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火电机组日前节能发电调度机组组合

文档作者：谢国辉张粒子舒隽王家兴文档来源： 1．华北电力大学电气与电子工程学院2．福建省福州超高压输变电局		点击数：	更新时间： 2021年06月07日
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第23卷第2期
2O11年4月
电力系统及其自动化学报
Proceedings of the CSU—EPSA
Vo1．23 NO．2
Apr． 2011
火电机组日前节能发电调度机组组合
谢国辉 ，张粒子 ，舒隽 ，王家兴。
(1．华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206；
2．福建省福州超高压输变电局，福州350013)
摘要：机组组合是制定日前节能发电调度计划的重要内容，包括确定机组启停状态和经济负荷分配两方面，
对此提出了制定火电机组组合的两种实现方法—— 分步优化和联合优化。前者基于机组排序表确定机组启
停状态后再进行经济负荷分配；后者直接建立以能耗最小为目标、考虑多种约束的日前节能发电调度机组组
合模型，采用启发式动态规划结合等微增率的混合算法进行联合优化求解。实际算例对比分析表明，联合优
化方法是制定机组组合更为精确方法。
关键词：机组组合；节能发电调度计划；排序表；分步优化；联合优化
中图分类号：TM732 文献标志码：A 文章编号：1003—8930(2011)02一Ol22—05
Research on Coal_-fired Unit Commitment of Day。。ahead Energy。。saving
Generation Dispatching
XIE Guo—hui ，ZHANG Li—zi ，SHU j un ，W ANG Jia—xing
(1．College of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric
Power University，Beijing 102206，China；
2．Fuzhou Extra H igh Voltage Power Transmission and Substation Bureau，
Fuzhou 350013，China)
节能发电调度以节能、环保为目标，以全电力
系统内发、输、供电设备为调度对象，优先调度可再
生和清洁发电资源，按能耗和污染物排放水平，由
低到高依次调用化石类发电资源，最大限度地减少
能源、资源消耗和污染物排放_】j。研究节能发电调
度日前机组组合优化方法，是制定日前节能发电调
度计划的关键问题。
目前，关于制定机组组合方法已有研究成果。
收稿日期：2009—09—15；修回日期：2009 11—12
针对传统机组组合模型，国内外众多专家学者已试
验了大量的数学规划方法，如：优先次序法、动态规
划法I2]、拉格朗日松弛法 ]、智能方法_4]和混合整
数规划法等。针对电力市场环境下机组组合方法研
究，文献[5]提出了在电力市场机制下机组组合问
题的数学模型，并运用遗传算法求解。文献[6]提
出一种组合优化方法解决电力市场环境下机组组
合问题；文献[7]提出一种用于求解中期电力市场
基薹一
一一一一一一 一
一嘉～?tu 一帅o ．～nm一～ 一 誊0gh妯～n 一c 一 ～一
一 一 ～
～一 一～一～一～l一c 一 一 一～一
第2期 谢国辉等：火电机组日前节能发电调度机组组合 · 123 ·
机组组合问题启发式方法。针对节能发电调度环
境，文献[8]提出节能发电调度发电计划的编制算
法，首先根据火电机组发电序位表确定机组开机方
法，然后采用等微增率方法进行功率分配。
上述研究是针对传统经济调度和电力市场，目
前针对节能发电调度环境制定火电机组组合方法
的研究文献较少。本文针对节能发电调度模式，提
出分步优化和联合优化的两种制定火电机组日前
节能发电调度机组组合方法。分步优化方法基于机
组排序表确定机组的启停状态再进行经济负荷分
配；联合优化方法则直接建立以能耗最小为目标、
考虑多种约束的日前节能发电调度机组组合模型，
再基于启发式动态规划结合等微增率的混合算法
求解。最后通过实例对两类方法进行比对分析。
1 机组组合的分步优化方法
1．1 机组启停状态确定
根据机组的排序表确定每台机组发电的优先
顺序。机组排序表根据火电机组的设计标准煤耗水
平由低到高排序形成，设计煤耗相同时，按机组污
染物排放水平确定优先顺序。在机组发电优先顺序
基础上确定机组启停状态，具体步骤如下：
1)根据机组优先顺序，满足t时段负荷和备用
需求，确定机组t时段启停状态；
2)进行机组t一1时段启停状态向t时段状态
转移判断i
3)若满足机组启停约束，转入步骤4)；若不满
足，进行t时段启停状态调整，然后转入步骤4)l
4)t— t+1，如果t不大于总时段数T，转入步
骤1)，确定机组t时段启停状态；反之停止，得到机
组全时段的启停状态。
1．2 经济负荷分配
在上述确定的机组启停状态基础上，进行每台
机组全时段经济负荷分配，优化数学模型为
丁 Jf
min F(P )一Σ Σf (P ) (1)
t一1 i一1
约束条件：
功率平衡约束
f
ΣP 一P 一0 (2)
f一1
机组功率约束
P ⋯ ≤ P ≤ P ，⋯
机组爬坡速度约束
P ～ P ≤ PuP
(3)
(4)
P 一P ≤ P “ (5)
直流潮流约束
～ P ≤ Sj，kPs， t≤ Pk⋯ (6)
J一1
式(1)～ (6)中：i为机组号( 一1，2，⋯ ，J )，
为每个时段入围机组数；f为时段号(f= 1，2，⋯ ，
T)，T为时段数iP 为机组i在t时段的有功出力，
单位Mw；f (P )为机组i的煤耗特性曲线，可以
通过参数实测或配套的煤耗在线监测设备实时获
得。P 为第t时段的负荷；P⋯⋯P⋯ 分别为机组
i的最小和最大出力；PP 、P ⋯ 分别为机组i的升
降出力速率lSⅢ 为第 节点注l入功率对第k条线
路潮流的灵敏度；P⋯ 为第J节点的净注入功率；
P 为第k条线路的稳定极限。
1．3 求解算法
直流潮流约束下，模型(1)中所有约束条件都
为线性约束，目标函数中的机组耗量特性曲线函数
可以近似用二次函数进行拟合，故本文采用二次规
划算法求解模型(1)。
2 机组组合的联合优化方法
分步优化方法简易快速，不过，由于机组启停
状态和经济负荷分配二者相互依存，分步优化方法
对二者进行了简单解耦优化，可能不能获得最佳的
优化效果。为了精细化制定日前发电调度机组组
合，本文提出联合优化方法。
2．1 目标函数
以降低系统煤耗为目标，并考虑启动煤耗，建
立日前节能发电调度的机组组合模型，通过求解较
完备的机组组合模型实现确定机组启停状态和经
济负荷分配的联合优化。
丁 J
min F(U ，P )一Σ Σ[ · (P )+
t= l i一1
U (1一U 1)SC ] (7)
2．2 约束条件
启停变量约束
U 一0或1 (8)
功率平衡约束
J
ΣU P 一P 一0 (9)
2— 1
机组功率约束
己， P ，⋯ ≤ P ≤ P ，⋯U
最小启停时间约束
( ， 1一“ )(T l— TO“)≥ 0
(10)
(11)
· 124 · 电力系统及其自动化学报 第23卷
(M ——“ 1)(一T ， ——1 “)≥ 0 (12)
机组爬坡速度约束
U P 一U
， P ≤ PuP (13)
U
， 1 P
， 1一U P ≤ P ⋯ (14)
负荷备用约束
f
ΣU P⋯ ≥P +R (15)
i= l
直流潮流约束
一
⋯ ≤Σs P ≤P (16)
J= 1
式(7)～ (16)中：i为机组号(i一1，2，⋯ ，D，
为所有机组总数；U 为机组i在t时段运行状态，
U 一1运行，U ===0停机；SC 为机组i的启动煤
耗，为停机时间的函数。 “、丁。ff分别为机组i允许
最小连续停机时间和允许最小连续开机时间；R
为t时段系统备用需求。
2．3 求解算法
上述建立的联合优化模型是复杂多约束的机
组组合模型。本文采用启发式动态规划结合等微增
率法的混合优化算法求解模型(7)，整个算法流程
如图1所示。
采用优先次序方法，
形成T时段机组组合状态集
I
考虑时段 司的约束条件进行可能状态转移的判断I
I
对每种可转移状态，应用等微增率进行经济负荷分配
I
求取各时段机组状态变量最优转移路径
I
逆推求得最佳转移路径，各时段机组的启停状态和
最优出力分配及时段间的启停煤耗
●
输出优化结果
图1 联合优化算法流程
Fig．1 Algorithm of joint optimization
1)确定各时段可能的启停状态组合
首先，根据每个时段的负荷需求，按上述确定
的机组发电优先顺序排序确定每个时段的边际机
组。然后，在边际机组上下范围内适当增加或减少
机组数目，同时满足系统的备用需求，形成每个时
段可能的机组组合状态空间集。
2)最优路径转移策略
最优路径转移策略流程如图2。
f时段第肿状态组合
t-1时段第肿状态组合
根据启停次数、最小启停时间L_J
± ． 1不可行
约束判断f状态转移到f状态 l
可行
考虑爬坡约束修正机组最大和最小功率应用等
微增率法，在满足机组功率约束及其该时段负荷
条件下，求解献态的负荷分配
选择最小转移费用旃定埘段第肿状态对应
t-1时段最佳转移路径和谳态下机组功率分配
Y
图2 最优路径转移策略
Fig．2 Strategy of optimal shift path
3 算例分析
采用某电网中10台火电机组数据，分别采用
分步优化和联合优化两种方法进行日前24时段节
能发电调度机组组合模拟分析。为简化分析，暂不
考虑电网安全约束。Et前24时段负荷预测见图3。
时段数目
图3 日前24时段负荷预测
Fig．3 Load forecast of day— ahead 24 periods
每个时段系统的备用需求取为该时段负荷的
10 。本文算例根据机组出力点对应的煤耗值(已
折算为标准煤)，采用二次曲线拟合机组煤耗特性
曲线，具体参数见表1，表中a、b、C分别为拟合二次
曲线的二次项、一次项和常数项系数。
表1 二次曲线拟合的煤耗参数
Tab．1 Coal consumption parameters using conicfitting
机组机组容量 a／ b／ c／ 设计标准煤
序号 (MW) (g(kW2·h)1)(g(kW2·h)。1) (g·lr1)耗水平／(g(kW ．h)。1)
1 600 0．129 54 163．54 34 57O 301
2 500 0．02 270 20 000 302．5
3 350 0．016 01 5 285．6 8 453 9 311．42
4 300 0．13O 74 232．22 16 007 339
5 250 0．027 867 3O7．03 3 833 3 348．61
6 220 0 022 l8 294．65 5 273．4 339
7 200 0 026 66 303 5 173．3 350
8 125 0．1 95 69 287 88 4 975．4 358
9 1O0 0．524 264 6 840 375
10 50 0．05 379．75 1 732．5 398．34
第2期 谢国辉等：火电机组日前节能发电调度机组组合 · 125 ·
3．1 分步优化模拟分析
(1)机组优先发电顺序
根据机组的设计煤耗水平进行排序，4号机组
和6号机组的设计煤耗水平相同，由于4号机组尚
没有装脱硫设备，故考虑环保因素6号机组优先顺
序高于4号机组，那么最终确定的机组优先发电顺
序为：1、2、3、6、4、5、7、8、9和10。
(2)优化结果分析
分步优化的机组组合情况见表2。
表2 分步优化机组组合
Tab．2 Unit commitment by step optimization
3．2 联合优化模拟分析
(1)联合优化结果见表3。
表3 联合优化机组组合
Tab．3 Unit commitment by joint optimization
(2)与分布优化对比分析
分步优化与联合优化二者最明显差异是3、6
号和5号机组，9号和1o号机组的启停状态上。3、6
号发电优先顺序都高于5号机组，故分步优化方法
下3、6号机组全时段基本不停机；而联合优化方式
下5号机组全时段启机运行，相反3、6号机组停机
的时段则较多。虽然5号机组发电优先顺序较低，
但5号机组煤耗曲线的C值相比3、6号机组要小得
多，由于联合优化方法扩展了机组启停状态的寻优
空间，故权衡多方面因素后选择5号机组是更优结
果。9号和1O号机组情况与此类似。可见，分步优化
方法能够严格体现机组的发电优先顺序，而联合优
化方法则更体现了算法的寻优能力。
进一步对比两种方法下每个时段的运行煤耗。
根据经济负荷分配优化得到的每台机组在各个时
段的出力，计算各时段两种方法运行煤耗的差值，
正值表明分步优化方法运行煤耗高于联合优化方
法，如图4所示。
々0
蓬
时间，h
图4 两种优化方法各时段运行煤耗差值
Fig．4 Period coal— consumption differences
by two optimal methods
由于每个时段机组的启停状态不同，故两种
优化方法下每个时段的运行煤耗存在明显差异。除
7、13和24三个时段外，联合优化方法每个时段的
运行煤耗都低于分步优化方法，从全时段运行煤耗
来看，联合优化方法相比分步优化方法减少标准煤
108 540 kg。计及启动煤耗后，联合优化总标准煤
耗量为13 428 750 kg，而分步优化为13 530 450
kg，减小了101 700 kg。可见，联合优化方法要优于
分步优化方法。
4 结语
本文提出了制定火电机组日前节能发电调度
机组组合的两种优化方法。同一算例对比分析表
明，分步优化方法严格遵循机组排序表，而联合优
化方法则更体现了算法的寻优能力，故联合优化方
法的优化效果更佳。其机组组合制定方案计及启动
煤耗后全天共节省标准煤101 700 kg，节省近0．8
个百分点。不过，联合优化需要获得较精确的煤耗
曲线，并且需要提高算法执行效率从而提高计算速
度，这将做进一步深入研究。
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作者简介：
谢国辉(1981一)，男，博士研究生，研究方向为电力市场、电
力系统分析。Email：xgh0168@163．com
张粒子(1963一)，女，教授，博士生导师，主要从事电力市
场、电力系统分析相关理论及其应用。Email：lzizhang@
public．bta．net．cn
舒隽(1974一)，男，副教授，研究方向为电力市场、电力系
统运行优化。Email：junshu2000@sohu．com
王家兴(1982一)，男，助理工程师，研究方向为电力系统继
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作者简介：
杨洪耕(1949一)，男，教授，博士生导师，主要从事电能质量
及其控制技术的教学和研究。Email：yangsi@ mail．sc．
cninfo．net
明娇(1985一)，女，硕士研究生，研究方向为电力系统电
压无功优化控制。Email：mingjiao7088@ 163．com
代海波(1984一)，男，助理工程师，研究方向为电力系统电
压无功优化控制。Email：dreamdbl314@163．com

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