一种考虑需求响应的源网荷一体化经济调度方法及系统与流程

本发明涉及电网调度技术领域，特别是一种考虑需求响应的源网荷一体化经济调度方法及系统。

背景技术：

大力发展新能源是解决当前化石能源短缺、环境污染问题的必然选择。在新能源发电技术中，风力发电技术最为成熟、最具规模化开发价值，世界范围内风电呈现大规模发展态势。随着社会经济快速发展，用电负荷持续增加，高峰负荷不断攀升，峰谷差不断增大。此外，受自然因素影响，风力发电具有明显的反调峰特性，即白天高峰负荷时段风电出力低，夜间低谷负荷时段风电出力高。源荷在时间尺度上的不一致将影响电力的实时平衡，而源荷在空间分布上的不均衡使得电网的传输能力面临挑战。

为应对大规模风电并网消纳的调度问题，有研究提出通过提升风电的预测精度，使传统的发电调度仍然适用于含风电的系统，但随着电力系统中风电并网规模不断增加，传统可调度的化石能源发电逐渐让位于风电等清洁能源发电，单纯的发电调度策略难以适应于高比例风电并网的电力系统。为解决风电出力时空分布多样性情形下的电网调度问题，有研究提出考虑电网拓扑结构调整的经济调度策略，其对解决不同风电出力情形下的电网传输能力“卡脖子”问题具有重要作用，但高比例风电并网背景下电网调度运行中的调峰问题尤其突出，源荷功率实时平衡的形式依然严峻。国外有研究提出通过实施电力市场化机制调度负荷侧的灵活性资源来提升系统的调峰能力，有效促进了大规模风电并网消纳，但市场环境下承载源荷功率实时平衡的输电网络出现传输阻塞问题时有发生，受网络阻塞影响的弃风情况在所难免。

新形势下，为应对大规模风电并网消纳，仅针对传统火电机组的发电调度难以适应实时的电力平衡，需要在调度中尽可能地挖掘源、网、荷侧的调节能力，然而综合考虑源、网、荷侧调节资源灵活性的经济调度研究鲜有研究。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种考虑需求响应的源网荷一体化经济调度方法及系统，旨在解决现有技术中传统发电调度模型存在难以适应实时电力平衡的问题，实现调动电力系统中源网荷侧的灵活性资源，促进风电并网消纳。

为达到上述技术目的，本发明提供了一种考虑需求响应的源网荷一体化经济调度方法，所述方法包括以下操作：

构建考虑需求响应和电网拓扑结构调整的源网荷一体化经济调度优化模型，优化模型以发电成本、需求响应成本以及弃风电成本总和最小为目标，并包含多个约束条件；

将优化模型中的混合整数非线性约束条件转换为等价的混合整数线性约束条件，采用混合整数线性规划法对转换后的混合整数线性规划模型进行求解，得到最终的源网荷一体化经济调度方案。

优选地，所述方法还包括在构建模型之前输入参与调度的火电机组参数、电网输电元件参数、日前24小时负荷功率预测值、日前24小时风电功率预测值，设定需求响应负荷参与需求响应的响应量范围和响应价格，设定风电弃风成本系数和系统允许的弃电率。

优选地，所述优化模型的目标函数为：

其中，为时段t风电场w的弃电功率；αw为风电场w的弃电惩罚成本；为时段t常规火电机组g输出的有功功率；cg为火电机组g的边际价格；为二进制变量，表示时段t火电机组g是否运行状态，表示时段t火电机组g处于运行状态，时段t火电机组g处于停运状态；为火电机组g的启动成本；为二进制变量，表示在时段t火电机组g是否启动，表示在时段t火电机组g处于启动状态，示在时段t火电机组g处于非启动状态；为时段t可激励负荷c增加的有功功率；βc为可激励负荷c的边际价格；为时段t可中断负荷r被中断的有功功率；ηr为时段t可中断负荷r的边际价格；ng和nw分别表示火电机组和风电场个数；nc和nr分别表示可激励负荷和可中断负荷的个数。

优选地，所述约束条件包括：

1)常规火电机组有功功率上下限约束：

式中，和分别为常规火电机组g的有功功率上下限；

2)常规火电机组爬坡约束：

式中：和分别表示火电机组g的最大向上爬坡速率和最大向下爬坡速率；为二进制变量，表示时段t-1火电机组g是否运行状态；表示时段t-1常规火电机组g输出的有功功率；

3)常规火电机组启停约束：

4)节点功率平衡约束：

其中，为时段t输电线路l的传输有功功率，其首末节点分别为节点i和节点j；为规划周期内时段t风电场w的有功功率预测值；为时段t常规负荷d的有功功率预测值；为时段t可激励负荷c的有功功率预测值；为时段t可中断负荷r的有功功率预测值；si和ei分别为以节点i为首、末端节点的输电线路个数；gi和wi分别表示节点i上的火电机组和风电场个数；ci、ri和di分别表示节点i上的可激励负荷、可中断负荷和常规负荷的个数；nb为电网节点个数；

5)输电线路传输容量约束：

其中，nl为输电线路个数；bl为输电线路l的电纳；和分别为t时段节点i和节点j电压相角；为时段t输电线路l的运行状态，其为二进制变量，表示时段t输电线路l处于运行状态，表示时段t输电线路l处于停运状态；表示输电线路l的传输容量；

6)需求响应负荷响应范围约束：

其中，和为时段t可激励负荷c的有功功率上下限；和为时段t可中断负荷r的有功功率上下限；

7)风电场弃电约束：

其中，ρ为设定的最大允许风电弃电率；

8)节点电压相角范围约束：

优选地，所述混合整数线性约束条件为：

其中，m为常数。

本发明还提供了一种考虑需求响应的源网荷一体化经济调度系统，所述系统包括：

优化模型构建模块，用于构建考虑需求响应和电网拓扑结构调整的源网荷一体化经济调度优化模型，优化模型以发电成本、需求响应成本以及弃风电成本总和最小为目标，并包含多个约束条件；

模型求解模块，用于将优化模型中的混合整数非线性约束条件转换为等价的混合整数线性约束条件，采用混合整数线性规划法对转换后的混合整数线性规划模型进行求解，得到最终的源网荷一体化经济调度方案。

优选地，所述系统还包括模型参数设定模块，用于在构建模型之前输入参与调度的火电机组参数、电网输电元件参数、日前24小时负荷功率预测值、日前24小时风电功率预测值，设定需求响应负荷参与需求响应的响应量范围和响应价格，设定风电弃风成本系数和系统允许的弃电率。

优选地，所述优化模型的目标函数为：

其中，为时段t风电场w的弃电功率；αw为风电场w的弃电惩罚成本；为时段t常规火电机组g输出的有功功率；cg为火电机组g的边际价格；为二进制变量，表示时段t火电机组g是否运行状态，表示时段t火电机组g处于运行状态，时段t火电机组g处于停运状态；为火电机组g的启动成本；为二进制变量，表示在时段t火电机组g是否启动，表示在时段t火电机组g处于启动状态，示在时段t火电机组g处于非启动状态；为时段t可激励负荷c增加的有功功率；βc为可激励负荷c的边际价格；为时段t可中断负荷r被中断的有功功率；ηr为时段t可中断负荷r的边际价格；ng和nw分别表示火电机组和风电场个数；nc和nr分别表示可激励负荷和可中断负荷的个数。

优选地，所述约束条件包括：

1)常规火电机组有功功率上下限约束：

式中，和分别为常规火电机组g的有功功率上下限；

2)常规火电机组爬坡约束：

式中：和分别表示火电机组g的最大向上爬坡速率和最大向下爬坡速率；为二进制变量，表示时段t-1火电机组g是否运行状态；表示时段t-1常规火电机组g输出的有功功率；

3)常规火电机组启停约束：

4)节点功率平衡约束：

其中，为时段t输电线路l的传输有功功率，其首末节点分别为节点i和节点j；为规划周期内时段t风电场w的有功功率预测值；为时段t常规负荷d的有功功率预测值；为时段t可激励负荷c的有功功率预测值；为时段t可中断负荷r的有功功率预测值；si和ei分别为以节点i为首、末端节点的输电线路个数；gi和wi分别表示节点i上的火电机组和风电场个数；ci、ri和di分别表示节点i上的可激励负荷、可中断负荷和常规负荷的个数；nb为电网节点个数；

5)输电线路传输容量约束：

其中，nl为输电线路个数；bl为输电线路l的电纳；和分别为t时段节点i和节点j电压相角；为时段t输电线路l的运行状态，其为二进制变量，表示时段t输电线路l处于运行状态，表示时段t输电线路l处于停运状态；表示输电线路l的传输容量；

6)需求响应负荷响应范围约束：

其中，和为时段t可激励负荷c的有功功率上下限；和为时段t可中断负荷r的有功功率上下限；

7)风电场弃电约束：

其中，ρ为设定的最大允许风电弃电率；

8)节点电压相角范围约束：

优选地，所述混合整数线性约束条件为：

其中，m为常数。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

与现有技术相比，本发明可用于大规模风电并网下的电力系统经济调度，在传统发电调度中考虑输电侧、用电侧的灵活性，将输电侧电网结构、用电侧负荷用电需求视为可参与调度的灵活性资源融入发电调度计划，实现源网荷资源的全局优化配置，能够减少风电弃电量，提升系统运行的经济性。

附图说明

图1为本发明实施例中所提供的一种考虑需求响应的源网荷一体化经济调度方法流程图；

图2为本发明实施例中所提供的一种考虑需求响应的源网荷一体化经济调度系统框图。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

下面结合附图对本发明实施例所提供的一种考虑需求响应的源网荷一体化经济调度方法及系统进行详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种考虑需求响应的源网荷一体化经济调度方法，所述方法包括以下操作：

s1、根据电网运行方式安排情况确定参与调度火电机组情况以及电网输电元件情况，输入参与调度的火电机组参数、电网输电元件参数、日前24小时负荷功率预测值、日前24小时风电功率预测值，设定需求响应负荷参与需求响应的响应量范围和响应价格，设定风电弃风成本系数和系统允许的弃电率。

s2、构建考虑需求响应和电网拓扑结构调整的源网荷一体化经济调度优化模型，优化模型以发电成本、需求响应成本以及弃风电成本总和最小为目标，优化模型的目标函数为：

其中，为时段t风电场w的弃电功率；αw为风电场w的弃电惩罚成本；为时段t常规火电机组g输出的有功功率；cg为火电机组g的边际价格；为二进制变量，表示时段t火电机组g是否运行状态，表示时段t火电机组g处于运行状态，时段t火电机组g处于停运状态；为火电机组g的启动成本；为二进制变量，表示在时段t火电机组g是否启动，表示在时段t火电机组g处于启动状态，示在时段t火电机组g处于非启动状态；为时段t可激励负荷c增加的有功功率；βc为可激励负荷c的边际价格；为时段t可中断负荷r被中断的有功功率；ηr为时段t可中断负荷r的边际价格；ng和nw分别表示火电机组和风电场个数；nc和nr分别表示可激励负荷和可中断负荷的个数。

电网拓扑结构调整是指将输电线路的运行状态纳入经济调度决策，根据各时段源荷平衡方式的变化来动态调整电网拓扑结构，以满足不同位置分布的源荷功率实时平衡的需要。

优化模型的约束条件包括以下8类约束：

1)常规火电机组有功功率上下限约束：

式中，和分别为常规火电机组g的有功功率上下限；

2)常规火电机组爬坡约束：

式中：和分别表示火电机组g的最大向上爬坡速率和最大向下爬坡速率；为二进制变量，表示时段t-1火电机组g是否运行状态；表示时段t-1常规火电机组g输出的有功功率；

3)常规火电机组启停约束：

4)节点功率平衡约束：

其中，为时段t输电线路l的传输有功功率，其首末节点分别为节点i和节点j；为规划周期内时段t风电场w的有功功率预测值；为时段t常规负荷d的有功功率预测值；为时段t可激励负荷c的有功功率预测值；为时段t可中断负荷r的有功功率预测值；si和ei分别为以节点i为首、末端节点的输电线路个数；gi和wi分别表示节点i上的火电机组和风电场个数；ci、ri和di分别表示节点i上的可激励负荷、可中断负荷和常规负荷的个数；nb为电网节点个数；

5)输电线路传输容量约束：

其中，nl为输电线路个数；bl为输电线路l的电纳；和分别为t时段节点i和节点j电压相角；为时段t输电线路l的运行状态，其为二进制变量，表示时段t输电线路l处于运行状态，表示时段t输电线路l处于停运状态；表示输电线路l的传输容量；

6)需求响应负荷响应范围约束：

其中，和为时段t可激励负荷c的有功功率上下限；和为时段t可中断负荷r的有功功率上下限；

7)风电场弃电约束：

其中，ρ为设定的最大允许风电弃电率；

8)节点电压相角范围约束：

s3、将优化模型中的混合整数非线性约束条件转换为易于求解的混合整数线性约束条件，采用混合整数线性规划法对转换后的混合整数线性规划模型进行求解，得到最终的源网荷一体化经济调度方案。

所述混合整数非线性约束表达式转换为等价的混合整数线性表达式，即：

其中，m为非常大的常数。

由此所提模型转换为了混合整数线性规划模型，由理论上较为成熟的混合整数规划算法进行求解。由此通过采用混合整数线性规划法对转换后的混合整数线性规划模型进行求解，得到最终的源网荷一体化经济调度方案。

本发明实施例可用于大规模风电并网下的电力系统经济调度，在传统发电调度中考虑输电侧、用电侧的灵活性，将输电侧电网结构、用电侧负荷用电需求视为可参与调度的灵活性资源融入发电调度计划，实现源网荷资源的全局优化配置，能够减少风电弃电量，提升系统运行的经济性。

如图2所示，本发明实施例还公开了一种考虑需求响应的源网荷一体化经济调度系统，所述系统包括：

优化模型构建模块，用于构建考虑需求响应和电网拓扑结构调整的源网荷一体化经济调度优化模型，优化模型以发电成本、需求响应成本以及弃风电成本总和最小为目标，并包含多个约束条件；

模型求解模块，用于将优化模型中的混合整数非线性约束条件转换为等价的混合整数线性约束条件，采用混合整数线性规划法对转换后的混合整数线性规划模型进行求解，得到最终的源网荷一体化经济调度方案。

所述系统还包括模型参数设定模块，用于在构建模型之前输入参与调度的火电机组参数、电网输电元件参数、日前24小时负荷功率预测值、日前24小时风电功率预测值，设定需求响应负荷参与需求响应的响应量范围和响应价格，设定风电弃风成本系数和系统允许的弃电率。

优化模型的目标函数为：

其中，为时段t风电场w的弃电功率；αw为风电场w的弃电惩罚成本；为时段t常规火电机组g输出的有功功率；cg为火电机组g的边际价格；为二进制变量，表示时段t火电机组g是否运行状态，表示时段t火电机组g处于运行状态，时段t火电机组g处于停运状态；为火电机组g的启动成本；为二进制变量，表示在时段t火电机组g是否启动，表示在时段t火电机组g处于启动状态，示在时段t火电机组g处于非启动状态；为时段t可激励负荷c增加的有功功率；βc为可激励负荷c的边际价格；为时段t可中断负荷r被中断的有功功率；ηr为时段t可中断负荷r的边际价格；ng和nw分别表示火电机组和风电场个数；nc和nr分别表示可激励负荷和可中断负荷的个数。

电网拓扑结构调整是指将输电线路的运行状态纳入经济调度决策，根据各时段源荷平衡方式的变化来动态调整电网拓扑结构，以满足不同位置分布的源荷功率实时平衡的需要。

优化模型的约束条件包括以下8类约束：

1)常规火电机组有功功率上下限约束：

式中，和分别为常规火电机组g的有功功率上下限；

2)常规火电机组爬坡约束：

式中：和分别表示火电机组g的最大向上爬坡速率和最大向下爬坡速率；为二进制变量，表示时段t-1火电机组g是否运行状态；表示时段t-1常规火电机组g输出的有功功率；

3)常规火电机组启停约束：

4)节点功率平衡约束：

其中，为时段t输电线路l的传输有功功率，其首末节点分别为节点i和节点j；为规划周期内时段t风电场w的有功功率预测值；为时段t常规负荷d的有功功率预测值；为时段t可激励负荷c的有功功率预测值；为时段t可中断负荷r的有功功率预测值；si和ei分别为以节点i为首、末端节点的输电线路个数；gi和wi分别表示节点i上的火电机组和风电场个数；ci、ri和di分别表示节点i上的可激励负荷、可中断负荷和常规负荷的个数；nb为电网节点个数；

5)输电线路传输容量约束：

其中，nl为输电线路个数；bl为输电线路l的电纳；和分别为t时段节点i和节点j电压相角；为时段t输电线路l的运行状态，其为二进制变量，表示时段t输电线路l处于运行状态，表示时段t输电线路l处于停运状态；表示输电线路l的传输容量；

6)需求响应负荷响应范围约束：

其中，和为时段t可激励负荷c的有功功率上下限；和为时段t可中断负荷r的有功功率上下限；

7)风电场弃电约束：

其中，ρ为设定的最大允许风电弃电率；

8)节点电压相角范围约束：

将优化模型中的混合整数非线性约束条件转换为易于求解的混合整数线性约束条件，采用混合整数线性规划法对转换后的混合整数线性规划模型进行求解，得到最终的源网荷一体化经济调度方案。

所述混合整数非线性约束表达式转换为等价的混合整数线性表达式，即：

其中，m为非常大的常数。

由此所提模型转换为了混合整数线性规划模型，由理论上较为成熟的混合整数规划算法进行求解。由此通过采用混合整数线性规划法对转换后的混合整数线性规划模型进行求解，得到最终的源网荷一体化经济调度方案。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。