一种考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化方法、系统与流程

本发明涉及电力系统调度自动化技术，具体涉及一种考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化方法、系统。

背景技术：

1、水电、火电作为安全约束机组组合与经济调度算法的常规电源，通常以水火电发电成本与启机成本为优化目标，综合考虑机组最大最小技术出力、爬坡滑坡速率、最小开停机时间、最大开停机次数等约束。现有技术未将煤炭库存、煤炭价格、碳排放与火电机组有功功率关联起来，发电计划编制中无法通过煤炭价格优化机组发电成本、煤炭库存影响机组启停、碳排放约束影响煤炭类型选取。与火电类似，现有技术未在实际应用中考虑水库库容、水库水位、水流滞时对水电机组出力的影响，且水电、火电机组出力计划分别作为对方边界条件独立编制，导致机组出力计划执行水平低，增加了系统运行成本，增加了agc调节压力，加大了电网运行风险。

2、伴随以“双碳”为终极目标的新型电力系统建设的快速推进，迫切需要对水电、火电进行精细化建模，显示建立煤炭价格、煤炭库存、碳排放与火电机组的关联关系，将水库库容、水位、梯级水电水流滞时与水电强耦合建模，提升常规电源的精细化调度水平，深度挖掘系统调整潜力，减少碳排放，降低系统运行成本，提升常规电源出力计划执行率与电网安全运行水平。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的一种考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化方法、系统，其实现了煤炭与火电、水库与水电的强耦合建模，考虑了常规电源的碳排放约束限制，提升了常规电源的精细化调度水平。

2、技术方案：本发明的一种考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化方法，包括：

3、获取水火协调优化的边界数据，确定考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化计算周期，生成相应的计算场景；

4、构建以水火电发电成本最小为目标，综合考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化模型；

5、开展边界数据校验，确保考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化模型可行域非空；

6、调用优化求解器，用于求解考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化模型；

7、利用优化求解器求解考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化模型，安全校核以计算场景和优化模型结果数据为边界，采用pq解耦法计算设备潮流；若无新增设备越限，则计算成功；若新增设备越限，则将新增越限设备加入水火协调优化模型，重新调用优化求解器求解，直至得到满足电网安全的水火电发电计划；

8、若计算成功，则输出水火电机组出力、发电成本、启机成本、煤耗量、水库水位结果信息。

9、进一步地，所述边界数据包括省级电网系统运行数据、机组运行数据、联络线计划数据、负荷预测数据、机组群约束数据和电网安全约束数据。

10、进一步地，所述考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化模型包括：

11、以火电机组成本、启机成本和水电机组成本最小为优化目标，碳排放指标为严格约束，具体表达式为：

12、

13、式中，f为优化目标；fi,t为火电机组i在t时的机组发电成本；si,t为火电机组i在t时的启机成本；fw,t为水电机组w在t时的机组发电成本；si为火电机组集合；sw为水电机组集合。

14、进一步地，构建所述考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化模型时，需设定模型约束条件，模型约束条件包括系统运行约束、机组运行约束和电网安全约束。

15、进一步地，所述模型约束条件包括：

16、火电机组出力约束：

17、火电机组出力表示为：

18、

19、0≤δi,l,t≤pi,l-pi,l-1

20、式中，火电机组具有分段热率曲线，共有l段；δi,l,t为第l段出力区间的有功功率；pi,t为机组i在t时的机组出力；pi,min为机组i最小技术出力；ui,t为机组i在t时的运行状态；pi,l为火电分段热率曲线端点功率，其中，起始点pi,0＝pi,min；

21、火电机组耗热量计算：

22、火电机组发电耗热量计算表达式为：

23、

24、式中，hi,b为机组i的基值热率；hi,l为热率曲线第l段微增热率；ci,t为机组i在t时的机组耗热量；

25、火电机组燃料耗量：

26、机组i时段t耗热量为ci,t，使用不同燃料提供热量，每种燃料的耗量为：

27、qi,f,t＝ci,t/hf

28、式中，qi,f,t表示机组i在t时燃料f的耗量；hf为燃料f的热率；

29、进一步引入表示机组i在t时是否使用燃料f的0/1状态变量，机组燃料耗量和燃料使用状态之间的关系表述如下：

30、qi,f,t≤ei,f,tci,max/hf

31、qi,f,t≥ei,f,tci,min/hf

32、式中，ei,f,t为机组i在t时燃料f的使用状态，ei,f,t＝1表示机组i在t时使用燃料f，ei,f,t＝0表示机组i在r时不使用燃料f；两个约束使得qi,f,t和ei,f,t同时非零或者同时为零；ci,min为机组i最小技术出力点耗热量；ci,max为机组i最大技术出力点耗热量；

33、由于同一台机组在同一时刻只能使用一种燃料，引入机组燃料使用状态唯一性约束：

34、

35、运行成本计算：

36、由于同一时刻同一机组燃料使用一种燃料，机组发电成本计算公式为：

37、

38、式中，fi,t为机组i在t时的发电成本；pf,t为燃料f在t时的价格；机组启机成本计算方式类似，不再赘述；

39、碳排放与燃料耗量约束：

40、由于同一时刻同一机组燃料使用一种燃料，机组碳排放约束为：

41、

42、式中，为机组i在t时的碳排放量；rf,t为燃料f在t时的排放系数；为机组i在t时的最大碳排放量；为燃料f调度周期内最大耗量；

43、水电站入库流量计算：下游梯级水电站入库流量包括上游水电站出库流量和自然入库流量，具体表达式如下：

44、

45、式中，τk,j为水电厂k和上游水电厂j之间的水流延迟；为水电厂k的上游水电厂集合；为水电厂k时段t的入库流量；δt为时段长度；为水电厂k上游水电厂j时段t-τk,j的出库流量；表示水电厂k时段t的自然入库流量；

46、水电站出库流量计算：

47、水电站出库流量包括发电流量和弃水流量，具体表达式如下：

48、

49、式中，sk,t表示水电厂k时段t的弃水量；为水电厂k时段t的发电流量；表示水电厂k时段t的出库流量；

50、水电站蓄水量计算：

51、当前蓄水量等于前一时刻蓄水量加上当前时段入库量，减去当前时段出库量，具体表达式如下：

52、

53、式中，vk,t、vk,t-1分别表示水电厂k在时段t、t-1的蓄水量；为水电厂k时段t的入库流量；

54、水电站蓄水量与水位关系：

55、水电厂的水位与蓄水容量一般程非线性关系，但对于库容较小的水电厂来说，可近似将其处理为一阶线性关系，即：

56、vk,t＝ηk(hk,t-hk)+vk

57、

58、式中，hk分别为水电厂k的水位上下限；hk,t为水电厂k在时段t的水位；vk分别为水电厂k在水位上下限时对应的蓄水容量；通常在计算中ηk被设定为常数，表示水电厂k库容与水位之间的转换系数；

59、水电站水位约束：

60、为保证水库的安全运行，水库水位的变化应在一定的限制范围内，如下式：

61、

62、式中，hk分别为水电厂k的水位上下限；分别为水电厂k的水位上下限松弛量；

63、水电机组振动区出力约束：

64、由于水电机组的固有特性，其可运行的出力区间被分割为多个离散出力区间；水电机组h的功率上限为ph,max，下限为ph,min；在水电机组的功率上下限之间扣除振动区后，水电机组h的可行功率运行区间个数为sh，可行功率运行区间上下限为

65、则水电机组功率上下限约束为：

66、uh,tph,min≤ph,t≤uh,tph,max

67、式中，ph,t表示水电机组h时段t的功率；uh,t表示水电机组h时段t运行状态，0-1决策变量，uh,t＝1表示运行，uh,t＝0表示停运；

68、引入0/1状态变量eh,s,t用以表示水电机组h在时段t是否处于可行功率运行区间s内：

69、

70、水电机组功率为：

71、

72、式中，δh,s,t为水电机组h时段t在可行功率运行区间s内的出力；分别表示水电机组h运行区间s的最大、最小功率；

73、水电机组发电流量计算：

74、水电机组发电流量为：

75、

76、式中，qh,t表示水电机组h时段t的发电流量；为水电机组h在时段t处于第s可行区左端点功率处的发电流量；bh,s,t为水电机组h在时段t在可行功率运行区间s内的水耗率，实际运行时，水电水耗率应该按连续电量段非递减；

77、水电站发电流量计算：

78、水电站k的发电流量可进一步表示为电厂内水电机组发电流量累加，具体表达式如下：

79、

80、式中，qk,t表示水电厂k时段t的发电流量；

81、水电站与机组出力关系：

82、水电站k的发电出力可进一步表示为电厂内水电机组出力累加，具体表达式如下：

83、

84、式中，ph,t表示水电机组h时段t的功率；pk,t表示水电厂k时段t的功率；

85、水电机组启动次数约束：

86、水电机组最大启动次数约束：

87、yh,t-zh,t＝uh,t-uh,t-1

88、yh,t+zh,t≤1

89、

90、式中，yh,t表示水电机组h时段t启机状态为0-1变量；zh,t表示水电机组h时段t停机状态为0-1变量；uh,t、uh,t-1分别表示水电机组h在时段t、t-1的运行状态；uh,max表示水电机组h的最大启机次数；

91、水电厂最小开机台数约束：

92、

93、式中，yh,t表示水电机组h时段t启机状态，为0-1变量；μk表示水电站最小开机台数；sk表示水电厂k中水电机组集合；

94、水电机组穿越振动区约束：

95、水电机组所处可行功率区间为：

96、

97、式中，sh,t为水电机组h时段t的有功功率运行区间；eh,s,t用以表示水电机组h在时段t是否处于可行功率运行区间s内；若用δh,t表示水电机组h在t时段是否跨越可行功率区间，则有：

98、δh,t≤|sh,t-sh,t-1|

99、shδh,t≥|sh,t-sh,t-1|

100、式中，sh,t-1为水电机组h时段t-1有功功率运行区间；δh,t为0-1决策变量，若δh,t＝1，则表示水电机组h时段t有功功率运行区间与t-1时刻不同；若δh,t＝0，则表示水电机组h时段t有功功率运行区间与t-1时刻相同；sh为大于水电机组h最大出力的常数，用于辅助求解δh,t；

101、由于绝对值为非线性表达式，因此，对绝对值进行线性化处理：

102、

103、水电机组最大跨越可行功率区间次数约束：

104、

105、式中，为去绝对值的辅助决策变量；δh,max表示水电机组h最大可穿越振动区次数；

106、水电机组和电厂水库流量约束：

107、受机组过流能力以及闸门开度的限制，机组发电流量以及水库的出库流量应在一定的范围内变化：

108、

109、式中，qh,t和分别表示水电机组h时段t的发电流量上下限；qh,t为水电机组h时段t的发电流量；sh,t为水电机组h时段t的弃水量；为水电厂k时段t的出库流量；qsmax,k、qsmin,k分别为水电厂k的最大最小出库流量；

110、始末水位偏差约束：

111、始末水位偏差约束如下：

112、

113、式中，分别为水电厂k的始末水位正负偏差；为水电厂k的初始水位；hk,t为水电厂k时段t的水位，此处t为最后一段；

114、输电设备潮流约束：

115、优化模型求解与安全校核第一轮迭代的断面潮流约束可以描述为：

116、

117、优化模型求解与安全校核第二轮及后续迭代出清的断面潮流约束可以描述为：

118、

119、式中，fps,t为断面s时段t的潮流功率；n表示机组台数；pi,t为机组i时段t的有功功率；为机组i时段t上一轮的有功功率；dk,t为节点k在t时段的母线负荷值；分别为断面s的正反向潮流传输极限；gs-i为机组i所在节点对断面s的发电机输出功率转移分布因子；gs-k为节点k对断面s的输出功率转移分布因子；gs-j为联络线j所在节点对线路s的输出功率转移分布因子；分别为断面s时段t的正、反向潮流松弛变量；为断面s时段t上一轮安全校正结果的交流潮流。

120、进一步地，所述边界数据校验包括完整性校验、合理性校验和关联性校验；其中，完整性校验用于校验数据完备性，合理性校验用于校验数据合理性，关联性校验用于校验约束之间是否冲突。

121、进一步地，所述模型求解与安全校核迭代计算，用于消除电网内设备/断面越限，具体迭代方式如下：

122、考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化模型采用直流潮流计算方式，调整机组运行状态与机组出力消除断面越限；

123、安全校核采用交流潮流计算方式，分析电网越限情况，将新增越限设备和越限时段发送优化模型；

124、开展考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化模型求解与安全校核迭代计算，直至电网无设备越限或达到最大迭代次数为止。

125、基于相同的发明构思，本发明的一种考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化系统，包括：

126、计算场景生成模块，用于获取水火协调优化的边界数据，确定考虑一二次能源耦合与碳排放的水火协调优化计算周期，生成相应的计算场景；

127、优化模型构建模块，用于构建以水火电发电成本最小为目标，综合考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化模型；

128、数据校验模块，用于开展边界数据校验，确保考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化模型可行域非空；

129、优化求解器调用模块，用于调用优化求解器，求解考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化模型；

130、模型求解与安全校核计算模块，用于利用优化求解器求解考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化模型，安全校核以计算场景和优化模型结果数据为边界，采用pq解耦法计算设备潮流；若无新增设备越限，则计算成功；若新增设备越限，则将新增越限设备加入考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化模型，重新调用优化求解器求解，直至得到满足电网安全的水火电发电计划；

131、流程结算模块，用于若计算成功，则输出水火电机组出力、发电成本、启机成本、煤耗量、水库水位结果信息。

132、基于相同的发明构思，本发明的一种考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时该电子设备实现如上述考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化方法的步骤。

133、基于相同的发明构思，本发明的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现如上述考虑一二次能源耦合及碳排放的水火协调优化方法的步骤。

134、有益效果：与现有技术相比，本发明的显著技术效果为：

135、建立了火电机组一二次能源耦合模型，将煤炭价格、煤炭库存、碳排放与火电机组出力计划编制深度关联，通过煤炭价格优化机组发电成本、煤炭库存影响机组启停、碳排放约束影响煤炭类型选取，提升火电机组精细化调度水平，实现火电机组节能减排。

136、建立了水电机组一二次能源耦合模型，将水库库容、水库水位、水流滞时与水电机组出力计划强耦合，将水电、火电独立编制转化为水火电联合优化，提升了常规电源的优化配置水平和机组出力计划执行率，减轻了agc调节压力。

137、建立了支持国内外主流优化求解器灵活调用的优化策略，不仅支持国外cplex和grurobi求解器，同时支持国产copt求解器，解决了安全约束机组组合底层优化求解器“瓶颈”技术风险。