节能减排下发用电两侧主备用资源联合优化

孔祥清，雷 霞，刘庆伟，叶 涛

（1.西华大学电气信息学院，成都610039；2.山东电力集团公司淄博供电公司，淄博255032）

为保证系统的安全性，电力公司必须要在保证电力平衡的前提下额外购买一定量的备用容量，在双侧开放的电力市场中这些备用容量可是发电侧机组容量RCGS（reserve capacity of generation side）也可是需求侧可中断负荷IL（interruptible load）。发电侧机组备用不管调不调用都要先支付容量费用，在系统出现故障需调用备用时还要另外支付其电量费用，所以发电侧备用成本要分为备用容量成本和备用电量成本两部分[1]。可中断负荷参与备用相当于增加了发电侧备用容量，可减少系统备用容量中机组备用的配置，减少备而不用的现象，减少资源浪费和污染物的排放[2]。

随着一次能源的短缺和环境污染的加剧，人们越来越关注社会资源的综合利用和污染物的排放。而在市场环境下，无论发电公司、电网公司或者需求侧用户，其追求的首要目标都是经济利益。许多国家都鼓励可中断负荷参与辅助服务备用市场，以优化备用容量的配置[3～5]。在此背景下研究发电侧备用与可中断负荷的合理优化配置不仅能提高系统的经济性，还可减少资源浪费和污染物的排放，实现节能减排，达到社会效益的最大化。

目前许多学者从不同角度研究了双侧开放市场的备用优化问题。文献[6]建立了可中断负荷参与的备用市场联合优化模型；文献[7]建立了一种基于最优潮流的能量和备用容量联合优化模型；文献[8]对备用辅助服务市场中的IL 招标数学模型进行了研究，该模型基于最优潮流算法，并考虑了负荷电气位置、功率因数等因素；文献[9]根据效用无差理论，利用存储理论建立了最优备用容量确定模型并运用决策论算法进行了求解；文献[10]针对IL 和电源备用容量服务效用的差异，建立了两者同时参与备用市场的帕累托优化模型；文献[11]考虑到IL 参与备用服务对单位容量缺电成本和备用电价的影响，运用最优潮流算法研究了负荷需求弹性对最优备用容量的影响；文献[12]动态考虑了IL 备用报价及实时节点电价对备用市场的影响，建立了备用实时市场下兼顾系统安全性和经济性的目标函数。这些文献从不同的角度研究了发电侧和需求侧备用资源的优化配置问题，但都没有考虑需求侧资源参与备用在节能减排方面的影响，并且都是对备用资源的优化，没有将主备用资源进行联合优化。

本文在考虑发电机组的能耗和污染物排放情况，建立了一种基于最优潮流的发电侧和需求侧同时参与的主备用资源联合优化模型，研究了由发电机组停运确定系统最优备用容量以及可中断负荷参与备用对市场运行费用的影响。

1 模型的建立

由于备用市场与能量市场之间存在较强的耦合关系，因此备用市场交易决策方法必须在满足系统中各种约束条件下，保证2 个市场供需平衡，并考虑一定的经济性。文献[13]对备用市场交易决策中使用的优先级排序决策法MOD（merit-orderbased dispatch）、顺序交易决策法SD（sequential dispatch）和联合决策法JD（joint dispatch）进行分析比较后指出，将备用市场和能量市场的决策过程统一进行，以各市场综合购买费用最低为目标、兼顾各种约束的联合决策法是一种较好的备用决策方法。目前，基于联合决策法的主辅市场联合优化已成为美国联邦能源管理委员会FERC（Federal Energy Regulatory Commission）所提出的标准化市场设计中的重要内容，正在ISO-NE、PJM 和新西兰电力市场中应用[14，15]。

从系统管理者的角度建立考虑发电机组污染物排放费用的发电侧电能生产与系统备用容量购买总费用最小的目标函数，发电侧机组和需求侧可中断负荷共同参与辅助服务备用市场竞价的最优潮流模型。目标函数由发电成本、污染排放费用和系统备用总购买费用3 部分组成，即

式中：m 为发电机组台数；Pgi为第i 台发电机的有功出力；CGi（Pgi）为其成本函数；PRi为发电机i 被调用的备用容量；FGi（Pgi，PRi）为发电机组i 的污染物排放成本函数；PR为系统待定最优备用容量；Pe为发电侧实际被调用的备用容量；PILj为IL 用户j 被中断的负荷量；FR（PR，Pe，PILj）为系统备用容量总购买费用。

（1）发电机组成本函数为

式中，ai、bi、ci表示发电机组i 的成本系数。

（2）污染物排放成本函数为

式中：ρ 为污染气体排放权市场中的实际排放价格；EGi（Pgi，PRi）为机组i 的排放量，污染物排放量特性采用二次函数形式；αi、βi、γi为机组i 的排放系数。

（3）系统备用容量总购买费用为

式中：n 为参与竞价的可中断负荷用户数；ρILj为可中断负荷j 的单位中断容量价格；CR（PR，Pe）为发电侧备用容量购买成本，其包括容量成本和电量成本两部分，即

式中：ρR和ρe分别为备用的容量和电量边际价格；Pe与系统中发电机的强迫停运率有关，且有

式中：ηk为第k 台发电机组的强迫停运率；Pek为第k 台发电机组停运时发电侧投入的备用容量。

约束条件如下。

①潮流方程

②发电机和可中断负荷出力上下限约束

③节点电压和支路潮流约束

式（7）～（15）中：i、j 为系统母线节点序号；N 为节点总个数；Vi为节点i 上母线电压；Vj为节点j 上母线电压；Gij、Bij为节点i、j 间的电导和电纳；δij为节点i、j 间的电压相角差；Pdi、Qdi为节点i 上有功、无功负荷需求；PILi、QILi为节点i 上的负荷中断容量和相应的无功减少量；PFi为负荷功率因数为节点i 的发电机有功出力上、下限是节点i 的发电机无功功率上、下限为节点i 上的IL 用户能提供的中断容量上限值为节点i 的电压上、下限为线路潮流上限。

式（13）表示发电机组的有功出力和被调用的备用容量之和应小于其装机容量。

2 算法及实现

假设当系统出现发电机故障停运时，出现的功率缺额仅由辅助服务市场购买，即由发电侧备用机组和可中断负荷两部分的容量来平衡。由于系统所需备用容量PR只有不小于任何机组停运而实际被调用的备用容量才能满足系统实时功率平衡的要求，所以这里取

由此，结合式（5）和（6），可将式（4）的系统备用容量总购买费用转化为

式中，PILkj为机组k 停运时可中断负荷j 的负荷中断量。则本文目标函数可转化为

具体算法流程如图1 所示。按N-1 原则下发电机组停运后保证负荷供电来确定系统所需备用容量。遍历系统中所有发电机节点，由最优潮流算法找出满足所有约束条件并使目标函数最小的最优解Pgi、Pek和PILk，算出系统所需备用容量PR，再代入式（4）计算出最小的系统备用容量总成本min FR，最后求得系统目标函数最小值min f。

3 算例仿真

以IEEE-14 节点系统为例，该系统中有5 台发电机、11 个负荷和20 条支路，对部分发电机有功出力及部分负荷功率进行了调整，节点电压幅值限制在0.94～1.06 之间，发电机组污染物排放价格ρ 取4.09$/Lb.（美元/磅），增加了发电机组的污染物排放系数和可中断负荷的报价参数。备用电量价格取备用容量价格的1.5 倍。假设所有发电机组均为燃煤火电机组，并且机组除正常有功出力外的剩余发电容量均可作为备用容量参与系统备用市场。分别仿真讨论了IL 参不参与系统备用对备用市场的影响，进而对比分析了考虑和不考虑发电机组强迫停运率时系统备用容量的中标情况。具体参数如表1～表3 所示。

图1 算法流程Fig.1 Flow chart of calculation

分几种情况对第2 节的模型进行求解和分析：①发电侧不考虑机组强迫停运率，IL 参与系统备用，系统所需备用容量取总负荷的10%，且不小于最大一台机组容量；②发电侧考虑机组强迫停运率，IL 用户不参与系统备用；③发电侧考虑机组强迫停运率，IL 用户参与系统备用。优化结果如下：表4 列出了用最优潮流法计算IL 参不参与系统备用两种情况下不同节点机组停运时需投入的备用容量，并比较得到系统所需的最优备用容量及总备用成本；表5 比较了3 种情况下系统的经济效益；表6 对比了系统备用容量的分布情况。

由表4 可看出，节点2 上的机组停运时系统所需备用容量最大，所以系统最优备用容量即取节点2 上机组停运时所需备用容量。IL 参与备用后，系统所需备用容量减少了8.5%，但由于IL 中断价格比发电机组备用价格高，系统备用总成本增加了8.4%。

表6 系统备用容量分布Tab.6 Distribution of reserve capacity required by system

由表5 可看出，由机组停运率来确定系统最优备用容量比传统事故备用容量法经济性要好的多，IL 参与备用市场对系统总成本也有较大影响。比较情况①和③可知，按机组停运率确定的最优备用容量61.1 MW 比按传统事故备用容量确定的系统总备用容量150 MW 减少了88.9 MW，由此备用总成本由1 004.5 /h 降为503.18 /h，减少了49.9%，相应的系统污染物排放费用和系统总运行成本分别降低了25.5%和18.2%。比较情况②和③可知，IL 参与备用后发电侧备用容量和成本均有明显减少，系统污染物排放费用由533.54 /h降为462.97 /h，降低了13.2%，系统运行总成本由2 197.18 /h 降为2 024.22 /h，降低了7.9%。说明IL 参与备用后虽然备用成本有所增加，但减少了污染物排放和系统总成本，达到了节能减排的目的。

由表6 中情况①和③可看出，按发电机组停运确定系统最优备用减少了系统总备用容量，改变了传统备用的备用容量分布。由情况②和③可知，IL 参与备用后系统备用容量分布也发生了较大变化。IL 不参与备用时，系统所有备用容量均由发电机组提供；IL 参与备用后减少了发电侧备用容量的配置，备用报价较低的用户被优先调用，在保证系统安全经济性的同时，抑制了发电商在备用市场中的市场力。

表1 发电机特性参数Tab.1 Parameters of generator

表2 发电机污染排放系数及备用报价Tab.2 Unit emission parameters and reserve bids

表3 可中断负荷参数Tab.3 Parameters of ILs

表4 不同机组停运时的备用容量情况Tab.4 Reserve capacity with different shut-down generators

表5 系统经济效益比较Tab.5 Comparison of grid’s economic benefits

4 结语

本文考虑到发电机组污染物排放和备用电量成本对系统运行费用的影响，建立一种基于最优潮流的主备用资源联合优化模型，研究了由发电机组停运率确定系统最优备用容量和可中断负荷参与备用对市场运行和备用容量分布的影响。IEEE14 节点算例表明，按机组停运率确定系统最优备用容量比传统事故备用容量法有更好的经济性。可中断负荷参与备用虽然增加了系统备用成本，但减少了污染物排放费用，降低了系统总运行成本，达到节能减排的目的，优化了备用资源配置。

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