基于電力市場改革的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度研究

熊靖 陳曉婷

國網(wǎng)湖南省電力有限公司益陽供電分公司 湖南 益陽 413000

引言

電力系統(tǒng)作為一個(gè)綜合性﹑復(fù)雜性特點(diǎn)鮮明的系統(tǒng)，以往較為陳舊﹑滯后的調(diào)度模式早已無法滿足動(dòng)態(tài)系統(tǒng)日益增長的優(yōu)化調(diào)度需求。所謂“動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度”，即為以負(fù)荷不同時(shí)段的關(guān)聯(lián)為依托，計(jì)入發(fā)電機(jī)組出力的部分技術(shù)約束的優(yōu)化調(diào)度途徑。最近，由于電力系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差值的不斷增大，借助此調(diào)度模式能夠更加有效的解決系統(tǒng)調(diào)度難題。與此同時(shí)，考慮到優(yōu)化調(diào)度模式對于增強(qiáng)電力系統(tǒng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益以及保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)作均擁有著不可替代的重要作用，所以這一方法能夠在電力市場的發(fā)展過程中獲得越來越多的青睞。

現(xiàn)階段，伴隨著國內(nèi)電力市場改革進(jìn)程的不斷深化，加之電力系統(tǒng)規(guī)模的愈發(fā)復(fù)雜，使得整個(gè)電力行業(yè)紛紛開始落實(shí)市場化的體制運(yùn)作方式。在電力市場改革的大環(huán)境下，電量以及電價(jià)二者都具有顯著的非確定性特點(diǎn)，各電力企業(yè)不再一味被動(dòng)地接受調(diào)度指令被迫進(jìn)行發(fā)電，而是更加積極主動(dòng)的投身于電力市場交易當(dāng)中，伴隨“競價(jià)上網(wǎng)”等一系列相關(guān)政策的推行﹑電力企業(yè)自身負(fù)荷需求的變動(dòng)，如何利用動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度措施來確保電力系統(tǒng)運(yùn)行安全﹑提升整體經(jīng)濟(jì)效益﹑推動(dòng)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展等逐漸演變?yōu)閲鴥?nèi)外各電力公司最為關(guān)注的課題之一。

1 電力市場背景下對動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行研究的意義與目的

1.1 進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度研究的現(xiàn)實(shí)意義剖析

首先，電力工業(yè)的主要任務(wù)即為保障安全穩(wěn)定，在科學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)用能源及設(shè)施的前提下確保供配電﹑發(fā)電等的經(jīng)濟(jì)性﹑安全性，從而滿足使用者的實(shí)際用電需求。然而，電力系統(tǒng)供應(yīng)著當(dāng)前生活與生產(chǎn)中的絕大多數(shù)能量，必然也會(huì)出現(xiàn)大量的能源耗用問題。對電力領(lǐng)域而言，不斷提升它的運(yùn)作效率﹑實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行的必要性是至關(guān)重要的[1]。電力系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問題自始至終都是國內(nèi)外電力系統(tǒng)技術(shù)工作者及業(yè)內(nèi)專業(yè)人士研究的重中之重，特別是最近幾年，伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的加速增長﹑大眾生活品質(zhì)的穩(wěn)步提升，全世界范圍內(nèi)都呈現(xiàn)出用電量加速增長的總體趨勢，各國紛紛面臨著嚴(yán)重的電力供應(yīng)不足的境況。在上述頗為嚴(yán)峻的情勢下，進(jìn)一步深化對電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度問題的研究便擁有了更加重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度研究的目的

從本質(zhì)上來講，電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度作為電力系統(tǒng)研究的一個(gè)重要分支，其研究的主要問題為在滿足負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上，怎樣更優(yōu)的配置系統(tǒng)資源及調(diào)度設(shè)備的運(yùn)作工況，進(jìn)一步令電力系統(tǒng)發(fā)電所產(chǎn)生的資金耗用﹑能源耗費(fèi)等最低這樣一個(gè)運(yùn)籌決策課題?，F(xiàn)階段，電力系統(tǒng)的優(yōu)化從根本上轉(zhuǎn)變?yōu)榱思蠑?shù)學(xué)優(yōu)化理論﹑運(yùn)籌科學(xué)﹑系統(tǒng)工程﹑電力系統(tǒng)潮流研究等眾多學(xué)科內(nèi)容交錯(cuò)縱橫的一項(xiàng)研究領(lǐng)域，其內(nèi)涵更為寬泛﹑復(fù)雜?？偠灾?，我們對電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度問題進(jìn)行深入﹑詳細(xì)的探索和研究，在很大程度上有利于電力系統(tǒng)剖析與優(yōu)化運(yùn)行理論的拓展與豐富，有助于電力系統(tǒng)整體效益的大大提升，有利于推動(dòng)電力市場的穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展，并且還是提升電力系統(tǒng)自動(dòng)化﹑智能化質(zhì)量的必然要求。

2 動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度的基本概述及其發(fā)展歷程研究

2.1 動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度的基本論述

一方面，電力系統(tǒng)本質(zhì)上屬于一個(gè)復(fù)雜性特點(diǎn)較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它相鄰多個(gè)時(shí)段的運(yùn)作情況之間互相構(gòu)成了約束關(guān)系，此約束關(guān)系具體反映為發(fā)電機(jī)速率調(diào)整﹑發(fā)電機(jī)備用容量限制﹑水電廠水量約束﹑火電廠燃料供應(yīng)約束﹑核電站特殊限制等，上述各類動(dòng)態(tài)約束制約使靜態(tài)優(yōu)化調(diào)度模式逐漸脫離了電力市場，慢慢為動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度模式所替代。

另一方面，電力市場嚴(yán)格來講屬于交叉性學(xué)科，其涵蓋了包括電工﹑機(jī)械﹑法律﹑環(huán)境﹑經(jīng)濟(jì)﹑能源等在內(nèi)的諸多領(lǐng)域，其也是自然科學(xué)同社會(huì)科學(xué)二者的有機(jī)融合體。當(dāng)我們從社會(huì)科學(xué)視角出發(fā)對電力市場進(jìn)行研究的時(shí)候，主要需研究的內(nèi)容為電力市場改革所涉獵的經(jīng)濟(jì)﹑法律﹑社會(huì)問題，借助經(jīng)濟(jì)學(xué)原理對電力市場化調(diào)整進(jìn)行剖析需要考慮的問題，并且采取經(jīng)濟(jì)﹑法律等必要相關(guān)的方法管控電力市場，對各國﹑各地區(qū)電力市場改革的總體情況﹑異同點(diǎn)及基本歷程進(jìn)行深入分析，在此基礎(chǔ)上提出相對應(yīng)的改革建議與措施等；當(dāng)從自然科學(xué)視角出發(fā)去研究電力市場改革下的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度問題時(shí)，則需要依托于微觀數(shù)理經(jīng)濟(jì)學(xué)，同時(shí)參照電力系統(tǒng)專業(yè)理論內(nèi)容，對電力市場改革過程中的市場特性﹑企業(yè)行為等做出深入﹑透徹的研究，努力解決電力市場構(gòu)建進(jìn)程中存在的各類技術(shù)難題。除此之外，電力市場改革背景下的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度同傳統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度二者間存在諸多方面的顯著差異，譬如說：約束條件﹑算法﹑目標(biāo)函數(shù)﹑市場經(jīng)濟(jì)內(nèi)涵等。

2.2 電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的發(fā)展歷程闡述

第一階段，在21世紀(jì)60年代初期的時(shí)候，就已經(jīng)有小部分電力行業(yè)工作人員逐漸注意到負(fù)荷的變動(dòng)情況會(huì)對電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度策略帶來的深刻影響，以此為基礎(chǔ)，他們便進(jìn)一步展開了負(fù)荷變動(dòng)對電力系統(tǒng)發(fā)電數(shù)量及耗費(fèi)等變動(dòng)的影響的研究，因而我們可以說負(fù)荷預(yù)報(bào)和電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度兩者之間擁有著十分緊密的重要聯(lián)系[2]。

第二階段，21世紀(jì)70年代—80年代，國外電力行業(yè)專家斯塔德林第一次提出了優(yōu)化調(diào)度必須考慮到未來一段時(shí)間內(nèi)負(fù)荷將會(huì)出現(xiàn)的變動(dòng)﹑發(fā)電機(jī)輸出功率變動(dòng)速度以及調(diào)節(jié)容量的有限性等等，然而在其所構(gòu)建的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配模型里面，只是借助給發(fā)電機(jī)組預(yù)留特定比重的調(diào)整來保障未來負(fù)荷變化的基本需求，此模式無法被稱作是真正意義上的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度。不久之后，有些專業(yè)人士把發(fā)電機(jī)輸出功率變動(dòng)速率的限制當(dāng)作優(yōu)化調(diào)度的約束進(jìn)行操作，同時(shí)使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對自身構(gòu)建的自動(dòng)發(fā)電控制模型展開了求解，即便此模型做到了一定程度的簡化，然而依舊不能被實(shí)際運(yùn)用到電力系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化當(dāng)中。

第三階段，21世紀(jì)八九十年代之后，部分專家學(xué)者由經(jīng)典經(jīng)濟(jì)調(diào)度理論為出發(fā)點(diǎn)，對該研究領(lǐng)域展開了更為深入﹑實(shí)質(zhì)性的研究和論述。當(dāng)然，在此時(shí)期所達(dá)成的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度策略與當(dāng)代自動(dòng)化發(fā)電控制擁有著密切的關(guān)聯(lián)，在這之后不久我國便有專家提出了基于積流量法的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度算法，首次對電力系統(tǒng)各個(gè)時(shí)間段的安全約束提供了有效的動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度支持。由動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度算法上而言，現(xiàn)階段普遍使用的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度算法均為給定時(shí)間當(dāng)中算出發(fā)電機(jī)輸出功率的優(yōu)化調(diào)度軌跡，從而來實(shí)現(xiàn)計(jì)入未來負(fù)荷變動(dòng)的根本目的，此類手段非但無法有效削減計(jì)算量，并且也會(huì)導(dǎo)致所耗費(fèi)內(nèi)存量的增加。鑒于此，努力尋求動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度不同時(shí)間序列解耦的充分及必要條件，逐漸演變?yōu)殡娏κ袌霰尘跋聞?dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度發(fā)展演變的最關(guān)鍵要素之一。

3 動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度方法在電力市場中的實(shí)踐運(yùn)用研究

通過上文中的相關(guān)論述可以看出：我們在電力系統(tǒng)當(dāng)中引進(jìn)市場經(jīng)濟(jì)運(yùn)作模式能夠?yàn)樯鐣?huì)帶來相當(dāng)客觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)有助于整個(gè)電力行業(yè)的健康穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展，所以說電力市場化未來會(huì)逐漸演變?yōu)槿澜珉娏I(yè)最普遍的發(fā)展方向之一。然而，在推行電力系統(tǒng)市場化運(yùn)行策略之后，對電力系統(tǒng)諸多環(huán)節(jié)均提出了許多亟待解決的技術(shù)難題。舉個(gè)例子，比方說面向電力市場的能量控制系統(tǒng)的研究開發(fā)，需要充分考慮動(dòng)態(tài)安全約束的最優(yōu)潮流﹑電力企業(yè)的整體效益及風(fēng)險(xiǎn)狀況﹑輔助服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)時(shí)電價(jià)等的卻準(zhǔn)等。上述各要素當(dāng)中，像實(shí)時(shí)電價(jià)﹑輸送電費(fèi)用的計(jì)算及輸電擁堵問題等均和電力優(yōu)化調(diào)度保持著密不可分的關(guān)聯(lián)，所以電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度理論和它的算法在現(xiàn)如今及未來的電力市場中都必然展現(xiàn)出不可替代的關(guān)鍵影響。在本文當(dāng)中，主要對經(jīng)典經(jīng)濟(jì)調(diào)度﹑最優(yōu)潮流算法以及動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度這三大類方法在電力市場中的實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

3.1 經(jīng)典經(jīng)濟(jì)調(diào)度

該算法最早于21世紀(jì)70年代末期誕生，并于80年代開始引發(fā)了全世界專家人士的廣泛關(guān)注，當(dāng)時(shí)最早期﹑比較出名的像Schweppe等人發(fā)表的理論。他們由經(jīng)典經(jīng)濟(jì)調(diào)度理論為依托，對實(shí)時(shí)電價(jià)的概述﹑組成及對應(yīng)模型等方面展開了深入的交流與探討，并給出了基于經(jīng)典經(jīng)濟(jì)調(diào)度與直流潮流的實(shí)時(shí)電價(jià)算法[3]。按照這批學(xué)者的觀點(diǎn)，實(shí)時(shí)電價(jià)本質(zhì)上為電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度理論的延展，和經(jīng)濟(jì)調(diào)度﹑無功優(yōu)化和最優(yōu)潮流等均保持著十分密切的關(guān)聯(lián)。然而，此方法最主要的不足在于無法有效的解決節(jié)點(diǎn)無功電價(jià)問題，僅單純地規(guī)定在節(jié)點(diǎn)無功的時(shí)候發(fā)電容量超越約束范圍的情況下，會(huì)產(chǎn)生無功耗費(fèi)；相反，則無功電價(jià)不存在。如此一來，便對電力行業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展造成了很大程度的阻礙。經(jīng)典經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法下，能夠憑借其超快的計(jì)算速度獲得普遍運(yùn)用，然而其僅僅可以考慮到線路的安全約束問題，所以也在某種意義上鉗制了此算法今后在電力市場中的應(yīng)用前景。

3.2 最優(yōu)潮流算法

目前，國內(nèi)的電力市場運(yùn)行體制尚處于初期起步階段，在一系列方面都和發(fā)達(dá)國家電力市場存在著明顯的差距，所以說在參考外國電力市場運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)及專業(yè)理論的時(shí)候，必須以遵從自身的基本國情為出發(fā)點(diǎn)和前提。20世紀(jì)末期，該算法為國內(nèi)專家所提出，在當(dāng)時(shí)電力市場聯(lián)營交易的時(shí)代背景下，選取基于最優(yōu)潮流節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化調(diào)度算法能夠有效化解發(fā)電傳輸擁堵等棘手問題，進(jìn)一步提升處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)的電力系統(tǒng)的安全性能。對最優(yōu)潮流算法進(jìn)行深入研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行的其他優(yōu)化調(diào)度算法（線性規(guī)劃﹑牛頓法﹑內(nèi)點(diǎn)法等）均未能從根本上解決計(jì)算周期較長﹑任務(wù)量過于繁重等難題，因此，這些算法被實(shí)踐運(yùn)用到實(shí)際工作中存在著相當(dāng)大的難度。在此情況下，尋求綜合系統(tǒng)的安全性﹑經(jīng)濟(jì)性的簡化算法是十分緊迫的，唯有如此，最優(yōu)潮流算法的應(yīng)用才更有意義。

3.3 動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度策略

采取這一舉措的主要目的在于及時(shí)掌握電力負(fù)荷的實(shí)際需求，然而，現(xiàn)階段的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度算法想要實(shí)現(xiàn)預(yù)期的實(shí)時(shí)追蹤目標(biāo)仍舊擁有一定的差距，發(fā)電機(jī)組容量的有限性﹑發(fā)電機(jī)組功率﹑變動(dòng)速率不穩(wěn)定等各類要素均會(huì)對電力市場改革過程中動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度策略的推進(jìn)和實(shí)踐產(chǎn)生一定的阻滯。除此之外，現(xiàn)如今的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度算法存在顯著的計(jì)算量較大的問題，鑒于此，進(jìn)行更加深入﹑全面的研究來進(jìn)一步簡化此算法并不斷降低其計(jì)算量是當(dāng)前亟待研究解決的最關(guān)鍵難題之一?？傊?，在未來相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，上述三類方法會(huì)始終共存，而且將會(huì)廣泛的同電力市場融合在一起，對電力系統(tǒng)的健康可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的保障。

4 結(jié)束語

綜上所述，伴隨著電力市場改革進(jìn)程的持續(xù)加快，像經(jīng)典經(jīng)濟(jì)調(diào)度﹑最優(yōu)潮流以及動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度等動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度方法均隨之獲得了巨大的進(jìn)步與更為廣泛的運(yùn)用。然而，在當(dāng)前的電力市場背景下依舊存在著一些亟待解決的問題，它們會(huì)對電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度實(shí)踐和發(fā)展造成極大的阻礙作用。今后，相關(guān)企業(yè)及人員應(yīng)當(dāng)在充分尊重自身基本狀況﹑合理借鑒國外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化對這一課題的研究，以期能夠?yàn)槲覈鴦?dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度策略在電力市場中更廣泛的實(shí)踐應(yīng)用﹑電力建設(shè)進(jìn)程的有效持續(xù)推進(jìn)﹑電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的深入優(yōu)化調(diào)整等貢獻(xiàn)一分力量。