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火電機組日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度機組組合

文檔作者：謝國輝張粒子舒雋王家興文檔來源： 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		點擊數(shù)：	更新時間： 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)及其自動化學(xué)報
Proceedings of the CSU—EPSA
Vo1．23 NO．2
Apr． 2011
火電機組日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度機組組合
謝國輝 ，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：機組組合是制定日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度計劃的重要內(nèi)容，包括確定機組啟停狀態(tài)和經(jīng)濟負荷分配兩方面，
對此提出了制定火電機組組合的兩種實現(xiàn)方法—— 分步優(yōu)化和聯(lián)合優(yōu)化。前者基于機組排序表確定機組啟
停狀態(tài)后再進行經(jīng)濟負荷分配；后者直接建立以能耗最小為目標、考慮多種約束的日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度機組組
合模型，采用啟發(fā)式動態(tài)規(guī)劃結(jié)合等微增率的混合算法進行聯(lián)合優(yōu)化求解。實際算例對比分析表明，聯(lián)合優(yōu)
化方法是制定機組組合更為精確方法。
關(guān)鍵詞：機組組合；節(jié)能發(fā)電調(diào)度計劃；排序表；分步優(yōu)化；聯(lián)合優(yōu)化
中圖分類號：TM732 文獻標志碼：A 文章編號：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，以全電力
系統(tǒng)內(nèi)發(fā)、輸、供電設(shè)備為調(diào)度對象，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)用化石類發(fā)電資源，最大限度地減少
能源、資源消耗和污染物排放_】j。研究節(jié)能發(fā)電調(diào)
度日前機組組合優(yōu)化方法，是制定日前節(jié)能發(fā)電調(diào)
度計劃的關(guān)鍵問題。
目前，關(guān)于制定機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
針對傳統(tǒng)機組組合模型，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者已試
驗了大量的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，如：優(yōu)先次序法、動態(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。針對電力市場環(huán)境下機組組合方法研
究，文獻[5]提出了在電力市場機制下機組組合問
題的數(shù)學(xué)模型，并運用遺傳算法求解。文獻[6]提
出一種組合優(yōu)化方法解決電力市場環(huán)境下機組組
合問題；文獻[7]提出一種用于求解中期電力市場
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 謝國輝等：火電機組日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度機組組合 · 123 ·
機組組合問題啟發(fā)式方法。針對節(jié)能發(fā)電調(diào)度環(huán)
境，文獻[8]提出節(jié)能發(fā)電調(diào)度發(fā)電計劃的編制算
法，首先根據(jù)火電機組發(fā)電序位表確定機組開機方
法，然后采用等微增率方法進行功率分配。
上述研究是針對傳統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度和電力市場，目
前針對節(jié)能發(fā)電調(diào)度環(huán)境制定火電機組組合方法
的研究文獻較少。本文針對節(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組日前
節(jié)能發(fā)電調(diào)度機組組合方法。分步優(yōu)化方法基于機
組排序表確定機組的啟停狀態(tài)再進行經(jīng)濟負荷分
配；聯(lián)合優(yōu)化方法則直接建立以能耗最小為目標、
考慮多種約束的日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度機組組合模型，
再基于啟發(fā)式動態(tài)規(guī)劃結(jié)合等微增率的混合算法
求解。最后通過實例對兩類方法進行比對分析。
1 機組組合的分步優(yōu)化方法
1．1 機組啟停狀態(tài)確定
根據(jù)機組的排序表確定每臺機組發(fā)電的優(yōu)先
順序。機組排序表根據(jù)火電機組的設(shè)計標準煤耗水
平由低到高排序形成，設(shè)計煤耗相同時，按機組污
染物排放水平確定優(yōu)先順序。在機組發(fā)電優(yōu)先順序
基礎(chǔ)上確定機組啟停狀態(tài)，具體步驟如下：
1)根據(jù)機組優(yōu)先順序，滿足t時段負荷和備用
需求，確定機組t時段啟停狀態(tài)；
2)進行機組t一1時段啟停狀態(tài)向t時段狀態(tài)
轉(zhuǎn)移判斷i
3)若滿足機組啟停約束，轉(zhuǎn)入步驟4)；若不滿
足，進行t時段啟停狀態(tài)調(diào)整，然后轉(zhuǎn)入步驟4)l
4)t— t+1，如果t不大于總時段數(shù)T，轉(zhuǎn)入步
驟1)，確定機組t時段啟停狀態(tài)；反之停止，得到機
組全時段的啟停狀態(tài)。
1．2 經(jīng)濟負荷分配
在上述確定的機組啟停狀態(tài)基礎(chǔ)上，進行每臺
機組全時段經(jīng)濟負荷分配，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
機組功率約束
P ? ≤ P ≤ P ，?
機組爬坡速度約束
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為機組號( 一1，2，? ，J )，
為每個時段入圍機組數(shù)；f為時段號(f= 1，2，? ，
T)，T為時段數(shù)iP 為機組i在t時段的有功出力，
單位Mw；f (P )為機組i的煤耗特性曲線，可以
通過參數(shù)實測或配套的煤耗在線監(jiān)測設(shè)備實時獲
得。P 為第t時段的負荷；P??P? 分別為機組
i的最小和最大出力；PP 、P ? 分別為機組i的升
降出力速率lSⅢ 為第 節(jié)點注l入功率對第k條線
路潮流的靈敏度；P? 為第J節(jié)點的凈注入功率；
P 為第k條線路的穩(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
為線性約束，目標函數(shù)中的機組耗量特性曲線函數(shù)
可以近似用二次函數(shù)進行擬合，故本文采用二次規(guī)
劃算法求解模型(1)。
2 機組組合的聯(lián)合優(yōu)化方法
分步優(yōu)化方法簡易快速，不過，由于機組啟停
狀態(tài)和經(jīng)濟負荷分配二者相互依存，分步優(yōu)化方法
對二者進行了簡單解耦優(yōu)化，可能不能獲得最佳的
優(yōu)化效果。為了精細化制定日前發(fā)電調(diào)度機組組
合，本文提出聯(lián)合優(yōu)化方法。
2．1 目標函數(shù)
以降低系統(tǒng)煤耗為目標，并考慮啟動煤耗，建
立日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度的機組組合模型，通過求解較
完備的機組組合模型實現(xiàn)確定機組啟停狀態(tài)和經(jīng)
濟負荷分配的聯(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
機組功率約束
己， P ，? ≤ P ≤ P ，?U
最小啟停時間約束
( ， 1一“ )(T l— TO“)≥ 0
(10)
(11)
· 124 · 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報 第23卷
(M ——“ 1)(一T ， ——1 “)≥ 0 (12)
機組爬坡速度約束
U P 一U
， P ≤ PuP (13)
U
， 1 P
， 1一U P ≤ P ? (14)
負荷備用約束
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為機組號(i一1，2，? ，D，
為所有機組總數(shù)；U 為機組i在t時段運行狀態(tài)，
U 一1運行，U ===0停機；SC 為機組i的啟動煤
耗，為停機時間的函數(shù)。 “、丁。ff分別為機組i允許
最小連續(xù)停機時間和允許最小連續(xù)開機時間；R
為t時段系統(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
組組合模型。本文采用啟發(fā)式動態(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)，整個算法流程
如圖1所示。
采用優(yōu)先次序方法，
形成T時段機組組合狀態(tài)集
I
考慮時段 司的約束條件進行可能狀態(tài)轉(zhuǎn)移的判斷I
I
對每種可轉(zhuǎn)移狀態(tài)，應(yīng)用等微增率進行經(jīng)濟負荷分配
I
求取各時段機組狀態(tài)變量最優(yōu)轉(zhuǎn)移路徑
I
逆推求得最佳轉(zhuǎn)移路徑，各時段機組的啟停狀態(tài)和
最優(yōu)出力分配及時段間的啟停煤耗
●
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)確定各時段可能的啟停狀態(tài)組合
首先，根據(jù)每個時段的負荷需求，按上述確定
的機組發(fā)電優(yōu)先順序排序確定每個時段的邊際機
組。然后，在邊際機組上下范圍內(nèi)適當增加或減少
機組數(shù)目，同時滿足系統(tǒng)的備用需求，形成每個時
段可能的機組組合狀態(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時段第腫狀態(tài)組合
t-1時段第腫狀態(tài)組合
根據(jù)啟停次數(shù)、最小啟停時間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組最大和最小功率應(yīng)用等
微增率法，在滿足機組功率約束及其該時段負荷
條件下，求解獻態(tài)的負荷分配
選擇最小轉(zhuǎn)移費用旃定塒段第腫狀態(tài)對應(yīng)
t-1時段最佳轉(zhuǎn)移路徑和讞態(tài)下機組功率分配
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臺火電機組數(shù)據(jù)，分別采用
分步優(yōu)化和聯(lián)合優(yōu)化兩種方法進行日前24時段節(jié)
能發(fā)電調(diào)度機組組合模擬分析。為簡化分析，暫不
考慮電網(wǎng)安全約束。Et前24時段負荷預(yù)測見圖3。
時段數(shù)目
圖3 日前24時段負荷預(yù)測
Fig．3 Load forecast of day— ahead 24 periods
每個時段系統(tǒng)的備用需求取為該時段負荷的
10 。本文算例根據(jù)機組出力點對應(yīng)的煤耗值(已
折算為標準煤)，采用二次曲線擬合機組煤耗特性
曲線，具體參數(shù)見表1，表中a、b、C分別為擬合二次
曲線的二次項、一次項和常數(shù)項系數(shù)。
表1 二次曲線擬合的煤耗參數(shù)
Tab．1 Coal consumption parameters using conicfitting
機組機組容量 a／ b／ c／ 設(shè)計標準煤
序號 (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 謝國輝等：火電機組日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度機組組合 · 125 ·
3．1 分步優(yōu)化模擬分析
(1)機組優(yōu)先發(fā)電順序
根據(jù)機組的設(shè)計煤耗水平進行排序，4號機組
和6號機組的設(shè)計煤耗水平相同，由于4號機組尚
沒有裝脫硫設(shè)備，故考慮環(huán)保因素6號機組優(yōu)先順
序高于4號機組，那么最終確定的機組優(yōu)先發(fā)電順
序為：1、2、3、6、4、5、7、8、9和10。
(2)優(yōu)化結(jié)果分析
分步優(yōu)化的機組組合情況見表2。
表2 分步優(yōu)化機組組合
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)果見表3。
表3 聯(lián)合優(yōu)化機組組合
Tab．3 Unit commitment by joint optimization
(2)與分布優(yōu)化對比分析
分步優(yōu)化與聯(lián)合優(yōu)化二者最明顯差異是3、6
號和5號機組，9號和1o號機組的啟停狀態(tài)上。3、6
號發(fā)電優(yōu)先順序都高于5號機組，故分步優(yōu)化方法
下3、6號機組全時段基本不停機；而聯(lián)合優(yōu)化方式
下5號機組全時段啟機運行，相反3、6號機組停機
的時段則較多。雖然5號機組發(fā)電優(yōu)先順序較低，
但5號機組煤耗曲線的C值相比3、6號機組要小得
多，由于聯(lián)合優(yōu)化方法擴展了機組啟停狀態(tài)的尋優(yōu)
空間，故權(quán)衡多方面因素后選擇5號機組是更優(yōu)結(jié)
果。9號和1O號機組情況與此類似。可見，分步優(yōu)化
方法能夠嚴格體現(xiàn)機組的發(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。
進一步對比兩種方法下每個時段的運行煤耗。
根據(jù)經(jīng)濟負荷分配優(yōu)化得到的每臺機組在各個時
段的出力，計算各時段兩種方法運行煤耗的差值，
正值表明分步優(yōu)化方法運行煤耗高于聯(lián)合優(yōu)化方
法，如圖4所示。
々0
蓬
時間，h
圖4 兩種優(yōu)化方法各時段運行煤耗差值
Fig．4 Period coal— consumption differences
by two optimal methods
由于每個時段機組的啟停狀態(tài)不同，故兩種
優(yōu)化方法下每個時段的運行煤耗存在明顯差異。除
7、13和24三個時段外，聯(lián)合優(yōu)化方法每個時段的
運行煤耗都低于分步優(yōu)化方法，從全時段運行煤耗
來看，聯(lián)合優(yōu)化方法相比分步優(yōu)化方法減少標準煤
108 540 kg。計及啟動煤耗后，聯(lián)合優(yōu)化總標準煤
耗量為13 428 750 kg，而分步優(yōu)化為13 530 450
kg，減小了101 700 kg。可見，聯(lián)合優(yōu)化方法要優(yōu)于
分步優(yōu)化方法。
4 結(jié)語
本文提出了制定火電機組日前節(jié)能發(fā)電調(diào)度
機組組合的兩種優(yōu)化方法。同一算例對比分析表
明，分步優(yōu)化方法嚴格遵循機組排序表，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。其機組組合制定方案計及啟動
煤耗后全天共節(jié)省標準煤101 700 kg，節(jié)省近0．8
個百分點。不過，聯(lián)合優(yōu)化需要獲得較精確的煤耗
曲線，并且需要提高算法執(zhí)行效率從而提高計算速
度，這將做進一步深入研究。
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作者簡介：
謝國輝(1981一)，男，博士研究生，研究方向為電力市場、電
力系統(tǒng)分析。Email：xgh0168@163．com
張粒子(1963一)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電力市
場、電力系統(tǒng)分析相關(guān)理論及其應(yīng)用。Email：lzizhang@
public．bta．net．cn
舒雋(1974一)，男，副教授，研究方向為電力市場、電力系
統(tǒng)運行優(yōu)化。Email：junshu2000@sohu．com
王家興(1982一)，男，助理工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼
電保護。Emaii：wan西iaxing2[)()1@163．corn
(上接第109頁)
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學(xué)版(Journal of Yangtze University：Natural Science
Edition)，2008，5(4)：2O8—210．
作者簡介：
楊洪耕(1949一)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電能質(zhì)量
及其控制技術(shù)的教學(xué)和研究。Email：yangsi@ mail．sc．
cninfo．net
明嬌(1985一)，女，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)電
壓無功優(yōu)化控制。Email：mingjiao7088@ 163．com
代海波(1984一)，男，助理工程師，研究方向為電力系統(tǒng)電
壓無功優(yōu)化控制。Email：dreamdbl314@163．com

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