电力系统调度管理第三章.ppt

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1、第三章 电力系统调度管理,华南理工大学电力学院,主要内容,2,主要内容,3,概述,目前用于电力系统优化调度问题的数学方法归纳起来共有四类：线性规划模型非线性规划模型动态规划模型混合整数规划模型,4,在电力系统中，实现系统安全经济运行对国民经济发展具有重大的意义，国内外电网都制定了严格的调度管理条例和规程。,概述,线性规划是研究在一组线性约束条件下，寻找目标函数的最大值或最小值的问题。该模型计算迅速、收敛可靠，便于处理各种约束，但缺点是优化的目标函数的精度低。非线性规划处理在等式约束和不等式约束条件下优化目标函数，其中等式约束、不等式约束或目标函数至少有一个为非线性函数。精度比较高，但计算量相对

2、较大，解算大规模问题时收敛特性不是很稳定。可进一步分为：一阶梯度法。包括简化梯度法、改进的简化梯度法微分注入法等。二阶梯度法。包括海森矩阵法、牛顿法、内点法等。,5,概述,动态规划法是解决多阶段决策过程最优化的一种数学方法。要求所求解的问题具有明确的阶段性。可以用来较好地求解动态优化调度问题。其缺点是对于机组数较多的电力系统计算量太大，必须采用近似方法加以简化。混合整数规划是变量中既有整数又有非整数的数学规划问题可分为线性混合整数规划和非线性混合整数规划。从理论上来说，能找到全局最优解。缺点是：方法使用比较复杂，不直观，对于实际系统，直接使用计算量太大，必须对问题进行分解。常用的方法有分枝定界

3、法、Benders分解法、广义Benders分解法等。,6,主要内容,7,3.1 电网调度管理的一般规定,下面以我国电网调度管理条例为例介绍电网调度管理的一般规定。电网调度管理条例经1993年6月29日中华人民共和国令第115号发布。该条例分总则、调度系统、调度计划、调度规则、奖励与处罚、并网与调度、附则8章33条，自1993年11月1日起施行。其主要内容包括：调度系统调度计划调度规则调度指令并网与调度,8,调度系统调度机构的职权及其调度管辖范围的划分原则，由国务院电力行政主管部门确定。调度机构直接调度的发电厂的划定原则，由国务院电力行政主管部门确定。调度系统包括各级调度机构和电网内的发电厂、

4、变电站的运行值班单位。下级调度机构必须服从上级调度机构的调度。调度机构调度管辖范围内的发电厂、变电站的运行值班单位，必须服从该级调度机构的调度。调度机构分为五级：国家调度机构，跨省、自治区、直辖市调度机构，省、自治区、直辖市级调度机构，省辖市级调度机构，县级调度机构。调度系统值班人员须经培训、考核并取得合格证书方得上岗。调度系统值班人员的培训、考核办法由国务院电力行政主管部门制定。,9,3.1 电网调度管理的一般规定,调度计划跨省电网管理部门和省级电网管理部门应当编制发电、供电计划，并将发电、供电计划报送国务院电力行政主管部门备案。调度机构应当编制下达发电、供电调度计划。值班调度人员可以按照有

5、关规定，根据电网运行情况，调整日发电、供电调度计划。值班调度人员调整日发电、供电调度计划时，必须填写调度值班日志。跨省电网管理部门和省级电网管理部门编制发电、供电计划，调度机构编制发电、供电调度计划时，应当根据国家下达的计划、有关的供电协议和并网协议、电网的设备能力，并留有备用容量。对具有综合效益的水电厂（站）的水库，应当根据批准的水电厂（站）的设计文件，并考虑防洪、灌溉、发电、环保、航运等要求，合理运用水库蓄水。跨省电网管理部门和省级电网管理部门需要调整发电、供电计划时，应当通知有关地方人民政府的有关部门。,10,3.1 电网调度管理的一般规定,调度规则调度机构必须执行国家下达的供电计划，不

6、得克扣电力、电量，并保证供电质量。发电厂必须按照调度机构下达的调度计划和规定的电压范围运行，并根据调度指令调整功率和电压。发电、供电设备的检修，应当服从调度机构的统一安排。出现紧急情况时，值班调度人员可以调整日发电、供电调度计划，发布限电、调整发电厂功率、开或者停发电机组等指令；可以向本电网内的发电厂、变电站的运行值班单位发布调度指令。,11,3.1 电网调度管理的一般规定,调度规则省级电网管理部门、省辖市级电网管理部门、县级电网管理部门应当根据本级人民政府的生产调度部门的要求、用户的特点和电网安全运行的需要，提出事故及超计划用电的限电序位表，经本级人民政府的生产调度部门审核，报本级人民政府批

7、准后，由调度机构执行。限电及整个电网调度工作应当逐步实现自动化管理。未经值班调度人员许可，任何人不得操作调度机构调度管辖范围内的设备。电网运行遇有危及人身及设备安全的情况时，发电厂、变电站的运行值班单位的值班人员可以按照有关规定处理，处理后应当立即报告有关调度机构的值班人员。,12,3.1 电网调度管理的一般规定,调度指令值班调度人员必须按照规定发布各种调度指令。在调度系统中，必须执行调度指令。调度系统的值班人员认为执行调度指令将危及人身及设备安全的，应当立即向发布指令的值班调度人员报告，由其决定调度指令的执行或者撤销。电网管理部门的负责人，调度机构的负责人以及发电厂、变电站的负责人，对上级调

8、度机构的值班人员发布的调度指令有不同意见时，可以向上级电网电力行政主管部门或者上级调度机构提出，但是在其未作出答复前，调度系统的值班人员必须按照上级调度机构的值班人员发布的调度指令执行。任何单位和个人不得违反条例规定干预调度系统的值班人员发布或者执行调度指令；调度系统的值班人员依法执行公务，有权拒绝各种非法干预。,13,3.1 电网调度管理的一般规定,并网与调度并网运行的发电厂或者电网，必须服从调度机构的统一调度。需要并网运行的发电厂与电网之间以及电网与电网之间，应当在 并网前根据平等互利、协商一致的原则签订并网协议并严格执行。,14,3.1 电网调度管理的一般规定,主要内容,15,3.2 优

9、化调度的数学模型,本章介绍的优化调度（机组组合）数学模型是纯火电系统的数学模型，该模型也能方便地推广到水火电混合系统。模型暂时只考虑发电燃料成本，忽略发电维护成本，约束条件包含系统的负荷约束、旋转备用约束和每台机组的技术条件约束即输出功率上下限约束、最小运行和停运时间约束、加减负荷速度约束、开机第1小时或停机前1小时的功率约束、能提供的最大旋转备用容量约束。认为所有发电厂和所有负荷均集中在同一节点，暂不考虑输电网络。,16,3.2.1 目标函数系统调度期间的时段数；系统机组数；机组i在t时的有功功率；机组i在t时的连续开停机时间，表示连续开机时间，表示连续停机时间；机组i在t时的状态，表示开机

10、，表示停机；机组i在t时的运行费用；机组i有状态变化时，从t-1时段到t时段的开机费用，可取线性函数的形式。,17,(3-1),3.2 优化调度的数学模型,3.2.2 系统约束负荷约束：,18,(3-2),式中 为系统t时的总负荷；,旋转备用约束：,(3-3),式中 为机组i在t时提供的旋转备用；为系统t时的旋转备用需求。,3.2 优化调度的数学模型,3.2.3 机组约束发电机组输出功率上下限约束：,19,(3-4),式中、分别表示发电机组i输出功率的上下限。,最小运行时间和最小停运时间约束：,(3-5),式中、分别为机组i最小运行与停运时间。,3.2 优化调度的数学模型,3.2.3 机组约束

11、机组加减负荷速度(ramp rate)约束：(8-5),20,(3-6),式中 表示机组i每时段可加减负荷的最大值。,机组开机第1小时或停机前1小时的功率约束：,(3-7),式中 为机组i所能提供的最大旋转备用。,机组旋转备用约束：,(3-8),3.2 优化调度的数学模型,主要内容,21,3.3 优化调度的拉格朗日松弛法,优化调度数学模型是高维数、非凸、离散、非线性的，可采用第五章介绍的拉格朗日松弛法来求解。拉格朗日松弛法的基本思想：把全系统的约束如负荷约束、旋转备用约束等写成目标函数的惩罚项的形式，即进行松弛。本节采用的拉格朗日松弛法的算法框架用次梯度法优化拉格朗日乘子，用动态规划法求解子问

12、题。拉格朗日松弛法不但能得到对应于系统负荷需求和旋转备用需求的影子价格，而且能避免决策变量很多时造成的“维数灾”问题。,22,3.3 优化调度的拉格朗日松弛法,对于式(3-1)(3-8)的数学模型，松弛系统约束式(3-2),(3-3)，形成原问题的拉格朗日问题：,23,(3-9),式中 为与系统t时负荷相关的拉格朗日乘子，为与系统t时旋转备用相关的拉格朗日乘子，写成向量形式,应用对偶理论，形成两层的优化算法。,3.3 优化调度的拉格朗日松弛法,底层问题用于解决单台机组的优化问题：,24,(3-10),约束条件为式(3-4)(3-8)。,解底层子问题时，需要用到上层所确定的、，底层问题可用动态规

13、划法求解。,、,3.3 优化调度的拉格朗日松弛法,上层问题为优化拉格朗日乘子，即解对偶问题：,25,(3-11),约束条件为：,(3-12),式中 为问题 对于给定、的优化拉格朗日函数值。,解对偶问题时需要用到底层所确定的,和,本节采用次梯度法求解对偶问题。,3.3 优化调度的拉格朗日松弛法,对任意给定的、，次梯度分别为:,26,(3-13),(3-14),次梯度法即给定、和正的步长序列，通过迭代计算序列：,对于,直到找到、的最优值。,3.3 优化调度的拉格朗日松弛法,迭代步长的选取将影响到算法的收敛性，本章算法选取迭代步长,27,(3-15),式中 是 的偏大的估计值，为保证，从0到2之间的

14、某个初值开始，迭代每进行一定的次数即减半，直到 足够小。,、即系统负荷和旋转备用的影子价格，在理想情况下，其最优值、应分别为系统负荷和旋转备用的边际成本。式(3-10)底层单台机组的子问题和式(3-11)的上层对偶问题将交替迭代求解，直到找出最优或次优的对偶解。,主要内容,28,3.4 最终调度方案的形成,如前所述，由于存在对偶间隙，对偶问题的最终解对于原问题来说往往是不可行的，即原问题被松弛的负荷约束和旋转备用约束不能被完全满足，需要采用启发式方法或优化方法从对偶解形成原问题的最终解。本章采用的方法分为两个阶段进行：首先从对偶问题的解形成能满足原问题 系统约束条件的开停机方案，既要考虑 可行

15、性，又要满足经济上的最优性。在求得的可行的开停机方案后，将它作 为已知条件，进行负荷经济分配，要考 虑旋转备用和机组加减负荷速度约束。优化过程的框图见图3-1。值得注意的是，本节介绍的方法也可单独作为机组组合和动态负荷经济分配算法。,29,3.4 最终调度方案的形成,形成可行的开停机方案定义系统每小时总容量需求为系统在这一小时的负荷与旋转备用之和。对于各机组，某一给定小时的有效旋转容量定义为该机组为满足这一小时系统总容量需求，该机组所能提供的有效容量。而某一小时未满足的系统容量需求为系统在这一小时的总容量需求减去该小时所有已开机组提供的有效旋转容量之和。若系统在调度期间内各小时未满足的系统容量

16、需求已知，则按相对运行经济指标的大小来确定下一台将投入的机组。如何定义相对运行经济指标是算法的关键问题。引入符号 表示第i台机组的开停机方案，而 表示全系统各台机组的开停机方案。以对偶解方案作为初始方案，即,30,将待选机组的下标的集合记为。,3.4 最终调度方案的形成,一、局部优化过程对 中的每一台机组，按下述规则确定一个临时开停机方案：在系统容量需求未满足的那些时段，只要机组约束条件允许，该机组就要投入，而整个调度期间内的开停机方案可用特殊的动态规划法或启发式方法确定。按第二章拉格朗日问题的经济模型，式(3-9)拉格朗日问题的目标函数可看成系统内发电厂的发电成本与分别以 和 的价格（即系统

17、边际成本）从外系统购买有功功率和备用的费用之和。,31,3.4 最终调度方案的形成,当待选机组投入后，由于系统发电容量增加，系统的发电成本增加，即 增加，而从外系统购买有功功率和备用的费用减少，即 减少，则机组的相对经济指标可定义为 显然 越小越经济。仍通过求解式(3-10)的子问题来确定单台机组的开停机方案。注意在新机组投入后系统的有功功率和备用的边际成本都是变化的，但由于原问题解和对偶解之间的对偶间隙常常很小，在计算时始终把 和 作为系统边际成本。,32,3.4 最终调度方案的形成,二、全局优化过程上述优化过程虽然能找到费用较少而且能满足系统容量需求的开停机方案，但仍然是一个局部优化的过程

18、，即在优化过程的每一步，都只考虑了当前相对经济指标 最小的机组，但当前 最小的机组对全局来说不一定是最优的。例如，在优化过程的某一步，最小的机组i只能提供比较小的有效旋转容量，设它的发电成本增量为，这台机组投入后，为满足系统容量需求，还需投入另一台发电成本增量为 机组j，使总的发电成本增量 较大，假如投入 较大但有效旋转容量较大的另一台机组k，这台机组投入后，系统容量需求即能满足，则发电成本增量只为该机组的发电成本增量，设为，由于往往，所以在优化过程的某一步 最小的机组并非全局最优的。,33,3.4 最终调度方案的形成,二、全局优化过程为了解决上述的这个问题，采用较为复杂的全局优化过程。全局优

19、化过程是在简单优化过程的基础上发展而成的。在优化过程的每一步，不是直接通过比较相对经济指标而选择机组，而是对 中的每一台机组，在确定临时开停机方案后，计算这台机组投入后的系统未满足的容量需求，然后进行上述局部优化过程，直到系统容量需求完全能够满足。,34,3.4 最终调度方案的形成,动态负荷经济分配在形成可行的开停机方案以后，就要确定各机组在调度期间各时段的输出功率，并分配旋转备用，还要考虑机组加减负荷速度约束，因此需采用考虑旋转备用的动态负荷经济分配算法。,35,主要内容,36,3.5 考虑旋转备用的负荷经济分配,3.5.1 考虑旋转备用的静态负荷经济分配首先不考虑机组加减负荷速度约束，在一

20、个时段内进行负荷经济分配，即静态负荷经济分配，但要考虑系统的旋转备用要求，忽略网损。数学模型如下：目标函数,37,(3-16),式中 表示机组i在所考虑时段的有功功率，其它各符号意义同式(3-1)。,约束条件,系统负荷约束,(3-17),式中 为系统在所考虑时段的总负荷；,3.5 考虑旋转备用的负荷经济分配,式中 为机组i在所考虑时段提供的旋转备用；为系统在所考虑时段的旋转备用需求。,38,(3-18),(3-19),机组输出功率上限约束,式中 为机组i输出功率的上限。,机组输出功率下限约束,(3-20),式中 为机组i输出功率的下限。,机组旋转备用约束,式中 为机组i所能提供的最大旋转备用。

21、,(3-21),系统旋转备用约束,3.5 考虑旋转备用的负荷经济分配,首先进行常规的负荷经济分配计算（即不考虑旋转备用的负荷经济分配计算），如按等煤耗微增率原则进行负荷经济分配。用 表示机组i所分担的有功功率。则所有机组可分为两类。输出功率相对容量较小的机组。这类机组所分担的有功功率相对其自身容量来说较小，设下标的集合为A，即,39,因此所提供的旋转备用。这类机组的输出功率可增加到转折点值（）而不影响旋转备用。因此对A中的所有机组，总共可增加输出功率 而不影响旋转备用。,3.5 考虑旋转备用的负荷经济分配,输出功率相对容量较大的机组。设这类机组的下标的集合为B，它们所分担的有功功率超过了转折点

22、值，即,40,因此所提供的旋转备用为,这类机组的输出功率可减小到转折点值（），从而提供更多的旋转备用。对 B中的所有机组，总共可以减小输出功率,从而增加同样多的旋转备用。,设两类机组提供的总旋转备用为，则从常规负荷经济分配计算的结果可得,设旋转备用缺额为，则,3.5 考虑旋转备用的负荷经济分配,计算结果可能有三种情况：（1）常规负荷经济分配能满足系统旋转备用需求，即，在这种 情况下常规负荷经济分配计算结果即问题的最优解。（2）系统旋转备用需求不能满足。即常规负荷经济分配不能满足旋转 备用需求，而且或者是第一类机组可增加的输出功率不能补足旋转备 用缺额，或者是第二类机组可减少的输出功率不能补足旋

23、转备用缺额。即。为满足系统负荷需求并且提供尽可能多的旋转备用，即使我们不 能完全满足旋转备用需求，也必须将B中机组的输出功率转移到A中 机组。转移的量为 和 中的较小值，在这种情况下设 然后按（3）中的方法进行计算。,41,3.5 考虑旋转备用的负荷经济分配,（3）系统旋转备用需求可通过将 的有功功率从B中的机组转移到A中的机组而获得。即。现在的问题是如何在机组间分配这些功率，可通过以下的方法解决。,42,第一步,在常规负荷经济分配计算结果的基础上在A中的机组间分配功率增量。通过以下的步骤完成。,不考虑B中的机组，只对A中的机组进行负荷经济分配。计算要分配的总负荷，即在A中机组常规负荷经济分配

24、的总负荷的 基础上加上 的负荷增量。3)设定新的机组输出功率上下限,4)用新的约束条件进行常规负荷经济分配,3.5 考虑旋转备用的负荷经济分配,第二步 在常规负荷经济分配计算结果的基础上对B中的机组减少总 输出功率。通过以下步骤完成。,43,1)不考虑A中的机组，只对B中的机组进行负荷经济分配。计算要分配的总负荷，即在B中机组常规负荷经济分配的总负荷的基 础上减去 的负荷。3)设定新的机组输出功率上下限，4)用新的约束条件进行常规负荷经济分配注意 因此最终结果满足系统负荷约束式(8-17)。,3.5 考虑旋转备用的负荷经济分配,3.5.2 考虑旋转备用的动态负荷经济分配以上静态负荷经济分配算法

25、考虑的是一个时段的负荷经济分配，要考虑整个调度期间内的负荷经济分配，最关键的是(3-6)式的机组加减负荷速度约束，它是各时段机组功率的耦合约束。整个调度期间的动态负荷经济分配数学模型如下。目标函数,44,(3-22),约束条件,系统负荷约束,(3-23),3.5 考虑旋转备用的负荷经济分配,45,(3-24),(3-25),机组输出功率上限约束,机组输出功率下限约束,(3-26),机组旋转备用约束,(3-27),旋转备用约束,机组加减负荷速度约束,(3-28),各符号意义同3.2节的数学模型。,3.5 考虑旋转备用的负荷经济分配,与式(3-16)(3-21)静态负荷经济分配的数学模型相比，可看出动态负荷经济分配就是在调度期间内各时段的静态负荷经济分配的基础上，增加了式(3-28)的机组加减负荷速度约束，因此考虑用某种方法解除式(3-28)所形成的各时段机组功率之间的耦合，就可分为T个静态负荷经济分配问题分别求解。一种简单的方法是去掉约束条件式(3-28)，而把式(3-25)和式(3-26)的约束条件分别用下面两式来代替。式中 为机组i在 时段负荷经济分配的功率。显然，这种方法只能得到次优解，根据实际问题的需要，可以采用更复杂和更精确的方法,46,(3-29),(3-30),