专利名称：基于扩展排序法的电源环保联合规划方法
技术领域：
本发明涉及一种基于扩展排序法的电源环保联合规划方法，用于对电力系统规划中的历年电源规划方案的环保措施进行全局优化配置，属于电气工程技术领域。
背景技术：
电源规划的优化方案，一般是指满足系统负荷增长需要和各种约束条件及技术指标下的国民经济支出最小的方案。由于所有方案都同样满足负荷增长的需求，所以可以认为各个方案有相同的国民经济效益。在相同的效益下，总费用最小的方案当然就是最经济的方案。
近年来，随着人们环保意识的增强，电力环保措施开始出现在电源规划方案中。但在这些方案中，环保指标通常仅仅作为电源规划模型的一个约束条件，而不是从全系统角度对环保方案进行优化(S.C.Srivastava，A.K.Srivastava，U.K.Rout et al，Least cost generation expansion planning for a regional electricity board inIndia considering green house gas mitigation[C].International Conference on PowerSystem Technology 2000，4th-7thDec.，131-36.)。至于接近或超出使用寿命的已有机组退役问题，在进行电源规划时通常将其作为已知条件，从而忽略了其最优退役策略。
另外，由于电源规划需要对电源投资及运行费用、电源投产方案下系统供电的可靠性指标、与相邻电力系统互联的效益及费用、推迟某些关键电源项目的经济损失等因素做定量分析，同时还要计及机组随机停运、水文年数据变化、负荷增长、经济增长等随机因素的影响，使得电源规划工作很复杂，具有高维数、非凸、离散、非线性等特点，很难找出理论上的最优解。动态规划法通常被认为是最理想的方法，但维数灾为其致命弱点，容易引起“组合爆炸”问题。目前比较实用的排序法在电源规划中只是针对电量费用敏感度和电力费用敏感度指标(王锡凡.电力系统规划基础[M].北京中国电力出版社，1994.)，而各电厂的环保方案配置同样存在“组合爆炸”问题。
综上所述，需要对电源扩展和环保措施进行联合规划，将环保指标及待退役机组的运行费用作为规划目标的一部分，以便对环保设施的固定投资和运行费用以及机组的退役期进行全局优化。同时，在规划过程中需要对问题进行合理简化，以便快速找出最优规划方案。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于扩展排序法的电源环保联合规划方法，对电源规划方案的电力环保措施进行全局优化配置，同时合理安排待退役机组的退役日程，缩短电源规划及相应电力环保规划方案的计算时间，提高电源规划方案的整体社会效益和经济性。
为实现这样的目的，在本发明的技术方案中，以各类电厂总建设费用和运行费用最小为规划目标，其中，各类机组的建设费用中包含环保设施的固定投资费用，各类机组的运行费用中包含环保设施的运行费用，如设备维护费、脱硫剂和脱氮剂的使用费等。首先对各待选电厂的电力环保方案进行初步优化，取各电厂的单位电力环境成本最小的电力环保措施为其初始电力环保措施。其次，根据总成本排序，加载各待选电厂，同时安排接近使用寿命期的老机组退役，从而形成初步电源规划方案，以满足电力电量消费及可靠性要求。最后对初步电源规划方案中各电厂的可选电力环保方案进行全局优化，将各电厂的可选电力环保措施按其单位电力污染物治理成本进行排序，根据区域电力环保污染物排放指标加载各电厂的电力环保措施。
本发明方法的整个过程包括电力环保方案的初步优化配置、电源规划方案的初步形成和电力环保方案的全局优化配置三个基本步骤1、电力环保方案的初步优化配置根据电力排污收费以及各电厂的可选电力环保方案的固定费用和运行费用，按照成本效益分析方法，从可选电力环保方案集中选择单位电力环境成本最小的电力环保措施为其初始电力环保措施。将该电力环保方案的固定费用和运行费用折算成等年值，分别添加到待选电厂的固定费用和运行费用中。
2、电源规划方案的初步形成根据历年各待选电厂电量费用敏感度进行排序，按照电量消费需求加载各待选电厂，其中，电量费用敏感度为各待选电厂的固定费用与运行费用之和对其年发电量的1阶导数；检验历年电力消费需求，如不满足，根据历年各待选电厂电力费用敏感度进行排序，按照电力消费需求缺额加载各待选电厂，其中，电力费用敏感度为各待选电厂的固定费用与运行费用之和对其装机容量的1阶导数；根据接近使用寿命期的老电厂的电量费用敏感度和电力费用敏感度，安排其退役计划，其中，老电厂的电量费用敏感度和电力费用敏感度计算均只针对其运行费用，而不包括固定费用；根据生产模拟检验可靠性指标，按照电量可靠性和电力可靠性要求继续加载待选机组，最终形成电源规划方案的初步方案；其中，所述电量费用敏感度和电力费用敏感度计算中涉及的固定费用和运行费用均包括对应环保设施的固定费用和运行费用。
3、电力环保方案的全局优化配置根据历年区域电力环境污染物排放指标，按照电源规划初步方案中各电厂可选电力环保方案的费用等年值敏感度，逐步调整电源规划初步方案中各电厂的电力环保方案。其中，新加载电厂的环保费用包括电力环保设施的固定费用和运行费用，而已有电厂的环保费用仅包括电力环保设施的运行费用。环保方案的费用敏感度为环保方案的总费用对该机组年污染物排放量的1阶导数。由此可得到规划期历年各电厂电力环保方案的全局优化配置方案。
本发明基于扩展排序法的电源环保联合规划方法，一方面可以避免电源和电力环保规划中求解困难，计算时间过长的问题；另一方面降低了电力环保的总成本，提高了电源规划方案的社会效益。通过本发明可以将电力环保从局部优化配置上升至全局优化配置，是一种有效和简捷的电力环保方案获取新途径。
本发明可用于电气工程领域的电源规划、电力环保规划以及电力系统运行中的环保指标最优分配等方面。
具体实施例方式
为更好地理解本发明的技术方案，以下结合具体的实施例作进一步描述。
在本发明实施例中，首先根据待选电厂原始数据，粗略配置各电厂的电力环保方案，以便运用排序法进行电源规划；其次在电源规划中合理安排拟退役机组的退役计划；最后根据扩展排序法进行电力环保的全局优化配置。
实施例电源规划是电力系统规划和发展的一项重要内容。本发明以某地区2005-2010年电源规划为例。
2005年该地区发电厂数据包括原有21座电厂(包括18座火力发电厂，2座风力发电厂，1座燃机发电厂，共88台发电机，总装机容量为12041MW(其中15台在规划期内退役，退役容量为538MW)。外部电源等值为1座为火力发电厂(2*700MW)，1座为核发电厂(2*600MW)和1座水力发电厂(2*600MW)，外部电源总装机容量为3800MW。系统总发电装机容量为15841MW。
到2010年，新建电厂4座共13台发电机，装机容量为5050MW，扩建电厂8座共55台发电机(其中40台为风力发电机)，装机容量为8160MW。新建电厂全部为火力发电厂；扩建电厂中，4座为火力发电厂，水力、风力、燃机以及核发电厂各1座。所有电厂中，没有抽水蓄能电厂。新增发电装机容量为13210MW，其中内部电源新增容量为10510MW，外部电源新增容量为2700MW。系统总发电装机容量达到28513MW。
设定贴现率r为10％，贴现基准年为2005年。机组检修一年分成52个时段，平均每一个时段约1周的时间。机组检修完毕后，对52个时段逐段进行随机生产模拟，给出每一段的可靠性指标以及52段的平均可靠性指标。
本发明环保措施仅考虑普通电厂的脱硫和脱氮。由于脱硫剂和脱氮剂使用浓度的差异，每个已有普通电厂考虑2种环保措施，其脱硫和脱氮效率分别为80％和95％；由于设备、脱硫剂和脱氮剂使用浓度的差异，每个待选普通电厂考虑3种配套环保方案，其脱硫和脱氮效率分别为80％、90％和95％。2005年负荷为15.01GW，2010年规划负荷为24.91GW。2007-2010年部分环保指标如表1所示。
表1电源规划方案的部分尾气排放约束
本发明的具体实施步骤如下1、电力环保方案的初步优化配置根据电力排污收费以及各电厂的可选电力环保方案的固定费用和运行费用，按照成本效益分析方法，从可选电力环保方案集中选择单位电力环境成本最小的电力环保措施为其初始电力环保措施。
2003年7月国家颁布实施的《排污费征收标准管理办法》SO2的收费标准为0.63元/kg，假设某待选300MW燃煤机组未装设脱硫设备时，其SO2排放量为9.791g/kWh，设该待选机组的年利用小时数为6500h，其可选脱硫方案有3种，如表2所示。
表2某300MW机组可选脱硫方案
方案1的环保成本等年值为300*103*0.1274*0.1*(1+0.1)25(1+0.1)25-1+300*103*0.1274*0.3+300*6500*9.791(1-0.95)*0.63/104]]>
上式左端相加的3项分别表示环保设施的固定投资等年值、运行费用和排污收费。同理可得方案2和3的环保成本等年值分别为1.217亿元/年和0.7406亿元/年。因此该待选电厂选择环保方案3为其初始脱硫方案。同理可得该待选电厂的初始脱氮、除尘等其它环保方案。最后将该电厂的电力环保方案的固定费用和运行费用分别添加到待选电厂的固定费用和运行费用中。
2、电源规划方案的初步形成首先计算各待选电厂的电量费用敏感度。电量费用敏感度为机组总费用对其年发电量的1阶导数。假设某机组300MW固定投资为0.7万元/kW(包括环保设施固定投资)，建设期为2年，使用寿命为25年，年利用小时数为6500h，年运行费用为0.26元/kWh(包括设备施维护和燃料费用等)。假设规划期为5年，则在规划第1年，其电量费用敏感度指标为0.7/2*300*103*0.1*(1+0.1)25(1+0.1)25-1(1+11+0.1)+0.1*(1+0.1)5(1+0.1)5-1*Σi=35[300*6500*0.26/10*(1+0.1)1-i]300*6500]]> 同理可得其它待选电厂的电量费用敏感度。根据历年各待选电厂电量费用敏感度进行排序，按照电量消费需求加载各待选电厂。
检验历年电力消费需求，如不满足，根据历年电力费用敏感度进行排序，按照电力消费需求缺额加载各待选电厂。电力费用敏感度为机组总费用对其年装机容量的1阶导数。例如规划第1年某300MW机组的电力费用敏感度指标近似为 其中，所述电量费用敏感度和电力费用敏感度计算中涉及的固定费用和运行费用均包括对应环保设施的固定费用和运行费用。
检验接近使用寿命期的老电厂的电量费用敏感度和电力费用敏感度。假设某12.5MW机组，其年运行费用为0.28元/kWh(包括设备维护和燃料费用等)，年利用小时数为3500h，每度电的附加收益(如抽汽供热)为0.03元，则其电量费用敏感度指标为 其电力费用敏感度指标为 若此时加载的最后一台机组的电量费用敏感度为268元/MWh，电力费用敏感度为73.6123万元/MW，且退役这台12.5MW机组后，原电源规划方案仍满足电力电量备用率要求，则安排这台12.5MW在该年度退役。
按照上述方法，形成历年电源规划方案，并根据生产模拟检验可靠性指标。若不满足可靠性指标，则继续按照电量费用敏感度和电力费用敏感度指标加载待选机组，最终形成电源规划初步方案。
3、电力环保方案的全局优化配置根据历年区域电力环境污染物排放指标，按照电源规划初步方案中各电厂可选电力环保方案的费用等年值敏感度，逐步调整电源规划初步方案中各电厂的电力环保方案。其中，新加载电厂的环保费用包括电力环保设施的固定费用和运行费用，而已有电厂的环保费用仅包括电力环保设施的运行费用。环保方案的费用敏感度为环保方案的总费用对该机组年污染物排放量的1阶导数。
假设电源规划初步方案的普通电厂脱硫率均为80％，按此环保方案配置，检验历年SO2的排放量均超标。仍以前面300MW机组脱硫率分别为80％和90％的等年值为0.7406亿元/年和1.217亿元/年为例，计算其环保成本敏感度。
同理，可计算其它所有机组的环保成本敏感度。根据电源规划初步方案中各电厂环保成本敏感度排序，按照电力环境污染物排放指标，逐步更新各电厂的环保方案。最终可得到规划期历年各电厂电力环保方案的全局优化配置方案。
本电源环保联合规划以各类电厂总建设费用和运行费用最小为规划目标，其中，各类机组的建设费用中包含环保设施的固定投资费用，各类机组的运行费用中包含环保设施的运行费用，如设备维护费、脱硫剂和脱氮剂的使用费等。以下为本发明实施例的部分规划结果。
(1)不考虑退役及环保措施的全局优化，电源规划结果如表3所示。
表32007-2010年电源规划方案1
(2)考虑退役及环保措施的全局优化，电源规划结果如表4
表42007-2010年电源规划方案2
对比表3和表4可以看出由于考虑了退役及环保措施的全局优化，洁净电源(核电和风电)的安装进度有所提前，而高煤耗小机组的退役时间有所提前。优化的结果使规划期的总费用节约了2878.9-2861.03＝17.87亿元，其中环保措施总费用节约了362.38-351.36＝11.02亿元，分别占相应费用的0.621％和3.04％。虽然相对比例较小，但是其绝对费用还是比较可观的。
如果不采取任何环保措施，则历年尾气排放情况，分别如表5所示。此时，工程固定投资、运行费用及总费用分别为703.07、1808.60和2509.66亿元。尽管表面看来，比考虑环保措施时的费用小，但是如果按污染物的环境成本进行考核，则规划期内的环境总成本增加365.11亿元。对比之下，采用环保措施可以节约总成本365.11+2509.66-2861.03＝13.74亿元。如果计及规划期末环保设施的残值，其经济效益更为可观。
表5无环保措施时的部分尾气排放情况 由以上计算可见，环境保护要求对电源的建设和运行影响很大。为了改善尾气排放状况，节约环境成本，必须从全系统范围对环保措施和机组退役方案进行优化。这些因素无疑增加了规划工作的难度，但只有在电源规划模型中考虑这些因素，才能更好地贴近工程实际、适应新环境下电力系统发展的需要。
本发明提出的基于扩展排序法的电源环保联合规划方法，利用机组电量费用敏感度、电力费用敏感度和环保费用敏感度等指标，通过扩展排序法加载新机组，退役旧机组，对电力环保方案进行全局优化配置。通过这种技术可以大大缩短电源环保联合规划的计算时间，降低了电力环保的总成本，提高了电源规划方案的社会效益。
权利要求
1.一种基于扩展排序法的电源环保联合规划方法，其特征在于包括如下三个基本步骤1)电力环保方案的初步优化配置根据电力排污收费以及各电厂的可选电力环保方案的固定费用和运行费用，按照成本效益分析方法，从可选电力环保方案集中选择单位电力环境成本最小的电力环保措施为其初始电力环保措施，将该电力环保方案的固定费用和运行费用折算成等年值，分别添加到待选电厂的固定费用和运行费用中；2)电源规划方案的初步形成根据历年各待选电厂电量费用敏感度进行排序，按照电量消费需求加载各待选电厂，其中，电量费用敏感度为各待选电厂的固定费用与运行费用之和对其年发电量的1阶导数；检验历年电力消费需求，如不满足，根据历年各待选电厂电力费用敏感度进行排序，按照电力消费需求缺额加载各待选电厂，其中，电力费用敏感度为各待选电厂的固定费用与运行费用之和对其装机容量的1阶导数；根据接近使用寿命期的老电厂的电量费用敏感度和电力费用敏感度，安排其退役计划，其中，老电厂的电量费用敏感度和电力费用敏感度计算均只针对其运行费用，而不包括固定费用；根据生产模拟检验可靠性指标，按照电量可靠性和电力可靠性要求继续加载待选机组，最终形成电源规划方案的初步方案；其中，所述电量费用敏感度和电力费用敏感度计算中涉及的固定费用和运行费用均包括对应环保设施的固定费用和运行费用；3)电力环保方案的全局优化配置根据历年区域电力环境污染物排放指标，按照电源规划初步方案中各电厂可选电力环保方案的费用等年值敏感度，逐步调整电源规划初步方案中各电厂的电力环保方案；其中，新加载电厂的环保费用包括电力环保设施的固定费用和运行费用，而已有电厂的环保费用仪包括电力环保设施的运行费用，由此得到规划期历年各电厂电力环保方案的全局优化配置方案。
全文摘要
本发明涉及一种基于扩展排序法的电源环保联合规划方法。首先对各待选电厂的电力环保方案进行初步优化，取各电厂的单位电力环境成本最小的电力环保措施为其初始电力环保措施；再根据总成本排序，加载各待选电厂，同时安排接近使用寿命期的老机组退役，从而形成初步电源规划方案，以满足电力电量消费及可靠性要求；最后对各电厂的可选电力环保方案进行全局优化，将各电厂的可选电力环保措施按其单位电力污染物治理成本进行排序，根据区域电力环保污染物排放指标加载各电厂的电力环保措施。采用本发明方法可合理安排旧机组的退役计划，有效分配区域电厂的电力环保指标，降低区域电力环保污染物治理总成本，从方案规划上降低电源建设的社会总成本。
文档编号G06F17/00GK1916957SQ20061003090
公开日2007年2月21日 申请日期2006年9月7日 优先权日2006年9月7日
发明者程浩忠, 贾德香, 朱坚强 申请人:上海交通大学