采用0?1整數規劃模型實現的電力系統經濟調度方法與流程
本發明涉及一種解決風-蓄混合系統接入含有禁止區間的電力系統動態經濟調度問題的方法，尤其是一種描述風-蓄系統運行狀態和火電機組的可行區間選取的方法。
背景技術：
未來電力系統經濟調度中，可再生能源的利用將成為必然，根據我國的實際情況，風能是重點發展的可再生能源之一。風能所具有的隨機性和反調峰性很難保證供電的均衡和連續，因此在調度風電的同時，提出與其相對應的儲能解決方案，實現儲能與可再生能源的同步調度。
抽水蓄能是世界上應用最為普遍的物理儲能方法，能量轉化率高，廣泛應用于平抑風電出力，有學者基于隨機規劃理論建立了抽水蓄能平抑風電功率波動的經濟調度模型，最大限度地平滑入網風電；而又有學者建立風-蓄聯合系統的多目標優化模型，通過基于模糊優化的進化算法對功率平滑和經濟效益同時求解，使得風場效益得到提高。
上述經濟調度模型中，火電機組出力均設為理想模式，在其上下限的范圍內連續可調，為一個連續變量。但實際上由于火電廠組件的物理限制，某些發電機軸承振動可能在一些出力范圍內會放大，這對發電機的安全運行是非常不利的，因此需要避免發電機運行在這些區域，應該對這些機組設置禁止區間。禁止區間的加入使得經濟調度模型變為非凸模型，求解難度大。對此國內外學者采用的方法大多數智能算法來尋找全局最優解，有的將禁止區間的非線性規劃問題轉化為MIQP問題，具有計算量小的特點，有的利用半定規劃松弛策略建立了半定模型來解決含禁止區間的經濟調度問題，還有的采用大M方法來建 立MIQP模型，處理速度再次得到提高。
技術實現要素：
本發明目的在于提供一種采用0-1整數規劃模型實現的電力系統經濟調度方法，能夠清楚描述出風-蓄系統的運行狀態，還能夠快速有效地跳過火電機組出力的禁止區間，解決風-蓄系統接入含禁止區間電力系統的經濟調度問題；。
為實現上述目的，本發明所述方法的步驟如下：
步驟1，確定風-蓄系統機組的連接方案和運行狀態；
步驟2，建立含禁止區間的電力系統動態經濟調度模型；
步驟3，確立經濟調度的原則；
步驟4，分支定界法處理0-1整數規劃問題；
步驟5，用matlab軟件對算例進行仿真分析。
進一步的，所述步驟1的具體過程如下：
步驟1-1，確定風-蓄系統機組的連接方案；
火電機組直接與調度中心相連；抽水蓄能電站分別與上、下水庫連接，抽水蓄能電站可以間接儲存電能，在風能過剩時從下水庫抽水至上水庫，在風能缺乏時從上水庫放水至下水庫；風電場與抽水蓄能電站協調工作，兩者相連后再與調度中心相連；
步驟1-2，確定風-蓄系統機組的運行狀態；
在風-蓄協調的節能調度中，引入多個0-1整形優化變量反應抽水蓄能機組不同的運行狀態，蓄能電站有三種不同的運行狀態：
狀態1——放電狀態，定義其狀態變量為X(t)；
狀態2——充電狀態，定義其狀態變量為Y(t)；
狀態3——閑置狀態，定義其狀態變量為Z(t)；
X(t)或Y(t)或Z(t)取0時，表示蓄能機組不處在其對應的狀態特征上；X(t)或Y(t)或Z(t)取1時，則表示蓄能機組處在其對應的狀態特征上；由于在一個時刻內蓄能機組只能處于某一運行狀態，滿足關系：X(t)+Y(t)+Z(t)＝1。
進一步的，所述步驟2的具體過程如下：
步驟2-1，確定調度目標；
以火電機組燃煤成本最少為經濟調度目標，即
步驟2-2，對發電機組設置禁止區間；
由于常規機組收發電機組件物理限制，使得軸承振動放大，應該對經濟調度模型中的發電機組設置禁止區間；
假設火電機組i有k個禁止區間，則在t時刻其運行區間的約束如下：
式中：N為火電機組總數；T為協調調度的時間總數；ai、bi、ci為火電機組i的發電成本系數；Pi(t)為t時段火電機組i的有功出力；為火電機組i的第k段可行區間有功出力最小值，為火電機組i的第k段可行區間有功出力最大值；用or表示每個火電機組只能運行在其中一個可運行子區間；
步驟2-3，采用可行區間功率差的MIQP模型方法處理禁止區間；
考慮每個機組第一個可行區間與其他可行區間的功率差跳過禁止區間，將多余的變量淘汰，可使得變量和約束的數量降低，運行區間約束變為：
式中：Ui,j是一個布爾型變量；和分別為i機組的第一個可行區間與其他可行區間的上下功率差值；為火電機組i的第j+1段可行區間有功出力最小值，為火電機組i的第j+1段可行區間有功出力最大值；
步驟2-4，確定約束條件來實現電力系統的動態經濟調度；
功率平衡約束為常規機組與風-蓄系統共同承擔系統負荷，即
Pws(t)＝Pw(t)+X(t)Pg(t)-Y(t)Pp(t)
式中：Pws(t)為風-蓄系統t時段協調出力；Pw(t)為t時段風電入網的出力；Pd(t)為t時段的符合需求；Pg(t)和Pp(t)分別為蓄能機組在t時段放電功率和蓄能功率；
風電接入電網需要考慮安全接入量，風電接入上限約束如下：
Pw(t)≤μ(t)Pwn
式中：Pwn為風電裝機容量；μ(t)為風電并網上限系數，負荷處在不同的階段時μ(t)的取值不同；
爬坡率約束：
式中：URi和DRi分別為火電機組i的上下爬坡率；
由于風電和負荷具有隨機波動性，為了保證系統穩定運行，因此火電機組需要保留一定的備用容量來應對風電的不確定性；由于系統需要的備用容量是 連續可調的，所以含禁止區間電力系統的備用容量約束設置如下：
式中：SU(t)和SD(t)分別為t時刻系統總的上下旋轉備用預留值；
根據抽水蓄能電站的運行狀態，得出其容量約束滿足式(15)-(19)：
若X(t)＝1，則
若Y(t)＝1，則
若Z(t)＝1,則
式中：Eu(t)和Ed(t)分別為t時段上下水庫的容量；和分別為上下水庫容量的上下限；Δt為一個時間段的時長；ηg和ηp分別為儲能系統的發電效率和儲能效率；
蓄能系統運行功率約束：
式中：Pg,min、Pp,min和Pg,max、Pp,max分別為蓄能系統放電和蓄能功率的上下限。
進一步的，所述步驟3的具體過程如下：
步驟3-1，給定系統運行時段的劃分；
低谷時段：負荷率≤β+Δ的時段；
峰荷時段：負荷率≥1-Δ的時段；
腰荷時段：β+Δ＜負荷率＜1-Δ的時段；
式中：β為日最小負荷率；Δ為小于備用容量率的給定量；
步驟3-2，負荷等級劃分；
火電機組按“全部低谷時段加90％腰荷時段”容量運行；風儲系統按“10％腰荷時段加峰荷時段”容量恒定運行；每個時段負荷的大小將分為兩個等級：
等級一：低谷時段加90％腰荷時段之下→只需常規機組供電，風電出力全部用于儲能系統；
等級二：低谷時段加90％腰荷時段之上→需要常規機組和風儲系統協調供電。
進一步的，所述步驟4的具體過程如下：
0-1整數規劃問題很難像KKT條件那樣利用函數的梯度信息刻畫其最優性條件，而分支定界法能很好處理整數規劃問題；
具體步驟如下：
初始：對該MIQP問題中的0-1變量進行松弛處理，得到原問題一個下界；
分支：固定0-1變量，使其等于0或等于1得到兩個子問題；
定界：選擇一個子問題，對該子問題進行松弛處理；
剪枝：若子問題不可行或者子問題的下界等于或大于的已知可行解的目標函數值，停止對該子問題進行分支。
進一步的，所述步驟5的具體過程如下：
步驟5-1，確定算例以及其必要特征；
步驟5-2，采用matlab軟件編寫BNB20函數對算例進行仿真分析。
與現有技術相比，本發明方法具有如下優點：
1、通過最小日負荷率和備用容量率對給定的負荷等級進行劃分，確定抽水蓄能電站的運行狀態；
2、能夠清楚描述出風-蓄系統的運行狀態，還能夠快速有效地跳過火電機組出力的禁止區間，解決風-蓄系統接入含禁止區間電力系統的經濟調度問題；
3、設置含有禁止區間的備用容量約束，采用matlab編寫BNB20函數對算例進行仿真研究，來研究禁止區間和備用容量對經濟調度的影響，仿真結果證明該方法行之有效。
附圖說明
圖1本發明方法的風-蓄系統接入電力系統連接方案圖示意圖。
圖2本發明方法的基于可行區間功率差示意圖。
圖3本發明方法的日負荷曲線圖。
圖4本發明方法的調度流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明：
結合圖4，本發明所述具體步驟如下：
(1)確定風-蓄系統機組的連接方案和運行狀態；
(1-1)確定風-蓄系統機組的連接方案
火電機組直接與調度中心相連，抽水蓄能電站可以間接儲存電能，在風能 過剩時抽水至上水庫，在風能缺乏時放水至下水庫，風電場與抽水蓄能電站協調工作，兩者相連接再與調度中心相連，如附圖1所示；
(1-2)風-蓄系統機組的運行狀態
在風-蓄協調的節能調度中，引入多個0-1整形優化變量反應抽水蓄能機組不同的運行狀態，蓄能電站有三種不同的運行狀態：
1)放電狀態，定義其狀態變量為X(t)
2)充電狀態，定義其狀態變量為Y(t)
3)閑置狀態，定義其狀態變量為Z(t)
X(t)、Y(t)、Z(t)取0時，表示蓄能機組不處在其對應的狀態特征上；X(t)、Y(t)、Z(t)取1時，則表示蓄能機組處在其對應的狀態特征上。由于在一個時刻內蓄能機組只能處于某一運行狀態，因此滿足關系：
X(t)+Y(t)+Z(t)＝1
(2)建立含禁止區間的電力系統動態經濟調度模型；
(2-1)確定調度目標
由于節能調度中通常認為風-蓄系統沒有成本，所以本文以火電機組燃煤成本最少為經濟調度目標，即
(2-2)對發電機組設置禁止區間
由于常規機組收發電機組件物理限制，使得軸承振動放大，應該對經濟調度模型中的發電機組設置禁止區間；
假設火電機組i有k個禁止區間，則在t時刻其運行區間的約束如下：
式中：N為火電機組總數；T為協調調度的時間總數；ai、bi、ci為火電機組i的發電成本系數；Pi(t)為t時段火電機組i的有功出力；為火電機組i的第k段可行區間有功出力最小值，為火電機組i的第k段可行區間有功出力最大值；用or表示每個火電機組只能運行在其中一個可運行子區間；
(2-3)采用可行區間功率差的MIQP模型方法處理禁止區間
禁止區間的存在使得該模型變成離散模型，首先需要找到各個發電機組運行的最優子區間，然后在該區間找到該機組最優出力，求解難度大，因此要對禁止區間處理；采用可行區間功率差的MIQP模型的方法，考慮每個機組第一個可行區間與其他可行區間的功率差跳過禁止區間，將多余的變量淘汰，可使得變量和約束的數量降低，能夠很好處理禁止區間問題，運行區間約束變為：
式中：Ui,j是一個布爾型變量；和分別為i機組的第一個可行區間與其他可行區間的上下功率差值，如附圖2所示；
(2-4)為了實現電力系統的動態經濟調度還需確定幾種約束
功率平衡約束為常規機組與風-蓄系統共同承擔系統負荷，即
Pws(t)＝Pw(t)+X(t)Pg(t)-Y(t)Pp(t)
式中：Pws(t)為風-蓄系統t時段協調出力；Pw(t)為t時段風電入網的出力；Pd(t)為t時段的符合需求；Pg(t)和Pp(t)分別為蓄能機組在t時段放電功率和蓄能功率。
風電接入電網需要考慮安全接入量，風電接入上限約束如下：
Pw(t)≤μ(t)Pwn
式中：Pwn為風電裝機容量；μ(t)為風電并網上限系數，負荷處在不同的階段時μ(t)的取值不同。
爬坡率約束：
式中：URi和DRi分別為火電機組i的上下爬坡率；
由于風電和負荷具有隨機波動性，為了保證系統穩定運行，因此火電機組需要保留一定的備用容量來應對風電的不確定性。由于系統需要的備用容量是連續可調的，所以含禁止區間電力系統的備用容量約束設置如下：
式中：SU(t)和SD(t)分別為t時刻系統總的上下旋轉備用預留值。
根據抽水蓄能電站的運行狀態，得出其容量約束滿足下式：
若X(t)＝1，則
若Y(t)＝1，則
若Z(t)＝1,則
式中：Eu(t)和Ed(t)分別為t時段上下水庫的容量；和分別為上下水庫容量的上下限；Δt為一個時間段的時長；ηg和ηp分別為儲能系統的發電效率和儲能效率。
蓄能系統運行功率約束：
式中：Pg,min、Pp,min和Pg,max、Pp,max分別為蓄能系統放電和蓄能功率的上下限。
(3)確立經濟調度的原則；
(3-1)給定系統運行時段的劃分
抽水蓄能電站在風能過多的時候利用風能將下水庫的水抽到上水庫儲能，在風能短缺時將上水庫的水釋放發電，并不消耗火電，因此風-蓄-火3者的聯合經濟調度可分解為2個子問題分別進行優化求解，首先調度中心進行風電出力和負荷需求預測，然后對給定系統運行時段的劃分：
低谷時段：負荷率≤β+Δ的時段；
峰荷時段：負荷率≥1-Δ的時段；
腰荷時段：β+Δ＜負荷率＜1-Δ的時段。
式中：β為日最小負荷率；Δ為小于備用容量率的給定量。
(3-2)負荷等級劃分
火電機組按“全部低谷時段加90％腰荷時段”容量運行；風儲系統按“10％腰荷時段加峰荷時段”容量恒定運行；每個時段負荷的大小將分為兩個等級：
等級一：低谷時段加90％腰荷時段之下→只需常規機組供電，風電出力全部用于儲能系統。
等級二：低谷時段加90％腰荷時段之上→需要常規機組和風儲系統協調供電。
(4)采用分支定界法處理整數規劃問題；
0-1整數規劃問題很難像KKT條件那樣利用函數的梯度信息刻畫其最優性條件，而分支定界法能很好處理整數規劃問題。
具體步驟如下：
初始：對該MIQP問題中的0-1變量進行松弛處理，得到原問題一個下界；
分支：固定0-1變量，使其等于0或等于1得到兩個子問題
定界：選擇一個子問題，對該子問題進行松弛處理；
剪枝：若子問題不可行或者子問題的下界等于或大于的已知可行解的目標函數值，停止對該子問題進行分支。
(5)用matlab軟件對算例進行仿真分析；
(5-1)確定算例以及其必要特征；
選取6火電機組、1風場和1抽水蓄能電站作為算例，每個火電機組有2個 禁止區間；風電裝機總容量為100MW,設負荷處在腰荷時段風電并網上限為50％，負荷處在峰荷時段風電并網上限為70％；抽水蓄能機組的額定抽發容量為400MW，抽水效率與發電效率均為0.9；對常規機組的備用容量分別取10％，7％，5％；典型日負荷曲線如附圖3所示，日最大負荷為1259MW。
(5-2)采用matlab軟件編寫BNB20函數對算例進行仿真分析
通過仿真可知該模型能清楚描述出風-蓄系統的運行狀態，還能夠快速有效地跳過火電機組出力的禁止區間。
以上所述的實施算例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案做出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護范圍內。
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