電力市場(chǎng)中基于動(dòng)態(tài)運(yùn)行備用的安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法

白楊， 羅鋼， 陳雨果， 賴曉文

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600； 2.清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084)

0 引 言

運(yùn)行備用是電力系統(tǒng)運(yùn)行方式安排中的重要內(nèi)容，其目的在于平抑負(fù)荷預(yù)測(cè)偏差帶來(lái)的供需不匹配，滿足電網(wǎng)設(shè)備故障導(dǎo)致的功率缺額。傳統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)行方式安排中，往往采用恒定運(yùn)行備用預(yù)留方法，其主要特征在于根據(jù)電網(wǎng)極端方式下負(fù)荷預(yù)測(cè)偏差影響和單一元件故障可能導(dǎo)致的最大功率缺額，確定全天各時(shí)段的運(yùn)行備用水平，據(jù)此編制發(fā)電機(jī)組發(fā)電計(jì)劃[1-2]。

恒定運(yùn)行備用預(yù)留方法中，極端方式出現(xiàn)的概率較小，持續(xù)時(shí)間較短，導(dǎo)致?lián)祟A(yù)留的運(yùn)行備用在運(yùn)行過(guò)程中往往沒(méi)有得到充分利用，客觀上造成運(yùn)行備用低效的實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)由于大量發(fā)電資源用于運(yùn)行備用預(yù)留，實(shí)際可用發(fā)電容量受到影響。為此，理論界和工業(yè)界開(kāi)展了大量合理預(yù)留運(yùn)行備用的研究和實(shí)踐。文獻(xiàn)[3-4]考慮風(fēng)電波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行備用的影響，通過(guò)對(duì)風(fēng)電波動(dòng)性和負(fù)荷波動(dòng)性的對(duì)比，提出了兩種波動(dòng)源運(yùn)行備用共用的方法。文獻(xiàn)[5-6]考慮運(yùn)行備用的歷史利用率，提出了將運(yùn)行備用根據(jù)實(shí)際調(diào)用情況進(jìn)行合理削減的方法。文獻(xiàn)[7]結(jié)合運(yùn)行方式，提出了將根據(jù)實(shí)際發(fā)電計(jì)劃調(diào)整運(yùn)行備用的計(jì)算方法。

本文將在上述研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確運(yùn)行備用的基本概念，提出一種基于實(shí)時(shí)運(yùn)行方式的擴(kuò)展運(yùn)行備用測(cè)算方法。將其引入經(jīng)濟(jì)調(diào)度中，通過(guò)運(yùn)行備用預(yù)留和經(jīng)濟(jì)調(diào)度兩個(gè)子問(wèn)題的迭代，實(shí)現(xiàn)基于動(dòng)態(tài)運(yùn)行備用的輸電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化。最后基于IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)構(gòu)造算例驗(yàn)證本文所提出方法的有效性。

1 動(dòng)態(tài)運(yùn)行備用的基本概念與測(cè)算方法

1.1 基本概念

運(yùn)行備用是電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，處于“熱備用”狀態(tài)，可隨時(shí)調(diào)用的發(fā)電資源。預(yù)留運(yùn)行備用的目的包括[8]2：平抑負(fù)荷預(yù)測(cè)偏差；滿足電網(wǎng)單一元件故障導(dǎo)致的功率缺額。電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)每時(shí)每刻都在發(fā)生變化，傳統(tǒng)運(yùn)行方式安排由于精益化程度不高，難以做到運(yùn)行備用預(yù)留隨電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的變化而變化，被迫采用極端方式下最大運(yùn)行備用預(yù)留的恒定預(yù)留方式。

所謂動(dòng)態(tài)運(yùn)行備用，則是根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行方式的變化實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行備用要求，保證運(yùn)行備用與運(yùn)行方式實(shí)時(shí)匹配的備用預(yù)留模式。

1.2 測(cè)算方法

實(shí)施動(dòng)態(tài)運(yùn)行備用，其難點(diǎn)在于必須做到運(yùn)行備用與運(yùn)行方式的實(shí)時(shí)跟蹤匹配。為此本文提出的動(dòng)態(tài)備用測(cè)算方法,其實(shí)施流程如圖1所示。基本思路是通過(guò)實(shí)時(shí)分析負(fù)荷預(yù)測(cè)偏差和單一元件故障掃描,實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行方式的動(dòng)態(tài)掌控，具體方法如下:

(1)電網(wǎng)運(yùn)行方式預(yù)編制。根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行方式預(yù)編制結(jié)果，掌握次日任一時(shí)段的機(jī)組發(fā)電計(jì)劃、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷預(yù)測(cè)和輸變電設(shè)備潮流等基礎(chǔ)信息。

(1)

(2)

圖1 運(yùn)行備用計(jì)算流程

2 基于動(dòng)態(tài)運(yùn)行備用的安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度

2.1 實(shí)施流程

由上述分析過(guò)程可知，任一時(shí)段的運(yùn)行備用由該時(shí)刻的電網(wǎng)運(yùn)行方式?jīng)Q定。不同的運(yùn)行方式對(duì)運(yùn)行備用的要求不同。在運(yùn)行備用與電能聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)中，電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題不僅需要考慮電能市場(chǎng)成本，還需要考慮運(yùn)行備用市場(chǎng)成本。由于發(fā)電機(jī)組發(fā)電能力是一定的，其提供電能服務(wù)和運(yùn)行備用服務(wù)的能力總量是確定的，因此在運(yùn)行備用-電能聯(lián)合經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題存在較強(qiáng)的耦合關(guān)系。

為此，本文所提出的基于動(dòng)態(tài)運(yùn)行備用的輸電網(wǎng)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法的實(shí)施流程如圖2所示。下面將分別介紹各步驟的具體內(nèi)容。

圖2 經(jīng)濟(jì)調(diào)度實(shí)施流程

2.2 給定運(yùn)行備用下的電能市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度

該步驟的實(shí)施目的為根據(jù)給定運(yùn)行備用，編制發(fā)電機(jī)組發(fā)電計(jì)劃，該模型可表示如下[9-10]：

(3)

該模型以電能和運(yùn)行備用成本最低為目標(biāo)，所考慮的約束依次為節(jié)點(diǎn)功率平衡約束、系統(tǒng)運(yùn)行備用約束，輸電線路功角平衡約束、線路潮流容量約束、發(fā)電機(jī)組出力上下限約束和發(fā)電機(jī)組爬坡約束?；谠撃Ｐ涂梢詫?shí)現(xiàn)在給定運(yùn)行備用要求下系統(tǒng)最優(yōu)發(fā)電計(jì)劃編制。所需要的運(yùn)行備用由下一步驟計(jì)算得到，通過(guò)兩者反復(fù)迭代實(shí)現(xiàn)對(duì)上述問(wèn)題的求解。

2.3 給定運(yùn)行方式下的運(yùn)行備用預(yù)留

基于上一步所編制的發(fā)電計(jì)劃運(yùn)行方式，可以基于本文第一節(jié)所提出的動(dòng)態(tài)運(yùn)行備用計(jì)算方法測(cè)算各時(shí)段所需要的運(yùn)行備用。這里不再贅述其實(shí)施流程。

2.4 收斂性判定

(4)

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文將根據(jù)我國(guó)某省區(qū)實(shí)際電網(wǎng)數(shù)據(jù)構(gòu)造算例，以驗(yàn)證本文所提出方法的有效性。該系統(tǒng)中負(fù)荷曲線如圖3所示，最高負(fù)荷為13 500 MW。系統(tǒng)裝機(jī)17 100 MW，共計(jì)10個(gè)電廠，38臺(tái)發(fā)電機(jī)組。

圖3 負(fù)荷曲線

3.2 結(jié)果分析

算例中，A發(fā)電廠裝機(jī)容量為1 200 MW，僅通過(guò)單線并網(wǎng)。若該輸電線路跳閘，則A發(fā)電廠與系統(tǒng)解列。該故障為系統(tǒng)中單一元件導(dǎo)致最大功率缺額的故障。

按照傳統(tǒng)運(yùn)行備用模式，僅考慮單一元件故障導(dǎo)致功率缺額一方面影響就須預(yù)留運(yùn)行備用1 200 MW。而在動(dòng)態(tài)運(yùn)行備用模式下，各時(shí)段的運(yùn)行備用則由該時(shí)段運(yùn)行方式?jīng)Q定，實(shí)際上雖然A發(fā)電廠送出線路跳閘將導(dǎo)致該電廠對(duì)外停止供電，但是由于該電廠當(dāng)天最大出力僅為1 000 MW，因此基于動(dòng)態(tài)運(yùn)行備用預(yù)留方法，只需要預(yù)留1 000 MW的運(yùn)行備用。全天各時(shí)段的運(yùn)行備用對(duì)比如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)在負(fù)荷高峰時(shí)段，由于發(fā)電機(jī)組出力普遍較高，因此運(yùn)行備用需求也較高，而在低谷時(shí)段，發(fā)電機(jī)組往往出力較低，因此所需要運(yùn)行備用也相對(duì)較低。

圖4 運(yùn)行備用曲線

從電網(wǎng)運(yùn)行成本來(lái)看，如圖5所示，傳統(tǒng)模式下由于運(yùn)行備用要求較高，實(shí)際上導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組的發(fā)電能力大量被占用，預(yù)留為運(yùn)行備用，造成電能和運(yùn)行備用成本都較動(dòng)態(tài)運(yùn)行備用模式較高。

圖5 成本對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文深入分析了傳統(tǒng)恒定運(yùn)行備用模式下備用低效的問(wèn)題，提出了動(dòng)態(tài)運(yùn)行備用測(cè)算方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善提出了基于動(dòng)態(tài)運(yùn)行備用的輸電網(wǎng)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法。該方法能夠有效降低系統(tǒng)運(yùn)行備用水平，實(shí)質(zhì)上提高了發(fā)電機(jī)組的電能可用性，對(duì)提升電網(wǎng)運(yùn)行效益成效顯著。