华科电力系统规划课程之电源规划

_CEEE第二章电源规划第一节概述第二节考虑能源分区平衡的电源规划模型第三节基于遗传算法的电源规划模型_CEEE第一节概述电源规划是电力系统战略发展规划的重要组成部分。电源规划要研究和解决的问题是：要决定在何时、何地、建什么类型、多大容量的一批发电厂，既满足系统负荷增长需求，又最为经济合理。国外，已研制出多种各有特色的商用电源规划优化程序，其中较有代表性的有下述几种：1．WASP（WienAutomaticSystemPlanningPackage）程序包是国际原子能机构IAEA委托美国田纳西流域工程管理局TVA与橡树岭国家实验室ORNL研制的。2．通用电气公司GE开发的最优发电规划程序包OGP，以生产费用最低为目标，用静态向前看的方法优化，使用失负荷概率LOLP作为可靠性约束准则。_CEEE3．由美国电力科学院EPRI资助、麻省理工学院研制的电力系统发电容量扩建分析系统EGEAS模型4．法国电力公司EDF为进行电力系统规划而研制的国家投资模型MNI是一个颇有特色的程序软件5．美国电力科学院EPRI还研制了一个电力系统规划容量盈亏的代价及效益分析程序6．俄亥俄州立大学研制的生产费用模拟程序PCS与容量扩建及可靠性评价系统CERES国内，许多单位结合三峡水利枢纽开发及其系统的论证进行了各种优化模型的研究：1.西安交通大学研制的JASP程序2.北京水利电力经济研究所研制的电力系统电源优化软件包GESP/V1.43.清华大学研制的IRELP/I多分区电力长期规划模型4.华中科技大学研制基于GA算法的电源规划模型GASP_CEEE第二节考虑能源分区平衡的电源规划模型一、电源规划数学模型二、优化方法及求解过程三、若干问题及其处理四、考虑能源分区平衡的电源规划模型_CEEE一、电源规划数学模型1．目标函数电源规划的最优方案，是指在众多的互斥方案同样满足电力系统负荷增长的需求和各种约束条件下，考虑了能源分区平衡和电力分区平衡，使国民经济总支出最小的方案。jTttitititititirRBQOZF0)1)((minfTttitkitgNirFFj,,2,1)1)((0)5.0(_CEEE目标函数中各项费用的计算方法叙述如下：1）投资2）运行维修费用3）燃料费用Fk.it＝FTk.it＋FUk.ititHitRitCitNitPitUitWitTitFFFFFFFFZNitNPitpUitUWitWTitTitgFFFFFF4）未供电能费用Oit＝（Wxt－Wit）·Cx5）水电弃水电量损失费6）除发电以外其它效益Bit＝Bf.it＋Bh.it＋Bg.it＋Br.it7）残值Rit＝RT.it＋Rw.it＋Ru.it＋Rp.it＋RN.ititwNjQQjjitwitCHPQ1_CEEE2．约束条件1）系统功率平衡约束2）系统备用容量或可靠性指标约束系统备用容量约束itxNjtxitjPP1pfTtNi,,2,1;,,2,1itxNjtxkkjitjjjPRG1max31)1()1)(1(系统可靠性指标约束LOLE天/年HLOLE小时/年EENSkW·h/年_CEEE3）系统年电量需求约束itxitpNjNjcitjpcitjpjjtxjitjitjjhGWhG11)1)(1()1)(1(4）系统调峰容量需求约束5）火电站有关约束311()(1)(1)(1)xitNjjjjitjkxtfgcjkGRP或itxitpNjNjitjpjjtxjitjjjGPG11min)1)(1()1)(1(itTpfitjTitjTitjTNjTtNippp,2,1,,,2,1;,,2,1maxminmaxitjtitjTjQA_CEEE6）水电站有关约束水量约束强迫出力约束Pw.itjk.fh＋Pw.itjk.jh＋Pw.itjk.qs≥Pw.itj.qpk＝1,2,…,Nwj预想出力约束Pw.itjk.fh＋Pw.itjk.jh≥Pw.itj.yxj＝1,2,…,Nw.it，k＝1,2,…,Nwj7）核电站有关约束Pu.itj.min≤Pu.itj≤Pu.itj.maxj＝1,2,…,Nu.itpjitjwwjkNkqsitjkwjhitjkwfhitjkwPbPPPwj24)(1_CEEE8）抽水蓄能电站有关约束抽水蓄能电站的电动机容量是由发电机工作容量换算得来的，换算关系为：SD＝PF/cosφF发电工况：Pp.itjk.f.min≤Pp.itjk.f≤Pp.itjk.f.maxj＝1,2,…,Np.it，k＝1,2,…,Np.jf抽水工况：Pp.itjk.c.min≤Pp.itjk.c≤Pp.itjk.c.maxk＝1,2,…,Np.jc水量平衡约束：11pjfpjcNNpitjkfpjkfpitjkcpjkckkQbQb_CEEE9）系统最小火电开机容量约束10）待选电站最早投入运行年限约束12）能源分区平衡约束kitTNjktxkitjTPP1min1max,2,1tdjitjNjGGnititjNjjNlQAit,,2,1max113）其他约束与外系统交换容量约束联络线输送能力约束分区电力电量平衡约束待建电站施工连续性约束施工能力约束设备年利用小时数约束河流梯级开发顺序约束年投资总额约束环境保护约束等_CEEE二、优化方法及求解过程线性规划LP(LinearProgramming)。形成最早，理论完整，方法成熟，到目前为止，它的应用最广泛。整数规划IP(IntegerProgramming)。对于一个大型电力系统来讲，采用整数规划求解，计算工作量很大，要求得整体优化解也是比较困难的。非线性规划NLP(NonlinearProgramming)。非线性规划方法在电源规划数学模型求解方面难以获得推广应用。动态规划DP(DynamicProgramming)。解决多阶段决策过程最优化问题的一种数学方法。优点是工作效率高，并能按时间或空间划分阶段，比较容易计及各种因素，缺点是，有维数灾的问题。_CEEE三、若干问题及其处理1．将待选电站作为一个子系统一方面要考虑子系统内部各电站的运行特点、功能及其相互关系，另一方面要考虑本系统与系统外的相互关系和制约条件。2．充分发挥水电在系统中的作用水能是一种廉价清洁的再生能源，可循环使用，发电成本低，不污染环境，还具有防洪、灌溉、航运和供水等综合效益。大力开发水电是我国能源开发的经验。这也是一条国际性的经验，是发展能源的客观规律。_CEEE3．排序应当有选择优化的结果就有三种可能：1)有些待选电站，由于其经济指标优越，前期准备工作做得好，可能优先开发；2)有些待选电站，或由于其经济指标较差，或受最早投入运行年份限制，可能滞后开发；3)有些待选电站，由于种种原因，在本规划期内不兴建。4．按年划分阶段我国的工程建设项目和规划设计习惯，都是按年考虑的，而且一些常用计算，例如费用计算，电力电量平衡计算等都是按年（或月）来考虑的。_CEEE5．对大型电站的处理对一个大型电站应考虑它在装机过程中的不同容量水平（计划装机进度），按不同容量水平进行系统的电力电量平衡计算。6．电力系统运行模拟对规划期内每一个可行状态做运行模拟计算，以校验此时系统装机容量是否足够，确定各个水电、火电、核电和抽水蓄能电站等在典型日负荷曲线上的工作位置，从而得出各电站的工作容量、备用容量和水电弃水电量等技术数据。_CEEE7．能源分区平衡校验能源平衡校验有两种考虑：第一，从整个系统进行能源平衡校验，校验规划期内每年能源供给能否满足系统发电负荷需求；第二，将整个系统划分成若干个能源分区，在每个能源分区内，按规划期内每年能源供给与发电负荷需求进行校验，即能源分区平衡校验。8．方案的经济比较对于电源规划来讲，常用的经济分析法主要有两种：总费用比较法和年费用比较法_CEEE1）总费用比较法总费用比较法是在满足同等效益的前提下，将不同规划方案在施工期和工程经济使用期内各年的投资和运行费，考虑时间价值，按复利方式都折算到基准年（可取基建结束年份为基准年），然后相加，求得各方案总费用值，进行比较，决策时取总费用最小的为最经济方案。假设用Zt表示方案建设期m年内逐年投资额，Ul表示方案服务年限n年内逐年运行费用，i为贴现率，以其基建结束年为基准年，其总费用F为nlllmttmtiUiZF11)1()1(_CEEE2）年费用比较法年费用比较法是将工程方案从开始施工到基建结束年份的投资，折算到基建结束年份，然后将折算后的总投资平均分摊到方案服务年限内的每一年，和年运行费用相加，称为年费用。进行方案比较时，年费用最低的方案，则认为是经济可取的方案。年费用FA表示为UZUZiiiFnnA1)1()1(1(1)mmtttZZi式中，1)1()1(nniii_CEEE1．基本概念1）待选电站的定义一个待选电站可以仅有一个容量水平构成，即该电站只在一年内有装机容量；也可以是由多个容量水平构成，即在多年内有连续装机容量。2）待选状态编码模型中每一个待选状态，可能是由一个或多个待选电站与系统中现有的、指令性新建的、退役的电站（或机组）等组成的。jNjjiNiSMd12四、考虑能源分区平衡的电源规划模型_CEEE3）待选状态解码待选状态解码是对某状态所对应的状态编码进行识别，确认各待选电站到某阶段是上了还是没有上？若上了，则其值为1，否则为0。4）关于阶段的划分将所给的待求问题，按时间或空间位置上的变化，恰当地划分为若干个相互联系的阶段以便于求解。本电源规划模型是按时间变化的过程来划分阶段的。5）状态变量描述过程状态的变量，称为状态变量。_CEEE6）决策变量决策变量又称控制变量，是指在规划期内某一个阶段所采取的某种策略。7）阶段效益函数所谓阶段效益是指本阶段对目标函数的贡献。ri=fi(Si-1,di)i=1,2,…,M8）状态转移方程就每一个阶段而言，某阶段末的状态是与该阶段初始状态和决策变量有关。Si=ti(Si-1,di)称上式为第i阶段的状态转移方程。_CEEE9）费用递推公式根据动态规划的顺序法，费用递推公式为F(S0)=0式中，F(S0)—表示第1阶段初始状态S0对应的费用，万元；F（Si,S0）—表示由状态Si到初始状态S0的总费用，万元；F（Si-1,S0）—表示由状态Si-1至初始状态S0的总费用，万元；r—贴现率，%])1(1),(),(min[),(1010iiiiiirdSfSSFSSF_CEEE2．求解过程能源供给数据区间交换电力数据与外系统交换电力系统及分区负荷预测数据现有系统数据指令性新建电站待选电站水电出力过程形成状态生成阶段状态集电力系统运行模拟分区电力平衡校验能源平衡校验可靠性分析费用计算动态优化结果分析输出结果修改分区电力平衡约束能源平衡约束可靠性指标电网数据技术经济指标其它约束专家意见图2-1考虑能源分区平衡的电源规划模型原理框图_CEEE3．电源规划模型特点1）考虑系统负荷需求和各类电站安全运行有关约束，系统内各分区间联络线最佳路径和输送能力约束2）比较容易引入能源分区平衡、电力分区平衡和可靠性指标计算以及其它模型不便计入的因素3）能考虑各个水电站出力过程以及梯级水电站不同组合方案的不同补偿调节数据4）可以求得在规划期内整个时间系列上电源规划最优方案5）可以研究重要待选电站的合理装机容量及其提前或滞后投运对系统的影响和其在电力系统中的作用6）在费用计算方面，考虑比较全面，除考虑待选电站的投资、固定运行费和可变运行