。
关键词 : 安全约束机组组合 ; 安全约束经济调度 ; 混合整数规划 ; 分支定界法
中图分类号 : TM732
收稿日期 : 2008204215 ; 修回日期 : 2008209220。
0 引言
日前调度的相关技术支持系统广泛应用于各区
域电网[1 ] 、省网。华北电网安全节能发电调度日前
调 度 功 能 的 核 心 算 法 就 是 安 全 约 束 机 组 组 合
(SCUC) 。本系统包含 SCUC 和安全约束经济调度
(SCED) 两大功能 ,既优化机组组合又完成机组的
经济调度 ,并满足各种安全约束和各类辅助服务需
求。本系统的日前调度可实现节能发电调度、电量
进度发电调度、成本调度、市场竞争[2 ] 等调度模式。
SCUC 属于包含整数的优化问题[3 ] ,该问题的
研究最早可追溯到 20 世纪 40 年代 ,有多种求解方
法 ,如优先顺序法[4 ] 、动态规划法[5 ] 、拉格朗日松弛
法[6 ] 、遗传算法[728 ] 等。优先顺序法属于依靠直观判
断或调度经验寻找最优解 ,该方法没有严格的理论
依据 ,但计算速度快 ,至少能够给出一个次优解 ;动
态规划法是解决多时段决策过程最优化的一种数学
方法 ,通过枚举各种可能的组合状态寻找最优解 ,但
随着时段和机组个数的增加 ,该方法会出现维数灾 ;
拉格朗日松弛法是求解优化问题的常用算法 ,可解
决含整数变量的机组组合问题[9 ] ,但该方法较为复
杂 ,迭代过程中可能会出现振荡 ;遗传算法等一些智
能优化算法虽然计算鲁棒性较好 ,但是优化过程不
透明 ,工程应用中不利于优化结果的解释。
华北电网安全节能发电调度辅助决策系统采用
混合整数规划[10 ] 建立 SCUC 模型 ,通过分支定界法
求解 SCUC 模型。为保证算法的工程实用性 ,在建
立优 化 模 型 时 进 行 了 适 当 的 工 程 处 理 , 引 入
violation 和 violation penalty weights 两类参数 ,确
保优化模型始终有解。目标函数构造方面 ,本系统
由费用和约束惩罚 2 部分组成。
1 日前调度功能
日前调度模块考虑电力电量平衡、发电设备安
全约束、输电网络安全约束、辅助服务需求等多种约
束条件 ,编制以 15 min 为时间间隔的日发电计划和
辅助服务计划。通过调整优化目标系数和 violation
penalty weights ,日前调度模块能够支持节能发电
调度、电量进度发电调度、成本调度、市场竞争等多
种日前计划编制模式[10 ] 。
2 日前调度优化模型
日前调度优化模型对电力系统进行了合理的简
化 ,通过建立、求解线性混合整数规划模型[11] 来实
现日前调度功能。
2. 1 本系统日前调度优化模型
日前调度模块在不改变优化模型的前提下 ,通
过改变部分参数就可以实现多种调度模式。
min ∑i , t
Ci, t y i, t P i, t + Ca
i , t y i , t Pa
i, t + Cu
i, t U i + W i, t V i, t
(1)
s. t . ∑i
P i, t + V p, t ≥ Pd, t (2)
∑i
Pa
i, t + V a
t ≥ Pa
t (3)
—01—
第 33 卷 第 1 期
2009 年 1 月 10 日
Vol. 33 No. 1
Jan. 10 , 2009
∑i
S i, l ( Pi, t + Pa
i, t ) - V l , t ≤ Pl ,max (4)
1
4 ∑t
P i, t + V w ≥W i (5)
- y i, t ri, t ≤ yi, t ( Pi, t + Pa
i, t - Pi , t- 1 ) ≤yi , t r i, t
(6)
yi, t P i ,min ≤ yi , t ( Pi, t + Pa
i , t ) ≤y i, t P i, max (7)
yi, t Pa
i ,min ≤ yi , t Pa
i, t ≤y i, t Pa
i, t ,max (8)
V i, t ≥0 (9)
式中 : Pi , t 为机组 i 有功; Ci , t 为机组 i 单位有功对应
的系数 ,不同含义的系数可以实现不同的调度模式;
Pa
i , t 为机组 i 提供辅助服务; Ca
i, t 为机组 i 提供单位辅
助服务的系数;U i 为机组启动变量 ,为 0 ,1 变量 ,机
组启动时为 1 ,其余状态为 0 ; Cu
i, t 为机组启动的费用
或成本;V i , t 为 V p, t ,V a
t ,V l , t ,V w 的集合。式 (2) 表示
t 时段电力平衡。式(3) 表示 t 时段辅助服务满足需
求。式(4) 表示各元件不过载 , S i, l 为机组 i 对元件 l
的灵敏度系数。式 (5) 表示机组 i 全天电量之和不
低于分解到日的合同电量。V p, t , V a
t , V l , t , V w 分别
代表功率平衡约束、辅助服务需求约束、元件过载约
束、合同电量约束的 violation 项 ,当这些变量大于 0
时表明对应的约束条件被突破。式 (6) 、式 (7) 分别
表示提供主能量和辅助服务需求后满足机组爬坡约
束、最大最小技术出力。式(8) 表示机组提供的辅助
服务满足其辅助服务提供能力。
2. 2 violation 和 violation penalty weights
传统的优化模型由优化变量、目标函数、约束条
件 3 部分组成。其基本形如下式所示 :
min CX (10)
s. t. BX ≥A (11)
X ≥0 (12)
式中 : X 为优化列向量 ; B , C ,A 分别为对应的系数
矩阵、系数行向量和列向量。
在工程实践中 ,该优化模型可能无解 ,原因在于
约束条件之间存在矛盾。例如日前调度优化模型
中 ,满足某地区负荷需求 ,就会造成某些元件过载 ,
2 个约束条件无法同时满足 ,此时应用式 (10) ～式
(12) 的优化模型计算无法收敛。
为解 决 该 问 题 , 本 系 统 引 入 violation 和
violation penalty weights 两类参数 ,方法如下 ,在约
束中加入 violation 项 ,作为优化变量 ,将 violation
与 violation penalty weights 相乘加入到目标函数
中 ,violation penalty weights 是远大于 Ci 的常数 :
min CX + WV (13)
s. t. BX + V ≥A (14)
X ≥0 (15)
V ≥0 (16)
当 式 ( 11) 中 的 约 束 条 件 不 发 生 矛 盾 , 即
式(10) ～式(12) 有解时 ,由于 W i 远大于 Ci ,因此 V i
被优化为 0 , 此时式 (10) ～ 式 (12) 与式 (13) ～
式(16) 完全等价。当式(11) 中部分约束条件相互矛
盾 ,在式(10) ～式(12) 的优化模型中无法同时满足
时 ,可以通过变量 V 保证式 (14) 中的约束条件得以
满足。对应到式(11) 中即为相互矛盾的约束条件 ,
部分得以满足 ,部分被突破 ,V i 所对应的 W i 越大 ,
该约束越不容易被突破。
相对式(11) 而言 ,式 (14) 中约束条件都可以被
突破 ,被突破的约束产生大于 0 的 V i , 因此目标函
数中感受到一个较大的整数 W i V i , W i 越大 ,对应的
约束条件越不容易被突破。正是 violation 的加入 ,
保证了式(13) ～式 (16) 永远有解 ,violation penalty
weights 的加入为约束条件被突破的可能性分了等
级 ,violation penalty weights 越大对应的约束条件
越不容易被突破。由此而建立的优化模型既保证工
程实用性 ,又符合客观实际性。
2. 3 多种调度模式的实现
通过系数 C 和权重 W ,该优化模型可以实现多
种调度模式。Cit 取煤耗曲线时 ,就实现了节能发电
调度 ,此时目标函数含义为耗煤量最小。将煤耗曲
线乘以煤价就实现了成本调度。如果用报价曲线替
代 Cit ,目标函数则转变为社会福利最大化 , 此时的
优化模型可以实现市场竞争调度 ,并能计算出节点
边际电价[12 ] 。如果将所有机组的 Cit 取相同的曲
线 ,优化过程则忽略机组之间的费用差异 ,电量进度
约束起主要作用 ,此时的优化模型代表电量进度调
度模式。同理 ,对辅助服务的系数 C 取不同含义的
数值 ,该模型同样可以实现不同的优化含义 ,如考虑
报价辅助服务优化、成本的辅助服务优化、节能的辅
助服务优化等。
日前调度模块所采用的模型是基于准交流潮流
模型(改进直流潮流模型加相应的补偿) ,无法精确
考虑无功影响。为了精确校核日前调度结果 ,本系
统开发了研究态全网络多时段安全校核功能。该功
能可以选择多个时间节点对日前调度结果进行精确
的交流潮流校核 ,确保日前调度结果满足安全运行
要求。
3 功能流程说明
以上介绍本系统所采用的 SCUC 模型 ,以及将
其工程实用化的方法。本节从工程应用的角度介绍
日前调度、研究态全网络多时段安全校核。
日前调度功能需要的数据有 :全天 96 点的负荷
—11—
·学术研究 · 陈之栩 ,等 电网安全节能发电日前调度优化模型及算法
预测以及 96 点辅助服务需求 ,次日检修计划 ,96 点
联络线计划 ,固定出力安排 (如某些机组因实验要
求 ,需要在某一时间段内执行一条固定出力曲线 ,因
而不参与优化) ,机组性能下降信息 (如由于煤质下
降或辅机设备缺陷造成机组最大技术出力下降、最
小技术出力上升、爬坡速率下降等信息) 。根据以上
信息优化机组出力及辅助服务需求。
为了加快计算速度 ,日前调度采用 SCUC +
SF T(同时可行性测试) + SCUC 的流程。首先指定
几个显著的阻塞断面作为支路约束条件进行第 1 次
SCUC 优化。根据优化结果运行 SFT 扫描。SF T
的作用是进行潮流计算 ,根据计算结果判定哪些支
路越限 ,将新发现的越限支路作为约束条件添加到
SCUC 模型中 ,进行第 2 次优化。根据工程实际应
用情况一般进行一次 SF T 计算就可以捕捉到绝大
多数阻塞线路。这样既减少了 SCUC 模型的维度、
缩短了计算时间 ,又保证优化结果可以被工程应用
接受。根据网络的实际情况也可以采用 SF T 与
SCUC 多次迭代的流程。流程如图 1 所示。
图 1 日前调度流程
Fig. 1 Flow chart for day2ahead dispatch
为确保日前调度结果无安全隐患 ,采用研究态
全网络多时段安全校核对日前调度结果进行分析。
将日前调度结果作为输入量 ,计算多时段全网络交
流潮流 ,网损不平衡量由自动发电控制 (A GC) 机组
承担。校核结果可显示网络越限情况 ,并提醒调度
人员。根据越限提示 ,调度人员调整部分机组计划 ,
以确保发电计划结果满足电网安全运行。
4 算例
以节能调度和电量进度发电调度为例说明日前
调度功能。系统负荷预测、辅助服务需求见图 2。
图 2 负荷预测及辅助服务需求
Fig. 2 Load forecast and auxiliary service demand
在相同的拓扑结构下 ,分别应用节能发电调度
和电量进度发电调度安排次日发电计划。选取
600 MW机组 a 和 200 MW 机组 b 的结果进行分析
比较。表 1 为 5 个点的煤耗微增率。
表 1 机组 a 和 b 的煤耗微增率
Table 1 Unit heat rates for generation a and b
功率段 功率/ MW
a b
煤耗/ ( GJ ·MW - 1)
a b
1 300 100 8. 160 9. 601
2 375 125 8. 474 9. 970
3 450 150 8. 788 10. 339
4 525 175 9. 102 10. 708
5 600 200 8. 416 11. 078
图 3 为节能调度下机组 a ,b 的日前调度结果。
由于机组 a 容量大、效率高、煤耗微增率低 ,因此在
次日发电计划中几乎满发 ,机组 b 容量小、效率低、
煤耗微增率高 ,全天几乎压机组下限运行。
图 3 机组 a ,b 节能调度下日前发电曲线
Fig. 3 Conservation dispatch schedule for
generation a and b
—21—
2009 , 33 (1)
图 4 为电量进度调度下机组 a ,b 的日前调度结
果。在电量进度调度模式下 ,机组煤耗曲线相同 ,全
天电量按照负荷曲线的形状分配到各机组上 ,以此
保证各机组以相同的发电进度完成计划电量。
图 4 机组 a ,b 电量进度调度下日前发电曲线
Fig. 4 Planning energy dispatch for generation a and b
图 5 为电厂 c 的机组组合结果(在 0 :00 所有机
组均处于开机状态) ,该厂拥有 3 台 60 MW 机组 ,
机组煤耗微增率偏高。在下半夜负荷低谷的情况下
3 台机组均被优化停机。
图 5 电厂 c 的机组组合结果
Fig. 5 Unit commitment result for plant c
5 结语
华北电网安全节能发电调度辅助决策系统中的
日前调度功能实现了 SCUC 在大电网多机组电力
系统中的实际应用。本系统突破传统优化的建模方
法 ,将目标费用与约束惩罚项有机结合后作为目标
函数。所有的约束条件均为软约束 ,可以突破 ,由此
保证了计算收敛。研究态全网络多时段安全校核功
能确保日前调度结果满足安全运行要求。该系统为
调度人员提供了多种优化目标的调度手段 ,实现了
节能发电调度、电量进度发电调度、成本调度 ,同时
为将来市场竞争、采用节点边际电价定价体系提供
了技术支持和保障。
参 考 文 献
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朱韬析 (1980 —) ,通信作者 ,男 ,硕士 ,工程师 ,主要研究
方向 :直流输电运行维护。E2mail : taoxi - zhu @hotmail.
com
武 诚 (1982 —) ,男 ,博士研究生 ,主要研究方向 :电力
系统稳定。E2mail : wuc @zju. edu. cn
王 超 (1981 —) ,男 ,博士 ,主要研究方向 :电网经济运
行与调度。E2mail : wangchao @zju. edu. cn
Influence of AC System Fault on HVDC System and Improvement Suggestions
Z HU Taoxi1 , WU Cheng2 , W A N G Chao3
(1. China Southern Power Grid Guangzhou EHV Bureau , Guangzhou 510405 , China ;
2. Zhejiang University , Hangzhou 310027 , China ;
3. Zhejiang Electric Power Dispatch and Communication Center , Hangzhou 310007 , China)
Abstract : Interaction of AC and DC system in long2distance , high2capacity , ultra2high voltage AC/ DC hybrid system is very
complicated. Based on the analysis of operational examples in China Southern Power Grid , the effects of DC control system
during AC system fault are discussed first. Then some functions that maybe misoperate during the AC system fault , including
the DC protection and monitoring function , converter transformers protection and auxiliary transformers , are analyzed. The
improvement suggestions are given , which are not only valuable for improving the operation and maintenance capability and
insuring the safe and reliable operation of HVDC system , but also provide useful reference to the design of HVDC transmission
projects and the cooperation of AC/ DC system in China in the future.
Key words : AC/ DC hybrid system ; AC system fault ; DC protection and monitoring function ; converter transformer protection ;
auxiliary power system
(上接第 13 页 continued from page 13)
[11] The ILO G CPL EX website [ EB/ OL ]. [ 2008204204 ]. http :/ /
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陈之栩 (1978 —) ,男 ,通信作者 ,博士 ,主要研究方向 :电
力市场、经济调度、电力系统优化。E2mail : Chen - zhixu @
126. com
谢 开 (1971 —) ,男 ,博士 ,主要研究方向 :电力市场、经
济调度、电网调度运行管理。
张 晶 (1970 —) ,男 ,硕士 ,主要研究方向 :电力市场、经
济调度、继电保护、电网调度运行管理。
Optimal Model and Algorithm for Day2ahead Generation Scheduling of Transmission Grid Security
Constrained Convention Dispatch
C H EN Zhi x u1 , X I E Kai1 , Z HA N G J ing1 , YA N G Zhenglin2 , L IU J un1 , W A N G Hong1
(1. North China Grid Company Limited Power Dispatch Communication Center , Beijing 100053 , China ;
2. NARI Technology Development Co. Ltd. , Nanjing 210061 , China)
Abstract : The day2ahead generation scheduling module of North China Power Grid security constrained convention dispatch
auxiliary decision2making system achieves two major functionalities , unit commitment and security constrained economic
dispatch. The optimized result of unit dispatch schedule satisfies the security constraints and auxiliary service requirements.
Based on the same optimisation model , different dispatch modes can be realized by different input data , such as the energy2
saving generation dispatch , generation scheduling dispatch , cost dispatch , and market competition/ clearing dispatch. The
violation and violation penalty weights are introduced to guarantee convergence and satisfy the actual engineering application
requirements. The computation time is reduced by the iteration of the simultaneous feasibility test and optimisation
computation. The optimisation model of day2ahead generation scheduling belongs to mixed2integer programming and the
branch2and2bound algorithm is adopted to solve it. To accurately check the day2ahead dispatch results , the study2state whole2
network multi2timepoint security check function is developed to ensure the scheduling result meets the power system security
requirements.
Key words : security constrained unit commitment ; security constrained economic dispatch ; mixed2integer programming ;
branch2and2bound algorithm
—89—
2009 , 33 (1)
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