电力系统超前调度理论与算法研究

论文摘要

随着电网规模的扩大,市场竞争机制的引入,用户对供电可靠性要求的提高以及环境保护与能源问题的日益突出,电力系统的超前调度理论与算法面临着新的挑战。这其中,旋转备用的配置问题因与系统运行的可靠性、经济性紧密关联而成为研究的焦点。对于超前调度来说,较多的旋转备用意味着较高的供电可靠性,但这必然会使系统的供电经济性受到影响,反之亦然。此外,对于相同的备用容量,分布在不同的机组上其效果也是不同的。以往研究中,旋转备用所采用的确定性配置方法,虽然容易理解且实现简单,却无法量化备用配置与系统运行可靠性间的对应关系,难以找到备用产生的根源,从而造成备用配置不当、责任归属不明的后果,无法适应电力工业市场化改革的需要。而随机性、波动性更强的间歇式可再生电源在电力系统的应用激化了系统运行可靠性与经济性间的矛盾。因此,在当前形势下,以超前调度为线索,以旋转备用配置为焦点,对电力系统运行可靠性与经济性间的协调问题进行探讨,进行适应电力系统运行趋势变化、符合市场机制操作的超前调度模型和方法的研究是迫切而又具有重要的理论与实践意义的。在上述背景下,本文围绕超前调度及其旋转备用配置问题,在回顾研究历程、总结存在问题的基础上,以经济原则为导向,以优化数学为工具,对其进行深入、细致地研究,其主要工作和创新性成果体现如下。（1）针对确定性备用配置方法的不足,提出了基于等响应风险约束的超前调度方法。该方法以概率性手段进行超前调度的旋转备用配置,可以将系统的响应风险维持在给定水平;以电力不足期望（Expected Demand NotSupplied,EDNS）指标表征系统的响应风险,通过引入{0,1}变量对EDNS表达的适当变化使其限值可以作为约束并入超前调度模型,形成{0,1}混合整数优化问题,实现了调度与响应风险评估的统一;通过引入针对整数变量的附加约束,将{0,1}混合整数优化问题转变为连续变量的非线性优化问题,并利用内点法进行求解,加快了模型的求解速度。（2）针对基于等响应风险约束超前调度方法中系统响应风险水平的选择问题,提出了计及用户停电损失的超前调度方法。该方法通过用户停电损失评价率（Interrupted Energy Assessment Rate,IEAR）指标和系统的电量不足期望（Expected Energy Not Supplied,EENS）指标将调度所对应的用户停电损失期望（Expected Customer Interruption Cost,ECOST）体现于目标函数中,在寻求扩展目标函数最小的同时刚好确定系统需维持的响应风险水平及备用配置方案;延续了基于等响应风险约束超前调度中对响应风险指标的解析化处理方法,构建模型形成{0,1}混合整数优化问题;将超前调度物理模型上的解耦方法与算法上的分解计算方法相结合,成功地求解了由混合整数优化问题转化而成的二次优化问题,提高了模型的计算效率。（3）在计及用户停电损失超前调度方法的单母线模型的基础上提出了计及网络安全约束及用户停电损失的超前调度方法。该方法将网络安全约束纳入到计及用户停电损失的超前调度模型中,同时考虑了时间耦合约束、空间关联约束以及状态耦合约束,使调度在概率、安全与时间耦联上有机结合,更加符合电力系统的运行实际;模型中将事故后机组的输出功率以及切负荷功率作为独立变量进行决策,旋转备用配置由事故前后机组输出功率的最大调整量确定,蕴含信息更加全面;在采用原-对偶内点法进行求解时,通过将耦合变量与非耦合变量的分离,构建了KKT条件牛顿修正方程的快速求解方法,使内点法的迭代效率提高,从而加快了模型的求解速度,增强了模型的可行性。（4）在深入分析温室气体配额-交易排放控制策略的基础上提出了温室气体配额-交易框架下的超前调度方法。该方法在超前调度中计及了发电过程所伴随的温室气体排放问题,能够适应当前电力系统节能减排工作的需要;充分利用燃料市场与排放配额交易市场的价格信息,导出了温室气体排放影响因子,对机组的发电成本曲线进行修正;方法实现简单,无需增加任何附加约束,仅需在调度目标中引入环境影响因子即可完成,故对以往超前调度算法具有很好的继承性。总之,本文工作在继承前人成果的基础上,在优化模型和算法上、风险与经济的折中上、可靠性与决策的关联上,对电力系统超前调度的研究取得一定的进展。尽管如此,面对当今复杂电力系统,如何研究电力系统运行中各元件的概率规律、经济规律,以及能源开发应用的策略,使本文的研究能在实际中得以实现,都需要进一步深入地开展工作。

论文目录

• 目录
• CONTENTS
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 课题研究现状回顾与评述
• 1.2.1 垄断模式下有功调度发展回顾及超前调度理念的提出
• 1.2.2 市场化改革对超前调度的影响及旋转备用服务
• 1.2.3 碳排放权配额交易框架下的超前调度
• 1.3 目前研究所存在的问题
• 1.4 本文的主要工作和成果
• 第2章 基于等响应风险约束的超前调度
• 2.1 引言
• 2.2 确定性备用配置准则下的超前调度
• 2.3 响应风险指标的解析化表达
• 2.4 问题的总体描述
• 2.5 模型的求解策略
• 2.6 算例分析
• 2.6.1 测试系统数据
• 2.6.2 算例1
• 2.6.3 算例2
• 2.6.4 算例3
• 2.6.5 计算效率
• 2.7 本章小结
• 第3章 计及用户停电损失的超前调度
• 3.1 引言
• 3.2 用户停电损失期望的估算方法
• 3.3 问题的总体描述
• 3.4 模型求解策略
• 3.5 算例分析
• 3.6 本章小结
• 第4章计 及网络安全约束及用户停电损失的超前调度
• 4.1 引言
• 4.2 问题的总体描述
• 4.3 求解方法
• 4.3.1 原问题扩展拉格朗日函数的KKT条件
• 4.3.2 KKT条件牛顿修正方程的分解解法
• 4.3.3 算法流程
• 4.4 算例分析
• 4.5 本章小结
• 4.6 对第2、3、4章模型的两点补充
• 4.6.1 模型中两个层面的问题
• 4.6.2 旋转备用责任的分摊问题
• 第5章 温室气体配额交易框架下的超前调度
• 5.1 引言
• 5.2 排放影响因子的导出
• 5.3 配额交易下的超前调度模型
• 5.4 算例分析
• 5.5 小结
• 第6章 结论与展望
• 附录A 解耦原-对偶内点法
• 附录B IEEE30节点系统数据
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表与录用的相关学术论文
• 攻读博士学位期间参与的课题研究与项目研发
• 学位论文评阅及答辩情况表
• 附件