崔艷林，蔡新雷，林 旭，黃紅偉，薛艷軍

(1.廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510080；2.北京清大科越股份有限公司，北京 100102)

0 引言

電力系統(tǒng)智能調(diào)度是利用大數(shù)據(jù)、信息通信手段實現(xiàn)的物理信息系統(tǒng)的集合。智能調(diào)度能夠有效提升電力系統(tǒng)調(diào)度計劃、檢修計劃和市場交易等方面的智能化水平，相較于傳統(tǒng)人工調(diào)度具有較高的準(zhǔn)確性和自動化水平。電力系統(tǒng)智能調(diào)度需要針對網(wǎng)絡(luò)運行情況以及安全約束作出相應(yīng)調(diào)整，因此，本文根據(jù)備用和安全約束的條件對模型進(jìn)行了細(xì)化。

針對電力系統(tǒng)智能調(diào)度，主要研究集中在系統(tǒng)設(shè)計以及技術(shù)方面。文獻(xiàn)[1]提出了基于自適應(yīng)代理模型的變電系統(tǒng)智能調(diào)度控制方法；文獻(xiàn)[2]對某地電網(wǎng)智能調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計；文獻(xiàn)[3]設(shè)計了基于云計算的電網(wǎng)智能調(diào)度平臺；文獻(xiàn)[4]說明了智能調(diào)度系統(tǒng)信息綜合可視化方法；文獻(xiàn)[5]分析了適應(yīng)智能調(diào)度的繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)高級應(yīng)用。目前，備用和安全約束在經(jīng)濟調(diào)度模型中應(yīng)用較成熟，但對于智能調(diào)度背景下的應(yīng)用仍有待進(jìn)一步研究。

本文提出了一種考慮備用和安全約束的智能調(diào)度模型。首先分析了含有安全約束和備用的智能調(diào)度系統(tǒng)構(gòu)架，分析了具體模塊的相應(yīng)功能。針對智能調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)，分析了多級安全校核、基于大數(shù)據(jù)的實時數(shù)據(jù)分析與采集、調(diào)控一體化實時預(yù)警和新能源市場交易校核等內(nèi)容的流程和方法。結(jié)合備用以及安全約束提出了含有相關(guān)約束條件的調(diào)度模型。

1 考慮備用和安全約束的智能調(diào)度系統(tǒng)構(gòu)架

智能調(diào)度系統(tǒng)構(gòu)架與智能調(diào)度的功能密切相關(guān)?？紤]備用以及安全約束的智能調(diào)度系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。系統(tǒng)體系基于IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)。該規(guī)約能夠有效提升調(diào)度數(shù)據(jù)系統(tǒng)與其他數(shù)據(jù)系統(tǒng)的端口互聯(lián)互通以及數(shù)據(jù)運算處理等性能。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架

a.該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)應(yīng)用等環(huán)節(jié)，體現(xiàn)電力系統(tǒng)智能調(diào)度各方面內(nèi)容。系統(tǒng)能夠通過SCADA/EMS/DMS等系統(tǒng)對電力調(diào)度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)和設(shè)備運行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，通過加裝的存儲模塊可以實現(xiàn)多結(jié)構(gòu)多元化異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲。

b.該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)分析?？梢宰R別系統(tǒng)的運行狀態(tài)、評估系統(tǒng)運行模式。通過離線或在線數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行初步計算，得到?jīng)Q策序列，并可實現(xiàn)對相應(yīng)系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果的監(jiān)視和評估。

c.智能調(diào)度中智能決策模塊是體現(xiàn)智能化特點的主要內(nèi)容。智能決策區(qū)分于傳統(tǒng)調(diào)度的人工決策，能夠?qū)崿F(xiàn)對電網(wǎng)在線和離線快速控制分析，包括新能源機組出力預(yù)測、網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定約束校核、二次設(shè)備控制和保護(hù)裝置操作等，從而獲得大電網(wǎng)全局描述變量，對電網(wǎng)進(jìn)行實時、超時間尺度校正控制。電力系統(tǒng)調(diào)度與控制在電網(wǎng)體系中為多目標(biāo)博弈行為，博弈雙方可根據(jù)系統(tǒng)運行方式以及發(fā)展特點進(jìn)行調(diào)整，通過智能決策手段進(jìn)行模擬和分析，從而確保電力系統(tǒng)決策智能化。

d.智能調(diào)度體系需要大量量測和計量儀表，通過對這類數(shù)據(jù)進(jìn)行滾動優(yōu)化，形成仿真數(shù)據(jù)、支持調(diào)度命令，因此，在系統(tǒng)底層配置的大量傳感器以及量測單元是實現(xiàn)智能調(diào)度的關(guān)鍵。通過這類數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及生成的數(shù)據(jù)庫，可實現(xiàn)對相應(yīng)數(shù)據(jù)的歷史狀態(tài)查詢以及未來狀態(tài)預(yù)測。

e.人工智能調(diào)度接口，包括與人工調(diào)度交互的對話接口。

2 智能調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多級安全校核

電力系統(tǒng)智能調(diào)度與機組檢修、計劃停電等內(nèi)容密切相關(guān)，另外智能調(diào)度還與大電網(wǎng)多區(qū)間潮流斷面校核有關(guān)。因此，需要針對電力系統(tǒng)智能調(diào)度運行方式以及系統(tǒng)特點，進(jìn)行多維度以及多時間尺度的計劃校核。形成年度、月度、日前、日內(nèi)、備用以及安全約束的電網(wǎng)校核。經(jīng)過多級校核可以實現(xiàn)綜合時間尺度內(nèi)電網(wǎng)優(yōu)化運行以及穩(wěn)定運行。多級安全校核的時序如圖2所示。在整個時間范圍內(nèi)需要對機組的狀態(tài)以及運行檢修計劃進(jìn)行依次校核。

圖2 多級安全校核時序

2.2 基于大數(shù)據(jù)的實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源分，調(diào)控一體化數(shù)據(jù)分為實時數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)。具體來說，調(diào)控一體化下，數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)主要由實時運行數(shù)據(jù)、靜態(tài)管理數(shù)據(jù)、綜合歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)邏輯鏈條4個部分組成，如圖3所示。數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間通過邏輯鏈條互相支撐，實現(xiàn)將實時動態(tài)數(shù)據(jù)與綜合歷史數(shù)據(jù)相結(jié)合、實時動態(tài)數(shù)據(jù)與靜態(tài)管理數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)、靜態(tài)管理數(shù)據(jù)與綜合歷史數(shù)據(jù)相比對的閉環(huán)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖3 智能調(diào)度數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

智能調(diào)度實時數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)監(jiān)控是實現(xiàn)智能調(diào)度的主要基礎(chǔ)。通過對數(shù)據(jù)的監(jiān)視和采集，能夠進(jìn)一步利用大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)和邊緣計算技術(shù)等對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理，從而獲得相應(yīng)的時間和空間維度的關(guān)聯(lián)性，有助于提升對數(shù)據(jù)的預(yù)警、運算評估以及展示決策。

2.3 調(diào)控一體化實時預(yù)警

智能調(diào)度不僅關(guān)系到調(diào)度本身，而且還會輔助電力系統(tǒng)一體化控制。在調(diào)控一體化背景下，電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與預(yù)警是智能調(diào)度中的主要特色。尤其是在當(dāng)前特高壓電網(wǎng)交直流互聯(lián)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，電網(wǎng)特性日益復(fù)雜，電網(wǎng)運行狀態(tài)難以利用傳統(tǒng)人工監(jiān)視實現(xiàn)全覆蓋，且跨區(qū)電網(wǎng)交易、省間交易聯(lián)系日益密切。因此，在設(shè)備運行管理、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面的一體化控制十分有必要，而在一體化運行中的實時預(yù)警是智能調(diào)度的主要功能。

實時預(yù)警是建立于大數(shù)據(jù)實時數(shù)據(jù)采集與分析的基礎(chǔ)之上，在電力系統(tǒng)運行發(fā)生事故或異常之前，對數(shù)據(jù)的成熟分析可以有效預(yù)警，從而引導(dǎo)人工操作對系統(tǒng)的安全分析進(jìn)行實時查看和緊急分析。對于可能引起大電網(wǎng)停電等事故的狀態(tài)，則予以進(jìn)一步跟蹤，提醒調(diào)控人員采取緊急措施以及應(yīng)急預(yù)案。針對實施告警所利用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，以及實時數(shù)據(jù)庫的操作流程如圖4所示。

圖4 調(diào)控一體化流程

智能調(diào)度的統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問層實現(xiàn)對各類告警信息的判斷和處理。在數(shù)據(jù)的處理過程中需要對相應(yīng)的告警規(guī)則進(jìn)行定義和管理。通過各類層次聚類算法以及告警后臺管理實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的分析和實時預(yù)測。通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問層實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多接口交互。

在調(diào)度自動化系統(tǒng)中，實現(xiàn)一體化的實時預(yù)警的主要核心技術(shù)點，包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分流處理、腳本驅(qū)動的告警規(guī)則定義與執(zhí)行、基于電網(wǎng)運行歷史數(shù)據(jù)挖掘的運行狀態(tài)預(yù)測告警、告警結(jié)果精細(xì)化的展示和多樣化的輔助決策分析。

2.4 新能源市場交易校核

在新能源滲透率不斷提升的背景下，智能調(diào)度衍生出可優(yōu)化市場能源結(jié)構(gòu)、新能源調(diào)度出力安排以及新能源市場交易等內(nèi)容。通過設(shè)定的新能源調(diào)控數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對新能源在區(qū)域間的出力以及區(qū)域內(nèi)的交易。由于新能源市場有助于全網(wǎng)調(diào)峰，因此，智能調(diào)度系統(tǒng)可針對新能源市場的運行狀況，進(jìn)行相應(yīng)的交易校核以及調(diào)峰出力校核。

新能源場站進(jìn)行現(xiàn)貨交易電力購買時，在斷面分配功率，先將斷面總目標(biāo)功率減去斷面下場站購買電力的總和，再將剩余指標(biāo)按比例分配給所有參與斷面調(diào)節(jié)的場站(包括有購買電力的場站)，分配完后，有購買電力的場站目標(biāo)值再疊加上購買電力。保證在進(jìn)行斷面分配功率時，該場站優(yōu)先分配到購買電力。分配流程如圖5所示。

圖5 智能調(diào)度新能源交易校核分配流程

3 考慮備用和安全約束的調(diào)度計劃優(yōu)化模型

3.1 備用及安全約束

電力系統(tǒng)中的備用分為正備用和負(fù)備用。正備用(USR)是指由于電力系統(tǒng)中短期負(fù)荷波動而導(dǎo)致的發(fā)電短期調(diào)整增加的熱備用或冷備用；負(fù)備用(DSR)是指由于負(fù)荷波動而導(dǎo)致的發(fā)電量減少儲存的備用[6]。由于電力系統(tǒng)需要保持實時平衡，當(dāng)計劃發(fā)電量低于實際耗電量時，需要投入正備用；反之，則需要投入負(fù)備用。建立電力系統(tǒng)備用容量對于電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度具有十分重要的意義。備用不僅是保持機組以及負(fù)荷之間平衡的重要渠道，而且是獲得電力系統(tǒng)智能調(diào)度的成本優(yōu)化重要手段。

當(dāng)電力系統(tǒng)中含有分布式電源等新能源機組時，這類機組的預(yù)測出力變化與實際出力具有差值，當(dāng)計劃出力遠(yuǎn)大于實際出力時，需要電力系統(tǒng)提供相應(yīng)的備用容量。正旋轉(zhuǎn)備用用來表征這類波動較大的新能源機組出力的變化；負(fù)旋轉(zhuǎn)備用用于表征這類新能源機組出力可增量變小時所需的系統(tǒng)額外備用。

安全約束主要是指傳輸線路的輸送容量，針對輸電線路的輸送容量在調(diào)度優(yōu)化過程中的限制作用，提出相應(yīng)的安全約束。線路潮流與線路發(fā)熱密切相關(guān)，因此，安全穩(wěn)定約束也稱之為熱極限約束。當(dāng)輸電線路有功功率超出限制時，線路發(fā)熱量增加，對設(shè)備的安全運行造成影響。因此，在電力系統(tǒng)智能調(diào)度中，需要優(yōu)先保障線路運行的安全性和經(jīng)濟性，從而需要考慮線路潮流安全約束。

3.2 目標(biāo)函數(shù)

安全約束調(diào)度計劃的目標(biāo)函數(shù)為傳統(tǒng)機組與新能源機組發(fā)電成本最低，表達(dá)式為

(1)

Pi為機組i的有功出力；C1為傳統(tǒng)機組發(fā)電費用；C2為新能源機組發(fā)電費用。

3.3 約束條件

a.功率平衡約束。

海風(fēng)鋒的識別,首先要判斷海陸風(fēng),即發(fā)現(xiàn)沿海有來自海上的風(fēng)。這需要滿足兩個條件:較穩(wěn)定的高壓控制形勢,以及明顯的海陸熱力差異中有偏冷的海風(fēng)。顯然只有在溫暖季節(jié)這兩條件可同時滿足。依據(jù)江蘇沿海測風(fēng)塔數(shù)據(jù)時間序列,對2009年夏季(6—8月)時段進(jìn)行海陸風(fēng)識別,考慮江蘇海岸線的走向特點,將其分為江蘇蘇北、蘇中、蘇南三段,建立三條海岸基準(zhǔn)線(圖1中的直線段),其中蘇北岸段面向海州灣,蘇中和蘇南岸段則面向開闊黃海。再定義垂直于各段海岸線,包括垂線左右50°范圍的向岸風(fēng)為海風(fēng),反之為陸風(fēng)(圖2)。進(jìn)一步地從所選的海陸風(fēng)日中提取海風(fēng)鋒天氣過程,共選出14個海風(fēng)鋒個例(表2)。

要求系統(tǒng)各個時段發(fā)電和用電之間保持功率平衡，即

(2)

Dt為t時段的系統(tǒng)負(fù)荷需求。

b.機組出力約束。

(3)

c.機組爬坡約束。

機組在運行開啟過程需要滿足爬坡約束，即

RDi≤Pi,t-Pi,t-1≤RUi

(4)

RDi為下爬坡約束；RUi為上爬坡約束。

d.線路潮流安全約束。

(5)

e.備用約束。

(6)

(7)

URi、DRi為各個機組i所提供的正、負(fù)旋轉(zhuǎn)備用；δ+為機組出力誤差對正旋轉(zhuǎn)備用的需求;δ-為機組出力誤差對負(fù)旋轉(zhuǎn)備用的需求。

4 案例分析

4.1 案例說明

選擇9節(jié)點模型驗證本文考慮備用和安全約束調(diào)度模型。具體接線如圖6所示。

圖6 9節(jié)點系統(tǒng)

3臺機組數(shù)據(jù)如表1所示。其中，機組的發(fā)電成本考慮為二次函數(shù)。

表1 系統(tǒng)機組數(shù)據(jù)

其中，典型日負(fù)荷曲線如圖7所示。

圖7 負(fù)荷曲線

可再生能源機組接入節(jié)點為10，參數(shù)為：風(fēng)電場由100臺雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組成，單個風(fēng)機的額定功率為1.5 MW，風(fēng)電成本系數(shù)為165 萬/pu，切入風(fēng)速vci=4 m/s，額定風(fēng)速vr=10 m/s，切出風(fēng)速vco=20 m/s。δ+取20，δ-取40。風(fēng)機出力曲線如圖8所示。

圖8 風(fēng)機出力曲線

從圖8可以看出，風(fēng)機出力在日內(nèi)呈現(xiàn)較明顯波動。

4.2 結(jié)果分析

利用本文的模型進(jìn)行仿真，得到典型日機組調(diào)度出力曲線如圖9所示。

圖9 機組出力結(jié)果

可以看出，機組2在夜間時出力增加最多，機組3的出力在日內(nèi)較為平滑，波動最小。

對比2種情景下的總成本，得到結(jié)果如表2。

表2 成本對比

針對上述2種情景，傳統(tǒng)機組和風(fēng)力發(fā)電成本在含有備用和安全約束條件與否下的結(jié)果有所差異。由于備用和安全約束限制了一定機組的發(fā)電能力，因此，傳統(tǒng)機組在含有備用和安全約束時出力有所下降、成本降低，但同時，考慮到風(fēng)機出力的不確定性，含有備用和安全約束條件下風(fēng)力發(fā)電成本有所上升，總的求解時間較長。而不含有備用安全約束的條件會導(dǎo)致求解時間降低，但這種運行工況有可能會導(dǎo)致機組出力不滿足系統(tǒng)安全運行約束，造成與實際調(diào)度不符的現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

本文提出了考慮備用和安全約束的電力系統(tǒng)智能調(diào)度模型，并分析了相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。通過仿真分析可以知道，考慮備用以及安全約束的電力系統(tǒng)智能調(diào)度能夠有效提升系統(tǒng)安全穩(wěn)定性。從機組出力角度來說，傳統(tǒng)機組在安全約束和備用條件下的出力有所下降，風(fēng)力機組等可再生能源機組的出力有所上升，傳統(tǒng)機組的成本進(jìn)一步下降。相比不含費用和安全運輸?shù)那闆r，總體發(fā)電成本有所下降，同時線路的安全穩(wěn)定約束能夠達(dá)到要求。