（电力系统及其自动化专业论文）节能发电调度优化模型及方法的研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文节能发电调度优化模型及方法的 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：纽越 日期：竺1 2 ：! ! ：过 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、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) 作者签名：弛 日期：趟：l 羔：丑 导师签名：酃 日 期：螋：! 兰：梦 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 节能发电调度是对我国现行电力调度运行方式的一次重大变革，其目的在于降 低电力行业的能耗和污染物排放。在电力市场条件下实施节能发电调度将引起各方 利益的重大调整，本文分析了节能发电调度的实施对电力市场产生的影响，在明确 节能发电调度核心内容的前提下，首先针对过渡期小火电机组提出相应利益调整措 施，然后以电网连续可靠供电为约束，以节能环保、经济、公平为目标，建立兼顾 成本节省与能源节约的双目标模糊优化节能发电调度模型。通过算例验证了模型的 有效性和算法的正确性，该模型符合节能配置原则，有广泛的应用价值。所做研究 为节能发电调度的实施进行了有益的探索。 关键词：电力市场，节能发电调度，经济补偿，双目标优化 a b s t r a c t t h ee n e r g y - s a v i n gp o w e rd i s p a t c h i n gi sag r e a tr e f o r mt oc u r r e n tp a t t e r no fp o w e r g e n e r a t i o nd i s p a t c h i no u rc o u n t r y , a n di tc a ne f f e c t i v e l yd e c r e a s et h e e n e r g y c o n s u m p t i o na n dp o l l u t a n te m i s s i o nb yp o w e ri n d u s t r y , b u tt h ec h a n g eo fd i s p a t c h i n g m o d ei n v o l v e dw i l lb r i n ga b o u ta ni m p a c to nt h ep r o f i ta l l o c a t i o no fa l lp a r t i e s ，s ot h e e x p l o i t a t i o no fe f f e c t i v es o l u t i o n si su r g e n t t h ep a p e ra n a l y s e st h ee f f e c to f e n e r g y s a v i n gg e n e r a t i o nd i s p a t c h i n gt op o w e rm a r k e t ，b a s e do nt h ec o r ec o n t e n t 。o ft h e e n e r g y - s a v i n gp o w e rd i s p a t c h i n g ，t h i sp a p e rf i r s t l yp r o p o s e st h ei n t e r e s t sa d j u s t m e n t m e a s u r e sf o rt h es m a l l - s c a l et h e r m a lu n i t sd u r i n gt h et r a n s i t i o np e r i o d ，t h e no p t i m i z et h e e n e r g y - s a v i n gs o r tt a b l ea n de s t a b l i s h e saf u z z yb i o b j e c to p t i m i z a t i o nm o d e lw h i c h c o n s i d e r sb o t hc o s ta n de n e r g ys a v i n g t h en u m e r i c a lr e s u l ts h o w st h a tt h em o d e li s e f f e c t i v ea n dt h ea l g o r i t h m sr i g h t f u r t h e r m o r e ，i ta l s os h o w st h a tt h i sm o d e lm a t c h e s w i t ht h er u l e so fe n e r g yo p t i m i z a t i o na n dw i t hb r o a dp r a c t i c a b l es i g n i f i c a n c e t h e p r o p o s e dm o d e l sc o u l db ea ne f f e c t i v ew a yo fc a r r y i n go u te n e r g y - s a v i n gg e n e r a t i o ni n c h i n a l o uy a r o n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f iz h o um i n g k e yw o r d s ：p o w e r m a r k e t ，e n e r g y s a v i n gg e n e r a t i o nd i s p a t c h ，e c o n o m i c c o m p e n s a t i o n ，b i o b j e c to p t i m i z a t i o n 华北电力人学硕十学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 1 1 电力市场概述1 1 1 2 我国电力工业现状及能耗状况1 1 1 3 节能发电调度的提出与目标2 1 2 国内外电力节能减排现状3 1 2 1 电力行业对节能减排的作用3 1 2 2 国外绿色电力工业的发展3 1 2 3 国内电力节能减排现状及前景一4 1 3 问题的提出5 1 4 本文的主要工作6 第二章节能发电调度模式的研究8 2 1节能发电调度与传统经济调度8 2 1 1 节能发电调度模式的分析8 2 1 2 火电和清洁能源发电的经济协调模式分析9 2 1 3 各种发电模式的比较1 0 2 2 节能发电调度对电力市场的影响1 1 2 2 1 节能发电调度对传统调度模式的影响1 1 2 2 2 节能发电调度对电力市场参与主体的影响1 1 2 2 3 节能发电调度对电力市场建设的影响1 2 2 3 本章小结1 3 第三章节能发电调度的机组排序优化14 3 1 实现节能调度需要注意的问题1 4 3 2 节能发电调度中的机组组合问题1 4 3 2 1 节能发电调度的两个过程1 5 3 2 2 节能机组排序问题1 5 3 3 基于奖惩措施的节能发电排序表优化1 7 3 3 1 奖惩模型建立1 7 i 华北电力人学硕十学位论文目录 3 3 2 算例验证与分析1 9 3 4 对小火电机组的处理建议2 0 3 5 本章小结2 1 第四章节能发电调度优化模型2 2 4 1 多目标最优化问题的求解2 2 4 1 1 多目标优化模型2 2 4 1 2 模糊多目标规划方法2 2 4 2 模糊优化短期节能发电调度模型2 3 4 2 1 双目标节能发电调度模型2 3 4 2 2 目标函数的模糊化2 4 4 2 3 双目标模糊优化节能发电调度模型2 5 4 3 双目标加权模糊节能发电调度模型2 5 4 3 1 加权模糊节能发电调度模型的建立一2 5 4 3 2 加权模糊优化模型求解步骤2 6 4 4 算例仿真及结果分析2 8 4 5 本章小结一3 3 第五章节能发电调度风险分析及优化空间3 4 5 1 节能发电调度的风险分析3 4 5 1 1 风险概述及电力市场中风险的划分一3 4 5 1 2 实行节能发电调度的风险特点3 6 5 2 节能发电调度模式下的风险规避措施3 6 5 3 节能发电调度的优化空问3 7 5 3 1 节能发电调度的优化空间概述3 7 5 3 2 节能发电调度的优化空间分析方法一3 8 5 4 本章小结一3 9 第六章结论与展望4 0 6 1 结论4 0 6 2 展望4 0 参考文献4 2 致j 射4 5 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 6 华北电力人学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 1 1 电力市场概述 第一章绪论 目前正在世界各地开展的电力工业放松管制，以发电领域按照市场竞争的模式 组织生产为主要标志的电力市场建设是电力工业有史以来最重要的革命。而无论电 力市场的形式如何变化，它都要保证电力系统运行稳定与安全，没有电力系统的安 全稳定运行，一切都没有基础；另一方面，电力市场化要保证电力工业运行的效率， 优化资源配置。 电力工业改革在于提高电力生产效率，使电价形成机制合理化，提供高质量的 电力产品，促进电力工业的良性发展，并使全社会从电力改革中得到最优的经济效 益和社会效益。目前，电力行业的改革席卷全球。电力工业市场化改革在不同的国 家与地区实行的过程中形成了几种不同的模式【l 】。不同国家以不同的原因推动着电 力商业化的进程，改革有许多模式，各不相同，且这些模式也处在不断改进之中。 智利、阿根廷、英国、美国、澳大利亚等国的电力市场改革给电力工业带来了活力， 并激励了世界上其他各国的电力市场发展过程。从国际、国内发展形势看，电力走 向市场化是历史的必然。我国的电力工业商业化运营的目标是提高效益，改善服务， 增加活力。我国有自己的国情和特色，改革的起点和国外不同，照搬任何现成的外 国模式都是不可取的。近几年我国一些地区在电力市场化方面做了一些有益的尝 试，并获得了一定的经济效益。 1 1 2 我国电力工业现状及能耗状况 当前，实现商业化运营、走向市场已成为我国电力工业改革的大趋势，其总体 目标是：打破垄断，引入竞争，提高效率，降低成本，健全电价机制，优化电力发 展，构建政府监管下的政企分开、公平竞争、开放有序、健康发展的电力市场体系。 我国正处在全面建设小康社会的关键时期，处于工业化、城镇化加快发展的重 要阶段，发展经济、改善民生的任务十分繁重。我国人口众多，经济发展水平还比 较低，经济结构性矛盾仍然突出，能源结构以煤为主，能源需求还将继续增长，控 制温室气体排放面临巨大压力和特殊困难，实现上述行动目标需要付出艰苦卓绝的 努力。我国电力工业从改革开放以来一直保持高速发展的态势，1 9 7 8 年，全国装机 容量为5 7 1 2 万千瓦，发电量2 5 6 6 亿千瓦时，分别居世界第八位和第七位。改革开 放3 0 年后的2 0 0 7 年，全国装机容量为7 1 8 2 2 亿千瓦，发电量3 2 6 4 4 亿千瓦时，分 华北电力人学硕十学位论文 别是改革开放之初的1 2 6 倍和1 2 7 倍【2 1 。我国电力工业按照科学发展观的要求，努 力转变发展方式，加快结构调整，实现了历史性的跨越，这体现在：电力装机快速 增长，迅速扭转了电力供应偏紧的局面；电源结构得到优化，发电效率不断提高； 电网规模迅速扩大，电压等级不断提升；改造和完善农村电网，解决无电人口用电 的问题；出台“上大压小 政策，节能减排成效显著【3 1 。 随着中国经济的持续快速发展，发达国家上百年工业化过程中分阶段出现的环 境问题在中国集中出现，环境与发展的矛盾日益突出。资源相对短缺、生态环境脆 弱、环境容量不足，逐渐成为中国发展中的重大问题。从发电量的构成分析，长期 以来一直是火电占8 0 左右，如果煤电仍这样继续发展下去，一是对环境造成巨大 的压力，二是国内煤炭的产量难以满足电力发展的需求。政府从2 0 世纪9 0 年代开 始着手调整电源结构，其重点是降低煤电的比例，但从2 0 0 2 年开始煤电的比例反 而逐年提高。因此，我国电力工业电源结构调整的任务仍然非常艰巨目前一些传 统和计划方式下的管理方法遏制了节能工作的展开。前几年电力供应紧张，促使各 地大量建设燃煤机组，小机组关停步伐明显放缓，电源结构持续恶化。面对当前我 国的能耗状况和环境问题，为加快建设资源节约型，环境友好型的社会，节能发电 调度的开展势在必行。 1 1 3 节能发电调度的提出与目标 我国过去实行考虑机组容量的均衡发电调度模式在一定时期内调动了投资电 源项目建设的积极性，促进了电力工业的快速发展，但同时也导致了高效环保的大 火电机组、水电及核电等清洁能源机组的发电能力无法充分发挥，高污染、高能耗 的小火电机组却能多发电的情况，造成了能源资源浪费和环境污染【4 1 。 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。为提高电力工业能源使用效率，节约 能源，减少环境污染，促进能源和电力结构调整，确保电力系统安全、高效运行， 实现电力工业的可持续发展，2 0 0 7 年8 月2 日国务院办公厅发布了 g ，且局疋， 口= ，风g( 3 5 ) 4 ) g g ，且局 疋， q = 织，g( 3 - 6 ) 式中，c f 为折合后机组f 的能耗量：f 、风f 分别为机组i 处于第肌类时的奖 励系数与惩罚系数( 这里，m = l ，2 ，3 ，4 ) ，其意义为能耗或报价低于对应平均值时给 予一定奖励、高于对应平均值时给予一定的惩罚。奖惩原则可由相关部门根据实际 情况制定。 奖励和惩罚系数的确定原则应保证公平、易操作。本文提出相应的确定，和 尾f 的方法，见式( 3 7 ) ( 3 1 2 ) ，在排序表中，因能耗及报价参数越低，机组的序位就 l r 华北电力人学硕十学位论文 越有优势，即奖励比例为平均值与对应能耗或报价比值的十分之一，惩罚比例为能 耗或报价高于对应平均值的百分比。 驴”高) ( 1 一志) ( 3 - 7 ) a 2 i = 1 l c u 虿a , ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) 几= 笋争 ( 3 1 2 ) i k - , a v - “k a v 最后，按照电力负荷特性，综合考虑机组的能耗、报价与效率来综合排序。另 外，与上述调控手段相配合，设立月度与年度发电权交易市场，激活发电容量从高 能耗向高效率的转化途径，同时也便于同层次发电权利的转换，以规避提前调控机 组组合排序不够灵活的弊端。 3 3 2 算例验证与分析 以i e e e r t s 数据1 2 9 】为例，以该地区某月度市场为研究对象，假定共6 台火电 机组，这里假定机组的申报价格均为其边际成本，则机组向交易中心提交数据后， 交易中心按机组能耗参数形成发电序位表，如下表所示，该表即为按能耗排序的发 电序位表。表中机组编号即为机组发电序位。 表3 1 机组容量、报价及能耗 1 9 至k 旦 丝k 显吣 灶 几 氏 华北电力人学硕+ 学位论文 根据式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 可计算出：c a ，= o 1 1 5 9 ( 元i 【w h ) ，k o ， - 0 1 8 2 6 ( 元k w h ) 。 根据本文所提的奖惩模型，求得新的发电排序表。采用本文所述奖惩方法对该表进 行优化更新，考虑机组的能耗及报价参数对机组进行能耗折价，计算结果如图3 2 。 根据计算后得到的g 值，对其进行从小到大排序，如图3 3 ，形成一张新的发电排 序表，可作为实时调度的依据。 表3 - 2 能耗折合后参数表 机组编号 折合后能耗参数( 元( k w h ) ) 0 0 7 l l 0 0 5 8 8 0 0 6 4 5 0 0 8 5 0 o 1 1 8 6 0 2 5 1 3 0 3 0 0 2 表3 - 3 按能耗重新机组序位 机组编号 折合后能耗参数( 元( k w h ) ) 0 0 5 8 8 0 0 6 4 5 0 0 7 l l 0 0 8 5 0 0 1 1 8 6 0 2 5 1 3 0 3 0 0 2 由算例的计算结果可以看出，在未通过对机组进行煤耗参数与报价参数的奖惩 计算时，低煤耗的大容量机组( 例如机组l 、机组2 ) 在排序表上占绝对优势，而 即使报价再低的高煤耗量的小容量机组( 例如机组7 ) 则排在表中的尾部。在对以 煤耗排序的发电序位表结合报价进行重新编排后，综合考虑了机组的报价及煤耗因 素，使得综合性能好的机组( 例如机组3 ) 在排序表中的位置上升，使排序表更具 有灵活性和实用性，更符合市场机制及节能发电调度的经济环保要求。 3 4 对小火电机组的处理建议 节能发电调度的基本原则是以确保电力系统安全稳定运行和连续可靠供电为 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，并与电力市场建设 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的能耗和污染物排 华北电力人学硕士学位论文 放最少【3 们。根据节能发电调度的要求，煤耗消耗量大，排放污染物多的小火电机组 是要退出电力竞争市场的，但由于供电安全、经济效益及历史原因，关停小火电机 组涉及方方面面的利益调整。不能简单地一刀切，而是需要有有效的、过渡性的经 济补偿机制。 为有效化解电厂与电厂、电厂与电网之间的矛盾以及相关的社会矛盾，需要研 究建立有效的关停小火电或减少其发电的经济补偿机制【3 。在发电机组价格暂按现 有管理方式执行，销售电价与上网电价不联动的情况下实施节能调度，电量的重新 分配将在市场主体之间产生大幅度的利益调整【3 2 1 ，一些小机组以及处于满足负荷需 求边际的机组，将难以维持正常生产运行。小机组分为2 类：其一是为实现电力行 业节能减排，根据关于加快关停小火电机组的若干意见需要完全关停的机组， 历史上为确保电力供应做出过贡献，在节能调度模式下应给予一定经济补偿；其二 是为确保电网安全稳定运行需要保留的部分小机组，这类机组的发电利用小时数可 能很小，如果按照批复电价结算，不足以补偿其全部成本，需要对其进行额外补偿。 本文针对以上2 种小火电提出了不同的补偿方法：按照办法，为了有效地 保障各方利益，针对小火电机组可将实际节能发电调度电量分为2 部分：第一部分 为基础电量。各类机组根据上一月度总的实际发电电量扣除政府批准的大用户直购 电量后得到发电量q 。，由发电量q 。和机组装机容量测算得到各类机组的发电平均