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摘要:介紹了用于三峽電力市場(chǎng)優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué)模型、算法和部分應(yīng)用結(jié)果。三峽—葛洲壩大型梯級(jí)水電站與三大區(qū)、八省(市)的電力系統(tǒng)相連,模型考慮了各種水力和電力約束(水頭變化、回水影響、航運(yùn)約束等要求),采用了新的可加速收斂的夾逼可行方向法和可以從不可行初始解處開(kāi)始計(jì)算的廣義out2of2kilter算法,并利用了大型線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題可分的特性,使該超大型的復(fù)雜非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題變得容易求解。文中用此模型和算法研究了三峽電力市場(chǎng)面臨的多種決策問(wèn)題,結(jié)果表明該軟件系統(tǒng)在確定分電比例和市場(chǎng)價(jià)格以及制定優(yōu)化運(yùn)行方式等方面有重要意義。

0引言

舉世矚目的三峽電站的第1臺(tái)機(jī)組將在2003年投入運(yùn)行,2009年全部建成。包括三峽—葛洲壩梯級(jí)水電站在內(nèi)的華中、華東、廣東等電網(wǎng)構(gòu)成的三峽電力系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題已提上議事日程。

三峽電力系統(tǒng)的分電方案及調(diào)度體制已明確:近期,為體現(xiàn)資源優(yōu)化配置,采用“國(guó)家劃定市場(chǎng),競(jìng)爭(zhēng)決定電價(jià)”的方式,以有競(jìng)爭(zhēng)力的電價(jià)向各地售電;遠(yuǎn)期,按照電力市場(chǎng)規(guī)則運(yùn)行,參與受電地區(qū)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)2003年～2010年大區(qū)間的分電比例也有原則規(guī)定。當(dāng)前的主要問(wèn)題是:

a.在已定的分電比例下,三峽電力系統(tǒng)如何運(yùn)行調(diào)度是最優(yōu)的?

b.若各省(市)報(bào)價(jià),三峽電力市場(chǎng)管理部門(mén)應(yīng)如何協(xié)調(diào)價(jià)格和分配出力?

c.在以上兩種情況下,典型日的運(yùn)行方式應(yīng)如何考慮、協(xié)調(diào)?協(xié)調(diào)不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題?

d.各大區(qū)電網(wǎng)受電后,調(diào)峰和棄水問(wèn)題能否解決?

e.三峽至各大區(qū)輸電線(xiàn)上的送電負(fù)荷曲線(xiàn)應(yīng)該是怎樣的?

這些問(wèn)題的解決,均需要一個(gè)有力的全系統(tǒng)運(yùn)行模擬計(jì)算工具。隨著各地區(qū)電網(wǎng)交易市場(chǎng)的成熟,三峽電力系統(tǒng)將逐步向市場(chǎng)化體制過(guò)渡,為了研究電力市場(chǎng)下的一些規(guī)則、體制和監(jiān)管交易的公平、合理性,也需要一個(gè)全系統(tǒng)的交易市場(chǎng)模擬計(jì)算工具。為此,我們開(kāi)發(fā)了一套“三峽跨區(qū)電力市場(chǎng)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)”,用于電力交易市場(chǎng)下的交易和運(yùn)行決策。目前所說(shuō)的電力市場(chǎng)下的交易決策,實(shí)際上是交易與運(yùn)行決策的統(tǒng)一[1],是保證安全和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化調(diào)度[2]。在短期調(diào)度中,它是指:系統(tǒng)在滿(mǎn)足各種供電需求、安全、質(zhì)量等約束條件下(包括需求特性、備用、檢修、用水、機(jī)組啟停調(diào)峰等),制定發(fā)電、輸電和交易計(jì)劃,使全系統(tǒng)的社會(huì)效益最大,亦即同時(shí)完成交易決策和運(yùn)行優(yōu)化。

本文將介紹“三峽跨區(qū)電力市場(chǎng)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)”的模型和算法,并用它研究三峽電力系統(tǒng)運(yùn)行中的調(diào)峰、分電方式和電價(jià)等有關(guān)決策問(wèn)題。應(yīng)用中可能有兩種情況。

a.在已知各省(或大區(qū)、大機(jī)組)報(bào)價(jià)曲線(xiàn)時(shí),可進(jìn)行(三級(jí)系統(tǒng))交易市場(chǎng)的模擬。即在已知三峽電力系統(tǒng)可用水量(或來(lái)水及初、末來(lái)水位)的條件下,進(jìn)行電力、電量交易分配的計(jì)算。

b.在尚不知各省(或大區(qū))報(bào)價(jià)曲線(xiàn)時(shí),可采用其邊際成本曲線(xiàn)作為報(bào)價(jià)曲線(xiàn)。因?yàn)樵谕耆?jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)下,市場(chǎng)價(jià)格趨于系統(tǒng)的邊際成本,電廠(chǎng)的報(bào)價(jià)接近其自身的邊際成本。本系統(tǒng)的市場(chǎng)模擬包括了三峽、大區(qū)、省、電廠(chǎng)、機(jī)組5級(jí)系統(tǒng),各省(市)的報(bào)價(jià)曲線(xiàn)可以采用競(jìng)爭(zhēng)后的省(市)邊際成本曲線(xiàn)。這里只計(jì)入了可變成本(電量成本),需要時(shí)也可計(jì)入容量成本。

1數(shù)學(xué)模型和算法

為研究三峽電力系統(tǒng)的短期最優(yōu)運(yùn)行方式和交易決策,建立了以三峽—葛洲壩梯級(jí)水電站為中心,向華東、華中、廣東等大區(qū)送電的數(shù)學(xué)模型。

1.1約束條件

a.三峽有4個(gè)分廠(chǎng),葛洲壩有2個(gè)分廠(chǎng),各分廠(chǎng)有共同的上、下游水庫(kù),分廠(chǎng)的流量和出力相互影響。

b.三峽—葛洲壩間有回水影響,且兩電站下游均有航運(yùn)約束(出力變化率約束及最小流量約束等),是時(shí)間相關(guān)的約束。

c.三峽具有季調(diào)節(jié)特性,葛洲壩具有日調(diào)節(jié)特性,有相應(yīng)的上下游水位、發(fā)電和棄水流量等上、下限約束。

d.三峽—葛洲壩梯級(jí)水電站通過(guò)直流輸電線(xiàn)向華東、廣東大區(qū)送電,通過(guò)交流輸電線(xiàn)向華中送電。三峽至大區(qū)間聯(lián)絡(luò)線(xiàn)上均有日交易電量和功率上、下限(安全、阻塞或出力過(guò)程)約束。

e.各大區(qū)將電能轉(zhuǎn)送給各省(市)。各省(市)可以是單一受電商,與三峽有合同日電量或出力曲線(xiàn)約束;也可以是轉(zhuǎn)送站,下設(shè)各類(lèi)電廠(chǎng)或機(jī)組(如火電、水電、核電、抽水蓄能、燃機(jī)),考慮了火電的燃料成本、啟停和水電的不同調(diào)節(jié)特性。各省(市)有自己的負(fù)荷,并可從大區(qū)直屬?gòu)S購(gòu)電。直屬?gòu)S可以是屬于大區(qū)電網(wǎng)公司的大水電廠(chǎng)、抽水蓄能電廠(chǎng)或核電廠(chǎng)等,它們可以參與或不參與競(jìng)價(jià)。

1.2目標(biāo)函數(shù)

電力市場(chǎng)下的目標(biāo)函數(shù)是全系統(tǒng)的社會(huì)效益最大。在當(dāng)前條件下,可變?yōu)橐韵聝煞N形式。

a.全系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)(包括所有電廠(chǎng)、機(jī)組的運(yùn)行成本和輸電成本等)最小。這時(shí),可進(jìn)行從三峽、大區(qū)、省、電廠(chǎng)到機(jī)組的5級(jí)系統(tǒng)的模擬優(yōu)化計(jì)算。機(jī)組可采用成本微增率曲線(xiàn)或報(bào)價(jià)曲線(xiàn)。

b.三峽—葛洲壩梯級(jí)水電站售電收益最大。在電力市場(chǎng)下,若三峽和各省(市)售、購(gòu)方分別報(bào)價(jià)使社會(huì)效益最大,則可能三峽電量不能全部被吸納。若認(rèn)為三峽電能按長(zhǎng)期規(guī)劃的要求售出是國(guó)家的利益最大,則在三峽日發(fā)電量和大區(qū)分電比例一定的情況下,上述目標(biāo)變?yōu)槿龒{—葛洲壩梯級(jí)水電站售電收益最大。這時(shí),可進(jìn)行三峽—大區(qū)—省3級(jí)系統(tǒng)的市場(chǎng)模擬計(jì)算。省局采用的購(gòu)電價(jià)格—功率曲線(xiàn)可以是數(shù)條日等值價(jià)格曲線(xiàn)或每小時(shí)報(bào)價(jià)—出力曲線(xiàn)。

1.3算法

可見(jiàn),這是一個(gè)有復(fù)雜約束的超大型非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題,變量維數(shù)達(dá)4萬(wàn)多個(gè),沒(méi)有現(xiàn)成的算法可以采用。國(guó)內(nèi)外互聯(lián)電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中曾用的Lagrange松弛法[3,4]、Bender分解法、D2W分解法等都無(wú)法使用。為此,經(jīng)多年努力,我們研究開(kāi)發(fā)了新的算法和相應(yīng)的實(shí)用軟件,包括:

a.可加速收斂的可行方向法——夾逼可行方向法;

b.利用問(wèn)題的可分性,將大型線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題分解的新算法;

c.用于快速求解網(wǎng)絡(luò)流子問(wèn)題的廣義out2of2kilter算法[5],可以從不可行的初始解處開(kāi)始計(jì)算,對(duì)迭代計(jì)算十分有利;

d.用松弛和分解法處理整數(shù)問(wèn)題的方法。

這一系列新的算法,使這一超大型非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題變得容易求解;同時(shí),又能適應(yīng)三峽電力市場(chǎng)模型復(fù)雜、多變的要求(如增加供電區(qū),增加航運(yùn)、交易量約束等)。為了說(shuō)明該算法和模型在電力市場(chǎng)決策和分析中的作用,我們研究了以下方案(本文算例暫用燃料成本,今后可按上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算)。

2基本方案

該方案的目的是研究在三峽電力系統(tǒng)可用水量(或初、末蓄水量及來(lái)水量)和送大區(qū)的分電比例一定的情況下,若不計(jì)三峽—葛洲壩梯級(jí)水電站發(fā)、輸電成本,按各省和大區(qū)的已有資源、負(fù)荷需求及安全(阻塞)條件,三峽—葛洲壩電能應(yīng)如何分配才能使全系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)最小。這是一種使三峽—葛洲壩電能盡量被吸納的最優(yōu)能源利用方案。該方案僅在三峽—葛洲壩送各大區(qū)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)上,按規(guī)定的分電比例,設(shè)日電量約束和功率上限約束(未加至各省(市)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)上的電量約束)。以2005年夏季(8月)豐水期、平水年為例,說(shuō)明三峽—葛洲壩應(yīng)采取的送電方式(其他年份汛期情況與此相似,非汛期情況另文介紹)。屆時(shí),三峽已裝機(jī)12臺(tái)700MW,為圍堰發(fā)電期,上游水位135m。三峽日平均入庫(kù)流量35336m3ös,大于滿(mǎn)發(fā)過(guò)水能力,故有正常棄水。各省(市)的負(fù)荷水平如表1所示。

計(jì)算結(jié)果如下:

a.三峽—葛洲壩發(fā)電情況

規(guī)定2005年三峽送電比例為:送華東、廣東各1ö2,不送華中。三峽至華東的二回直流輸電線(xiàn)功率上限共4200MW,至廣東一回直流為3000MW。計(jì)算結(jié)果:三峽電站和葛洲壩電站全日滿(mǎn)發(fā),三峽最大出力6217MW,葛洲壩最大出力2470MW。三峽送華東基荷217MW,77.20GW·h;送廣東基荷3000MW,72.0GW·h;不送華中。假設(shè)葛洲壩可送華東1ö3,結(jié)果葛洲壩峰荷多送華東,低谷多送華中,形成對(duì)華中反調(diào)峰900MW的現(xiàn)象,如表2所示。

由于華東負(fù)荷緊張、電源不足,燃(油、氣)機(jī)擔(dān)峰荷成本高(假設(shè)燃機(jī)燃料費(fèi)相當(dāng)于煤價(jià)的2倍及以上),故華東峰荷邊際成本遠(yuǎn)高于華中,吸收能力強(qiáng),輸電能力又允許,故在三峽送華東基荷的同時(shí),葛洲壩為華東調(diào)峰(900MW),為華中反調(diào)峰(-900MW,7h),相當(dāng)華中為華東調(diào)峰900MW。

b.華東受電情況

華東各省(市)受三峽梯級(jí)的電量比例如表3“基本方案”欄所示。

由表3可以看出,向浙江送電最多,這是因?yàn)轭A(yù)測(cè)浙江年最大負(fù)荷增長(zhǎng)最快(10%),增建電源相對(duì)較少,有少量水電調(diào)峰,峰、谷均需三峽送電。上海峰荷短缺較多。故計(jì)算結(jié)果是:三峽高峰大多送上海、江蘇、浙江;低谷送浙江較多;不送安徽(分電比例僅為0.2%)。

各省(市)的最大(時(shí)段)邊際成本如表3“基本方案”欄所示,說(shuō)明優(yōu)化調(diào)度結(jié)果是各省(市)最大邊際成本接近(0.3元ö(kW·h)～0.4元ö(kW·h),相當(dāng)于燃機(jī)成本)。安徽的最大邊際成本僅為0.155元ö(kW·h),故基本不需受電(直屬?gòu)S無(wú)負(fù)荷,表中未示出)。

c.華中受電情況

華中水電豐富,有多座大中型水電站,其調(diào)峰能力很強(qiáng)。8月份江南水系的主汛期剛過(guò),加之河南火電煤價(jià)較低,調(diào)峰能力較強(qiáng),因而,華中低谷可吸收葛洲壩較多的電力,由自己的水、火電調(diào)峰。這樣,就形成了華中可以為華東調(diào)峰的局面。

這種情況不但會(huì)在汛期出現(xiàn),在圍堰發(fā)電期的非汛期,三峽裝機(jī)不足,全日滿(mǎn)發(fā)時(shí)同樣會(huì)發(fā)生(水庫(kù)水位保持135m不變)。不同的是,非汛期允許三峽向華中送電44%(送華東40%、廣東16%)。這樣,三峽可為華東、廣東提供需要的調(diào)峰容量(峰多谷少),低谷大多送華中,即三峽對(duì)華中反調(diào)峰;葛洲壩可按基荷送華中、華東。

以上是未計(jì)入三峽—葛洲壩梯級(jí)水電站發(fā)輸電成本的理想的最優(yōu)能源分配情況,實(shí)現(xiàn)過(guò)程中需采用電價(jià)的杠桿和經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償政策。若考慮三峽發(fā)輸電成本和長(zhǎng)期能源最優(yōu)配置的需要(引入容量電價(jià))等,也不困難。

3減少允許啟停機(jī)組方案

在基本方案的基礎(chǔ)上,受端減少允許啟停機(jī)組臺(tái)數(shù),改變運(yùn)行方式,結(jié)果是:

a.優(yōu)化后,由于設(shè)定的允許啟停機(jī)組(200MW及以下)臺(tái)數(shù)減少,小機(jī)組可能全日停運(yùn)或全日運(yùn)行,總啟停費(fèi)減少,故全系統(tǒng)總運(yùn)行成本比基本方案減少了1.15%。

b.三峽送華中、華東的日電量、峰谷差(有反調(diào)峰)的情況不變,但由于受端啟停機(jī)組數(shù)減少,調(diào)峰能力不足,葛洲壩或其他水電站可能低谷棄水,即所謂“棄水調(diào)峰”。棄水電量約1.11GW·h。

4加送省(市)日電量約束方案

在上述基本方案的基礎(chǔ)上,增加三峽向各省(市)送電線(xiàn)上的日交易電量約束。例如,華東各省(市)的分電量比例(如表3“加省(市)約束方案”欄所示)為:上海40%,浙江23%,江蘇28%,安徽9%,不送華中。結(jié)果是:

a.華東運(yùn)行成本比基本方案增加1.9%。這是由于缺電的浙江受電量比基本方案減少,江蘇、上海、安徽受電量增加,總體上不如不加此約束時(shí)經(jīng)濟(jì)。

b.各省(市)最大邊際成本間的差距加大。這是由于受電減少的浙江燃(油、氣)機(jī)多發(fā),邊際成本提高;江蘇受電增加,邊際成本降低。因此,省(市)間分電比例宜根據(jù)當(dāng)時(shí)的負(fù)荷需求和電源情況做一些調(diào)整,或由市場(chǎng)調(diào)節(jié)。

這里的邊際成本是對(duì)應(yīng)于負(fù)荷平衡方程的影子價(jià)格(根據(jù)優(yōu)化理論,對(duì)應(yīng)于每個(gè)約束條件均有一個(gè)邊際成本,又稱(chēng)影子價(jià)格(或?qū)ε甲兞?,它們都有相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)意義),為單位負(fù)荷變化引起的最優(yōu)總成本的變化量。它的大小反映了與目標(biāo)函數(shù)有關(guān)的各省(市)的負(fù)荷需求、電源結(jié)構(gòu)容量和燃料成本等情況。因此,在電力市場(chǎng)中,研究各地區(qū)的邊際成本或邊際電價(jià),對(duì)決定三峽電價(jià)十分重要(若目標(biāo)中含有固定成本,也有類(lèi)似的意義)。

5計(jì)入三峽電價(jià)的方案

由大系統(tǒng)理論,第2節(jié)基本方案中各省(市)子系統(tǒng)的最優(yōu)解即為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中當(dāng)時(shí)條件下各省(市)可獲得的收益最大解(即平衡解),其邊際成本即對(duì)應(yīng)全系統(tǒng)可接受的報(bào)價(jià)。設(shè)三峽每日一個(gè)價(jià)(豐水期,按燃料成本計(jì)算):送華東0.18元ö(kW·h),送華中0.09元ö(kW·h),其他條件同基本方案。結(jié)果如表4所示。

由于送華東的電價(jià)低于其基礎(chǔ)方案的高峰邊際成本(0.365元ö(kW·h)),而高于其低谷邊際成本(0.098元ö(kW·h)),故華東高峰最大受電功率與表2相同,低谷受電減少。華中則由于三峽定價(jià)比基本方案中湖北、湖南、江西的最小時(shí)段邊際成本還低,故吸收三峽—葛洲壩的電能不變。于是,三峽、葛洲壩因送華東的低谷電能賣(mài)不出去而棄水,結(jié)果總輸出電量有所減少。若調(diào)整三峽電價(jià)為分時(shí)段電價(jià),與各省邊際成本(或電價(jià))相適應(yīng),則可避免這種非正常棄水發(fā)生。

6結(jié)論

本文提出了三峽電力市場(chǎng)的優(yōu)化調(diào)度模型和算法,并利用所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)對(duì)2003年～2007年的市場(chǎng)情況進(jìn)行了大量分析計(jì)算,得到一些有益的結(jié)論:

a.只考慮大區(qū)間的分電量比例約束,送各省(市)的交易電量不加限制,可得到理想的經(jīng)濟(jì)分配情況。這時(shí),同一大區(qū)內(nèi)各省(市)的邊際成本相近(不受電省(市)的邊際成本小于此值)。

b.若對(duì)送各省(市)交易電量加分電比例約束,全系統(tǒng)總運(yùn)行成本增加,各省(市)之間邊際成本差距加大。因此,在長(zhǎng)期規(guī)劃的框架下,近期省(市)間分電比例按負(fù)荷及電源情況做一些調(diào)整,或由市場(chǎng)調(diào)節(jié)為好。

c.若新建機(jī)組按計(jì)劃投運(yùn),三峽定價(jià)合適,各省(市)基本可以吸納三峽電力,僅5月～6月間江南水系與長(zhǎng)江干流水系豐水有重疊時(shí),可能有少量低谷(為調(diào)峰)棄水。建議在華中增建抽水蓄能電站,豐水時(shí)吸收水電低谷電力,高峰向廣東或華東送電,從而大大提高全系統(tǒng)的調(diào)峰能力(抽水蓄能機(jī)組的調(diào)峰能力接近容量的2倍)。一方面,可消除棄水調(diào)峰現(xiàn)象;另一方面,一定比例的抽水蓄能電站作為事故備用,對(duì)提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全、可靠性十分必要。超級(jí)秘書(shū)網(wǎng)

d.各省(市)的運(yùn)行方式,如備用、啟停、調(diào)峰能力等會(huì)影響對(duì)三峽的受電能力,嚴(yán)重時(shí)引起棄水。

e.三峽電價(jià)會(huì)影響能源的合理利用,應(yīng)對(duì)不同地區(qū)、季節(jié)、時(shí)段采用不同電價(jià),并盡量與各省(市)邊際電價(jià)相適應(yīng)。尤其在汛期,為實(shí)現(xiàn)對(duì)華中的反調(diào)峰,價(jià)格的商定和經(jīng)濟(jì)政策的配套十分重要。同時(shí),也證明了所提出的三峽電力市場(chǎng)優(yōu)化調(diào)度模型和算法是有效的,為巨型多級(jí)電力系統(tǒng)的優(yōu)化計(jì)算方法找到了一個(gè)可行的途徑。所開(kāi)發(fā)的三峽電力市場(chǎng)優(yōu)化調(diào)度軟件在進(jìn)行特大型跨區(qū)電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度和交易計(jì)劃計(jì)算方面有很大潛力,可用于市場(chǎng)定價(jià)、交易決策、分電方案、調(diào)峰方式、棄水調(diào)峰等問(wèn)題的研究,簡(jiǎn)化后也可用于日前交易計(jì)劃。

參考文獻(xiàn)

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