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火電機(jī)組日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度機(jī)組組合

文檔作者：謝國(guó)輝張粒子舒雋王家興文檔來(lái)源： 1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院2．福建省福州超高壓輸變電局		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月07日
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第23卷第2期
2O11年4月
電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)
Proceedings of the CSU—EPSA
Vo1．23 NO．2
Apr． 2011
火電機(jī)組日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度機(jī)組組合
謝國(guó)輝 ，張粒子 ，舒雋 ，王家興。
(1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206；
2．福建省福州超高壓輸變電局，福州350013)
摘要：機(jī)組組合是制定日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度計(jì)劃的重要內(nèi)容，包括確定機(jī)組啟停狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配兩方面，
對(duì)此提出了制定火電機(jī)組組合的兩種實(shí)現(xiàn)方法—— 分步優(yōu)化和聯(lián)合優(yōu)化。前者基于機(jī)組排序表確定機(jī)組啟
停狀態(tài)后再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配；后者直接建立以能耗最小為目標(biāo)、考慮多種約束的日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度機(jī)組組
合模型，采用啟發(fā)式動(dòng)態(tài)規(guī)劃結(jié)合等微增率的混合算法進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化求解。實(shí)際算例對(duì)比分析表明，聯(lián)合優(yōu)
化方法是制定機(jī)組組合更為精確方法。
關(guān)鍵詞：機(jī)組組合；節(jié)能發(fā)電調(diào)度計(jì)劃；排序表；分步優(yōu)化；聯(lián)合優(yōu)化
中圖分類(lèi)號(hào)：TM732 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003—8930(2011)02一Ol22—05
Research on Coal_-fired Unit Commitment of Day。。ahead Energy。。saving
Generation Dispatching
XIE Guo—hui ，ZHANG Li—zi ，SHU j un ，W ANG Jia—xing
(1．College of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric
Power University，Beijing 102206，China；
2．Fuzhou Extra H igh Voltage Power Transmission and Substation Bureau，
Fuzhou 350013，China)
節(jié)能發(fā)電調(diào)度以節(jié)能、環(huán)保為目標(biāo)，以全電力
系統(tǒng)內(nèi)發(fā)、輸、供電設(shè)備為調(diào)度對(duì)象，優(yōu)先調(diào)度可再
生和清潔發(fā)電資源，按能耗和污染物排放水平，由
低到高依次調(diào)用化石類(lèi)發(fā)電資源，最大限度地減少
能源、資源消耗和污染物排放_(tái)】j。研究節(jié)能發(fā)電調(diào)
度日前機(jī)組組合優(yōu)化方法，是制定日前節(jié)能發(fā)電調(diào)
度計(jì)劃的關(guān)鍵問(wèn)題。
目前，關(guān)于制定機(jī)組組合方法已有研究成果。
收稿日期：2009—09—15；修回日期：2009 11—12
針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)組組合模型，國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家學(xué)者已試
驗(yàn)了大量的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，如：優(yōu)先次序法、動(dòng)態(tài)規(guī)
劃法I2]、拉格朗日松弛法 ]、智能方法_4]和混合整
數(shù)規(guī)劃法等。針對(duì)電力市場(chǎng)環(huán)境下機(jī)組組合方法研
究，文獻(xiàn)[5]提出了在電力市場(chǎng)機(jī)制下機(jī)組組合問(wèn)
題的數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用遺傳算法求解。文獻(xiàn)[6]提
出一種組合優(yōu)化方法解決電力市場(chǎng)環(huán)境下機(jī)組組
合問(wèn)題；文獻(xiàn)[7]提出一種用于求解中期電力市場(chǎng)
基薹一
一一一一一一 一
一嘉～?tu 一帥o ．～nm一～ 一 謄0gh妯～n 一c 一 ～一
一 一 ～
～一 一～一～一～l一c 一 一 一～一
第2期 謝國(guó)輝等：火電機(jī)組日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度機(jī)組組合 · 123 ·
機(jī)組組合問(wèn)題啟發(fā)式方法。針對(duì)節(jié)能發(fā)電調(diào)度環(huán)
境，文獻(xiàn)[8]提出節(jié)能發(fā)電調(diào)度發(fā)電計(jì)劃的編制算
法，首先根據(jù)火電機(jī)組發(fā)電序位表確定機(jī)組開(kāi)機(jī)方
法，然后采用等微增率方法進(jìn)行功率分配。
上述研究是針對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度和電力市場(chǎng)，目
前針對(duì)節(jié)能發(fā)電調(diào)度環(huán)境制定火電機(jī)組組合方法
的研究文獻(xiàn)較少。本文針對(duì)節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式，提
出分步優(yōu)化和聯(lián)合優(yōu)化的兩種制定火電機(jī)組日前
節(jié)能發(fā)電調(diào)度機(jī)組組合方法。分步優(yōu)化方法基于機(jī)
組排序表確定機(jī)組的啟停狀態(tài)再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分
配；聯(lián)合優(yōu)化方法則直接建立以能耗最小為目標(biāo)、
考慮多種約束的日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度機(jī)組組合模型，
再基于啟發(fā)式動(dòng)態(tài)規(guī)劃結(jié)合等微增率的混合算法
求解。最后通過(guò)實(shí)例對(duì)兩類(lèi)方法進(jìn)行比對(duì)分析。
1 機(jī)組組合的分步優(yōu)化方法
1．1 機(jī)組啟停狀態(tài)確定
根據(jù)機(jī)組的排序表確定每臺(tái)機(jī)組發(fā)電的優(yōu)先
順序。機(jī)組排序表根據(jù)火電機(jī)組的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)煤耗水
平由低到高排序形成，設(shè)計(jì)煤耗相同時(shí)，按機(jī)組污
染物排放水平確定優(yōu)先順序。在機(jī)組發(fā)電優(yōu)先順序
基礎(chǔ)上確定機(jī)組啟停狀態(tài)，具體步驟如下：
1)根據(jù)機(jī)組優(yōu)先順序，滿(mǎn)足t時(shí)段負(fù)荷和備用
需求，確定機(jī)組t時(shí)段啟停狀態(tài)；
2)進(jìn)行機(jī)組t一1時(shí)段啟停狀態(tài)向t時(shí)段狀態(tài)
轉(zhuǎn)移判斷i
3)若滿(mǎn)足機(jī)組啟停約束，轉(zhuǎn)入步驟4)；若不滿(mǎn)
足，進(jìn)行t時(shí)段啟停狀態(tài)調(diào)整，然后轉(zhuǎn)入步驟4)l
4)t— t+1，如果t不大于總時(shí)段數(shù)T，轉(zhuǎn)入步
驟1)，確定機(jī)組t時(shí)段啟停狀態(tài)；反之停止，得到機(jī)
組全時(shí)段的啟停狀態(tài)。
1．2 經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配
在上述確定的機(jī)組啟停狀態(tài)基礎(chǔ)上，進(jìn)行每臺(tái)
機(jī)組全時(shí)段經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配，優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為
丁 Jf
min F(P )一Σ Σf (P ) (1)
t一1 i一1
約束條件：
功率平衡約束
f
ΣP 一P 一0 (2)
f一1
機(jī)組功率約束
P ? ≤ P ≤ P ，?
機(jī)組爬坡速度約束
P ～ P ≤ PuP
(3)
(4)
P 一P ≤ P “ (5)
直流潮流約束
～ P ≤ Sj，kPs， t≤ Pk? (6)
J一1
式(1)～ (6)中：i為機(jī)組號(hào)( 一1，2，? ，J )，
為每個(gè)時(shí)段入圍機(jī)組數(shù)；f為時(shí)段號(hào)(f= 1，2，? ，
T)，T為時(shí)段數(shù)iP 為機(jī)組i在t時(shí)段的有功出力，
單位Mw；f (P )為機(jī)組i的煤耗特性曲線(xiàn)，可以
通過(guò)參數(shù)實(shí)測(cè)或配套的煤耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)獲
得。P 為第t時(shí)段的負(fù)荷；P??P? 分別為機(jī)組
i的最小和最大出力；PP 、P ? 分別為機(jī)組i的升
降出力速率lSⅢ 為第 節(jié)點(diǎn)注l入功率對(duì)第k條線(xiàn)
路潮流的靈敏度；P? 為第J節(jié)點(diǎn)的凈注入功率；
P 為第k條線(xiàn)路的穩(wěn)定極限。
1．3 求解算法
直流潮流約束下，模型(1)中所有約束條件都
為線(xiàn)性約束，目標(biāo)函數(shù)中的機(jī)組耗量特性曲線(xiàn)函數(shù)
可以近似用二次函數(shù)進(jìn)行擬合，故本文采用二次規(guī)
劃算法求解模型(1)。
2 機(jī)組組合的聯(lián)合優(yōu)化方法
分步優(yōu)化方法簡(jiǎn)易快速，不過(guò)，由于機(jī)組啟停
狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配二者相互依存，分步優(yōu)化方法
對(duì)二者進(jìn)行了簡(jiǎn)單解耦優(yōu)化，可能不能獲得最佳的
優(yōu)化效果。為了精細(xì)化制定日前發(fā)電調(diào)度機(jī)組組
合，本文提出聯(lián)合優(yōu)化方法。
2．1 目標(biāo)函數(shù)
以降低系統(tǒng)煤耗為目標(biāo)，并考慮啟動(dòng)煤耗，建
立日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度的機(jī)組組合模型，通過(guò)求解較
完備的機(jī)組組合模型實(shí)現(xiàn)確定機(jī)組啟停狀態(tài)和經(jīng)
濟(jì)負(fù)荷分配的聯(lián)合優(yōu)化。
丁 J
min F(U ，P )一Σ Σ[ · (P )+
t= l i一1
U (1一U 1)SC ] (7)
2．2 約束條件
啟停變量約束
U 一0或1 (8)
功率平衡約束
J
ΣU P 一P 一0 (9)
2— 1
機(jī)組功率約束
己， P ，? ≤ P ≤ P ，?U
最小啟停時(shí)間約束
( ， 1一“ )(T l— TO“)≥ 0
(10)
(11)
· 124 · 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào) 第23卷
(M ——“ 1)(一T ， ——1 “)≥ 0 (12)
機(jī)組爬坡速度約束
U P 一U
， P ≤ PuP (13)
U
， 1 P
， 1一U P ≤ P ? (14)
負(fù)荷備用約束
f
ΣU P? ≥P +R (15)
i= l
直流潮流約束
一
? ≤Σs P ≤P (16)
J= 1
式(7)～ (16)中：i為機(jī)組號(hào)(i一1，2，? ，D，
為所有機(jī)組總數(shù)；U 為機(jī)組i在t時(shí)段運(yùn)行狀態(tài)，
U 一1運(yùn)行，U ===0停機(jī)；SC 為機(jī)組i的啟動(dòng)煤
耗，為停機(jī)時(shí)間的函數(shù)。 “、丁。ff分別為機(jī)組i允許
最小連續(xù)停機(jī)時(shí)間和允許最小連續(xù)開(kāi)機(jī)時(shí)間；R
為t時(shí)段系統(tǒng)備用需求。
2．3 求解算法
上述建立的聯(lián)合優(yōu)化模型是復(fù)雜多約束的機(jī)
組組合模型。本文采用啟發(fā)式動(dòng)態(tài)規(guī)劃結(jié)合等微增
率法的混合優(yōu)化算法求解模型(7)，整個(gè)算法流程
如圖1所示。
采用優(yōu)先次序方法，
形成T時(shí)段機(jī)組組合狀態(tài)集
I
考慮時(shí)段 司的約束條件進(jìn)行可能狀態(tài)轉(zhuǎn)移的判斷I
I
對(duì)每種可轉(zhuǎn)移狀態(tài)，應(yīng)用等微增率進(jìn)行經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配
I
求取各時(shí)段機(jī)組狀態(tài)變量最優(yōu)轉(zhuǎn)移路徑
I
逆推求得最佳轉(zhuǎn)移路徑，各時(shí)段機(jī)組的啟停狀態(tài)和
最優(yōu)出力分配及時(shí)段間的啟停煤耗
●
輸出優(yōu)化結(jié)果
圖1 聯(lián)合優(yōu)化算法流程
Fig．1 Algorithm of joint optimization
1)確定各時(shí)段可能的啟停狀態(tài)組合
首先，根據(jù)每個(gè)時(shí)段的負(fù)荷需求，按上述確定
的機(jī)組發(fā)電優(yōu)先順序排序確定每個(gè)時(shí)段的邊際機(jī)
組。然后，在邊際機(jī)組上下范圍內(nèi)適當(dāng)增加或減少
機(jī)組數(shù)目，同時(shí)滿(mǎn)足系統(tǒng)的備用需求，形成每個(gè)時(shí)
段可能的機(jī)組組合狀態(tài)空間集。
2)最優(yōu)路徑轉(zhuǎn)移策略
最優(yōu)路徑轉(zhuǎn)移策略流程如圖2。
f時(shí)段第腫狀態(tài)組合
t-1時(shí)段第腫狀態(tài)組合
根據(jù)啟停次數(shù)、最小啟停時(shí)間L_J
± ． 1不可行
約束判斷f狀態(tài)轉(zhuǎn)移到f狀態(tài) l
可行
考慮爬坡約束修正機(jī)組最大和最小功率應(yīng)用等
微增率法，在滿(mǎn)足機(jī)組功率約束及其該時(shí)段負(fù)荷
條件下，求解獻(xiàn)態(tài)的負(fù)荷分配
選擇最小轉(zhuǎn)移費(fèi)用旃定塒段第腫狀態(tài)對(duì)應(yīng)
t-1時(shí)段最佳轉(zhuǎn)移路徑和讞態(tài)下機(jī)組功率分配
Y
圖2 最優(yōu)路徑轉(zhuǎn)移策略
Fig．2 Strategy of optimal shift path
3 算例分析
采用某電網(wǎng)中10臺(tái)火電機(jī)組數(shù)據(jù)，分別采用
分步優(yōu)化和聯(lián)合優(yōu)化兩種方法進(jìn)行日前24時(shí)段節(jié)
能發(fā)電調(diào)度機(jī)組組合模擬分析。為簡(jiǎn)化分析，暫不
考慮電網(wǎng)安全約束。Et前24時(shí)段負(fù)荷預(yù)測(cè)見(jiàn)圖3。
時(shí)段數(shù)目
圖3 日前24時(shí)段負(fù)荷預(yù)測(cè)
Fig．3 Load forecast of day— ahead 24 periods
每個(gè)時(shí)段系統(tǒng)的備用需求取為該時(shí)段負(fù)荷的
10 。本文算例根據(jù)機(jī)組出力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的煤耗值(已
折算為標(biāo)準(zhǔn)煤)，采用二次曲線(xiàn)擬合機(jī)組煤耗特性
曲線(xiàn)，具體參數(shù)見(jiàn)表1，表中a、b、C分別為擬合二次
曲線(xiàn)的二次項(xiàng)、一次項(xiàng)和常數(shù)項(xiàng)系數(shù)。
表1 二次曲線(xiàn)擬合的煤耗參數(shù)
Tab．1 Coal consumption parameters using conicfitting
機(jī)組機(jī)組容量 a／ b／ c／ 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)煤
序號(hào) (MW) (g(kW2·h)1)(g(kW2·h)。1) (g·lr1)耗水平／(g(kW ．h)。1)
1 600 0．129 54 163．54 34 57O 301
2 500 0．02 270 20 000 302．5
3 350 0．016 01 5 285．6 8 453 9 311．42
4 300 0．13O 74 232．22 16 007 339
5 250 0．027 867 3O7．03 3 833 3 348．61
6 220 0 022 l8 294．65 5 273．4 339
7 200 0 026 66 303 5 173．3 350
8 125 0．1 95 69 287 88 4 975．4 358
9 1O0 0．524 264 6 840 375
10 50 0．05 379．75 1 732．5 398．34
第2期 謝國(guó)輝等：火電機(jī)組日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度機(jī)組組合 · 125 ·
3．1 分步優(yōu)化模擬分析
(1)機(jī)組優(yōu)先發(fā)電順序
根據(jù)機(jī)組的設(shè)計(jì)煤耗水平進(jìn)行排序，4號(hào)機(jī)組
和6號(hào)機(jī)組的設(shè)計(jì)煤耗水平相同，由于4號(hào)機(jī)組尚
沒(méi)有裝脫硫設(shè)備，故考慮環(huán)保因素6號(hào)機(jī)組優(yōu)先順
序高于4號(hào)機(jī)組，那么最終確定的機(jī)組優(yōu)先發(fā)電順
序?yàn)椋?、2、3、6、4、5、7、8、9和10。
(2)優(yōu)化結(jié)果分析
分步優(yōu)化的機(jī)組組合情況見(jiàn)表2。
表2 分步優(yōu)化機(jī)組組合
Tab．2 Unit commitment by step optimization
3．2 聯(lián)合優(yōu)化模擬分析
(1)聯(lián)合優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 聯(lián)合優(yōu)化機(jī)組組合
Tab．3 Unit commitment by joint optimization
(2)與分布優(yōu)化對(duì)比分析
分步優(yōu)化與聯(lián)合優(yōu)化二者最明顯差異是3、6
號(hào)和5號(hào)機(jī)組，9號(hào)和1o號(hào)機(jī)組的啟停狀態(tài)上。3、6
號(hào)發(fā)電優(yōu)先順序都高于5號(hào)機(jī)組，故分步優(yōu)化方法
下3、6號(hào)機(jī)組全時(shí)段基本不停機(jī)；而聯(lián)合優(yōu)化方式
下5號(hào)機(jī)組全時(shí)段啟機(jī)運(yùn)行，相反3、6號(hào)機(jī)組停機(jī)
的時(shí)段則較多。雖然5號(hào)機(jī)組發(fā)電優(yōu)先順序較低，
但5號(hào)機(jī)組煤耗曲線(xiàn)的C值相比3、6號(hào)機(jī)組要小得
多，由于聯(lián)合優(yōu)化方法擴(kuò)展了機(jī)組啟停狀態(tài)的尋優(yōu)
空間，故權(quán)衡多方面因素后選擇5號(hào)機(jī)組是更優(yōu)結(jié)
果。9號(hào)和1O號(hào)機(jī)組情況與此類(lèi)似?？梢?jiàn)，分步優(yōu)化
方法能夠嚴(yán)格體現(xiàn)機(jī)組的發(fā)電優(yōu)先順序，而聯(lián)合優(yōu)
化方法則更體現(xiàn)了算法的尋優(yōu)能力。
進(jìn)一步對(duì)比兩種方法下每個(gè)時(shí)段的運(yùn)行煤耗。
根據(jù)經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配優(yōu)化得到的每臺(tái)機(jī)組在各個(gè)時(shí)
段的出力，計(jì)算各時(shí)段兩種方法運(yùn)行煤耗的差值，
正值表明分步優(yōu)化方法運(yùn)行煤耗高于聯(lián)合優(yōu)化方
法，如圖4所示。
々0
蓬
時(shí)間，h
圖4 兩種優(yōu)化方法各時(shí)段運(yùn)行煤耗差值
Fig．4 Period coal— consumption differences
by two optimal methods
由于每個(gè)時(shí)段機(jī)組的啟停狀態(tài)不同，故兩種
優(yōu)化方法下每個(gè)時(shí)段的運(yùn)行煤耗存在明顯差異。除
7、13和24三個(gè)時(shí)段外，聯(lián)合優(yōu)化方法每個(gè)時(shí)段的
運(yùn)行煤耗都低于分步優(yōu)化方法，從全時(shí)段運(yùn)行煤耗
來(lái)看，聯(lián)合優(yōu)化方法相比分步優(yōu)化方法減少標(biāo)準(zhǔn)煤
108 540 kg。計(jì)及啟動(dòng)煤耗后，聯(lián)合優(yōu)化總標(biāo)準(zhǔn)煤
耗量為13 428 750 kg，而分步優(yōu)化為13 530 450
kg，減小了101 700 kg?？梢?jiàn)，聯(lián)合優(yōu)化方法要優(yōu)于
分步優(yōu)化方法。
4 結(jié)語(yǔ)
本文提出了制定火電機(jī)組日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度
機(jī)組組合的兩種優(yōu)化方法。同一算例對(duì)比分析表
明，分步優(yōu)化方法嚴(yán)格遵循機(jī)組排序表，而聯(lián)合優(yōu)
化方法則更體現(xiàn)了算法的尋優(yōu)能力，故聯(lián)合優(yōu)化方
法的優(yōu)化效果更佳。其機(jī)組組合制定方案計(jì)及啟動(dòng)
煤耗后全天共節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤101 700 kg，節(jié)省近0．8
個(gè)百分點(diǎn)。不過(guò)，聯(lián)合優(yōu)化需要獲得較精確的煤耗
曲線(xiàn)，并且需要提高算法執(zhí)行效率從而提高計(jì)算速
度，這將做進(jìn)一步深入研究。
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