本發(fā)明涉及輸電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域,尤其是涉及一種基于成本的能效電廠優(yōu)化配置與廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃方法。
背景技術(shù):
傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃的主要任務(wù)是配合電源規(guī)劃,在研究規(guī)劃期間負荷增長情況及電源規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上,為滿足全社會電力需求、發(fā)展,而確定最佳的電網(wǎng)規(guī)劃方案,使整個電力系統(tǒng)的建設(shè)和運行費用最小。而電力體制改革后“廠網(wǎng)分開”,電網(wǎng)規(guī)劃由電網(wǎng)公司獨立進行,盡管社會效益最優(yōu)仍然是電網(wǎng)規(guī)劃所要考慮的最終目標,但是電網(wǎng)投資者的直接目的將從原來的發(fā)、輸、配電總體利益最大化轉(zhuǎn)變成電網(wǎng)運行和建設(shè)的利益最大化,這種變化是電力體制改革的必然結(jié)果。
隨著我國電力體制改革的逐步深入,電廠與電網(wǎng)已徹底分離,成立了發(fā)電公司和電網(wǎng)公司。在日后條件成熟時,將繼續(xù)剝離電網(wǎng)公司的輸、供電資產(chǎn),最終形成發(fā)、輸、供電領(lǐng)域,并引入自由競爭機制,而輸電領(lǐng)域則仍保持國家的自然壟斷性質(zhì)。對發(fā)電公司而言,在新的形勢下要以最低的電廠投資和年運行費用獲取最大的發(fā)電經(jīng)濟利益為首選;對電網(wǎng)公司來說,在電力體制改革前,一體化電力企業(yè)通常是電網(wǎng)和電廠的唯一投資者。電力體制改革后,電網(wǎng)公司主要負責(zé)電網(wǎng)的投資和建設(shè)以及關(guān)系到宏觀發(fā)展的電源建設(shè)。隨著能效電廠的規(guī)?;ㄔO(shè),電網(wǎng)作為發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)的橋梁,還需考慮與能效電廠建設(shè)的協(xié)調(diào)發(fā)展。因此對于電源和電網(wǎng)的規(guī)劃部門來說,如何定義其各自的規(guī)劃目標、建立新的規(guī)劃原則、實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展以及協(xié)調(diào)相互之間的利益關(guān)系成為主要的任務(wù)。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種消除孤島、求解準確、邏輯結(jié)構(gòu)清晰、實用合理的基于成本的能效電廠優(yōu)化配置與廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
一種基于成本的能效電廠優(yōu)化配置與廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃方法,包括以下步驟:
1)根據(jù)二層規(guī)劃理論和廠網(wǎng)規(guī)劃約束條件,建立基于成本的能效電廠優(yōu)化配置與廠網(wǎng)協(xié)調(diào)二層規(guī)劃模型,包括上層規(guī)劃模型和下層規(guī)劃模型;
2)根據(jù)規(guī)劃方案的可靠性要求,對所生成的方案進行可靠性驗證,以確保求得的最優(yōu)方案不存在孤島網(wǎng)架;
3)根據(jù)模型特點采用改進遺傳算法和原始-對偶內(nèi)點法的混合算法求解模型得到最優(yōu)規(guī)劃方案。
所述的步驟1)中,上層規(guī)劃模型以總投資成本最小為目標函數(shù),其表達式為:
f=min{f1,f2,f3,...,fh,...,fh}
其中,fh為第h種情形的上層目標值,h為基于下層電源規(guī)劃結(jié)果的h種新增電源節(jié)點配置情形,t為規(guī)劃周期包含的階段數(shù),r為貼現(xiàn)率,1/(1+r)(t-1)y為資金的折算系數(shù),y為第t階段包含的年數(shù),ω為節(jié)點的集合,
所述的步驟1)中,上層規(guī)劃模型的約束條件包括:
n條件下的安全約束:
其中,
n-1條件下的安全約束:
其中,
所述的步驟1)中,下層規(guī)劃模型以電廠的投資成本最小為目標函數(shù),其表達式為:
其中,gt為電廠投資成本,
所述的步驟1)中,下層規(guī)劃模型的約束條件為:
其中,r為機組的備用容量系數(shù),
所述的步驟2)具體包括以下步驟:
21)根據(jù)可靠性要求對所生成的方案進行連通性校驗;
22)對存在孤島的網(wǎng)架,通過隨機選擇孤島與網(wǎng)架中節(jié)點的待架線路來消除孤島,實現(xiàn)網(wǎng)架連通;
23)對存在獨立小網(wǎng)的不連通的網(wǎng)架,通過隨機選擇獨立小網(wǎng)中節(jié)點與網(wǎng)架節(jié)點間的待架線路來消除獨立小網(wǎng),實現(xiàn)網(wǎng)架連通,最終保證了最優(yōu)規(guī)劃方案的網(wǎng)架連通性要求。
所述的步驟3)具體包括以下步驟:
采用改進遺傳算法和原始-對偶內(nèi)點法的混合算法求解得到最優(yōu)規(guī)劃方案,其中,上層采用自適應(yīng)遺傳算法進行全局尋優(yōu),生成優(yōu)化網(wǎng)架,得到線路建設(shè)費用,再通過模擬運算得到運行維護費用、環(huán)境費用、投資成本的期望值,下層利用原始-對點內(nèi)偶法計算切負荷懲罰費用,反饋給上層,得到優(yōu)化目標的總費用,通過迭代收斂得到最優(yōu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。
所述的改進遺傳算法為自適應(yīng)遺傳算法,自適應(yīng)遺傳算法中的交叉概率pc和變異概率pm的計算公式如下:
其中,f為要交叉的兩個個體中適應(yīng)度值較大的一個,f′為要變異的個體的適應(yīng)度值,favg種群的平均適應(yīng)度值,fmax為種群中最大個體適應(yīng)度值,pc1、pc2、pm1、pm2、a為常數(shù)。
該方法還包括:
4)對于不考慮能效電廠和廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃和考慮能效電廠和廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃兩種情況,并將每種情況的規(guī)劃周期分為三個階段,分別獲取并對比各階段下的多項指標,并繪制各方案的規(guī)劃結(jié)果圖。
所述的步驟4)具體包括以下步驟:
41)對于不考慮能效電廠和廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃和考慮能效電廠和廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃兩種情況,將規(guī)劃分為兩大類,并對每一類的規(guī)劃周期分為三個階段;
42)計算每一種情況下三個階段的各項指標,包括增機組數(shù)、新建線路數(shù)、投資成本;
43)將每一種情況按照階段順序進行排序,對比分析各項指標;
44)根據(jù)計算結(jié)果,繪制各方案的規(guī)劃結(jié)果圖。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
本發(fā)明中提出考慮投資成本以及電網(wǎng)與能效電廠建設(shè)的協(xié)調(diào)發(fā)展,結(jié)合電網(wǎng)規(guī)劃的多目標性、離散型、非線性,構(gòu)建基于成本的能效電廠優(yōu)化配置與廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)規(guī)劃方案的可靠性要求,對所生成的方案進行可靠性驗證,以確保求得的最優(yōu)方案不存在孤島網(wǎng)架,根據(jù)自適應(yīng)遺傳算法和原始-對偶內(nèi)點法設(shè)計合理的混合算法,對規(guī)劃模型進行有效求解,得出最佳規(guī)劃方案,繪制規(guī)劃結(jié)果圖,滿足基于成本的能效電廠優(yōu)化配置與廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃的需求,具有邏輯結(jié)構(gòu)清晰、實用合理的優(yōu)點。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的發(fā)明流程圖。
圖2為本算例ieee-rts24系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖3為本發(fā)明混合算法的流程圖。
圖4為實施算例的不考慮epp的廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃階段一規(guī)劃圖。
圖5為實施算例的不考慮epp的廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃階段二規(guī)劃圖。
圖6為實施算例的不考慮epp的廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃階段三規(guī)劃圖。
圖7為實施算例的考慮epp的廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃階段一規(guī)劃圖。
圖8為實施算例的考慮epp的廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃階段二規(guī)劃圖。
圖9為實施算例的考慮epp的廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃階段三規(guī)劃圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
實施例
如圖1所示,一種基于成本的能效電廠優(yōu)化配置與廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃方法,包括以下步驟:
s1根據(jù)二層規(guī)劃理論和廠網(wǎng)規(guī)劃約束條件,建立基于成本的能效電廠優(yōu)化配置與廠網(wǎng)協(xié)調(diào)二層規(guī)劃模型,本實施例中廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃的上層規(guī)劃模型以總投資成本最小為目標函數(shù),包括輸電線路投資成本、電廠(常規(guī)電廠和epp)投資成本以及切負荷懲罰費用;下層規(guī)劃模型是以電廠的投資成本最小為目標函數(shù),包括新建常規(guī)電廠建設(shè)成本、新建能效電廠建設(shè)成本及運行維修成本。
上層模型為:
f=min{f1,f2,f3,...,fh,...,fh}
式中,h為基于下層電源規(guī)劃結(jié)果的h種新增電源節(jié)點配置情形;i為節(jié)點數(shù),取24;s為線路回路數(shù);t為規(guī)劃周期包含的階段數(shù),取3;fh為第h種情形的上層目標值;r為貼現(xiàn)率(%),1/(1+r)(t-1)y為資金的折算系數(shù),取8%;y為第t階段包含的年數(shù),取5年;ω為節(jié)點的集合;
下層模型為:
式中,m為常規(guī)電廠機組類型數(shù);k為能效電廠機組類型數(shù);n為第t階段包含所選擇的待建常規(guī)電廠的常規(guī)機組數(shù)目;l為第t階段包含所選擇的待建能效電廠的能效電廠數(shù)目;cg,m為新建常規(guī)發(fā)電機組類型為m的單位容量投資成本;pg,m為m型常規(guī)機組的容量;
s2根據(jù)規(guī)劃方案的可靠性要求,對所生成的方案進行可靠性驗證,以確保求得的最優(yōu)方案不存在孤島網(wǎng)架,具體步驟為:
步驟s21:根據(jù)可靠性要求對所生成的方案進行連通性校驗;
步驟s22:對存在孤島的網(wǎng)架,通過隨機選擇孤島與網(wǎng)架中節(jié)點的待架線路來消除孤島,實現(xiàn)網(wǎng)架連通;
步驟s23:對存在獨立小網(wǎng)的不連通的網(wǎng)架,通過隨機選擇獨立小網(wǎng)中節(jié)點與網(wǎng)架節(jié)點間的待架線路來消除獨立小網(wǎng),實現(xiàn)網(wǎng)架連通,最終保證了最優(yōu)規(guī)劃方案的網(wǎng)架連通性要求;
本實施例為ieee-rts系統(tǒng),該系統(tǒng)現(xiàn)有24個節(jié)點,基礎(chǔ)總負荷為5700mw,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,圖中實線為現(xiàn)有輸電線路,虛線為待選輸電線路。進行連通性校驗,發(fā)現(xiàn)在本實施例中不存在孤島網(wǎng)架,其滿足可靠性要求;
s3根據(jù)模型特點采用改進遺傳算法和原始-對偶內(nèi)點法的混合算法求解模型得到最優(yōu)規(guī)劃方案,其中,上層采用自適應(yīng)遺傳算法進行全局尋優(yōu),生成優(yōu)化網(wǎng)架,等到線路建設(shè)費用,再通過模擬運算得到運行維護費用、環(huán)境費用、投資成本等的期望值,下層利用原始-對點內(nèi)偶法計算切負荷懲罰費用,反饋給上層,得到優(yōu)化目標的總費用,通過迭代收斂得到最優(yōu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。
本實施例中下層切負荷約束采用原始-對偶內(nèi)點法,上層采用自適應(yīng)遺傳算法,圖2為本實施例混合算法的流程圖,具體步驟為:
第一步:輸入節(jié)點負荷數(shù)據(jù)、已有機組數(shù)據(jù)、待建機組數(shù)據(jù)、待建epp數(shù)據(jù)等原始參數(shù),令階段計數(shù)器t=1;
第二步:計算該階段末的最大負荷和每一年末的負荷;
第三步:隨機生成初始種群,遺傳代數(shù)計數(shù)器gen=1;
第四步:判斷個體是否滿足備用容量約束和epp容量約束,若滿足,計算常規(guī)電廠和epp的建設(shè)費用,并以各個機組運行小時數(shù)為變量,使用內(nèi)點法計算機組的運行維修費用,將建設(shè)費用和運行維修費用的總和設(shè)為下層目標函數(shù)值,若不滿足,將該個體下層目標函數(shù)值置0;
第五步:計算下層初始種群的目標函數(shù)值和適應(yīng)度值,根據(jù)適應(yīng)度值進行選擇、交叉和變異操作,產(chǎn)生新個體;
第六步:將子代作為新的原始種群,并計算子代的目標函數(shù)值和適應(yīng)度值;
第七步:判斷遺傳代數(shù)gen是否達到最大值,若達到最大值,則輸出最優(yōu)解及新建機組的節(jié)點配置集合,若沒有達到最大值,遺傳代數(shù)計數(shù)器gen=gen+1,返回第四步;
第八步:給節(jié)點配置集合編號,取節(jié)點配置情況h=1,進入上層電網(wǎng)規(guī)劃階段;
第九步:隨機生成初始種群,遺傳代數(shù)計數(shù)器gen=1;
第十步:對個體進行連通性校驗及修正,計算線路建設(shè)費用,并用內(nèi)點法計算切負荷懲罰費用;
第十一步:計算上層初始種群的目標函數(shù)值和適應(yīng)度值,根據(jù)適應(yīng)度值進行選擇、交叉和變異操作,產(chǎn)生新個體;
第十二步:將子代作為新的原始種群,并計算子代的目標函數(shù)值和適應(yīng)度值;
第十三步:判斷遺傳代數(shù)gen是否達到最大值,若達到最大值,則輸出最優(yōu)解并存儲,若沒有達到最大值,遺傳代數(shù)計數(shù)器gen=gen+1,返回第十步;
第十四步:判斷h是否達到最大值,若達到最大值,則輸出最優(yōu)解及最優(yōu)規(guī)劃方案,若沒有達到最大值,h=h+1,返回第九步;
第十五步:判斷t是否達到最大值,若達到最大值,則結(jié)束運算,若沒有達到最大值,t=t+1,返回第二步。
其中,本文的改進遺傳算法為自適應(yīng)遺傳算法,其交叉概率和變異概率能夠根據(jù)適應(yīng)度自動改變。自適應(yīng)遺傳算法中的交叉概率pc和變異概率pm的計算公式如下:
式中,f為要交叉的兩個個體中適應(yīng)度值較大的一個;f′為要變異的個體的適應(yīng)度值,favg種群的平均適應(yīng)度值,fmax為種群中最大個體適應(yīng)度值。pc1、pc2、pm1、pm2、a為常數(shù),其中a為9.903438。
由上式可以看出,當(dāng)個體的適應(yīng)度值高于種群平均適應(yīng)度值時,種群以較小的概率進行交叉和變異,當(dāng)個體的適應(yīng)度值低于種群平均適應(yīng)度值時,種群以較大的概率pc1進行交叉、pm1進行變異,且當(dāng)個體的適應(yīng)度值接近或等于最大適應(yīng)度值時,交叉概率為pc2、變異概率為pm2,避免進化區(qū)域局部最優(yōu)解。這里取pc1=0.5,pc2=0.9,pm1=0.02,pm2=0.05;
s4分析不考慮能效電廠和廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃和考慮能效電廠和廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃兩種情況,并將每種情況的規(guī)劃周期分為三個階段,分別計算各階段下新增機組數(shù)、新建線路數(shù)、靜動態(tài)投資成本及各類污染物的排放量,對比分析各項指標,并繪制各方案的規(guī)劃結(jié)果圖,具體步驟為:
步驟s41:針對不考慮能效電廠和廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃和考慮能效電廠和廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃兩種情況,將本次規(guī)劃分為兩大類,并對每一類的規(guī)劃周期分為三個階段,每個階段為5年;
步驟s42:計算每一種情況各個階段的增機組數(shù)、新建線路數(shù)、投資成本及各項指標;
步驟s43:將每一種情況按照階段順序進行排序,對比分析各項指標;
步驟s44:根據(jù)計算結(jié)果,繪制各方案的規(guī)劃結(jié)果圖。
實施例中,模擬的電力系統(tǒng)采用ieee-rts24系統(tǒng),不考慮epp的廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃各階段規(guī)劃圖如圖4-圖6所示;考慮epp的廠網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃各階段規(guī)劃圖如圖7-圖9所示。