李 琦，張成剛，郭志恒，馬遠程

(1.國網陜西省電力公司電力調度控制中心,陜西 西安710048；2.北京清大科越股份有限公司，北京100084)

0 引言

現階段，電網面臨著巨大調峰壓力。隨著用電峰谷差的不斷擴大，區(qū)域內電力與外送電力的特性不完全匹配，新能源快速增長等因素加劇了電網調峰的困難程度。隨著可再生能源裝機的持續(xù)增長，外來電力電量的增加，都使得電網調峰難度更加突出。另一方面，國內電力市場化改革進程進一步加快，電力現貨市場建設有序推進，多項政策的落地均促進了現有電力平衡的優(yōu)化，實現以傳統(tǒng)水電調峰為主的形式轉變?yōu)橐钥稍偕茉?儲能、電動汽車和多用戶等不同客戶群體參與的新型調峰體系。

目前,針對電力市場條件下的調峰模型和技術研究不充分，文獻[1]分析了廣西電力調峰輔助服務市場建設路徑及關鍵問題；文獻[2]分析了不同調峰模式下負荷聚集商參與程度；文獻[3]分析了數據網絡參與多調峰輔助服務市場組合優(yōu)化調度策略；文獻[4]分析了新能源大規(guī)模并網條件下火電機組深度調峰控制策略優(yōu)化；文獻[5]分析了東北區(qū)域火電機組分級深度調峰經濟效益；文獻[6]針對促進負備用跨省調劑的華東電力調峰輔助服務市場進行了設計。

為此，本文針對日前市場和日內市場安全約束經濟調度建立了出清模型。并且針對相應模型給出了求解算法流程。說明了調峰市場與聯絡線計劃跟蹤一體化機制、起作用約束識別的SCED預處理技術和兩級調峰輔助服務市場協調技術等調峰關鍵技術在電力市場中的應用。最后針對日前市場調峰進行了算例分析。

1 日前市場出清SCED模型

1.1 目標函數

日前市場出清的目標函數為最小化系統(tǒng)調峰成本：

(1)

N為機組的總臺數；S為機組調峰報價檔位數；T為調度總時段數，一般考慮24 h；Pi,s,t表示機組i第s檔在t時段的調峰中標量；Ci,s為機組i第s檔的調峰報價。

1.2 約束條件

a.功率平衡約束。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)負荷，該負荷已扣減聯絡線送入功率以及新能源、水電、地調電廠出力。

b.機組出力約束為

(3)

c.機組爬坡約束。機組上爬坡或下爬坡時，均應滿足爬坡速率要求，即

(4)

(5)

d.機組調峰分段約束。當系統(tǒng)需要調峰的時候，需要添加機組調峰分段約束，即

(6)

Pi,Base為機組i的調峰基準值；M為機組報價總段數；Pi,m,t為機組i申報的第m個出力分段在t時段的中標量。

e.機組出力平滑約束。非調峰時段為使機組出力曲線盡量平滑，需添加出力平滑約束。

(7)

f.機組上分段約束。非調峰時段且有電廠考慮電量約束，需添加機組上分段約束,即

(8)

g.風光限電比例約束。若有棄風棄光，則等比例削減風光指定出力。

h.電廠電量約束。如果全天無調峰，則添加電廠電量約束，即

(9)

i.線路潮流約束為

(10)

j.斷面潮流約束為

(11)

1.3 算法流程

在全天有調峰需求時，調峰時段機組按規(guī)則中標調峰，非調峰時段若有電廠考慮電量約束，電廠內機組按開機容量分電廠電量；若全天無調峰需求，則增加電廠電量約束，最大限度地滿足電廠電量的需求。

整個算法流程如圖1所示。

圖1 日內市場出清求解步驟

一般來講，電廠電量是對計劃周期(全天)內電廠計劃安排的約束，調峰出清是分時刻進行出清的，也就是說，如果全天都存在調峰需求，則電廠電量約束失效，如果全天存在無調峰時刻，電廠電量約束就會起到作用。

2 日內市場出清SCED模型

2.1 目標函數

日內市場的出清SCED目標函數同式(1)。

2.2 約束條件

a.人工指定區(qū)域調峰約束。當人工指定區(qū)域需要調峰時，需要添加該約束，即

(12)

b.機組跟蹤日前計劃約束為

(13)

Pi,t,Plan為機組i在t時段需跟蹤的日前計劃出力。

日內市場的其余約束條件同式(2)～式(11)。

2.3 算法流程

日內調峰市場實現在有調峰需求的時候，按規(guī)則讓報價機組中標調峰，出清機組中標和出力結果。具體流程如下所述。

a.首先判斷是否有人工全網出清需求，若有，則按人工全網出清需求量出清；若無，則轉步驟b。

b.同時考慮自動計算全網出清需求(依據機組調峰基準值和系統(tǒng)負荷判斷得到的全網出清需求)和人工區(qū)域出清需求。假設自動計算全網出清量為A，人工區(qū)域出清需求量為B，則具體實現方法如下：

①若A≥B，則區(qū)域內機組出清B電力(若區(qū)域內機組最大調峰空間

②若A

c.某時段無全網出清需求且有人工區(qū)域出清需求，而其他時段有全網出清需求時，則嚴格保證人工區(qū)域出清需求。其他時段的全網出清順序可能因為爬坡等原因受影響。

以上步驟如圖2所示。

圖2 日內市場出清求解步驟

3 調峰關鍵技術

3.1 柔建模與約束松弛技術

在實際調度運行中，有可能出現各類約束沖突或邊界條件不合理，造成市場出清模型和發(fā)電計劃模型在嚴格數學意義上不可行的情況。基于長期以來的工程實踐經驗，提出了柔性建模與約束松弛技術，在發(fā)生不可行時能夠自動根據事先指定的約束優(yōu)先級針對性地松弛一些非關鍵約束，確保市場出清和發(fā)電計劃模型在有限范圍內能夠獲得可行結果，并且能夠根據松弛情況給出輔助信息供運行人員進一步分析決策。

柔性建模與約束松弛技術大大提升了市場出清與發(fā)電計劃優(yōu)化的魯棒性，對電網調度運行有著關鍵性意義。

3.2 基于出清約束識別的閉環(huán)SCED預處理技術

由于全網的斷面/線路安全約束過多，直接將所有的斷面/線路約束條件添加到數學模型中進行優(yōu)化，必然會極大地降低計算效率。

本文提出基于起作用約束識別的閉環(huán)SCED預處理技術。首先，建立不考慮網絡安全約束的優(yōu)化模型，求得無安全約束出清結果；接著，計算斷面/線路的基態(tài)直流潮流，并開展安全校核：若不存在新增斷面/線路潮流越限，則優(yōu)化結束，否則將新增斷面/線路潮流約束添加到優(yōu)化模型的約束條件中，重新計算有安全約束市場出清，并開展直流潮流安全校核，如此循環(huán)直至沒有新增斷面/線路潮流越限。

該技術通過SCED與安全校核之間的迭代，逐步識別起作用約束并加入到SCED中，獲得最優(yōu)解，從而極大地提高優(yōu)化效率。具體流程如圖3所示。

圖3 閉環(huán)SCED預處理流程

在上述思路的基礎上，可以進一步利用歷史運行數據，提高第1次優(yōu)化計算時重載斷面的識別完整度。具體而言，可以利用歷史同類型日(或前一運行日)的發(fā)電機組出力曲線和相關斷面的重載情況，選取重載程度高于一定閾值的斷面在首次優(yōu)化時即進入約束集，從而提升起作用斷面的識別、迭代新增效率。

3.3 兩級調峰輔助服務市場協調技術

基于高占比新能源的網省兩級調峰輔助服務市場的交易機制和協調優(yōu)化機制，實現了電網調峰資源的協調出清和余缺互濟。

按照“先省內后省間”的市場運行原則，制定銜接有序的兩級市場運行機制。網調機組報價由網調轉發(fā)，網調機組在省內市場中標后，中標結果發(fā)送網調校核，網調返回校核后的中標結果作為在省內市場的出清結果，保障了電網省內省間調峰輔助服務市場業(yè)務高效協同運行。具體流程如圖4所示。

圖4 調峰輔助服務協調技術

日內調峰市場中，省間及省內兩級調峰輔助服務市場的銜接模式如下所述。

省內機組先參與省間調峰，在省間調峰市場中標的機組,在參與省內調峰時義務調峰下限在外部被修改(已扣減在省間調峰市場的中標量)，若仍有出力往下調的空間，則在省內調峰市場依舊有中標能力；在省間調峰市場未中標的機組,在參與省內調峰時義務調峰下限和省間調峰一致，全部的調峰能力都能在省內調峰中調用。算法出清的機組中標量只是省內調峰市場中標量。

這樣優(yōu)先保證了省間調峰輔助服務市場的執(zhí)行，同時提供更多的省內調峰能力，實現了省級電網調峰資源的協調出清及最大化利用。能通過網省兩級市場協調機制，有效挖掘省調機組、省內網調機組及省外通道調峰資源，優(yōu)化調峰資源配置，提升新能源發(fā)電能力消納水平，保障電網安全穩(wěn)定運行。

4 日前市場調峰算例分析

本文選取日前市場進行仿真分析，共計5臺機組，仿真環(huán)境為MATLAB2014b。

市場成員包括5臺火電機組及區(qū)域負荷。假設某地區(qū)電網在0～12時有調峰需求，共12個時段，其需求如圖5所示。

根據火電機組報價[7]，得到日前市場機組無約束條件下出清結果如圖6所示，從圖6可以看出各機組的中標量。

圖6 機組中標量

由圖6可知，機組1的中標量在連續(xù)時間段上為最大，機組2～5在不同時段上均有交叉。

本文各時段的調峰成本如表1所示。

表1 調峰成本

由機組的報價以及圖6可知，報價低的機組會被優(yōu)先調用。另外，火電機組出力較低的深度調峰成本較高，需要等待較低報價的所有容量出清結束后再選擇成本高的進行出清。

5 結束語

本文通過建立日前市場和日內市場出清模型，說明了電力市場條件下調峰的算法流程。針對調峰過程中的關鍵技術進行了分析。最后針對日前市場調峰進行了仿真計算，說明了在日前市場條件下根據報價規(guī)則，機組能夠滿足調峰需求，并且能夠較快速地得到求解結果。