一种快慢启动机组分层的频率约束机组组合方法及系统

本发明属于电力系统优化调度与安全约束建模，具体涉及一种快慢启动机组分层的频率约束机组组合方法及系统。

背景技术：

1、随着风电、光伏等新能源在电力系统中的接入比例不断提高，电力系统电源结构和运行特性发生明显变化。一方面，新能源出力具有较强的随机性和波动性，其预测结果与实际出力之间可能存在偏差，使系统净负荷波动增大；另一方面，新能源电源的大规模接入使传统同步机组的在线比例发生变化，系统惯量和频率调节能力受到影响。当系统发生功率扰动时，频率变化过程更加敏感，对机组组合和运行调度提出了更高的安全要求。因此，在新能源高比例接入条件下，机组组合优化不仅需要满足功率平衡、机组出力范围、爬坡能力以及最小开停机时间等常规运行约束，还需要进一步考虑系统频率安全。

2、机组组合是电力系统运行调度中的重要优化问题，其主要根据负荷预测、新能源出力预测、常规机组运行参数及运行成本等信息，确定各调度时段内机组的启停状态和出力计划。传统机组组合方法通常以系统运行成本最小为目标，在满足功率平衡、机组出力上下限、启停逻辑、最小开机时间、最小停机时间及爬坡约束等条件下完成机组运行方式优化。对于系统频率安全，部分现有方法通常通过设置统一的旋转备用容量、预留一定功率裕度或采用经验安全系数等方式间接保障系统在扰动后的功率支撑能力。

3、上述处理方式虽然能够在一定程度上提高系统安全裕度，但备用容量或经验裕度通常属于静态约束，难以充分反映不同在线机组在惯量、调频能力和响应特性等方面的差异。当新能源渗透率升高、系统频率安全约束趋于严格时，仅依靠增加统一备用容量可能需要提前安排更多常规机组保持在线，从而使部分机组处于低负荷运行状态，造成在线机组数量增加以及运行成本上升。因此，已有研究逐渐将频率安全指标显式引入机组组合模型，根据在线机组构成及其频率响应能力建立频率安全约束，以限制扰动后的频率变化率、频率最低点或其他频率安全指标。

4、然而，现有频率约束机组组合方法通常仍将不同类型的常规机组置于统一的组合决策框架中进行处理，即各机组按照相同的决策时间尺度确定启停状态和出力计划，而没有充分考虑不同机组在启动速度和运行灵活性方面存在的差异。在实际运行中，不同常规机组的启动特性存在明显差别。其中，部分机组启动时间较长，启停状态需要在日前阶段或较早时段提前确定，适合承担较为稳定的基础出力任务；另一些机组启动速度较快，能够根据后续运行状态进行灵活投入，更适合承担净负荷变化、功率缺额以及其他临时调节需求。

5、若在机组组合过程中不区分上述不同启动特性，而将快启动机组与慢启动机组统一提前确定启停计划，则无法充分利用快启动机组能够后置决策和按需投入的运行特点。尤其是在频率安全要求较高的运行时段，为保证频率约束能够满足，优化模型往往倾向于提前增加慢启动机组的在线数量，使更多慢启动机组承担安全裕度。该方式虽然能够提高基础频率支撑能力，但会造成部分启动时间较长的机组提前开机并在较长时间内维持运行，使系统形成较为保守的机组组合结果。

6、现有技术也存在利用快启动机组承担备用或功率补偿任务的方案，即在预测负荷增加、新能源出力下降或者系统出现功率缺额时调用快启动机组，通过快速增加可用有功功率改善系统功率平衡。但此类方法中，快启动机组通常主要作为功率平衡或备用资源使用，其灵活投入能力与机组组合中的频率安全约束之间缺少直接的联合决策关系。换言之，频率安全约束仍主要决定日前阶段需要保持多少常规机组在线，而快启动机组则在后续阶段被动承担功率补偿，二者在优化模型中的作用相对分离，难以利用快启动机组的后置调用能力改变日前阶段慢启动机组的承诺方式。

7、因此，现有方案在实际建模和优化过程中至少存在以下难点：

8、第一，不同启动特性的机组具有不同的决策时间尺度，难以采用统一的机组组合方式进行合理表征。慢启动机组需要提前安排启停状态，而快启动机组能够根据后续系统运行状态灵活投入。若全部机组均在日前阶段统一承诺，会削弱快启动机组的灵活性；若全部机组均延后决策，又不能满足慢启动机组实际启动过程的要求。因此，如何根据机组启动特性建立相互衔接的分阶段决策机制，是现有机组组合模型需要解决的问题之一。

9、第二，频率安全要求与机组经济运行之间存在明显的协调难度。当频率约束直接作用于传统统一机组组合模型时，提高频率安全裕度最直接的优化方式通常是增加在线机组数量或预留更多调频能力，由此可能导致慢启动机组提前开机、长期低负荷运行以及备用资源配置过于保守。如何在不降低频率安全水平的情况下减少不必要的提前在线机组，是频率约束机组组合中的重要难点。

10、第三，快启动机组的灵活性难以在频率安全约束中体现其系统价值。快启动机组具有能够在后续阶段根据系统状态投入运行的特点，但如果仅将其作为一般备用容量或者功率补偿资源，其启动灵活性并不会反向影响慢启动机组的日前承诺决策，从而无法充分利用快启动机组减少基础机组提前在线需求。

11、第四，不同阶段的机组决策与频率约束之间存在耦合困难。慢启动机组的在线状态决定系统基础运行结构，快启动机组的投入状态又会影响后续可调用的功率支撑资源，而系统频率安全取决于不同运行状态下系统整体频率支撑能力。因此，若首先独立完成传统机组组合，再在其结果基础上附加频率校验或补充快启动机组，容易导致各阶段优化目标相互割裂，难以获得整体合理的机组运行方案。

12、第五，新能源预测误差和净负荷变化进一步增加了提前确定全部机组运行状态的保守性。日前预测结果难以完全反映后续实际运行状态，如果为覆盖所有可能的新能源波动和功率缺额而在日前阶段提前投入较多慢启动机组，将增加不必要的运行成本；而如果日前阶段预留的安全裕度不足，又可能在后续运行阶段面临功率支撑和频率安全不足。因此，需要在提前确定的基础运行方式与后续可灵活调用的调节资源之间建立合理分工。

13、综上，现有频率约束机组组合方法虽然能够通过增加备用容量、提高在线机组数量或者显式引入频率安全约束来保障系统频率安全，但对于具有不同启动特性的常规机组，仍缺少能够充分利用快启动机组灵活性的分层协调机制。特别是在新能源高比例接入条件下，如何将慢启动机组的提前承诺与快启动机组的后置灵活调用进行协调，并使系统频率安全要求直接参与快、慢机组之间的运行分工，在满足频率安全约束的同时减少慢启动机组不必要的提前在线和低效运行，是现有技术仍需进一步解决的问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种快慢启动机组分层的频率约束机组组合方法及系统，通过将慢启动机组的提前承诺与快启动机组的后置调节进行分层，并将两类机组的运行状态与频率安全约束进行联合优化，以协调基础运行需求、后续灵活调节需求与频率安全需求，用于解决现有频率约束机组组合方法未充分区分快启动机组与慢启动机组在启动特性和决策时间尺度上的差异，导致快启动机组的后置灵活调用能力难以参与频率安全约束下的机组组合决策，并使系统为满足频率安全要求而过度依赖慢启动机组提前在线的技术问题

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种快慢启动机组分层的频率约束机组组合方法，包括以下步骤：

4、获取负荷预测数据、常规机组参数、新能源出力预测数据和频率响应参数，根据机组启动时间、最小开机时间或等效灵活性指标，将常规机组划分为慢启动机组和快启动机组；

5、以慢启动机组为第一阶段决策对象，建立开机状态变量、启机变量、停机变量和基准出力变量，构建包括状态转移约束、最小开停机时间约束、出力上下限约束、爬坡约束和基础功率平衡约束的第一阶段机组组合模型；

6、以第一阶段确定的慢启动机组承诺结果为条件，针对净负荷偏差、新能源出力波动或功率缺额，建立快启动机组投入状态变量和出力调节变量，构建第二阶段调节模型；

7、根据慢启动机组的在线状态以及快启动机组的投入状态和出力能力，建立系统频率支撑能力的聚合表征，并基于所述聚合表征构建频率最低点安全约束；

8、将所述第一阶段机组组合模型、第二阶段调节模型和频率最低点安全约束耦合形成两阶段联合优化模型，通过混合整数优化求解，得到慢启动机组基础启停计划和快启动机组调用方案。

9、进一步的，获取各常规机组的启动时间、最小开机时间、最小停机时间、额定容量和调频特性，根据所述常规机组的启动灵活性进行机组分类；将启动时间长且运行状态不宜频繁改变的常规机组划分为慢启动机组，将能够在较短时间内投入运行且具有灵活调用能力的常规机组划分为快启动机组。

10、进一步的，所述第一阶段机组组合模型以慢启动机组在调度周期内的基础运行成本为优化目标，通过对所述开机状态变量、启机变量、停机变量和基准出力变量进行优化，确定各调度时段需要提前投入运行的慢启动机组以及对应的基准出力，形成系统的基础运行方式。

11、进一步的，所述第一阶段机组组合模型中，所述状态转移约束用于限定慢启动机组相邻调度时段之间的开机状态、启机状态和停机状态之间的逻辑关系；

12、所述最小开停机时间约束用于限定慢启动机组连续开机时长和连续停机时长；

13、所述出力上下限约束用于根据慢启动机组的运行状态限定其基准出力范围；

14、所述爬坡约束用于限定慢启动机组相邻调度时段之间的出力变化；

15、所述基础功率平衡约束用于限定各调度时段的电力供需平衡关系。

16、进一步的，所述第二阶段调节模型在保持第一阶段确定的慢启动机组基本承诺结构不变的条件下，根据实际运行过程中出现的净负荷偏差、新能源出力下降或功率缺额，对快启动机组的投入状态变量和出力调节变量进行优化，以确定各调度时段投入运行的快启动机组及其调节出力。

17、进一步的，当系统净负荷升高、新能源出力下降或存在功率缺额时，根据所述快启动机组的投入状态和可调出力确定由快启动机组提供的补充有功功率；并将投入运行的快启动机组对应的频率支撑能力纳入系统频率支撑能力的聚合表征。

18、进一步的，所述系统频率支撑能力的聚合表征根据各调度时段的在线机组构成及对应的频率响应特性确定，其中，慢启动机组的在线状态用于表征系统的基础惯量和基础调频支撑能力，快启动机组的投入状态和出力能力用于表征附加的频率支撑能力；

19、根据所述系统频率支撑能力的聚合表征确定系统频率最低点，并将所述系统频率最低点不低于预设频率安全阈值作为所述频率最低点安全约束。

20、进一步的，在所述两阶段联合优化模型中，根据第一阶段慢启动机组形成的基础频率支撑能力与所述频率最低点安全约束之间的关系，对第二阶段快启动机组的投入状态和出力进行优化，使快启动机组在基础频率支撑能力不足以满足所述频率最低点安全约束的调度时段提供附加频率支撑。

21、进一步的，所述两阶段联合优化模型以系统运行成本为优化目标，在满足第一阶段机组组合模型的运行约束、第二阶段调节模型的运行约束以及所述频率最低点安全约束的条件下，通过混合整数优化方法联合确定慢启动机组的基础启停计划、各调度时段的基准出力以及快启动机组的投入状态和调节出力。

22、第二方面，本发明实施例提供了一种快慢启动机组分层的频率约束机组组合系统，包括：

23、数据分类模块，用于获取负荷预测数据、常规机组参数、新能源出力预测数据和频率响应参数，并根据机组启动特性将常规机组划分为慢启动机组和快启动机组；

24、第一阶段组合模块，用于以慢启动机组为决策对象，建立慢启动机组的开机状态变量、启机变量、停机变量和基准出力变量，并构建第一阶段机组组合模型；

25、第二阶段调节模块，用于以所述第一阶段组合模块确定的慢启动机组承诺结果为条件，根据净负荷偏差、新能源出力波动或功率缺额，建立快启动机组投入状态变量和出力调节变量，并构建第二阶段调节模型；

26、频率约束模块，用于根据慢启动机组的在线状态以及快启动机组的投入状态和出力能力建立系统频率支撑能力的聚合表征，并基于所述聚合表征构建频率最低点安全约束；

27、联合优化模块，用于将所述第一阶段机组组合模型、第二阶段调节模型和频率最低点安全约束耦合形成两阶段联合优化模型，并对所述两阶段联合优化模型进行求解，得到慢启动机组基础启停计划和快启动机组调用方案。

28、第三方面，一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述快慢启动机组分层的频率约束机组组合方法的步骤。

29、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述快慢启动机组分层的频率约束机组组合方法的步骤。

30、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

31、一种快慢启动机组分层的频率约束机组组合方法，通过按照启动特性将常规机组划分为慢启动机组和快启动机组，并分别建立第一阶段慢启动机组组合模型和第二阶段快启动机组调节模型，再将系统频率支撑能力及频率最低点安全约束纳入两阶段联合优化，使不同启动速度的机组不再按照同一时间尺度统一承诺，让启动慢、需要提前安排的机组主要承担基础运行任务，同时保留快启动机组在后续阶段按需投入的空间。当净负荷、新能源出力或频率支撑需求发生变化时，利用快启动机组进行补充，不用在日前阶段提前安排过多慢启动机组在线，从而兼顾频率安全、机组运行合理性和调度经济性。

32、进一步的，利用启动时间、最小开停机时间、额定容量和调频特性等参数对常规机组进行分类，使快、慢启动机组的划分建立在实际运行特性基础上。确定不同机组进入不同优化阶段的依据。对于运行状态不宜频繁改变的机组提前进行组合决策，对于能够较快投入运行的机组保留后置调用能力，减少统一建模对机组真实启停特性的忽略，使后续两阶段优化结果更符合实际调度条件。

33、进一步的，以慢启动机组为第一阶段主要决策对象，根据系统基础运行成本确定慢启动机组的启停状态及基准出力，使第一阶段首先形成能够承担基础供电任务的稳定运行结构。将慢启动机组有限的启停灵活性用于解决需要提前确定的基础运行问题，能够避免因过度预留调节能力而增加慢启动机组在线数量，为第二阶段调用快启动机组留下优化空间。

34、进一步的，通过状态转移约束、最小开停机时间约束、出力上下限约束、爬坡约束和基础功率平衡约束，对慢启动机组的启停过程和出力变化进行限定。保证第一阶段形成的基础启停计划不仅满足功率平衡要求，符合慢启动机组自身的连续运行时间、停机时间、出力范围和爬坡能力，避免得到数学上可行但实际机组无法执行的运行方案，提高第一阶段基础组合结果的可实施性。

35、进一步的，在保持第一阶段慢启动机组基本承诺结构不变的情况下，根据净负荷偏差、新能源出力下降或功率缺额，对快启动机组的投入状态和调节出力进行优化。避免系统运行状态发生变化后频繁推翻已经形成的慢启动机组计划，而是利用快启动机组承担后续增量调整任务。能够发挥快启动机组启动快、调节灵活的特点，减少慢启动机组因短时运行变化而频繁改变启停状态，使基础计划与后续灵活调节之间形成明确分工。

36、进一步的，规定在净负荷升高、新能源出力下降或存在功率缺额时，由快启动机组提供补充有功功率，并将已投入运行的快启动机组对应的频率支撑能力纳入系统频率支撑能力的聚合表征。使快启动机组既承担功率平衡补偿，又能够在投入后参与系统频率支撑评价，使其运行价值不再局限于普通备用容量。把快启动机组的后置投入与系统安全需求建立联系，提高灵活资源的实际利用程度。

37、进一步的，根据在线机组构成及其频率响应特性建立系统频率支撑能力的聚合表征，以系统频率最低点不低于预设安全阈值作为频率安全约束。避免仅采用统一备用容量或经验裕度间接反映频率安全，使不同机组运行状态对应的频率支撑能力直接进入机组组合决策。慢启动机组形成基础惯量及基础调频支撑，快启动机组投入后提供附加支撑，能够根据实际机组构成判断运行方案是否满足频率安全要求。

38、进一步的，根据第一阶段形成的基础频率支撑能力与频率最低点安全约束之间的关系，确定第二阶段快启动机组的投入状态和出力。当基础支撑能力已经满足频率安全要求时，可以减少快启动机组调用；当基础支撑不足时，再利用快启动机组进行补强。使频率约束能够直接参与快启动机组调用决策，使安全资源根据实际需要进行配置，减少为覆盖所有潜在风险而提前保持大量机组在线的保守运行方式。

39、进一步的，将第一阶段运行约束、第二阶段调节约束以及频率最低点安全约束统一置于系统运行成本优化目标下进行混合整数优化，使慢启动机组基础启停计划、基准出力以及快启动机组投入状态和调节出力能够协调确定。避免分别优化后再进行简单拼接造成各阶段目标不一致，使安全约束、基础运行需求和灵活调节需求在同一优化框架中相互作用，在满足机组运行条件和频率安全要求的基础上，减少不必要的在线容量及低效运行时段。

40、可以理解的是，上述第二方面至第四方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

41、综上所述，本发明将慢、快启动机组分置于两个决策阶段，并将频率最低点约束纳入联合优化，使慢启动机组承担基础承诺、快启动机组按需补偿，减少慢启动机组提前在线，提高快启动机组利用率，在保证频率安全的同时改善运行结构和经济性。

42、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。