馬曉偉，薛斌，褚云龍，郭少青，張德亮，黃紅偉

(1. 國(guó)網(wǎng)電網(wǎng)公司西北分部，陜西 西安 710048； 2．北京清大科越股份有限公司，北京 100084)

0 引 言

發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃編制是電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行的關(guān)鍵內(nèi)容，對(duì)電網(wǎng)供電能力具有顯著影響。隨著我國(guó)電力市場(chǎng)化改革的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)行政指令主導(dǎo)的檢修計(jì)劃編制模式必將改變。引入市場(chǎng)化調(diào)整手段，形成公平、公開的檢修計(jì)劃編制體制已成為電力市場(chǎng)下發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃編制的必然趨勢(shì)。

檢修時(shí)間窗模式是當(dāng)前一種較為成熟的市場(chǎng)化發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃形成機(jī)制[1-2]，在美國(guó)、英國(guó)等電力市場(chǎng)起步較早的國(guó)家得到了較為廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了電力市場(chǎng)環(huán)境下發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃調(diào)整機(jī)制，通過開展檢修時(shí)間調(diào)整滿足電網(wǎng)運(yùn)行可靠性要求。文獻(xiàn)[4]介紹了國(guó)外市場(chǎng)模式下發(fā)電機(jī)組按照時(shí)間窗模式申報(bào)檢修計(jì)劃的內(nèi)容和要求。文獻(xiàn)[5]提出了基于市場(chǎng)公平性的發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃編制模型，以提升不同發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃的時(shí)間和次數(shù)。文獻(xiàn)[6]基于我國(guó)市場(chǎng)發(fā)展要求，設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)組檢修市場(chǎng)的模式，其核心思想在于引入檢修成本，實(shí)現(xiàn)檢修計(jì)劃的市場(chǎng)化交易。文獻(xiàn)[7]深入研究了電力市場(chǎng)環(huán)境下的發(fā)電機(jī)組檢修問題，提出了以備用容量充裕度最大為目標(biāo)的檢修計(jì)劃編制模型。

可以發(fā)現(xiàn)盡管檢修市場(chǎng)窗模式在國(guó)外得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。但是由于我國(guó)電力市場(chǎng)改革起步較晚，相關(guān)的研究還比較少。檢修時(shí)間窗模式下發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃優(yōu)化編制的模型和算法還不夠成熟。

為此，本文將首先介紹發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃時(shí)間窗編制模式，分析其技術(shù)要求和實(shí)施難點(diǎn)；接著從獨(dú)立調(diào)度機(jī)構(gòu)(Independent System Operator，簡(jiǎn)稱ISO)進(jìn)行檢修計(jì)劃優(yōu)化編制的角度出發(fā)，提出系統(tǒng)層面發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃優(yōu)化編制的模型和算法；最后，以該模型和算法為核心，設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃優(yōu)化編制的系統(tǒng)功能架構(gòu)，并介紹了其在西北電網(wǎng)的應(yīng)用情況。

1 時(shí)間窗模式的主要內(nèi)容和實(shí)施要點(diǎn)

1.1 時(shí)間窗模式的主要內(nèi)容

發(fā)電機(jī)組檢修時(shí)間窗模式本質(zhì)上是一個(gè)以時(shí)間窗口為申報(bào)主要內(nèi)容的發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃平臺(tái)式管理模式。所謂“平臺(tái)式”，是指發(fā)電企業(yè)能夠按照其意愿申報(bào)其檢修計(jì)劃方案，ISO在編制最終的檢修計(jì)劃時(shí)必須做到公平、公正。這一點(diǎn)有別于當(dāng)前我國(guó)大部分地區(qū)電網(wǎng)在進(jìn)行發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃優(yōu)化時(shí)以行政指令為主導(dǎo)，編制過程不透明，編制結(jié)果不公平的非市場(chǎng)模式[3]32。在該平臺(tái)上，發(fā)電企業(yè)必須按照規(guī)定向ISO申報(bào)其發(fā)電意愿，主要申報(bào)內(nèi)容包括每臺(tái)發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃時(shí)段方案和各方案所對(duì)應(yīng)的意愿成本。

檢修計(jì)劃時(shí)間方案為一臺(tái)發(fā)電機(jī)組的一項(xiàng)檢修任務(wù)的起止日期。由于發(fā)電機(jī)組檢修工作的連續(xù)性要求，因此對(duì)于同一臺(tái)發(fā)電機(jī)組的一項(xiàng)檢修任務(wù)，其申報(bào)的任意方案在檢修工作期間必將是連續(xù)的。意愿成本則是該發(fā)電機(jī)組為爭(zhēng)取某一檢修計(jì)劃時(shí)間方案所愿意支付的費(fèi)用，該費(fèi)用的高低實(shí)際上就代表了該檢修工作對(duì)該發(fā)電機(jī)組的重要程度。

圖1所示為檢修時(shí)間窗模式下一發(fā)電企業(yè)對(duì)其所轄的一臺(tái)發(fā)電機(jī)組所申報(bào)的檢修計(jì)劃意愿方案示意圖。圖1中取值為1的時(shí)段表明該發(fā)電機(jī)組處于停機(jī)檢修狀態(tài)，取值為0則表明發(fā)電機(jī)組并不處于停機(jī)檢修狀態(tài)。表1為該發(fā)電機(jī)組各檢修計(jì)劃意愿方案時(shí)間范圍、檢修天數(shù)和意愿成本的基本信息?？梢园l(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的各檢修計(jì)劃時(shí)間方案均為一個(gè)個(gè)類似“時(shí)間窗口”形狀的連續(xù)區(qū)間。從表1可以看出不同方案下發(fā)電機(jī)組的檢修意愿不同，在示例的3個(gè)方案中發(fā)電企業(yè)偏向于選擇時(shí)間段，且安排時(shí)間靠前的方案1。

圖1 發(fā)電機(jī)組檢修時(shí)間窗申報(bào)示例

方案名稱檢修起止周總周數(shù)意愿成本/萬元方案1[6,9]44方案2[10,14]53方案3[40,45]62

1.2 時(shí)間窗模式的實(shí)施要點(diǎn)

時(shí)間窗模式下發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃編制與執(zhí)行的實(shí)施流程如圖2所示。其實(shí)施要點(diǎn)包括：

1)發(fā)電企業(yè)申報(bào)檢修時(shí)間窗及各時(shí)間窗所對(duì)應(yīng)的意愿成本

在ISO規(guī)定的時(shí)間范圍，發(fā)電企業(yè)根據(jù)自身生產(chǎn)計(jì)劃安排及市場(chǎng)評(píng)估分析，提交其所轄各發(fā)電機(jī)組的檢修計(jì)劃時(shí)間窗和各檢修計(jì)劃方案所對(duì)應(yīng)的意愿成本。為了規(guī)范申報(bào)，ISO需要對(duì)其申報(bào)時(shí)間和意愿價(jià)格范圍作相應(yīng)規(guī)定。

2)ISO按照公平、公正的原則編制發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃

該步驟是時(shí)間窗模式的核心內(nèi)容，也是本文所研究的主要內(nèi)容。ISO在接收到所有發(fā)電企業(yè)規(guī)定時(shí)間范圍的檢修計(jì)劃申請(qǐng)后，在確保電網(wǎng)供電可靠性的前提下，按照經(jīng)濟(jì)原則編制發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃。這部分的建模和求解方法將在本文下一節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3)ISO根據(jù)檢修計(jì)劃實(shí)際執(zhí)行情況對(duì)各發(fā)電廠進(jìn)行考核和補(bǔ)償

根據(jù)檢修計(jì)劃管理要求，ISO對(duì)各發(fā)電機(jī)組實(shí)際檢修計(jì)劃執(zhí)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)電企業(yè)執(zhí)行情況考核和補(bǔ)償。由于各電力市場(chǎng)規(guī)定不同，因此考核和補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)不同，這里不作贅述。

圖2 時(shí)間窗模式實(shí)施流程

2 時(shí)間窗模式下檢修計(jì)劃模型與算法

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃優(yōu)化編制中，發(fā)電機(jī)組不同的檢修時(shí)間所對(duì)應(yīng)的成本難以量化。而在時(shí)間窗模式下，發(fā)電機(jī)組不同檢修計(jì)劃所對(duì)應(yīng)的成本可通過其申報(bào)的意愿成本量化。因此，時(shí)間窗模式下發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃優(yōu)化編制的目標(biāo)為所采用的檢修計(jì)劃時(shí)間窗滿足意愿成本最小，該目標(biāo)函數(shù)可表示為：

(1)

式中：NG表示系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù);Ni為第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組所申報(bào)的檢修計(jì)劃時(shí)間窗方案數(shù);pi,j為第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組所申報(bào)的第j項(xiàng)檢修計(jì)劃時(shí)間窗所對(duì)應(yīng)的意愿成本;xi,j為0～1決策變量，代表第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組所申報(bào)的第j項(xiàng)檢修計(jì)劃時(shí)間窗被采用的狀態(tài)。

2.2 約束條件

所需要考慮的約束條件包括機(jī)組檢修意愿約束、電網(wǎng)運(yùn)行可靠性約束兩大類。

1)機(jī)組檢修意愿約束

該約束項(xiàng)包括兩個(gè)方面要求：①?zèng)Q策變量所代表的檢修計(jì)劃方案采用情況須為0～1變量；②任意發(fā)電機(jī)組的檢修計(jì)劃方案有且僅有一個(gè)被采用。上述約束條件可表示如下：

xi,j={0,1} ?i=1,2…,NG,j=1,2…,Ni

(2)

(3)

如式(2)為決策變量取值約束，式(3)為決策變量取值之和為1的約束項(xiàng)。

2)電網(wǎng)運(yùn)行可靠性約束

電網(wǎng)運(yùn)行可靠性約束是指所安排的發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃必須滿足電力供應(yīng)的備用要求?？蛇x用失負(fù)荷概率、發(fā)電容量充裕度和備用容量充裕度等指標(biāo)來對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)[8-9]。上述指標(biāo)計(jì)算方法不同，但是從算法原理和指標(biāo)含義來說，實(shí)際上可按照其是否考慮機(jī)組的運(yùn)行可靠性分為確定性指標(biāo)和概率性指標(biāo)兩大類[10-11]。在上述兩大類指標(biāo)中盡管指標(biāo)項(xiàng)的計(jì)算過程有所差別，但物理含義相同，為此本文各選用一項(xiàng)指標(biāo)來進(jìn)行電網(wǎng)運(yùn)行可靠性分析。確定性指標(biāo)選用備用容量充裕度指標(biāo)，概率性指標(biāo)選用供電可信容量指標(biāo)。為保證電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，要求上述兩項(xiàng)指標(biāo)不得低于規(guī)定限值。上述關(guān)系可表示如下：

Rt≥Rset?t=1,2…,NT

(4)

Et≥Eset?t=1,2…,NT

(5)

式中:NT為檢修計(jì)劃所對(duì)應(yīng)的優(yōu)化周期;Rt、Et分別為該運(yùn)行周期內(nèi)第t個(gè)運(yùn)行點(diǎn)的備用容量充裕度和供電可信容量;Rset、Eset為所規(guī)定的備用容量充裕度限值和供電可信容量限值。

其中，第t個(gè)運(yùn)行點(diǎn)的備用容量充裕度計(jì)算公式如下：

(6)

第t個(gè)運(yùn)行點(diǎn)的供電可信容量計(jì)算公式如下：

(7)

式中：γi為發(fā)電機(jī)組i的故障停運(yùn)率。

2.3 求解算法

本文所提出的時(shí)間窗模式下發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃優(yōu)化編制模型實(shí)際上為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題,該問題可基于Cplex等成熟軟件包直接求解[5]17-18，本文不再贅述。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)功能框架

時(shí)間窗模式下發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃優(yōu)化編制系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢修計(jì)劃優(yōu)化編制模式的差別在于需要提供一個(gè)開放的廠網(wǎng)互動(dòng)平臺(tái)，為發(fā)電企業(yè)提供其所轄發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃方案申報(bào)的窗口。該系統(tǒng)的功能框架如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)按照其實(shí)現(xiàn)功能，可劃分為三個(gè)功能模塊。

1)廠網(wǎng)互動(dòng)模塊

作為ISO和發(fā)電企業(yè)信息交互的窗口，主要實(shí)現(xiàn)如下三方面功能:發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)信息管理，檢修計(jì)劃方案申報(bào)和檢修計(jì)劃考核申訴和考核、補(bǔ)償信息查詢。發(fā)電企業(yè)可在其功能模塊下實(shí)現(xiàn)對(duì)其所轄發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)信息管理，包括裝機(jī)容量、故障停運(yùn)率等。檢修計(jì)劃方案申報(bào)則是發(fā)電企業(yè)將其檢修意愿按照時(shí)間窗要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行申報(bào)，所申報(bào)的內(nèi)容包括檢修時(shí)間窗和意愿成本。檢修計(jì)劃考核申訴和考核、補(bǔ)充信息查詢，是在實(shí)際運(yùn)行后，發(fā)電機(jī)組根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)ISO所公布的考核費(fèi)用和補(bǔ)充費(fèi)用對(duì)其進(jìn)行查詢、申訴。

2)檢修計(jì)劃優(yōu)化編制

該功能模塊為ISO發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃編制人員所主要使用的功能模塊。該模塊以本文第2節(jié)所提出的時(shí)間窗模式下的發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃優(yōu)化編制模型構(gòu)建。編制人員在該功能模塊下除進(jìn)行數(shù)據(jù)信息查詢、編制外，還能根據(jù)所編制計(jì)劃的備用容量充裕度、發(fā)電可信容量指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)估。

3)檢修計(jì)劃執(zhí)行情況分析

該模塊是按照檢修計(jì)劃編制結(jié)合和發(fā)電機(jī)組實(shí)際檢修計(jì)劃執(zhí)行情況，對(duì)其進(jìn)行考核和補(bǔ)償。各電力市場(chǎng)均會(huì)根據(jù)自身情況制訂其考核和補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。一般來說當(dāng)發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃實(shí)際周期短于申報(bào)周期且短于全網(wǎng)同類檢修內(nèi)容平均檢修周期時(shí)，表明執(zhí)行情況較好，可給予適當(dāng)補(bǔ)償；當(dāng)超過其申報(bào)周期時(shí)，則需要對(duì)其進(jìn)行考核。該模塊所需要的發(fā)電機(jī)組實(shí)際檢修計(jì)劃執(zhí)行情況數(shù)據(jù)來自于發(fā)電計(jì)劃編制系統(tǒng)。

圖3 系統(tǒng)功能架構(gòu)

3.2 實(shí)踐應(yīng)用效益

本文所提出的時(shí)間窗模式發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃優(yōu)化編制模型與方法已在西北電網(wǎng)得到實(shí)際應(yīng)用。從一年的實(shí)踐應(yīng)用情況來看，該系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用為廠網(wǎng)檢修計(jì)劃優(yōu)化創(chuàng)造了顯著效益，具體表現(xiàn)如下：

(1)改變了傳統(tǒng)指令式的編制模式，改善了廠網(wǎng)關(guān)系。項(xiàng)目實(shí)施后，各發(fā)電企業(yè)不僅能夠提交檢修計(jì)劃申請(qǐng)，而且能夠從公開平臺(tái)了解編制過程，大大提升了編制透明度，從而改善了廠網(wǎng)關(guān)系。

(2)引入了檢修意愿價(jià)格，提升了電網(wǎng)運(yùn)行效益，特別是水火電檢修計(jì)劃協(xié)調(diào)優(yōu)化效益。通過引入檢修意愿價(jià)格，水電通過支付更高的成本獲得枯水期檢修的機(jī)會(huì)，而火電機(jī)組則可獲得相應(yīng)的價(jià)格補(bǔ)償。實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了檢修計(jì)劃層面水火互濟(jì)，大大提升了雙方的運(yùn)行效益。

(3)增加了檢修計(jì)劃考核力度，發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃完成率大幅提高。時(shí)間窗模式下由于檢修計(jì)劃需要支付意愿成本，因此發(fā)電企業(yè)更加重視檢修計(jì)劃完成率。從西北電網(wǎng)的實(shí)踐情況來看，實(shí)施一年來，檢修計(jì)劃完成率由實(shí)施前的60%提升至95%，提升幅度超過30%。

4 結(jié)束語

本文介紹了電力市場(chǎng)發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃編制常用的時(shí)間窗模式。提出了基于時(shí)間窗的發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃優(yōu)化編制模型與算法。該成果已用于西北電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃編制，在改善廠網(wǎng)關(guān)系、提升運(yùn)行效益和提高檢修計(jì)劃完成率三個(gè)方面取得了顯著的實(shí)施效益。