本发明属于电力系统调度自动化，具体涉及一种考虑风光高占比电力系统低碳高效运行的火电机组组合优化方法。
背景技术：
1、随着新型电力系统和智能电网的发展和建设，电力系统的资源优化配置愈发关键，其中的关键环节确定合适而经济火电机组组合优化方案，可以统筹考虑系统中长期尺度运行效益，优化效果更为显著。
2、现有的火电机组组合优化方法主要包括：1)基于数据驱动的火电机组组合方法，多采用机器学习、神经网络模型，对于历史数据需求量大，且为“黑箱模型”，结果合理性难以判断；2)基于数学规划的火电机组组合方法，采用整数规划、混合整数规划以及智能算法等求解，模型构建复杂，无法给出清晰的决策过程，不利于直观判断火电机组组合的性能，且对于火电机组数量多的大型电力系统，求解效率低下；3)基于工程经验的火电机组组合策略，如优先顺序法等，但现有的方法较少考虑储能机组效益、风光新能源发电效益和火电机组低碳等因素的影响。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种考虑风光高占比电力系统低碳高效运行的火电机组组合优化方法，可有效解决上述问题。
2、本发明采用的技术方案如下：
3、本发明提供一种考虑风光高占比电力系统低碳高效运行的火电机组组合优化方法，包括以下步骤：
4、步骤s1，预先确定在规划周期t的电力系统数据，包括：在规划周期t的逐时段t的光伏出力pg(t)、风电出力pw(t)、水电类电源出力ph(t)、系统负荷需求load(t)、系统备用容量需求r(t)、水电类电源承担旋转备用容量rh(t)、储能机组特征参数以及火电机组特征参数；
5、步骤s2，确定初始状态时系统剩余负荷容量net_load(t)和系统剩余备用容量net_r(t)：
6、根据公式(1)，得到在考虑风光和水电类电源出力过程，不考虑火电机组和储能机组出力时的系统剩余负荷容量net_load(t)；
7、net_load(t)＝pg(t)+pw(t)+ph(t)-load(t) (1)
8、根据公式(2)，得到在考虑水电类电源可承担备用、不考虑火电机组和储能机组承担备用时的系统剩余备用容量net_r(t)：
9、net_r(t)＝rh(t)-r(t) (2)
10、步骤s3，根据火电机组的检修状态，将不需要检修的所有火电机组形成待选火电机组集合s；
11、步骤s4，电力系统负荷平衡阶段的火电机组组合及出力的确定：
12、在风光和水电类电源出力确定后，在待选火电机组集合s中，确定负荷平衡阶段参与电力系统调节的最优火电机组组合s1以及最优火电机组组合s1中每个火电机组的出力，同时，根据储能机组特征参数以及系统剩余负荷容量net_load(t)，根据储能机组出力策略，确定储能机组的抽水发电工况以及出力过程，使最优火电机组组合s1中的火电机组和储能机组联合参与电力系统调节后，电力系统达到负荷平衡状态；其中，电力系统达到负荷平衡状态，是指在规划周期t的逐时段t，系统剩余负荷容量net_load(t)均为0；
13、步骤s5，电力系统备用平衡阶段的火电机组组合及出力的确定：
14、在风光、水电类电源出力、最优火电机组组合s1以及最优火电机组组合s1中的每个火电机组的出力确定后，更新待选火电机组集合s＝s-s1；在更新后的待选火电机组集合s中，确定备用平衡阶段参与电力系统调节的最优火电机组组合s2以及最优火电机组组合s2中每个火电机组的出力，同时，根据储能机组特征参数以及系统剩余负荷容量net_load(t)，根据储能机组出力策略，确定储能机组的抽水发电工况以及出力过程，使最优火电机组组合s2中的火电机组和储能机组联合参与电力系统调节后，在满足负荷平衡的基础上，电力系统达到备用平衡状态；其中，电力系统达到备用平衡状态，是指在规划周期t的逐时段t，系统剩余备用容量net_r(t)均满足关系式：min{net_r(t)|t∈t}≥0；
15、步骤s6，合并最优火电机组组合s1和最优火电机组组合s2，得到最终优化得到的火电机组最优组合sbest＝s1∪s2，以及火电机组最优组合sbest中每个火电机组的出力，其与储能机组联合参与电力系统调节后，电力系统同时达到负荷平衡状态和备用平衡状态。
16、优选的，步骤s2中，系统剩余备用容量net_r(t)，包括系统正旋转备用剩余容量net_r+(t)和系统负旋转备用剩余容量net_r-(t)，具体通过公式(3)得到：
17、
18、其中：和分别为水电类电源承担正旋转备用容量和水电类电源承担负旋转备用容量；r+(t)和r-(t)，分别为系统正旋转备用容量需求和系统负旋转备用容量需求。
19、优选的，步骤s3中，火电机组的检修状态的确定方法为：在电力系统的各个按序排列的规划周期t中，根据年度检修计划预先确定每个规划周期t需要检修的火电机组。
20、优选的，步骤s4具体为：
21、步骤s4.1，确定电力系统负荷平衡阶段时的火电机组负荷平衡阶段成本估算算法；
22、步骤s4.2，遍历待选火电机组集合s，按照火电机组负荷平衡阶段成本估算算法，估算得到待选火电机组集合s中每个火电机组在规划周期t的总成本，选择总成本最小的火电机组m；
23、步骤s4.3，根据火电机组出力优化模型，确定选择的火电机组m在规划周期t的逐时段t的出力pm(t)，使火电机组m按照出力pm(t)参与电力系统调节；
24、步骤s4.4，当火电机组m按照出力pm(t)参与电力系统调节时，根据公式(4)，更新系统剩余负荷容量net_load(t)，得到联合考虑风光、水电类电源出力和火电机组m出力时的系统剩余负荷容量net_load(t)：
25、net_load(t)＝net_load(t)+pm(t) (4)
26、步骤s4.5，根据储能机组特征参数以及最新的系统剩余负荷容量net_load(t)，根据储能机组出力策略，确定储能机组的抽水发电工况以及出力过程，使储能机组联合参与电力系统调节；
27、步骤s4.6，将火电机组m加入到最优火电机组组合s1中，并记录火电机组m的出力pm(t)；更新待选火电机组集合s：从待选火电机组集合s中，删除火电机组m；
28、步骤s4.7，判断电力系统是否达到负荷平衡状态，如果达到，输出得到的最优火电机组组合s1以及最优火电机组组合s1中每个火电机组的出力，以及更新后的待选火电机组集合s；如果没有达到，返回步骤s4.2，继续筛选下一个火电机组及出力。
29、优选的，步骤s4.1具体为：
30、步骤s4.1.1，确定待选火电机组集合s中每个火电机组k用于负荷平衡阶段成本估算的出力pk(t)：
31、如果-net_load(t)＞pk,max，则pk(t)＝pk,max，使火电机组k按照最大出力发电进行成本估算；
32、如果-net_load(t)＜pk,min，则pk(t)＝pk,min，使火电机组k按照最小技术出力发电进行成本估算；
33、如果pk,min＜-net_load(t)＜pk,max，则pk(t)＝-net_load(t)，使火电机组k按照电力系统需求电力发电进行成本估算；
34、其中，pk,max和pk,min，分别为火电机组k的最大出力和最小技术出力；
35、步骤s4.1.2，预估负荷平衡阶段时火电机组k在规划周期t的启停成本cost_onoff_1、碳排放治理成本cost_c_1、运行煤耗成本cost_coal_1、弃风光成本cost_pw_1和缺电成本cost_e，根据公式(5)，得到电力系统负荷平衡阶段时的火电机组k的总成本cost_1：
36、cost_1＝cost_onoff_1+cost_c_1+cost_coal_1+cost_pw_1+cost_e (5)
37、由此得到电力系统负荷平衡阶段时的火电机组k的总成本cost_1。
38、优选的，各个分项成本的具体估算方法为：
39、(1)启停成本cost_onoff_1：
40、步骤1，确定火电机组k在规划周期t的初始时刻时的开关机状态：
41、对于规划年度中多个按时间顺序排列的规划周期t，排序在第一位的规划周期t，其每个火电机组k初始时刻均设定为开机状态；对于排序在第二位到最后一位的规划周期t，其火电机组k初始时刻的开关机状态，由其前一个相邻规划周期t确定的火电机组最优组合sbest的结果确定；具体的，对于火电机组k，如果其属于前一个相邻规划周期t确定的火电机组最优组合sbest中，则其在当前规划周期t初始时刻为开机状态，相反，则其在当前规划周期t初始时刻为关机状态；
42、步骤2，如果火电机组k在当前规划周期t初始时刻为关机状态，则从关机状态变为开机状态，产生启停成本；而如果其初始为开机状态，则在当前规划周期t持续为开机状态，则不产生启停成本；因此，根据公式(6)，得到其启停成本cost_onoff_1：
43、cost_onoff_1＝(uk-uk,0)*cost_onoffk (6)
44、其中：uk＝1，表示火电机组k在当前规划周期t开机运行；uk,0为火电机组k在当前规划周期t初始时刻的开关机状态，开机状态时uk,0＝1；关机状态时uk,0＝0；cost_onoffk为火电机组k单次启停成本；
45、(2)碳排放治理成本cost_c_1
46、火电机组k运行会产生二氧化碳，需要经过处理后排放，所产生的碳排放治理成本通过公式(7)计算：
47、
48、其中：t表示当前规划周期t；cost_ck表示火电机组k的单位度电碳排放治理成本；
49、(3)运行煤耗成本cost_coal_1
50、火电机组k运行消耗的燃料成本为运行煤耗成本，通过公式(8)计算：
51、
52、其中：cost_coalk表示火电机组k的单位度电煤耗成本；
53、(4)弃风光成本cost_pw_1
54、当假定火电机组k按出力pk(t)参与电力系统调节时，储能机组联合储能作用后，如果在时段t仍然存在储能机组不可消纳的过剩电力，则产生弃风光，对应的产生弃风光成本，具体估算方法为：
55、步骤1，根据储能机组出力策略，确定储能机组的出力：
56、步骤1.1，当假定火电机组k按出力pk(t)参与电力系统调节时，通过公式(9)，得到联合考虑风光、水电类电源出力和火电机组k出力时的当前最新的系统剩余负荷容量net_loadk(t)：
57、net_loadk(t)＝net_load(t)+pk(t) (9)
58、步骤1.2，根据当前最新的系统剩余负荷容量net_loadk(t)，按顺序依次确定每个储能机组i的出力pi(t)，i＝1,2,...,n，方法为：
59、步骤1.2.1，i＝1；
60、步骤1.2.2，根据公式net_load1(t)＝net_loadk(t)，得到net_load1(t)；其中，net_load1(t)为联合考虑风光、水电类电源出力以及火电机组k出力时的系统剩余负荷容量；
61、步骤1.2.3，采用公式(10)，确定储能机组i的抽水发电状态以及出力pi(t)：
62、
63、其中：pi,max代表储能机组i的单机容量，i＝1,2,...,n；coffi代表储能机组i的转化效率；t＝1,2,...,t，代表规划周期t中的各个时段序号；当t＝1时，ei(t-1)＝ei(0)，为规划周期t初始状态时储能机组i的蓄能量，为已知值；ei(t)表示储能机组i在时段t的蓄能量；ei(t-1)表示储能机组i在时段t-1的蓄能量；ei,max表示储能机组i的最大蓄能量；
64、步骤1.2.4，令i＝i+1，计算得到net_loadi(t)＝net_loadi-1(t)+pi-1(t)，返回步骤1.2.3，继续确定下一个储能机组的出力，直到得到n台储能机组中每台储能机组的出力；其中，net_loadi-1(t)为联合考虑风光、水电类电源出力、火电机组k出力以及前i-1个储能机组出力时的系统剩余负荷容量；
65、步骤2，采用公式(11)，得到弃风光成本cost_pw_1：
66、
67、其中：cost_pw表示单位弃风光成本；
68、coff为n台储能机组的平均转化效率；
69、(5)缺电成本cost_e_1
70、采用公式(12)，得到缺电成本cost_e_1：
71、
72、其中：cost_p表示单位度电外购成本。
73、优选的，步骤s4.3具体为：
74、步骤s4.3.1，获取电力系统当前最新的系统剩余负荷容量net_load(t)，具体为：联合考虑风光、水电类电源出力和当前最优火电机组组合s1中各火电机组出力时的系统剩余负荷容量；
75、步骤s4.3.2，根据电力系统当前最新的系统剩余负荷容量net_load(t)，建立火电机组m的运行约束，以火电机组m在规划周期t的出力pm(t)为决策变量，以电力系统运行煤耗最小、火电机组m出力pm(t)与电力系统电力需求最接近为优化目标，构建得到机组出力优化模型：
76、
77、其中：f1为电力系统运行煤耗最小的目标函数；f2为火电机组m出力与电力系统电力需求最接近的目标函数；a、b和c，为煤耗曲线参数；abs为绝对值符号；
78、约束条件包括：pm,min≤pm(t)≤pm,max
79、0＜pm(t)-pm(t-1)＜ru
80、0＜pm(t-1)-pm(t)＜rd
81、其中：pm,min和pm,max，分别为火电机组m的最小技术出力和最大出力；
82、pm(t)和pm(t-1)，分别为火电机组m在规划周期t的时段t和时段t-1的出力；
83、ru和rd，分别为火电机组m的上、下爬坡限制；
84、步骤s4.3.3，求解步骤s4.3.2构建的机组出力优化模型，得到火电机组m在规划周期t的出力pm(t)。
85、优选的，步骤s5具体为：
86、步骤s5.1，确定电力系统备用平衡阶段时的火电机组备用平衡阶段成本估算算法；
87、步骤s5.2，在风光、水电类电源出力、最优火电机组组合s1以及最优火电机组组合s1中的每个火电机组的出力确定后，更新待选火电机组集合s＝s-s1；
88、步骤s5.3，遍历更新后的待选火电机组集合s，按照火电机组备用平衡阶段成本估算算法，估算得到待选火电机组集合s中每个火电机组在规划周期t的总成本，选择总成本最小的火电机组n；
89、步骤s5.4，确定选择的火电机组n在规划周期t的逐时段t的出力pn(t)，使火电机组n按照出力pn(t)参与电力系统调节，具体方法为：
90、备用平衡阶段，火电机组n的功能是承担热备，因此，其在规划周期t的时段t的出力pn(t)，按最小技术出力pn,min运行，即：pn(t)＝pn,min；
91、步骤s5.5，当火电机组n按照出力pn(t)参与电力系统调节时，根据公式(14)，更新系统剩余备用容量net_r(t)，得到联合考虑风光、水电类电源出力、火电机组m出力以及火电机组n出力时的系统剩余备用容量net_r(t)＝(net_r+(t)，net_r-(t))：
92、
93、其中：pn,max为火电机组n的最大出力；
94、步骤s5.6，将火电机组n加入到最优火电机组组合s2，并记录火电机组n的出力pn(t)；更新待选火电机组集合s：从待选火电机组集合s中，删除火电机组n；
95、步骤s5.7，判断电力系统是否达到备用平衡状态，如果达到，输出得到的最优火电机组组合s2以及最优火电机组组合s2中每个火电机组的出力；如果没有达到，返回步骤s5.3，继续筛选下一个火电机组n及出力。
96、优选的，步骤s5.1具体为：
97、步骤s5.1.1，确定更新后的待选火电机组集合s中每个火电机组z用于备用平衡阶段成本估算的出力pz(t)：
98、具体的，火电机组z的功能是承担热备，因此其出力pz(t)以最小技术出力pz,min运行进行成本估算，即pz(t)＝pz,min；
99、步骤s5.1.2，预估备用平衡阶段时火电机组z在规划周期t的启停成本cost_onoff_2、碳排放治理成本cost_c_2、运行煤耗成本cost_coal_2、弃风光成本cost_pw_2和备用缺口成本cost_re，根据公式(15)，得到电力系统备用平衡阶段时的火电机组z的总成本cost_2：
100、cost_2＝cost_onoff_2+cost_c_2+cost_coal_2+cost_pw_2+cost_re (15)
101、由此得到电力系统备用平衡阶段时的火电机组z的总成本cost_2。
102、优选的，各个分项成本的具体估算方法为：
103、(1)启停成本cost_onoff_2
104、与负荷平衡阶段时的火电机组的启停成本的估算方法相同，采用公式(16)进行估算：
105、cost_onoff_2＝(uz-uz,0)*cost_onoffz (16)
106、其中：uz＝1，表示火电机组z在当前规划周期t开机运行；uz,0为火电机组z在当前规划周期t初始时刻的开关机状态，开机状态时uz,0＝1；关机状态时uz,0＝0；cost_onoffz为火电机组z单次启停成本；
107、(2)碳排放治理成本cost_c_2
108、采用公式(17)，得到火电机组z在规划周期t的碳排放治理成本：
109、cost_c_2＝pz,min×t×cost_cz (17)
110、其中：cost_cz表示火电机组z的单位度电碳排放治理成本；
111、(3)运行煤耗成本cost_coal_2
112、采用公式(18)，得到火电机组z在规划周期t的运行煤耗成本：
113、cost_coal_2＝pz,min×t×cost_coalz (18)
114、其中：cost_coalz表示火电机组z的单位度电煤耗成本；
115、(4)弃风光成本cost_pw_2
116、采用公式(19)，得到火电机组z在规划周期t的弃风光成本：
117、
118、其中：为已开机火电机组在时段t的可减少出力；
119、(5)备用缺口成本cost_re
120、假设火电机组z开机运行，其可调容量全部用于承担热备，则采用公式(20)，得到火电机组z承担热备后的系统剩余备用容量net_rz+(t)：
121、net_rz+(t)＝net_r+(t)+(pz,max-pz,min) (20)
122、其中：pz,max为火电机组z的最大出力；
123、若电力系统仍然存在备用缺口，则通过外购电补足备用缺口，因此，通过公式(21)，得到备用缺口成本：
124、
125、其中：cost_p表示单位度电外购成本。
126、本发明提供的一种考虑风光高占比电力系统低碳高效运行的火电机组组合优化方法具有以下优点：
127、本发明综合考虑电力系统的风光消纳、储能利用和火电机组低碳运行方式，提出一种考虑风光高占比电力系统低碳高效运行的火电机组组合优化方法，可以提高火电机组优化时的求解效率、清晰给出决策过程信息，直观判断火电机组组合性能，为电网调度提供指导。