help模型及其在水电优化开发和电力系统电源优选中的应用

1/8HELP模型及其在水电优化开发和电力系统电源优选中的应用伍宏中摘要HELP是为水电优化开发及电力系统扩展电源选择而研制的动态规划和线性规划相结合的模型。主要功能是电源优选、水电规划含梯级开发方案、开发时序及电厂水能参数选择、电厂项目评估及电力系统电厂群运行优化。关键词模型电源选择水电规划水能利用HYDROPOWERELECTRICITYLOADMODELFORLONGTERMPLANNINGANDITSAPPLICATIONONOPTIMALDEVELOPMENTOFHYDROPOWEROPTIMALSELECTIONOFELECTRICSOURCESWUHONGZHONGTHEGENERALINSTITUTEOFHYDROPOWERWATERRESOURCESBEJING,100011CHINAABSTRACTHYDROPOWERELECTRICITYLONGTERMPLANNINGHELPMODELISCREATEDFORHYDROPOWERDEVELOPMENTANDELECTRICSOURCESSELECTIONINPOWERSYSTEMEXPANSIONITSIMPORTANTFUNCTIONINCLUDESOPTIMALSELECTIONOFELECTRICSOURCESINPOWER2/8SYSTEM,HYDROPOWERPLANNINGCASCADEDEVELOPMENTSCHEME,SCHEDULINGOFDEVELOPMENTANDSCALESOFHYDROPOWERSTATION,ECONOMICEVALUATIONOFPOWERSTATIONPROJECT,OPTIMIZATIONOFOPERATIONOFPOWERSTATIONGROUPINCOMPARISONWITHOTHERMODELS,ITHASFOLLOWINGMERITSRIGOROUSSTRUCTURE,POWERFULFUNCTIONS,HIGHPRECISION,HIGHSPEEDANDUSEFULITHASBEENUSEDINTHEHYDROPOWERPLANNINGANDSELECTIONOFPUMPEDSTORAGEPOWERSTATIONS,ANDGOODRESULTSAREOBTAINEDKEYWORDSHYDROPOWERELECTRICITYLONGTERMPLANNINGHELPMODELSELECTIONOFELECTRICSOURCESHYDROPOWER1规划的任务和思路水电优化开发规划是电力系统扩展规划的一个重要组成部分。其规划任务为水电开发方案、系统电源、输电线回路及水电厂水能参数等的优化。它涉及水资源、能源和电力三个系统。由于水电具有的随机性、非线性特性以及水电厂群运行和效益的关联性，使水电规划及水电占相当比重的电力系统扩展规划，变得非常复杂。至今，国内外尚缺乏对这类规划的成熟模3/8型和软件。国内开发的IRELP/I及SIRELP等混合整数规划模型，虽在一定程度上能解决这类问题，但仍存在理论上不够严密、计算规模过大和对某些非线性问题尚不能圆满解决的问题。HELPHYDROPOWERELECTRICITYLONGTERMPLANNING模型，是继承国内外有关模型的优点，并尽量克服其缺点而形成的。水电开发和电力系统电源选择，规划期一般为10至30年，费用的计算期常用50年。HELP模型的思路，是从规划起始年出发，前向递推进行逐年规划，直至规划期末。每一个规划年，均需进行投资决策即该年的投产方案和与之相应的运行决策含水电厂水库群运行决策和系统水火电厂群运行决策。从规划起始年至规划期末，各年的投资决策组成决策树，决策树的每一枝相应于一个规划策略，优化规划是寻求系统费用最小的规划策略。由于规划期长，各年可能投产的方案很多，若按枚举法列举投产方案，则方案数量是大得惊人。本文用动态规划法并结合工程特点和工程经验，剔除明显不利的方案，最大限度地减少计算工作量，快速找到规划的最优策略。HELP由3个相互联系的模型组成子模型HY水电厂水库运行决策、子模型BLE电力系统水、火电厂运行决策和整体模型GBL动态规划。4/82模型的数学表达式子模型HYHY是对某一年的某投资方案、水电厂群运行优化模型、优化各水电厂年内各月的出力的决策，作为子模型BLE的基本数据。它是非线性规划问题，目标函数和部分约束为非线性。用线性规划模型逐次迭代求解。线性规划模型简述如下1目标函数在已有系统边际费用时，目标函数可以用水电厂群总发电效益BENEFIT最大来表示1式中HY、Y、M为水电厂、水文年份及月份的集合，HY、Y、M是它们的相应元素；N、PR为电厂时段出力变量，MW及其价值系数。在很多情况下，PR值不但各月不同，而且随水电厂群总出力的增加而下降，其表达式为PRMFPOWERM。它可从规划中得到，再反馈到本子模型中进行迭代修改。PR也可分别对保证出力和季节出力给以较大和较小的价值系数。2约束方程约束方程主要包括水库状态方程、水量平衡方程、5/8连续方程、出力方程、出力和流量约束方程及综合利用和环保约束方程等几类。其中部分是非线性的，大部分是线性的。约束方程表达式及算法见文1。子模型BLE子模型BLE有确定型和随机型两种模式。本文介绍确定型模式。电力电量平衡必须满足负荷及备用容量和机组检修的需求。1目标函数。系统火电燃料费用及失负荷费用COST极小化。2式中COST为系统总费用，即为火电燃料费用及启动费用及失负荷费用之和，变量；YR及D分别为水文系列年数及一周或一天的时段集合；TH、THC和THS分别为火电厂、非停机火电厂和可停机火电厂集合；DR和DUR为一个月的周数的当量值或一个月的天数和时段D的小时数；P为火电厂工作容量；STP和SC为可停机火电启动容量变量，MW及火电停机容量单位费用参数；FC为火电厂单位燃料费用，FCFPOC和SC分别为系统负荷变量，MW及失负荷单位费用。2约束方程含负荷平衡、机组检修及备用容量平6/8衡、水电能量约束和各类电厂工况等。1负荷平衡3式中DP与D同集；PW为火电厂在周或日负荷图上各相邻台阶间所担负荷的增值变量，MW；LOAD和分别为系统负荷及电厂厂用电和输电损失系数参数。系统中若有抽水蓄能电厂，则可将周或日的时段分为抽水蓄能电厂发电工况和抽水工况两部分。约束方程可按发电工况和抽水工况，分别在式3的左端和右端加上发电和抽水的功率，并加综合效率约束方程。若电力系统分为若干个子系统，则分别对各子系统进行平衡，并增加各子系统间的功率交换及输电能力约束方程。2机组检修平衡HYHY,THTH4式中MNTHY和MNTT为水、火电厂各月检修容量，变量，MW；CAP为电厂装机容量，对水电及已有火电为参数，对新增火电为变量，MW；DURMNT为电厂每年计划检修的总历时，M。7/8若系统内有抽水蓄能电厂，也应增加抽水蓄能的机组检修平衡方程。3备用容量平衡当进行确定型规划时，约束方程为5式中RES、RS和MAXLOAD分别为电厂备用容量、系统备用率和最大负荷。当进行随机型规划时，则没有上述约束方程，但须考虑负荷及机组事故的随机性，在费用中计入失负荷费用的数学期望值。4水电厂能量约束6式中HR为日或周的小时数。抽水蓄能电厂的能量决定于其库容和落差。5电厂工况约束含装机容量约束、水电厂强制基荷约束、受阻出力约束和火电厂技术最小出力约束等。3总体模型GBL该模型是前向递推动态规划模型。其功能是逐年搜索，寻求计算期的总费用现值简称为总费用最小的策8/8略。目标函数的表达式为7式中WORTH为电力系统折算至基准年第0年的总费用；TC为计算期规划时段的集合，规划时段一般采用50年；TP为规划期规划时