考虑交流潮流校正的日内滚动发电计划模型与方法（电力）

                王铁强¹，孙广辉¹，曹欣¹，杨晓东¹，匡洪辉²，郭少青²

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

摘要：为了提高日内滚动发电计划的计算效率和潮流计算精度，采用直流潮流建立日内滚动发电计划优化模型．考虑基态和N-1故障方式下的网络安全约束，从而高效求解滚动发电计划；基于机组有功出力计划，结合无功负荷预测和无功补偿设备投切情况，建立以有功出力调整量最小为目标的交流潮流校正模型，对有功出力计划进行修正，从而提高计划潮流的准确性，满足实时运行的精度要求。基于实际电网的算例分析表明．该方法能够有效提高优化计算效率和潮流准确度。

关键词：发电计划：经济调度：日内滚动；交流潮流：网络安全；安全校正；非线性规划；并行计算    中图分类号：TM732   DOI：10.11930/j．issn．1004-9649.2016.04.083.05

0引言

    由于负荷预测精度、天气和事故等因素，电力系统的计划运行方式与实际运行情况会有一定差别．日前发电计划H1力水平与实际运行时的负荷水平也可能出现较大偏差。这种偏离计划的非指导性的偏差将导致电能的不平衡，严重影响日前计划的执行，不能简单地依靠AGC机组调节来消除。作为与日前发电计划的重要衔接环节，日内滚动发电计划是消除这一不平衡量的有效手段。

    日内滚动发电计划以动态滚动的时间窗口f通常为2h）为优化尺度，敏锐监视系统实时运行状态与日前发电计划偏差，及时修正母线负荷预测，及时更新电网拓扑结构，以安全、经济、节能、公平的方式，对各个发电机组进行再调度，从而跟踪系统负荷的变化。由此制定的滚动发电计划将直接发送到各个电厂，控制机组运行，达到调节实施发电计划的目的，实现了从日前到日内时序上的有机衔接和白适应滚动优化，有效减轻了调度员实时再调度的压力。

    日内滚动发电计划系统能够根据检修计划、联络线交换计划、负荷预测、网络拓扑、机组发电能力等信息的日内变化，综合考虑系统负荷平衡约束、电网安全约束和机组运行约束，采用数学优化算法，滚动修正日前发电计划，以满足新的系统负荷平衡。

    为满足实际运行的安全要求，静态安全校核与校正是日内滚动发电计划制定过程中的重要环节。静态安全校核和校正是指采用直流潮流或交流潮流对电力系统的潮流分布进行计算与分析，并在必要时对发电机组的出力水平进行调整，以使得发电计划结果满足基态和N-1故障情况下的潮流安全约束。交流潮流模型具有极强的非线性，相关算法不易收敛，较难对复杂约束进行建模，因此．目前国内外对发电计划算法的研究与应用主要采用直流潮流模型。直流潮流具备线性计算的优势，易于进行潮流安全约束建模，从而考虑静态安全校核与校正。然而，直流潮流没有考虑无功和网损，无法保证实时调度所要求的计算精度．导致其校核校正结果的可信度下降，为电力系统实时运行带来风险。

    国内外学者在日内滚动发电计划及提高发电计划潮流计算精度方面开展了大量工作。

提出了涵盖日前发电计划、超前调度和经济调度等不同时间尺度的火电机组有功调度方法。超前调度即根据最新的负荷、机组可用性、网络结构、环保约束等，修正日前发电计划曲线。

提出了能有效提高电网消纳风电等新能源能力的滚动发电计划编制策略，基于拉格朗日松弛算法框架提出了高效求解方法。设计了消纳大规模风电的多时间尺度协调的有功调度系统。

以扩展短期负荷预测为基础，滚动对日内剩余时段的发电计划进行修正、刷新。结合日前

发电计划曲线，根据日内短期和超短期负荷预测、检修计划及电网实时拓扑情况，利用长周期优化、短周期优化完成日内发电计划。通过交直流混合迭代提高潮流与网损的计算精度。

提出的预报潮流自动生成方法能够提高校核潮流的准确度。提出了以调整量最小为目标进

行潮流越限后出力校正的优化策略。则将协调平衡有功计划数据失配量的有功子问题与求

解无功电压分布的子问题进行解耦，提高了计划交流潮流的可信度。针对大规模风电分析

并评述了增加额外旋转备用、基于场景的随机规划、鲁棒优化3种主要方法的特点及其优缺点，为适应大规模风电接入的发电计划不确定性研究提供参考。也有文献考虑风电功率波动特性的日前发电计划模型。以上文献虽然通过一些技术手段提高了计划潮流的准确性，但并未将其应用于日内滚动计划模块当中。

    针对上述问题，本文提jJ考虑交流潮流校正的日内滚动发电计划模型与方法。该方法采用直流潮流建立日内滚动发电计划优化模型，考虑基态和N-1故障方式下的网络安全约束，从而高效求解滚动发电计划：然后，基于机组有功出力计划．结合无功负荷预测和电容器投切情况，建立以有功出力调整量最小为目标的交流潮流校正模型．对有功出力计划进行修正。基于实际电网的算例分析表明本方法能够有效提高日内滚动发电计划的计算效率和潮流精度。

1  日内滚动发电计划编制流程

日内滚动发电计划的编制流程如图1所示。

(1)实时监视电网数据。实时监视电网的负荷变化、拓扑结构、联络线变化等最新信息，结合运行人员预没的滚动计算启动门槛，根据系统实时负荷与日前计划的偏差，自适应决策是否启动滚动计算。系统拓扑发生变化和电网发生阻塞时和负荷偏差超过门槛值时均会启动日内滚动计划优化计算，消除阻塞和预测产生的偏差。负荷偏差的门槛值不建议设置的太大，具体值根据实际电网的规模和鲁棒程度综合考虑，门槛值也可以设置为0。(2)数据合理性检验。检验输入数据的合理性．提前发现系统负荷无法平衡、机组出力与电量设置冲突、没备参数错误等方面的问题。对于一般性问题，由算法按一定的规则进行处理后继续：对于严重问题，给出提示由用户进行调整。(3)直流发电计划模型建立与求解。建立日内滚动发电计划优化模型，考虑基态和N-1故障方式下的网络安全约束，并进行高效求解，得到日内滚动发电计划结果。(4)交流潮流校正模型建立与求解。基于机组有功出力计划，结合无功负荷预测和无功补偿设备投切情况，建立以有功出力调整量最小为目标的交流潮流校正模型，对有功出力计划进行修正，得到交流校正后的日内滚动发电计划。(5)日内滚动发电计划结果输出与发布。输出日内滚动发电计划的计算结果，并将其作为调度指令，下达各个发电机组。

2直流发电计划模型建立与求解

    采用直流潮流建立日内滚动发电计划数学优化模型并通过有效约束添加技术实现高效求解。

2.1  数学模型

    日内滚动发电计划的优化对象是机组出力在日前发电计划基础上的调整量。其曰标函数可选择为发电煤耗最小（节能调度）、发电成本最小（经济调度）或者与计划发电量偏差最小（三公凋度），约束条件主要包括负荷平衡、网络安全、机组运行限制与实用化约束4类。

2.1.1  目标函数

经济调度的目标函数为

(3)机组出力调整表达式为

(4)机组出力限制和爬坡约束为

2.2  有效约束添加技术

 在滚动发电计划优化的数学模型巾．网络安全约束规模非常庞大。若考虑基态下的安全约束，以500条线路、300台变压器的中等省级电网规模为例．8时段的基态安全约束有6 400条：若再考虑N-1安全约束，则将对问题的高效求解造成极大的困难、在电网实际运行巾，真正起作用的安全约束数量极少，没有必要将所有约束都添加到模型当巾。冈此，本文采用有效约束添加技术。首先进行无约束计算，然后对基态和故障潮流进行扫描，如果有越限发生，再把相应的约束添加到模型当中重新计算。通过在迭代过程中不断发现有效约束，逐步将有效约束添加到日内滚动发电计划优化决策模型中，快速获得最优解。

 简单来说，安全约束的检验和校正的步骤为：(1)进行无约束发电计划优化计算；(2)根据无约束优化结果计算潮流，扫描越限对象与越限时段，对其添加约束；(3)进行有约束发电计划优化计算，渊整受约束机组的出力计划；(4)重新计算潮流，再次扫描越限对象与越限时段．如有则添加约束返同(3)，如无跳至(5)；(5)进行N-1检验，扫描N-1场景下的越限对象与越限时段．对其添加约束；(6)进行N-1场景发电计划优化计算，调整受约束机组的出力计划；(7)重新进行N-1检验，如有越限则添加约束返回(6)，如无跳至(8);(8)结束计算，输出结果。

3交流潮流校正模型建立与求解

采用直流潮流对日内滚动发电计划进行建模优化，得到发电机组的日内滚动有功计划。为考虑无功和网损对计划潮流的影响．本节将采用最优潮流方法对日内滚动发电计划进行交流潮流校正。为了尽量维持直流发电计划模型所得到的结果，交流潮流校正模型以机组出力修正量最小为日标，结合无功负荷预测和无功补偿设备投切情况，考虑节点有功、无功平衡，线路、断面的潮流约束，逐时段对机组有功出力计划进行修正。该模型中，机组无功出力参与优化，母线无功负荷采用超短期预测数据，无功补偿设备的投切则采用滚动时间窗口前的实际数据．不进行优化，、

3.1  数学模型

交流潮流校正的目标函数是机组出力修正量最小，考虑节点有功平衡、节点无功平衡、线路潮流安全等约束条件。

3.1.1  目标函数

3.1.2约束条件

(1)节点有功、无功平衡条件为

 以上模型将在直流有功出力计划的基础卜．修正网损，得到交流可行解．进而提高计划潮流的可信度和日内滚动发电计划结果的可执行度。

3.2求解方法

根据不同的爬坡约束考虑方式．交流潮流校正的计算策略为：(1)精细化考虑时段间爬坡约束。由于交流潮流校正模型的相邻时段之间存在爬坡约束的耦合，在精细化考虑时段间爬坡约束时，每个时段需要根据上一时段的交流校正结果和机组的爬坡速率修正当前时段的机组出力上下限。在该模式下，需要逐时段依次进行交流潮流校正的计算，上一时段的计算结果作为判定下一时段机组出力上下限的依据，实现爬坡约束的精细化考虑。(2)忽略交流潮流校正模型中的爬坡约束。爬坡约束已在直流发电计划中进行了完善的考虑，并且交流潮流校正模型以机组有功出力的修正量最小为目标（机组出力的修正量往往低于2%），因此．在工程实用允许的误差范围内，并不需要在交流潮流校正模型中考虑爬坡约束，其计算结果也将在误差范围内满足爬坡。在该模式下，可在交流潮流校正的建模与求解过程中采用并行计算技术，以提高计算效率。

4算例分析

采用中国北部某省级电网2012年11月某日的日内滚动发电计划数据进行验证与分析，数学优化求解器采用IBM ILOG CPLEX。该省2012年11月某日16:45 -18:30的超短期系统负荷预测与原日前系统负荷预测的偏差如图2所示。为消除该负荷偏差，采用本文日内滚动发电计划模型与方法进行优化，分别进行直流发电计划的优化和交流潮流校正。

4.1  直流发电计划优化

 采用有效约束添加技术大幅提高了直流发电计划的计算效率，该8时段省级电网算例用时仅为2.31s。若直接添加所有安全约束，计算时间将超过60 s．难以满足实时性要求。

  直流发电计划模型中考虑了基态和N-1故障方式下的网络安全约束。为测试算法有效性，所设定的断面在指定线路开断时的N-1校正效果如图3所示。可见本文方法给出了满足网络安全约束的直流日内滚动发电计划结果。

4.2  交流潮流校正

 选取16:45．交流潮流校正前机组出力之和为19165.66 MW,校正后，机组出力之和为19 378.53MW,新增系统网损212.87 MW。最大机组出力修正量的绝对值为10.34 MW，相对比例为4.56%。为了平衡系统网损，机组出力之和上升1.11%；最大线路潮流误差超过了10%，可见直流计划潮流存在较大偏差，有必要采用本文方法进行交流校正．以满足实时运行要求。

 图4所示为一台中等容量(300 MW)机组在交流潮流校正前后的有功出力曲线，8个时段平均出力上升比例为2.18%。交流潮流校正模型对机组有功出力进行了微量修正以平衡系统网损，同时优化机组无功出力以降低系统网损。基于超短期预测和实际运行数据进行无功匹配，从而使得系统无功分布符合实际运行状况。通过交流潮流校正模型的优化计算，得到满足非线性交流潮流方程的计划潮流解，避免了直流潮流模型所引入的误差，大幅提高计划潮流精度。

5结语

  本文针对日内滚动发电计划提出了基于直流潮流的优化模型和基于交流潮流的校正方法。在直流优化模型中考虑基态和N-1故障方式下的网络安全约束：通过交流潮流校正考虑无功和网损的影响，提高潮流计算精度。基于中国北部某省级电网的算例分析表明本文方法能够有效提高日内滚动发电计划的计算效率和潮流精度。