中國三峽新能源（集團）股份有限公司甘肅分公司 肖俊元 蘇東妹

1 引言

隨著全球?qū)p少碳排放和可持續(xù)發(fā)展的呼吁日益增加，電網(wǎng)系統(tǒng)的能源優(yōu)化和碳排放控制成為關(guān)注的焦點。本文旨在研究電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲優(yōu)化調(diào)度問題，綜合考慮碳排放目標，實現(xiàn)電網(wǎng)的高效、可靠和環(huán)保運行。

2 電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲優(yōu)化模型

2.1 問題描述和假設

優(yōu)化調(diào)度電網(wǎng)的源、網(wǎng)、荷、儲的運行是提高電力系統(tǒng)效率和可靠性的重要任務。然而，在考慮碳排放目標的背景下，如何實現(xiàn)電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度是一個復雜的問題。本文主要關(guān)注兩方面問題。一方面是最小化電網(wǎng)的碳排放量，并在保證電力供需平衡的前提下實現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲的優(yōu)化調(diào)度，另一方面是處理電網(wǎng)的物理約束條件，包括輸電線路容量、變壓器容量等限制?；诖?，做出如下假設：電網(wǎng)中的源、網(wǎng)、荷、儲之間的關(guān)系是靜態(tài)的，即不考慮短期變化和動態(tài)調(diào)度；電力需求是已知的，并且變化較為平穩(wěn)；電網(wǎng)的物理約束條件是已知的，并且不會發(fā)生變化。

通過以上問題描述和假設，建立一個可行的電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲優(yōu)化模型，實現(xiàn)碳排放目標和電力供需平衡的優(yōu)化調(diào)度。

2.2 目標函數(shù)的建立

在電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲優(yōu)化調(diào)度中，其目標是在保證電力供需平衡的前提下，最小化電網(wǎng)的碳排放量。為了實現(xiàn)這一目標，建立以下目標函數(shù)（考慮碳排放目標）：

式中，T為調(diào)度的時間段數(shù)；N 為電網(wǎng)中的節(jié)點數(shù)；M 為發(fā)電設備的數(shù)目；K 為儲能設備的數(shù)目；Cijkt為節(jié)點i 在時刻t 通過發(fā)電設備j 和儲能設備k的單位功率所產(chǎn)生的碳排放量；Pijkt為節(jié)點i 在時刻t 通過發(fā)電設備j 和儲能設備k 的功率。

該目標函數(shù)的含義是對所有節(jié)點、發(fā)電設備、儲能設備和時間段內(nèi)的碳排放量進行累加，并最小化總碳排放量。

2.3 約束條件的定義

在電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲優(yōu)化調(diào)度問題中，需要定義一系列約束條件，以保證電力供需平衡，滿足電網(wǎng)的物理約束和設備的運行限制。

電力供需平衡約束：

式中，Pijkt為節(jié)點i 在時刻t 通過發(fā)電設備j 和儲能設備k 的功率；Pijlt為節(jié)點i 在時刻t 通過發(fā)電設備j 和負荷l 的功率；Pijxt為節(jié)點i 在時刻t 的外部電力輸入功率；Dit為節(jié)點i 在時刻t 的電力需求。

該約束條件保證電力供應和需求之間的平衡。

發(fā)電設備運行約束：

該約束條件確保發(fā)電設備的功率在合理范圍內(nèi)。

線路功率限制約束：

節(jié)點電壓限制約束：

以上約束條件的定義可以確保優(yōu)化調(diào)度方案滿足電力供需平衡、電網(wǎng)物理約束和設備運行限制，實現(xiàn)電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和碳排放目標。

3 數(shù)據(jù)收集和處理

3.1 數(shù)據(jù)來源和獲取

從電網(wǎng)運營記錄、監(jiān)測設備或歷史數(shù)據(jù)庫中獲取電力系統(tǒng)的歷史運行數(shù)據(jù)，包括發(fā)電設備的運行情況、負荷數(shù)據(jù)、儲能設備的狀態(tài)等。通過安裝傳感器和監(jiān)測設備，實時采集電網(wǎng)各個節(jié)點的電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)。獲取能源市場的數(shù)據(jù)，包括電力價格、電力交易數(shù)據(jù)等[1]。在數(shù)據(jù)獲取過程中，確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性較為重要,采集到的數(shù)據(jù)應包括足夠的時間范圍和空間范圍，充分反映電網(wǎng)的運行特征和變化情況。

3.2 數(shù)據(jù)處理和預處理方法

數(shù)據(jù)獲取后，需要進行數(shù)據(jù)處理和預處理，以便在優(yōu)化調(diào)度模型中使用。包括數(shù)據(jù)清洗、插值、平滑等處理方法，消除數(shù)據(jù)中的噪聲和不完整性，并使其適合模型的使用。

3.3 數(shù)據(jù)的準確性和可靠性驗證

為了確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，在數(shù)據(jù)收集和處理過程中需要進行驗證，見表1。

表1 數(shù)據(jù)的準確性和可靠性驗證的方法

4 算法和優(yōu)化方法

4.1 基于啟發(fā)式算法的優(yōu)化方法

啟發(fā)式算法是一類基于經(jīng)驗和啟發(fā)式規(guī)則的優(yōu)化方法，能夠在大規(guī)模、復雜的問題中尋找近似最優(yōu)解。常見的啟發(fā)式算法包括遺傳算法（GA）、粒子群優(yōu)化算法（PSO）、模擬退火算法（SA）等。

4.2 算法的流程和實現(xiàn)細節(jié)

具體實現(xiàn)啟發(fā)式算法的流程可以根據(jù)問題的特點進行調(diào)整，一般的步驟如圖1所示。

圖1 啟發(fā)式算法的流程

4.3 算法的收斂性和有效性分析

收斂性分析：監(jiān)測目標函數(shù)值的變化情況，檢查算法是否能夠逐步接近最優(yōu)解，繪制收斂曲線或計算收斂速度評估算法的收斂性能[2]。

效果對比：將啟發(fā)式算法與其他優(yōu)化方法進行對比，例如傳統(tǒng)的數(shù)學規(guī)劃方法或其他啟發(fā)式算法，比較其最優(yōu)解質(zhì)量、計算時間和搜索效率，以評估啟發(fā)式算法的有效性[3]。

5 案例研究和結(jié)果分析

5.1 案例描述和參數(shù)設置

某個城市的電網(wǎng)系統(tǒng)具體參數(shù)，將用于建立電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲優(yōu)化調(diào)度模型，并進行后續(xù)的優(yōu)化和分析。

一是城市電網(wǎng)的供電能力：電網(wǎng)的供電能力為100MW，表示系統(tǒng)的最大供電容量。二是城市的負荷需求曲線：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和預測模型確定了一周內(nèi)每小時的負荷需求曲線，描述該城市在不同時間段的負荷需求量。三是可再生能源發(fā)電：擁有一座風力發(fā)電場，其容量為50MW。風力發(fā)電量隨風速的變化而變化，可以通過實時監(jiān)測獲得。四是儲能系統(tǒng)：擁有一座儲能站，其儲能容量為30MWh，最大充放電功率為10MW。儲能系統(tǒng)可以在電網(wǎng)需求高峰時段進行儲能和釋放儲能，平衡電網(wǎng)的供需差異。五是發(fā)電機組：城市配備了兩臺發(fā)電機組，分別為燃氣輪機和蒸汽輪機。燃氣輪機的容量為60MW，蒸汽輪機的容量為80MW。這些發(fā)電機組可以根據(jù)電網(wǎng)需求和市場條件進行運行和調(diào)度。

5.2 優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)以上參數(shù)設置，使用所建立的優(yōu)化模型進行電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲優(yōu)化調(diào)度。通過運行優(yōu)化算法，得到優(yōu)化結(jié)果后，分析如下。一是負荷滿足率：分析優(yōu)化結(jié)果中負荷滿足率，即城市負荷需求被滿足的程度。通過對比優(yōu)化前后的負荷滿足率，評估優(yōu)化的效果。二是發(fā)電機組和儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)：分析優(yōu)化結(jié)果中發(fā)電機組和儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)，包括發(fā)電機組的出力、儲能系統(tǒng)的充放電功率等。解釋各設備的調(diào)度策略，如何合理分配發(fā)電機組的出力和儲能系統(tǒng)的充放電。三是能源利用效率：計算優(yōu)化結(jié)果中的能源利用效率，即發(fā)電機組和儲能系統(tǒng)的利用率。分析優(yōu)化調(diào)度是否能夠充分利用可再生能源和儲能系統(tǒng)，提高能源的利用效率。

5.3 碳排放目標的實現(xiàn)效果評估

在優(yōu)化目標中考慮碳排放目標時，可以對優(yōu)化結(jié)果進行碳排放目標效果評估，分析優(yōu)化結(jié)果中的碳排放量，與設定的碳排放目標進行對比，并評估優(yōu)化調(diào)度對碳減排的效果[4]。

5.4 對比試驗和敏感性分析

為了進一步評估優(yōu)化算法的性能和穩(wěn)定性，可以進行對比試驗和敏感性分析。

對比試驗：與其他優(yōu)化方法進行對比，例如傳統(tǒng)的數(shù)學規(guī)劃方法或其他啟發(fā)式算法。比較其在相同案例下的優(yōu)化結(jié)果、計算時間和收斂速度。通過對比試驗，可以評估基于啟發(fā)式算法的優(yōu)化方法的優(yōu)越性。

敏感性分析：對算法的參數(shù)進行敏感性分析，評估參數(shù)變化對優(yōu)化結(jié)果的影響?？梢哉{(diào)整參數(shù)，例如儲能容量、風力發(fā)電容量等，觀察優(yōu)化結(jié)果的變化情況，有利于了解參數(shù)對最優(yōu)解的敏感程度，進一步優(yōu)化參數(shù)的選擇[5]。

綜合對比試驗和敏感性分析的結(jié)果，評估優(yōu)化算法在電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲優(yōu)化調(diào)度問題中的性能和穩(wěn)定性,可以為實際電網(wǎng)運營提供指導，并為未來的研究提出改進和優(yōu)化的方向。

6 結(jié)語

在考慮碳排放目標的情況下，使用基于啟發(fā)式算法的優(yōu)化方法成功實現(xiàn)了電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲的優(yōu)化調(diào)度。優(yōu)化調(diào)度能夠合理分配發(fā)電機組和儲能系統(tǒng)的出力，滿足城市的負荷需求，并且能夠利用可再生能源和儲能系統(tǒng)。在優(yōu)化結(jié)果中，發(fā)電機組和儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)得到了有效調(diào)度，提高了能源利用效率，實現(xiàn)了碳減排目標。

優(yōu)化調(diào)度能夠解決電網(wǎng)供需不平衡的問題，確保城市負荷需求得到滿足，提高了電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。通過合理調(diào)度發(fā)電機組和儲能系統(tǒng)，優(yōu)化調(diào)度能夠盡可能地利用可再生能源和儲能系統(tǒng)，減少了對傳統(tǒng)能源的依賴，促進了可持續(xù)能源的應用?？紤]碳排放目標的優(yōu)化調(diào)度，能夠有效減少碳排放量，有利于城市的低碳發(fā)展和環(huán)境保護。

研究中使用的數(shù)據(jù)來源和處理方法可能存在一定的誤差和不確定性。因此，進一步提高數(shù)據(jù)的準確性和可靠性是一個重要的改進方向。此外，基于啟發(fā)式算法的優(yōu)化方法在本研究中取得了良好的效果，但仍有進一步改進的空間。例如，可以嘗試結(jié)合多種優(yōu)化算法，引入更多的問題特定的啟發(fā)式規(guī)則，提高算法的搜索效率和收斂速度。