考慮交流潮流校正的日內滾動發電計劃模型與方法（電力）

                王鐵強¹，孫廣輝¹，曹欣¹，楊曉東¹，匡洪輝²，郭少青²

    （1河北省電力公司，河北石家莊050022;2．北京清大科越科技有限公司，北京  100084）

摘要：為了提高日內滾動發電計劃的計算效率和潮流計算精度，采用直流潮流建立日內滾動發電計劃優化模型．考慮基態和N-1故障方式下的網絡安全約束，從而高效求解滾動發電計劃；基于機組有功出力計劃，結合無功負荷預測和無功補償設備投切情況，建立以有功出力調整量最小為目標的交流潮流校正模型，對有功出力計劃進行修正，從而提高計劃潮流的準確性，滿足實時運行的精度要求?；�于實際電網的算例分析表明．該方法能夠有效提高優化計算效率和潮流準確度。

關鍵詞：發電計劃：經濟調度：日內滾動；交流潮流：網絡安全；安全校正；非線性規劃；并行計算    中圖分類號：TM732   DOI：10.11930/j．issn．1004-9649.2016.04.083.05

0引言

    由于負荷預測精度、天氣和事故等因素，電力系統的計劃運行方式與實際運行情況會有一定差別．日前發電計劃H1力水平與實際運行時的負荷水平也可能出現較大偏差。這種偏離計劃的非指導性的偏差將導致電能的不平衡，嚴重影響日前計劃的執行，不能簡單地依靠AGC機組調節來消除。作為與日前發電計劃的重要銜接環節，日內滾動發電計劃是消除這一不平衡量的有效手段。

    日內滾動發電計劃以動態滾動的時間窗口f通常為2h）為優化尺度，敏銳監視系統實時運行狀態與日前發電計劃偏差，及時修正母線負荷預測，及時更新電網拓撲結構，以安全、經濟、節能、公平的方式，對各個發電機組進行再調度，從而跟蹤系統負荷的變化。由此制定的滾動發電計劃將直接發送到各個電廠，控制機組運行，達到調節實施發電計劃的目的，實現了從日前到日內時序上的有機銜接和白適應滾動優化，有效減輕了調度員實時再調度的壓力。

    日內滾動發電計劃系統能夠根據檢修計劃、聯絡線交換計劃、負荷預測、網絡拓撲、機組發電能力等信息的日內變化，綜合考慮系統負荷平衡約束、電網安全約束和機組運行約束，采用數學優化算法，滾動修正日前發電計劃，以滿足新的系統負荷平衡。

    為滿足實際運行的安全要求，靜態安全校核與校正是日內滾動發電計劃制定過程中的重要環節。靜態安全校核和校正是指采用直流潮流或交流潮流對電力系統的潮流分布進行計算與分析，并在必要時對發電機組的出力水平進行調整，以使得發電計劃結果滿足基態和N-1故障情況下的潮流安全約束。交流潮流模型具有極強的非線性，相關算法不易收斂，較難對復雜約束進行建模，因此．目前國內外對發電計劃算法的研究與應用主要采用直流潮流模型。直流潮流具備線性計算的優勢，易于進行潮流安全約束建模，從而考慮靜態安全校核與校正。然而，直流潮流沒有考慮無功和網損，無法保證實時調度所要求的計算精度．導致其校核校正結果的可信度下降，為電力系統實時運行帶來風險。

    國內外學者在日內滾動發電計劃及提高發電計劃潮流計算精度方面開展了大量工作。

提出了涵蓋日前發電計劃、超前調度和經濟調度等不同時間尺度的火電機組有功調度方法。超前調度即根據最新的負荷、機組可用性、網絡結構、環保約束等，修正日前發電計劃曲線。

提出了能有效提高電網消納風電等新能源能力的滾動發電計劃編制策略，基于拉格朗日松弛算法框架提出了高效求解方法。設計了消納大規模風電的多時間尺度協調的有功調度系統。

以擴展短期負荷預測為基礎，滾動對日內剩余時段的發電計劃進行修正、刷新。結合日前

發電計劃曲線，根據日內短期和超短期負荷預測、檢修計劃及電網實時拓撲情況，利用長周期優化、短周期優化完成日內發電計劃。通過交直流混合迭代提高潮流與網損的計算精度。

提出的預報潮流自動生成方法能夠提高校核潮流的準確度。提出了以調整量最小為目標進

行潮流越限后出力校正的優化策略。則將協調平衡有功計劃數據失配量的有功子問題與求

解無功電壓分布的子問題進行解耦，提高了計劃交流潮流的可信度。針對大規模風電分析

并評述了增加額外旋轉備用、基于場景的隨機規劃、魯棒優化3種主要方法的特點及其優缺點，為適應大規模風電接入的發電計劃不確定性研究提供參考。也有文獻考慮風電功率波動特性的日前發電計劃模型。以上文獻雖然通過一些技術手段提高了計劃潮流的準確性，但并未將其應用于日內滾動計劃模塊當中。

    針對上述問題，本文提jJ考慮交流潮流校正的日內滾動發電計劃模型與方法。該方法采用直流潮流建立日內滾動發電計劃優化模型，考慮基態和N-1故障方式下的網絡安全約束，從而高效求解滾動發電計劃：然后，基于機組有功出力計劃．結合無功負荷預測和電容器投切情況，建立以有功出力調整量最小為目標的交流潮流校正模型．對有功出力計劃進行修正?；�于實際電網的算例分析表明本方法能夠有效提高日內滾動發電計劃的計算效率和潮流精度。

1  日內滾動發電計劃編制流程

日內滾動發電計劃的編制流程如圖1所示。

(1)實時監視電網數據。實時監視電網的負荷變化、拓撲結構、聯絡線變化等最新信息，結合運行人員預沒的滾動計算啟動門檻，根據系統實時負荷與日前計劃的偏差，自適應決策是否啟動滾動計算。系統拓撲發生變化和電網發生阻塞時和負荷偏差超過門檻值時均會啟動日內滾動計劃優化計算，消除阻塞和預測產生的偏差。負荷偏差的門檻值不建議設置的太大，具體值根據實際電網的規模和魯棒程度綜合考慮，門檻值也可以設置為0。(2)數據合理性檢驗。檢驗輸入數據的合理性．提前發現系統負荷無法平衡、機組出力與電量設置沖突、沒備參數錯誤等方面的問題。對于一般性問題，由算法按一定的規則進行處理后繼續：對于嚴重問題，給出提示由用戶進行調整。(3)直流發電計劃模型建立與求解。建立日內滾動發電計劃優化模型，考慮基態和N-1故障方式下的網絡安全約束，并進行高效求解，得到日內滾動發電計劃結果。(4)交流潮流校正模型建立與求解?；�于機組有功出力計劃，結合無功負荷預測和無功補償設備投切情況，建立以有功出力調整量最小為目標的交流潮流校正模型，對有功出力計劃進行修正，得到交流校正后的日內滾動發電計劃。(5)日內滾動發電計劃結果輸出與發布。輸出日內滾動發電計劃的計算結果，并將其作為調度指令，下達各個發電機組。

2直流發電計劃模型建立與求解

    采用直流潮流建立日內滾動發電計劃數學優化模型并通過有效約束添加技術實現高效求解。

2.1  數學模型

    日內滾動發電計劃的優化對象是機組出力在日前發電計劃基礎上的調整量。其曰標函數可選擇為發電煤耗最?。ü澞苷{度）、發電成本最?。ń洕�調度）或者與計劃發電量偏差最?。ㄈ�公凋度�?，約束條件主要包括負荷平衡、網絡安全、機組運行限制與實用化約束4類。

2.1.1  目標函數

經濟調度的目標函數為

(3)機組出力調整表達式為

(4)機組出力限制和爬坡約束為

2.2  有效約束添加技術

 在滾動發電計劃優化的數學模型巾．網絡安全約束規模非常龐大。若考慮基態下的安全約束，以500條線路、300臺變壓器的中等省級電網規模為例．8時段的基態安全約束有6 400條：若再考慮N-1安全約束，則將對問題的高效求解造成極大的困難、在電網實際運行巾，真正起作用的安全約束數量極少，沒有必要將所有約束都添加到模型當巾。岡此，本文采用有效約束添加技術。首先進行無約束計算，然后對基態和故障潮流進行掃描，如果有越限發生，再把相應的約束添加到模型當中重新計算。通過在迭代過程中不斷發現有效約束，逐步將有效約束添加到日內滾動發電計劃優化決策模型中，快速獲得最優解。

 簡單來說，安全約束的檢驗和校正的步驟為：(1)進行無約束發電計劃優化計算；(2)根據無約束優化結果計算潮流，掃描越限對象與越限時段，對其添加約束；(3)進行有約束發電計劃優化計算，淵整受約束機組的出力計劃；(4)重新計算潮流，再次掃描越限對象與越限時段．如有則添加約束返同(3)，如無跳至(5)；(5)進行N-1檢驗，掃描N-1場景下的越限對象與越限時段．對其添加約束；(6)進行N-1場景發電計劃優化計算，調整受約束機組的出力計劃；(7)重新進行N-1檢驗，如有越限則添加約束返回(6)，如無跳至(8);(8)結束計算，輸出結果。

3交流潮流校正模型建立與求解

采用直流潮流對日內滾動發電計劃進行建模優化，得到發電機組的日內滾動有功計劃。為考慮無功和網損對計劃潮流的影響．本節將采用最優潮流方法對日內滾動發電計劃進行交流潮流校正。為了盡量維持直流發電計劃模型所得到的結果，交流潮流校正模型以機組出力修正量最小為日標，結合無功負荷預測和無功補償設備投切情況，考慮節點有功、無功平衡，線路、斷面的潮流約束，逐時段對機組有功出力計劃進行修正。該模型中，機組無功出力參與優化，母線無功負荷采用超短期預測數據，無功補償設備的投切則采用滾動時間窗口前的實際數據．不進行優化，、

3.1  數學模型

交流潮流校正的目標函數是機組出力修正量最小，考慮節點有功平衡、節點無功平衡、線路潮流安全等約束條件。

3.1.1  目標函數

3.1.2約束條件

(1)節點有功、無功平衡條件為

 以上模型將在直流有功出力計劃的基礎卜．修正網損，得到交流可行解．進而提高計劃潮流的可信度和日內滾動發電計劃結果的可執行度。

3.2求解方法

根據不同的爬坡約束考慮方式．交流潮流校正的計算策略為：(1)精細化考慮時段間爬坡約束。由于交流潮流校正模型的相鄰時段之間存在爬坡約束的耦合，在精細化考慮時段間爬坡約束時，每個時段需要根據上一時段的交流校正結果和機組的爬坡速率修正當前時段的機組出力上下限。在該模式下，需要逐時段依次進行交流潮流校正的計算，上一時段的計算結果作為判定下一時段機組出力上下限的依據，實現爬坡約束的精細化考慮。(2)忽略交流潮流校正模型中的爬坡約束。爬坡約束已在直流發電計劃中進行了完善的考慮，并且交流潮流校正模型以機組有功出力的修正量最小為目標（機組出力的修正量往往低于2%），因此．在工程實用允許的誤差范圍內，并不需要在交流潮流校正模型中考慮爬坡約束，其計算結果也將在誤差范圍內滿足爬坡。在該模式下，可在交流潮流校正的建模與求解過程中采用并行計算技術，以提高計算效率。

4算例分析

采用中國北部某省級電網2012年11月某日的日內滾動發電計劃數據進行驗證與分析，數學優化求解器采用IBM ILOG CPLEX。該省2012年11月某日16:45 -18:30的超短期系統負荷預測與原日前系統負荷預測的偏差如圖2所示。為消除該負荷偏差，采用本文日內滾動發電計劃模型與方法進行優化，分別進行直流發電計劃的優化和交流潮流校正。

4.1  直流發電計劃優化

 采用有效約束添加技術大幅提高了直流發電計劃的計算效率，該8時段省級電網算例用時僅為2.31s。若直接添加所有安全約束，計算時間將超過60 s．難以滿足實時性要求。

  直流發電計劃模型中考慮了基態和N-1故障方式下的網絡安全約束。為測試算法有效性，所設定的斷面在指定線路開斷時的N-1校正效果如圖3所示?？梢姳疚姆椒ńo出了滿足網絡安全約束的直流日內滾動發電計劃結果。

4.2  交流潮流校正

 選取16:45．交流潮流校正前機組出力之和為19165.66 MW,校正后，機組出力之和為19 378.53MW,新增系統網損212.87 MW。最大機組出力修正量的絕對值為10.34 MW，相對比例為4.56%。為了平衡系統網損，機組出力之和上升1.11%；最大線路潮流誤差超過了10%，可見直流計劃潮流存在較大偏差，有必要采用本文方法進行交流校正．以滿足實時運行要求。

 圖4所示為一臺中等容量(300 MW)機組在交流潮流校正前后的有功出力曲線，8個時段平均出力上升比例為2.18%。交流潮流校正模型對機組有功出力進行了微量修正以平衡系統網損，同時優化機組無功出力以降低系統網損?；�于超短期預測和實際運行數據進行無功匹配，從而使得系統無功分布符合實際運行狀況。通過交流潮流校正模型的優化計算，得到滿足非線性交流潮流方程的計劃潮流解，避免了直流潮流模型所引入的誤差，大幅提高計劃潮流精度。

5結語

  本文針對日內滾動發電計劃提出了基于直流潮流的優化模型和基于交流潮流的校正方法。在直流優化模型中考慮基態和N-1故障方式下的網絡安全約束：通過交流潮流校正考慮無功和網損的影響，提高潮流計算精度?；�于中國北部某省級電網的算例分析表明本文方法能夠有效提高日內滾動發電計劃的計算效率和潮流精度。