電力系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度

1、電力系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度方法摘要： 隨著電力市場(chǎng)的發(fā)展與完善， 電力系統(tǒng)的利益主體趨于多元化， 電力系統(tǒng) 日前優(yōu)化調(diào)度的方法也在不斷地完善。 從傳統(tǒng)的機(jī)組組合問題以及需求響應(yīng)兩個(gè) 主要的方面介紹電力系統(tǒng)日前調(diào)度方法的研究進(jìn)展和問題。 對(duì)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)日 前優(yōu)化調(diào)度問題進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述，建立傳統(tǒng)的 UC 模型，包括目標(biāo)函數(shù)、約束條 件和求解方法。 然后詳細(xì)闡述了需求響應(yīng)相關(guān)概念， 給出了需求響應(yīng)用戶的兩種 參與形式和需求響應(yīng)項(xiàng)目的分類，包括價(jià)格型 DR 項(xiàng)目和激勵(lì)型 DR 項(xiàng)目。最后 結(jié)合中國(guó)的電網(wǎng)發(fā)展建設(shè)趨勢(shì)，對(duì)電力系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度發(fā)展前景進(jìn)行展望 。關(guān)鍵詞： 日前優(yōu)化調(diào)度、機(jī)組組合、價(jià)格型需求響應(yīng)

2、、激勵(lì)型需求響應(yīng)1 引言 電力系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度是確保電力系 統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)， 對(duì)于節(jié)能減排、降 低污染物排放和確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具 有重要作用 1 。日前優(yōu)化調(diào)度問題對(duì)第二天 的機(jī)組啟停狀態(tài)和出力方案進(jìn)行優(yōu)化， 以最 小化全天的全網(wǎng)發(fā)電費(fèi)用為目標(biāo)， 同時(shí)需要 滿足功率平衡約束、爬坡約束、線路安全約 束等各類運(yùn)行約束， 具體包括日前機(jī)組組合 和日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度兩部分。 經(jīng)過多年來(lái)的實(shí)踐 和研究， 日前優(yōu)化調(diào)度技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā) 展，在模型和算法上均不斷完善。隨著我國(guó)電力工業(yè)的不斷發(fā)展， 僅僅依 靠傳統(tǒng)的日前調(diào)度方法調(diào)度發(fā)電側(cè)資源己 經(jīng)不能滿足能源緊缺和電力緊張的局面。 由 于電力負(fù)荷峰谷差的

3、逐漸拉大， 電力調(diào)峰難 度進(jìn)一步増加。 同時(shí)隨著社會(huì)公眾生態(tài)環(huán)保 意識(shí)的増強(qiáng)， 電力公司正積極尋求不同于傳 統(tǒng)方式的調(diào)度和運(yùn)行模式來(lái)滿足供需平衡。 風(fēng)電是目前發(fā)展前景最好的可再生能源發(fā) 電方式之一， 但由于其出力隨機(jī)性和不確定 性的特點(diǎn)， 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)將會(huì)給電網(wǎng)調(diào)度 帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。 隨著未來(lái)智能電網(wǎng)中柔性負(fù) 荷比例的不斷提高， 通過需求響應(yīng) ( demand response，DR )來(lái)適應(yīng)風(fēng)電大規(guī)模接入系統(tǒng)， 將是未來(lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。 需求側(cè)資源 的開發(fā)利用日益引起人們的關(guān)注。 相較于傳 統(tǒng)的電力調(diào)度方法，用戶需求響應(yīng)( DR ) 具有響應(yīng)速度快、 成本小、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)。 DR通過増

4、加用戶需求側(cè)在市場(chǎng)中的作用， 提高需求側(cè)負(fù)荷彈性， 基于價(jià)格和激勵(lì)措施 引導(dǎo)用戶合理用電并積極參與電力負(fù)荷調(diào) 節(jié)，進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行。DR資源會(huì)極大地 提高電能利用率和緩解用電緊張， 推進(jìn)節(jié)能 減排，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置， 進(jìn)而推遲對(duì)電 網(wǎng)升級(jí)的投資。從實(shí)際效果來(lái)看， DR項(xiàng)目 的實(shí)施不僅能給供電公司帶來(lái)利益， 還能給 用戶和政府帶來(lái)實(shí)際效益。本文針對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的電力系統(tǒng)日 前優(yōu)化調(diào)度新方法和新進(jìn)展， 對(duì)傳統(tǒng)的日前 調(diào)度， 以及考慮需求響應(yīng)的日前優(yōu)化調(diào)度兩 個(gè)大的方向進(jìn)行介紹。 并結(jié)合未來(lái)智能配網(wǎng) 的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)電力系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度方法 發(fā)展進(jìn)行展望。2 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)日前

5、優(yōu)化調(diào)度， 即機(jī)組 組合( Unit Commitment, UC )問題。 UC 問 題研究的主要內(nèi)容是： 根據(jù)有關(guān)技術(shù)要求制 定合適的目標(biāo)函數(shù)、約束條件，建立優(yōu)化調(diào) 度模型， 然后研究高效的求解方法，并用相 關(guān)算例檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃颓蠼夥椒ǖ挠行院蛯?shí) 用性?；谝陨险J(rèn)識(shí)，學(xué)者們從優(yōu)化調(diào)度問 題的建模和求解出發(fā)開展了大量的研究工 作。2.1 研究現(xiàn)狀在建模過程中， 根據(jù)所考慮因素的不同， 可以將 UC 問題劃分為計(jì)及不同約束、 計(jì)及 不同優(yōu)化目標(biāo)的的單目標(biāo)或多目標(biāo)優(yōu)化問 題。 按照優(yōu)化目標(biāo)， 電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度可分 為經(jīng)濟(jì)調(diào)度、 市場(chǎng)調(diào)度、 低碳調(diào)度等。 此外， 還有綜合考慮多種指標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型

6、。 文獻(xiàn) 2構(gòu)建了統(tǒng)籌資源消巧、 環(huán)境效益和系統(tǒng)可靠性的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。而文獻(xiàn)3建立了發(fā)電成本最小、污染氣體排放最小、 以及風(fēng)電場(chǎng)功率短期波動(dòng)帶來(lái)的電網(wǎng)運(yùn)行 風(fēng)險(xiǎn)最小的多目標(biāo)優(yōu)化模型。按照約束條件，可以將調(diào)度分為考慮網(wǎng)絡(luò)安全約束、備用約束以及風(fēng)險(xiǎn)約束等優(yōu)化問題。目前，越來(lái)越多的研究考慮常規(guī)火電機(jī)組和其他種類的 發(fā)電機(jī)組的聯(lián)合調(diào)度，比如水一火聯(lián)合調(diào)度 、風(fēng)一火發(fā)電調(diào)度2、風(fēng)一水一火混合系 統(tǒng)調(diào)度5等等。針對(duì)UC問題的求解，由于問題是一個(gè) 高維、非凸、不可微的非線性混合整數(shù)規(guī)劃（Mixed Integer Programming, MIP ）問題， 很難得到問題的精確最優(yōu)解。計(jì)算量隨決策 變量

7、數(shù)量的增加呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，是典型的NP難題，其求解方法大致可分為啟發(fā)式算 法、解析性優(yōu)化算法和智能優(yōu)化算法三類6（1）啟發(fā)式算法啟發(fā)式算法是最早用于電力系統(tǒng)日前 調(diào)度問題求解的一類算法，與解析性優(yōu)化算 法具有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)不同，此類算法以直 觀判斷和實(shí)際調(diào)度經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，具有物理意義明確、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)也存在過多 依賴人工經(jīng)驗(yàn)，尋優(yōu)精度不高、誤差較大的 缺陷。（2）解析性優(yōu)化算法解析性優(yōu)化算法有著比較明確的物理 意義和數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，全局尋優(yōu)能力較強(qiáng)， 但是，相對(duì)于智能優(yōu)化算法，其對(duì)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的要求較高，部分算法可能存在維數(shù)災(zāi) 問題，求解效率優(yōu)勢(shì)并不明顯。（3）智能化算法智能優(yōu)化算法是一類

8、模擬自然界自然 尋優(yōu)過程的隨機(jī)優(yōu)化算法，因其具有理論要求弱、兼容性好、求解速度快的特點(diǎn)而廣泛 用于電力系統(tǒng)調(diào)度領(lǐng)域。目前應(yīng)用較多的智能優(yōu)化算法包括遺傳算法、粒子群算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模擬退火算法等。!梅埔優(yōu)ftwit I ! Axwftir詵；2.2傳統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué)描述UC問題可以描述為：在一定的調(diào)度周 期內(nèi)（通常為24h,在滿足系統(tǒng)功率平衡、 備用要求和機(jī)組運(yùn)行等約束條件下，確定各時(shí)段內(nèi)機(jī)組的啟停方式及運(yùn)行機(jī)組的出力 計(jì)劃，使得調(diào)度周期內(nèi)的總運(yùn)行成本最化。 UC問題的決策變量為各發(fā)電機(jī)組的啟停狀 態(tài)和有功出力。1）目標(biāo)函數(shù)目前UC問題的目標(biāo)函數(shù)大都是在傳統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題的目標(biāo)函數(shù)的

9、基礎(chǔ)上擴(kuò)展而 來(lái)的。傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)為發(fā)電成本 最小，發(fā)電成本主要包括發(fā)電機(jī)組的煤耗成 本和啟動(dòng)成本。目標(biāo)函數(shù)表示如下：Nt Ngmin F 近瓦舌傀厲）+Cgsc（1u- ）u,J t d id式中：Nt為研究的全部時(shí)段，Ng為常規(guī)發(fā)電機(jī)組數(shù)量；FG,i,t為機(jī)組i在t時(shí)段的有功出力，*,t為機(jī)組i在時(shí)段t的運(yùn)行狀態(tài)，1為開機(jī)，0為停機(jī)。CGsc,i為機(jī)組i的啟動(dòng)費(fèi)用，可表示為CGsc. =Ki - BQ eTM）,£、B、齊分別為機(jī)組i的啟動(dòng)系數(shù)，乙,t斗 為機(jī)組i在t時(shí)段前的連續(xù)停機(jī)時(shí)間。fi（FG,i,t）為機(jī)組i在t時(shí)段的煤耗成本，通常表示為有功出力的二次函數(shù)，即2f

10、i(PG,i,t)二aiPG,t +bPG,i,t +c。其中 ai、bi、C分別為相應(yīng)成本系數(shù)。2)約束條件約束條件主要包括系統(tǒng)運(yùn)行約束和發(fā)電機(jī)組運(yùn)行約束。系統(tǒng)運(yùn)行約束條件主要包 括功率平衡約束、旋轉(zhuǎn)備用約束和線路傳輸 功率約束等，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行約束主要包括技 術(shù)出力約束、爬坡速率約束和最小啟停時(shí)間 約束等。NgNg二 Uj,tFG,i,t = PL,t二 Ksit 丄 Ri 4i =4(2)RG,i,t - mi n(Ui,tPG,i -Ps ,i,t , Rg ,i,t ) (3)NgNd-Pmax汀 Ki,iFG,i,t 亠 Ki,nFn,t Pmax(4)i 4n4minmaxui,t

11、FG,iFG,i ,t - ui,tFG,i(5)PG, i,t-1 - rd,i - FG,i,t - PG,t,t 1 ' ru,t (Xi；-Ti°n)(Ui,t-Ui,t) 一0(XO：l-TiOff)(Ui,tj 7,t) 一0(8)式(1)為系統(tǒng)功率平衡約束；式(2)-(3)為 系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用約束；式(4)為線路傳輸容量約 束；式(5)-(8)分別為常規(guī)發(fā)電機(jī)組出力上下 限約束、機(jī)組爬坡速率約束、最小開機(jī)時(shí)間 約束和最小停機(jī)時(shí)間約束。Nd為負(fù)荷個(gè)數(shù)；FL,t、R分別為時(shí)段t的系統(tǒng)負(fù)荷和備用需求；PGT、PG7為機(jī)組i的出力下限和上限：RG,i,t為機(jī)組i時(shí)段t提供的

12、旋轉(zhuǎn)備用容量；Rma；為機(jī)組能夠提供的最大旋轉(zhuǎn)備用容量; Pn,t為時(shí)段t第n個(gè)負(fù)荷的預(yù)測(cè)值；Kl, K|,n分別為機(jī)組i負(fù)荷節(jié)點(diǎn)n對(duì)第I條線路 的功率轉(zhuǎn)移分布因子；Rmax為第|條線路的 最大傳輸功率；rd,i和ru,t分別為機(jī)組i每小 時(shí)的出力下降速率和出力上升速率；X：和xOf分別為機(jī)組i在時(shí)段t已連續(xù)運(yùn)行時(shí)間 和停運(yùn)時(shí)間；Ton和Toff分別為機(jī)組的最小 開機(jī)時(shí)間和最小停機(jī)時(shí)間。3考慮需求響應(yīng)的日前優(yōu)化調(diào)度根據(jù)響應(yīng)機(jī)理，可以將需求響應(yīng)項(xiàng)目劃分為以下2類；價(jià)格型DR項(xiàng)目 和激勵(lì)型DR項(xiàng)目。價(jià)格型DR項(xiàng)目主 要包括分時(shí)電價(jià)(TOU )、實(shí)時(shí)電價(jià)(RTP)和尖峰電價(jià)(CPP);激勵(lì)型 DR主

13、要包括直接負(fù)荷控制(DLC)、 可中斷負(fù)荷(IL)、需求側(cè)競(jìng)價(jià)(DSB) 和緊急需求響應(yīng)項(xiàng)目(EDRP)等。將 不同類型的DR和UC問題結(jié)合，可以 構(gòu)建多種基于需求響應(yīng)的日前優(yōu)化調(diào) 度模型。3.1需求響應(yīng)用戶參與形式電力市場(chǎng)環(huán)境下，隨著需求響應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，需求側(cè)電力用戶不再僅僅是簡(jiǎn)單的電 力受端，還是需求響應(yīng)資源的提供者。系統(tǒng)中擁有大量的具有一定負(fù)荷調(diào)節(jié)能力的電 力用戶，通過主動(dòng)進(jìn)行用電需求、 用電方式 的調(diào)整，提供可削減負(fù)荷或者可轉(zhuǎn)移負(fù)荷等 需求響應(yīng)資源，參加相應(yīng)的需求響應(yīng)項(xiàng)目。根據(jù)DR項(xiàng)目的運(yùn)行實(shí)施機(jī)制， 需求側(cè)用戶參與DR項(xiàng)目主要有以下兩種方式：(1) 大型需求側(cè)用戶直接參與對(duì)于大型的工

14、業(yè)或者商業(yè)用戶，其需求響應(yīng)資源無(wú)論是在質(zhì)量上還是容量上能夠 達(dá)到需求響應(yīng)項(xiàng)目的市場(chǎng)準(zhǔn)入門檻，可以根據(jù)自身的負(fù)荷特點(diǎn)直接參加相關(guān)的需求響 應(yīng)項(xiàng)目。（2）中小型用戶通過 DRP參與對(duì)于中小型的電力用戶，尤其是數(shù)量龐 大的居民用戶來(lái)說，這些需求響應(yīng)負(fù)荷在響 應(yīng)容量或者負(fù)荷彈性上很難達(dá)到市場(chǎng)設(shè)置 的技術(shù)門檻，并且難以有效及時(shí)地響應(yīng)系統(tǒng) 的調(diào)度指令，因而運(yùn)營(yíng)商很難對(duì)這些數(shù)量龐 大且分散的可控性和可靠性較差的需求響 應(yīng)負(fù)荷進(jìn)行直接運(yùn)行調(diào)度。為了便于這些小用戶能夠有效參與到 電力市場(chǎng)中，充分發(fā)揮需求響應(yīng)資源的經(jīng)濟(jì) 效益和技術(shù)效益，需要對(duì)容量較小的負(fù)荷資 源進(jìn)行整合，國(guó)外很多電力市場(chǎng)引入了需求 響應(yīng)供應(yīng)商（D

15、RP ）。部分文獻(xiàn)也稱之為負(fù) 荷聚合商或負(fù)荷代理商， 可將其理解為電力 交易市場(chǎng)中的一種電力服務(wù)供應(yīng)商。DRP主要具有以下兩個(gè)功能：1）需求響應(yīng)資源的整合商?？梢詾橹行?型用戶提供參與電力市場(chǎng)的入口。2）電力競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)的參與者（功能類似發(fā) 電商）。作為需求響應(yīng)用戶的代理商參與電 力市場(chǎng)競(jìng)價(jià)交易，將整合的DR資源提供給 市場(chǎng)購(gòu)買者。需求響應(yīng)資源的供應(yīng)方為具有負(fù)荷調(diào) 節(jié)能為的電力用戶的整合，具體包括單純的可調(diào)負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置以及具備調(diào)節(jié)能力的分 布式電源，購(gòu)買方為電力交易中心，DRP在DR資源的供應(yīng)方和購(gòu)買方之間充當(dāng)?shù)谌?方代理商。DRP給電力終端用戶提供一條參 與電力市場(chǎng)的有效途徑， 同時(shí)也方便交易

16、中 屯、對(duì)需求響應(yīng)資源的運(yùn)行調(diào)度，減少系統(tǒng)的管理L義及交易成本。DRP與終端小用戶關(guān)系作如下闡述：DRP整合分散難調(diào)度的終端用戶的需求響 應(yīng)資源。在對(duì)用戶的負(fù)荷結(jié)構(gòu)及負(fù)荷彈性等 需求響應(yīng)潛力分析的基礎(chǔ)上，挖掘出能提供有價(jià)值的需求響應(yīng)資源的電力用戶，DRP與此用戶簽訂相應(yīng)的需求響應(yīng)合同，以取得該用戶部分電力設(shè)備的用電決策權(quán)。DRP借助專業(yè)技術(shù)手段，在遵照合同約定的基礎(chǔ) 上，對(duì)大量的可控用戶設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制， 來(lái)獲得可控可調(diào)度的整合需求響應(yīng)資源。在結(jié)算日，評(píng)估用戶的響應(yīng)結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行響 應(yīng)補(bǔ)償或者懲罰。DRP與交易中心關(guān)系為： DRP基于整 合的需求響應(yīng)資源，參加需求響應(yīng)項(xiàng)目，像 傳統(tǒng)發(fā)電商一樣直

17、接參與能量市場(chǎng)或者輔 助服務(wù)市場(chǎng)競(jìng)價(jià)，向交易中也提供可調(diào)度的“發(fā)電量”或者輔助服務(wù)。3.2需求響應(yīng)項(xiàng)目需求響應(yīng)是指用戶積極參與到電力市 場(chǎng)的調(diào)度運(yùn)行，并針對(duì)價(jià)格或者激勵(lì)措施做 出調(diào)整電力消費(fèi)模式的響應(yīng)。 需要根據(jù)系統(tǒng) 運(yùn)行實(shí)際情況制定相應(yīng) DR項(xiàng)目，以充分發(fā) 揮其項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)。按照響應(yīng)機(jī)制的不同，需求響應(yīng)可以分為價(jià)格型 DR和激勵(lì)型DR，具 體如下圖所示。廿卻I廈11 I 廠I岫| I廠1 曲11檔H電HTP哼 * DLCff fltRi |lAr怕£湖L嗎電（ft:TPFPRPnfinii-（1 ）激勵(lì)型需求響應(yīng)激勵(lì)型DR項(xiàng)目可分為3類，即自愿型 項(xiàng)目、強(qiáng)制型項(xiàng)目和市場(chǎng)出清項(xiàng)目。直接負(fù)

18、 荷控制（DLC ）和緊急需求響應(yīng)項(xiàng)目（EDPR） 屬于自愿型項(xiàng)目，如果用戶沒有執(zhí)行用電削 減指令，不會(huì)受到懲罰。可中斷負(fù)荷（IL ）和容量市場(chǎng)項(xiàng)目（CAP ）屬于強(qiáng)制型項(xiàng)目， 參與用戶若不執(zhí)行負(fù)荷削減調(diào)度指令會(huì)受 到相應(yīng)懲罰。需求側(cè)競(jìng)價(jià)（DSB ）和輔助服 務(wù)市場(chǎng)項(xiàng)目（ASMP ）屬于市場(chǎng)出清項(xiàng)目， 鼓勵(lì)大需求側(cè)用戶申報(bào)需求側(cè)競(jìng)價(jià)曲線同 發(fā)電商一同參與交易市場(chǎng)競(jìng)價(jià)。（2）價(jià)格型需求響應(yīng)價(jià)格型DR作為一種有效的需求響應(yīng)方 式，以電價(jià)作為調(diào)節(jié)手段來(lái)引導(dǎo)用戶調(diào)整用 電行為，采取合理的用電結(jié)構(gòu)和用電方式， 實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷的更加平穩(wěn)化。對(duì)于DR用戶 來(lái)說，根據(jù)零售電價(jià)的變化而相應(yīng)地調(diào)整自 身的用電需求，

19、即將用電時(shí)段由高電價(jià)時(shí)段 轉(zhuǎn)移到低電價(jià)時(shí)段，從而實(shí)現(xiàn)減少電費(fèi)的目 的。價(jià)格型DR主要包括分時(shí)電價(jià)（TOU ）、 實(shí)時(shí)電價(jià)(RTP)和尖峰電價(jià)(CPP)。分時(shí)電價(jià)作為一種應(yīng)用最為廣泛的價(jià) 格型DR，常見的形式包括峰谷電價(jià)、季節(jié) 電價(jià)和豐枯電價(jià)等。 其中峰谷分時(shí)電價(jià)是指 根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷特性確定峰平谷時(shí)段， 提高 用電髙峰的電價(jià)水平， 降低用電低谷時(shí)期的 電價(jià)水平， 從經(jīng)濟(jì)上激勵(lì)用戶改變用電方式， 將髙峰時(shí)段的部分用電負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低谷時(shí) 段。分時(shí)電價(jià)項(xiàng)目實(shí)施的預(yù)期效果是電網(wǎng)負(fù) 荷曲線的削峰填谷。4總結(jié)與展望本文對(duì)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度 問題進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述， 建立傳統(tǒng)的 UC 模型， 包括目標(biāo)函數(shù)、約束條件和求解方法。 首先 詳細(xì)闡述了需求響應(yīng)相關(guān)概念， 給出了需求 響應(yīng)用戶的兩種參與形式和需求響應(yīng)項(xiàng)目 的分類。 需求響應(yīng)項(xiàng)目包括價(jià)格型