本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)優(yōu)化調度技術領域，特別是涉及一種基于混合整數規(guī)劃的水火電機組組合優(yōu)化調度方法。
背景技術：
隨著我國經濟的快速發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染的雙重問題日益凸顯，不容忽視。在節(jié)能減排的同時，我國大力開發(fā)新能源，其中包括水電、風電、太陽能等。大規(guī)模清潔能源的接入，對減少二氧化碳排放、保護環(huán)境，實現我國可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。其中，水電作為各類新能源發(fā)電裝機容量中所占比例最高的，具有現實的研究意義。隨著長江三峽特大水利樞紐工程、云貴等地的梯級水電站的蓬勃發(fā)展，水電的總平均裝機容量已經高達百萬千瓦，龐大的水電系統(tǒng)，在時間和空間上都有很大的優(yōu)化余地，如果加以合理利用，能獲得強大的社會效益、環(huán)境效益和經濟效益。在我國目前的水電計劃體制調度模式下，對水電的靈活性利用仍存在不足。通過對水火電優(yōu)化調度的精細化建模，能夠充分挖掘水電調度中的靈活性，具有良好的應用前景。
水火電優(yōu)化調度方法的難點在于，一是多變量在時間和空間上的多重耦合關系，這導致整個問題變?yōu)橐粋€大規(guī)模非凸非線性的問題。二是若考慮到自然條件的限制、來水的不確定性等問題，整個水電優(yōu)化調度的難度將進一步增加。三是現有的方法精確性不夠，或者在大規(guī)模系統(tǒng)下太費時間。因此，如何克服上述困難而提供一種水火電優(yōu)化調度方法成為本領域技術人員亟需解決的問題。
技術實現要素：
本發(fā)明的目的是提供一種基于混合整數規(guī)劃的水火電機組組合優(yōu)化調度方法，以避免直接對變量在時間和空間上非線性耦合的非凸非線性問題進行求解，提高電力系統(tǒng)的運行效率。
為實現上述目的，本發(fā)明提供了一種基于混合整數規(guī)劃的水火電機組組合優(yōu)化調度方法，包括：
獲取單水電站的基礎數據，所述基礎數據包括水庫水量、水庫水量的極限值、發(fā)電流量的極限值；
對單水電站優(yōu)化調度模型的約束條件中的非線性約束條件和pkt＝9.8hktqkt進行分段線性化；
其中，k為第k個水庫，t為時間，式表示下游水位hdkt和發(fā)電流量qkt之間的關系，Bk0、Bk1、Bk2和Bk3為常數；式pkt＝9.8hktqkt表示水電站的發(fā)電功率pkt與發(fā)電流量qkt、水頭hkt之間的關系；
根據分段線性化后的約束條件、所述單水電站優(yōu)化調度模型的線形約束條件和所述單水電站的基礎數據求解使目標函數F最小的單水電站優(yōu)化調度模型；所述目標函數F為火電機組和水電機組的運行成本最小或耗能最?。?/p>
其中，所述單水電站優(yōu)化調度模型的線形約束條件為：
其中，k為第k個水庫，t為時間，式Vk(t-1)-Vkt＝-Ikt+qkt表示水庫水量實時平衡，即t-1時刻的水庫水量Vk(t-1)與t時刻的水庫水量Vkt之差等于入流量Ikt與發(fā)電流量qkt之差，表示水庫水量的最小值，表示水庫水量的最大值，表示出流量最小值，表示出流量最大值；式表示上游水位hukt和水庫水量Vk(t-1)、Vkt的關系，Ak0和Ak1為常數；式hkt＝hukt-hdkt表示水頭hkt等于上游水位hukt與下游水位hdkt之差；
根據所述使目標函數F最小的單水電站優(yōu)化調度模型確定水火電機組組合優(yōu)化調度的模型；
根據所述水火電機組組合優(yōu)化調度的模型對水火電機組組合進行調度。
可選的，所述目標函數F為
F＝min cTx+∑t∑idi(pit)+bTy
其中，目標函數F為火電機組和水電機組的運行成本最小，x是火電機組啟停狀態(tài)的決策變量，y是水電機組啟停狀態(tài)的決策變量，c是火電機組的啟停機價格系數，b是水電機組的啟停機價格系數，T表示矩陣轉置，di是第i臺火電機組的運行價格系數，pit是第i臺火電機組的輸出功率，pjt是第j臺水電機組的輸出功率，pqt是第q個需求側負荷功率，
所述水火電機組組合優(yōu)化調度模型的約束條件為：
其中，NT是火電機組數目，NH是水電機組數目，χ是火電機組組合調度問題的可行集，γ是水電機組組合調度問題的可行集，Ω(x)是火電機組經濟調度的可行集，受發(fā)電機容量約束和爬坡出力約束；Ψ(y)是水電機組經濟調度的可行集，π是注入功率的比例因子，Fl是線路l的最大允許傳輸功率，式∑ipit+∑jpjt＝∑qpqt為發(fā)用電平衡關系，式-Fl≤∑iπilpit+∑jπjlpjt+∑qπqlpqt≤Fl為傳輸功率容量上下限限制。
可選的，所述方法還包括：
將上級所述單水電站優(yōu)化調度模型的出流量作為本級所述單水電站優(yōu)化調度模型的入流量，構建梯級水電站優(yōu)化調度模型；
確定所述梯級水電站優(yōu)化調度模型的約束條件為每一級的所述單水電站優(yōu)化調度模型的約束條件；
對非線性的約束條件進行分段線性化；
根據上述約束條件和分段線性化后的約束條件求解使目標函數F最小的水火電機組組合優(yōu)化調度模型。
可選的，所述對上述非線性的約束條件式進行分段線性化，具體包括：
在曲線上取n個點，將所述曲線劃分成n-1個子段；
計算n個點對應的函數值；
確定自變量所在的子段，確定所述自變量所在的子段的兩個端點的函數值；
通過所述兩個端點的函數值確定所述自變量的函數值，所述自變量的函數值為所述兩個端點的函數值的加權平均值。
可選的，所述對上述非線性的約束條件式pkt＝9.8hktqkt進行分段線性化，具體包括：
將變量水頭hkt的計算公式代入，獲得具有兩個多項式的關系式，即，
分別對兩個多項式和分別進行分段線性化；
在上述兩個多項式的曲線上取n個點，將每一所述曲線劃分成n-1個子段；
計算n個點對應的函數值；
確定自變量所在的子段，確定所述自變量所在的子段的兩個端點的函數值；
通過所述兩個端點的函數值確定所述自變量的函數值，所述自變量的函數值為所述兩個端點的函數值的加權平均值。
根據本發(fā)明提供的具體實施例，本發(fā)明公開了以下技術效果：本發(fā)明提供的基于混合整數規(guī)劃的水火電機組組合優(yōu)化調度方法，通過對水電相關非線性約束條件進行解耦和分段線性化，避免了直接對變量在時間和空間上非線性耦合的非凸非線性問題進行求解，可以在保證較高效率的前提下，提高計算精度。此外，在水電非線性約束的處理上，相較于傳統(tǒng)的方法如定水頭假設后再分段線性化的方法，該方法中定水頭的假設會引入較大的誤差，若將水電機組出力曲線分為一系列與水庫容量大小相關的曲線族，每一條曲線采用分段線性化的方法進行處理，并通過引入0-1變量來確定當前情況適用哪條曲線；這一方法會引入大量的離散變量，降低計算效率，而本發(fā)明通過對水電相關非線性約束條件進行解耦和分段線性化的方法相比定水頭假設的方法在優(yōu)化總成本、計算時間和計算精度上都有優(yōu)勢。本發(fā)明給出的水電優(yōu)化調度模型是普適性的模型，可以應用于電力系統(tǒng)中一系列與水電相關的調度問題，將改進后的水電優(yōu)化調度模型與火電機組組合聯(lián)合調度，可以有效提高電力系統(tǒng)運行效率，減少運行成本，具有現實意義。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發(fā)明提供的基于混合整數規(guī)劃的水火電機組組合優(yōu)化調度方法的流程圖。
具體實施方式
下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
本發(fā)明的目的是提供一種基于混合整數規(guī)劃的水火電機組組合優(yōu)化調度方法，以避免直接對變量在時間和空間上非線性耦合的非凸非線性問題進行求解，提高電力系統(tǒng)的運行效率。
現有技術中，由于水火電優(yōu)化調度方法的多變量在時間和空間上的多重耦合關系，這導致整個問題變?yōu)橐粋€大規(guī)模非凸非線性的問題，如果再考慮到自然條件的限制、來水的不確定性等問題，整個水電優(yōu)化調度的難度將進一步增加。已有學者在假設水頭為常數的條件下，對水電的出力曲線進行分段線性化，從而將該模型轉化為混合整數規(guī)劃問題(MIP，Mixed Integer Programming)進行求解；但該方法的問題在于，定水頭的假設會引入較大的誤差。若將水電機組出力曲線分為一系列與水庫容量大小相關的曲線族，每一條曲線采用分段線性化的方法進行處理，并通過引入0-1變量來確定當前情況適用哪條曲線；這一方法會引入大量的離散變量，降低計算效率。因此，在應用于大型電力系統(tǒng)問題中，傳統(tǒng)的水電優(yōu)化調度模型相較之下仍有改進空間。
本發(fā)明針對大型電力系統(tǒng)問題的水火電優(yōu)化調度問題，通過對水電相關非線性約束進行解耦、分段線性化，可以在保證較高效率的前提下，提高計算精度。同時，結合我國實際的水電站調度模式，提出不同時間段優(yōu)化的概念，更加符合物理意義。本發(fā)明首先對單水電站進行建模，得到單水電站優(yōu)化調度模型；接著對該模型進行拓展，得到梯級水電調度模型。本發(fā)明提出的線性化方法在優(yōu)化成本、計算時間、精確度等方面具有優(yōu)越性。
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
如圖1所示，本發(fā)明提供的基于混合整數規(guī)劃的水火電機組組合優(yōu)化調度方法，包括：
步驟101：獲取單水電站的基礎數據，所述基礎數據包括水庫水量、水庫水量的極限值、發(fā)電流量的極限值；
步驟102：對單水電站優(yōu)化調度模型的約束條件中的非線性約束條件和pkt＝9.8hktqkt進行分段線性化；
其中，k為第k個水庫，t為時間，式表示下游水位hdkt和發(fā)電流量qkt之間的關系，Bk0、Bk1、Bk2和Bk3為常數；式pkt＝9.8hktqkt表示水電站的發(fā)電功率pkt與發(fā)電流量qkt、水頭hkt之間的關系；
具體的，下游水位和發(fā)電流量之間可以表示成三次函數，即：
其中，hdt為下游水位，Qt為出流量，Qt＝qt+∑zjtSU+st，其中，qt為發(fā)電流量；zjtSU為發(fā)電損耗水量，與水電機組啟停狀態(tài)zjt相關；st為溢流量，由于發(fā)電損耗水量zjtSU相比發(fā)電流量qkt較小，而溢流量st只有在洪水期時存在，因此，出流量Qkt＝qkt，下游水位hdkt和發(fā)電流量qkt之間的關系為
因此，也可以得到水電站的發(fā)電功率pkt與發(fā)電流量qkt、水頭hkt之間的關系為pkt＝9.8hktqkt。
上述各個變量之間的關系是在不考慮發(fā)電損耗水量和溢流量的情況下確定的，如果考慮發(fā)電損耗水量和溢流量，那么上述分段線性化的方法仍然可行。
步驟103：根據分段線性化后的約束條件、單水電站優(yōu)化調度模型的線形約束條件和單水電站的基礎數據求解使目標函數F最小的單水電站優(yōu)化調度模型；所述目標函數F為火電機組和水電機組的運行成本最小或耗能最?。?/p>
其中，所述單水電站優(yōu)化調度模型的線形約束條件為：
其中，k為第k個水庫，t為時間，式Vk(t-1)-Vkt＝-Ikt+qkt表示水庫水量實時平衡，即t-1時刻的水庫水量Vk(t-1)與t時刻的水庫水量Vkt之差等于入流量Ikt與出流量Qkt之差，表示水庫水量的最小值，表示水庫水量的最大值，表示出流量最小值，表示出流量最大值；式表示上游水位hukt和水庫水量Vk(t-1)、Vkt的關系，Ak0和Ak1為常數；式hkt＝hukt-hdkt表示水頭hkt等于上游水位hukt與下游水位hdkt之差。
上述目標函數F為火電機組和水電機組的運行成本最小或耗能最??；
具體的，目標函數F可以為
F＝min cTx+∑t∑idi(pit)+bTy
其中，目標函數F為火電機組和水電機組的運行成本最小，x是火電機組啟停狀態(tài)的決策變量，y是水電機組啟停狀態(tài)的決策變量，c是火電機組的啟停機價格系數，b是水電機組的啟停機價格系數，T表示矩陣轉置，di是第i臺火電機組的運行價格系數，pit是第i臺火電機組的輸出功率，pjt是第j臺水電機組的輸出功率，pqt是第q個需求側負荷功率，
該水火電機組組合優(yōu)化調度模型的約束條件為：
其中，NT是火電機組數目，NH是水電機組數目，χ是火電機組組合調度問題的可行集，γ是水電機組組合調度問題的可行集，Ω(x)是火電機組經濟調度的可行集，受發(fā)電機容量約束和爬坡出力約束；Ψ(y)是水電機組經濟調度的可行集，π是注入功率的比例因子，Fl是線路l的最大允許傳輸功率，式∑ipit+∑jpjt＝∑qpqt為發(fā)用電平衡關系，式-Fl≤∑iπilpit+∑jπjlpjt+∑qπqlpqt≤Fl為傳輸功率容量上下限限制。
步驟104：根據使目標函數F最小的單水電站優(yōu)化調度模型確定水火電機組組合優(yōu)化調度模型；
步驟105：根據所述水火電機組組合優(yōu)化調度的模型對水火電機組組合進行調度。
上述實施例中是只有單水電站的情況下的優(yōu)化調度方法，基于上述優(yōu)化調度方法，在含有梯級水電站的情況下，對于水火電機組組合優(yōu)化調度方法與上述方法不同之處在于，該方法還包括：
將上級單水電站優(yōu)化調度模型的出流量作為本級單水電站優(yōu)化調度模型的入流量，構建梯級水電站優(yōu)化調度模型；
確定梯級水電站優(yōu)化調度模型的約束條件為每一級的單水電站優(yōu)化調度模型的約束條件；
對非線性的約束條件進行分段線性化；
根據上述約束條件中的線性約束條件和分段線性化后的約束條件求解使目標函數F最小的水火電機組組合優(yōu)化調度模型。
上述實施例中，從實際物理意義出發(fā)，考慮水電模型的構建。首先，實際水電調度中存在一個水庫調度的概念，即：根據徑流預報的結果，經過優(yōu)化調度后給出每周期的發(fā)電用水量，水電站在滿足安全、穩(wěn)定運行的條件下，在周期內分配各時段用水量，保證一周期內把用水量用盡。為了模擬這樣一個實際的物理過程，在上下層采用不同的時間尺度進行優(yōu)化：上層中，利用變水頭的模型，以N個小時為單位，給出調度周期內的總發(fā)電用水量；下層中，利用定水頭模型，在周期內總用水量(上層確定)限制下，優(yōu)化給出各時段的水電出力。
由上述分析可知，水電模型具有兩個非線性的約束條件，即下游水位與發(fā)電流量之間的關系發(fā)電量和發(fā)電流量及水頭之間的關系pkt＝9.8hktqkt。非線性約束的存在給魯棒調度問題的求解帶來如下困難：(1)非線性約束的存在，會使問題變?yōu)橐粋€混合整數非凸非線性的問題，求解困難，求解速度慢；(2)約束的非線性導致無法保證得到全局最優(yōu)解，也就無法保證解的魯棒性。針對這個問題，解決思路為：對水電的非線性約束進行線性化?，F有技術中有采用迭代的方式處理該非線性關系，對于小型水電模型能夠提高精度，但是對于大規(guī)模系統(tǒng)，迭代次數將會使運算時間急劇增加。
考慮下游水位與發(fā)電流量之間的非線性關系具有多項式的形式，可以直接采用分段線性化的方法，對非線性的約束條件式進行分段線性化的步驟，具體可以包括：
在曲線上取n個點，將所述曲線劃分成n-1個子段；
計算n個點對應的函數值；
確定自變量所在的子段，確定所述自變量所在的子段的兩個端點的函數值；
通過所述兩個端點的函數值確定所述自變量的函數值，所述自變量的函數值為所述兩個端點的函數值的加權平均值。
而由于發(fā)電量和發(fā)電流量、水頭之間的非線性關系pt＝9.8htqt則較為復雜，傳統(tǒng)的做法是假設水庫水頭hkt為定值，從而將非線性關系簡化為線性關系。這給問題的求解帶來了很大的方便，但是也引入了較大的誤差。針對近似精度不高的問題，現有給出的解決方法是：對于小型徑流式水電站，可以采用一階泰勒展開的方法，由于水頭和發(fā)電流量的變化范圍較小，使用該方法引入的誤差較小；對于大型水電站群，泰勒展開的方法誤差較大，需要采取新的思路?？紤]到非線性的困難在于變量的耦合，對變量進行代入替換，恰可以對其進行分離，因此，本發(fā)明中對上述非線性的約束條件式pkt＝9.8hktqkt進行分段線性化的步驟，具體包括：
將變量水頭hkt的計算公式代入，獲得具有兩個多項式的關系式，即，
其中，pkt為第k個水庫在t時刻的發(fā)電功率，qkt為第k個水庫在t時刻的發(fā)電流量，hkt為第k個水庫t時刻的上下游水位差，hukt為第k個水庫t時刻的上游水位，hdkt為第k個水庫t時刻的下游水位，Vkt為第k個水庫在時刻t的水量，Ak0、Ak1、Bk0、Bk1、Bk2、Bk3為常數，可根據具體實際情況進行調節(jié)。
分別對兩個多項式和分別進行分段線性化；
在上述兩個多項式的曲線上取n個點，將每一所述曲線劃分成n-1個子段；
計算n個點對應的函數值；
通過0-1變量確定自變量所在的子段，確定所述自變量所在的子段的兩個端點的函數值；
通過所述兩個端點的函數值確定所述自變量的函數值，所述自變量的函數值為所述兩個端點的函數值的加權平均值。
上述模型中將出流量近似為發(fā)電流量，若再考慮發(fā)電損耗水量Ljt＝zjtSU，則上述變量代入分離的方法會引入雙線性項。但是發(fā)電損耗水量與水電機組啟停狀態(tài)zjt相關，而該變量是一個0-1變量(即變量值為0或者1)，即該雙線性項的可行域離散，因此仍可以采用分段線性化的方法。取其中的項F＝VtLjt為例，其線性化如下：
F＝a1,j,tVminSU+a2,j,tVmaxSU
Vt＝a1,j,tVmin+a2,j,tVmax+a3,j,tVmin+a4,j,tVmax
a1,j,t+a2,j,t＝zjt,a3,j,t+a4,j,t＝1-zjt
本發(fā)明首先結合我國實際的水電調度模式，提出一種新的水電約束線性化的方法，對水電變量進行解耦分離，分別分段線性化，避免了直接對變量在時間和空間上非線性耦合的非凸非線性問題進行求解。此外，在水電非線性約束的處理上，相較于傳統(tǒng)的方法如定水頭假設、平面上分段線性化等，在優(yōu)化總成本、計算時間和計算精度上都有優(yōu)勢。最后，本發(fā)明給出的水電優(yōu)化調度模型是普適性的模型，可以應用于電力系統(tǒng)中一系列與水電相關的調度問題，將改進后的水電優(yōu)化調度模型與火電機組組合聯(lián)合調度，可以有效提高電力系統(tǒng)運行效率，減少運行成本，具有現實意義。
本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可
本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制。