电力系统规划与可靠性-电源规划

1、 多类型新能源发电综合消纳的关键技术电力系统规划与可靠性电力系统规划与可靠性电源规划与电力电量平衡电源规划与电力电量平衡华北电力大学第一节第一节 概述概述一、电源结构 二、 各类发电站的特性 三、 电力电量平衡华北电力大学一、电源结构一、电源结构 电源结构就是指在电力系统中各种类型的电厂之间的发展比例。 电力系统电源电力系统电源凝汽式燃煤火电厂凝汽式燃煤火电厂热电热电厂厂水电水电厂厂常规电源常规电源新兴电源新兴电源抽水抽水蓄能水电站蓄能水电站地热地热潮汐电站潮汐电站风能风能核能电站核能电站华北电力大学影响电源结构的因素影响电源结构的因素 受各地区动力资源储量及开发条件等制约。 电力系统中电、热

2、负荷增长速度和分布情况对各种资源的开发有很大影响。 各种电源本身的技术经济指标的影响。 华北电力大学确定确定合理的电源结构的原则和做法合理的电源结构的原则和做法在确定电力系统电源结构时，应该遵循我国电力建设的有关方针政策，在以煤炭为基础的常规能源中，优先发展水电，核电积极起步和建设的方针。大力发展可再生能源。电源规划中，合理的选择各类电源的做法：电源规划中，合理的选择各类电源的做法： 根据负荷预测的结果，确定各规划水平年电力系统所需要的总装机容量； 根据规划区内动力资源情况和负荷分布情况、可能发展速度及增长需要，选择具备建主电厂条件的电厂厂址。 要优先确定下那些具有防洪、灌溉、航运等综合利用的

3、水利枢纽用来发电的容量，对于现有的有条件扩建的电厂，应在技术经济比较的基础上确定其合理的扩建规模；以及根据热负荷情况确定的热电厂的容量。华北电力大学合理合理确定各种电厂在系统工作中的地位确定各种电厂在系统工作中的地位由于各类电厂的工作特性不同，因而他们在日负荷曲线上所承担的任务也不同。我们将电源也对应的分为三类即承担基荷的电源、承担腰荷的电源以及承担峰荷的电源。 华北电力大学峰荷电源 腰荷电源（1）抽水蓄能水电 （6）不完全年调节水电（2）燃气输机组 （7）经济性较高的火电（3）日调节水电（4）多年调节水电（5）不经济火电（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（8）（9）（10）（1

4、1）P6121824t(h)0各类电源在负荷曲线中的各类电源在负荷曲线中的工作位置工作位置基荷电源（8）经济性较高的火电 （9）热电厂（10）核能电厂 （11）径流式水电华北电力大学二二 、各类发电站的特性、各类发电站的特性 按照发电站的工作状况，可以分为：基荷发电站：核电站、大型凝汽式电站、径流式水电站等；腰荷发电站：中型凝汽式电站，部分水电站；峰荷发电站：水电站、抽水蓄能电站、小型凝汽式电站、燃汽轮机电站等。华北电力大学1 1、火电站火电站火电站火电站背压式机组背压式机组抽压式机组抽压式机组凝气式火电站凝气式火电站（燃煤式火电站）（燃煤式火电站）供热式火电站供热式火电站（热电站）（热电站）

5、出力稳定、最小出力限制40-80%启动时长，出力调节慢跟踪速率1%-5%。额定容量是经济性好。尽可能承担稳定负荷，必要时可参与调峰，并可参与二次调频。无热负荷不发电，以热定电；主要向电力用户和工业企业低通低压蒸汽与凝汽式相似，中间可抽气1-2次，抽气量可调，不供热时与凝汽式运行特性一致。华北电力大学2. 2. 燃气轮机发电厂燃气轮机发电厂 主要设备有燃气轮机、燃烧室、发电机燃料喷嘴射泵、各种换热器和冷却装置。燃料与压缩空气在燃烧室内混合、燃烧，产生的高温高压燃气经燃气喷嘴变成告诉气流推动叶轮转动驱动发电机，做功后的燃气经烟囱排入大气。 设备简单、占地少、基建时间短、造价低；污染少，噪声轻。 燃

6、亮为液体或气体，价格高，因此发电成本高，电价高。 在无外电源的情况下可迅速冷态启动，一般2-2-分钟可满载并网，因此广泛用于承担电网高峰负荷和做事故备用。华北电力大学3 3、常规水电厂、常规水电厂1）坝式（见图3-1-5）坝后式水电站：厂房建在坝下游，不承受上游水压，高坝刘家峡、丰满河床式水电站：厂房成为挡水建筑的一部分，低坝获取水头富春江、葛洲坝图3-1-5 坝式水电站(a)坝式水电站 (b)河床式水电站1抬高后的水位；2原河；3坝；4厂房水力发电是利用天然水流的水能来生产电能，其发电功率与河流的落差及流量有关。根据开发河段的水文、地形、地质等自然条件，水电站可分为以下三类 u坝式水电站往往

7、形成较大的水库，因而能进行流量调节（径流调节）。发电出力能比较好地符合电力系统的要求u当不能形成径流调节所需的较大水库时，则只能按天然流量发电，称为径流式水电站。 华北电力大学图3-1-6 引水式水电站(a)无压引水式水电站 (b) 有压引水式水电站1引水道；2原河；3能坡线；4厂房2）引水式（见图3-1-6）无压引水式水电站：沿岸修筑坡降平缓的明渠或无压隧道来集中落差有压引水式水电站：用有压隧道或管道来集中落差引水式水电站不会形成水库，多为径流式水电站天生桥水电站位于广西隆林各族自治县原祥播乡、桠杈镇与贵州省安龙县德卧镇接壤处南盘江的雷公滩段峡谷上。华北电力大学图3-1-7 混合式水电站1坝

8、；2引水道；3厂房；4能坡线大部分混合式水电站可以进行径流调节。 河段ABC有落差HAC。BC段上不宜建坝，但落差HBC可以利用。狮子滩水电站位于重庆市长寿区长寿湖镇。建在新中国第一条梯级开发的河流-龙溪河，是我国第一个五年计划重点建设项目。由苏联支援建设。电站兴建于1954年,建成于1957年。第一台机组于1956年10月1日并网发电,电站原装有4台单机容量为12MW的水轮发电机组，设计年均发电量为2.06亿kWh。华北电力大学图3-1-7 混合式水电站1坝；2引水道；3厂房；4能坡线通常建在落差过大或淹没损失过多的河流，或技术经济不合适集中开发时采用。狮子滩水电站位于重庆市长寿区长寿湖镇。

9、建在新中国第一条梯级开发的河流-龙溪河，是我国第一个五年计划重点建设项目。由苏联支援建设。电站兴建于1954年,建成于1957年。第一台机组于1956年10月1日并网发电,电站原装有4台单机容量为12MW的水轮发电机组，设计年均发电量为2.06亿kWh。华北电力大学水电站的运行特性水电站的运行特性水电站最突出的运行特性是其出力和发电量随天然径流量的情况而变化。水电站有时还可能由于水头太低，使水轮发电机达不到其额定出力。 水电站的另一特点是启停机迅速方便。 水电站适合在电力系统担任调峰和调频任务。 水电站的运行费用几乎与生产的电量无关。 华北电力大学水电站水电站的容量的容量装机容量重复容量：水电

10、厂为了利用季节性电能，节省火点燃了二额外增加的装机容量，这部分容量只在丰水期发电，其余时间不能利用。不参与电力平衡。预想出力：由于水文条件限制某一时段的最大出力。受阻容量：额定-预想出力保证出力：枯水期的平均出力。强迫出力：由于下游用水量必须的最小出力。华北电力大学水电厂的运行方式水电厂的运行方式尽可能充分利用水资源。有调节能力的水电厂枯水期调峰，丰水期防止弃水，基荷；无调节能力：基荷；日调节：峰荷和腰荷；年调节：峰、腰、基荷；多年调节：基本上全年在峰荷工作。可以做二次调频和负荷备用。工作容量计算：qMAXqshuptjshgPPPPKP)1 ()(华北电力大学4 4、抽水蓄能、抽水蓄能电站电

11、站- -填谷调峰填谷调峰按其运行周期可以分为：日抽水蓄能：以日为运行周期；周抽水蓄能：以周为运行周期；季抽水蓄能：将汛期多余水量抽蓄到上水库里，供枯水期增加发电量。 01224( )150160170180190日抽水蓄能电站的工作情况华北电力大学抽水蓄能抽水蓄能电站特性电站特性唯一的填谷调峰电源唯一的填谷调峰电源 运行灵活、可靠，主要用来调峰填谷（全停到满载5min，抽满8min） 担任系统备用容量 担任系统调频任务 担任调相任务 使水电站更好地发挥综合利用效益 循环效率：抽水到发电的循环中，能量利用率0.7-0.75华北电力大学5 5、核电站核电站图3-1-8 核电站的构成1压水反应堆；2

12、堆芯；3控制棒传动装置；4一次回路；5冷却剂桌；6蒸汽发生器；7二次回路；8加压器；9反应堆安全壳；10高压气缸； 11低压气缸；12发电机；13脱水器；14冷却水；15冷凝器；16冷凝水泵；17给水加热器；18给水泵；19给水加热器；华北电力大学核电站的运行特性核电站的运行特性 核电站的主要优点是核燃料以少胜多 核电站需要连续地以额定功率运行，在电力系统中总是分担基荷。 可适度降低出力跟踪负荷调整出力。 在有核电站的电力系统中需要设置较大的发电机组备用容量，并要求有抽水蓄能机组进行调峰配合。 核电站在缺少能源且交通运输紧张的地区无疑具有广阔的发展前景。 节能、环保；检修时间长，年需停运15天

13、；检修时间30-40天。周期18月。 华北电力大学6.6.风力发电风力发电 风力发电机组是实现由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程的装置，风轮系统实现了从风能到机械能的能量转换，发电机和控制系统则实现了从机械能到电能的能量转换过程。 华北电力大学风力发电机的特性风力发电机的特性1、风电并网对电网安全稳定的影响：大规模风电接入可能影响电网的暂态稳定性暂态稳定性和频率稳定性。短路电流和频率稳定性。短路电流可能超过附近原有变电站的遮断容量。2、风电并网对电网电能质量的影响：风的随机性和波动性以及风电机组运行过程中受湍流、尾流和塔影效应影响，产生电压波动和闪变电压波动和闪变。变速风电机组带来

14、谐谐波波。3、风电并网对电网运行的影响：风电的间歇性和随机性，且出力多具有反调节反调节特性特性，由于目前不能有效预测，需要留有更多备用容量备用容量。4、风电并网对输电通道的影响：风电的年利用小时数较常规电场少，大部分时间输出功率远远低于额定容量低于额定容量，按额定容量设计投资大投资大。华北电力大学电网接纳风电能力问题电网接纳风电能力问题1、主要调峰、调频和调压；调峰问题突出影响接纳能力的因素： 电力系统的规模 负荷水平和负荷峰谷差； 非风电电源的总量和构成、调节特性和运行备用。 风电场自身特性，包括出力调节、出力概率、风电场分布、 风电场的预测性和观测性。2. 风电场的可信度 一般小与0.25

15、3. 风电场电量效益：全额收购，参与电力平衡。 华北电力大学3.3.电力电量平衡电力电量平衡1.电力系统备用容量 任何时候发电都要与负荷平衡。系统装机容量应等于系统最大发电负荷。考虑事故和负荷波动，装机容量必须大于最大发电负荷。 按照电力系统设计技术规定备用容量可按照最大发电负荷的15-20%考虑。低值大系统，高值小系统。备用容量分为负荷备用负荷备用、事故备用事故备用和检修备用检修备用。 负荷备用负荷备用称为调频备用，用来调节电力系统中短期负荷随机波动和负荷预测误差而设定的。一般取2%-5%。低值大系统，高值小系统。事故备用事故备用是指发电机组发生强迫停运时，在规定时间内启动，用来补偿系统发电

16、容量缺额，避免发生频率波动和失去稳定。一般取8-10%，低值大系统，高值小系统。不得小于系统最大一台发电机容量。检修备用检修备用是发电机组能够进行计划检修而设置的备用，它与系统年负荷曲线有关，与检修策略有关等很多因素有关。大修和小修。低负荷曲线处。不低于5%。热备用和冷备用： 负荷备用-热备用；事故备用一半热一半冷。检修-冷。 负荷备用要分布合理。优先考虑有调节能力的水电厂。 华北电力大学3.3.电力电量平衡电力电量平衡 事故备用在火电和水电之间分摊。径流式可作为自己电厂的备用。水电厂做备用必须考虑水电厂的分布、库容和送电线路能力。 负荷备用和检修备用必须用发电可靠性计算得出。 备用容量确定以

17、后，就可以加上系统的最大负荷得到系统装机容量。2.电力系统电力电量平衡 电源规划中包括电力、电量和调峰。电源规划必须先做的工作，可以从宏观上把握装机容量、系统备用率、发电设备利用小时数和调峰幅度等参数，进而确定电源结构。 枯水年：枯水年的电力平衡时系统装机确定的依据。 平水年：平水年电量预测是系统燃煤电厂的发电量确定依据。电量平衡 丰水年： 调峰容量确定。线路过载核算。 特枯水年：装机是否充足，电量平衡。电力平衡： )1 (max1PCNhhC:发电机装机N:发电厂个数P：系统最大负荷系统备用率。华北电力大学3.3.电力电量平衡电力电量平衡 电量平衡电量平衡： 各发电厂发电量电量盈亏燃煤电厂平

18、均利用小时数ssMkfkNjsjdEEE11燃煤电厂非燃煤电厂 调峰平衡调峰平衡：ssMkfkNjsjMAXfgCCPP11最大峰谷差日旋转备用率第二节电源规划中的随机生产模拟研究随机生产模拟问题的原因电源规划中的随机生产模拟问题，是对方案中的运行成本逐年进行详细优化计算的问题.规划期内存在不确定因素：非计划强迫停运、未来电力负荷的随机波动、水电厂来水.考虑这些因素影响的生产模拟就是随机生产模拟.通过随机生产模拟，可获得方案中各机组的期望生产电能、生产费用及电源可靠性指标，为电源规划的决策提供准确的反馈信息. 等效持续负荷曲线等效持续负荷曲线 在随机生产模拟技术的发展过程中，等效持续负荷曲线（

19、ELDC）将发电机组的随机停运和随机负荷模型巧妙的结合在一起，是随机生产模拟中最重要的概念。 等效持续负荷曲线是从一般的负荷曲线中发展而来的。持续负荷曲线持续负荷曲线t=F(x)(x,t)tL=LOLP TEENSxAXmaxB 横坐标表示系统的负荷 纵坐标表示持续时间 T为研究周期，根据具体情况可以是年、月、周等. 曲线上任何一点(x，t)表示系统负荷大于或等于x的持续时间为t.( )tF x( )( )/Pf xF xTm ax0()xtEFx d xmax0( )xXfx dx两端除以两端除以T T 两端除以两端除以T T 系统总电量系统总电量 系统负荷平均值系统负荷平均值 系统负荷大于

20、或等于系统负荷大于或等于x x的概率的概率持续负荷曲线持续负荷曲线 设系统在该期间投入运行的发电机组的总容量为Ct，系统负荷大于发电机组总容量的持续时间为： 相应的电力不足概率LOLP为： 在这种情况下，图中阴影部分的负荷电量不能满足要求，其面积就是电量不足期望值：LttF Ct=F(x)(x,t)tL=LOLP TEENSxAXmaxBLtLOLPtTf C maxmaxttxxCCEENSF x dxTf x dxCt和xmax的关系等效持续负荷曲线等效持续负荷曲线 考虑发电机组的随机故障因素 等效持续负荷曲线是把发电机组的随机故障影响当成等效负荷对原始持续负荷曲线不断修正的结果。当发电机

21、组故障时，系统的等效负荷就要增大。x(0)1()fxC(0)( )fx(1)( )fx等效持续负荷曲线的形成等效持续负荷曲线的形成x(0)1()fx C(0)( )fx(1)( )fx 是原始持续负荷曲线，表示系统中所有机组应承担的负荷。 设第一台发电机首先带负荷，其容量为C1，强迫停运率为q1 当这台发电机组处于运行状态时，它和其他发电机组应承担的负荷由 来表示 当发电机组1故障时， 表示的负荷应由除去发电机组1以外的其他机组承担 这就相当于发电机组1和其他发电机组共同承担了向右平移了C1的负荷曲线中的负荷 0fx 0fx 0fx01fxC 与 相比：最大负荷大了C1，负荷电量增加了 ，正好

22、等于发电机组1故障而少发的电量等效持续负荷曲线等效持续负荷曲线由于发电机组1的强迫停运率为 ，正常运行的概率为 ，所以考虑发电机组1的随机停运影响以后，系统的随机负荷曲线应由下式表示是发电机组1的随机停运与持续负荷曲线的卷积公式，其结果就是考虑该机组随机停运因素以后系统的等效持续负荷曲线。x(0)1()fxC(0)( )fx(1)( )fx 1fx1q111pq (1)(0)(0)111( )( )()fxp fxq fxCE 0fxLOLPEENSx()( )nfx(0)( )fx1m axCx1Cminx0等效持续负荷曲线等效持续负荷曲线 对于第i台发电机组，上述结论可推广为 在发电机组逐

23、个卷积过程中，等效持续负荷曲线也在不断变化，最大等效负荷在不断增大。 设系统中共n台发电机组，其容量为 。当全部机组卷积运算结束后，等效持续负荷曲线为 ，最大等效负荷 如图。 ( )(1)(1)( )( )()iiiiiifxp fxq fxCtC( )( )nfxmaxtxC( )()ntLOLPfCmax( )( )ttxCnCEENSTfx dx系统电力不足概率系统电量不足期望值随机生产模拟过程建立了等效持续负荷曲线概念以后，就可以进一步研究随机生产模拟的过程。随机生产模拟需要的原始资料包括负荷资料和发电机组的技术经济数据。负荷数据主要用来形成研究期间的原始持续负荷曲线及年最大负荷曲线最

24、大负荷曲线是指每月或每周的最大负荷按时间序列形成的曲线，它的用途是安排检修计划。发电机组的技术经济数据 火电机组的数据通常包括： 发电机组的类型、容量； 发电机组的台数； 各发电机组的平均煤耗率； 燃料价格； 发电机组的强迫停运率； 发电机组的最小输出功率； 发电机组所需的检修时间。 水电机组与火电机组有很大差别。 首先，水电机组的发电量是由水文条件和水库调度决定的，因此在发电调度中水电机组的发电量是给定的已知量； 其次，由于水库上下游水位变动，水电机组的发电功率可能达不到铭牌容量。这种由水力条件决定的水电机组的实际发电能力称为预想输出功率。随机生产模拟的步骤 为了简单起见，以下讨论假定电力系

25、统只包含火电机组，且检修计划已知，因此参与运行的发电机组已全部确定。处理负荷资料，形成原始持续负荷曲线。确定发电机组带负荷的优先顺序。按带负荷顺序安排发电机组运行，计算其发电量。修正等效负荷曲线。按照式LOLP和EENS公式计算系统可靠性指标。根据各发电机组的发电量计算系统燃料消耗量并进行发电成本分析。 例:已知某电力系统的日负荷曲线如图4-4及表4-1所示。 该系统共有3台发电机组参加运行，其中前两台机组型号相同，容量为40MW，平均煤耗率为400g/kWh,强迫停运率为0. 10。 第3台发电机组容量为20MW，平均煤耗为450g/kWh,强迫停运率为0. 20。 试对该系统进行随机生产模

26、拟。 首先，根据持续负荷曲线定义，求出该系统的原始持续负荷曲线f(0)(x) 系统的负荷电量由下式可以求出)MWh(14658122483123144163175184194208212233224dx)x(f820)0(Lv按照平均煤耗率应首先让两台40MW发电机组带负荷，然后再让20MW发电机组带负荷。现在我们来安排第一台40MW发电机组运行，其发电量应从f(0)(x)求得，即dx)x(fP400)0(11gv式中P1=0.90。积分代表图4-5中f(0)(x)曲线下面的从x=0到x=40之间的面积。由表4-2可知)MWh(846)6212233224(9 . 01gv 然后按下式)40

27、x(f1 . 0)x(f9 . 0)x(f)0()0()1( 对发电机1进行卷积计算，求等效负荷持续曲线f(1)(x)。必须注意，表4-2中，f(0)(x)， f(0)(x-40)， f(1)(x)的值比实际值大24倍。 以下仅举出图中几个点来说明建立f(1)(x)的过程: 当x=40时， f(0)(x) =21/24 f(0)(x-40) = f(0)(0) = 24/24 故知f(1)(40)=0.921/24+0.1x24/24=21.3/24 当x=80时， f(0)(x) =1/24 f(0)(x-40) = f(0)(40) = 21/24 故知 f(1)(80)=0.91/24+

28、0.1x21/24=3/24 当x=100时， f(0)(x) =0.0 f(0)(x-40) = f(0)(60) = 16/24 故知f(1)(100)=0.90.0+0.1x16/24=16/24 在求得了f(1)(x)后，即可安排第二台40MW发电机组运行，它的发电量应为dx)x(fP8040)1(22g 式中P2=0.90。积分代表图4-5中f(1)(x)曲线下面的从x=40到x=80之间的面积。 由表4-2可知)MWh(23.508)6321 . 446 . 932 .1331548 .1637 .1756 .1845 .1944 .2023 .21(9 . 02gv 对发电机组2

29、的卷积运算按下式进行)40 x(f1 . 0)x(f9 . 0)x(f)1()1()2(v 其运算过程及结果表示在表4 -3中。 由表4 -3可以看出，当发电机组2参与运行之后，等效持续负荷曲线f(2)(x)的最大负荷已达162MW。v 在求得了f(2)(x)后，就可以安排第3台发电机组运行，它的发电量应由下式决定dx)x(fP10080)2(33gv 式中式中P P3 3=0.80=0.80。由表。由表4-34-3知知)MWh(56.58)212. 3548. 3466. 3484. 3283. 4(8 . 03gv 为了出可靠性指标，我们还需对20MW发电机组进行卷积计算)20 x(f2

30、. 0)x(f8 . 0)x(f)2()2()3(v 在求得在求得f(3)(x)后，即可计算可靠性指标。后，即可计算可靠性指标。14425. 024/462. 3)100(fLOLP)3(dx)x(fENS182100)3(v 由表由表4-4有有)MWh(21.528002. 02004. 02016. 03024. 03028. 0404. 0.1688. 23976. 22462. 3ENSv 我们还可以由另一种方法求EENS。由于三台发电机组发电量的总和为)MWh(79.141256.5823.5088463g2g1ggv 而系统总负荷电量为1465MWh，故知)MWh(21.5279.

31、14121465ENSv 在求得各发电机组发电量以后，不难求得各机组的燃料消耗量，并进一步进行成本分析。v由本例可以看出，利用递归卷积计算公式进行随机生产模拟时计算量很大。v目前国内外随机生产模拟很少直接采用这种方法。v但是，这个方法引出的等效持续负荷曲线等效持续负荷曲线以及递归卷积运算递归卷积运算等都是随机生产模拟的基本概念，其它算法都是在这个基础上发展起来的。随机生产模拟计算方法简介随机生产模拟计算方法简介随机生产模拟的计算方法： 傅里叶级数法，用50100项傅里叶级数描述持续负荷曲线，然后在傅里叶领域进行卷积计算； 标准卷积法，将概率学中对随机变量概率分布函数的卷积计算公式作为算法的核心

32、； 半不变量法，用随机分布的数字特征半不变量来描述系统的持续负荷曲线和各发电机组的随机停运； 等效电量函数法，先求出电力系统在不同负荷水平下的电量需求（形成电量函数），然后在考虑发电机组故障时直接修正各负荷水平所需的电量（即修正等效电量函数），完成随机生产模拟计算。第三节电源规划中的数学优化方法 North China Electric Power University 电源规划的任务电源规划的任务 电源规划的任务确定在何时、何地兴建何种类型、何种规模的发电厂 在满足负荷需求并达到各种技术经济指标的条件下，使规划期内电力系统安全运行且投资经济合理。 投资决策原则： North China El

33、ectric Power University投资决策原则：经济评价方法：数学优化方法的难点数学优化方法的难点 从数学上，电源规划的一个方案是包含许多电厂或机组的有序组合，即排序问题 高维数：各种类型的发电机组，长时间的电源过渡，涉及的决策变量多。 非线性：目标函数（投资现值、年运行费用），约束条件（如可靠性约束）。 随机性：基础数据（负荷预测、燃料、设备价格、水电厂水文数据、贴现率） 因此，严格最优解几乎不可能得到 目前的都在数学的严格性和计算量中折中，采取了一些简化方法。电源规划的数学优化方法电源规划的数学优化方法 混合整数规划法 分解协调技术 动态规划法 模拟进化方法混合整数规划法混合整

34、数规划法 由于电力系统中机组是一台一台安装的，电厂特别是水电厂是一个一个建设的，将它们作为连续变量处理，会带来一系列问题，最后规整处理又将降低结果的最优性。 为解决矛盾，将一些变量设为整数，另一些变量设为连续变量。这种变量设置的数学模型称为混合整数规划。 模型中的整数变量只表示电厂或机组投入运行或未投入运行（0，1变量），或表示机组装了几台或第几次装机。每次计算容量时，将每台机组容量乘以此整数变量即得出装机容量。分解协调技术分解协调技术 具有以下优点： （1）将大系统分解为若干子系统后，求解问题规模变小，提供工作效率和节省时间； （2）各子系统可以选用自己适合的模型，更符合实际情况； （3）使

35、进行并行处理成为可能。 电源规划模型一般分解为电源投资决策和生产优化两个子问题，可分别采用不同的优化技术 由于两个子问题不要求用相同的优化算法，可利用它们的特点采用不同算法动态规划法动态规划法 运筹学的重要分支，是解决多阶段决策过程最优化的一种方法 用动态规划法解决电源规划问题，一般方法如下： （1）阶段。按时间、按投入运行的新建电厂数目 （2）状态。是系统原有和待建电厂的某种组合，对于某一阶段Xi，状态可表示为 0,1,2,ijXSjn （3）状态转移和决策变量。 根据动态规划原理，在某一阶段i，若初始状态为xi-1，也就是上一阶段的一个状态，经过这一阶段采取某种策略di后转移到本阶段末的状

36、态xi，这种转移可表示为 决策变量可能是本阶段投入的新电厂或机组，这样状态转移方程可简单表示为1,iiixxd1iiixxd（4）目标函数和递推公式 电源规划的目标函数是使系统总支出最小，根据具体情况而定。费用递推公式如下：（5）约束条件110min,0iikiikk iFfx dFxF 从从i-1i-1阶段状态阶段状态xkxk转移到转移到i i阶段状阶段状态态xixi所采用策略的新增机组有关所采用策略的新增机组有关费用费用从从i-1i-1阶段状态阶段状态xkxk至起点的最小费至起点的最小费用用模拟进化方法 模拟进化算法通过对生物进化机制的模拟发展而来，运算过程与生物进化过程相仿，其哲学基础是

37、达尔文”适者生存，优胜劣汰“的自然选择学说。 优点体现在： （1）与传统的单点搜索策略不同，模拟进化算法采用群体搜索策略，同时对多个解进行评估。具备较好的全局搜索性能，避免陷入局部最优。 （2）用适应度函数来评价个体，不仅不受连续可微的限制，而且定义域可以任意设定，特别适于求解非连续变量的结构优化问题。 （3）采用的不是确定性的原则，而是概率变迁规则来指导它的搜索方向。 （4）可求出一组解，包括全局最优和局部最优，可让规划者自行选择。基于遗传算法的电源规划模型基于遗传算法的电源规划模型 随机确定待建电源的一组投入次序，经染色体编码后形成一个染色体，若干个体即可构成遗传算法的初始种群； 综合考虑

38、现有电源资料、负荷资料及有关约束条件，对种群中各个体进行运行模拟计算，确定个体中各待建电源的投入年限和年运行费用； 考虑新建电源的投资及其他有关费用，计算各个体在规划期的总计算费用，并计算各各个体的适应度函数； 以个体总费用或适应度函数值作为判据，检验迭代过程的收敛性。总体流程：基于遗传算法的电源规划模型 染色体编码实例基于遗传算法的电源规划模型 目标函数 North China Electric Power University【主要内容】电源规划的数学模型目标函数约束条件投资决策问题生产模拟问题第二节、电源规划数学模型 对于可行的电源规划，通常认为有相同的效益，因此在满足负荷需求负荷需求和

39、各种约束条件约束条件及技术经济指标技术经济指标下，总投入最小总投入最小的方案就是最经济的方案。目标函数实例 最小费用法，费用除了投资、燃料费及运行维修费以外，还包括停电损失费用。 此外，考虑到各类机组使用寿命不同，投建时间不同，在规划期末将出现不同的剩余使用年限，所以应把有关投资项目的折余值当成残值处理，从总费用中减去。 目标函数为:1min PVC =TjjtjtjtjtjtiISFMO规划方案规划方案j总费用的现值总费用的现值;PVCj投资费用投资费用;投资的折余值投资的折余值燃料费用燃料费用运行维修费用运行维修费用;停电损失费用停电损失费用;jtIjtSjtFjtMjtO目标函数中各项费

40、用的具体计算方法 为了换算这些费用的现值，采取了以下的假定: 1)所有投资都在各年度初发生; 2)所有投资折余值都发生在水平年末; 3)燃料费用、运行维修费用及停电损失费用都发生在各年度的中点。1min PVC =TjjtjtjtjtjtiISFMO目标函数中各项费用的具体计算方法 1.投资费用与折余费用 =1tjtkkIUIMWi =1TjtktkkSUIMWi001tttTTt 对方案对方案j在第在第t年所有扩建发电机组年所有扩建发电机组k的投资费用求和的投资费用求和;发电机组发电机组k每兆瓦的平均投资每兆瓦的平均投资;kUI发电机组发电机组k的容量，的容量，MW;kMW一发电机组一发电机

41、组k在水平年末的折余系数在水平年末的折余系数;kt应该指出，在这里WASP无形中假定各发电机组在年初投资，当年参加运行，忽略了各发电机组本身的投资过程及相应的时间价值。v 2.燃料费用燃料费用目标函数中各项费用的具体计算方法 0.5,=1hydNtjtkjt hhFi考虑的水文条件数考虑的水文条件数水文条件水文条件h的概率的概率水文条件为水文条件为h时，所有火电站及核电站的总燃料费用。时，所有火电站及核电站的总燃料费用。hydNk,jt h总燃料费用由随机生产模拟求得。在计算中考虑了火电机组随机停运的影响总燃料费用由随机生产模拟求得。在计算中考虑了火电机组随机停运的影响，但对水电站则采用了强迫

42、停运率，但对水电站则采用了强迫停运率FOR为零的假定。为零的假定。目标函数中各项费用的具体计算方法 0.5=1tjtllllMUF MWUV Gi对第对第t年系统中全部发电机组年系统中全部发电机组l 的运行维修费用求和的运行维修费用求和;机组机组l 单位固定运行维修费用，元单位固定运行维修费用，元 / MW;机组机组l 单位变动运行维修费用，元单位变动运行维修费用，元 / kWh;机组机组l 在第在第t年发电量的期望值年发电量的期望值lUFlUVlGv 3.运行维修费用运行维修费用目标函数中各项费用的具体计算方法2 0.5,1=132hydNtjt hjt hjtjt hnhAtAtNNcbO

43、a NdiEE常数，为每千瓦时的费用，是输入数据;第t 年在水文条件h时的电量不足期望值，kW h系统在第t 年的总电能需求量，kWh, ,a b c,jt hNAtE这里所需的有关数据也是由随机生产模拟计算求得。v 4.停电损失费用停电损失费用约束条件实例 电源规划模型的约束条件包括电力平衡和可靠性约束条件。 1.电力平衡约束条件 设 为规划方案j在第t年参与运行的各类型发电机组台数，它应满足,1=jtj tjtjtjtKKARUj 方案在第方案在第 t 年指令性计划年指令性计划扩建扩建的台数向量的台数向量;j 方案在第方案在第t 年计划年计划退役退役的台数向量的台数向量;j 方案在第方案在第t 年准备年准备增加增加的机组台数向量，它应满足的机组台数向量，它应满足jtAjtRjtUjtK0jtUjtAjtR为给定数据为给定数据jtU为待求量，称为系统布局为待求量，称为系统布局1.电力平衡约束条件 为了更细致地模拟负荷和水电站季节性特点和更准确地处理火电站的检修要求，把每年分为相等数目的时段。 每年中的可用发电容量与电力峰荷差值最小的时段叫做关键时段。设电力系统在关键时段的可用发电容量为 ，则可行的系统布局应满足 在关键时段系统的贮备系数应在给定的最小贮备系数 与最大贮备系数 之间。 式中 ，为第t年关键时段的峰荷。,11rt pjt Prt paDP KbD