一种发电生产模拟模型的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种发电生产模拟模型，包括依次配合设置的运行模拟基本流程子模型、模型说明子模型、计算模块和过程子模型、机组组合子模型、经济调度子模型、以及辅助问题处理子模型。本发明所述发电生产模拟模型，可以克服现有技术中计算量大、适用范围小和模拟效果差等缺陷，以实现计算量小、适用范围大和模拟效果好的优点。
【专利说明】一种发电生产模拟模型
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力节能【技术领域】，具体地，涉及一种发电生产模拟模型。
【背景技术】
[0002] 电力系统运行模拟归纳起来可分为确定型和不确定型两种模型。确定型模型在时 序负荷曲线下，首先按照机组类型，安排非火电机组在负荷中承担的位置，之后再对火电机 组进行经济出力分配。不确定模型又可划分为随机性和概率性。随机性不确定模型是直 接在时序负荷曲线下进行生产模拟计算，主要方法有：Monte carlo和Markov法；概率性 模型是在等效负荷持续曲线下进行生产模拟计算，主要方法有分段直线逼近法、分块法、等 效电量函数法、累积量法、正态混合近似法。对于确定型和不确定型生产模拟，各有其优缺 点：确定型生产模拟可以考虑和时间、空间相关的一些约束条件，比如机组启停、调峰问题、 电网约束等，然而确定型模型仅用一定的系统的备用容量摸拟机组的事故，对电力系统的 可靠性分析缺乏深度；不确定型生产模拟弥补了确定型模拟的不足，然而又存在如下缺点： 在时序负荷曲线下进行生产模拟计算由于计算量太大而失去其适应性，在基于等效负荷持 续曲线的模拟对于系统调峰状况缺乏考虑等问题。不难发现这两种生产模拟在一定程度上 来说是互补的。
[0003] 电网公司每年都会统一进行理论线损的计算，即根据历史的潮流和损耗的信息的 分析，统计出一段时间（年）内全网的线损量，以及损耗率。其中，历史信息是通过自动化 系统（SCADA)采集，并存储在数据库中，可以方便的查询、检索和统计。并不需要对发电、用 电以及潮流变化规律的把握，相对简单且容易实现。然而，当需要对未来一段时间的损耗情 况进行分析和预测时，比如需要分析某条输电线路建成后的降损效果，不存在现成数据进 行统计计算，必需对系统将来的运行情况进行模拟。需要模拟负荷、发电以及电网的运行规 律。
[0004] 在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在计算量大、适用范围小 和模拟效果差等缺陷。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种发电生产模拟模型，以实现计算量 小、适用范围大和模拟效果好的优点。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种发电生产模拟模型，包括依次配 合设置的运行模拟基本流程子模型、模型说明子模型、计算模块和过程子模型、机组组合子 模型、经济调度子模型、以及辅助问题处理子模型。
[0007] 进一步地，所述运行模拟基本流程子模型，用于对发电生产模拟模型进行细化，确 定模型的整个流程；和/或，
[0008] 所述模型说明子模型，用于对发电生产模拟模型的符号约定、可再生能源模型、直 流潮流模型、目标函数和约束条件进行说明；和/或，
[0009] 所述计算模块和过程子模型，包括非优化运行机组模拟计算、新可再生能源机组 出力安排、水电及抽蓄机组调峰优化；和/或，
[0010] 所述机组组合子模型，包括机组组合模型的设计、联合时段的选择、可再生能源切 除出力的处理；和/或，
[0011] 所述经济调度子模型，用于解决在机组组合完成后，对剩余时段出力进行分配，保 证运行电费或者购电费用最小；和/或，
[0012] 所述辅助问题处理子模型，包括机组的启停优化运行和最优性分析。
[0013] 进一步地，所述模型说明子模型对发电生产模拟模型进行细化，确定模型的整个 流程的操作，具体包括：
[0014] 首先根据装机进度表，考虑机组的投运、退役和技改等，确定投运机组；接下来需 要根据检修计划排除检修机组，最后确定可运行机组及其参数；
[0015] 然后安排所有能够确定出力的机组，包括外来的协议送电、核电机组以及认为指 定出力的机组，根据电源所在区域，修正对应的负荷曲线；
[0016] 根据可再生能源运行模拟模块随机模拟生成的可再生能源模拟出力，安排新可再 生能源出力，修正对应的负荷曲线；
[0017] 以此修正后的多区域负荷曲线为基础，对于抽水蓄能和常规水电机组安排其削峰 和填谷，抽水可设定为平抽或满抽方式，并满足包含机组的容量、电量的约束，根据电源所 在区域，再次修正对应的负荷曲线；
[0018] 对剩余的机组进行优化模拟运行。
[0019] 进一步地，所述模型说明子模型对发电生产模拟模型的符号约定、可再生能源模 型、直流潮流模型、目标函数和约束条件进行说明的操作，具体包括：
[0020] 2. 1)符号约定：
[0021] 对使用变量的规则进行预定说明；
[0022] 对模型使用到的变量进行预定说明；
[0023] 2. 2)可再生能源模型说明：
[0024] 根据电网运行节能、环保的要求，在电网能够接纳的情况下要求可再生能源全额 上网；
[0025] 根据以上情况，在建模中引入可再生能源出力预测变量.并在日前发电计划 模型中引入切除可再生能源的机制，使模型在系统无法提供调峰容量，系统备用容量不足 或可再生能源送出受阻情况下，切除部分可再生能源出力，可再生能源切除出力变量用 ^表示；
[0026] 2. 3)直流潮流模型说明
[0027] 对所有到的直流潮流模型做简要说明，假定系统有N+1个节点，L条支路，M个机 组，网络连通，N、L、M均为自然数；
[0028] 节点负荷列向量为D，机组出力列向量为P，节点注入功率列向量为Psp ;支路k与 节点i，j关联，正方向为i - j，支路导纳yk = 1/Xj ;关联矢量：
【权利要求】
1. 一种发电生产模拟模型，其特征在于，包括依次配合设置的运行模拟基本流程子模 型、模型说明子模型、计算模块和过程子模型、机组组合子模型、经济调度子模型、以及辅助 问题处理子模型。
2. 根据权利要求1所述的发电生产模拟模型，其特征在于，所述运行模拟基本流程子 模型，用于对发电生产模拟模型进行细化，确定模型的整个流程；和/或， 所述模型说明子模型，用于对发电生产模拟模型的符号约定、可再生能源模型、直流潮 流模型、目标函数和约束条件进行说明；和/或， 所述计算模块和过程子模型，包括非优化运行机组模拟计算、新可再生能源机组出力 安排、水电及抽蓄机组调峰优化；和/或， 所述机组组合子模型，包括机组组合模型的设计、联合时段的选择、可再生能源切除出 力的处理；和/或， 所述经济调度子模型，用于解决在机组组合完成后，对剩余时段出力进行分配，保证运 行电费或者购电费用最小；和/或， 所述辅助问题处理子模型，包括机组的启停优化运行和最优性分析。
3. 根据权利要求2所述的发电生产模拟模型，其特征在于，所述模型说明子模型对发 电生产模拟模型进行细化，确定模型的整个流程的操作，具体包括： 首先根据装机进度表，考虑机组的投运、退役和技改等，确定投运机组；接下来需要根 据检修计划排除检修机组，最后确定可运行机组及其参数； 然后安排所有能够确定出力的机组，包括外来的协议送电、核电机组以及认为指定出 力的机组，根据电源所在区域，修正对应的负荷曲线； 根据可再生能源运行模拟模块随机模拟生成的可再生能源模拟出力，安排新可再生能 源出力，修正对应的负荷曲线； 以此修正后的多区域负荷曲线为基础，对于抽水蓄能和常规水电机组安排其削峰和填 谷，抽水可设定为平抽或满抽方式，并满足包含机组的容量、电量的约束，根据电源所在区 域，再次修正对应的负荷曲线； 对剩余的机组进行优化模拟运行。
4. 根据权利要求2所述的发电生产模拟模型，其特征在于，所述模型说明子模型对发 电生产模拟模型的符号约定、可再生能源模型、直流潮流模型、目标函数和约束条件进行说 明的操作，具体包括： 2. 1)符号约定： 对使用变量的规则进行预定说明； 对模型使用到的变量进行预定说明； 2.2)可再生能源模型说明： 根据电网运行节能、环保的要求，在电网能够接纳的情况下要求可再生能源全额上 网； 根据以上情况，在建模中引入可再生能源出力预测变量并在日前发电计划模型 .f 中引入切除可再生能源的机制，使模型在系统无法提供调峰容量，系统备用容量不足或可 再生能源送出受阻情况下，切除部分可再生能源出力，可再生能源切除出力变量用！^^表 示； 2. 3)直流潮流模型说明 对所有到的直流潮流模型做简要说明，假定系统有N+1个节点，L条支路，M个机组，网 络连通，N、L、M均为自然数； 节点负荷列向量为D，机组出力列向量为P，节点注入功率列向量为Psp ;支路k与节点 i，j关联，正方向为i - j，支路导纳yk = 1/Xj ;关联矢量：A =吟，…寻…今…，轵，节 点-支路关联矩阵：J = 其行数为N+1，列数为L ;降阶节点-支路关联 矩阵：A = [M1, M2,. . .，Mj，其行数为N+1，列数为L ;支路导纳矩阵：y = diag ([yk])，行数与 列数均为L ;节点导纳矩阵而=AyAT ;节点-机组关联矩阵：Jnu >行数为N+1,列数为M ; Psp = AnuP-D, P为机组出力矢量； 由直流潮流公式可知： Psp = B0 Θ = AyA1 Θ Θ = (AyAV1Psp = (AyAV1(AnuP-D) (2-1)； 根据直流潮流计算得线路潮流： F = yAT Θ = yAT (AyAT) ^1Psp = yAT (AyAT) (AnuP-D) (2-2)； 可知，发电机转移分布因子矩阵为： W = yAT (AyAV1 (2-3)； 2.4)目标函数
式中：T为总时段的集合；C(Pt)可以设定为各类型机组t时段输出功率为Pt时的电价 或煤耗，Vd为各节点平均停电损失，Cf为机组启停费用，Cw为切除可再生能源的成本，Θ， Π ，Y为加权系数，通常情况下为1，也能够根据需要调整；上式表明，目标函数为综合考虑 系统发电经济性、切负荷成本以及切除可再生能源的调度决策； 2. 5)约束条件 2. 5. 1)负荷与发电的平衡
2.5.2)机组技术出力约束 对干不πτβ值M铂.
对于可启停机组： Pt It P' < P1 Jt rJmm1J - Γ/ - Vmaxi/ (2.?). 对于水电与抽水蓄能机组： Pt 〈 pt〈 pt 1. min ~ 1 h ~ 1 h max (2-8〉? 对于可再生能源机组： Pt i Pt -Pt 1 W ~ 1 Wii ~ 1 Mf o<e〇<^：rf ￥?€Γ 帽； 2. 5. 3)系统正负备用要求 [\ψ+TXifDt <[if p：max/.+[If ^min/;+[if^；min + [IfPLf+{\fD\, VteT L J < L J d (2-10); 上式中：ru为系统在时段t要求的正备用率，可再生能源对系统备用的贡献应按其预 测出力计算，即使被切除，其被切除部分也计入备用容量； {ifD1 -r![\fDt /ieT ,…、 式中：rj为系统在时段t要求的负备用率，此时，可再生能源出力在此不计入，即等效 的认为可再生能源最小出力为0,即可以随时被切除； 2. 5. 4)支路潮流约束： -Cx < Fi <F^x ^imT . 其中： Ft = + mmfPf + WAmhPth + WAtl^X + WDtd i2_m ； 2. 5. 5)断面约束： < Wt < Fi \ft ezT ^srmaK - ^s - ^ Γ E i (2-14) 其中： F： = AmmX + AlWAngfFf + AdWAnshPIi + AdWAngwPld + AslWD1d ^AslWD1{2_15) ^ 2. 5. 6)动态约束 启停火电在一天中运行状态最多启停一次，大容量火电机组不允许启停。
5.根据权利要求2所述的发电生产模拟模型，其特征在于，所述计算模块和过程子模 型进行非优化运行机组模拟计算、新可再生能源机组出力安排、水电及抽蓄机组调峰优化 的操作，具体包括： 从机组优化运行的数学模型中可见，其目标函数为全时段即规划期间内所有时段运行 成本最低，这需要通过每日的最优运营来实现： 3. 1)非优化运行机组模拟计算 日生产模拟首先对非优化运行机组，包括核电机组、热电机组以及指定出力机组； 3.2)新可再生能源机组出力安排 在进行生产模拟之前已经根据新可再生能源运行模拟模块得到各个新可再生能源电 源的时序模拟出力，利用各新可再生能源电源的时序模拟出力修正各区域负荷； 3. 3)水电机组调峰优化 水电机组在电力系统中占有重要的地位，它对系统的运行方式有很大的影响。与火电 机组相比，水电机组具有以下特点： 水电机组发电不消耗燃料，其发电费用几乎与发电量无关； 水电机组的发电量和发电出力是由水文情况和水库调度决定的，在生产模拟中其发电 量应看作给定量，即水电机组是能量受限机组； 水电机组开停灵活，增减负荷迅速，适合担任负荷曲线上经常变动的峰荷部分； 3. 3)抽水蓄能机组调峰优化 抽水蓄能机组是利用电网低谷时的廉价电量将低处水池的水抽到高处的水池中，待电 网高峰负荷时通过水轮发电机组发电来替代昂贵的尖峰能量，以满足电网调峰要求； 对于抽水蓄能机组GOPT运行模拟模型中提供如下三种开机模式： 3. 3. 1)抽水蓄能全开机方式：抽水蓄能机组在非检修日均开机运行，承担系统调峰任 务，最大化减小系统日峰谷差； 3. 3. 2)抽水蓄能依调峰容量需求开机方式：抽水蓄能机组主要承担事故备用任务，在 系统负荷与风电出力叠加后峰谷差过大，火电机组调峰能力无法满足要求时再调用抽水蓄 能机组进行调峰； 3. 3. 3)抽水蓄能按调峰比例开机方式：抽水蓄能机组开机容量统筹考虑核电开机、风 电运行方式以及系统负荷的大小。其开机容量的调整目标为系统常规火电机组的负荷率与 负荷的峰谷差率相同，调整目标可写成以下表达式：
其中： 日负荷最小值=火电机组日内出力最小值+抽水蓄能、风电、核电日内出力最小值 日负荷最大值=火电机组日内出力最大值+抽水蓄能、风电、核电日内出力最大值； 实际上，这种情况下抽水蓄能与火电机组按比例共同承担系统的调峰任务，抽水蓄能 补偿了核电与风电不能为系统提供的调峰容量； 对于单台抽水蓄能机组，其日内运行方式有如下四种： 3.3.4)平抽定削：首先根据负荷曲线和水库容量以平抽方式进行填谷，确定抽水量； 然后以抽水量乘以转换效率作为发电电量，再以此进行削峰； 3. 3. 5)满抽定削：根据负荷曲线和机组容量，以抽水时以把水库容量抽满为原则，保 证最大填谷量，确定抽水量；然后以抽水量乘以转换效率作为发电电量，再以此进行削峰； 3.3.6)平削定抽：根据负荷曲线和水库容量以平削方式进行削峰，确定削峰时的发电 电量；然后除以转换效率确定抽水量，再以抽到需要的水量为原则，保证最大填谷量； 3. 3. 7)优化抽削：根据负荷曲线、水库容量和机组容量，在以追求调峰性能最好为原 贝IJ，保证抽水量最小； 运行模拟模型中三种开机方式下，开机机组均采用优化抽削模式确定发电与抽水出 力。
6.根据权利要求2所述的发电生产模拟模型，其特征在于，所述机组组合子模型进行 机组组合模型的设计、联合时段的选择、可再生能源切除出力的处理程的操作，具体包括： 确定常规火电在一天中固定的机组状态，使得通过调整可启停机组的状态和机组出 力，使之能够满足各个时段的约束，同时做到经济上的较优，即为机组组合问题。 在生产模拟计算中，提出相对简化而又行之有效的机组组合模型： 4. 1)机组组合模型设计 以日为研究单位，忽略机组跟踪负荷能力的约束，主要思想是根据一定规则，找出一个 负荷低谷时段t° 一个负荷高峰时段t1，将这两个时段的静态安全约束方程联合起来，且增 加两个时段的机组状态的约束； 机组组合模型中将机组分为三类，分别为可起停机组、不可起停机组以及新可再生能 源机组；对于不可启停机组，其负荷高峰时段与负荷低谷时段的状态仅用一个变量表示，对 于可起停机组，其负荷高峰时段与负荷低谷时段的状态用两个变量表示； 为保证在该机组组合结果的基础上进行其余时段的出力分配的经济性更优，在此构造 目标函数为两个时段的购电费用、切除负荷损失、切除风电赔偿和启停费用的加权和，构成 一个混合整数的线性规划问题，具体优化方程式如下：
上式中，变量上标O表示低谷时刻量，1表示高峰时刻量；变量下标c、f、W分别表示不 可启停机组、可启停机组以及新可再生能源机组；变量下标d表示切除负荷或切除新可再 生能源；UfS核定电价或运行成本,v d为平均停电损失,CfS机组启停费用，λ, κ为 加权系数； 4. 2)联合时段选择 为保证上述机组组合结果在应用于其他时段时能够通过调整机组出力和启停机组的 状态来满足系统的静态安全约束，不能简单地取原始的或者修正后的系统负荷曲线的最大 峰荷时段和最小谷荷时段，而必须取序列D_ =Mif 丨的其最小值所在时段 为低谷时段；序列￡?+ 1--的最大值位于的时段为高峰时段； 4.3)可再生能源切除出力的处理 高峰时刻负荷D°与低谷时刻负荷D1均已经根据新可再生能源模拟出力进行了修正，因 此，机组组合模型中电力平衡、正负备用以及网络约束中均不需要考虑可再生能源出力的 大小,而仅需要考虑可再生能源被切除的出力大小； 显然，可再生能源被切除的出力ft与的约束条件为，大于零且小于可再生能源 模拟出力/5Iax与Pimax ^这时时序模拟出力可理解为新可再生能源能够被调度的最大出 力。
7.根据权利要求2所述的发电生产模拟模型，其特征在于，所述经济调度子模型解决 在机组组合完成后，对剩余时段出力进行分配，保证运行电费或者购电费用最小的操作，具 体包括： 在机组组合完成后，下面要做的就是对剩余时段做出力分配，其目标函数为运行费用 或者购电费用最小，I。为给定值，并且不用考虑启停费用的问题，其优化方程及其求解更为 简单，具体方程式如下：
8.根据权利要求2所述的发电生产模拟模型，其特征在于，所述辅助问题处理子模型 进行机组的启停优化运行和最优性分析的操作，具体包括： 6. 1)启停优化运行 虽然启停机组可以在一天的状态中发生变化，但是由于存在启停费用和实际运行约 束，为优化其运行，在做剩余时段出力分配时，启停状态不能处于无序状态，而需要根据一 个特定的优化规则； 对于各时段的出力分配时序及其增加启停机组状态约束分别为：（1)从t°-l递减至1 时刻逐时段分配出力，增加约束条件启停机组状态不小于后一时段且不大于t1时段的状 态；（2)从t°+l递增至t°-l时刻逐时段分配出力，增加约束条件启停机组状态不小于前一 时段且不大于t 1时段的状态；（3)从24递减至t°+l时刻逐时段分配出力，增加约束条件启 停机组状态不小于后一时段（取时段24后一时段为t°)且不大于t 1时段的状态； 上述过程仅用于t° < t1的情形，t° > t1的情形可用类似的方法处理； 6. 2)最优性分析 上述的模型中采用逐时段求解最优： 构造机组组合模型中，优化目标包括运行/购电成本、启停费用，保证机组组合方案更 优； 所有优化方程均为混合整数线性规划，可采用严格的数学规划方法求解，达到逐时段 最优； 多时断耦合限制启停机组的运行状态，使之再一天中启停次数最少，甚至不启停。
【文档编号】H02J3/00GK104377693SQ201410643934
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月11日 优先权日:2014年11月11日
【发明者】解佗, 张刚, 王维洲, 刘福潮, 郑晶晶, 韩永军, 马朝晖, 张建华, 李正远, 华夏, 陶国龙, 杜培东, 王庆玲 申请人:国家电网公司, 国网甘肃省电力公司, 国网甘肃省电力公司电力科学研究院, 西安理工大学, 甘肃省电机工程学会科技咨询部