（电力系统及其自动化专业论文）基于ccp的含风电系统旋备计划优化方法研究.pdf

p 士：i明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于机会约束规划的含风电场电 力系统的旋备获取方法研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师 指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和 致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：多乜 e l 期：乡! 呈：多：1 秒学位论文作者签名：多够期：蛰! 呈：兰：旧 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力人学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向 有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制 并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的 全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) e 1期：垄坠j ! f o 华北电力大学硕十学位论文 摘要 为保障电力系统安全稳定运行，需维持一定备用容量尤其旋转备用容量。旋转 备用总量通常用传统确定性方法确定，该方法通常以满足系统安全稳定运行为首要 考虑因素，较少考虑系统不确定随机因素对旋转备用总量及系统经济性的影响。近 年来，由于并网运行风电场规模和数量的增加，电力系统安全稳定运行的不确定性 影响因素也不断增多。为反映风电对电力系统备用容量不确定性的影响，本文结合 我国目前开展的节能发电调度工作，分析了节能发电调度对辅助服务特别是备用服 务的影响，以含风电系统为研究对象，建立了风电出力偏差的概率密度函数，基于 机会约束规划方法，构建了考虑负荷预测误差、风电出力偏差以及发电机组的故障 停运等不确定随机因素的节能发电调度机制下的旋转备用优化模型。该模型通过设 定旋转备用被满足的概率大于给定置信度的约束条件，反映了旋转备用充裕水平对 系统经济性的影响。算例分析表明，在满足系统可靠性的前提下，本文模型的经济 性优于传统模型，同时，模型中风电出力偏差采用本文建立的概率分布较之正态分 布的可靠性更佳，通过置信度的合理选取，本文模型可实现可靠性与经济性的平衡。 关键词：电力市场，旋转备用，风电，机会约束规划 a b s t r a c t t oe n s u r et h es a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m ，r e s e r v e e s p e c i a l l y s p i n n i n gr e s e r v ei sn e e d e d t h et o t a la m o u n to fs p i n n i n gr e s e r v ei su s u a l l yd e t e r m i n e d b yt r a d i t i o n a ld e t e r m i n i s t i cm e t h o dw h i c ht a k e st h ef a c tt h a tt h es y s t e mi ss a f ea st h e f i r s tf a c tw h i c hi st a k e ni n t oa c c o u n t w h e nt h es t o c h a s t i cf a c t o r sa r es e l d o mt a k e ni n t o a c c o u n t i nr e c e n ty e a r s ，t h es i z ea n dn u m b e ro ft h eg r i d c o n n e c t e dw i n dp o w e re n h a n c e r a p i d l y i no r d e rt oc o n s i d e rt h eu n c e r t a i ni n f l u e n c e so ft h ew i n dp o w e ro nt h ep o w e r s y s t e mr e s e r v e s ，b yt a k i n gw i n dp o w e ri n t e g r a t e ds y s t e ma st h er e s e a r c ho b je c ta n d c o m b i n i n gt h ee n e r g ys a v i n gd i s p a t c h i n go fp o w e rg e n e r a t i o nt h a to u rc o u n t r yl a u n c h e s a t p r e s e n t ，t h i sp a p e rc o n s t r u c t st h ep r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o no ft h ew i n dp o w e r f o r e c a s te r r o ra n de s t a b l i s h e sam a t h e m a t i c a lm o d e lo f p r o c u r i n gs p i n n i n gr e s e r v eb a s i n g o nt h ec h a n c e c o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n gi nw h i c ht h eu n c e r t a i na n ds t o c h a s t i cf a c t o r sa r e c o n s i d e r e d t h em o d e lr e f l e c t st h ei n f l u e n c eo fa b u n d a n c el e v e ro fs p i n n i n gr e s e r v eo n t h ee c o n o m yo fs y s t e mb ys e t t i n gt h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n t h ea n a l y s i ss h o w st h a tu n d e r t h ep r e m i s eo fs y s t e mr e l i a b i l i t y , t h ee c o n o m yo ft h i sm o d e li sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a l m o d e l ，a n dt h er e l i a b i l i t y i sb e t t e rw h e nt h ew i n dp o w e rf o r e c a s te r r o ro b e y st h e p r o b a b i l i t yd i s t i l b u t i o ne s t a b l i s h e di nt h ep a p e rt h a nt h en o r m a ld i s t r i b u t i o na n dt h e m o d e lc a nr e a l i z et h eb a l a n c eb e t w e e nt h er e l i a b i l i t ya n de c o n o m yo fs y s t e m w a n gf e i ( e l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gl i z i k e yw o r d s ： e l e c t r i c i t ym a r k e t ，s p i n n i n gr e s e r v e ， w i n d p o w e r , c h a n c e - c o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n g 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 论文研究背景1 1 1 1 备用服务及其市场化1 1 1 2 节能发电调度与备用服务2 1 1 3 风力发电的发展及其对辅助服务计划的影响3 1 2 论文研究意义4 1 3 国内外研究现状5 1 3 1 国内外备用服务市场5 1 3 2 备用服务计划优化模型及算法6 1 3 3 节能发电调度7 1 4 本论文研究的目的和主要工作8 第二章机会约束规划方法1o 2 1 引言1 0 2 2 机会约束规划模型1 0 2 3 机会约束规划问题的求解方法1 2 2 3 本章小结1 4 第三章风电出力偏差的概率分布分析15 3 1 风电机组出力预测1 5 3 2 风电出力偏差的概率分布分析1 6 3 2 1 风电出力偏差的概率密度曲线1 6 3 2 2 风电出力偏差概率密度曲线的峰度分析1 7 3 3 本章小结1 8 第四章含风电场电力系统节能发电调度与旋备计划优化模型1 9 4 1 节能发电调度与市场机制下的同发电调度的区别啼引1 9 4 2 节能发电调度对旋转备用计划的影响2 0 4 3 节能发电调度下基于机会约束规划的旋备计划优化模型2 0 4 3 1 旋备服务作为电能量计划的约束条件2 1 4 3 2 电能量计划与旋备服务计划分步优化模型2 3 4 3 3 电能量计划与旋备服务计划联合优化模型2 4 4 4 本章小结2 4 华北电力大学硕十学位论文 第五章含风电电力市场电能量现货交易计划与旋备优化模型2 6 5 1 电能量现货市场与备用市场的价格决策方法2 6 5 2 基于机会约束规划的旋备计划优化模型2 8 5 2 1 旋备服务作为电能量计划的约束条件2 8 5 2 2 电能量计划与旋备服务计划分步优化模型2 9 5 2 3 电能量计划与旋备服务计划联合优化模型2 9 5 3 决策流程2 9 5 4 算例分析3 0 5 4 1 基础数据3 0 5 4 2 求解算法3 l 5 4 3 优化结果3 3 5 4 4 结果分析3 5 5 5 本章小结3 5 第六章结语3 6 参考文献3 8 致谢4 2 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 3 华北电力大学硕士学位论文 1 1 论文研究背景 1 1 1 备用服务及其市场化 第一章绪论 辅助服务【l - 2 】是指为了保证电力系统安全、电力交易和电力供应，由发电商或其 他提供方提供的除正常电能生产之外的额外服务。备用服务作为辅助服务的重要组 成部分之一，是指电力系统除满足预计负荷需求外，为保证电能质量和系统安全稳 定运行而保持的有功功率储备。 在传统的垂直垄断的电力工业中，发电机提供电能还是备用完全由调度员决 定，也并不单独核算备用的成本或对其计费。在电力市场环境下，电厂成为独立的 经济实体，如果仅是基于发电量的多少来付费，那么发电商的目标就是开机并在经 济出力的上限运行。因此，如果没有备用的额外付费或者系统的强制命令，很难有 发电商会自愿提供有额外成本支出的辅助服务，由此可能会导致系统备用不足。 发达国家电力市场的构建比我国早，特别是美国、英国、北欧 3 - 5 】、澳大利亚 等国家已经有相对完善的电力市场和一定的市场运行经验，这些国家在其电力工业 市场化改革过程中，已将备用服务从电量交易市场中分离出来，建立独立竞价的备 用市场，与电量交易市场并行，通过市场竞争获取备用服务，以提高辅助服务的质 量和效率，降低电力系统的总体运行成本。 而我国电力体制改革及电力市场建设相关理论研究尚未成熟，实践也处于探索 阶段，目前，电力市场的建设遵循总体设计、分步实施、配套推进、平稳操作的基 本原则，并将建立辅助服务市场作为中期目标。在现有电源结构、电网结构、电力 调度管理体制及电力调度技术水平下，为坚持统一的系统调度，保证电网安全运行， 对辅助服务市场化问题考虑得不多，辅助服务多采用电力调度中心统一调度的方 式，并且一般情况下都是由发电企业无偿提供的。 我国目前的发电侧电力市场仅限于电量市场。在电力市场环境下，如何进行备 用服务的市场组织、指标量化和费用结算等问题急待解决。在我国传统的调度机制 下，电厂提供备用服务是无偿的，所以，发电企业没有参与备用服务的积极性。在 我国引入市场机制、引导市场参与者积极提供备用服务，能够更有效地提高系统运 行的安全性和稳定性。由于备用服务与电能生产的耦合性较强，各类备用服务的综 华北电力大学硕十学位论文 合决策较复杂，合理组织并协调市场、量化备用服务并制定合理的价格、优化系统 运行仍是电力市场理论和实践中的难点。 1 1 2 节能发电调度与备用服务 我国过去的发电调度大多是采取了同类机组平均分配发电利用小时数的办法。 此办法表象公平，操作公开，但实际上并不能保证公平性，在过分要求平均分配发电 小时数时，很多高效环保机组发电能力无法充分发挥，而低效高能耗机组却过多出 力造成了能源浪费和污染物过量排放。近几年来，随着国民经济的持续快速发展， 全社会对电力的需求显著增加，全国进入了新一轮用电紧张时期，为了给国民经济 的发展提供强大的动力支持，缓解全国性的缺电局面，电力工业得到了迅速的发展。 但是一方面近年来国际能源价格节节攀升，另一方面与发达国家相比，中国低效率、 高能耗的传统粗放性增长方式和产业结构没有得到根本改变，使资源环境的制约作 用日益突出。因此国家“十一五 规划纲要提出，到2 0 1 0 年单位国内生产总值能 源消耗要降低2 0 左右，主要污染物排放总量减少1 0 ，每年g d p 能耗需降低4 。 目前我国发电供热用煤占全国煤炭生产总量的5 0 左右【6 】，大约全国9 0 的二氧化 硫排放由煤电产生，8 0 的二氧化碳排放量由煤电排放。 鉴于上述原因，2 0 0 7 年8 月国务院颁发了节能发电调度办法( 试行) ( 国办 发( 2 0 0 7 ) 5 3 号) ( 简称办法) ，办法针对经济发展带来的一系列能源环境 问题而提出，旨在通过办法的实施解决机组发电过程中的能源浪费和污染过量排放 问题，其主要精神是根据机组的能耗和污染物排放量排序进行调度。 办法中明确了节能发电调度以确保电力系统安全稳定运行和连续供电为前 提，以节能、环保为目标，通过对各类发电机组按能耗和污染物排放水平排序，以 分省排序、区域内优化、区域间协调的方式，实施优化调度。这一调度方式的改革 是促进电力工业节能减排、实现国家“十一五 节能减排目标的重要举措，为建立 电力行业的长效节能机制奠定了基础；同时，该办法强调节能发电调度应与电力市 场建设工作相结合充分发挥电力市场的作用，努力做到单位电能生产中能耗和污染 物排放最少。 节能发电调度就是按照节能、环保、经济的原则，以保证电网安全运行，保障 电力可靠供应为前提，以合理的运行方式，满足用电需求的条件下，在电力生产、 供应的环节中，达到全网节能、降耗、减排等综合效益最大。改革现行发电调度方 式，开展节能发电调度，对于减少能源消耗和污染物排放，推动国民经济又好又快 发展，具有重要意义。 实施节能发电调度，是对发电调度的重大改革，也会对原有备用服务计划方式 带来许多新的问题和影响，原有的备用服务计划方式将不能满足节能发电调度的需 2 华北电力大学硕士学位论文 要，应当将节能发电调度对节能环保的要求相应的体现在备用计划的制定中，因此， 为了更好地实施节能发电调度，应该综合考虑新调度办法实施后电网及发电企业格 局变动的实际情况，相关问题需要进行更加深入的讨论。 1 1 3 风力发电的发展及其对辅助服务计划的影响 随着现代工业的飞速发展，人类对能源的需求明显增加，而地球上可利用的常 规能源日趋匮乏。为实现能源的持续发展，世界各国都开始开发新能源和可再生能 源。风能是一种干净的能源，可以说是一种取之不尽、用之不竭的新能源。风能储 量非常巨大，理论上仅1 的风能就能满足人类能源需要。风力发电是风能利用最 重要的形式，也是当今世界能源开发利用中技术最成熟、最具商业化开发前景的领 域之一。大规模利用风力发电则是当今世界各国为解决能源紧缺、降低温室气体排 放、提高环境质量而采取的一项有效措施。 自1 9 7 5 年以来，风力发电机的研制取得了长足的进步，风力发电的成本不断 降低。1 9 8 0 1 9 8 1 年间，5 5 k w 风力发电机组的研制成功是现代风机制造技术的重大 突破，随着这种风力发电机组的出现，单位千瓦时的风力发电成本大约下降了5 0 ， 在美国加里福尼亚p a l ms p r i n g s 安装了上千台这样的风机，风力发电产业逐步壮大 7 - 1 7 】。截至到2 0 0 8 年底，世界风电总装机容量己达1 2 1 1 8 8 m w ，2 0 0 8 年风电装机容 量排在前四位的国家为：美国2 5 1 7 0 m w ，德国2 3 9 0 3 m w ，西班牙1 6 7 4 0 m w ，中 国1 2 2 1 0 m w ，而在2 0 0 5 年底中国风电总装机容量仅为1 2 6 6 m w ，位居世界第八位 【l 引，由此可见世界与中国的风力发电速度之迅猛。 我国的发电结构长期处于不合理的局面，火电所占比例过大，由此带来日益严 重的燃料资源缺乏和环境污染问题。因此，必须寻找一条可持续发展的能源道路。 我国风能资源十分丰富，尤其是三北地区( 西北、华北北部、东北) 及东南沿海地 区有丰富的风能资源，而这些地区又都存在能源短缺及环境污染的问题，因此通过 利用风力发电来改变能源结构并改善环境，实为能源开发领域中重要的策略之一。 风力发电的原动力是风，而自然界风的变化是很难预测的，风的季节变化和日 变化性大，风速和风向的变化，影响着风力发电机发出的功率，由于这种功率的不 稳定性，就导致风电的并网运行会对电网的安全稳定、电能质量等方面造成不利的 影响。 由于大规模并网风电场具有大容量、动态及随机性等特点，尤其是其随机性给 电力系统的经济调度和安全运行带来了新的挑战和要求，引入了更多的不确定性因 素，也对电力系统辅助服务计划的制定带来了不确定因素的影响。传统的辅助服务 计划没有涉及风电场并网运行情况，当大规模风电场接入系统时，若继续沿用原有 的辅助服务计划必然会导致系统缺额情况出现机率增加从而使电力系统的安全稳 华北电力大学硕+ 学位论文 定运行受到影响。为了消除风电随机性波动对系统的不利影响，主要有2 种策略： 一是限制系统准入的风电功率，使其造成的影响处于系统的承受能力范围以内；二 是调整系统的旋转备用，在制定备用服务计划的时候考虑大规模并网风电场带来的 不确定因素，从而提高系统的动态响应能力，随时弥补风电波动造成的功率不匹配。 本文将对第二种策略进行研究。 1 2 论文研究意义 为保障电力系统的安全稳定运行，电力系统需要维持一定的备用容量尤其是旋 转备用容量以维持电力系统的安全可靠性、提高系统运行质量。电力市场环境下， 系统的旋转备用计划将不再是简单的运行调度问题，行政和隶属关系的变化、利益 主体的多元化等因素都使旋转备用服务的获取遇到了许多新的挑战，而且旋转备用 服务与电能量耦合性强，发电公司是否愿意提供旋转备用将越来越取决于自身的经 营目标、机组的技术特性以及市场的激励机制。在我国传统的调度机制下，电厂提 供旋转备用服务是无偿的，所以，发电企业并没有参与旋转备用服务的积极性。 我国目前在发电侧开展的电力市场仅限于电能量市场，在电力市场竞争进行 后，电网运行方式快速、复杂的变化，使其控制和调度的难度加大，造成了很多安 全方面的问题。在旋转备用服务领域引入竞争机制可以使其更好的与电能量市场相 衔接，引导市场参与者积极提供旋转备用服务，从而更有效地提高系统运行的安全 性和稳定性。因此，有必要将旋转备用服务作为一类电力商品，通过旋转备用服务 的调度机制来保障系统旋转备用服务供给的充裕性。 特别的，我国当前正在开展节能发电调度工作，节能发电调度的实施对电力系 统运行管理方式、利益格局将带来一定的调整，也会对旋转备用服务的计划方式带 来许多新的问题并产生较大的影响。 传统计划调度下同类机组平均分配发电利用小时数，机组全年发电量是预先确 定的，调度部门在保证各机组完成全年发电计划的前提下根据系统需求和机组调节 性能和确定机组提供的旋转备用服务量。而在节能发电调度下，机组发电依据排序 表进行，根据日负荷曲线按照各自序位依次发电。为了维持系统安全稳定，节能发 电调度方式下，仍强调并网运行的发电机组负有按照调度指令承担备用服务的义 务。由于机组提供电能量和提供旋转备用服务之间存在耦合关系，旋转备用服务计 划的具体实现方式直接影响电能量调度的最终结果和机组的经济利益。建立合理的 旋转备用服务调度机制确定旋转备用服务的计划方法，对于保障节能发电调度的实 施，提高辅助服务供给的充裕度和质量，促进电网的安全稳定运行水平的提高和电 力资源的优化配置，具有重要的现实意义，相关问题迫切需要研究。 4 华北电力大学硕士学位论文 旋转备用是一种化解可靠性风险的辅助服务，风险主要来自负荷需求的随机波 动、机组的强迫停运以及风电机组出力的波动性，因此本质上都有明显的随机不确 定性。而传统计划调度下和市场条件下制定旋转备用计划时，旋备总量都是用确定 性的方法确定的，如将系统的旋转备用总量规定为系统年最大负荷或系统总装机容 量的某一百分数，或直接规定为系统最大一台发电机组的容量。通常以满足系统安 全稳定运行为首要考虑因素，对于经济性问题考虑较少，也没有涉及随机不确定性 因素对旋转备用总量以及系统经济性的影响。市场环境下，电网调度交易中心需要 寻求可靠性和经济性之间适当的平衡点，采用优化算法，实施电网优化调度，达到 运营成本最低或效益最大的目标。因此如何在考虑系统随机不确定问题的基础上获 得旋转备用服务的调度分配方法以更好的满足电力系统的可靠性和稳定性，这是值 得研究的问题。 1 3 国内外研究现状 从国际上已经运行的电力市场来看，不同国家和地区都根据自身的特点建立了 不同方式的备用服务市场，相关研究主要集中在备用服务的提供方式、交易模式以 及补偿等几个问题上。对于备用服务的优化模型大多基于传统确定性方法，一般以 系统购买费用最小为目标函数，模型约束条件中的旋转备用总量通过确定性方法确 定，对电力系统中的一些随机不确定因素考虑较为欠缺，此外，模型对经济性的考 虑仅体现在旋转备用总购买费用上，尚未考虑旋转备用充裕水平与系统可靠性和经 济性的关系。另外，对于含风电场的电力系统以及节能发电调度方式下，也尚未对 备用服务的计划方式做出深入研究。 1 3 1 国内外备用服务市场 目前在国内外备用服务的获取主要有强制性手段和市场手段两种方式，强制手 段带有一些传统电力工业的色彩，大多数国家更倾向于建立市场来提供商业化的备 用服务，并通过市场决定其价格。 美国加州电力市场的辅助服务由独立系统操作员( i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t o r ， i s o ) 通过日前竞争拍卖获取，加州市场将电能市场与辅助服务市场分开交易，电 能交易计划在辅助服务交易计划之前【l9 1 。拍卖是在电力交易中心( p o w e re x c h a n g e ， p x ) 的电能拍卖完成之后进行的。在备用市场中，市场参与者分别提交备用容量报 价和备用电量报价【2 0 1 。成功的报价者不论其是否被调度，都将得到一笔备用容量费 用，在备用容量被调度加载时，报价者还将得到一笔电量电费。 美国p j m 电力市场备用服务获取的最大特点是不指定机组作为备用，而是规定 华北电力大学硕士学位论文 每个供电企业必须承担备用义务，义务量根据其负荷的比率来确定。供电企业完成 备用义务的方法可以是自己拥有提供备用的机组，也可以是签订双边合同或者从 p j m 备用市场购买备用。备用需求加上合理的补偿方法，形成了p j m 备用市场的供 需杠杆。各控制区域独立计算其所需备用容量，而机组按其电气位置参加相应控制 区域的备用市场。各区域备用交易均通过p j m 提供的网络交易平台( e m k t ) 集中进 行，机组的各种信息通过e m k t 上报到p j m ，而p j m 各种调度信息等也通过e m k t 公布。p j m 备用的结算周期为1 h ，每天分为2 4 个运行小时，备用的计算和获取按 小时为单位操作【2 1 1 。 英国备用市场中备用的获得主要通过国家电网公司( n g c ) 与备用提供商的双 边合同来进行。合同的时间一般至少为1 年，所以不是一个实时市场。备用服务费 的支付有的基于成本，有的基于市场价值。对系统义务备用的定价主要基于服务成 本，考虑服务商的机会成本；商业备用服务部分主要基于其市场价值。为提高备用 市场的竞争性和引入市场机制，服务费的支付更倾向基于市场价值。计划承担紧急 备用服务的机组一旦启动，成本亦即发生。但若n g c 根据系统情况将其取消，n g c 将承担该项费用；然而在其运行并网前，将其取消，n g c 将不支付任何费用；若启 动后，该机组提供电能，启动的成本等进入其运行成本【2 2 1 。根据英国发电主市场运 行规则，提供辅助服务必须服从中央调度，在竞价上网的基础上实行统一调度。 随着我国电力市场改革的深入，东北、华北、华东、华中、南方等区域性电力 市场相继建立，各区域电力市场的辅助服务管理实施方案也在不断研究出台。2 0 0 4 年4 月，国家发改委与国家电监会制定了东北区域电网发电企业辅助服务补偿暂 行办法，成为辅助服务市场建设的指南。 国家电监会于2 0 0 8 年底先后批准同意印发六大区域电监局制定的发电厂并 网运行管理实施细则和并网发电厂辅助服务管理实施细则，对辅助服务的定 义与分类、提供与调用、考核与补偿、统计与核算以及监督与管理等各方面给出了 明确详细的规定，使我国辅助服务的管理实施有章可循。 目前我国辅助服务普遍采用基本辅助服务与有偿辅助服务相结合的方式。由于 我国市场地域、电网结构、经济发展等因素的不同，各市场辅助服务调度机制也存 在差异，因此，国内备用服务市场存在大量问题有待研究。 1 3 2 备用服务计划优化模型及算法 综合分析相关文献，目前有关备用服务计划优化模型的研究一般都是基于不含 风电场的电力系统，对于含风电系统的备用计划研究鲜有涉及。 目前备用服务的交易模式共有四种： ( 1 ) 优先级排序模式( m e r i to r d e rb a s e dd i s p a t c h ) 6 华北电力大学硕士学位论文 在电力工业中，电量与各类备用可以视为电力生产的不同商品。优先级排序法 ( m o d ) 是将各电力商品市场视为独立竞争的分离市场，i s o 按电能市场与备用市场的 各自报价由低到高的优先级顺序来选择供应商。对于独立竞争的市场，通过优先级 排序或按照市场均衡理论，即可得到满足各自市场需求的成交结果。如果电量市场 与备用市场之间没有耦合，则每种商品都可以独立地决策。 ( 2 ) 顺序调度交易( s e q u e n t i a ld i s p a t c h ) 顺序调度交易( s d ) 是m o d 法在考虑电量与备用耦合关系后的扩展。s d 法通常根 据电量市场和各类备用市场重要程度的不同，按一定的先后次序对各类市场顺序进 行单独交易决策。每个市场的交易决策都以该市场的购买费用最低为目标。根据对 系统的重要性和经济性等因素的综合考虑，通常各类市场的优先次序从高到低分别 为：电量市场，a g c 市场，旋转备用市场，非旋转备用市场，替代备用市场。 ( 3 ) 联合交易决策( j o i n t e dd i s p a t c h ) 联合交易决策( j d ) 是将各类备用市场与电量市场的决策过程统一进行以各市 场的综合购买费用最低为目标。 ( 4 ) 混合交易决策( h y b r i dd i s p a t c h ) 。 混合交易决策( h d ) 是在处理各类备用市场与电量市场的交易决策时，将顺序交 易决策法与联合交易决策法混合在一起的交易决策思路。 在以上四种交易模式的优化模型中，目标函数均为最小化相应市场的购买费 用，约束条件包括功率平衡约束、机组出力约束、爬坡率约束、线路潮流约束、节 点电压约束以及备用约束等，其中备用约束中包括系统总备用约束，而系统总备用 一般是通过确定性的方法得到的，如将备用容量规定为系统年最大负荷或总装机容量 的某一固定百分数，或将备用容量取为系统中最大一台发电机组容量，有时还增加某一 百分数做备用。 对于备用计划优化模型的求解算法一般有拉格朗同松弛法和动态规划法。 l - 3 3 节能发电调度 2 0 0 7 年8 月，国务院批转了节能发电调度办法( 试行) ，对发电企业上网按 照节能、环保、经济原则，优先调度风能、太阳能、海洋能等清洁能源发电，对火 电机组，按照煤耗水平调度发电，煤耗低的机组多发、满发，煤耗高的机组少发或 不予上网。目前，已经安排广东、贵州、四川、江苏和河南五省开展试点，这些地 区的全部上网机组都要参与节能调度，试点省份主要从组织协调、技术完善、政策 制定和运行实施等方面入手开展工作。为了保障节能发电调度的顺利实施，电监会 正会同国家发改委研究制定节能发电调度经济补偿指导意见，该意见的基本思路 是：对各试点省纳入节能发电调度年度发电组合基础方案的发电机组，确定利用率 7 华北电力人学硕士学位论文 低限标准，对实际利用率达不到低限标准的发电机组予以补偿。补偿费用在所有并 网发电机组实际上网电量中进行分摊。补偿的资金主要用于补偿企业的折旧等固定 成本费用，让企业维持基本运转。 现在部分电网企业已经采取了很多措施来实现节能调度【2 9 1 。例如：江苏实行的 “替代发电”明确要求2 0 万k w 及以下机组必须拿出5 0 的发电计划让大机组替代， 规定发电企业间的协商替代只能在效率最高的6 0 万k w 机组和小机组之间进行，提 出了根据燃料成本确定高耗能机组最低报价的指导性意见。 河南采取简便易行的办法对煤耗排序，即对同类型火电机组发电小时按基本一 致的原则进行安排，拉大不同类型机组差距；提高少电、负荷中心、受端地区发电 机组发电小时以引导电源优化布局；开展发电机组轮流停机备用，提高发电负荷率。 山东执行了降低小火电机组上网电价的政策，明确了小火电机组上网电价降价 范围及价格水平并科学安排小火电机组降低上网电价工作。 山西根据单机容量确定发电机组的基准利用小时数，每相差一个级别单机容 量，对应的发电基准利用小时数相差5 0h 。 南方电网充分利用南网大平台，加强水火互剂和省间互补；加强调峰管理，充 分挖掘全网火电机组和核电机组的调峰能力，最大限度吸纳汛期低谷弃水电量。 在这些地区对实施节能发电调度进行探索的同时，相关问题的研究成果也现于 文献，文献 3 0 结合电力行业发展现状，指出实施节能调度的重要性，针对改变发 电调度方式的问题，给出了机组排序表，并对实施节能调度所涉及的几个方面问题 进行分析研究；文献 3 l 】结合我国国情提出了以电网安全及连续可靠供电为约束， 兼顾政府宏观调控与市场机制的节能发电调度模式及其运作机制；文献 2 9 就我国 节能发电调度试行办法的出台，提出了通过建立中长期合约市场、发电权交易机制 以及在竞价规则中引入节能因子和环境排放因子并按报价排序等节能发电调度实 施办法；文献 2 8 探讨了节能发电调度方式下制定旋转备用计划可能采取的等备用 原则和能耗最小原则，建立了相应的旋转备用优化决策模型，研究了旋转备用计划 优化的实现方式，分别选用旋转备用计划和发电出力计划的独立建模分步优化、统 一建模联合优化2 种思路构建不同的节能发电调度模型，并基于启发式动态规划方 法针对同一算例进行优化计算。 1 4 本论文研究的目的和主要工作 本论文以含风电场电力系统为研究对象，在目前国内外相关领域的理论研究和 实践基础上，对旋备服务的计划优化模型锦兴路研究，并着重考虑了引起旋备服务 的不确定性因素及其特点，探讨了具体调度计划方式以及节能发电调度对备用服务 华北电力大学硕士学位论文 的影响，提出了相应的解决方法。本论文从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 风电出力偏差的概率分布分析 对风电出力偏差的概率分布进行分析，建立风电出力偏差的概率密度函数。 ( 2 ) 节能发电调度下的旋备计划优化模型研究 分析实施节能发电调度对辅助服务市场的影响，探讨节能发电调度条件下的电 能量和旋备调度机制，研究电能量和旋备计划安排模式，并建立和节能发电调度相 统一的旋备计划优化模型，在模型中引入机会约束规划，将影响旋备计划的风电出 力偏差、负荷预测误差和机组强迫停运等不确定因素体现于模型中。 ( 3 ) 市场条件下的旋备计划优化模型研究 研究市场条件下电能量与备用市场的价格决策方法，建立市场条件下基于机会 约束规划的含风电系统旋备计划优化模型。 ( 4 ) 算例分析 研究上述优化模型在算例中的应用情况，选择合理的算法对模型进行求解，并 对计算结果进行分析总结，判断模型的正确性和可操作性。 9 华北电力大学硕十学位论文 2 1 引言 第二章机会约束规划方法 数学规划是运筹学的一个重要分支，并已被广泛地应用到工程技术、科学究和 经济管理等诸多领域。数学规划可以描述为在一些数学关系( 如等式或不等式) 表示 的约束条件下，求一个( 或一组) 函数的极值问题的方法。常见的数学规划有线性规 划、非线性规划、目标规划、多目标规划、整数规划、多层规划、动态规划、随机 规划和模糊规划等等。 在现实世界中，人们制定决策时经常会碰到不确定性现象。这种不确定性现象 包括我们所熟悉的两类：一类是随机现象，一类是模糊现象。描述、刻画随机现象 的量称为随机变量，描述、刻画模糊现象的量称为模糊集。为了方便，把二者分别 称为随机参数和模糊参数。含有随机( 模糊) 参数的数学规划称为随机( 模糊) 规划，二 者统称为不确定规划。随机( 模糊) 规划为解决带有随机( 模糊) 参数的优化问题提供了 有力的工具【3 2 圳】。 机会约束规划( c h a n c e c o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n g ) 是随机规划的一个重要分支， 由c h a m e s 和c o o p e r 4 2 】首先提出，主要针对约束条件中含有随机变量，且必须在观 测到随机变量的实现之前作出决策的情况。考虑到所做决策在不利情况发生时可能 不满足约束条件，而采取一种原则：即允许所做决策在一定程度上不满足约束条件， 但该决策应使约束条件成立的概率不小于某一置信水平。 机会约束规划近几年已应用于解决电力系统问题，如配电系统中滤波装置的优 化配置、输电系统规划、发电公司最优检修策略以及风电穿透功率极限计算等，并 取得了较好的效果【4 孓4 4 1 。 2 2 机会约束规划模型 噤乩2 ，p 1 0 ( 2 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 其中x 是一个刀维决策向量，孝是一个随机向量，厂g ，善) 是目标函数，g s g ，孝) 是随机 约束函数，= 1 ，2 ，p 。实际上，这个数学规划是没有定义的，因为随机变量f 使 得m a x 和约束条件的意义并不明确。 一种有意义的随机规划是如下的机会约束规划模型： m a x s j ( 2 2 ) p r 扩g ，孝) 办 p r 岳j b ，孝) o ，_ ，= l ，2 ，p ) 口 其中p r ) 表示 ) 中的事件成立的概率，口和分别是事先给定的约束条件和目标函 数的置信水平。 一个点x 是可行的，当且仅当事件台ig ，k 孝) o ，= l ，2 ，p 的概率测度不小于 口，即违反约束条件的概率小于1 一口。 无论何种随机参数孝和何种函数形式厂，对每一个给定的决策z ，g ，孝) 是随机 变量，其概率密度函数用办( 硝) 驴) 表示，这样可能有多个夕使得p r 扩k 孝) 夕) 成 立。从极大化目标值夕的观点来看，我们所要的目标值夕应该是目标函数s ( x ，孝) 在 保证置信水平至少是时所取的最大值，即 夕= m a x fip r 驴k 善) 厂 ( 2 3 ) 如图2 1 所示。 ff 图2 1 概率密度函数办( 硝) 驴) 和目标值夕 机会约束规划( 2 - 2 ) 中的概率约束称为联合机会约束。另外，联合机会约束有 时可以分成几个独立的机会约束，如 p r i g j g ，f ) o 口，j = 1 ，2 ，p ( 2 4 ) 1 1 华北电力大学硕十学位论文 雕 _ ，= 1 , 2 ，p 。更一般的情况是，我们也可以采用混合机 g ，善 g ，孝 g ，孝 其中1 k l 屯 屯一l p 。 类似地，对极小化问题，有 o ，= 1 ，2 ，毛 口l o ，= 毛+ 1 ，毛+ 2 ，七2 ) 口2 ( 2 - 5 ) o ，= k t l + l ，k t l + 2 ，p 口f m i n s t ( 2 6 ) p r 扩g ，孝) 夕 p r g ，孝) o ，j = l ，2 ，p ) 口 其中夕是目标函数f ( x ，孝) 在置信水平为时所取的最小值。 作为单目标机会约束规划的推广，多目标机会约束规划可以表示成如下形式： m a x 阮，五，五】 s 2 ( 2 7 ) p r f ( x ，孝) z 屈，i = 1 2 一，m p r 岳，仗孝) o ) 口，j = l ，2 ，p 其中口和孱分别是第个约束和第f 个目标的置信水平，z 分别是目标函数：g ，孝) 在概率水平至少为屈时所取的最大值，j = 1 ，2 ，p ，i = 1 , 2 ，m 。 2 3 机会约束规划问题的求解方法 求解机会约束规划的传统方法是根据事先给定的置信水平，把机会约束转化为 各自的确定等价类，然后用传统的方法求解其等价的确定性模型。对一些特殊情况， 机会约束规划问题确实可以转化为确定性数学规划问题，但对比较复杂的机会约束 规划问题，如目标函数是多峰的或者机会约束条件不能转化为确定性条件的机会约 束规划，利用传统的方法很难得到满意的解或根本无法求解。然而，随着计算机技 术的高速发展，一些革新算法如遗传算法的提出，使得许多复杂的机会约束规划可 以不必通过转化为确定性数学规划而直接得到解决。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 基于m o n t e c a r l o 随机模拟的遗传算法是解决复杂的机会约束规划模型的有力 工具。这种方法的突出优点就是能够很好的得到全局最优解。另一个优点就是不需 要把机会约束转化为它们各自的确定性等价类，从而能够处理更一般的机会约束规 划模型。 与其它算法相比，遗传算法具有如下的优越性： ( 1 ) 遗传算法是一种数值求解的启发式方法，是一个有普适性的方法，对目 标函数的性质几乎没有要求，甚至都不一定要显式的写出目标函数。 ( 2 ) 遗传算法在求解优化问题时，不需要有很强的技巧和对问题有非常深刻 的了解。 ( 3 ) 遗传算法同求解问题的其它启发式算法有较好的兼容性，如可以用其它 的算法求初始解；在每一种群，可以用其它的方法求解下一代新群体。 遗传算法包含以下的主要处理步骤。首先是对优化问题的解进行编码，此处， 我们称一个解的编码为一个染色体，组成编码的元素称为基因。编码的目的主要是 用于优化问题解的表现形式和利于之后遗传算法中的计算。第二是适应函数的构造 和应用。适应函数基本上依据优化问题的目标函数而定。当适应函数确定以后，自 然选择规律是以适应函数值的大小决定的概率分布来确定哪些染色体适应生存，哪 些被淘汰。生存下来的染色体组成种群，形成一个可以繁衍下一代的群体。第三是 染色体的结合。双亲的遗传基因结合是通过编码之间的交叉达到下一代的产生。新 一代的产生是一个生殖过程，它产生了一个新解。最后是变异。新解产生过程中可 能发生基因变异，变异使某些解的编码发生变化，使解有更大的遍历性。 遗传算法的框图如下： 华北电力大学硕十学位论文 随机产生自变量的二进制染色体 上 i 将二进制染色体转换成对应的十进制数值 上 计算每个染色体的适应度 上 是否满足最优值要求 上 复制适应度较大的染色体 上 随机选择染色体的断点进行交叉 上 按指定的小概率选取染色体进行变异 上 计算新种群中每个染色体的适应度 上 是否满足最优值要求 上 输出最优结果 图2 - 2 遗传算法的计算流程框图 m o n t e c a r l o 随机模拟是一种以概率统计理论和方法为基础的数值计算方法，它 以是否适合于计算机上使用为重要标志。m o