一種發電生產模擬模型的制作方法

一種發電生產模擬模型的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種發電生產模擬模型，包括依次配合設置的運行模擬基本流程子模型、模型說明子模型、計算模塊和過程子模型、機組組合子模型、經濟調度子模型、以及輔助問題處理子模型。本發明所述發電生產模擬模型，可以克服現有技術中計算量大、適用范圍小和模擬效果差等缺陷，以實現計算量小、適用范圍大和模擬效果好的優點。
【專利說明】一種發電生產模擬模型

【技術領域】
[0001] 本發明涉及電力節能【技術領域】，具體地，涉及一種發電生產模擬模型。

【背景技術】
[0002] 電力系統運行模擬歸納起來可分為確定型和不確定型兩種模型。確定型模型在時 序負荷曲線下，首先按照機組類型，安排非火電機組在負荷中承擔的位置，之后再對火電機 組進行經濟出力分配。不確定模型又可劃分為隨機性和概率性。隨機性不確定模型是直 接在時序負荷曲線下進行生產模擬計算，主要方法有：Monte carlo和Markov法；概率性 模型是在等效負荷持續曲線下進行生產模擬計算，主要方法有分段直線逼近法、分塊法、等 效電量函數法、累積量法、正態混合近似法。對于確定型和不確定型生產模擬，各有其優缺 點：確定型生產模擬可以考慮和時間、空間相關的一些約束條件，比如機組啟停、調峰問題、 電網約束等，然而確定型模型僅用一定的系統的備用容量摸擬機組的事故，對電力系統的 可靠性分析缺乏深度；不確定型生產模擬彌補了確定型模擬的不足，然而又存在如下缺點： 在時序負荷曲線下進行生產模擬計算由于計算量太大而失去其適應性，在基于等效負荷持 續曲線的模擬對于系統調峰狀況缺乏考慮等問題。不難發現這兩種生產模擬在一定程度上 來說是互補的。
[0003] 電網公司每年都會統一進行理論線損的計算，即根據歷史的潮流和損耗的信息的 分析，統計出一段時間（年）內全網的線損量，以及損耗率。其中，歷史信息是通過自動化 系統（SCADA)采集，并存儲在數據庫中，可以方便的查詢、檢索和統計。并不需要對發電、用 電以及潮流變化規律的把握，相對簡單且容易實現。然而，當需要對未來一段時間的損耗情 況進行分析和預測時，比如需要分析某條輸電線路建成后的降損效果，不存在現成數據進 行統計計算，必需對系統將來的運行情況進行模擬。需要模擬負荷、發電以及電網的運行規 律。
[0004] 在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術中至少存在計算量大、適用范圍小 和模擬效果差等缺陷。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的在于，針對上述問題，提出一種發電生產模擬模型，以實現計算量 小、適用范圍大和模擬效果好的優點。
[0006] 為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種發電生產模擬模型，包括依次配 合設置的運行模擬基本流程子模型、模型說明子模型、計算模塊和過程子模型、機組組合子 模型、經濟調度子模型、以及輔助問題處理子模型。
[0007] 進一步地，所述運行模擬基本流程子模型，用于對發電生產模擬模型進行細化，確 定模型的整個流程；和/或，
[0008] 所述模型說明子模型，用于對發電生產模擬模型的符號約定、可再生能源模型、直 流潮流模型、目標函數和約束條件進行說明；和/或，
[0009] 所述計算模塊和過程子模型，包括非優化運行機組模擬計算、新可再生能源機組 出力安排、水電及抽蓄機組調峰優化；和/或，
[0010] 所述機組組合子模型，包括機組組合模型的設計、聯合時段的選擇、可再生能源切 除出力的處理；和/或，
[0011] 所述經濟調度子模型，用于解決在機組組合完成后，對剩余時段出力進行分配，保 證運行電費或者購電費用最小；和/或，
[0012] 所述輔助問題處理子模型，包括機組的啟停優化運行和最優性分析。
[0013] 進一步地，所述模型說明子模型對發電生產模擬模型進行細化，確定模型的整個 流程的操作，具體包括：
[0014] 首先根據裝機進度表，考慮機組的投運、退役和技改等，確定投運機組；接下來需 要根據檢修計劃排除檢修機組，最后確定可運行機組及其參數；
[0015] 然后安排所有能夠確定出力的機組，包括外來的協議送電、核電機組以及認為指 定出力的機組，根據電源所在區域，修正對應的負荷曲線；
[0016] 根據可再生能源運行模擬模塊隨機模擬生成的可再生能源模擬出力，安排新可再 生能源出力，修正對應的負荷曲線；
[0017] 以此修正后的多區域負荷曲線為基礎，對于抽水蓄能和常規水電機組安排其削峰 和填谷，抽水可設定為平抽或滿抽方式，并滿足包含機組的容量、電量的約束，根據電源所 在區域，再次修正對應的負荷曲線；
[0018] 對剩余的機組進行優化模擬運行。
[0019] 進一步地，所述模型說明子模型對發電生產模擬模型的符號約定、可再生能源模 型、直流潮流模型、目標函數和約束條件進行說明的操作，具體包括：
[0020] 2. 1)符號約定：
[0021] 對使用變量的規則進行預定說明；
[0022] 對模型使用到的變量進行預定說明；
[0023] 2. 2)可再生能源模型說明：
[0024] 根據電網運行節能、環保的要求，在電網能夠接納的情況下要求可再生能源全額 上網；
[0025] 根據以上情況，在建模中引入可再生能源出力預測變量.并在日前發電計劃 模型中引入切除可再生能源的機制，使模型在系統無法提供調峰容量，系統備用容量不足 或可再生能源送出受阻情況下，切除部分可再生能源出力，可再生能源切除出力變量用 ^表示；
[0026] 2. 3)直流潮流模型說明
[0027] 對所有到的直流潮流模型做簡要說明，假定系統有N+1個節點，L條支路，M個機 組，網絡連通，N、L、M均為自然數；
[0028] 節點負荷列向量為D，機組出力列向量為P，節點注入功率列向量為Psp ;支路k與 節點i，j關聯，正方向為i - j，支路導納yk = 1/Xj ;關聯矢量：

【權利要求】
1. 一種發電生產模擬模型，其特征在于，包括依次配合設置的運行模擬基本流程子模 型、模型說明子模型、計算模塊和過程子模型、機組組合子模型、經濟調度子模型、以及輔助 問題處理子模型。
2. 根據權利要求1所述的發電生產模擬模型，其特征在于，所述運行模擬基本流程子 模型，用于對發電生產模擬模型進行細化，確定模型的整個流程；和/或， 所述模型說明子模型，用于對發電生產模擬模型的符號約定、可再生能源模型、直流潮 流模型、目標函數和約束條件進行說明；和/或， 所述計算模塊和過程子模型，包括非優化運行機組模擬計算、新可再生能源機組出力 安排、水電及抽蓄機組調峰優化；和/或， 所述機組組合子模型，包括機組組合模型的設計、聯合時段的選擇、可再生能源切除出 力的處理；和/或， 所述經濟調度子模型，用于解決在機組組合完成后，對剩余時段出力進行分配，保證運 行電費或者購電費用最小；和/或， 所述輔助問題處理子模型，包括機組的啟停優化運行和最優性分析。
3. 根據權利要求2所述的發電生產模擬模型，其特征在于，所述模型說明子模型對發 電生產模擬模型進行細化，確定模型的整個流程的操作，具體包括： 首先根據裝機進度表，考慮機組的投運、退役和技改等，確定投運機組；接下來需要根 據檢修計劃排除檢修機組，最后確定可運行機組及其參數； 然后安排所有能夠確定出力的機組，包括外來的協議送電、核電機組以及認為指定出 力的機組，根據電源所在區域，修正對應的負荷曲線； 根據可再生能源運行模擬模塊隨機模擬生成的可再生能源模擬出力，安排新可再生能 源出力，修正對應的負荷曲線； 以此修正后的多區域負荷曲線為基礎，對于抽水蓄能和常規水電機組安排其削峰和填 谷，抽水可設定為平抽或滿抽方式，并滿足包含機組的容量、電量的約束，根據電源所在區 域，再次修正對應的負荷曲線； 對剩余的機組進行優化模擬運行。
4. 根據權利要求2所述的發電生產模擬模型，其特征在于，所述模型說明子模型對發 電生產模擬模型的符號約定、可再生能源模型、直流潮流模型、目標函數和約束條件進行說 明的操作，具體包括： 2. 1)符號約定： 對使用變量的規則進行預定說明； 對模型使用到的變量進行預定說明； 2.2)可再生能源模型說明： 根據電網運行節能、環保的要求，在電網能夠接納的情況下要求可再生能源全額上 網； 根據以上情況，在建模中引入可再生能源出力預測變量并在日前發電計劃模型 .f 中引入切除可再生能源的機制，使模型在系統無法提供調峰容量，系統備用容量不足或可 再生能源送出受阻情況下，切除部分可再生能源出力，可再生能源切除出力變量用！^^表 示； 2. 3)直流潮流模型說明 對所有到的直流潮流模型做簡要說明，假定系統有N+1個節點，L條支路，M個機組，網 絡連通，N、L、M均為自然數； 節點負荷列向量為D，機組出力列向量為P，節點注入功率列向量為Psp ;支路k與節點 i，j關聯，正方向為i - j，支路導納yk = 1/Xj ;關聯矢量：A =吟，…尋…今…，軹，節 點-支路關聯矩陣：J = 其行數為N+1，列數為L ;降階節點-支路關聯 矩陣：A = [M1, M2,. . .，Mj，其行數為N+1，列數為L ;支路導納矩陣：y = diag ([yk])，行數與 列數均為L ;節點導納矩陣而=AyAT ;節點-機組關聯矩陣：Jnu >行數為N+1,列數為M ; Psp = AnuP-D, P為機組出力矢量； 由直流潮流公式可知： Psp = B0 Θ = AyA1 Θ Θ = (AyAV1Psp = (AyAV1(AnuP-D) (2-1)； 根據直流潮流計算得線路潮流： F = yAT Θ = yAT (AyAT) ^1Psp = yAT (AyAT) (AnuP-D) (2-2)； 可知，發電機轉移分布因子矩陣為： W = yAT (AyAV1 (2-3)； 2.4)目標函數
式中：T為總時段的集合；C(Pt)可以設定為各類型機組t時段輸出功率為Pt時的電價 或煤耗，Vd為各節點平均停電損失，Cf為機組啟停費用，Cw為切除可再生能源的成本，Θ， Π ，Y為加權系數，通常情況下為1，也能夠根據需要調整；上式表明，目標函數為綜合考慮 系統發電經濟性、切負荷成本以及切除可再生能源的調度決策； 2. 5)約束條件 2. 5. 1)負荷與發電的平衡
2.5.2)機組技術出力約束 對干不πτβ值M鉑.
對于可啟停機組： Pt It P' < P1 Jt rJmm1J - Γ/ - Vmaxi/ (2.?). 對于水電與抽水蓄能機組： Pt 〈 pt〈 pt 1. min ~ 1 h ~ 1 h max (2-8〉? 對于可再生能源機組： Pt i Pt -Pt 1 W ~ 1 Wii ~ 1 Mf o<e〇<^：rf ￥?€Γ 帽； 2. 5. 3)系統正負備用要求 [\ψ+TXifDt <[if p：max/.+[If ^min/;+[if^；min + [IfPLf+{\fD\, VteT L J < L J d (2-10); 上式中：ru為系統在時段t要求的正備用率，可再生能源對系統備用的貢獻應按其預 測出力計算，即使被切除，其被切除部分也計入備用容量； {ifD1 -r![\fDt /ieT ,…、 式中：rj為系統在時段t要求的負備用率，此時，可再生能源出力在此不計入，即等效 的認為可再生能源最小出力為0,即可以隨時被切除； 2. 5. 4)支路潮流約束： -Cx < Fi <F^x ^imT . 其中： Ft = + mmfPf + WAmhPth + WAtl^X + WDtd i2_m ； 2. 5. 5)斷面約束： < Wt < Fi \ft ezT ^srmaK - ^s - ^ Γ E i (2-14) 其中： F： = AmmX + AlWAngfFf + AdWAnshPIi + AdWAngwPld + AslWD1d ^AslWD1{2_15) ^ 2. 5. 6)動態約束 啟停火電在一天中運行狀態最多啟停一次，大容量火電機組不允許啟停。
5.根據權利要求2所述的發電生產模擬模型，其特征在于，所述計算模塊和過程子模 型進行非優化運行機組模擬計算、新可再生能源機組出力安排、水電及抽蓄機組調峰優化 的操作，具體包括： 從機組優化運行的數學模型中可見，其目標函數為全時段即規劃期間內所有時段運行 成本最低，這需要通過每日的最優運營來實現： 3. 1)非優化運行機組模擬計算 日生產模擬首先對非優化運行機組，包括核電機組、熱電機組以及指定出力機組； 3.2)新可再生能源機組出力安排 在進行生產模擬之前已經根據新可再生能源運行模擬模塊得到各個新可再生能源電 源的時序模擬出力，利用各新可再生能源電源的時序模擬出力修正各區域負荷； 3. 3)水電機組調峰優化 水電機組在電力系統中占有重要的地位，它對系統的運行方式有很大的影響。與火電 機組相比，水電機組具有以下特點： 水電機組發電不消耗燃料，其發電費用幾乎與發電量無關； 水電機組的發電量和發電出力是由水文情況和水庫調度決定的，在生產模擬中其發電 量應看作給定量，即水電機組是能量受限機組； 水電機組開停靈活，增減負荷迅速，適合擔任負荷曲線上經常變動的峰荷部分； 3. 3)抽水蓄能機組調峰優化 抽水蓄能機組是利用電網低谷時的廉價電量將低處水池的水抽到高處的水池中，待電 網高峰負荷時通過水輪發電機組發電來替代昂貴的尖峰能量，以滿足電網調峰要求； 對于抽水蓄能機組GOPT運行模擬模型中提供如下三種開機模式： 3. 3. 1)抽水蓄能全開機方式：抽水蓄能機組在非檢修日均開機運行，承擔系統調峰任 務，最大化減小系統日峰谷差； 3. 3. 2)抽水蓄能依調峰容量需求開機方式：抽水蓄能機組主要承擔事故備用任務，在 系統負荷與風電出力疊加后峰谷差過大，火電機組調峰能力無法滿足要求時再調用抽水蓄 能機組進行調峰； 3. 3. 3)抽水蓄能按調峰比例開機方式：抽水蓄能機組開機容量統籌考慮核電開機、風 電運行方式以及系統負荷的大小。其開機容量的調整目標為系統常規火電機組的負荷率與 負荷的峰谷差率相同，調整目標可寫成以下表達式：
其中： 日負荷最小值=火電機組日內出力最小值+抽水蓄能、風電、核電日內出力最小值 日負荷最大值=火電機組日內出力最大值+抽水蓄能、風電、核電日內出力最大值； 實際上，這種情況下抽水蓄能與火電機組按比例共同承擔系統的調峰任務，抽水蓄能 補償了核電與風電不能為系統提供的調峰容量； 對于單臺抽水蓄能機組，其日內運行方式有如下四種： 3.3.4)平抽定削：首先根據負荷曲線和水庫容量以平抽方式進行填谷，確定抽水量； 然后以抽水量乘以轉換效率作為發電電量，再以此進行削峰； 3. 3. 5)滿抽定削：根據負荷曲線和機組容量，以抽水時以把水庫容量抽滿為原則，保 證最大填谷量，確定抽水量；然后以抽水量乘以轉換效率作為發電電量，再以此進行削峰； 3.3.6)平削定抽：根據負荷曲線和水庫容量以平削方式進行削峰，確定削峰時的發電 電量；然后除以轉換效率確定抽水量，再以抽到需要的水量為原則，保證最大填谷量； 3. 3. 7)優化抽削：根據負荷曲線、水庫容量和機組容量，在以追求調峰性能最好為原 貝IJ，保證抽水量最小； 運行模擬模型中三種開機方式下，開機機組均采用優化抽削模式確定發電與抽水出 力。
6.根據權利要求2所述的發電生產模擬模型，其特征在于，所述機組組合子模型進行 機組組合模型的設計、聯合時段的選擇、可再生能源切除出力的處理程的操作，具體包括： 確定常規火電在一天中固定的機組狀態，使得通過調整可啟停機組的狀態和機組出 力，使之能夠滿足各個時段的約束，同時做到經濟上的較優，即為機組組合問題。 在生產模擬計算中，提出相對簡化而又行之有效的機組組合模型： 4. 1)機組組合模型設計 以日為研究單位，忽略機組跟蹤負荷能力的約束，主要思想是根據一定規則，找出一個 負荷低谷時段t° 一個負荷高峰時段t1，將這兩個時段的靜態安全約束方程聯合起來，且增 加兩個時段的機組狀態的約束； 機組組合模型中將機組分為三類，分別為可起停機組、不可起停機組以及新可再生能 源機組；對于不可啟停機組，其負荷高峰時段與負荷低谷時段的狀態僅用一個變量表示，對 于可起停機組，其負荷高峰時段與負荷低谷時段的狀態用兩個變量表示； 為保證在該機組組合結果的基礎上進行其余時段的出力分配的經濟性更優，在此構造 目標函數為兩個時段的購電費用、切除負荷損失、切除風電賠償和啟停費用的加權和，構成 一個混合整數的線性規劃問題，具體優化方程式如下：

上式中，變量上標O表示低谷時刻量，1表示高峰時刻量；變量下標c、f、W分別表示不 可啟停機組、可啟停機組以及新可再生能源機組；變量下標d表示切除負荷或切除新可再 生能源；UfS核定電價或運行成本,v d為平均停電損失,CfS機組啟停費用，λ, κ為 加權系數； 4. 2)聯合時段選擇 為保證上述機組組合結果在應用于其他時段時能夠通過調整機組出力和啟停機組的 狀態來滿足系統的靜態安全約束，不能簡單地取原始的或者修正后的系統負荷曲線的最大 峰荷時段和最小谷荷時段，而必須取序列D_ =Mif 丨的其最小值所在時段 為低谷時段；序列￡?+ 1--的最大值位于的時段為高峰時段； 4.3)可再生能源切除出力的處理 高峰時刻負荷D°與低谷時刻負荷D1均已經根據新可再生能源模擬出力進行了修正，因 此，機組組合模型中電力平衡、正負備用以及網絡約束中均不需要考慮可再生能源出力的 大小,而僅需要考慮可再生能源被切除的出力大小； 顯然，可再生能源被切除的出力ft與的約束條件為，大于零且小于可再生能源 模擬出力/5Iax與Pimax ^這時時序模擬出力可理解為新可再生能源能夠被調度的最大出 力。
7.根據權利要求2所述的發電生產模擬模型，其特征在于，所述經濟調度子模型解決 在機組組合完成后，對剩余時段出力進行分配，保證運行電費或者購電費用最小的操作，具 體包括： 在機組組合完成后，下面要做的就是對剩余時段做出力分配，其目標函數為運行費用 或者購電費用最小，I。為給定值，并且不用考慮啟停費用的問題，其優化方程及其求解更為 簡單，具體方程式如下：
8.根據權利要求2所述的發電生產模擬模型，其特征在于，所述輔助問題處理子模型 進行機組的啟停優化運行和最優性分析的操作，具體包括： 6. 1)啟停優化運行 雖然啟停機組可以在一天的狀態中發生變化，但是由于存在啟停費用和實際運行約 束，為優化其運行，在做剩余時段出力分配時，啟停狀態不能處于無序狀態，而需要根據一 個特定的優化規則； 對于各時段的出力分配時序及其增加啟停機組狀態約束分別為：（1)從t°-l遞減至1 時刻逐時段分配出力，增加約束條件啟停機組狀態不小于后一時段且不大于t1時段的狀 態；（2)從t°+l遞增至t°-l時刻逐時段分配出力，增加約束條件啟停機組狀態不小于前一 時段且不大于t 1時段的狀態；（3)從24遞減至t°+l時刻逐時段分配出力，增加約束條件啟 停機組狀態不小于后一時段（取時段24后一時段為t°)且不大于t 1時段的狀態； 上述過程僅用于t° < t1的情形，t° > t1的情形可用類似的方法處理； 6. 2)最優性分析 上述的模型中采用逐時段求解最優： 構造機組組合模型中，優化目標包括運行/購電成本、啟停費用，保證機組組合方案更 優； 所有優化方程均為混合整數線性規劃，可采用嚴格的數學規劃方法求解，達到逐時段 最優； 多時斷耦合限制啟停機組的運行狀態，使之再一天中啟停次數最少，甚至不啟停。
【文檔編號】H02J3/00GK104377693SQ201410643934
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月11日 優先權日:2014年11月11日
【發明者】解佗, 張剛, 王維洲, 劉福潮, 鄭晶晶, 韓永軍, 馬朝暉, 張建華, 李正遠, 華夏, 陶國龍, 杜培東, 王慶玲 申請人:國家電網公司, 國網甘肅省電力公司, 國網甘肅省電力公司電力科學研究院, 西安理工大學, 甘肅省電機工程學會科技咨詢部