备用辅助服务参与下的特高压受端电网电力调度优化方法与流程
本发明涉及电网电力调度领域，尤其涉及一种备用辅助服务参与下的特高压受端电网电力调度的优化方法。
背景技术：
随着我国越来越多特高压交直流输电通道的建设，我国电网输送能力越来越强，电网逐渐向更复杂的方向发展。特高压注入后的受端电网在实现自身供需平衡的方面面临着更大的挑战，也给电网调度带来了一些亟待解决的问题。特高压投运后，将替代部分常规机组，受端电网系统转动惯量下降，系统调频容量降低，电网频率特性变差。另外，特高压直流故障过程中需要从系统吸收大量无功，造成电压波动变大，而且直流传输功率很大，直流系统故障后的功率大量缺额势必对电网的稳定性造成巨大冲击，导致受端系统的可靠性降低，此时就会需要加入辅助服务的支持。虽然辅助服务并不是电力系统的主要功能，但在电力运行中是不可或缺的。因此，备用辅助服务参与下的特高压受端电网电力经济调度的优化对增强电力系统可靠性，缓解电网可能面临的风险有重要意义，同时对于提高发电厂提供辅助服务的积极性，促进主能量和辅助服务的均衡协调供应也有着重要意义。
技术实现要素：
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种备用辅助服务参与下的特高压受端电网电力调度的优化方法，解决在特高压注入后直流闭锁故障时电源波动的情况下，如何在备用辅助服务参与下弥补大功率缺额，实现机组组合优化调度的问题，使机组运行成本最低，有效地节约资源。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种备用辅助服务参与下的特高压受端电网电力调度优化方法，该方法包括如下步骤：
s1.建立火电机组日调节模型；根据火电机组调峰运行方式，得到在调度周期δt内需满足的约束条件：
(1)机组出力上下限约束
pfi.min≤pfi(t)≤pfi.max
式中，pfi(t)为火电机组i在t时段的出力，pfi.min、pfi.max分别为火电机组的出力下限和上限。
(2)爬坡速率约束
式中，
(3)最小启停时间约束
式中，
s2.建立水电机组日调节模型
(1)水电机组调峰平衡条件
在特高压接入的受端系统中，设任一时段下网功率为ptrans(负值代表受电)，其中plmax,plmin分别为日最大负荷和最小负荷，d为受端系统处于高峰的电力盈余容量，h为系统处于低谷的下调峰盈余容量，pgmax,pgmin分别为日开机运行的火电机组在负荷高峰和低谷时段的可调最大、最小出力，phmax,phmin分别为日开机运行的水电机组在负荷高峰和低谷时段的可调最大、最小出力，pr,pr'分别为系统处于高峰和低谷时的备用容量。由此，考虑特高压接入的受端系统的调峰平衡条件如下：
高峰时
d＝pgmax+phmax+ptrans-plmax-pr
低谷时
h＝plmin-pgmin-phmin-ptrans-pr'
若d≥0和h≥0同时成立，则系统调峰容量平衡；否则系统调峰容量不平衡。
(2)水电机组出力约束
phi.min≤phi(t)≤phi.max
式中，phi(t)为水电机组i在t时段的出力，phi.min、phi.max分别为水电机组的最小、最大出力。
s3.建立备用辅助服务模型
额定工况下的发电功率和单位可变成本分别为pn和cn，实际运行工况下的发电功率和单位可变成本分别为ps和cs，机组的市场边际电价为ρprice，即按边际成本报价。
机组最佳工况下机组发电效益最好，为提供调峰或者备用辅助服务，机组调整出力运行。由于发电功率减小δp＝pn-ps，产生了机会成本：
cop＝(ρprice-cn)*(pn-ps)*δt
式中，δt表示计算每个时段的长度。
上述模型的约束条件为pvacancy≤preserve
式中，pvacancy为直流线故障导致的有功缺额；preserve为发电机组所有备用容量的总和。
s4.根据火电水电机组、特高压电源、负荷数据以及目标函数对步骤s1、s2和s3建立的模型求解，得到最优解，根据最优解实现特高压受端电网电力调度，目标函数如下；
其中，
cfi(t)＝aipfi(t)2+bipfi(t)+ci
chi(t)＝max{0,|uhi(t)-uhi(t-1)|}·chi
式中，ng为火电机组装机组数，pfi(t)为火电机组i在t时段的功率出力，cfi(t)为二次函数，代表火电机组i的燃料费用，ai为燃料费用函数的二次项系数，bi为燃料费用函数的一次项系数，ci为燃料费用函数的的常数项；nh为水电机组装机组数，chi(t)为水电机组i在t时段的启停成本，uhi(t)为水电机组在t时段的启停状态，其值用0-1表示，chi为常数，
进一步地，步骤s2中，水电机组i在t时段的出力根据水电转换关系得到，公式如下：
phi(t)＝aλiqithit
式中，a为水电转换常数，通常取9.81，λi为水电站的效率，qit为水轮机组在t时段时发电用水量，hit为水库在t时段的水头高度。
进一步地，步骤s2中，水电机组日调节模型还包括以下约束：
机组流量约束
qmin≤qit≤qmax
式中，qmin、qmax分别为水电机组最小、最大发电用水量。
水库库容约束
vmin≤vt≤vmax
式中，vt为水库在t时段的库容，vmin、vmax分别为水库最小、最大库容。
日水量平衡约束
∑qit+ghi.t＝qit
wi.t+1-qit＝vt+1-vt
式中，ghi.t为在t时段的弃水量，qit为水库在t时段的总放水量，wi.t+1为水库在t+1时段的净来水量。
进一步地，步骤s3中，备用辅助服务模型中机组出力率的降低增加了单位可变成本，导致单位可变成本增加了δc＝cs-cn，从而导致发电效率损失成本：
closs＝(cs-cn)*ps*δt。
本发明的有益效果：备用辅助服务在模型中起到了优化调度和更好的维护系统能够安全稳定运行的作用。由于火电机组运行费用较高，而水电机组运行成本较低，加入的备用辅助虽然会增加部分成本，但从安全稳定的角度来说，备用辅助参与机组电力调度优化还是大大减小了用电成本且增加了安全性，同时也有助于完善我国辅助服务管理制度，促进主能量和辅助服务的均衡协调供应，可以在工程实践中推广。
附图说明
图1为备用辅助服务参与下的特高压受端电网电力调度流程图；
图2为机组辅助服务成本产生过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种备用辅助服务参与下的特高压受端电网电力调度优化方法，该方法包括如下步骤：
s1.建立火电机组日调节模型；在负荷高峰阶段，机组适当加大出力，使其尽量运行在额定功率或能够得到的最大功率；在负荷低谷阶段，机组适当减少出力；在负荷变化阶段，为了满足负荷曲线的变化趋势，机组应适当改变出力。
启停调峰，是根据系统日负荷曲线情况，有规律的对机组进行启动和关断。对于火电调峰机组，在普通调峰措施下，其调峰能力取决于自身的最小机组出力，不同容量的机组调峰能力不同，计算最小机组出力时，不同容量机组对应不同的比例取值。
根据上述火电机组调峰运行方式，得到在调度周期δt内需满足的约束条件：
(1)机组出力上下限约束
pfi.min≤pfi(t)≤pfi.max
式中，pfi(t)为火电机组i在t时段的出力，pfi.min、pfi.max分别为火电机组的出力下限和上限。
(2)爬坡速率约束
式中，
(3)最小启停时间约束
式中，
s2.建立水电机组日调节模型
当其考虑水电机组运行时，燃料费用可以被忽略，只需计算启停成本和弃水成本。但是为了节能，一般不允许弃水调峰，只有当他各类调峰手段无法满足系统调峰平衡条件时，可以暂时考虑部分弃水。
(1)水电机组调峰平衡条件
在特高压接入的受端系统中，设任一时段下网功率为ptrans(负值代表受电)，其中plmax,plmin分别为日最大负荷和最小负荷，d为受端系统处于高峰的电力盈余容量，h为系统处于低谷的下调峰盈余容量，pgmax,pgmin分别为日开机运行的火电机组在负荷高峰和低谷时段的可调最大、最小出力，phmax,phmin分别为日开机运行的水电机组在负荷高峰和低谷时段的可调最大、最小出力，pr,pr'分别为系统处于高峰和低谷时的备用容量。由此，考虑特高压接入的受端系统的调峰平衡条件如下：
高峰时
d＝pgmax+phmax+ptrans-plmax-pr
低谷时
h＝plmin-pgmin-phmin-ptrans-pr'
若d≥0和h≥0同时成立，则系统调峰容量平衡；否则系统调峰容量不平衡。
(2)水电机组出力约束
phi.min≤phi(t)≤phi.max
式中，phi(t)为水电机组i在t时段的出力，phi.min、phi.max分别为水电机组的最小、最大出力。
(3)水电转换关系
phi(t)＝aλiqithit
式中，a为水电转换常数，通常取9.81，λi为水电站的效率，qit为水轮机组在t时段时发电用水量，hit为水库在t时段的水头高度。
(4)机组流量约束
qmin≤qit≤qmax
式中，qmin、qmax分别为水电机组最小、最大发电用水量。
(5)水库库容约束
vmin≤vt≤vmax
式中，vt为水库在t时段的库容，vmin、vmax分别为水库最小、最大库容。
(6)日水量平衡约束
∑qit+ghi.t＝qit
wi.t+1-qit＝vt+1-vt
式中，ghi.t为在t时段的弃水量，qit为水库在t时段的总放水量，wi.t+1为水库在t+1时段的净来水量。
s3.建立备用辅助服务模型
由于特高压注入后易出现直流闭锁故障，因此在考虑以上各机组模型组合调度发电的基础上，辅助服务应被纳入成本计算的范围内。
备用辅助服务成本构成：旋转备用在未调用时，不需要调整出力，体现为静态特征，机组提供备用的成本以机会成本和发电效率损失成本为主。备用辅助服务本质上需要调整机组运行状态，使机组偏离最佳运行工况，效率损失成本和机会成本都是由非最佳工况所带来的。
图2中斜线为单位可变成本函数，随着出力率降低单位可变成本增加。额定工况下的发电功率和单位可变成本分别为pn和cn，实际运行工况下的发电功率和单位可变成本分别为ps和cs，机组的市场边际电价为ρprice，即按边际成本报价。
机组最佳工况下运行于a点，此时机组发电效益最好。为提供调峰或者备用辅助服务，机组调整出力运行于b点。首先由于发电功率减小了δp＝pn-ps，产生了图2中备用电量机会成本区域面积所示的机会成本：
cop＝(ρprice-cn)*(pn-ps)*δt
式中，δt表示计算每个时段的长度，例如一天分为96个时段，则δt＝15min。因为ρprice为成本电价，所以可用于机会成本计算。机组出力率的降低增加了单位可变成本，导致单位可变成本增加了δc＝cs-cn，从而引致图2中调峰效率损失成本区域面积所示的发电效率损失成本：
closs＝(cs-cn)*ps*δt
上述模型的约束条件为pvacancy≤preserve
式中，pvacancy为直流线故障导致的有功缺额；preserve为发电机组所有备用容量的总和。
本发明描述的备用辅助服务的成本主要考虑为备用容量的发电机会成本。旋转备用服务引起的机组辅助服务成本主要是机会成本，效率损失体现为单位可变成本增加。
s4.运用matlab输入火电水电机组、特高压电源、负荷数据；matlab中输入5台火电机组、1台水电机组以及某地区一天分为96个时段的负荷数据，输入特高压电源容量、失负荷率的数据并且加入备用辅助服务，其中火电机组承担大部分发电任务，水电机组起到辅助作用。针对特高压注入后直流闭锁故障时电源波动问题，本发明在备用辅助服务参与下弥补大功率缺额，进行机组组合优化调度，利用yalmip工具箱建立模型，cplex对目标函数进行数学优化，对步骤s1、s2和s3建立的模型求解，得出最优解。根据最优解实现特高压受端电网电力调度，目标函数如下；
其中，
cfi(t)＝aipfi(t)2+bipfi(t)+ci
chi(t)＝max{0,|uhi(t)-uhi(t-1)|}·chi
式中，ng为火电机组装机组数，pfi(t)为火电机组i在t时段的功率出力，cfi(t)为二次函数，代表火电机组i的燃料费用，ai为燃料费用函数的二次项系数，bi为燃料费用函数的一次项系数，ci为燃料费用函数的的常数项；nh为水电机组装机组数，chi(t)为水电机组i在t时段的启停成本，uhi(t)为水电机组在t时段的启停状态，其值用0-1表示，chi为常数，
机组组合需合理安排各类电源出力方式，并且加入备用辅助服务，以保证系统的容量平衡且运行成本最低。本发明考虑特高压接入的火电水电联合机组在水电火电机组备用辅助服务参与下的电力调度运行。目标函数中考虑的水电、火电机组参与旋转备用，包括水电机组停止运行时，以及火电机组维持全速运行时所能产生的旋转备用。根据各类机组出力的约束条件，决策优化生成最优的电力调度方案，使机组运行成本最低。
备用辅助服务在模型中起到了优化调度和更好的维护系统能够安全稳定运行的作用。由于火电机组运行费用较高，而水电机组运行成本较低，加入的备用辅助虽然会增加部分成本，但从安全稳定的角度来说，备用辅助参与机组电力调度优化还是大大减小了用电成本且增加了安全性，同时也有助于完善我国辅助服务管理制度，促进主能量和辅助服务的均衡协调供应，可以在工程实践中推广。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
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