电网年度发电量计划滚动分解优化方法及应用

涂孟夫，张涛，刘军，史沛然，丁恰

（1.智能电网保护和运行控制国家重点实验室（国电南瑞科技股份有限公司），江苏南京 210061；2.智能电网保护和运行控制国家重点实验室，江苏南京 210060；3.国家电网公司华北分部，北京 100053）

电网年度发电量计划滚动分解优化方法及应用

涂孟夫1，2，张涛3，刘军3，史沛然3，丁恰1，2

（1.智能电网保护和运行控制国家重点实验室（国电南瑞科技股份有限公司），江苏南京 210061；2.智能电网保护和运行控制国家重点实验室，江苏南京 210060；3.国家电网公司华北分部，北京 100053）

介绍了区域及省级电网发电计划编制方式和业务需求，结合国内外中长期发电计划编制已有的研究成果，提出了一种考虑年度计划完成率、启停成本和计划负荷率均衡的年度发电量计划滚动分解优化方法，根据年度发电量计划完成情况，优化常规机组在未来计划时段启停计划和发电负荷率，并为月、周、日的进一步精细化调度计划提供发电量计划目标。在某省级电网中的应用实例分析表明，该方法可为调度中心提供满足年度发电量完成率与电网安全的切实可行的机组停备计划和月、周、日发电量计划，并为新能源消纳和短期电力交易预留空间，从更大时间范围实现对电厂发电量完成进度的跟踪与调控。

发电计划；安全约束；机组组合；电量计划；节能发电；调度

目前，区域及省级电网发电计划的编制是，政府主管部门根据年度经济增长预期和电力电量平衡，综合考虑国家节能减排、资源优化配置等政策和机组运行等条件，制定确定电厂（或者机组）年度发电量计划；调度机构根据电网负荷和安全需求，编制电网各调度周期运行方式，将年度计划电量分解执行[1-2]。因中长期系统负荷预测的不确定性及调度精益化的需求，年度发电量计划的分解执行需要根据电网实际运行情况不断滚动调整。

为强化电网安全运行，促进节能减排和资源优化配置，国家发改委就加强和改进发电运行调节管理提出指导意见，明确提出了促进节能减排、优化安排发电组合，提高发电负荷率等指导意见，并明

确电力调度机构应按照规定条件启动优化程序[2]。因此，年度发电量计划滚动分解时需要充分考虑“三公”调度原则和安全约束，优化机组启停计划，提升发电负荷率，合理安排电厂（机组）月、周、日发电量计划，并根据实际运行情况、短期电能交易和年度电力电量平衡方案的调整，对年度发电量计划分解进行滚动优化。

国内外学者已经对综合考虑各种因素的中长期发电计划编制方法进行了研究。文献[3]和文献[4]提出了电力市场环境下长期（年度）发电计划模型，但这些研究主要是解决电力市场环境下电能计划的优化编制。文献[5]提出了基于月度电力生产的时空均匀性原则的月度发电计划的多目标优化模型；文献[6]提出了基于全周期机组组合的多周期发电计划协调和闭环控制方法，这些研究成果解决了中短期发电计划的优化编制问题，但在实际调度应用中，这些方法要求提供月度发电量计划作为前提条件；并且该月度发电量计划应考虑反映后续机组检修和停备计划、冬季供热和新能源季节性出力波动对年度发电量计划执行的影响。文献[7]针对国内电网中长期电能交易计划编制，提出了一种用于编制月度发电量计划的可灵活拓展的多目标分组计划编制方法，但未考虑安全因素，未能实现机组停备计划的优化。

根据电网年度发电量计划分解优化的实际需求，结合已有研究成果，本文提出了一种基于安全约束机组组合（SCUC）模型的电网年度发电量计划滚动分解优化方法，滚动编制电网年度未来各计划时段常规机组组合计划和平均发电负荷率，确定机组中长期停备计划，为月、周、日等进一步精细化调度计划提供发电量计划目标；保障年度电量计划的执行和节能减排目标的实现。

1 年度发电量计划滚动分解优化方法

本文方法的基本思路是，根据电厂年度计划发电量及过去时间电量完成情况，在满足电网未来负荷平衡、备用需求、机组运行和电网安全等约束条件下，编制未来常规机组的启停计划并使机组计划负荷率与系统负荷率趋势相似，进而得到月、周等更短周期调度的发电量计划。主要流程如图1所示，基本步骤为：

图1 年度发电量计划滚动分解优化方法流程Fig.1 The flow of the rolling decomposition optimization of the annual generation energy plan

1）业务数据初始化。确定年度发电计划滚动分解优化的计划时段，获取未来的负荷预测、备用需求、电量需求、检修计划、联络线交换计划、新能源出力计划、稳定断面和监视元件等信息；统计年度发电量计划完成情况。

2）求解各计划时段启停状态、计划负荷率以及高峰、低谷有功出力。

3）根据各计划时段机组启停状态和高峰、低谷有功出力，进行静态安全校核；若没有新增元件潮流越限，则进入步骤4），否则计算新增越限元件的灵敏度信息，进入步骤2）。

4）迭代结束，生成未来计划周期内发电机组的启停计划、计划负荷率，并计算各月、周、日电厂（或机组）的发电量计划。距较近时间的当月及次月的机组停备和发电量计划，可以经审批后进入短期（月、周、日）发电计划环节；较远时间的结果可供系统检修、运行计划安排参考。

2 年度发电量计划滚动分解优化模型

2.1 优化时段

年度发电量计划滚动分解优化重点解决较长周期内机组的停备与发电量计划，相对日前发电计划，中长期的系统负荷预测、检修计划、联络线交换计划及新能源功率预测都有一定的不确定性。因此，年度计划滚动分解算法的设计遵循兼顾优化计算性能和关键需求的基本原则，以连续多日（如连续5 d、7 d（周）等）作为一个优化时段，可根据电网规模和计算性能需求，设置优化时段时间长度。

年度电量计划分解需要保障电网高峰、低谷时刻出力和备用能力满足系统需求。在大规模新能源并网的情况下，因为风电等新能源的反调峰特性，使电网有可能在低谷时刻面临下旋备用不足而被迫弃风。因此，每个优化时段的设置应当分别考虑高峰、低谷时刻出力和备用约束。

2.2 优化变量

考虑系统内有I个发电机组，这些机组分属于G个电厂（市场成员或者计划单元）；年度计划分解未来计划时间共分为T个计划时段（连续多日作为一个时段），优化变量为每个时段机组的高峰出力、低谷出力和机组组合状态u（i，t）及机组的平均发电负荷率η（i，t）。

2.3 优化目标

年度发电量计划滚动分解需要考虑如下目标。

2.3.1 年度发电量计划完成率均衡

现有政策规定年度发电量计划分解要保证依据节能减排等原则制定的电厂年度发电量计划的完成率，完成率偏高或者偏低都有违公平调度和节能减排原则。对电厂g，有：

式中：Q（i，t）为机组i在t时段的发电量分解计划；η（i，t）为机组i在t时段的平均负荷率；Q（g）为电厂g年度分解计划完成电量；Q′（g）为截止到滚动计划开始时间电厂g已经实际完成的发电量；H（t）为t时段时长；T为所有计划时段集合；Cap（i）为机组i的额定容量。

电厂g年度发电量计划完成率偏差Δl（g，tm）可表示为：

式中：Q0（g）为政府主管部门批复的电厂g年度发电量计划和市场交易电量总和。

为了克服完成率偏差大小没有区分度、量化并控制计划发电量完成率偏差，引入完成率偏差分段虚拟惩罚成本因λ，λ随计划完成率偏差增大逐段线性递增，即随着电厂发电量计划完成率偏差的增大而急剧增加，以达到电厂年度发电量完成率偏差最小目标。

年度发电量计划完成率偏差惩罚成本函数D（g）（见图2）可表示为：

式中：S为完成率偏差分段总段数；λ（s）为完成率偏差在第s段的虚拟惩罚成本因子；Δp（g，s）为电厂g完成率偏差在第s段上的偏差变化量，为非负值。

因此，年度发电量计划完成率均衡目标可表示为：

图2 年度发电量计划完成率偏差惩罚函数Fig.2 Penalty function for the deviation from the annual energy plan

2.3.2 机组启停成本最小

因为常规燃煤机组启停时间长、启停成本高，因此，在保障机组计划完成率和负荷率的情况下，应避免机组频繁启停，即机组启停成本最小，可表示为：

式中：y（i，t）为机组i在t时段是否开机标识变量；Cst（i）为机组i启机成本，在实际应用中可根据电网运行需求和机组启停调峰的优先顺序，确定机组启机成本，达到有序安排机组停备的目标。

2.3.3 各时段机组计划负荷率均衡

机组计划负荷率均衡的目的是通过最小化机组各计划时段平均负荷率的相对差异，使机组在各计划时段保持相对均衡的裕度并与系统负荷趋势一致。与计划完成率偏差惩罚函数建模类似，同样引入机组计划负荷率与后续计划平均负荷率偏差惩罚函数F（i，t）来实现机组计划负荷率均衡控制：

式中：B为计划负荷率偏差分段总段数；β（b）为计划

负荷率偏差在第b段的虚拟惩罚成本因子；Δq（i，b，t）为机组i在t时段计划负荷率偏差在第b段上的偏差变化量，为非负值；为机组i后续计划平均负荷率，根据机组剩余计划发电量、可用容量和可运行时间计算。

因此，各时段机组计划负荷率均衡的目标可用F（i，t）表示，即：

2.4 约束条件

发电量计划滚动分解优化需要考虑的约束包括：

1）系统负荷平衡约束

2）系统备用约束

3）月（周）发电量计划约束和

式中：m为月份（或者周）；α（m）为系统m月份电量需求预测与系统全年未来时间电量需求预测总和的比例（事先扣减联络线交换电量计划），因为电网实际运行中可以通过短期交易增减发电电量计划，因此电网的月（周）电量需求并不严格等于当月（周）的年度计划分解电量总和。

4）机组计划负荷率区间约束

因为常规机组均有承担调峰的义务，因此，计划出力和平均负荷率应满足如下约束：

式中：α（i）为机组计划负荷率修正系数，参考机组类型设置。

5）全厂出力约束，全厂出力约束将降低机组实际提供备用的能力，因此：

6）电厂运行机组数约束

7）高峰时刻电网安全约束

年度发电量计划滚动分解的其他约束如机组启停时间约束、机组出力约束和机组固定出力等约束与常规安全约束机组组合方法一致，同时年度计划电量分解时段所代表的时间较长，因此机组调节速率对结果的影响可以忽略。实际应用中为保证优化结果的收敛，可能需要考虑备用和潮流约束的松弛，具体参见文献[8-11]。

2.5 多目标优化求解

年度发电量计划滚动分解的多个优化目标在实际调度中有明确的优先顺序，因此可采用多目标优化的约束法求解，如图3所示。

3 应用算例分析

基于本文方法开发的年度电量计划滚动分解模

块已在某省级电网智能电网调度控制系统中得以实现，优化模型采用CPLEX优化软件包求解。以该电网2014年年初年度电量计划分解优化为例，包括166台统调常规机组及15个主要稳定断面，非统调机组、新能源机组按典型出力以典型出力方式计入系统平衡和安全约束，以5 d为一个时段，月末时段4～6 d，共72个时段；常规燃煤机组计划负荷率区间0.65～0.85，燃气机组计划负荷率区间0.55～0.8，供热机组供热期负荷率区间0.72～0.8，机组计划负荷率修正系数依据运行经验数据取1.1；高峰时刻上旋备用和低谷下旋容量2 000～4 000 MW；机组最小运行和停运实际为10 d。

图3 年度发电量计划滚动分解优化多目标求解流程Fig.3 Multi-objective optimization solving process of the annual energy plan

3.1 算法效率分析

不同时段长度和时段数情况下算法规模及多次平均计算时间如表1所示。

表1 不同时段下算法规模及计算时间Tab.1 Algorithm size and computation time in different periods

由表1可知，5 d或者7 d（周）一个时段的算法规模及计算时间可以满足网省级电网年度发电量分解业务的需求；随着年度计划的执行或者增大时段长度，优化计算时段减少，计算效率将显著提高。

3.2 开机容量和停备容量

各计划时段系统负荷需求、开机容量（含联络线交换计划）图4所示，系统各计划时段的开机容量满足负荷需求并保留有适当的备用容量；因为冬季低谷新能源典型出力较大并且有供热机组新投产引起系统备用不足，因此在短期调度中需要根据新能源短期功率预测调整联络线计划或调度抽蓄等调峰机组满足系统运行需求。

图4 各时段系统负荷需求和开机容量Fig.4 System energy demand and running capacity in each period

优化结果在既有检修计划安排基础上增加了机组停备计划，如图5所示，考虑网络安全约束后，停备容量略有减少。系统通过优化机组停备计划可有效提高运行机组的计划负荷率，有利于新能源消纳和节能减排。

图5 各时段新增停备容量Fig.5 The newly added reserve capacity in each period

3.3 安全约束分析

考虑安全约束前后某稳定断面高峰时刻潮流如图6所示，通过优化机组停备计划和高峰时刻出力满足了电网安全约束。

图6 某稳定断面高峰时刻潮流Fig.6 Tidal current in a stable section

与该稳定断面相关的某电厂全厂高峰时刻出力和计划负荷率情况如表2所示。结合式（1），安全

约束主要通过影响机组高峰时刻出力进而间接了影响机组停备计划和计划负荷率和计划发电量，在本方法计划负荷率均衡优化目标的作用下，计划负荷率距最高负荷率有一定的裕度，因此安全约束对机组计划负荷率的直接影响较小。

表2 某电厂高峰时刻出力和计划负荷率Tab.2 Peak power output and planned load rate of a plant

3.4 平均计划负荷率

优化后部分机组各计划时段平均计划负荷率如图7所示，除供热机组冬季供热期外各机组平均计划负荷率趋势相似并且各周期负荷率相对均衡，有利于电厂的生产计划安排；其中在3月供热期结束后电量需求较大和机组检修原因机组计划负荷率较高。

图7 部分电厂各时段计划发电负荷率Fig.7 Planned power generation load rate of some power plants at different time periods

优化前后系统常规火电机组计划负荷率如图8所示。优化后，常规机组高峰时刻计划负荷率平均提高5.72%，低谷时刻计划负荷率平均提高3.73%，常规火电机组负荷率的提升，将提高火电机组运行效率，降低实际煤耗，促进节能减排。

3.5 滚动分解计划与实际发电量对比

在该省级电网发电计划编制中使用该发电量计划滚动分解方法，并在每季度末（3月、6月、9月）根据调整后的检修计划进行滚动修正，部分电厂1—10月的滚动分解计划与实际发电量如表3所示。实际应用情况表明根据该方法编制的停备计划能够满足系统运行需求，发电量计划误差较小，有利于电网的精细化调度。

图8 优化前后系统常规火电机组计划负荷率Fig.8 The planned load rate of the conventional thermal power unit before and after optimization

表3 电厂计划发电量与实际发电量Tab.3 Planned power generation and actual power generation in a power plant

4 结语

本文针对区域及省级电网年度发电量计划滚动分解执行的实际需求，提出了综合考虑计划完成率、启停成本和计划负荷率均衡以及电网运行和安全等约束条件的年度发电量计划滚动分解优化方法。在某省级电网的应用表明，该方法可以编制兼顾年度发电量完成率与电网运行需求的切实可行的机组停备计划和月、周发电量计划，有助于调度机构从更大时间范围实现对电厂发电量计划完成进度的跟踪与调控。

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正的暂行办法：电监市场[2003]46号[A/OL].[2011-08-16].http://www.nea.gov.cn/2011-08/16/c_131052767.htm.

[2]国家发展改革委关于加强和改进发电运行调节管理的指导意见：发改运行[2014]985号[A/OL].[2014-05-22].http://www.sdpc.gov.cn/gzdt/201405/t20140522_612453.html

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（编辑 董小兵）

An Optimization Method for the Rolling Decomposition of Annual Energy Plan and Its Application

TU Mengfu1，2，ZHANG Tao3，LIU Jun3，SHI Peiran3，DING Qia1，2
（1.State Key Laboratory of Smart Grid Protection and Control（NARI Technology Co.Ltd.），Nanjing 210061，Jiangsu，China；2.State Key Laboratory of Smart Grid Protection and Control，Nanjing 210061，Jiangsu，China；3.The North China Branch of State Grid Corporation of China，Beijing 100053，China）

This paper introduces the current generation scheduling process of regional and provincial power grids，and analyzes the guiding option on the effects of the generation management of China government on the decomposition of the annual energy plan.The paper summarizes the research achievements on the long-term generation scheduling both at home and abroad.On the basis，it proposes an optimization method for the rolling decomposition of the annual energy plan，which minimizes the deviation of the energy plan completion rates and makes the unit generation load ratio balanced according to the system load trend.The method can optimize the conventional unit commitment plan and generation load of every period in the future.And the paper also provides the energy plan target for further refined generation scheduling on the monthly，weekly and day-ahead basis.The application of this method in a provincial power grid shows that the method is valid and is able to provide feasible unit commitment plan and monthly and weakly energy plan for the power scheduling center which meet the annual power generation completion rates and grid security requirements，leaving sufficient space for new energy consumption and short-term power trade and realizing the tracking and control of the implementation of the annual energy plan of the power plant in the larger time range.

generation scheduling；security constrained unit commit（SCUC）；unit commitment；energy plan；energy saving power generation；dispatching

2016-02-05。

涂孟夫（1976—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为电力市场和调度计划优化；

张 涛（1979—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为电力系统运行与控制；

刘 军（1965—），男，本科，高级工程师，主要研究方向为电力系统运行与控制。

国家自然科学基金资助项目（51577031）；国家电网公司科技项目。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（No.51577031）；State Grid Corporation of China.

1674-3814（2016）09-0050-07

TM734

A