电力市场中基于动态运行备用的安全约束经济调度方法

白杨， 罗钢， 陈雨果， 赖晓文

(1.广东电网有限责任公司 电力调度控制中心，广东 广州 510600； 2.清华大学 电机工程与应用电子技术系，北京 100084)

0 引 言

运行备用是电力系统运行方式安排中的重要内容，其目的在于平抑负荷预测偏差带来的供需不匹配，满足电网设备故障导致的功率缺额。传统电网运行方式安排中，往往采用恒定运行备用预留方法，其主要特征在于根据电网极端方式下负荷预测偏差影响和单一元件故障可能导致的最大功率缺额，确定全天各时段的运行备用水平，据此编制发电机组发电计划[1-2]。

恒定运行备用预留方法中，极端方式出现的概率较小，持续时间较短，导致据此预留的运行备用在运行过程中往往没有得到充分利用，客观上造成运行备用低效的实际问题，同时由于大量发电资源用于运行备用预留，实际可用发电容量受到影响。为此，理论界和工业界开展了大量合理预留运行备用的研究和实践。文献[3-4]考虑风电波动性对电网运行备用的影响，通过对风电波动性和负荷波动性的对比，提出了两种波动源运行备用共用的方法。文献[5-6]考虑运行备用的历史利用率，提出了将运行备用根据实际调用情况进行合理削减的方法。文献[7]结合运行方式，提出了将根据实际发电计划调整运行备用的计算方法。

本文将在上述研究的基础上，进一步明确运行备用的基本概念，提出一种基于实时运行方式的扩展运行备用测算方法。将其引入经济调度中，通过运行备用预留和经济调度两个子问题的迭代，实现基于动态运行备用的输电网经济调度优化。最后基于IEEE-30节点系统构造算例验证本文所提出方法的有效性。

1 动态运行备用的基本概念与测算方法

1.1 基本概念

运行备用是电网运行过程中，处于“热备用”状态，可随时调用的发电资源。预留运行备用的目的包括[8]2：平抑负荷预测偏差；满足电网单一元件故障导致的功率缺额。电力系统运行过程中，电网运行状态每时每刻都在发生变化，传统运行方式安排由于精益化程度不高，难以做到运行备用预留随电网运行状态的变化而变化，被迫采用极端方式下最大运行备用预留的恒定预留方式。

所谓动态运行备用，则是根据电网运行方式的变化实时调整运行备用要求，保证运行备用与运行方式实时匹配的备用预留模式。

1.2 测算方法

实施动态运行备用，其难点在于必须做到运行备用与运行方式的实时跟踪匹配。为此本文提出的动态备用测算方法,其实施流程如图1所示。基本思路是通过实时分析负荷预测偏差和单一元件故障扫描,实现对电网运行方式的动态掌控，具体方法如下:

(1)电网运行方式预编制。根据电网运行方式预编制结果，掌握次日任一时段的机组发电计划、节点负荷预测和输变电设备潮流等基础信息。

(1)

(2)

图1 运行备用计算流程

2 基于动态运行备用的安全约束经济调度

2.1 实施流程

由上述分析过程可知，任一时段的运行备用由该时刻的电网运行方式决定。不同的运行方式对运行备用的要求不同。在运行备用与电能联合优化系统中，电网经济调度问题不仅需要考虑电能市场成本，还需要考虑运行备用市场成本。由于发电机组发电能力是一定的，其提供电能服务和运行备用服务的能力总量是确定的，因此在运行备用-电能联合经济调度问题存在较强的耦合关系。

为此，本文所提出的基于动态运行备用的输电网安全约束经济调度方法的实施流程如图2所示。下面将分别介绍各步骤的具体内容。

图2 经济调度实施流程

2.2 给定运行备用下的电能市场经济调度

该步骤的实施目的为根据给定运行备用，编制发电机组发电计划，该模型可表示如下[9-10]：

(3)

该模型以电能和运行备用成本最低为目标，所考虑的约束依次为节点功率平衡约束、系统运行备用约束，输电线路功角平衡约束、线路潮流容量约束、发电机组出力上下限约束和发电机组爬坡约束。基于该模型可以实现在给定运行备用要求下系统最优发电计划编制。所需要的运行备用由下一步骤计算得到，通过两者反复迭代实现对上述问题的求解。

2.3 给定运行方式下的运行备用预留

基于上一步所编制的发电计划运行方式，可以基于本文第一节所提出的动态运行备用计算方法测算各时段所需要的运行备用。这里不再赘述其实施流程。

2.4 收敛性判定

(4)

3 算例分析

3.1 基础数据

本文将根据我国某省区实际电网数据构造算例，以验证本文所提出方法的有效性。该系统中负荷曲线如图3所示，最高负荷为13 500 MW。系统装机17 100 MW，共计10个电厂，38台发电机组。

图3 负荷曲线

3.2 结果分析

算例中，A发电厂装机容量为1 200 MW，仅通过单线并网。若该输电线路跳闸，则A发电厂与系统解列。该故障为系统中单一元件导致最大功率缺额的故障。

按照传统运行备用模式，仅考虑单一元件故障导致功率缺额一方面影响就须预留运行备用1 200 MW。而在动态运行备用模式下，各时段的运行备用则由该时段运行方式决定，实际上虽然A发电厂送出线路跳闸将导致该电厂对外停止供电，但是由于该电厂当天最大出力仅为1 000 MW，因此基于动态运行备用预留方法，只需要预留1 000 MW的运行备用。全天各时段的运行备用对比如图4所示，可以发现在负荷高峰时段，由于发电机组出力普遍较高，因此运行备用需求也较高，而在低谷时段，发电机组往往出力较低，因此所需要运行备用也相对较低。

图4 运行备用曲线

从电网运行成本来看，如图5所示，传统模式下由于运行备用要求较高，实际上导致发电机组的发电能力大量被占用，预留为运行备用，造成电能和运行备用成本都较动态运行备用模式较高。

图5 成本对比

4 结束语

本文深入分析了传统恒定运行备用模式下备用低效的问题，提出了动态运行备用测算方法，在此基础上进一步完善提出了基于动态运行备用的输电网安全约束经济调度方法。该方法能够有效降低系统运行备用水平，实质上提高了发电机组的电能可用性，对提升电网运行效益成效显著。