（电力系统及其自动化专业论文）优化旋转备用配置的机组组合研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：鱼 望兰 e t 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：牡导师签名：立臣查l 日期：垄垒掣 山东大学硕士学位论文 摘要。 目录 a b s t r a c t i i i 第一章绪论 1 1 课题的背景与意义1 1 2 国内外研究现状及存在问题2 1 2 1 确定性方法2 1 2 2 概率性方法2 1 2 3 基于成本效益分析的方法3 1 2 4 随机优化方法4 1 2 5 考虑风电的旋转备用配置5 1 3 本文所做的主要工作6 第二章机组组合的线性混合整数模型及求解 2 1i ；i 言9 2 2 机组组合的数学模型1 0 2 2 1 目标函数1 0 2 2 2 约束条件1 1 2 3 机组组合模型的线性化表达1 2 2 3 1 目标函数的线性化1 2 2 3 2 约束条件的处理1 4 2 4 模型求解1 6 2 5 算例分析1 7 2 6 本章小结18 第三章计及用户停电损失的机组组合方法1 9 3 1 引言1 9 3 2 问题的总体描述2 0 3 2 1 目标函数2 0 3 2 2 约束条件2 0 3 3 电量不足期望值的解析表达2 1 3 4 模型的求解2 3 3 5 算例分析2 4 3 6 本章小结2 8 第四章基于多场景的概率机组组合方法。2 9 4 1 引言2 9 4 2 问题的总体描述3 0 4 2 1 目标函数3 0 4 2 2 约束条件。3l 4 3 模型的求解策略3 4 4 3 1 各场景发生概率的预测。3 4 山东大学硕士学位论文 4 3 2 模型求解3 5 4 4 算例分析3 5 4 5 本章小结3 9 第五章多场景概率机组组合在风电分析中的应用4 l 5 1 弓i 言z 1 1 5 2 系统运行场景的获取4 2 5 2 1 风电出力预测及误差分布。4 2 5 2 2 系统的运行场景4 2 5 3 模型的数学描述。4 3 5 3 1 目标函数4 3 5 3 2 约束条件。4 4 5 4 模型求解与算例分析。4 5 5 4 1 模型求解。4 5 5 4 2 算例分析。4 6 5 5 最优经济接入风电功率的确定。4 8 5 6 本章小结5 0 第六章结论与展望5 l 参考文献5 3 附录a o ，l 变量乘积的等效表达5 9 j 目c 谢6 l 攻读硕士学位期间所发表的论文及参与的项目6 2 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h ) 。i a b s t r a c t ( e n ) 1 i l c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2d o m e s t i ca n df o r e i g ns t u d i e sr e v i e w 。2 1 2 1d e t e r m i n i s t i cm e t h o d 2 1 2 2p r o b a b i l i s t i cm e t h o d 2 1 2 3c o s t b e n e f i ta n a l y s i sm e t h o d 。3 1 2 4s t o c h a s t i cm e t h o d 。4 1 2 5s p i n n i n gr e s e r v eo p t i m i z a t i o nc o n s i d e r i n gw i n dp o w e rg e n e r a t i o n 5 1 3m a i nw o r ko ft h et h e s i s 6 c h a p t e r2m i x e d - i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e lo fu n i tc o m m i t m e n t a n di t ss o l u t i o n 。9 2 1i n t r o d u c t i o n 9 2 2m a t h e m a t i c a im o d e io fu n i tc o m m i t m e n t 1 0 2 2 1o b j e c t i v ef u n c t i o n 1 0 2 2 2c o n s t r a i n t s 11 2 3l i n e a r i z a “o no fu n i tc o m m i t m e n tm o d e l 1 2 2 3 1 l i n e a r i z i n gt h eo b j e c t i v ef u n c t i o n 13 2 3 2 l i n e a r i z i n gt h ec o n s t r a i n t s 1 4 2 4 t h ea l g o r i t h m 1 6 2 5c a s es t u d i e s 1 7 2 6s u m m a r y 。1 8 c h a p t e r3u n i tc o m m i t m e n tc o n s i d e r i n ge x p e c t e dc u s t o m e ri n t e r r u p t i o n c o s t 1 9 3 1i n t r o d u c t i o n 1 9 3 2 d e s c r i p t i o no ft h ep r o p o s e dm o d e l 2 0 山东大学硕士学位论文 3 2 1 o b j e c t i v ef u n c t i o n 2 0 3 2 2c o n s t r a i n t s 2 0 3 3t h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o no fe e n s 2 1 3 4 s o l v i n gm e t h o d 2 3 ：3 5c a s es t u d i e s 2 4 3 6s u m m a r y 2 8 c h a p t e r4p r o b a b i l i s t i cu n i tc o m m i t m e n tb a s e do nm u l t i - s c e n a r i o t e c h n i q u e 2 9 4 1i n t r o d u c t i o n 2 9 4 2d e s c r i p t i o no ft h ep r o p o s e dm o d e l 3 0 4 2 1 o b j e c t i v ef u n c t i o n 3 0 4 2 2c o n s t r a i n t s 。3 1 4 3s o l v i n gm e t h o d ：3 4 4 3 1 p r o b a b i l i t yf o r e c a s to fe a c hs c e n a r i o 3 4 z i 3 2s o l v i n gm e t h o d 3 5 4 4c a s es t u d i e s 3 5 4 5s u m m a r y 3 9 c h a p t e r5a p p l y i n gp r o b a b i l i s t i cu n i tc o m m i t m e n tb a s e do nm u l t i - s c e n a r i o t e c h n i q u et ow i n dp o w e rg e n e r a t i o n 4 1 5 1 i n t r o d u c t i o n 。4 1 5 2a c q u i r i n gs y s t e mo p e r a t i o ns c e n a r i o s 4 2 5 2 1f o r e c a s to fw i n dp o w e ra n df o r e c a s te r r o rd i s t r i b u t i o n 4 2 5 2 2s y s t e mo p e r a t i o ns c e n a r i o s ，4 2 5 3d e s c r i p t i o no f t h ep r o p o s e dm o d e l 4 3 5 3 1 o b j e c t i v ef u n c t i o n 。4 3 5 3 2c o n s t r a i n t s 。4 4 5 4s o l v i n gm e t h o da n dc a s es t u d i e s 。4 5 5 4 1 s o l v i n gm e t h o d 。4 5 5 4 2c a s es t u d i e s 4 6 山东大学硕士学位论文 5 5o p t i m i z a t i o no f w i n dp o w e r p e n e t r a t i o n 4 8 5 6s u m m a r y 5 0 c h a p t e r6c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t 5 1 r e f e r e n c e s 5 3 a p p e n d i xal i n e a re x p r e s s i o n so f t h ep r o d u c to fb i n a r yv a r i a b l e s 5 9 a c k n o w l e d g e m e n t 6 1 p a p e r sp u b l i s h e do ra c c e p t e da n dr e s e a r c hw o r k 6 2 l 山东大学硕士学位论文 山东大学硕士学位论文 摘要 备用配置是系统抵御风险，提高运行可靠性的重要手段，也是系统运行安全 与经济协调决策的问题。随着电力工业的发展和市场机制的引入，系统运行过程 中的不确定因素不断增多，更加凸显备用配置的重要性，本文在这一背景下选择 此课题进行深入研究，有重要的理论意义和现实价值。 在国内外研究成果的基础上，针对系统运行过程中不确定因素的处理，本文 将概率优化理论引入到机组组合和旋转备用配置过程中，力求在系统运行安全与 经济协调思想的指导下，实现电能与备用的同步优化以及摆脱人为决策的弊端， 实现备用的自动配置，达到在机组组合的同时优化旋转备用的目的。 首先，本文介绍了一种实用的机组组合线性混合整数模型及求解方法。该方 法通过对原机组组合模型中非线性目标函数和约束条件进行线性化处理，将之转 化为线性混合整数模型，并利用成熟的商业优化软件进行求解。该方法可以方便 地对机组组合模型进行扩充，使研究人员专注于模型研究而不用担心算法问题。 随后，就机组组合过程中运行风险与旋转备用优化配置间关系的问题进行研 究，提出了计及用户停电损失的机组组合方法。将备用不足造成的用户停电损失 加入到机组组合目标中，通过成本和风险在目标中的相互牵制，实现系统运行安 全与经济的协调，能够自动配置适宜的备用。在评估用户期望停电损失时，将电 量不足期望值( e x p e c t e de n e r g yn o ts e v e r e d ，e e n s ) 解析表达成机组状态、出力 及备用的函数，从而将风险与机组组合有机关联，实现备用配置和机组组合求解 完整一体的优化决策。 在此基础上，提出了基于多场景的概率机组组合方法。该方法将系统的运行 过程分为多个场景，把计及用户停电损失的思想应用于每个场景，以场景发生的 概率协调系统在各场景下的调度决策，并以旋转备用作为正常和事故场景之间机 组的调整限制，因此通过安全与经济的协调，能够在机组组合的过程中自动配置 合适的备用。同时该方法将网络安全约束和事故后机组组合策略的再调整纳入到 模型中，保证系统在各场景下的决策方案均不会造成线路过载。 最后，将基于多场景的概率机组组合方法应用于含风电场电力系统。通过对 风电预测误差进行概率表达，建立基于多场景的含风电场概率机组组合模型，能 i 山东大学硕士学位论文 够自动为风电出力的波动配置适宜的备用，且模型中考虑了网络安全约束对机组 组合和备用决策的影响。在所建模型基础上，从风电并网经济价值分析的角度， 提出了一种以风电并网后系统期望成本最小为目标，确定节点最优经济接入风电 功率的方法，对风电的调度和规划具有指导意义。 关键词：电力系统，机组组合，旋转备用，风力发电，线性混合整数规划 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s p i n n i n gr e s e r v e ( s r ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s o u r c e su s e db ys y s t e m o p e r a t o r st om a i n t a i ns y s t e ms e c u r i t ya n di m p r o v eo p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t y ，w h i c hi sa l s o ad e c i s i o n - m a k i n gp r o b l e mc o o r d i n a t i n gs y s t e mo p e r a t i o ns e c u r i t ya n de c o n o m y w i t h t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a l i n d u s t r y a n di n t r o d u c t i o no fm a r k e t m e c h a n i s m ， c o n s t a n t l yi n c r e a s i n gu n c e r t a i n t i e sd u r i n gs y s t e mo p e r a t i o np r o c e s sh a v eh i g h l i g h t e dt h e i m p o r t a n c eo fs r i t so b v i o u s l ym e a n i n g f u lf o rt h i st h e s i st oc h o o s et h i ss u b j e c tf o r d e e pr e s e a r c h b a s e do np r e v i o u sa c h i e v e m e n ta th o m ea n da b r o a d ，t h et h e s i sf o c u s e so n u n c e r t a i n t i e si ns y s t e mo p e r a t i o np r o c e s sa n di n t r o d u c e sp r o b a b i l i t yo p t i m i z a t i o nt h e o r y t ou n i tc o m m i t m e n ta n ds ro p t i m i z a t i o n t om a k eu n i tc o m m i t m e n ta n ds r o p t i m i z a t i o nm o r ei n t e l l i g e n ta n dr e a s o n a b l e ，t h et h e s i ss t r i v e st oa c h i e v ec o o r d i n a t i o n o fs y s t e m o p e r a t i o ns e c u r i t y a n d e c o n o m y i nu n i t c o m m i t m e n t ，s i m u l t a n e o u s o p t i m i z a t i o no fg e n e r a t i o na n ds rr e q u i r e m e n t ，a sw e l la ss h e d d i n go f ft h ed r a w b a c ko f h u m a nd e c i s i o n f i r s t l y ，t h i st h e s i si n t r o d u c e s ap r a c t i c a l m i x e d i n t e g e r l i n e a rm o d e lo fu n i t c o m m i t m e n ta n di t ss l o v i n gs t r a t e g y t h en o n l i n e a ro b j e c t i v ef u c t i o na n dc o n s t r a i n t so f u n i tc o m m i t m e n ti st r a n s f o r m e di n t ol i n e a rf o r m ，a n dt h e r e f o r et h el i n e a rf o r mc a nb e s l o v e db yl a r g e s c a l ec o m m e r c i a lo p t i m i z a t i o ns o f t w a r e t h i sm e t h o dc a nc o n v e n i e n t l y m a k ee x t e n s i o no fu n i tc o m m i t m e n t ，a n dm a k er e s e a r c h e r sc o n s a n t r a t e do nu n i t c o m m i t m e n tm o d e lb u tn e v e rm i n dt h es l o v i n ga l g o r i t h m t h e n ，b a s e do nt h er e s e a r c ho nr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns y s t e mo p e r a t i o nr i s ka n ds r r e q u i r e m e n t ，au n i tc o m m i t m e n tm o d e lc o n s i d e r i n ge x p e c t e dc u s t o m e ri n t e r r u p t i o nc o s t ( e c o s t ) i sp r o p o s e d t h ep r o p o s e dm o d e lw h i c ha d d se c o s ti n t ou n i tc o m m i t m e n t o b je c t i v ef u n c t i o n ，c a na u t o m a t i c a l l yd e t e r m i n eo p t i m a ls rc a p a c i t yb ym a k i n g c o m p r o m i s eb e t w e e ns y s t e mo p e r a t i o nc o s ta n de c o s t s y s t e me x p e c t e de n e r g yn o t s u p p l i e d ( e e n s ) i se x p r e s s e da n ds i m p l i f i e db yu n i tc o m m i t m e n tv a r i a b l e sw h e na s s e s s e c o s t ，s oa st oa c h i e v es i m u l t a n e o u so p t i m i z a t i o no fg e n e r a t i o na n ds rr e q u i r e m e n t i l l 山东大学硕士学位论文 i nu n i tc o m m i t m e n t b a s e do na b o v e ，ap r o b a b i l i s t i cu n i tc o m m i t m e n tm o d e lb a s e do nm u l t i s c e n a r i o t e c h n i q u ei sp r o p o s e d i nt h ep r o p o s e dm o d e l ，s y s t e mo p e r a t i o np r o c e s si sr e p r e s e n t e d b ys e v e r a ls c e n a r i o s e c o s tu n d e re v e r ys c e n a r i oi sc o n s i d e r e di nu n i tc o m m i t m e n t ， s y s t e mc o s ta n do p e r a t i o nr i s ku n d e re v e r ys c e n a r i oi sc o o r d i n a t e db ye a c hs c e n a r i o o c c u r r e n c e p r o b a b i l i t y n e t w o r ks e c u r i t y c o n s t r a i n t sa n dr e a d j u s t m e n t so fu n i t c o m m i t m e n ta r e rc o n t i n g e n c i e sa r ei n c l u d e di nt h em o d e l ，s oa st o g u a r a n t e et h e d e c i s i o np l a i nd o e s n tv i o l a t et r a n s m i s s i o nl i m i t so fl i n e si na l ls c e n a r i o s a tl a s t ，p r o b a b i l i s t i cu n i tc o m m i t m e n tm o d e lb a s e do nm u l t i s c e n a r i ot e c h n i q u ei s a p p l i e dt op o w e rs y s t e mw i t hw i n dp o w e rg e n e r a t i o n b yp r o b a b i l i s t i ce x p r e s s i o no f w i n dp o w e rf o r e c a s te r r o r ，p r o b a b i l i s t i cu n i tc o m m i t m e n tm o d e lo fp o w e rs y s t e mw i t h w i n dp o w e rg e n e r a t i o nb a s e do nm u l t i - s c e n a r i ot e c h n i q u ei se s t a b l i s h e d a n ds r r e q u i r e m e n ta c c o r d i n gt ow i n dp o w e rf l u c t u a t i o ni sa u t o m a t i c a l l yo p t i m i z e d n e t w o r k s e c u r i t yc o n s t r a i n t sa l ei n c l u d e di nt h em o d e lt oc o n s i d e ri t si m p a c to nu n i tc o m m i t m e n t a n ds ro p t i m i z a t i o n f r o mt h ev i e wo fw i n dp o w e re c o n o m i cv a l u ea n a l y s i s an e w m e t h o dt od e t e r m i n eo p t i m a lw i n dp o w e r p e n e t r a t i o ni ne a c hb u si sp r e s e n t e db a s e do n t h ep r o p o s e du n i tc o m m i t m e n tm o d e l t h em e t h o dw h i c ha i m sa tm i n i m i z i n gs y s t e m e x p e c t e dc o s tc a nd e t e r m i n eo p t i m a le c o n o m i cw i n dp o w e rp e n e t r a t i o ni ne a c hb u sa n d d oh a v es i g n i f i c a n tm e a n i n gi ns c h e d u l i n ga n dp l a n n i n go fw i n dp o w e r k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，u n i tc o m m i t m e n t ，s p i n n i n gr e s e r v e ，w i n dp o w e r g e n e r a t i o n ，m i x e d - i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g i v 山东大学硕士学位论文 1 1 课题的背景与意义 第一章绪论 随着电力工业的发展和市场化改革的进行，我国电力系统迅猛发展。特高压 交直流输电投入运行，核电和新能源发电装机容量稳步增长，微电网技术也取得 长足进步，电网规模日益庞大，运行环境更加复杂，与此同时，电力系统运行过 程中面临的不确定因素也不断增多【l ，2 】。由此引发的机组突发故障、线路过载停运 时有发生，给社会造成很大经济损失。在新能源发电方面，我国风电装机容量飞 速增长，在部分地区其占系统总装机容量的比例已不容忽视【3 】，风电出力的随机性 和间歇性使系统面临更多的不确定性因素。由此，传统的电力系统调度理论面临 挑战和完善。 电力系统有功调度一般按时间级划分为几类任务，是时序递进的过程，机组 组合是其中承上启下的重要环节。所谓机组组合，是在系统未来负荷水平已知的 条件下，决策各机组在研究周期内的启停状态及出力水平，同时配置必需的旋转 备用，以应对负荷波动和元件强迫停运引起的供需不平衡。其中，备用( 如无特 别说明，本文中均指旋转备用) 配置是系统抵御风险，提高运行可靠性的重要措 施。备用配置过多会增加系统的运行成本，过少则会增大系统的运行风险，因而 备用配置是系统运行安全与经济协调的决策问题【4 训。传统的备用配置方法往往是 在机组组合中显式化系统的备用约束或可靠性约束，这一刚性约束一方面在应对 系统运行中的各种不确定因素时不具针对性，难以揭示备用产生的根源：另一方 面需要人为设定必须满足的备用容量或可靠性指标，不符合柔性决策的思想，容 易造成决策过程中的保守或冒进，安全与经济间缺乏协调【1 7 1 。大规模风电并网以后， 系统运行过程中面临的不确定性更大，如何通过优化备用配置应对风电的随机性 和间歇性，保证系统的安全经济运行，也成为当前迫切需要解决的问题【8 j 。近年来， 概率优化调度【9 1 0 1 、价值调度理论【1 l 】等相继提出，概率优化和随机优化【1 2 】方法在处 理不确定性问题上日渐显露出优势，给上述问题的解决开辟了新思路。 合理的机组组合计划能有效节省一次能源，延长机组使用寿命，带来可观的 经济效益；合理配置备用则可节约系统的运行成本，降低运行风险。因此，在当 i 山东大学硕士学位论文 前形势下，本课题结合电力系统发展实际，对机组组合及备用决策方法进行深入 探讨，寻找适应新形势且符合市场机制操作的机组组合及备用配置方法。这不但 对丰富和发展电力系统运行调度理论有重要意义，同时对促进电力系统运行过程 中安全经济的协调，提高资源的利用率和促进节能减排工作的开展，都有重要的 价值。 1 2 国内外研究现状及存在问题 旋转备用的优化配置与多种因素有关，如电力系统的运营模式、电源结构、 电网规模、负荷水平以及元件的可靠性水平等。随着电力工业的运营体制、理念， 以及元件技术水平的不断变化，机组组合中旋转备用的优化配置研究也在不断发 展。本节对传统机组组合中旋转备用配置方法和考虑风电场的旋转备用配置方法 进行回顾、评述与总结，以求深入理解该问题的本质。 1 2 1 确定性方法 确定性方法是电力系统中最早采用的备用配置方法，它将机组停运或负荷波 动造成的供需不平衡按照某一设定准则量化为旋转备用容量，侧重点可以是机组 故障停运的不确定性、负荷波动的不确定性或两者兼顾。常用的准则有：一l 规 则，即备用容量必须大于或等于在线运行最大机组的容型4 5 】，这在我国大部分地 区以及美国p j m 电力联营体的南部地区都有采用；负荷百分比规则，即系统的备用 容量必须大于或等于负荷的某一百分比，如美国p j m 西部地区；或前两者相结合的 规则，如西班牙的电力系统规定备用容量必须等于在线运行最大机组的容量和2 的预测负荷之和。 确定性的备用配置方法简单、易实现，能保证系统达到一定的可靠性水平， 也符合集中模式下电力为公共产品，不区分责任、相对粗放的运营管理需要，在 电力系统运行中得到广泛应用。 1 2 2 概率性方法 2 若计及机组可靠性水平的差异，使用确定性的备用配置方法，在不同的组合 山东大学硕士学位论文 状态和出力水平下，机组随机停运对系统可靠性的影响差别很大，难以保证系统 在不同时段维持一致的可靠性水平。为此，有学者提出了以概率分析为基础的备 用配置方法1 1 3 1 ，即在考虑系统可靠性水平的基础上配置备用，以系统的可靠性约 束代替必须满足的备用约束。常用的系统可靠性指标主要有两种：电力不足概率 ( l o s so fl o a dp r o b a b i l i t y ，l o l p ) 和电量不足期望值( e x p e c t e de n e r g yn o ts e v e r e d ， e e n s ) 。由于可靠性指标和机组状态、出力及备用之间没有显式的函数关系，而 传统的可靠性指标计算使用随机生产模拟【1 4 , 1 5 】，难以和机组组合直接关联，因此 计及可靠性约束的机组组合求解成为研究的关注焦点，代表性的研究分为两类。 一类研究是将给定备用条件下机组组合求解与组合确定情况下的可靠性指标 计算相结合，通过迭代逐步修正备用容量，直到求得满足要求的解【1 6 。1 7 】。但这类 方法求解速度较慢，而且很难求得最优解，尚称不上真正意义的优化。另一类以 文 1 8 2 0 为代表，通过对系统条件的近似处理，可获取机组组合中可靠性约束的 明确显式表达，从而实现可靠性指标计算和机组组合求解的有机关联，完成数学 概念下的整体优化。其中，文【1 8 】采用指数函数对离散的机组停运容量累积概率表 ( c o p t 表) 进行拟合，将机组停运容量累积概率近似表达为机组状态的函数；文 【1 9 】采用高斯函数对c o p t 表进行拟合，提高了拟合精度i 文 2 0 通过引入一系列 o ，1 ) 变量把l o l p 近似表达为机组状态