（电力系统及其自动化专业论文）节能调度下的日前发电计划编制.pdf

j 匕塞銮道叁堂亟堂僮i 金塞旦墨! 区至 a b s t r a c t a b s t r a c t ：e n e r g ya n dt h ee n v i r o n m e n ta r eu r g e n tp r o b l e m st h a th u m a nb e i n g sn e e d t os o l v ee x i s ta n dd e v e l o p m e n tn o w a d a y s i ti sv e r yi m p o r t a n tt h a te n e r g yc o n s e r v a t i o n g e n e r a t i o nd i s p a t c h i n gw i l lr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n de m i s s i o no fp o l l u t a n t st o p r o m o t es o u n da n dr a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y i ti sn e c e s s a r yt om a k e d a y - a h e a dg e n e r a t i o ns c h e d u l ef o re n e r g ys a v i n g u n i tc o m m i t m e n ti sd i s c u s s e di nt h i s d i s s e r t a t i o nw i t he n e r g yc o n s e r v a t i o ng e n e r a t i o nd i s p a t c h i n g e n e r g yc o n s e r v a t i o ng e n e r a t i o nd i s p a t c h i n gi ss t u d i e d c o m p a r i n gv a r i o u sw a y st o s o l v eu n i tc o m m i t m e n tp r o b l e m s ，s o l u t i o n sa n dt e c h n o l o g yt r e n do fu n i tc o m m i t m e n t a r ed i s c u s s e d m a t h e m a t i c a lm o d e lo fu n i tc o m m i t m e n ti se s t a b l i s h e d ，w i t ha n a l y z i n g t h eo b j e c t i v ef u n c t i o na n dc o n s t r a i n t s as o l u t i o no fu n i tc o m m i t m e n tw i t hl a g r a n g er e l a x a t i o ni sp u tf o r w a r d w i t hu n i t s g e tm o r e ，c o m p u t a t i o ng e tm o r ec o m p l i c a t e dl i n e a r l y i ti ss u i t a b l ef o ro p t i m a ls o l u t i o n o fu n i tc o m m i t m e n ti np r a c t i c a ll a r g es y s t e m c u r s eo f d i m e n s i o n a l i t yi sr e f r a i n e da tt h e s a m et i m e l o a dd i s p a t c h i n gc a nb ec a l c u l a t e db yt h i sm a n n e r , t o o t h ep r o g r a m so fl rs o l u t i o na r em a d ei nv i s u a lb a s i c6 0 v i s u a l i z a t i o ns c r e e n s a n dm e n u so ff i l ed i a l o ga r ed e s i g n e ds ot h a tr e a d i n ga n dw r i t i n gt h ed a t a b a s ew h i c h u n i t sd a t ei ss t o r e di nw i l lb em o r ec o n v e n i e n t t h er e s u l t sw i t he x a m p l e so fs i c h u a n p o w e rg r i da r ep r o v i d e d ，w h i c hp r o v et h es o l u t i o no fu n i tc o m m i t m e n tu s e db yt h i s d i s s e r t a t i o ni sa p p r o v i n g ，w i t hc o n v e r g e n c ei na na c c e p t a b l ei t e r a t i o nn u m b e r k e y w o r d s ：e n e r g yc o n s e r v a t i o ng e n e r a t i o nd i s p a t c h i n g ；u n i tc o m m i t m e n t ； l a g r a n g er e l a x a t i o n ；v b 6 0 ； c l a s s n o ：t m 7 3 4 ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，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，也不包含为获得北京交通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：签字日期：年月 日 6 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字醐：1 年 导师签名： 罘裨 7 月l o r 签字日期如o ? 年 月帅 致谢 本论文的工作是在我的导师宋永华教授的悉心指导下完成的，宋永华教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 宋老师对我的关心和指导。从论文的选题立意、实验调试，一直到最后论文的修 改，宋老师都给了我极大的指导和帮助，我所取得的每一分进步，都浸透着导师 的心血和汗水。宋老师严谨的作风、正直的为人、宽广的胸怀、丰富的专业知识 和实践经验也将对我的将来产生深远的影响，并使我终身受益，在临近毕业之际， 特向梁老师表示最诚挚的敬意和感谢! 在平时的理论学习、实验室学习阶段，得到了实验室李媛媛等同学的热情帮 助，在此向他们表示由衷的感谢；在撰写论文期间，与同学袁志鹏等多次讨论， 使笔者获益良多，向他们表示感谢。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 研究背景及意义 1 1 1 日前发电计划背景及意义 1 引言 现代大规模电力系统中，各种具有不同的成本特性及运行、技术约束条件的 不同类型的机组组成了庞大复杂的发电资源。随着人们生产、生活活动的规律性 变化以及气候等因素的影响，电力负荷呈现出周期性起伏波动的特性。如果不改 变启停机组的数目而仅靠改变机组出力，常在已开机机组的容量范围内，难以通 过调节满足负荷的这种波动的变化。为了实现电能的供需平衡，并最合理地利用 发电资源，预先对发电机组的启停和出力进行调度安排就成为了发电问题的重中 之重。这个问题可以表述为，在一定的调度周期内( 通常是一天或一周) ，以最小 的能耗安排发电计划，实现与给定负荷的平衡并满足一定的约束条件和备用要求， 这就是机组组合问题或称为短期发电计划制定。它由不可分割的两方面问题组成， 即机组组合问题与负荷分配问题。 机组组合( u n i tc o m m i t m e n t ) 即各机组在一个调度周期中各时段上运行状态 的优化。不同时段的负荷是不断变化的，应有不同的机组组合方式，由于这些组 合方式之间的转移存在机组启停等附加费用及相应的约束条件，所以不应按各个 时段的负荷水平孤立寻求最优组合，而应在调度周期内各时段的整体决策中寻求 各机组的最优启停计划。 负荷分配问题即某一时段内给定负荷下机组最优出力值的确定。 电力系统经济调度的目的是在满足系统安全约束、电能质量要求的条件下， 尽可能提高运行经济性。经济调度的效益很大，资料表明，有效的经济调度节省 能源可达总耗量的1 一2 5 。经济调度是一个十分复杂的系统优化问题，为求 解方便，常分解为一系列子问题分别处理：机组组合、水电计划、交换计划、燃 料计划等。其中机组组合是调度运行部门编制短期发电计划、进行经济调度的首 要问题。 机组经济组合指在己知系统负荷预测、水电计划、交换计划、燃料计划、网 损修正、机组可用状态及机组减发电功率计划的情况下，编制规定周期内电力系 统各机组的启停计划，然后按机组启停计划进行负荷经济分配，使总的发电费用 和启动费用降至最低。其相互间的具体关系如图1 1 所示。 图1 1 机组组合与其他调度计划的关系 f i 9 1 1t h er e l a t i o n s h i po f u n i tc o m m i t m e n ta n do t h e rd i s p a t c h i n gs c h e d u l e s 机组组合问题伴随着电力工业的垄断而出现。在电力工业的起步阶段，电厂 间没有互联供电，各家电厂通过自己的网络向其周围的电力用户供电，电厂运行 管理人员关心的是自己的成本与盈利。但随着交流输电技术、变压器以及汽轮机 技术等新技术的出现及发展，电力工业呈现出规模经济性。由于技术进步，大量 电力可以通过长距离输送，集中发电可以送到城市负荷中心。大容量的发电机需 要复杂的输电系统，合并的大电力公司变成垂直一体化，即单个公司拥有生产、 输送和分配电力的设施。最终，第一个一体化的、集中调度的电力联营体于1 9 2 7 年在美国产生。集中调度和垂直一体化在当时也是消除竞争的一种手段。为保证 供电可靠，互联电力系统得到充足的发展，最终形成高度互联和集成的发电和输 电系统结构，即为今天的电力系统。而用高压输电技术将几个大型电厂所发的电 力输送到较大范围演变成了最经济的供电方式。发输配电一体的垄断式电力工业 逐步代替了无序市场竞争的分散供电模式。到上世纪6 0 年代，垄断式的大规模电 力系统在绝大多数工业国家得到了建立应用。系统在发电厂互联后有了统一调度 的可能。如何实现系统最优调度的挑战被摆在了电力工程师们的面前，由此出现了 机组组合问题，这是电力系统中最早的经济学问题。 因为发电成本占到供电成本的3 5 一5 0 ，因而合理有效解决机组组合问题 所带来的经济效益是十分显著的。 电能交易是电力市场的核心问题。但电能又是一种特殊的商品，它要求供需 瞬时平衡并对输电网具有强烈的依赖性。这使得电能交易不可能通过供需双方经 由传统的大量耗时的谈判协商达成。而必需通过具有发电负荷预测等功能的有组 织的日前电力市场和实时电力市场等来进行定量定价。电能交易的一个重要特点 2 是随着需求的周期性变化，承担发电任务的机组组合及其出力也在变化，并决定 市场的电价。机组组合具有真实反映机组发电成本实际组成的特性，并有利于考 虑电网及机组的各种约束，用其做电能交易算法可充分保证发电计划的可行性与 经济性。总之，研究电力市场中的机组组合，揭示它在电力市场中的作用，解决 它所存在的问题，对于考察电力市场的电能交易具有十分重要的理论价值和实践 指导意义。 1 1 2 节能调度背景及意义 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，国务院 办公厅于2 0 0 7 年8 月发布了国务院办公厅关于转发发展改革委等部门节能发电 调度办法( 试行) 的通知。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。发展改 革委要会同有关部门认真组织试点，并做好与电力市场建设的衔接，积极推进电 价改革，逐步建立销售电价与上网电价联动机制。试点省( 区、市) 人民政府及 其有关部门要认真落实节能发电调度的各项措施，妥善解决小机组减发后的相关 问题。未开展试点的地区，要全面推行差别电量计划，做好实施节能发电调度的 准备工作。 节能发电调度是指按照各类发电机组类型、能耗水平事先排序，对发电机组 的启停和出力分配进行优化，优先利用可再生和清洁发电资源，依能耗和污染物 排放水平调用化石类发电资源，按既定排序和优化结果依次进行发电调度。 实行节能调度具有重要的环保和经济效益。它通过建立促进提高能源效率的 新机制、新体制，改进发电调度方式，可以促进电力系统整体效率的不断提高， 从而实现节能降耗的目标。据专家介绍，实行节能调度，若充分利用高效的机组 发电，逐步淘汰高能耗的小火电，全国可以减少发电用煤约7 0 0 0 万吨标准煤，万 元产值能耗可以降低3 1 5 个百分点。为能耗降低2 0 的目标贡献约六分之一，居 全国各大行业之首。 实行节能调度，同时也给各级调度部门带来了挑战。首先要改变计划方式下 平均分配发电的做法，用节能序位安排调度。其次要建立一整套信息公开、监管、 查询、纠正、处罚等有利于科学调度的机制。三是要及时解决调度方式改变情况 下出现的电价、环保、电网能力、自备电厂等方面问题，解决体制机制上的障碍， 真正通过改进方式实现环保和节能。 3 1 2 研究问题的回顾与展望 节能调度下的机组组合是在传统机组组合的基础上发展而来的，深入理解和 全面把握机组组合问题的求解方法、演变过程以及目前的研究进展，是进一步研 究的前提。以下从求解方法、模型演变以及市场环境下的研究现状三个方面对机 组组合问题的研究进行回顾和展望。 1 2 1 机组组合的求解方法 由于机组组合问题是一个高维数、非凸的、离散的、非线性的优化问题，很 难找出理论上的最优解。但由于其在电网运行中的重要性，由于其能够带来显著 的经济效益。数十年来人们一直在积极研究，提出了各种方法来解决这个问题。 除穷举发外目前的方法可以分为四类：启发式方法、经典数学优化方法、随机化 优化方法和其他人工智能方法等。经典数学优化方法又包括动态规划法，分支定 界法，混合整数规划法，拉格朗同松弛法等具体技术。随机化优化方法包括遗传 算法，模拟退火算法，和禁忌搜索算法等。其他人工智能方法包括人工神经网络 法，人工蚁群算法，内点法等。 穷举法虽然可得出问题的最优解，但求解能力受到问题规模的极大制约。在 大规模的电力系统当中，穷举法通常根本无法解出结果。因此，除了在机组组合 研究的初期有过使用外，对大规模电力系统，由于过度的计算量，使其无法使用。 下面是四类算法的应用情况： 1 2 1 1 启发式方法 启发式方法( h e u r is ticm e t h o d ) 一般是利用事先设定的指标对机组进行排序， 依次序安排机组的开机或停机。启发式方法是最早使用的一类优化方法，这种方 法没有严格的理论依据，依靠直观的判断或实际调度的经验寻找最优解。在文献 1 中，提出了一种机组组合优化的新型启发式方法，与现有的启发式方法不同之 处是计及随时间变化的启停机费用对机组优先级的影响，并提出由开启机组决定 所带负荷曲线：将该启发式方法与逐步动态优化法相结合进行机组最优组合，使 计算时间大为减少，同时可保证得到最优解。文献 2 提出了一种用于求解中期电 力市场机组组合问题的启发式方法。该算法将局部寻优法与优先顺序法有效结合 避免了丢失最优解，同时通过逐次寻优逐步缩小了寻优范围，从而提高了求解速 度。根据机组组合问题的特点，文献 3 制定了确定机组开停机优先权、基荷机组， 开机台数、调整开停机计划以满足最小开停机时间约束条件等启发式专家规则。 这类方法尽管不是最优的，但由于快速简洁，大大减少了求解问题的规模，所以 4 目前仍然得到广泛应用。 1 2 1 2 经典数学优化法 数学优化类算法是机组组合求解的一类重要算法。这类算法把机组组合问题 用数学方程描述出来，然后用解析方法求其最优解。 动态规划法( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) 是解决多阶段决策过程最优化的一种数学 方法，在枚举各种可能的状态组合的过程中，这种方法巧妙地摒弃了那些不需要 考虑的解。文献 4 中，为了有效地解决各种类型报价曲线的负荷经济分配，并考 虑到计算速度、精度及收敛性等问题，采用了一种改进的动态规划法局部加 密动态规划法，并采取了限制机组组合状态的措施。插值动态规划法在 5 中提 出。这是一种启发式方法，可以和其他的经济调度算法相结合，用以解决多种约 束条件下的机组组合问题，特别是可以处理机组功率上升、下降速度约束，且考 虑了机组的开、停机特性，并有效避免了“维数灾 问题。文献 6 设计了一种逐 次逼近动态规划法，可用于求解水电机组的组合问题。该算法可有效地减少状态 变量的个数，且能收敛到满意解。通过分析影响电力市场机组组合的因素，以及传 统电力系统运行方式下制定机组组合的方法，文献 7 提出了以传统的优先次序法 为基础、然后采用动态规划法加以优化的机组经济组合模式。文献 8 中，提出一 种确定机组最优启停的改进动态规划法。先按优先顺序表压缩各时段机组组合状 态，再用动态规划法进行计算这种方法克服了优先顺序法没有考虑启停费用的 不足，也解决了动态规划的“维数灾难”，且各机组的最优负荷分配可与机组的启 停计划同时计算出。 混合整数规划( m i x e d i n t e g e rp r o g r a m m i n g ) 是变量中既有整数又有非整数的数 学规划问题，根据除整数变量以外的其它变量的函数类型，又可分为线性混合整 数规划和非线性混合整数规划。文献 9 提出了一种应用广义b e n d e r s 分解法的思 想构成混合整数规划的主问题和连续变量优化子的问题，对主问题修正，使其能 满足启动费用的时变性和水火电系统的非线性，易于考虑各种启发式信息和约束 的综合算法。分支定界法的思路是形成一棵分支定界树，根节点是原问题的松弛。 后来应用十分广泛的拉格朗日松弛法最早也是以分支定界法的形式出现的。 拉格朗r 松弛法产生于7 0 年代，是解决复杂整数和组合优化问题的一类优化 算法，它建立在下述思想的基础上：许多困难的整数规划问题可看成是由一些边 界约束条件联系在一起的一系列相对容易的子问题组成，利用这个特点，把约束 条件被破坏的量和它们各自的对偶变量的乘积加在目标函数上作为惩罚项，形成 拉格朗日问题。拉格朗日问题相对容易解决，对于最大( 小) 化问题，它的优化值 是原问题优化值的上( 下) 界，因此在分支定界法中，它能够取代线性规划法以提 供下界。一种能够求解两种电价结算方式下的机组组合问题的解耦新算法在文献 5 1 0 中提出。由于该算法只将部分约束条件松弛到目标函数中，乘子的调整方法 十分简捷有效。其他约束条件在子优化问题中用其他优化方法加以考虑，例如线 性规划和动态规划。文献 1 1 中，以分支定界法为框架，应用对偶方法求分支定 界树各节点的下界，使用近似罚函数法，不但能解对偶问题，而且能为构造原问 题的近似优化解提供有用的信息。 拉格朗日松弛法是机组组合研究中最常用的，也是公认最优秀的方法之一。 在拉格朗日分解应用于机组组合问题之前，机组组合求解中已经出现了分解技术， 但当时分解是按时段进行的，使得时间关联约束难以处理，可求解的问题规模非 常有限，超过1 0 个机组1 0 个时段的问题就无法求解了。拉格朗日对偶分解原理最 早在1 9 7 7 年应用于机组组合求解。m u c k s t a d t j h 利用拉格朗同乘子对系统约束 进行分解，形成了以机组为单元的子问题，大大降低了机组组合问题的求解规模 1 2 。但是，该算法本质上是分支定界法，拉格朗日函数只是用来确定分支树上 每个节点最优值的下限。真正适用于大规模u c 问题并随后得到广泛认可的拉格朗 日松弛法是由m e r l i na s a n d r i np 在1 9 8 3 年提出的 1 3 ，其基本思想是：主问 题中考虑与各可启停机组均相关的系统约束j 子问题中考虑只与单一可启停机组 相关的机组约束，通过在主问题的求解与子问题的求解之间迭代地进行，可求得 主问题的最优解。拉格朗日松弛法的最大优点是计算量与系统规模成线性关系， 且对偶间隙与机组数成反比，因此可求解实际大规模系统的问题。拉格朗日松弛 法的另一个重要的特点是易于处理各种约束，除复杂系统约束以外的其他约束一 般均可以通过引入拉格朗同乘子方便地进行处理。由于机组组合问题目标函数的 非凸性引起的对偶间隙，拉格朗同松弛法在收敛性和原问题可行解的求取上仍不 够完美。在之后的2 0 多年中，拉格朗日松弛法的研究在此方面以及可处理的约束 的数目和类型方面有很大的发展。 拉格朗日松弛法的收敛特性对初值和调整拉格朗日乘子的策略有依赖。以拉 格朗日乘子将爬坡速率松弛考虑的思想成为法处理约束的一种有效方法，在后续 的很多研究中得到应用。为解决非凸性引起的收敛振荡问题，二次罚函数被引入对 偶函数，这称为扩展拉格朗日松弛法法。扩展拉格朗同松弛法在考虑多种约束、对 偶变量增多的情况下可明显加快收敛速度。二次罚函数的非线性破坏了对偶函数 按机组可分解的特点，因此，辅助问题原理被用来对二次罚函数进行线性化处理。 解决拉格朗日松弛法结果振荡的另一种方法是对结果进行后台处理，即再使用其 他方法对结果进行优化选择。引入对偶变量后，在数学结构上，机组组合的对偶 问题具有按机组划分子问题的特点，而机组组合后的经济调度具有按时段划分子 问题的特点，这些子问题间相对独立，因此可并行求解，从而提高求解速度。 1 2 1 3 随机化优化方法 6 随机化优化方法又被称作现代启发式方法。 遗传算法是目前广泛研究和应用的模拟自然界生物进化过程的组合优化算 法。遗传算法是一个框架性的算法，可以根据具体问题进行不同的考虑。文献 1 4 中，针对电厂经济运行问题，设计了大型火电厂经济运行调度系统。重点讨论了 遗传算法以及在电站机组经济运行优化问题中的应用，实现了最优机组组合与负 荷分配，给出了机组启停的调度策略。用遗传算法解决电力系统机组组合及机组 间的负荷分配问题。在机组数目增加时，二进制编码的遗传算法的计算量及存储 量会增加很多，并且经典的遗传算法不具有渐近收敛性。针对这些问题，文献 1 5 则采用二进制与浮点数混合的编码方案，并根据这一特点设计了遗传算子；对经 典的遗传算法在计算中出现的随机性问题，则采用压缩映射遗传算法使计算过程 渐近收敛。此方法具有渐近收敛性，与二进制编码的算法相比，计算所需时间及 内存少，而且更易引入问题的相关信息。常在遗传算法中加入其他方法，可以得 到更优的解决办法。文献 1 6 提出了一种基于动态规划法和遗传算法的混合优化 算法来分别解决大规模机组组合问题中空间最优化和时间最优化的计算机求解问 题。避免了遗传算法计算速度缓慢的问题，又避免了动态规划法的“维数灾”问 题。文献 1 7 中，在遗传基因算法的基础上，增加了区域变化这一重要环节，设 计了一种新的启发式遗传交换操作算法。它在保留了原g a 算法的同时，又具有较 高的解题速度。 模拟退火算法s a ( s i m u l a t e da n n e a l i n g ) 是一种求解大规模优化问题的通用算 法。该算法建立在蒙特卡洛原理基础上，模拟固体退火过程，是一种具有启发式 的随机搜索算法。该方法常与遗传算法共用。文献 1 8 提出在遗传算法的评价函 数中引入模拟退火算法以及在选择操作中采用模拟退火算法的接受准则，将两者 进行混合有效地缓解选择压力，增强了算法的全局收敛性。 禁忌搜索( t a b us e a r c h ) 法是机组组合优化问题的一种启发式优化算法，它 通过迭代寻找问题的最优解，提供了跳出局部极值的方法。当达到一个局部极值 后，寻优过程将在下一次移动时转到一个新方向。对于每个解定义一个邻域，过 程从初始解开始，通过迭代移动到邻域内的最优解。 1 2 1 4 其他人工智能算法 智能优化算法是从不同的角度利用不同的搜索机制和策略实现对局部搜索算 法的改进。 人工神经网络在优化问题中，常用的两种重要模型是b p 网络和h o p f i e l d 网络 模型。神经网络模型的优点是在线计算能力强，适合实时控制。但同时也存在着 收敛速度慢，易陷入局部极值点等缺点，且网络合适的隐含层数目和节点数目确 定较困难。文献 1 9 把拉格朗日松弛法和h o p f i e l d 网络相结合，应用拉格朗日松 7 弛法将机组组合问题加以分解，并把负的对偶函数视为网络的能量函数，用神经 元表示拉格朗日乘子，而网络中乘子的更新及单台机组子问题采用动态规划法处 理，对实际的数据集应用软件模拟得到了较为理想的结果，但若应用硬件实现， 则可使收敛速度加快。 总结机组组合的各种求解方法，可以得到以下几点认识： ( 1 ) 求解机组组合问题使用了几乎所有可能的优化方法。对于这样一个大规模 的混合整数规划问题，准确求解几乎是不可能的。如何在计算量和计算精度间得 到恰当协调妥协，是验证一个算法是否优秀的重要标准。迄今为止，尚未出现任 何一种完美的方法。 ( 2 ) 由于机组组合问题在对偶变量引导下具有鲜明的约束或变量分组的特性， 充分利用这一点将大大降低问题求解的规模，因此采用对偶分解技术的拉格朗日 松弛法表现出很强的求解大规模机组组合问题的能力。 ( 3 ) 机组组合问题经过分解将形成按时段或按机组分类的众多子问题。求解机 组组合问题的关键在于利用这些子问题间的相对独立性，进行计算。在考虑相关 的约束，最后得到相对最优的结果。 ( 4 ) 每种算法各有优缺点，因此令各算法各擅所长的混合算法有很好的前景， 问题的关键是如何配合才能尽量发挥各自的优势、抵消劣势，而不是相反。混合 算法有可能成为研究热点。 1 2 2 机组组合的数学模型演变 机组组合问题不是一成不变的。随着社会的进步和电力工业的发展，其模型 在不断地发展变化，反映了机组组合评价标准和系统运行环境的演变。而根据系 统的不同要求，可以建立不同的机组组合问题数学模型。 a 目标函数的变化 由于垄断电力工业关心的是系统的整体效益，因此机组组合的目标函数在电 力垄断期间一直是系统发电耗量最小。但电力工业市场化改革后，这种情况发生 了变化，由于引入了竞争，厂网分开等原因，调度人员只关心购电成本，目标函 数相应演绎为购电成本最小，或更反映资源配置效率的社会总收益最大。而在节 能调度这一纲领下，机组组合问题的目标函数则转向了能耗与污染最小。优先利 用可再生和清洁发电资源，依能耗和污染物排放水平调用化石类发电资源，按既 定排序和优化结果依次进行发电调度。 8 b 约束条件的变化 最初的机组组合模型较为简单，约束条件往往只有五个最基本的约束即系统 功率平衡约束、系统备用约束、机组最大出力约束、机组最小出力约束、最小开 停机时间约束。随着电力系统的发展，机组、线路的增多，仅靠最基本约束而得 到的发电计划与系统的实际运行状况差距渐大。当电力系统复杂到一定程度的时 候，人们发现仅靠金本约束得到的发电计划常常因与实际运行要求出入过大而根 本无法使用。几十年来，为了得到更符合系统实际运行要求的发电计划，机组组 合中考虑的约束条件越来越多。机组动态技术约束、环境约束、网络安全约束、 市场约束，诸多条件的加入，使机组组合问题变得更加复杂，也引出了各种重点 针对不同约束的求解方法。 为使机组的实际出力能力符合电力系统实时调度的要求，在机组组合中需考 虑反映机组动态调节能力的爬坡速率约束。处理方法中比较简单的是用启发式方 法在经济调度阶段考虑。以下为一些现有处理方法：为每台机组引入拉格朗日乘 子；通过增加状态量，将爬坡约束转化为对机组出力的限制，在拉格朗日松弛法 对偶问题中用多状态的d p 法求解；在用爬坡速率约束修正了机组在每一时段的最 大、最小出力后，综合运用前两种方法；将单机组的爬坡速率约束整合成系统爬 坡约束，只引入一个拉格朗日乘子，从而简化计算。 随着科学技术的发展、社会生活水平的提高，人类对自然的污染、破坏越来 越严重。当人们意识到我们需要保护自然，保护环境的时候，人们对环境质量的 要求也越来越高。近年来世界各国相应出台了一系列保护环境的法律，其中对发 电企业废气排放的要求主要是限n - - 氧化硫和氮氧化物的排放总量。废气排放实 行收费制度，排放费用一般是发电量的函数。以拉格朗日乘子将环境约束松弛， 对处理环境约束依然是一种有效的方法。也可采用多目标技术处理环境约束，将 排放费用乘以权重系数后加入目标函数。在文 2 0 中将约束松弛法和多目标法进行 了比较，认为约束松弛法易求得最优解，但需对经济调度算法作较大改动，加权 重系数的多目标法基本不用改变经济调度算法，但权重系数的选择依赖于经验值， 因此不能保证求得最优解。 一次能源约束具体表现为：对某些火电机组，存在着供货合同、传输能力或 存储设施方面的限制；而水电机组会受到水库容量或上游来水量的制约。l r 法可 像处理其它约束一样考虑燃料约束。文 2 1 1 将有燃料约束的机组与无燃料约束的机 组分开考虑，并将燃料约束转化为发电机最大最小出力约束，受约束机组用对偶 调度求发电量最大，不受约束机组求解发电费用最小的常规经济调度。 发电计划的实施依靠各机组的出力，而机组的处理最终由电力网传输到用电 端，而发电计划改变引起的潮流变化又关系到电网的安全。因此，在不计线路及 9 其它系统安全约束的情况下得出的发电计划往往是不可行的，需调度人员进行重 新调整，而这种调整更多地是依靠调度员的经验，无法保证结果的最优性。在机 组组合中考虑电网安全约束，可求得最优的可行解，称为安全约束机组组合 ( s e c u r i t y - c o n s t r a i n e du n i tc o m m i t m e n t ，s c u c ) ，已越来越引起关注。安全约束是 指系统有足够的传输能力保证发电计划的实施，并且在任何时刻都能稳定工作， 这些约束一般包括线路或系统断面的传输能力约束、电压约束以及各种稳态和动 态稳定要求。 电力网络中线路传输能力是普遍考虑的约束，一般分两种情况处理。一种以 网络的实际结构来考虑；另一种是将网络简化成几个区域，只计及区域间联络线 的潮流约束。两种情况本质上是相通的，只是计算量大小不同。考虑到工程实际 中电网的众多线路中只有极少数线路易发生潮流越限现象，据此将网络划分为几 个区域，只考虑区域间的线路约束，会使问题的求解简化。电力网络本质上是非 线性的，但发电计划主要与有功潮流有关，在无功充足的情况下，以d c 潮流模型 来表示电网可满足精度要求。 研究机组组合的问题，必须兼顾系统运行的经济性，过度的备用必然导致系 统运行成本的升高。由于系统的可靠性是随着系统的运行状况随时变化的，因而 需要选定一个合适的数值来满足备用要求。通常采用系统峰荷的3 一l o ，或 系统中最大一台机组的容量，来作为备用。 综上所述机组组合问题的目标与其约束条件并非不相关的，而是相互作用的。 因此，用多目标方法和增加约束的方法可处理同样的机组组合问题。机组组合的 约束条件界定了解的可行域，更多约束条件对应系统运行环境的更多要求。对u c 中约束条件的处理，启发式方法是最简单直接的途径，但缺乏明确的数学表达并 存在不精确性。拉格朗日松弛法在处理各类约束方面表现出较强的适应性，可通 过增加状态变量、引入拉格朗日乘子等进行处理。l r 法处理约束的能力是其优势 所在，值得进一步研究。 1 2 3 节能调度下的机组组合 在传统电力工业中，根据机组的运行成本进行机组组合是系统运行调度人员 在运行日前一天的一项重要工作。市场化改革后，电力工业发、输、配一体的垄 断格局被打破，虽然各国各地区的结构重组存在着多种形式，但基本的一点是发 电侧首先引入了竞争，机组的发电计划不再是系统运行员调度命令的结果，而是 以机组报价为基础竞争的结果。这种在市场参与者标价基础上以一定规则决定资 源配置和资源价格的方式称为拍卖，又称为竞价。如果说“竞价上网”是按竞争 l o 主体所报上网价格高低排序调度，那么，以“按能耗高低排序 为主要内容的节 能发电调度，则可称之为“竞耗上网”。因此，节能发电调度并不是“计划调度” 的概念，而是市场竞争的另一种表现形式，在本质上与竞价上网有一定的相通性， 只不过是以“能耗”取代“价格”作为排序调度的依据。 电力工业市场化改革是电力工业发展的必然趋势。长期以来，电力工业被认 为是自然垄断的。实际上，电力工业的发展经历了自由竞争一垄断放松管 制的过程。起步阶段，电力工业是一个完全竞争的市场。但充分的竞争并没有带 来高效率，重复的电网建设使电价居高不下。随着工农业生产，不断加速的城市 化进程以及人民生活的发展，电能的需求量迅速扩大。而富含转化为电能的煤、 水资源地区又往往远离用电比较集中的城市和工矿区，造成用电与供电空间位置 的差异，进一步恶化了孤立电力系统的运行状况，同时也促进了电力技术的进一 步发展。当规模经济效益出现时，发、输、配一体的垄断电力工业就形成了。发 展到2 0 世纪8 0 年代，大规模电力系统垄断式经营的规模经济效益达到了极限。与 此同时，一些新技术的出现对原有的发电的垄断进行挑战。过度的垄断必将导致 行业的畸形。因此，电力工业经营体制的变革是与电力系统技术的发展相一致的。 由于电力技术发展的要求，电力工业开始了市场化运营；又由于电力技术仍存在 的不足，电力市场不能完全等同于其它商品市场。开展电力市场环境下的机组组 合研究，必须准确把握技术与经济的最佳融合。 “公正、公平、公开”是电力市场的基本原则。但研究表明，从系统角度看 经济性差别不大的两个发电计划，有时却可能由不同的机组组成，因此个别发电 商的利润会有较大的差异。无论采用哪一个发电计划方案，对另一方案中的机组 都是不公平的。在系统中存在成本参数时，这个现象更为突出。这个问题的更一 般表现是机组组合求解结果的振荡。然而从目前的研究看，公平问题仍没有得到 很好的解决。 目前探索的竞价上网模式为何没有有效地发挥促进节能减排的作用呢? 我们 初步析，其一，发电企业的资源与环境成本尚未完全内部化，高效低排机组的节 能环保优势无法“用价格说话”；其二，绝大多数低效高排老机组的投资成本基本 已经收回，而新投产的大容量、高参数机组短期内以财务费用为主的固定成本相 对较高，在一定程度上削弱了其以燃料为主的变动成本优势；其三，现行分配发 电量指标的计划调度方式，一定程度上抑制了清洁高效机组的发电能力；其四， 目前能耗高的小机组不少属于低级调度( 市、县级) ，有的还是企业自备电厂，在 已开展或筹备的竞价上网市场规则中，这些机组并不参与市场竞争，进而影响了 整体节能减排效果。总之，在这样的上网竞争规则下，价格未能很好地反映，甚 至在一定程度上还背离了节能环保的真正价值，市场配置资源的积极作用就很难 有效发挥。 1 3目前存在的问题 通过对机组组合的研究，发现节能调度下的机组组合研究在以下方面还有待 进一步深入讨论： ( 1 ) 电力系统机组组合随电力工业改革而变化，从一家垄断到市场竞争，评价 机组组合的标准以及考虑的约束条件都应跟着变化。如何建立适应这一变 化的机组组合模型、概念等显得尤为重要。 ( 2 ) 把握电力技术与市场原则的融合，深刻领会国务院办公厅关于转发发展 改革委等部门节能发电调度办法( 试行) 的通知精神，是节能调度下电 力技术研究的关键。相似或相同机组产生不同机组组合引起电力市场环境 下不公平问题，是电力技术对电能交易制约的一种表现，关系到电力工业 是否能良性发展，针对这一问题，目前研究尚未达成一致意见，应引起重 视。 ( 3 ) 节能调度面临没有从全局进行优化的问题。比如说考虑了机组的发电煤耗， 但没有考虑不同电厂来煤的不同，包括运输成本( 包括损失) 的不同、煤 质的不同等因素。对电网企业而言，节能调度和电网企业的经营目标时常 会出现矛盾。由于我国现阶段的电价机制造成了不同电厂、不同机组上网 电价不同，往往是新的大机组电价高于老的小机组。电网企业从自身利益 出发，更希望多购低价电，而非高价电，更多调度低价机组，而非高价机 组，这同节能调度的目标是背道而驰的。这涉及到未来发电市场竞争的根 本原则。 ( 4 ) 电力系统市场化运行使电网越来越运行于安全极限的边缘。因此，考虑网 络安全约束的机组组合变得尤为重要。对网络安全约束机组组合的研究己 有大量的成果，但网络约束对机组启停的制约机理仍有待揭示。作为反映 网络约束对电能交易制约的经济信号，节点电价与机组组合状态的确定有 何关联还缺乏研究。 ( 5 ) 电力工业市场化改革给机组组合提出的另一个挑战是需求侧的影响。由于 单边电力市场存在诸多的不足，用户参与市场交易j 下逐步推行。由于社会 生产和人们生活对电力的高度依赖，用户根据电价变化改变用电行为的规 律复杂变化。对用户参与日前市场电力竞争的研究，需借助于考虑需求响 应的机组组合来开展，该问题的数学模型有待建立，求解方法有待开发。 1 2 1 4 本文的主要工作 通过上述分析，本文主要论述了以下几个方面： 第一章对节能调度下机组组合问题的背景意义、解决方法以及面临的问题进行 了综述。 第二章结合电力资源的特殊性，主要介绍了日前市场特点及拉格朗日松弛算法 的原理。并对拉格朗日松弛法进行了系统的学习、深入的分析。 第三章深入的分析了机组组合问题的目标函数及约束条件，建立了考虑重点约 束条件的数学模型，对火、水电机组的模型进行了探讨，提出了综合考虑煤耗成 本等因素的排序方法。 第四章介绍了v i s u a lb a s i c 6 0 的使用方法，详细描述了v b 中的实现文件路径 选择以及a c c e s s 数据库存取得方法。运用拉格朗同松弛法对机组组合问题进行处 理，建立了系统的模型，给出了具体的实现方法，并描述了程序编制过程。 第五章结合四川电网的机组数据，给出了计算结果，证明本论文采用的算法可 以在较少迭代次数内形成收敛，达到满意的效果。 1 3 2 研究问题的基本描述 本章对节能调度下的机组组合问题进行基本描述，从电力商品的特殊性出发， 分析电力技术对电能交易算法的要求，说明具有集中控制特征的机组组合在竞争 的电力市场中存在的必要性，它的地位和作用。对求解方法进行探讨。 2 1日前市场的意义 市场环境下研究机组组合有两个角度：系统运行员的角度和发电商的角度。 本文在节能调度下研究日前发电计划，自然以系统调度员的角度为出发点。在当 前调度中采用机组组合作为电能交易算法是由电力商品的特殊性以及电力技术的 状况决定的。 2 1 1 电力资源的特殊性 在电力市场中，电能作为商品进行交易，但电力商品有不同于其他商品的特 殊性： a 电力商品的生产、供应、使用几乎是瞬间同时完成的。并且电能不能大量 储存，没有中间环节。电力供需必须瞬时平衡。电力在传输中具有融合特 性，即只要处于同一电力网络中的各发电商发出的电力资源都会融合在一 起向负荷传送。发电商生产出的电力商品不会直接供应一个具体的用户， 同样的，一个用户也不可能仅从一个发电商那里获得电力商品。电力资源 之所以能够融合在一起进行传输，是因为同一网络中不同发电商所生产的 电力商品几乎毫无区别。考虑到大规模系统的经济性问题，融合又是必要 的。事先计划和实时调度应是系统运行调度人员不可推卸的责任。系统运 行调度人员必须及时处理各种情况，必须指挥各个发电机何时启动、何时 增减出力以及何时停机。根本原因在于由于有融合性这一特性，在电力系 统中如果出现需求波动、输电阻塞或故障等情况将会影响到每一个参与者， 而不是仅仅影响其中引起问题的单个参与者。 b 电厂、发电机组建设的周期长、投资大。电力市场中实时电价的高低是引 导发电投资的重要信号，因此确定机组组合算法时必须考虑到能否给出发 电投资的正确信息。如果不能，则无法引导发电市场的健康发展，会导致 1 4 在电价的高峰期出现的盲目上马电厂项目，从而影响投资回收以及远期的 发电投资。电源建设的固定投资大，造成发电成本中有较大的固定分量， 这对节能调度下的竞耗上网的机组组合算法中如何处理固定成本将是一个 很大的挑战。在节能调度下如何利用经济杠杆来合理配置发电资源是一个 关键的问题。 c 电力传输依赖于输电网，并遵循特定的物理规律。电能遵循基尔霍夫电压、 电流定律在错综复杂的输电线路中传输，其流向并不按照人们达成的电能 交易方向。系统运行调度人员必须确保所有电能交易形成的系统潮流不会 违反物理规律的制约，并且应最合理有效地利用系统的传输能力。当某条 线路的潮流达到其承受极限时，运行调度人员必须重新安排发电计划。这 项工作如果与发电计划制定同时进行，将取得最佳的效果。而如果是在制 定发电计划后进行校正，则往往要付出更高的代价。 2 1 2 日前市场的特点 电能无法大量储存，而电力需求却呈现较大的周期性波动。因此，为保证系 统的稳定运行，电力市场一般由不同类型的多个子市场组成，日前市场是最重要 的特色之一。在节能调度下的日前市场上，发电商向市场运营机构申报下一个交 易日的能耗曲线、电价和电量，由市场运营机构根据机组发电序位表进行排序， 确