本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)調(diào)度自動化技術，具體涉及一種考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化方法、系統(tǒng)。

背景技術：

1、水電、火電作為安全約束機組組合與經(jīng)濟調(diào)度算法的常規(guī)電源，通常以水火電發(fā)電成本與啟機成本為優(yōu)化目標，綜合考慮機組最大最小技術出力、爬坡滑坡速率、最小開停機時間、最大開停機次數(shù)等約束。現(xiàn)有技術未將煤炭庫存、煤炭價格、碳排放與火電機組有功功率關聯(lián)起來，發(fā)電計劃編制中無法通過煤炭價格優(yōu)化機組發(fā)電成本、煤炭庫存影響機組啟停、碳排放約束影響煤炭類型選取。與火電類似，現(xiàn)有技術未在實際應用中考慮水庫庫容、水庫水位、水流滯時對水電機組出力的影響，且水電、火電機組出力計劃分別作為對方邊界條件獨立編制，導致機組出力計劃執(zhí)行水平低，增加了系統(tǒng)運行成本，增加了agc調(diào)節(jié)壓力，加大了電網(wǎng)運行風險。

2、伴隨以“雙碳”為終極目標的新型電力系統(tǒng)建設的快速推進，迫切需要對水電、火電進行精細化建模，顯示建立煤炭價格、煤炭庫存、碳排放與火電機組的關聯(lián)關系，將水庫庫容、水位、梯級水電水流滯時與水電強耦合建模，提升常規(guī)電源的精細化調(diào)度水平，深度挖掘系統(tǒng)調(diào)整潛力，減少碳排放，降低系統(tǒng)運行成本，提升常規(guī)電源出力計劃執(zhí)行率與電網(wǎng)安全運行水平。

技術實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的一種考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化方法、系統(tǒng)，其實現(xiàn)了煤炭與火電、水庫與水電的強耦合建模，考慮了常規(guī)電源的碳排放約束限制，提升了常規(guī)電源的精細化調(diào)度水平。

2、技術方案：本發(fā)明的一種考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，包括：

3、獲取水火協(xié)調(diào)優(yōu)化的邊界數(shù)據(jù)，確定考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化計算周期，生成相應的計算場景；

4、構建以水火電發(fā)電成本最小為目標，綜合考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化模型；

5、開展邊界數(shù)據(jù)校驗，確?？紤]一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化模型可行域非空；

6、調(diào)用優(yōu)化求解器，用于求解考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化模型；

7、利用優(yōu)化求解器求解考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，安全校核以計算場景和優(yōu)化模型結果數(shù)據(jù)為邊界，采用pq解耦法計算設備潮流；若無新增設備越限，則計算成功；若新增設備越限，則將新增越限設備加入水火協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，重新調(diào)用優(yōu)化求解器求解，直至得到滿足電網(wǎng)安全的水火電發(fā)電計劃；

8、若計算成功，則輸出水火電機組出力、發(fā)電成本、啟機成本、煤耗量、水庫水位結果信息。

9、進一步地，所述邊界數(shù)據(jù)包括省級電網(wǎng)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、機組運行數(shù)據(jù)、聯(lián)絡線計劃數(shù)據(jù)、負荷預測數(shù)據(jù)、機組群約束數(shù)據(jù)和電網(wǎng)安全約束數(shù)據(jù)。

10、進一步地，所述考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化模型包括：

11、以火電機組成本、啟機成本和水電機組成本最小為優(yōu)化目標，碳排放指標為嚴格約束，具體表達式為：

12、

13、式中，f為優(yōu)化目標；fi,t為火電機組i在t時的機組發(fā)電成本；si,t為火電機組i在t時的啟機成本；fw,t為水電機組w在t時的機組發(fā)電成本；si為火電機組集合；sw為水電機組集合。

14、進一步地，構建所述考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化模型時，需設定模型約束條件，模型約束條件包括系統(tǒng)運行約束、機組運行約束和電網(wǎng)安全約束。

15、進一步地，所述模型約束條件包括：

16、火電機組出力約束：

17、火電機組出力表示為：

18、

19、0≤δi,l,t≤pi,l-pi,l-1

20、式中，火電機組具有分段熱率曲線，共有l(wèi)段；δi,l,t為第l段出力區(qū)間的有功功率；pi,t為機組i在t時的機組出力；pi,min為機組i最小技術出力；ui,t為機組i在t時的運行狀態(tài)；pi,l為火電分段熱率曲線端點功率，其中，起始點pi,0＝pi,min；

21、火電機組耗熱量計算：

22、火電機組發(fā)電耗熱量計算表達式為：

23、

24、式中，hi,b為機組i的基值熱率；hi,l為熱率曲線第l段微增熱率；ci,t為機組i在t時的機組耗熱量；

25、火電機組燃料耗量：

26、機組i時段t耗熱量為ci,t，使用不同燃料提供熱量，每種燃料的耗量為：

27、qi,f,t＝ci,t/hf

28、式中，qi,f,t表示機組i在t時燃料f的耗量；hf為燃料f的熱率；

29、進一步引入表示機組i在t時是否使用燃料f的0/1狀態(tài)變量，機組燃料耗量和燃料使用狀態(tài)之間的關系表述如下：

30、qi,f,t≤ei,f,tci,max/hf

31、qi,f,t≥ei,f,tci,min/hf

32、式中，ei,f,t為機組i在t時燃料f的使用狀態(tài)，ei,f,t＝1表示機組i在t時使用燃料f，ei,f,t＝0表示機組i在r時不使用燃料f；兩個約束使得qi,f,t和ei,f,t同時非零或者同時為零；ci,min為機組i最小技術出力點耗熱量；ci,max為機組i最大技術出力點耗熱量；

33、由于同一臺機組在同一時刻只能使用一種燃料，引入機組燃料使用狀態(tài)唯一性約束：

34、

35、運行成本計算：

36、由于同一時刻同一機組燃料使用一種燃料，機組發(fā)電成本計算公式為：

37、

38、式中，fi,t為機組i在t時的發(fā)電成本；pf,t為燃料f在t時的價格；機組啟機成本計算方式類似，不再贅述；

39、碳排放與燃料耗量約束：

40、由于同一時刻同一機組燃料使用一種燃料，機組碳排放約束為：

41、

42、式中，為機組i在t時的碳排放量；rf,t為燃料f在t時的排放系數(shù)；為機組i在t時的最大碳排放量；為燃料f調(diào)度周期內(nèi)最大耗量；

43、水電站入庫流量計算：下游梯級水電站入庫流量包括上游水電站出庫流量和自然入庫流量，具體表達式如下：

44、

45、式中，τk,j為水電廠k和上游水電廠j之間的水流延遲；為水電廠k的上游水電廠集合；為水電廠k時段t的入庫流量；δt為時段長度；為水電廠k上游水電廠j時段t-τk,j的出庫流量；表示水電廠k時段t的自然入庫流量；

46、水電站出庫流量計算：

47、水電站出庫流量包括發(fā)電流量和棄水流量，具體表達式如下：

48、

49、式中，sk,t表示水電廠k時段t的棄水量；為水電廠k時段t的發(fā)電流量；表示水電廠k時段t的出庫流量；

50、水電站蓄水量計算：

51、當前蓄水量等于前一時刻蓄水量加上當前時段入庫量，減去當前時段出庫量，具體表達式如下：

52、

53、式中，vk,t、vk,t-1分別表示水電廠k在時段t、t-1的蓄水量；為水電廠k時段t的入庫流量；

54、水電站蓄水量與水位關系：

55、水電廠的水位與蓄水容量一般程非線性關系，但對于庫容較小的水電廠來說，可近似將其處理為一階線性關系，即：

56、vk,t＝ηk(hk,t-hk)+vk

57、

58、式中，hk分別為水電廠k的水位上下限；hk,t為水電廠k在時段t的水位；vk分別為水電廠k在水位上下限時對應的蓄水容量；通常在計算中ηk被設定為常數(shù)，表示水電廠k庫容與水位之間的轉換系數(shù)；

59、水電站水位約束：

60、為保證水庫的安全運行，水庫水位的變化應在一定的限制范圍內(nèi)，如下式：

61、

62、式中，hk分別為水電廠k的水位上下限；分別為水電廠k的水位上下限松弛量；

63、水電機組振動區(qū)出力約束：

64、由于水電機組的固有特性，其可運行的出力區(qū)間被分割為多個離散出力區(qū)間；水電機組h的功率上限為ph,max，下限為ph,min；在水電機組的功率上下限之間扣除振動區(qū)后，水電機組h的可行功率運行區(qū)間個數(shù)為sh，可行功率運行區(qū)間上下限為

65、則水電機組功率上下限約束為：

66、uh,tph,min≤ph,t≤uh,tph,max

67、式中，ph,t表示水電機組h時段t的功率；uh,t表示水電機組h時段t運行狀態(tài)，0-1決策變量，uh,t＝1表示運行，uh,t＝0表示停運；

68、引入0/1狀態(tài)變量eh,s,t用以表示水電機組h在時段t是否處于可行功率運行區(qū)間s內(nèi)：

69、

70、水電機組功率為：

71、

72、式中，δh,s,t為水電機組h時段t在可行功率運行區(qū)間s內(nèi)的出力；分別表示水電機組h運行區(qū)間s的最大、最小功率；

73、水電機組發(fā)電流量計算：

74、水電機組發(fā)電流量為：

75、

76、式中，qh,t表示水電機組h時段t的發(fā)電流量；為水電機組h在時段t處于第s可行區(qū)左端點功率處的發(fā)電流量；bh,s,t為水電機組h在時段t在可行功率運行區(qū)間s內(nèi)的水耗率，實際運行時，水電水耗率應該按連續(xù)電量段非遞減；

77、水電站發(fā)電流量計算：

78、水電站k的發(fā)電流量可進一步表示為電廠內(nèi)水電機組發(fā)電流量累加，具體表達式如下：

79、

80、式中，qk,t表示水電廠k時段t的發(fā)電流量；

81、水電站與機組出力關系：

82、水電站k的發(fā)電出力可進一步表示為電廠內(nèi)水電機組出力累加，具體表達式如下：

83、

84、式中，ph,t表示水電機組h時段t的功率；pk,t表示水電廠k時段t的功率；

85、水電機組啟動次數(shù)約束：

86、水電機組最大啟動次數(shù)約束：

87、yh,t-zh,t＝uh,t-uh,t-1

88、yh,t+zh,t≤1

89、

90、式中，yh,t表示水電機組h時段t啟機狀態(tài)為0-1變量；zh,t表示水電機組h時段t停機狀態(tài)為0-1變量；uh,t、uh,t-1分別表示水電機組h在時段t、t-1的運行狀態(tài)；uh,max表示水電機組h的最大啟機次數(shù)；

91、水電廠最小開機臺數(shù)約束：

92、

93、式中，yh,t表示水電機組h時段t啟機狀態(tài)，為0-1變量；μk表示水電站最小開機臺數(shù)；sk表示水電廠k中水電機組集合；

94、水電機組穿越振動區(qū)約束：

95、水電機組所處可行功率區(qū)間為：

96、

97、式中，sh,t為水電機組h時段t的有功功率運行區(qū)間；eh,s,t用以表示水電機組h在時段t是否處于可行功率運行區(qū)間s內(nèi)；若用δh,t表示水電機組h在t時段是否跨越可行功率區(qū)間，則有：

98、δh,t≤|sh,t-sh,t-1|

99、shδh,t≥|sh,t-sh,t-1|

100、式中，sh,t-1為水電機組h時段t-1有功功率運行區(qū)間；δh,t為0-1決策變量，若δh,t＝1，則表示水電機組h時段t有功功率運行區(qū)間與t-1時刻不同；若δh,t＝0，則表示水電機組h時段t有功功率運行區(qū)間與t-1時刻相同；sh為大于水電機組h最大出力的常數(shù)，用于輔助求解δh,t；

101、由于絕對值為非線性表達式，因此，對絕對值進行線性化處理：

102、

103、水電機組最大跨越可行功率區(qū)間次數(shù)約束：

104、

105、式中，為去絕對值的輔助決策變量；δh,max表示水電機組h最大可穿越振動區(qū)次數(shù)；

106、水電機組和電廠水庫流量約束：

107、受機組過流能力以及閘門開度的限制，機組發(fā)電流量以及水庫的出庫流量應在一定的范圍內(nèi)變化：

108、

109、式中，qh,t和分別表示水電機組h時段t的發(fā)電流量上下限；qh,t為水電機組h時段t的發(fā)電流量；sh,t為水電機組h時段t的棄水量；為水電廠k時段t的出庫流量；qsmax,k、qsmin,k分別為水電廠k的最大最小出庫流量；

110、始末水位偏差約束：

111、始末水位偏差約束如下：

112、

113、式中，分別為水電廠k的始末水位正負偏差；為水電廠k的初始水位；hk,t為水電廠k時段t的水位，此處t為最后一段；

114、輸電設備潮流約束：

115、優(yōu)化模型求解與安全校核第一輪迭代的斷面潮流約束可以描述為：

116、

117、優(yōu)化模型求解與安全校核第二輪及后續(xù)迭代出清的斷面潮流約束可以描述為：

118、

119、式中，fps,t為斷面s時段t的潮流功率；n表示機組臺數(shù)；pi,t為機組i時段t的有功功率；為機組i時段t上一輪的有功功率；dk,t為節(jié)點k在t時段的母線負荷值；分別為斷面s的正反向潮流傳輸極限；gs-i為機組i所在節(jié)點對斷面s的發(fā)電機輸出功率轉移分布因子；gs-k為節(jié)點k對斷面s的輸出功率轉移分布因子；gs-j為聯(lián)絡線j所在節(jié)點對線路s的輸出功率轉移分布因子；分別為斷面s時段t的正、反向潮流松弛變量；為斷面s時段t上一輪安全校正結果的交流潮流。

120、進一步地，所述邊界數(shù)據(jù)校驗包括完整性校驗、合理性校驗和關聯(lián)性校驗；其中，完整性校驗用于校驗數(shù)據(jù)完備性，合理性校驗用于校驗數(shù)據(jù)合理性，關聯(lián)性校驗用于校驗約束之間是否沖突。

121、進一步地，所述模型求解與安全校核迭代計算，用于消除電網(wǎng)內(nèi)設備/斷面越限，具體迭代方式如下：

122、考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化模型采用直流潮流計算方式，調(diào)整機組運行狀態(tài)與機組出力消除斷面越限；

123、安全校核采用交流潮流計算方式，分析電網(wǎng)越限情況，將新增越限設備和越限時段發(fā)送優(yōu)化模型；

124、開展考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化模型求解與安全校核迭代計算，直至電網(wǎng)無設備越限或達到最大迭代次數(shù)為止。

125、基于相同的發(fā)明構思，本發(fā)明的一種考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化系統(tǒng)，包括：

126、計算場景生成模塊，用于獲取水火協(xié)調(diào)優(yōu)化的邊界數(shù)據(jù)，確定考慮一二次能源耦合與碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化計算周期，生成相應的計算場景；

127、優(yōu)化模型構建模塊，用于構建以水火電發(fā)電成本最小為目標，綜合考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化模型；

128、數(shù)據(jù)校驗模塊，用于開展邊界數(shù)據(jù)校驗，確保考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化模型可行域非空；

129、優(yōu)化求解器調(diào)用模塊，用于調(diào)用優(yōu)化求解器，求解考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化模型；

130、模型求解與安全校核計算模塊，用于利用優(yōu)化求解器求解考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，安全校核以計算場景和優(yōu)化模型結果數(shù)據(jù)為邊界，采用pq解耦法計算設備潮流；若無新增設備越限，則計算成功；若新增設備越限，則將新增越限設備加入考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，重新調(diào)用優(yōu)化求解器求解，直至得到滿足電網(wǎng)安全的水火電發(fā)電計劃；

131、流程結算模塊，用于若計算成功，則輸出水火電機組出力、發(fā)電成本、啟機成本、煤耗量、水庫水位結果信息。

132、基于相同的發(fā)明構思，本發(fā)明的一種考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化設備，包括處理器和存儲器，所述存儲器中存儲有計算機指令，所述處理器用于執(zhí)行所述存儲器中存儲的計算機指令，當所述計算機指令被處理器執(zhí)行時該電子設備實現(xiàn)如上述考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化方法的步驟。

133、基于相同的發(fā)明構思，本發(fā)明的一種計算機可讀存儲介質(zhì)，所述計算機可讀存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，該程序被處理器執(zhí)行時，實現(xiàn)如上述考慮一二次能源耦合及碳排放的水火協(xié)調(diào)優(yōu)化方法的步驟。

134、有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的顯著技術效果為：

135、建立了火電機組一二次能源耦合模型，將煤炭價格、煤炭庫存、碳排放與火電機組出力計劃編制深度關聯(lián)，通過煤炭價格優(yōu)化機組發(fā)電成本、煤炭庫存影響機組啟停、碳排放約束影響煤炭類型選取，提升火電機組精細化調(diào)度水平，實現(xiàn)火電機組節(jié)能減排。

136、建立了水電機組一二次能源耦合模型，將水庫庫容、水庫水位、水流滯時與水電機組出力計劃強耦合，將水電、火電獨立編制轉化為水火電聯(lián)合優(yōu)化，提升了常規(guī)電源的優(yōu)化配置水平和機組出力計劃執(zhí)行率，減輕了agc調(diào)節(jié)壓力。

137、建立了支持國內(nèi)外主流優(yōu)化求解器靈活調(diào)用的優(yōu)化策略，不僅支持國外cplex和grurobi求解器，同時支持國產(chǎn)copt求解器，解決了安全約束機組組合底層優(yōu)化求解器“瓶頸”技術風險。