李正哲，馬燕峰，婁雅融，韓金銅

0 引言

我國過去實行考慮機組容量的均衡發(fā)電調(diào)度模式在一定時期內(nèi)調(diào)動了投資電源項目建設(shè)的積極性，促進了電力工業(yè)的快速發(fā)展，但同時也導(dǎo)致了高效環(huán)保的大火電機組、水電及核電等清潔能源機組的發(fā)電能力無法充分發(fā)揮，高污染、高能耗的小火電機組卻能多發(fā)電的情況，造成了能源資源浪費和環(huán)境污染［1］。

目前我國電力工業(yè)電源結(jié)構(gòu)調(diào)整的任務(wù)仍然非常艱巨。一些傳統(tǒng)和計劃方式下的管理方法遏制了節(jié)能工作的展開。前幾年電力供應(yīng)緊張，促使各地大量建設(shè)燃煤機組，小機組關(guān)停步伐明顯放緩，電源結(jié)構(gòu)持續(xù)惡化。面對當前我國的能耗狀況和環(huán)境問題，為加快建設(shè)資源節(jié)約型，環(huán)境友好型的社會，節(jié)能發(fā)電調(diào)度的開展勢在必行。

國務(wù)院轉(zhuǎn)國家發(fā)改委的《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法(試行)》［2］發(fā)布后，要求實施節(jié)能發(fā)電調(diào)度，強制性的實現(xiàn)節(jié)能減排，減少能源消耗和污染物排放。實施節(jié)能發(fā)電調(diào)度是一項涉及面廣且復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是對我國現(xiàn)行發(fā)電調(diào)度制度的重大改革，對電網(wǎng)安全、連續(xù)可靠供電等將產(chǎn)生重大影響，并引起各方利益的調(diào)整。

根據(jù)《國務(wù)院關(guān)于“十一五”期間全國主要污染物排放總量控制計劃的批復(fù)》要求，到2010年電力行業(yè)二氧化硫排放應(yīng)控制在951.7 萬t［3，4］。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，用電需求量不斷擴大，電力行業(yè)發(fā)展迅猛。截至2006 年底，全國發(fā)電裝機容量達到6.2 億kW。其中，火電機組4.8 億kW，約占總?cè)萘康?7.8%。我國火電企業(yè)在電力工業(yè)中的比重高，是名副其實的能源消耗及污染物排放大戶。人均來講，我國電力供應(yīng)仍然處于較低水平，而且電力供需基本平衡仍然是不穩(wěn)定。電力結(jié)構(gòu)不合理、煤炭資源分布與經(jīng)濟發(fā)展不合理、電力能源利用方式落后電力工業(yè)節(jié)能減排發(fā)展落后等，這些仍然是實行節(jié)能減排要面臨的嚴峻問題。

目前，國內(nèi)對節(jié)能發(fā)電調(diào)度的研究已經(jīng)有一些理論成果。文獻［5］主要根據(jù)發(fā)電煤耗、廠用電、網(wǎng)損、排污水平等多種因素確定發(fā)電的優(yōu)先級，探討了節(jié)能調(diào)度與市場化聯(lián)合實施的可能性，提出方案并將相應(yīng)的節(jié)能措施按類型、時間和空間分為3 類分別進行探討。文獻［6］對比了國內(nèi)外發(fā)電調(diào)度機制現(xiàn)狀，進行了節(jié)能調(diào)度與經(jīng)濟調(diào)度特點的比較并提出了調(diào)度機制改革建議。文獻［7］主要根據(jù)發(fā)電煤耗、廠用電、網(wǎng)損、排污水平等多種因素確定發(fā)電的優(yōu)先級，探討了節(jié)能調(diào)度與市場化聯(lián)合實施的可能性，提出了方案，并將相應(yīng)的節(jié)能措施按類型、時間和空間分為3 類分別進行探討。目前研究多是較宏觀地進行研究，尚未對節(jié)能調(diào)度的日發(fā)電計劃進行具體的研究和實現(xiàn)。

對于電力市場中的發(fā)電主體，火電機組在集中競價的電力現(xiàn)貨市場中，按機組報價進行發(fā)電排序，這一過程既給出了調(diào)度依據(jù)，又給出了系統(tǒng)邊際電價，實現(xiàn)了市場的價格發(fā)現(xiàn)功能。節(jié)能調(diào)度是按煤耗排序，暫時仍按批復(fù)電價作為上網(wǎng)電價。在這種情況下，短期交易計劃中在電網(wǎng)公司的角度上可以改變原有的以購電成本最小的經(jīng)濟調(diào)度，在其基礎(chǔ)上增加煤耗指標，變單目標優(yōu)化調(diào)度為雙目標優(yōu)化調(diào)度，引入多目標優(yōu)化決策的方法。本文根據(jù)節(jié)能發(fā)電調(diào)度原則，針對電網(wǎng)火電機組提出既考慮電網(wǎng)購電成本和機組發(fā)電煤耗消耗量最小的雙目標模糊優(yōu)化短期交易計劃制定策略，建立多目標模糊優(yōu)化模型，并進行了算例比較。結(jié)果表明所建模型使綜合指標高的發(fā)電商在競爭時有明顯優(yōu)勢。

1 節(jié)能發(fā)電調(diào)度對傳統(tǒng)調(diào)度模式的影響

節(jié)能發(fā)電調(diào)度方式優(yōu)先調(diào)度可再生能源、高效環(huán)保發(fā)電機組，同時兼顧經(jīng)濟社會效益目標的最大化，以此來推動電力工業(yè)健康發(fā)展，正迎合了當前社會經(jīng)濟節(jié)能降耗和電力市場化改革目的的要求。落實節(jié)能減排工作任務(wù)，對于減少能源消耗、建設(shè)資源節(jié)約型社會和環(huán)境友好型社會、推動國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1.1 節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式的分析

《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法(試行)》中明確了節(jié)能發(fā)電調(diào)度以確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行和連續(xù)供電為前提，以節(jié)能、環(huán)保為目標，通過對各類發(fā)電機組按能耗和污染物排放水平排序，以分省排序、區(qū)域內(nèi)優(yōu)化、區(qū)域間協(xié)調(diào)的方式，實施優(yōu)化調(diào)度。實施節(jié)能發(fā)電調(diào)度的關(guān)鍵問題是將現(xiàn)階段的以價格為標準的競價上網(wǎng)模式變?yōu)橐阅芎暮臀廴疚锱欧潘綖闃藴实恼{(diào)度模式。電網(wǎng)企業(yè)也由原來的偏重商業(yè)化轉(zhuǎn)變?yōu)楦嗟仄蛏鐣δ?，這必將面臨如火電機組發(fā)電成本增加，長短期節(jié)能調(diào)度優(yōu)化等諸多的問題［8～10］。

節(jié)能發(fā)電調(diào)度適用于所有并網(wǎng)運行的發(fā)電機組，上網(wǎng)電價暫按國家現(xiàn)行管理辦法執(zhí)行。對符合國家有關(guān)規(guī)定的外商直接投資企業(yè)的發(fā)電機組，可繼續(xù)執(zhí)行現(xiàn)有購電合同，合同期滿后，執(zhí)行節(jié)能發(fā)電調(diào)度。而機組發(fā)電排序的序位表(以下簡稱排序表)是節(jié)能發(fā)電調(diào)度的主要依據(jù)。各省(區(qū)、市)的排序表由省級人民政府責成其發(fā)展改革委(經(jīng)貿(mào)委)組織編制，并根據(jù)機組投產(chǎn)和實際運行情況及時調(diào)整。排序表的編制應(yīng)公開、公平、公正，并對電力企業(yè)和社會公開，對存在重大分歧的可進行聽證。在調(diào)度優(yōu)先級上，各類發(fā)電機組按以下順序確定序位:

(1)無調(diào)節(jié)能力的風能、太陽能、海洋能、水能等可再生能源發(fā)電機組。

(2)有調(diào)節(jié)能力的水能、生物質(zhì)能、地熱能等可再生能源發(fā)電機組和滿足環(huán)保要求的垃圾發(fā)電機組。

(3)核能發(fā)電機組。

(4)按“以熱定電”方式運行的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組，余熱、余氣、余壓、煤矸石、洗中煤、煤層氣等資源綜合利用發(fā)電機組。

(5)天然氣、煤氣化發(fā)電機組。

(6)其他燃煤發(fā)電機組，包括未帶熱負荷的熱電聯(lián)產(chǎn)機組。

(7)燃油發(fā)電機組。

1.2 節(jié)能發(fā)電調(diào)度對傳統(tǒng)調(diào)度模式的影響

電力行業(yè)落實節(jié)能減排有3 大主要任務(wù):改進發(fā)電調(diào)度方式、關(guān)停小火電機組和加大脫硫力度。其中，改進發(fā)電調(diào)度方式又是電力行業(yè)節(jié)能減排的主要環(huán)節(jié)。長期以來，中國電力調(diào)度存在一些問題，主要表現(xiàn)在不同能耗水平的機組在電力市場和發(fā)電調(diào)度中的“大鍋飯”，這與歷史上投資機制、供需形勢、市場機制和運行管理機制有很大的關(guān)系。改進調(diào)度方式，不僅僅是技術(shù)上的電量平移，它將對投資政策、電價政策和企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營穩(wěn)定產(chǎn)生深刻影響，需要通過綜合措施才能解決。改變調(diào)度方式的過程實際上是利益再分配的過程，與市場內(nèi)相關(guān)各方的切身利益密切相關(guān)［11］。

首先，節(jié)能發(fā)電調(diào)度雖然有利于建立電力行業(yè)節(jié)能減排的長效機制，逐步淘汰高能耗、高排放的發(fā)電機組，但高效大機組發(fā)電存在投資大的問題，相比已經(jīng)完成還貸、上網(wǎng)電價偏低的小機組而言，大機組在價格上沒有優(yōu)勢。隨著大量能耗低的發(fā)電機組投運，替代現(xiàn)有能耗高的低價電廠，新老電廠的價差必然導(dǎo)致電網(wǎng)公司購電價格較快上升，從而導(dǎo)致電力用戶電價過快上漲，進一步推動整個物價的增長幅度，這將不利于全國經(jīng)濟發(fā)展。

其次，節(jié)能發(fā)電調(diào)度的實施主要是根據(jù)政府有關(guān)部門制定的節(jié)能排序序位安排發(fā)電，并沒有考慮線損，而線損率是衡量電網(wǎng)企業(yè)管理水平和貫徹節(jié)能降耗方針的重要標志。目前大部分高耗能機組處于負荷中心，用非負荷中心位置的大機組減少或替換高耗能機組發(fā)電，將增加電網(wǎng)網(wǎng)損，同時，電網(wǎng)潮流也將發(fā)生較大變化。處于負荷中心的小機組少發(fā)或停發(fā)，當?shù)氐挠秒娦枨鬅o法自我平衡，必須通過外部電網(wǎng)送入，加劇了電網(wǎng)的“瓶頸”效應(yīng)。這對電網(wǎng)在負荷高峰時期的保障電力供應(yīng)提出了新的挑戰(zhàn)。

第三是實施節(jié)能發(fā)電調(diào)度后，部分大型、高效機組收益將大大增加，部分小型、低效火電機組關(guān)停，為保證電網(wǎng)可靠供電，在執(zhí)行過程中仍需要保留部分參加調(diào)頻調(diào)峰備用的統(tǒng)調(diào)中小火電機組，其年利用小時在幾百小時，甚至只有幾十小時，這些機組依靠實際發(fā)電量收入難以滿足機組生產(chǎn)運行維護費用，將導(dǎo)致這些機組需要時無法開機，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

《辦法》指出節(jié)能發(fā)電調(diào)度是指在保障電力可靠供應(yīng)的前提下，按照節(jié)能、經(jīng)濟的原則，優(yōu)先調(diào)度可再生能源發(fā)電，按機組能耗和污染物排放水平由低到高排序，依次調(diào)用化石類發(fā)電資源，最大限度地減少能源消耗和污染物排放。節(jié)能發(fā)電優(yōu)化調(diào)度是以節(jié)能減排為核心目標提出的發(fā)電調(diào)度規(guī)則。在優(yōu)先調(diào)度清潔能源的基礎(chǔ)上，對火電機組進行節(jié)能與市場機制的結(jié)合調(diào)度，這是因為完全按能耗量排序進行發(fā)電調(diào)度能達到節(jié)能降耗目的，但必然會引起電網(wǎng)公司購電成本上升，不能體現(xiàn)市場主體意愿，而僅考慮發(fā)電廠報價的經(jīng)濟調(diào)度，忽視機組煤耗、排放等因素，節(jié)能降耗將難以充分實現(xiàn)［10］。

對于電力市場中的發(fā)電主體，火電機組在集中競價的電力現(xiàn)貨市場中，按機組報價進行發(fā)電排序，這一過程既給出了調(diào)度依據(jù)，又給出了系統(tǒng)邊際電價，實現(xiàn)了市場的價格發(fā)現(xiàn)功能。節(jié)能調(diào)度是按煤耗排序，暫時仍按批復(fù)電價作為上網(wǎng)電價。在這種情況下，為保證各發(fā)電企業(yè)公平競爭及實時經(jīng)濟調(diào)度，其調(diào)度原則、方案應(yīng)模型化。電力市場條件下的節(jié)能日發(fā)電計劃模型應(yīng)該是多目標優(yōu)化模型。從電網(wǎng)公司的角度出發(fā)，短期交易計劃可以改變原有的以購電成本最小的經(jīng)濟調(diào)度，在其基礎(chǔ)上增加煤耗指標，變單目標優(yōu)化調(diào)度為雙目標優(yōu)化調(diào)度，引入多目標優(yōu)化決策的方法。

2 節(jié)能發(fā)電調(diào)度優(yōu)化模型

與常規(guī)經(jīng)濟調(diào)度一樣，節(jié)能調(diào)度也應(yīng)包括兩個過程:一是機組的組合排序過程。該過程是針對執(zhí)行調(diào)度的電力系統(tǒng)，在其實時運行之前，按照成本最低、污染物排放量最低等目標，決定可用機組序列的過程。針對某一負荷狀況，確定某一部分機組參加運行時整個系統(tǒng)運行是最經(jīng)濟的，這就是機組組合問題。研究機組的最優(yōu)投入問題是一項很有意義的工作，它是每天制定調(diào)度計劃的依據(jù)，而且機組最優(yōu)投入所取得的經(jīng)濟效益一般大于機組間經(jīng)濟分配的效益。二是機組發(fā)電容量的實時調(diào)度過程。該過程是針對上一步所確定的機組序列，決定在系統(tǒng)實時運行期間從每個可用機組調(diào)度多少容量與電量的過程。

交易中心應(yīng)盡量滿足清潔能源機組的上網(wǎng)電量要求，交易價格按國家規(guī)定價格執(zhí)行。在節(jié)能發(fā)電序表上各火電機組的上網(wǎng)電價和煤耗水平已經(jīng)確定的前提下，建立雙目標模型。

帶模糊約束的模糊多目標決策模型可以表示為

式中:x 為n 維決策列向量;min 表示“盡可能使目標函數(shù)小”;fi(x)為目標函數(shù);gi(x)，hr(x)分別為約束條件函數(shù)。由于fi之間往往是相互制約甚至相互矛盾的，因此，不一定能找到一個解x，使fi都可以達到最優(yōu)，這正是多目標規(guī)劃所反映的實際問題中的多目標決策的困難性與復(fù)雜性，所以人們提出關(guān)于最優(yōu)解范疇的多種概念［12］。

2.1 模糊多目標規(guī)劃方法

求解多目標決策問題的算法包括目的規(guī)劃法、分層規(guī)劃法、交互規(guī)劃法以及模糊解法即隸屬函數(shù)法，本章求解上述模型采用模糊數(shù)學(xué)中最大隸屬度原則。對于多目標規(guī)劃問題，就是在相同的約束條件下，追求多個目標優(yōu)化的問題。對目標函數(shù)F(x)=［f1(x)f2(x)… fm(x)］T在約束條件下的模糊極小值求取方法步驟如下:

(1)求出每一目標分量fi(x)的模糊子集，每個目標對應(yīng)的隸屬度函數(shù)為μ(fi(x))，i =1，2，…。

(2)用最大隸屬度原則求x*，使x*在滿足約束條件還滿足:μ0(x*)=max［μ(f1(x))^μ(f2(x))^…^μ(fn(x))］，x∈Ω。

(3)這樣對于多目標最小化問題，引入模糊隸屬度變量μ 后，可化為單目標優(yōu)化問題。

2.2 雙目標節(jié)能發(fā)電調(diào)度模型(M1)

PGi(t)為機組i 在時間段t 的出力。式(2)為發(fā)電煤耗量函數(shù)，鑒于《辦法》規(guī)定:機組運行能耗水平近期暫依照設(shè)備制造廠商提供的機組能耗參數(shù)排序，逐步過渡到按實測數(shù)值排序?，F(xiàn)階段可認為機組能耗參數(shù)是固定的，與發(fā)電量呈線性變化關(guān)系。νi為機組i 的能耗參數(shù)，即機組每兆瓦出力消耗煤耗所產(chǎn)生的費用。

式(3)為以各發(fā)電商實際報價結(jié)算全網(wǎng)購電費用最小目標函數(shù)。wi(PGi(t))為機組i 在時間段t 報價函數(shù)。本文設(shè)機組在交易周期采用報價曲線wi(PGi(t))=aiPGi(t)+bi。T 為時段數(shù)(一般取24，48，96)，M 為系統(tǒng)中發(fā)電機組的臺數(shù)。

式(4)和式(5)分別為有功功率平衡約束和機組出力約束;PD(t)為t 時段電網(wǎng)的有功負荷，Prc(t)為t 時段有功網(wǎng)損，PGimax與PGimin分別為i 號機組出力約束上下限，假定已經(jīng)考慮機組備用。模型只考慮的約束條件還不夠完善，為簡化模型，該模型并沒有考慮機組啟停等約束條件對調(diào)度的影響。

2.3 目標函數(shù)的模糊化

求解該模型采用模糊數(shù)學(xué)中最大隸屬度原則［13～15］。為確定等價模型，先確定各單目標函數(shù)的隸屬函數(shù)。選擇半直線形函數(shù)為它們的隸屬函數(shù)，目標隸屬函數(shù)用式(6)表示。

式中:x= ［PG1PG2… PGm］T;c0i(i =1，2)分別為以購電費用最小單目標優(yōu)化和煤耗量最小的目標值;δ0i為期望的最大目標節(jié)約，它可以通過c0i乘以反映目標彈性程度的βi來確定，c0i+δ0i表示目標最大可接受值，即(－ ∞，c0i+ δ0i］為第i個目標函數(shù)值可接受的區(qū)間。

2.4 雙目標模糊優(yōu)化節(jié)能發(fā)電調(diào)度模型

將模型M1 轉(zhuǎn)化為滿足兩個目標及所有約束條件的隸屬度即滿意度λ 的最大化問題，通過式(6)將模型M1 轉(zhuǎn)化為雙目標模糊優(yōu)化模型M2［16］。

本文設(shè)彈性系數(shù)βi為0.1，則δ0i即為0.1c0i。

由于假定機組在交易周期采用一次報價曲線，則購電成本目標函數(shù)為二次型，即式(3)等價為

因此，模型M2 約束條件中的第一個不等式約束為二次不等式，為此采用逐步線性化方法求解。

其中，b'i=2ai+bi，c'i=(－ai()2)。

因此，該不等式約束等價為:

模型M2 成為線性規(guī)劃問題如下:

用單純形法求解該模型，求出最大滿意度及最優(yōu)負荷分配結(jié)果。

3 算例仿真及結(jié)果分析

以一個5 臺火電機組為例。為簡化計算，認為有功網(wǎng)損已記入負荷，時段數(shù)選為24，各時段報價曲線相同。采用本文所提方法，利用Matlab7.1 進行仿真計算。算例系統(tǒng)參數(shù)和交易計劃期各時段負荷預(yù)測分別如表1 和表2 所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab．1 Parameters of the test system

表2 交易計劃期各時段負荷預(yù)測值Tab．2 Forecast loads of different periods

表3 為以購電成本最小與消耗煤耗費用最小兩個單目標決策值及雙目標模糊決策目標值之間的計算結(jié)果。通過對表3 中的計算結(jié)果進行分析比較，可以看出雙目標模糊優(yōu)化模型的有效性和可用性。

表3 單目標及雙目標模糊決策目標值Tab．3 Object fuzzy values with single and double objective

圖1 ～圖3 是以機組3 為例，在不同目標約束條件下的機組日有功負荷曲線。機組3 的煤耗系數(shù)相對其他機組較低，而機組報價系數(shù)相對較高。由圖1 可看出以購電費用最小為目標進行交易時，機組充分發(fā)揮其競爭優(yōu)勢不考慮其煤耗消耗量;由圖2 可看出以煤耗量最小為目標交易時，機組不考慮其購電成本如何有優(yōu)勢;當采用本文提出的雙目標模糊優(yōu)化交易時(如圖3)，在安排出力時兼顧了機組的經(jīng)濟和能源節(jié)約指標，充分體現(xiàn)了發(fā)電商多因素的公平性，使得經(jīng)濟和能源節(jié)約指標高的火電機組在競爭時有明顯優(yōu)勢。

4 結(jié)論

中國的電力市場還不成熟，電力工業(yè)市場化程度還較低，但只要我國目前經(jīng)濟體制改革的市場化方向不變，電力工業(yè)市場化改革的方向就不會改變。因此，如何將節(jié)能發(fā)電調(diào)度與電力市場有效結(jié)合在一起，充分運用市場機制達到節(jié)能減排的目的顯得尤為迫切。本文對比節(jié)能發(fā)電調(diào)度與傳統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度，對火電和清潔能源發(fā)電的經(jīng)濟協(xié)調(diào)模式進行分析，分析表明節(jié)能發(fā)電調(diào)度與電力市場有機結(jié)合才能有效地建立電力行業(yè)節(jié)能的長效機制。建立了適合當前電力市場的節(jié)能發(fā)電調(diào)度優(yōu)化模型。

(1)針對節(jié)能發(fā)電調(diào)度短期電力市場交易計劃，提出了兼顧成本節(jié)省和能源節(jié)約的雙目標模糊優(yōu)化交易模型。本文提出的雙目標日有功負荷模糊決策模型，盡管從單目標看沒有以購電成本最小或煤耗量最小兩個單個目標分別優(yōu)化時的計算結(jié)果滿意，但從雙目標綜合看明顯優(yōu)于各單目標決策情況。這種綜合優(yōu)化模型能更好地協(xié)調(diào)電力市場中不同量綱多目標優(yōu)化問題，可很好地解決電力市場中買賣雙方利益相互沖突的多目標優(yōu)化問題。

(2)算例驗證了在考慮多因素競標時，綜合性能好的競爭機組有明顯優(yōu)勢，這種策略可引導(dǎo)發(fā)電商在不斷提高能源利用水平的同時降低成本以提高競爭優(yōu)勢。

［1］W G Wood．Spinning reserve constrained economic dispatch［J］．IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1982，PAS-101，(2):381-388．

［2］國務(wù)院辦公廳．國務(wù)院辦公廳關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)展改革委等部門《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法 (試行)》的通知 (國辦發(fā)［2007］53 號文)［Z］．北京:國務(wù)院．2007

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