能量管理系统_EMS_第6讲发电计划_1_火电计划和机组经济组合

技术讲座 于尔铿等 能量管理系统 ( EM S) : 第6讲 发电计划 ( 1) ——火电计划和机组经济组合
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6121113 固定出力机组
这一类机组不参加经济负荷分配, 按规定的计 划曲线发电。 固定出力机组包括地区自备电厂和水电厂, 其 发电曲线可以人工给出, 而水电厂的发电曲线也可 由水电计划自动计算出来。 6121114 机组发电经济特性 机组发电经济特性包括: 耗热微增率曲线、 网损 罚因子、 锅炉效率、 燃料发热量、 燃料价格和运行维 护费等。 机组耗热微增率曲线以多段折线形式给出。 它 在最小出力到最大出力之间要求单调上升。 另外还 要给出零出力点的耗热量。 某一出力水平的耗热量 等于第1 点的耗热量加上沿曲线到此出力点的积分 面积。 网损微增率由对应潮流计算出来。 它反映本机 组增加单位出力时, 系统网损的增加量。 61212 经济调度算法 6121211 发电—输电协调方程式 经济调度的目标函数是总的发电费用最少:
机组组合 Κ Κ 水电计划 Κ 交换计划 Κ 燃料计划 网损修正 发电计划 潮流计算 火电计划 机组计划 发电计划 实况 负荷 负荷预测 发电控制
水电计划
交换计划
燃料计划
Fig . 1
图1 发电计划与其它应用软件的关系 The in terface of generation schedulin g w ith other application softwares
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电 力 系 统 自 动 化 1997 年 6 月 第 21 卷 第 6 期 A u tom a tion of E lectric Pow er System s
能量管理系统 ( EM S)
第6讲 发电计划 ( 1) ——火电计划和机组经济组合
于尔铿 周京阳
( 电力科学研究院 100085 北京)
摘 要 介绍能量管理系统 ( EM S ) 发电计划类应用软件的总体构成, 各应用之间的关系, 以及发 电计划类应用软件中的火电计划、 机组经济组合。 关键词 发电计划 火电计划 机组经济组合 发电计划的周期可分为: 超短期、 短期、 中期和 长期。 超短期指的是实时发电控制 (A GC ) , 其动作 周期是秒或分钟级; 短期计划指的是日或周的计划, 这也是本讲讨论的主要内容; 中期指的是月至年的 计划与修正, 包括: 负荷预测、 来水预测、 检修计划、 水库调度计划、 燃料计划与交换计划等; 长期计划指 的是数年至数十年的计划, 包括电源发展规划和网 络发展规划等。 短期发电计划包括: 火电计划、 机组组合、 水电 计划、 交换计划、 燃料计划和检修计划等。 本讲介绍 发电计划的总体组成、 火电计划和机组组合。 611 发电计划总体组成 发电计划总体组成示于图1。
T M m, t
约束条件是系统功率平衡条件:
∑∑[ f
t= 1 m = 1
(P m , tS m , t ) + f
s, m , t
(S m , tS m , t ′ ) ] → m in ( 5)
∑P
m= 1
- PD - PL = 0
( 2)
式中 F 为火电系统总发电费用; F m 为机组 m 的发 电 费用, 是其发电有功功率的函数; P m 为机 组 m 的发电有功功率 (m = 1, 2, …, M 是机 组序号, M 为机组总数) ; P D 为火电系统负荷 ( 扣除水电和交换功率) ; P L 为网损。 在 ( 2) 式的等式约束中引入拉格朗日条件乘子 , 将其加入到 ( 1) 式形成无约束目标函数: Κ
发电计划内容较多: 火电、 水电、 机组、 交换和燃 料等, 总体优化的技术难度大。 实际采用的是大系统 分解协调原理, 逐项轮流计算。 即在规定的条件下使 周期内各时段的系统发电费用最小。 火电计划不仅是协调整个发电计划的核心, 而 且也是与其它应用软件联系的核心。 负荷预测向发 电计划提供系统负荷曲线, 某些情况下还需要提供 短期水文预测以确定迳流式水电站或小水电群的出
停机计划。 如 果考虑机组启动费用是停机时间的函数, 则 问题复杂得多。 因为同一时段相同的机组开停状态 之中增加了不同停机时间的差别, 又构成了许多新 的状态。 如果假设可启停的机组数为 t, 优先次序法 的 状态数为 t T , 启动费用为常数的动态规划法的 状态数为 2 t T , 启动费用为变数的动态规划法的状 态 数为 2 t T。 若仅有 10 台机启停, 计算 24 时段的组 合问题, 完整动态规划的状态数达 2240 , 这就是 “状 态数爆炸” 问题。 因此, 用动态规划处理机组经济组 合问题的技术关键是如何减少状态数而又不丢失最 优解。 对此曾提出很多限制状态数的方法, 却没有一 种是严格的。 比较成功的方法是结合优先级法的动 态规划法。 先用优先级法确定一个初始组合, 再以此为中 心在优先级表上向上下扩大一定的范围 ( 例如2 ～3 台机组) , 形成一个带状的组合选择区, 在此区内应 用动态规划确定机组最优组合。 根据启动费用大小 确定带宽, 启动费用大的机组应采用较大的带宽, 但 不可超过计算能力。 我国大部分电力系统采用平均运行费用的优先 级法能够得到接近于最优的启停计划。 在此基础上 用动态规划法考虑启动费用的时变过程, 可以取得 更优的机组启停计划, 而又不至于付出过大的计算 代价。
M M
F′ =
∑
m= 1
F m (P m ) -
Κ( ∑P m - P D - P L ) → m in
m= 1
( 3) 使 ( 3) 式达到极值的条件是满足 ( 2) 式条件和对 各 P m 和 Κ的偏导数为零: 5F m 5P L - Κ1= 0 m = 1, 2, …, M 5P m 5P m ( 4) 这就是经典的发电与输电的协调方程式。 式中 的功率平衡条件乘子 Κ随着负荷的大小而变化, 它 表示系统等值发电 ( 和输电) 费用微增率, 即每增加 单位负荷系统发电 ( 和输电) 费用的增加量。 6121212 协调方程式的一维线性插值算法 ( 4) 式和 ( 2) 式是 (M + 1) 维非线性方程组, 可 以采用牛顿内插法调整 Κ , 使机组出力之和满足系
1997- 04- 17收稿。
力; 发电计划向自动发电控制 (A GC ) 提供基点功率 值, 由发电控制取得实际机组开停状态; 发电计划向 潮流提供计划 ( 包括水电、 机组、 交换功率等) , 使潮 流可随时间改变机组出力, 潮流向发电计划提供网 损修正系数 ( 或 B 系数) , 并校验支路过负荷。 612 火电计划 火电计划是能量管理系统 (EM S ) 中发电级的 核心应用软件, 对电力系统经济调度起着关键作用。 在已知系统负荷、 机组组合、 水电计划、 交换计 划、 备用监视计划、 机组经济特性、 网络损失特性和 运行限制等条件下编制火电机组发电计划, 使整个 系统发电费用为最低。 发电计划有两种应用方式: 一 是编制次日24 h ( 或周168 h ) 的发电计划; 二是编制 指定时刻的发电计划 ( 作为模块使用) 。 61211 机组模型 按调度关系将机组分为: 经济调度机组和固定 出力机组, 而经济调度机组又分为一般机组和等值 机组, 并将一般机组分为峰荷机组和非峰荷机组。 6121111 一般机组 机组的限值包括: 机组控制下限、 机组经济调度 下限、 机组经济调度上限、 机组控制上限、 机组当前 容量上限、 机组容量上限。 经济分配在经济调度的范 围内进行。 机组的备用特性: 它一般不影响经济负荷分配 过程, 但输出结果中应报告备用情况, 有时备用不满 足需重新分配出力甚至启停机组。 6121112 等值型机组 某些较小的母管式机组作为等值机处理。 它可 以定义不同组合的多条耗热微增率曲线, 机组启停 换不同的耗热微增率曲线和改变机组上下限来表 示。 也可以定义一条耗热微增率曲线, 其中机组启停 采用变化限值的方式来实现。 而周期内机组上限的 变化, 可由减出力计划实现。
式中 F 为电力系统周期 T 内总费用; F 0 为电力系 统周期 T 内总发电费用; F s 为电力系统周期 T 内总启动费用; P m , t 为机组 m 时段 t 发电功 率; S m , t 为机组 m 时段 t 的启停状态: S m , t = 1, 机组处在运行状态, S m , t = 0, 机组处在停 机状态; S m , t ′ 为机组 m 时段 t 保存的从前的 停 机过程: S m , t ′ = 0, 机组前一时段在运行, S m , t′ ≠ 0, 机组已停机的时段数; f m , t 为机组 m 时段 t 发电费用: 当 S m , t = 1 时, f m , t ≠ 0, 当 S m , t = 0 时, f m , t = 0; f s, m , t 为机组 m 时段 t 的 启动费用: 当 S m , t = 1, S m , t- 1 = 1 或 S m , t = 0 时, f s, m , t = 0, 即机组未出现启停变化, 当 S m , t = 1, S m , t- 1 = 0 时, f s, m , t ≠ 0, 即本时段开机, 其值与停机 S m , t ′ 有关。 约束条件: ( 1) 系统负荷与备用要求; ( 2) 机组可 用状态与容量限制; ( 3) 机组最短开机 ( 运行) 时间限 制; ( 4) 机组最短停机 ( 再开机) 时间限制; ( 5) 一个电 厂内在一个时段中最多启动的机组数限制。 61312 优先级法机组经济组合 机组经济组合的优先级法是最早提出的方法, 简单而实用。 优先级法的基本原理是按机组实际运行统计其 运行的平均费用 ( 包括平均发电费用和平均启动费
M
F =
M
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∑F
m= 1 m
m
( P m ) → m in
( 1)
统负荷 P D 。 可采用专门的逻辑来处理某些机组 ( 电厂) 的费 用微增率有垂直段或具有接近水平的线段。 613 机组经济组合 机组经济组合是在已知系统负荷预报、 水电计 划、 交换计划、 燃料计划、 网损修正、 机组减出力计划 和机组可用状态的情况下, 编制规定周期内电力系 统各机组的启停计划, 使总费用 ( 包括发电费用和启 动费用) 降至最低。 机组经济组合是每天 ( 或每周) 编制调度计划首 先要解决的问题, 而且它的经济效益一般大于负荷 经济分配的效益。 机组经济组合与火电计划直接相联系: 调用负 荷分配模块计算各种组合状态的发电费用; 通过火 电计划取得负荷预测、 水电计划、 交换计划、 机组状 态和网损修正数据, 并将机组启停计划返回给它们。 机组组合的实用算法是优先次序法和动态规划 法。 61311 机组经济组合的模型 机组经济组合的目标函数可设为: F = F0 + Fs =
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用) , 按大小顺序排队, 将必开机组排在最底行, 刚好 能满足系统负荷和备用要求的那一行以下的机组应 该开机, 那一行以上的机组应该停机。 这样使平均运 行费用低的机组在周期内多发电, 可以期望系统总 的运行费用降至最低。 优先级法的优点是计算量小但能取得大部分效 益; 其缺点是难以精确考虑随停机时间变化的启动 费用。 61313 动态规划法机组经济组合 优先级法是不相关地处理各时段的机组组合问 题, 很容易造成机组频繁启停。 动态规划把机组组合 问题看成按时间分段的多步决策过程, 即在整个周 期范围内确定机组启停过程, 寻找各时段间机组状 态的最优转移路径。 动态规划的决策过程分为两大步: 一是正序造 表, 二是逆序查表。 6131311 正序造表过程 (1) 列出各时段的组合状态, 按协调方程式计 算所有组合状态下的发电费用 ( 直接调用发电计划 模块) , 记在表中。 (2) 确定各时段各状态间的转移路径。 每一时 段的状态可能由前一时段的状态转移而来, 而累计 运行费和转移费不同, 取其中费用最低的为转移路 径。 将前一时段累计运行费加上转移费, 再加上本时 段发电费作为本时段的累计运行费。 按时序对所有 状态计算转移路径和累计运行费, 并记在对应的表 中, 即完成正序造表过程。 6131312 逆序查表过程 从最后时段开始, 寻找全周期累计运行费最低 的状态, 根据它记录的路径找到前一时段的状态, 继 续查表可返回到第一时段的状态。 这样得到最优开