考虑碳排放和经济因素的断面功率调整优化方法

在大规模互联电网中，联络线潮流受两端电网功角的影响，易发生较大幅度的波动。以断面为单位进行输电网络的负载调整可有效降低系统运行风险。在进行断面功率控制时，为达到低碳减排的效果，提出了一种以包括机组原料使用成本和碳过排成本在内的广义发电成本为目标的断面功率优化控制方法。优化模型允许机组进行碳排放权交易，防止电价大幅上升，实现不同类别机组间资源优化配置。根据各机组的碳排放情况，提出准入标记，表示在减排机制下，机组是否具有断面功率控制资格。提出效益影响因子来使断面控制过程中综合效果较好的机组具有更高的调度优先级。使用IEEE39节点系统进行了断面功率控制计算，结果验证了所提方法的准确性与优越性。关键词:准入标记；效益影响因子；碳过排成本；输电断面；能源互联网0引言为了实现更大范围的资源优化配置，进行电网互联成为现代电力系源互联网以电为中心实现能源电力输送，对电网[1-2]安全稳定运行提出了更高的要求。电能大容量远距离输送时，联络线[3-4]潮流转移对电网运行方式有较大影响，并容易发展为重大停电事故。[5-6]输电断面是电力系统中容易受到潮流转移影响、促进潮流转移的关键线调整是保证电网安全稳定运行的重要手段。7]断面的功率控制方法主要为潮流优化法和优化控制方法。潮流优化传统潮流方程中增加断面功率偏差方程，提出一种基于牛顿法的大型互联电网多断面约束潮流算法，在解电网潮流方程的同时将多个断面功率控制在指定位置。文献[9]在考虑频率电压调节特性的潮流方程基础上，增加了断面传输有功功率方程，提高频率和断面传输有功的控制水平。优化控制法多以灵敏度法为基础，将调控机组的出力作为控制变量构建优化模型进行求解。文献[10]将断面内过载支路与正常支路的灵敏度加权求和，得到综合灵敏度，以保证降低断面整体潮流的同时断面内无支路过载。文献[11]将暂态稳定约束转化为机组的有功出力约束，提出一种计及暂态稳定约束的断面功率调整方法，给出了在故障情况下的断面功率控制方法。文献[12]在电力系统进行实时调度时，考虑断面的安全约束，实现了保证断面安全前提下的风电场功率充分利用。上述文章从不同方面对断面功率控制方法进行了研究，但少有研究低碳生产已成为各国经济发展的重要战略。在中国，电力工业是主要[13]的必然要求。已有学者从规划和调度两个方面展开了研究。文献[15][14]从系统规划和系统运行两个层面，建立了完整的低碳经济模式下电力系统的整体框架。文献[16]引入CO过排放成本、风力发电的广义成本，2划模型。文献[17]研究了碳捕集电厂的运行机制，提出了一种包含碳捕集电厂的电力系统低碳优化调度模型。文献[18]提出极限消纳风电情况下储热放热速率和电锅炉电功率的最小协调关系模型，建立了一种电热经济调度模型。由上可见，低碳已成为电力系统调度的必要因素。在实时的断面功化目标的断面功率控制方法，目的在于解决如何在断面功率控制后使系碳过排成本，以保证在考虑系统运行经济性的前提下，兼顾低碳生产的目标。准入标记多数研究表示免费分配初始碳排放权是中国推进低碳减排初级阶段的必然选择[19]。碳排放权是机组核准小时数对应的碳排放量，核准小时为发电机组的年度发电利用小时数，使用文献[21]中的方法可计算[20]出机组的碳排放权，如式(1)所示。r,iiii虑节假日及天气急剧变化的情况下，选取机组近日发电量的平均值作为次日的预估发电量，结合机组的碳排放强度及累计碳排放量计算结束当天则标记为0，不允许其参与第二天的发电任务，否则，标记为1。在进行断面功率调整时，机组可能需要上调负荷，最严重的情况下，机组需上调至其出力上限。因此设机组能够参与调度的要求为其次日以最大功率输出，本日发电任务结束时，累积碳排排放。此时为其标记2，允许其参与调度，否则根据上次日的运行过程中不会出现碳排放超标的情况，减轻了信息记录量，简化了，此时需要额外记录机组的超标时间、超标量等，增添了信息记录及通信式中：E和E分别为机组i参与次日发电和断面功率控制后的累aia2,iiav,imax,i电力市场稳定[20]。因此，需引入合作减排机制。碳排放量较小的机组可继续生产。这种方式在保证整体碳排放量降低的同时，各种资源得到合理配置，社会收益达到最大化。在此机制下，在进行机组准入判断时，要明确参与调整的机组是否进行了碳交易以及碳交易额，并对准入标记i1.2碳过排成本由于在免费额度内，机组碳排放是不产生费用的，只有当机组进行将在碳排放量为其获取收益，碳过排成本为负。22i,e2效益影响因子在进行断面功率控制时，断面下包含多台机组，优先选择综合性能好的机组进行调度，可优化断面控制效果。灵敏度反应了机组功率变化度可计算出各机组对该断面的综合灵敏度，如式(8)~(9)所示。ikkP机i增加出力ΔP后线路k的功率；M为网络节点支路关联kikiki经济性是调度的基本指标之一，为达到经济性目的，应尽量保证在的原料使用成本，如式(10)所示。式中：Q为1kWh电能按热当量法折算后所需的原料量，折算成i标准煤为0.1229kg，折算为天然气约0.1Nm；η为电厂生产时对燃i3ii0.871，单价为435元/t，天然气厂使用的天然气单价为3元/Nm。3为达到低碳减排的目的，本文在已有研究的基础上考虑环保性指标，尽量使断面在功率控制后，系统碳排放强度较小。式中，g为单位质量燃料燃烧产生的CO排放量，对于火电厂，单i2位质量标准煤完全燃烧产生的单位立方天然气燃烧产生的CO为1.9642kg。2对于断面而言，灵敏度大的机组响应速度快；成本低的机组，经济综合能力，本文提出效益影响因子，如式(12)所示。iiiw分别为上述指标的权重，本文通过熵值法来确定。3[24]12选取算例中的机组为评测对象，选取灵敏度、发电成本、碳排放强度为评测指标。对评测对象进行归一化处理。14)所示。式中：行数为样本数，即机组个数；从左到右分别为灵敏度、发电成本、碳排放强度；aij为贡献度。计算所有机组对各指标的贡献度，即输出熵。jj3断面功率控制建模3.1优化目标在1.1节的内容中引入准入标记，保证了次日电能生产及断面功率控制过程中机组碳排放累计值不超标，且可筛选出能够进行断面功率控制的机组。在此基础上，以机组功率调整量为控制变量，以广义发电成与碳过排成本。在模型中将效益影响因子作为系数与成本相乘，增大在断面功率控制中性能优良的机组被使用的机会。式中：T为断面负载调整后系统广义发电成本；sym为断面功率控*sym=2时，机组能够参与调度优化，sym=1，否则为**i,ci,ei*ii3.2约束条件考虑到系统稳定运行的要求，设置以下约束条件：过载线路功率调整量等于其过载量(20)，其余线路功率调整量小于其冗余量(21)，机组参与断面功率控制后，系统功率平衡(22)，各机组出力在各自允小于其最大上、下爬坡速率与调度周期的乘积(24)。ilim度；ΔP为线路集l内各线路的功率越限量；ΔP为线路集m内各线路lm的运行冗余量；x和x分别为灵敏度为正和为负的的机组的负荷调整posineg,iΔP为平衡机负荷调整量；P，P分别为发电机的出力上下限；min,imax,iup,idown,i4算例分析E点所连机组为天然气机组，其余为火电机组，使用割集法可得系统的[25]表1系统中机组参数ableParametersofunitsinsystem根据表1中的数据，使用式(1)中的计算方法可得到系统中各机组的碳排放权。使用广州的日碳交易量和交易价格数据，采用蒙特卡洛法决定参与碳配额购买的机组，可得各机组的碳交易情况如表2所示。表2各机组碳交易情况TableCarbontradingofeachunit在低碳减排机制下，机组能否参与第二天的发电生产及断面功率控制都受到碳累计排放量、碳排放强度、第二天预计出力、机组容量以及放累计值与交易后的碳排放权比较可得准入标记，结果如表3所示。表3各机组准入资格核对TableCheckingthequalificationofeachunitG机组如果参与发电，会造成第二天碳排放额其碳排放量均不会超过碳交易后的碳排放权。因此，均标注2。根据机组准入标记，确定参与发电与断面功率控制的机组。通过潮流计算得到各线路的实际功率流量与负载率，结果如表4所示。表4断面内线路潮流信息Table4Lines’powerfollowingofthesection从表4可以看出，线路5与线路23存在过载情况。为了保证功率调整前后断面内的所有线路不过载，将该断面看作一个整体，一起进行功率调整。为了得到各台发电机对该断面功率调整的综合效果，计算效表5各机组效益影响因子ableBenefitimpactfactorofeachunit将各机组的效益影响因子作为系数与调控后的机组出力相乘，根据上文的碳交易情况计算碳过排成本，从而构造出优化模型。使用nprog表6发电机优化调整结果