陕西电力

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旁强
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1 2018 电网分析与研究 Grd Analyss & Study 第 46 卷第 2 期 Vol.46 No.2 基于中长期机组组合的外送断面电量极限计算方法王步云 1 张成刚 1 陈艺华 1 费云志 2 王浩儒 2 毛文照 3 陈业夫 4 1. 国网陕西省电力公司陕西西安 3. 北京清大科越股份有限公司北京摘北京清能互联科技有限公司北京西安交通大学电气工程学院陕西西安要阐述了当前我国电力体制改革和西电东送推动的跨省区中长期交易对电力系统调度运行和安全校核工作的要求结合未来发展趋势提出了基于中长期机组组合的外送断面电量极限计算方法及其数学模型最后通过某省级电网的实际算例验证了所提出方法和数学模型的有效性关键词电力市场中长期机组组合断面电量极限安全校核中图分类号 TM711 文献标志码 A 文章编号 Computng Method for Outwards Transmsson Secton Electrc Energy Lmt Based on Medum & Long-term Unt Commtment WA Buyun1 ZHA Chenggang1 CHEN Yhua1 FEI Yunzh2 WA Haoru2 MAO Wenzhao3 CHEN Yefu4 1. State Grd Shaanx Electrc Power Company X an Chna 2. Bejng Tsntergy Technology Co. Ltd. Bejng Chna 3. Bejng QU Creatve Technology Co. Ltd. Bejng Chna 4. School of Electrcal Engneerng X an Jaotong Unversty X an Chna Abstract: Ths paper expounds the requrements of power system operaton and securty constrans under the current power system re formng and trans-provncal medum & long-term tradng. The requrements are prompted by transferrng the electrcty from the west ern areas to east Chna. Consderng the future development a computng method and ts mathematcal model s proposed for the out wards transmsson secton electrc energy lmt based on the medum & long-term unt commtment. Fnally by usng a practcal exam ple of a provncal power grd the effectveness of the proposed method and mathematcal model s verfed. ey words: electrcty market medum and long-term unt commtment cross-secton electrc energy lmt securty constrans 改革方案鼓励建立长期稳定的交易机制开展跨省 0 跨区电力直接交易试点[2] 引言在电力体制改革的大背景下直接交易在各个关于进一步深化电力体制改革的若干意见中发号一文明确提出三放开一独立 [1] 省市逐渐开启我国现有的以年度均衡滚动调整为核心的计划调度模式将发生转变在市场完全形成三加强的市场化改革总体要求抓住了制约我国之前计划电与市场电并存的情况将长期存在[3] 电力市场化进程中的关键因素为电力市场的建设在这种形式下传统的电网运行方式安排也应进行和发展注入了新的内涵中发 9 号文的发布标志更改尤其是在电网运行的安全校核方面电力市着新一轮电力体制改革正式开启在统一电力市场要求市场交易和安全校核闭环故在中长期机组场的框架下陕西省结合自身情况推出自身的市场的交易之前调度部门需要提供安全边界对交易进行事前安全校核进而实现电力交易曲线交割和交基金项目陕西省重点研发计划 2017ZDCXL-GY-02-03) Project Supported by ey Research and Development Program of Shaanx (2017ZDCXL-GY-02-03) 072 易检修开机的协调陕西电网是外送型电网是西北电网重要的外送窗口截至到 2016 年底陕西电网总装机容量为

2 2018 第 46 卷第 2 期 Vol.46 No.2 Grd Analyss & Study 电网分析与研究 MW, 外送能力 MW, 电网最大负荷为 MW [4], 外送电力能力占总装机容量的 22.8% 十三五时期末, 陕西电网将有四交四直的对外互联互通通道以及 6 条过境互联互通通道, 向外输送电力达到 MW [5] 与此同时, 陕西省将在 2020 年底前逐步建立起以长期交易为主现 [2] 货交易为补充的市场体系, 并扩大跨省区交易份额在大力发展电力外送以及跨区交易发展缓慢的背景下, 电网安全的不确定性较大, 各类电力交易的开展增加了调度部门预估电网安全边界和裕 [6-8] 度的难度为了保证电网安全运行, 在进行电力调度时, 必须对中长期电量合同进行精细高效的断面校核, 由此计算的外送断面电量极限成为当前调度工作中亟待解决的难题现有的一些文献提及了中长期断面电量极限的研究工作文献 [9] 提出了东北区域电力市场长期合同交易中安全校核的工作内容校核流程和核心求解方法及计算区域联络线的极限电量文献 [10] 则是在文献 [9] 的基础上对校核模型进行了优化, 将断面输电电量作为优化变量进行线性优化, 进而在确定中标电量的同时进行安全校核但总的来说, 断面极限电量计算的研究较少, 此方面内容有必要进行深入研究在月度季度甚至年度的中长期电量交易日渐增多情况下, 调度部门提供安全校核的难点则在于在中长期的时间维度下, 校核电量合同的合理性, 即考虑各种稳定约束下中长期机组组合的可能性, 也就是求解出满足这些条件的开停机方案但是这些方案不足以直观简明地去评判电量合同安全性, 解决办法是适当改变中长期机组组合的建模方法, 把可能性推到极限, 通过在中长期机组组合的建模框架下, 求解极限可能性下的极限电量, 该极限电量对评估中长期电量交易的安全性很有指导意义为此, 本文提出一种基于中长期机组组合的外送电量极限的计算方法, 并采用中国某省级电网的实际算例对该算法进行了验证分析 1 计算方法断面电量极限是中长期交易中进行安全校核的网络约束量的重要参考量之一, 旨在为中长期交易组织提供安全边界条件, 进行安全校核, 实现电力曲线的交割, 协调机组的开停机机组外送的断面极限电量是考虑机组出力检修计划本地负荷电网安全约束等约束情况下的外送断面的最大输电量外送断面流经的电量不得高过该断面输送电量的极限值, 该极限值由线路的热稳定性和电网稳定性分析等因素决定与断面电量极限相关的计算方法基本都是从系统的基态潮流出发计算最大传输容量 [11], 或者考 [12] 虑 N - 1 原则的输电断面静态或暂态安全约束这些方法只适用于传统电网运行模式, 并且这些方法计算得出的结果均为极限传输容量而非极限传输电量, 所得到的结果难以适应电力市场改革下未来的电网运行方式, 无法校核市场交易所得到的电量交易结果本文提出的基于中长期机组组合的电量极限计算方法本质上是中长期安全约束机组组合 (Securty- constraned Unt Commtment,SCUC) 模型, 全面考虑了各类约束条件, 包括负荷平衡约束线路及断面基态 N-1 和 N-2 安全约束电厂出力约束等相关约束, 并且需要同时闭环考虑基态及 N- 1 故障情况的安全约束本文采用的外送断面极限电量计算方法为 : 建立数学模型, 模型以外送断面电量的最大值为目标函数, 满足系统负荷平衡约束系统正 / 负备用约束机组出力与机组启停状态耦合约束机组最小持续开机 / 关机时间约束条件电厂负荷率约束网络潮流约束断面约束等机组约束和电网运行约束条件 ; 求解以上数学模型, 得到外送断面的最大极限电量 2 数学模型 2.1 目标函数以外送断面电量的最大值为目标函数, 计算不同机组出力分布以及不同负荷分布时的外送断面电量的最大值 : NT d NS Max ( G l - P,t t = 1 s = 1 = 1 ) (1) 式中 :P,t 为发电机组在时段 t 的有功出力 ; 为电网中节点 j 在时段 t 的节点负荷预测值 ;G l - 为机组对线路 l 的节点 - 线路功率转移分布因子 ; 为负荷 j 对线路 l 的节点 - 线路功率转移分布因子 ;NT d 为天数, 在中长期维度下, 天数可以为自然 073

3 电网分析与研究 Grd Analyss & Study 2018 第 46 卷第 2 期 Vol.46 No.2 月季度和年度的天数 ;NS 为总断面数 ; 为总优化机组数 2.2 约束条件 (1) 系统负荷平衡约束为 : = 1 式中 :D t 为时段 t 的电网总负荷 P,t = D t (2) (2) 系统正备用 / 负备用约束为 : ì ï α,t P max D max t (1 + R) = 1 í (3) ï α,t P mn D mn t (1 - R) î = 1 式中 :α,t 为发电机组在时段 t 的启停机状态变量, 为 0-1 整数变量 ;P max 为机组的最大技术出力 ;P mn 为机组的最小技术出力 ;R 为系统旋转备用率, 需要指出 R 需要考虑机组 N-1 甚至 N-2 情况, 考虑实用化时, 正备用值应大于系统中最大的和次大的机组容量之和 (3) 机组出力与机组启停状态耦合约束为 : α,t P mn P,t α,t P max (4) (4) 机组爬坡能力约束为 : P,t - P,(t - 1) DP max α,(t - 1) + [α,t - α,(t - 1) ]P mn + P max (1 - α,t ) P,(t - 1) - P,t DP mn α,t - [α,t - α,(t - 1) ]P mn + P max (1 - α,(t - 1) ) 式中 : DP max 为机组的最大增出力速率 ;DP mn 组的最大降出力速率 (5) 为机 (5) 机组最小持续开机 / 关机时间约束条件为 : ì(t,t,on - T,U )(α,t α,t ) 0 í (6) î(t,t,off - T,D )(α,t - α,t - 1 ) 0 式中 : t,t,on 为机组在时段 t 的持续开机时间 ;t,t,off 为机组在时段 t 的持续关机时间 ;T,U 为机组的最小持续开机时间 ;T,D 为机组的最小持续关机时间 (6) 电厂负荷率约束为 : NT d t = 1 = 1 NT d t = 1 = 1 p Q,t Ratemax p Q,t Ratemn NT α d p load,t Q max,t t = 1 = 1 NT α d p load,t Q max,t t = 1 = 1 (7) 式中 : p 为电厂包含机组数 ;Rate load 为负荷率 ; Q,t 为发电机组在时段 t 的电量, 通过 Q,t =P,t 可得该机组电量 (7) 网络潮流约束为 : P l,mn G l - P,t = 1 P l,max (8) 式中 :P l,max 为线路 l 传输功率的上限 ;P l,mn 为线路 l 传输功率的下限 (8) 断面约束为 : NS P s,mn ( G l - P,t s = 1 = 1 ) P s,max (9) 式中 :P s,mn,p s,max 分别为断面功率约束值的最小量与最大量需要指出的是, 其中式 (8) 和式 (9) 的网络线路和断面约束里面包含 N-1 的静态稳定约束, 若线路数目较大时可通过扫描迭代添加, 或提前考虑部分重要线路断面 N-1, 则此时 G l -, 相应地应为对应断路后的分布因子 ; 类似地, 考虑 N-2 的稳定约束数目会更多, 在实用化时, 根据电网运行特点, 提前考虑部分重要线路及双回线路的 N-2 稳定约束, 建模求解中也需要考虑这一部分除以上约束以外, 还可以视相关规范要求或系统运行需要, 考虑火电机组运行负荷率约束水电机组运行特性约束联络线出力约束等其他实用化约束, 本文不再赘述上述基于中长期机组组合的外送断面电量计算方法, 采用混合整数规划求解器 Cplex, 求解上述由目标函数和各个约束构建的数学模型, 得到最终的外送断面电量极限其计算流程如下 : 图 1 计算流程框图 Fg. 1 Calculaton flow chart 运行算法中, 考虑不同时长的计划调度需求和具体电量合同, 可在不同时间维度上考虑极限电量, 使计算结果更加贴近实际需求, 其具体分解参考图 2 074

2018 第 46 卷第2期 Vol.46 No.2 Grd Analyss & Study 电网分析与研究有效计算出外送断面的电量极限未超过中长期交易直接交易的组织及安全校核提供有效的断面电量边界系统重要断面负载率计算数据详见表 2 图 2 极限电量时间分解图 Tme decomposton dagram for lmt electrc energy Fg. 2 Fg.

4 在 C++中建模和求解运行环境为 64 位个人电脑 CPU 为 7-6500 2.59 GHz 内存为 8 GB 考虑其中一个重要外送断面其包含 3 条线路并考虑线路检修表 1 为计算所得的年度及分月断面 Tab.

13 与外送断面同属于一个拓扑区域内的主要通道其中断面 2 6 已经重载断面 13 也接近重载可见表 2 结果的外送电量极限值已经反映了网络阻塞的利用率 582 002 月峰谷差较大平均峰谷差约占高峰负荷 40% 另 268 700 126 954 697 523 896 126 685 753 785 046 2 分析系统需求根据负荷趋势分析该省 10 外 10

4 2018 第 46 卷第2期 Vol.46 No.2 Grd Analyss & Study 电网分析与研究有效计算出外送断面的电量极限未超过中长期交易直接交易的组织及安全校核提供有效的断面电量边界系统重要断面负载率计算数据详见表 2 图 2 极限电量时间分解图 Tme decomposton dagram for lmt electrc energy Fg. 2 Fg. 3 图 3 7 月高峰低谷断面潮流 Power flow at crosss-secton n July 3 算例分析为了验证本文所提中长期交易安全校核决策流程与关键技术的有效性本文测试了中国某省级电网算例该省网机包含机组 174 台节点 122 个线路 223 条若考虑年度则为 366 天优化模型通过 Cplex12.4 在 C++中建模和求解运行环境为 64 位个人电脑 CPU 为 GHz 内存为 8 GB 考虑其中一个重要外送断面其包含 3 条线路并考虑线路检修表 1 为计算所得的年度及分月断面 Tab. 1 表 1 外送断面电量计算值 Computatons of electrc energy at crosssecton of transmsson lne 中长期维度电量/MWh 2月月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10 月 11 月 12 月以 10 月份结果为例从 2 部分约束进一步分析外送电量极限合理性 1 分析拓扑结构其中重要断面与外送断面同属于一个拓扑区域内的主要通道其中断面 2 6 已经重载断面 13 也接近重载可见表 2 结果的外送电量极限值已经反映了网络阻塞的利用率月峰谷差较大平均峰谷差约占高峰负荷 40% 另分析系统需求根据负荷趋势分析该省 10 外 10 月正值秋汛省内部分水电需要多发加上需要考虑部分开机方式的约束和机组检修计划这部分情况在建模中并未详细列出因为上述情况可以很简明地处理故不赘述这几个原因挤压了火电机组一定开机空间也一定程度上影响了外送电量综上分析 10 月份外送断面电量总极限值折分别计算出 2016 年 7 月与 10 月的高峰低谷时段的断面潮流数据如图 3 图 4 所示 7 月与 10 月的断面极限容量的约束值均为 MW 计算所得的校核数据在约束范围之内表明给定条件可以图 4 10 月高峰低谷断面潮流 Power flow at crosss-secton wth peak and valley of load n October 其中外送断面电量最大的 2 个月份为 7 月和 10 月 Fg. 4 极限值算到每天的断面负载率为 52.3% 合理由该算例可知本文所提出的基于中长期机组组合的外送断面电量极限计算方法及其数学模型是合理有效的采用本文所提出的断面电量极限的计算方法可以精确高效地计算出中长期交易合同的安全校核边界为电力调度组织提供可靠的事 075

5 电网分析与研究 Grd Analyss & Study 2018 第 46 卷第 2 期 Vol.46 No.2 表 2 系统重要断面负载率 Tab. 2 Load rate of cross-secton for man system 系统重要断面负载率 /% 断面断面断面断面断面断面断面断面断面断面断面断面断面断面断面断面前安全校核边界 4 结语我国电力市场过渡期将出现计划电与市场电并存的特殊情况, 本文首先从当下中长期跨省交易增多的实际出发, 讨论了中长期交易安全校核的必要性和核心挑战, 分析了外送断面极限电量计算的重要性以及必要性为了应对这一挑战, 本文提出了一种基于中长期机组组合的外送断面电量极限计算方法, 主要包括极限电量的计算方法以及数学模型, 阐明了其目标函数以及相关计算约束条件和计算流程本文提出的计算方法可以精确高效地计算出外送断面的极限电量, 为中长期交易提供精确的安全校核边界参考文献 [1] 中共中央, 国务院. 关于进一步深化电力体制改革的若干意见 ( 中发 [2015]9 号文 )[] [2] 国家发改委, 国家能源局. 陕西省电力体制改革综合试点方案 ( 发改经体 [2016]1900 号 )[] [3] 丁军策. 新一轮电力体制改革对调度计划管理影响分析 [J]. 广东电力,2016,29(6):1-4. DI Junce. Analyss on nfluence on dspatchng plan management by new round electrcty system reform[j]. Guangdong Electrc power,2016,29(6):1-4. [4] 国网陕西电力公司. 国网陕西省电力公司 2016 年信息公开年报 [EB/OL].( )[ ] _1.html. [5] 陕西省发改委, 陕西省委. 陕西省国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要 [EB/OL].( )[ ]. P pdf. [6] 郭源善, 匡洪辉, 郭少青, 等. 协调中长期市场交易计划与日发电计划的周机组组合策略研究 [J]. 电力系统保护与控制,2017,45(22): GUO Shanyuan,UA Honghu GUO Shaoqng,et al. Research on weekly unt commtment strategy harmonzng long term market trade plannng and daly generaton schedulng[j]. Power System Protecton and Control, 2017,45(22): [7] 饶宇飞, 王恺文, 李晓萌, 等. 大规模外网受电及新能源接入下河南电网调峰形势评估 [J]. 电网与清洁能源, 2017,33(4): RAO Yufe,WA awen,li Xaomeng,et al. Assess ment on peak regulaton of henan grd wth large- scale power njecton from external grds and new energy ntegra ton[j]. Advance of Power System & Hydroelectrc Eng neerng,2017,33(4): [8] HU Y Z,LI Y,XU M J,et al. A chance- constraned economcdspatch model n wnd- thermal- energy storage system[j]. Energes,2017,10(3), [9] CUI M J,E D P,SUN Y Z,et al. Wnd power ramp events forecastng usng a stochastc scenaro generaton method[j]. IEEETransactons on Sustanable Energy, 2015,6(2): [10] 张粒子, 陈之栩, 舒隽, 等. 东北区域市场中长期交易安全校核改进方法 [J]. 电力系统自动化,2007,31(8): ZHA Lz,CHEN Zhxu,SHU Jun,et al. An mproved securty correcton method for medum and long term trans acton of northeast electrcty market[j]. Automaton of Electrc Power Systems,2007,31(8): [11] CUI M J,ZHA J,WU H Y,et al. Wnd- frendly flexble rampng product desgn n mult- tmescale power system operatons[j]. IEEE Transactons on Sustanable Energy,2017,8(3): [12] 徐岩, 郅静, 王祥晖. 基于 N-1 原则的输电断面热稳定功率极限评估 [J]. 电力系统及其自动化学报,2017,29 (1): XU Yan,ZHI Jng,WA Xanghu.Evaluaton on ther mal stablty power lmt of transmsson secton based on N- 1 prncple[j]. Proceedngs of the CSU- EPSA,2017, 29(1): ( 责任编辑付小平 ) 收稿日期 : 作者简介 : 王步云 (1973), 男陕西西安人, 硕士, 高级工程师, 从事电力调度方面的工作 076

34 7 S R θ Z θ Z R A B C D PTP θ t 0 = θ 0 θ t 0 = 0 θ t 0 = 0 θ t = θ θ t = 0 θ t = 0 θ t V max θ t a max 3 θ t A θ t t 0 t / V max a max A = 3 4 S S

34 7 S R θ Z θ Z R A B C D PTP θ t 0 = θ 0 θ t 0 = 0 θ t 0 = 0 θ t = θ θ t = 0 θ t = 0 θ t V max θ t a max 3 θ t A θ t t 0 t / V max a max A = 3 4 S S 7 0 7 No. 7 Modular Machne Tool & Automatc Manufacturng Technque Jul. 0 00-65 0 07-0033 - 06 *. 0040. 04 PTP s TH6 TP4. A The Moton plannng of Handlng Robot Based on Tme Optmal CAO Bo CAO Q-xn TONG Shang-gao