以短期发电计划为题的毕业设计教学实践

初 壮， 李 娟， 安 军， 孙银锋

(东北电力大学电气工程学院， 吉林 132012)

以短期发电计划为题的毕业设计教学实践

初 壮， 李 娟， 安 军， 孙银锋

(东北电力大学电气工程学院， 吉林 132012)

为使毕业生建立对电力系统运行工作的清晰认识，进行了以电力系统短期发电计划为核心的电气工程及其自动化专业本科毕业设计课题的开发教学工作。课题主要包括负荷预测、机组组合、负荷经济分配、潮流计算等内容。开发工作主要包括仿真电力系统的选择、发电机组参数的确定、历史负荷数据的编制及给学生提供适当的求解方法等。6名本科毕业生的教学实践证明本课题难度、工作量较适合本科毕业设计环节。

电气工程； 毕业设计； 电力系统； 发电计划； 短期负荷预测

毕业设计是大学本科的一个重要实践教学环节，工科学生应在这一环节综合运用大学期间所学专业知识，解决工程实践问题；能力较强学生也可尝试解决一些具有研究性题目。因此，课题应具有一定的广度，覆盖该专业的多个方面；同时，课题也应具有一定深度，以培养学生独立思考与研究问题的能力；另外，课题还应具有足够的工作量。

指导教师同时指导多名毕业生是目前教学中较为常见的情况。在这种情况下，若学生毕业设计题目完全不同，则需教师进行大量的前期课题设计工作，在毕业设计期间，学生间无法开展较为深入的讨论。若多名学生题目雷同，则部分学生会“搭顺风车”，依靠抄袭完成设计。因此，性质相同、具体内容有别、适合大多数学生知识水平和能力、必要时也可深入研究的设计题目是较理想的选择。

本文针对以电力工程为特色的电气工程及其自动化专业的毕业设计环节，设计了以“电力系统短期发电计划确定”为主要内容的毕业设计课题，并努力达到前述要求与目标。第2节介绍设计课题的基本内容及课题开发所做的主要工作；第3节介绍这一毕业设计课题在教学实践中的执行情况、发现的主要问题及一些教学体会。

1 短期发电计划毕业设计基本内容开发

1.1 毕业设计基本内容

电力系统的负荷是不断变化的。电能不能大规模存储的特点使得发电机组的有功输出功率必须与不断变化的有功负荷保持实时平衡；因火电机组在冷备用状态与正常发电状态间转换需较长时间(从几小时至十几小时不等)，为保证有功功率的实时平衡，需要预先制定发电计划，在负荷变化到来前投入或切除机组，以使系统从容应对负荷变化。

通过毕业设计，学生应了解电力系统短期发电计划制定工作的主要环节，能根据给定负荷历史数据形成各负荷节点的负荷需求预测曲线，采用启发式方法完成机组组合并计算各时段机组负荷分配，最后通过潮流计算考察系统潮流分布情况。

整个课题分为负荷预测、机组组合、负荷分配、潮流计算等步骤。学生在《电力系统分析》[1]中较为细致地学习过潮流计算与负荷经济分配，而对负荷预测、机组组合则只有一个基本了解。在发电计划的制定过程中，这四个环节依次衔接，缺一不可，学生在这几方面都应得到一定程度的训练。

首先，对于一个给定的电力系统，预测出调度周期内各个负荷节点的负荷需求曲线，这里调度周期为1周，5天工作日、2天休息日，每天分为24个时段。因此，对于一个负荷节点，其负荷曲线由24×7=168个时间点构成。

第2，根据各节点负荷需求预测曲线和各机组技术特性，确定调度周期内各机组在168个时间点的运行状态，即获得系统的机组组合。机组的技术特性应包括机组的最小连续运行时间、最小连续停机时间等。

第3，机组组合确定后，进行各时段机组间的有功输出功率分配计算。这一部分可根据学生具体情况，要求其计算连续多个时段的动态优化调度问题或计算每个时段的静态优化分配问题。

第4，计算交流潮流，进而确定系统网损及平衡节点发电机组有功输出功率。

1.2 毕业设计课题内容开发

负荷预测需基于历史负荷数据完成，确定发电计划还需要发电机组运行参数和系统结线图及支路参数。毕业设计课题开发的主要工作就是选择(或设计)用于仿真计算的电力系统及相应的历史负荷数据。

用于仿真计算的电力系统可采用真实系统，其优点是网络、机组参数和历史负荷数据是真实的，不过，实际电力系统对于教学而言显得规模过大。另一个选择是采用IEEE仿真系统，如IEEE 30节点系统。

毕业设计采用IEEE Reliability Test System[2]，该系统有24个节点，38条支路。文献[2]给出了每日24个时段负荷与日峰荷的比例、一周中各日峰荷与周峰荷的比例、周峰荷与年负荷的比例及负荷在各节点的分布比例。根据这些数据，设定一个年峰荷数值(文中为2850 MW)，就可构造出该系统在一年中某一天的各节点负荷变化曲线。

工作日负荷历史数据构造基本步骤为：

①设定年峰荷数值，获得一个各节点工作日负荷变化曲线；

②以步骤①中的负荷曲线为基准，使每节点每时段的负荷在(1 2.5%)幅度内随机变化，产生一个新的各节点日负荷变化曲线(采用一定幅度内的随机变化构成各时段负荷，使每次生成的负荷数据不同，即各个学生的任务数据不同，避免"搭车"现象)；

③根据需要，得到其它各日的负荷曲线。把这些多个日负荷曲线作为历史负荷数据资料。

休息日历史负荷数据的构造过程大致相同，只是在步骤①时需要获得一个休息日的日负荷变化曲线。

这些“历史”负荷数据供学生完成负荷预测用。指导教师还需提供制定发电计划所需的发电机组数据。文献[2]给出该系统发电机组的部分参数，但对于制定短期发电计划的计算而言，数据不够完整。因此，在题目中采用文献[3]中的发电机组数据，包括有功输出功率的最大值与最小值、爬坡速率、经济参数、最小连续运行时间、最小连续停机时间等。年峰荷值在2600 MW～3000 MW时，文献[3]中的机组可以满足调度要求并保留一定裕度。

2 以短期发电计划为题的毕业设计教学实践

2009-2010年度秋季学期，对这一毕业设计课题有兴趣的教师就开始讨论课题的可行性，并初步拟定了基本内容。在接下来的寒假里，编写出相应的毕业设计指导书和任务书。2010年三月开始教学实践。

2.1 学生毕业设计基本流程

毕业设计前三周学生的主要工作是熟悉课题并完成开题报告。

课题的第一个任务是完成负荷预测。短期负荷预测方法多种多样[4，5]，工程实践中应根据负荷特点和生产需求采用适合的方法。本设计要求学生采用基于温度准则的外推法[6]编写负荷预测程序，提供的“历史”负荷数据也是根据这一方法的需要编制的。虽然负荷预测需要处理大量数据，但编程工作本身工作量并不大，大致需要一周时间即可完成。加之学习负荷预测及了解编程软件的时间，基本上需要三周时间。

接下来，获得调度周期内的机组组合方案。推荐学生采用优先级表法[7]。虽然机组组合是整个任务里面数学性质最复杂的部分[8，9]，但采用优先级表法等启发式方法获得一个可行方案的难度并不大。学生最初获得的方案可能是可行却不尽合理的，如存在容量较大机组频繁启停现象等，此时指导教师需指出问题，并与学生一起形成方案。这大致需要两周时间。

第3，静态经济负荷分配是《电力系统分析》课程的基本教学内容，学生较为熟悉。要求学生运用《数值分析》课程知识编制基于等微增率准则的负荷分配程序。这对于编程能力较强的学生来说难度不大，编程基础较差的学生经过指导后也可完成。学生可在两周内完成计算程序的代码调试。

第4，使用商业软件或开源程序等成熟的潮流计算工具进行潮流计算。

2.2 毕业设计指导

布置课题之后，教师指定一些阅读书目(如文献[6，7])、提供一些电网公司的年度运行方式资料，供学生阅读，使学生了解发电计划制定工作的应用背景、具体内容，并鼓励学生在图书馆与互联网查找、阅读相关文献及资料。

学生需掌握上述问题的基本内涵，并采用相应方法进行求解。由于毕业设计时间只有15周左右，故要求学生编程实现的算法应该是大多数学生可以短期掌握的，较难的部分则由教师提供软件或程序求解。如前所述，对于基于温度准则的外推法负荷预测、基于等微增率准则的负荷分配计算要求学生采用MATLAB编程完成；而机组组合则采用优先级表法人工完成；潮流计算采用MATPOWER[10]或PSAT[11]完成。

之所以采用上述软件计算潮流而不要求学生自己编程求解，一是因为潮流计算程序较为复杂，学生短期内难以完成。另一方面，是因为这两个软件都是采用MATLAB编写的开源程序，是学生学习程序设计与软件开发的一个良好范例。在开题时即布置学生熟悉MATPOWER，阅读源程序，并要求学生在编写负荷预测和负荷分配程序采用MATPOWER程序中的数据格式，这不但可锻炼学生阅读程序代码能力，也有助于学生形成良好编程习惯。

本设计以工程问题为主要内容，故毕业论文应是工程报告形式。论文主要内容应以各个阶段的计算结果及相应分析为主，这包括节点负荷变化曲线、系统机组组合表、机组的发电曲线等。

整个毕业设计的编程工作量不大，数据结构也较简单，学生在指导下完成并不困难。计算中难度较大的环节，如机组组合方案的形成，为满足爬坡约束而进行的机组组合与负荷分配之间的反复协调，是在准备题目时就已经考虑到的，每周例会及其他时间协助学生解决。

也有一些问题是教师预先没有考虑到的，如学生在计算潮流时出现部分高峰时段无法收敛的情况。与学生讨论发现，这是因为平衡节点机组经济性较好，负荷分配结果使其达到了有功功率输出最大值(即系统总负荷减去其它发电机组的输出功率刚好等于平衡节点发电机组的最大输出功率)，而没有预留潮流计算中用来平衡网损的发电裕量，导致无法收敛。找到并问题解决后，学生对运行方式与发电计划制定工作的复杂性有了更深刻的认识，指导教师也丰富了教学经验。

2.3 教学体会与思考

2010届毕业生有6人选择了“短期发电计划确定”毕业设计课题。通过毕业设计的训练，学生对电力系统发电计划制定工作流程有了较为清晰、完整的认识，对负荷预测、机组组合、潮流计算等问题有了更为具体的理解，并锻炼了综合分析问题、解决问题的能力。

在教学过程中还发现了一些值得思考的问题。如布置题目时一名学生认为，“发电计划制定”不属于电气工程专业的学习研究的核心内容。这使教师大为惊讶。通过讨论与分析认为，由于培养方案大幅增加了基础类课程的学时，专业课学时不得不有所缩减，使部分专业知识无法在相关课程中进行介绍。本设计中的各个内容虽然在《电力系统分析》课程都有提及，但只对潮流计算与负荷经济分配问题有较为深入的分析，故学生对负荷预测、机组组合等内容感觉很陌生，进而产生了错误认识。

再如，给学生布置任务时，学生更喜欢采用真实电力系统数据构成的算例。给学生解释采用IEEE仿真算例的原因，如可以控制计算规模、出现不可行解的概率较小等，学生不是十分信服。实际上，即使是本文采用的规模很小的IEEE Reliability Test System，据此形成的本设计各环节需处理的数据量也非常大，尤其是在机组组合与潮流计算阶段。当学生在进行这一部分求解时，对教师布置任务时的解释才有了具体且深入的理解，进而认识到实际电力系统的发电计划制定的复杂程度。

3 结语

电力工程是电气工程专业的一个重要领域，而电力系统发电计划确定是电力系统运行工作的重要环节。“短期发电计划制定”本科毕业设计课题不但可以训练学生综合运用专业知识解决工程问题的能力，在一定程度上也是对理论课教学的有益补充。这一题目能较好适应教师指导毕业生人数较多的实际情况，且在教师工作强度增加不大的前提下即可设计出形式相同而内容不同的毕业设计任务书，一定程度上避免了毕业设计过程中的“搭车”现象。

由于这一课题只经过一轮教学实践环节的检验，还有多细节需要进一步完善，如调整仿真系统发电机组参数与数量、增加其它仿真系统等，这是今后工作的一个重点。

[1] 陈怡，蒋平，万秋兰，等.电力系统分析[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2] Anon.IEEE reliability test systems[J].IEEE Trans on Power Apparatus Systems，1979，98(6)：2047-2054.

[3] Wang C, Shahidehpour S M．Effects of ramp-rates on unit commitment and economic dispatch[J].IEEE Trans on Power Systems，1993，8(3): 1341-1350.

[4] 沈秀汶, 吴耀武, 熊信银(Shen Xiuwen, Wu Yaowu, Xiong Xinyin).基于有偏最小最大概率回归的短期负荷预测(Short-term load forecasting based on BMPMR)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2007,19(4): 46-49.

[5] 孟思齐,杨洪耕(Meng Siqi,Yang Hongeng).基于灰色生成的卡尔曼滤波短期负荷预测(Short-term load forecasting using Kalman filter based on grey generation)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2008,20(6):78-82.

[6] 于尔铿，刘广一，周京阳，等.能量管理系统[M].北京：中国电力出版社，1998.

[7] 李文沅.电力系统安全经济运行——模型与方法[M].重庆：重庆大学出版社，1989.

[8] 吴宏宇，管晓宏，翟桥柱，等(Wu Hongyu, Guan Xiaohong, Zhai Qiaozhu，etal).水火电联合短期调度的混合整数规划方法(Short-term hydrothermal scheduling using mixed-integer linear programming)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE),2009,29(28):82-88.

[9] 吕林, 周学亿(Lü Lin, Zhou Xueyi).改进PSO算法和Lagrange 乘数法应用于短期发电计划(Improved PSO algorithm and Lagrange multipliers method application in the short-term scheduling)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2010,22(1):106-110,125.

[10]Zimmerman D, Carlos E Murillo-Sanchez, Deqiang Gan. MATPOWER[EB/OL].http://www.pserc.cornell.edu/matpower,2010.

[11]Federico Milano. PSAT[EB/OL].http://www.uclm.es/area/gsee/Web/Federico/psat.htm, 2010.

TeachingPracticeontheGraduationProjectofShort-termGenerationSchedulingandDispatching

CHU Zhuang， LI Juan， AN Jun， SUN Yin-feng

(College of Electrical Engineering, Northeast Dianli University， Jilin 132012， China)

A graduation project of short-term generation scheduling and economical dispatching which can help undergraduate students in electrical engineering and automation form a clear awareness of power system operation is discussed. The project covers load forecasting, unit combination, economical dispatch and power flow computation. Tutors' preparative tasks include choosing power system and generation units for simulation, forming historical data of load, and providing students with accessible and feasible solving methods. Teaching practice on six students shows that the difficulty degree and workload are suitable as graduation projects.

electrical engineering； graduation project； electrical power systems； generation scheduling and dispatching； short-term load forecasting

2010-09-15；

2011-01-14

东北电力大学博士科研启动基金(BSJXM-200701)

TM732

B

1003-8930(2011)06-0157-04

初 壮(1973-)，男，博士，副教授，研究方向为电力系统优化运行及电力市场。Email:chuzhuangmail@tom.com 李 娟(1972-)，女，博士，副教授，研究方向为FACTS与电力系统经济运行。Email:hitljzgfy@yahoo.com.cn 安 军(1978-)，男，博士，副教授，研究方向为电力系统辨识与稳定分析。Email:ahanjun@mail.nedu.edu.cn