电网运营的模拟装置及方法与流程

1.本技术涉及电气工程技术领域，尤其涉及电网运营的模拟装置及方法。


背景技术：

2.电力行业逐渐由计划体制逐渐向市场体制转变，电力市场逐步由中长期市场向现货市场变化。传统的电力系统调度是一种满足电力系统安全约束的行政计划调度，效率低且易造成线路阻塞；现有的输电网络规划主要围绕电源和用户进行，缺乏经济型、安全性和灵活性；原有的电网盈利模式为售电量与销售电价之积，电网公司售电收入巨大。随着现货市场的进一步开展，这些传统的调度、规划以及公司运营管理方法已经不能与之相适用，矛盾凸显，因此亟需基于现货环境，建立与之相适应的运营分析决策方法及关键技术，实现高效运行与科学决策。


技术实现要素：

3.本技术提供电网运营的模拟装置及方法，以解决现有技术中电网公司的调度方法、输电规划、收益模型与现货市场环境不匹配的问题。
4.为解决上述技术问题，本技术提出一种电网运营的模拟装置，包括：电网调度模型，包括抽水蓄能机组模型以及火电机组的出清模型，电网调度模型用于将抽水蓄能机组模型嵌入到火电机组的出清模型进行联合出清；电网规划模型，包括储能与输电线路的联合规划模型，其中储能与输电线路的联合规划模型为双层规划模型，储能与输电线路的联合规划模型的上层模型代表储能与输电线路的投资；储能与输电线路的联合规划模型的下层模型是根据上层模型给定的线路投资结果来进行市场出清；收益评估模型，包括市场收益子模型、计划收益子模型和运行成本子模型，收益评估模型的输出值等于市场收益子模型的输出值与计划收益子模型的输出值之和，再减去运行成本子模型的差值；处理模块，用于结合电网调度模型、电网规划模型以及收益评估模型，并输出电网运营的模拟结果。
5.为解决上述技术问题，本技术提出一种电网运营的模拟方法，包括：根据当前计划与市场双轨制运行的电力市场结构，对市场机组与计划机组进行协同优化，以建立电网调度模型；其中，电网调度模型包括抽水蓄能机组模型以及火电机组的出清模型，抽水蓄能机组模型嵌入到火电机组的出清模型进行联合出清；基于现货市场的出清结果、现货价格信号和输配电成本，对储能与输电线路进行联合优化分析，以建立电网规划模型；其中，电网规划模型包括储能与输电线路的联合规划模型，其中储能与输电线路的联合规划模型为双层规划模型，储能与输电线路的联合规划模型的上层模型代表储能与输电线路的投资；储能与输电线路的联合规划模型的下层模型是根据上层模型给定的线路投资结果来进行市场出清；根据电网公司在现货市场下的盈利组成，对市场收益与计划收益进行详细分析，以建立收益评估模型；其中，收益评估模型包括市场收益子模型、计划收益子模型和运行成本子模型，收益评估模型的输出值等于市场收益子模型的输出值与计划收益子模型的输出值之和，再减去运行成本子模型的差值；结合电网调度模型、电网规划模型以及收益评估模
型，并输出电网运营的模拟结果。
6.本技术提出电网运营的模拟装置及方法，包括与现货市场出清相协调的电网调度模型、基于现货价格信号的含储能设备的电网规划模型以及考虑现货市场出清数据的电网公司收益评估模型，处理模块将这三个模型结合成一个运营分析决策模块，进而在电力现货市场的大环境下，为电网调度、电网规划、经营状况分析提供一种有效解决途径。能够解决当前电网公司的调度方法、输电规划、收益模型与现货市场环境不匹配的问题，使现货市场出清数据和价格信号能够得到充分考虑，提高电网的运行效率。
附图说明
7.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
8.图1是本技术电网运营的模拟装置一实施例的结构示意图；
9.图2是本技术电网调度模型一实施例的结构示意图；
10.图3是本技术电网规划模型一实施例的结构示意图；
11.图4是本技术收益评估模型一实施例的结构示意图；
12.图5是本技术电网运营的模拟方法一实施例的流程示意图。
具体实施方式
13.为使本领域的技术人员更好地理解本技术的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本技术所提供电网运营的模拟装置及方法进一步详细描述。
14.本技术提出一种电网运营的模拟装置，请参阅图1，图1是本技术电网运营的模拟装置一实施例的结构示意图。在本实施例中，电网运营的模拟装置可以包括电网调度模型110、电网规划模型120、收益评估模型130和处理模块140。
15.电网调度模型110，包括抽水蓄能机组模型以及火电机组的出清模型，将抽水蓄能机组模型嵌入到火电机组的出清模型进行联合出清。
16.其中，电网调度模型110是与现货市场出清相协调的电网调度模型。请参阅图2，图2是本技术电网调度模型一实施例的结构示意图。电网调度模型的目标函数是以系统运行成本最小；决策变量是市场机组出力以及系统潮流越限。约束条件可以分为市场机组约束、系统约束以及计划机组约束。其中计划机组约束在某些实施例中也相当于抽水蓄能机组约束。
17.具体地，市场机组约束可以包括出力上下限约束，最小启停时间约束和机组爬坡时间约束。
18.系统约束可以包括系统功率平衡、系统备用约束、线路潮流约束以及断面潮流约束。
19.电网规划模型120，包括储能与输电线路的联合规划模型，其中储能与输电线路的联合规划模型为双层规划模型，储能与输电线路的联合规划模型的上层模型代表储能与输电线路的投资；储能与输电线路的联合规划模型的下层模型是根据上层模型给定的线路投资结果来进行市场出清。
20.其中，电网规划模型120是基于现货价格信号的含储能设备的电网规划模型。请参阅图3，图3是本技术电网规划模型一实施例的结构示意图。
21.上层模型是储能与输电线路联合规划，其目标函数是线路投资、储能投资、运行成本最小；决策变量是在何处新建线路数量、储能数量。
22.下层模型是现货市场出清，其目标函数是系统运行成本最小；决策变量是机组启停、机组出力大小和储能运营。约束(条件)包括机组约束、储能约束、系统约束等。
23.收益评估模型130，包括市场收益子模型、计划收益子模型和运行成本子模型，收益评估模型的输出值等于市场收益子模型的输出值与计划收益子模型的输出值之和，再减去运行成本子模型的差值。
24.其中，收益评估模型130是考虑现货市场出清数据的电网公司收益评估模型。请参阅图4，图4是本技术收益评估模型一实施例的结构示意图。电网公司收益构成可以为市场部分、计划部分以及运行成本。
25.其中市场部分包括额定输配电费，例如电量费用和容量费用等。
26.计划部分包括售电总收入，例如a类机组基数电量购电支出、b类机组基数电量购电支出和跨省联络线购电支出等。
27.运行成本包括折旧费、运行维护费用、税收和市场机组补贴等。
28.处理模块140，用于结合电网调度模型110、电网规划模型120以及收益评估模型130，并输出电网运营的模拟结果。
29.进一步地，对各个模型进行详细介绍：
30.1)电网调度模型110
31.当前我国电力市场计划与市场双轨制并行，发电机组分为以火电为主的市场机组和包含抽蓄、新能源的非市场机组，其中市场机组参与电力现货市场出清，非市场机组按计划运行但会对现货市场的出清结果产生影响。抽水蓄能机组有着良好的削峰填谷的作用，会较大程度上影响现货出清电价，因此需要着重考虑抽水蓄能机组参与下的现货市场调度方法。抽水蓄能机组运行时要考虑的因素十分复杂，包含水电关系、水库库容变化等非线性约束，故需要一种精确的量化方法对抽水蓄能机组建模，并将其嵌入到火电机组的出清模型进行联合出清。
32.电网调度模型是一种改进的混合整数规划模型，抽水蓄能机组的建模在约束条件中表示，电网调度模型以自身运行成本最小为目标函数，目标函数为：
[0033][0034]
其中n为火电机组的数量，t为总的时段数，一般取一天，即t为96；p
i,t
为火电机组j在时段t的发电出力；运行费用c
j,t
(p
j,t
)是与机组申报的各段出力区间和对应能量价格有关的多段线性函数。m为网络潮流约束松弛罚因子；和分别为线路l的正、反向潮流松弛变量；分别为断面s的正、反向潮流松弛变量；nl、ns分别为线路总数、断面总数。另外抽水蓄能电站的成本在约束条件中进行考虑。
[0035]
抽水蓄能机组有两种运行工况，抽水工况下作为负荷，发电工况下视为电源，系统总功率平衡约束条件为:
[0036][0037]
其中m为抽水蓄能机组的总台数；和分别为抽水蓄能机组i在时段t 的发电功率和抽水功率；d
t
为时段t系统总负荷大小。
[0038]
通过分段线性方法对水库水头和库容进行建模。式(3)为分段线性化的约束条件，式(4)为水头和库容间的求解关系。
[0039][0040][0041]
其中v
i,max
和v
i,min
为水库库容的上下限，v
i,n
和h
i,n
分别为水库库容和水头的分段插值；s
i,t,n
为0
‑
1变量，表示库容在时段t是否在第n个子区间；v
i,t
和h
i,t
表示时段t第i个水库的库容和水头大小。
[0042]
抽水蓄能机组在某一时段的工况唯一，即：
[0043][0044]
其中为判断抽水蓄能机组发电工况的0
‑
1变量；为表示抽水蓄能机组抽水工况的0
‑
1变量。
[0045]
水库库容在调度周期始末需要加以锚定，即末时态库容大小不能小于初时段，来保证抽水蓄能机组的可持续调节能力：
[0046]
v
i
(t＝t)≥v
i
(t＝0)......(6)
[0047]
v
i,min
≤v
i,t
≤v
i,max
......(7)
[0048]
其中v
i,max
和v
i,min
为水库库容的上下限值；v
i
(t＝0)和v
i
(t＝t)为水库库容在一个调度周期始末状态的大小。
[0049]
抽水蓄能机组的出力大小与水头大小、水流量大小密切相关，在此对三者之间的关系进行详细建模。首先确定时段t水库库容处在的水头等级：
[0050][0051]
其中w
x,y,i,t
为发电模型的权重变量，为一种二进制变量；h
x,max
和h
x,min
为水头等级x下水头大小的上下限；h
max
为水库的最大水头。
[0052]
然后根据每一水头等级对应的特性曲线来确定发电功率和水流量:
[0053][0054]
其中和分别为水头等级x对应的特性曲线的第y个发电单元的发电功率和水流量的大小；和为抽水蓄能机组的发电功率和水流量大小。
[0055]
由于机械限制抽水蓄能机组的发电出力存在上下限：
[0056][0057]
水库库容根据发电水流量和抽水水流量变化：
[0058][0059]
其中v
i,t
为抽水蓄能机组在时段t的水库库容大小。
[0060]
最后将抽蓄机组的建模整合到现有的现货市场出清模型，即考虑火电机组的出力上下限、机组爬坡、最小启停时间约束，同时在系统上考虑线路潮流、系统备用约束，与现货市场出清相协调的电网调度模型，实现现货市场中市场机组与计划机组的互动运行与科学决策。
[0061]
2)电网规模模型120
[0062]
随着风光等可再生能源的占比提升，当前输电网络的阻塞日益严重，同时在市场环境下系统面临更多的不确定性因素，需要建设储能设备来提高电力系统的灵活性。本发明根据现货市场节点电价变化趋势和电网阻塞空间分布，提供一种基于现货价格信号的含储能设备的电网规划模型。
[0063]
电网规划模型包括储能与输电线路的联合规划模型，该模型为双层优化模型，上层代表储能与输电线路的投资，以最小化投资成本和系统运行成本为目标；下层模型根据上层给定的线路投资结果来进行市场出清。通过市场出清结果可以确定各机组的出力、启停状态以及失负荷。以系统最小的运行成本为目标。
[0064]
具体地，储能与输电线路的联合规划模型的上层模型以最小化投资成本和自身运行成本为目标函数：
[0065][0066]
其中l为线路编号；x
l
为新建线路l的数量；c
l
为线路l的投资成本；s为储能编号；x
s
为新建储能s的数量；c
s
为储能s的投资成本；i为发电机组编号；t 为时段编号；m为报价段编号；c
i,t,m
为机组i在时段t第m段的报价；p
i,t,m
为机组i在时段t第m段报价中标的出力；为机组i在时段t的启动成本；d为负荷编号；penalty为失负荷惩罚因子；ll
d,t
为负荷d在时段t的失负荷大小。
[0067]
新建线路与储能的数量也受到限制：
[0068][0069]
其中为新建线路和储能的数量上限。
[0070]
储能与输电线路的联合规划模型的下层模型以自身最小的运行成本为目标函数为：
[0071][0072]
下层模型包含火电机组的一些常规约束，式(14)
‑
(16)分别代表机组出力上下限约束、最小启停时间限制、机组爬坡速率限制：
[0073][0074][0075][0076]
其中α
i,t
为表示机组i启停状态的二进制变量；为机组i在时段t的最小、最大功率；为机组i的最大向上、向下爬坡速率。t
u
、t
d
为机组的最小连续开机时间和停机时间；分别为机组i在时段t已经连续开机和连续停机的时间。
[0077]
储能也存在一些必不可少的限制，首先，储能各时段的能量变化为：
[0078][0079]
其中e
s,t
为储能s在时段t的能量；为储能s的能量初始值；分别为储能s的充电和放电效率；分别为储能s在时段τ时的充电和放电功率。
[0080]
为保证安全运行，储能的能量大小有上下限，且在始末时段的能量应该相等，用式
(19)、(20)表示：
[0081][0082][0083]
储能不能同时充电和放电：
[0084][0085]
其中和分别表示储能s在时段t充电、放电状态的二进制变量。
[0086]
储能的充放电功率有最大限制：
[0087][0088]
其中为储能s的最大充放电功率。
[0089]
储能提供备用的能力受总功率限额与剩余储存能量的限制：
[0090][0091][0092][0093]
其中r
s,t
表示储能s在时段t所能提供的备用功率。
[0094]
新建线路的直流潮流模型为：
[0095][0096]
f
l,t
为线路l在时段t的功率潮流；b
l
为线路l的导纳；θ
ns(l),t
为线路l在时段 t送端节点的电压相角；θ
nr(l),t
为线路l在时段t受端节点的电压相角；nf
l,t
为新建线路l上的功率潮流；m
l
是使线路松弛的常数。
[0097]
新建线路的潮流受线路容量的限制：
[0098][0099]
其中为新建线路l的容量。
[0100]
系统中的各个节点要满足功率平衡：
[0101][0102]
其中l|nr(l)＝n表示节点n为受端的所有线路；l|ns(l)＝n表示节点n为送端的所有线路；d
n
表示节点n处所有的负荷。
[0103]
双层优化模型含有大量整型变量，导致在大型系统中传统求解方法效率较低，因
此本实施例提出一种改进型遗传算法，能够有效增加模型的计算速度。
[0104]
即电网规划模型还包括改进型遗传算法模块，改进型遗传算法模块用于对储能与输电线路的联合规划模型进行求解；
[0105]
改进型遗传算法将一种线路与储能投资方案作为一个个体，每个个体含有两条分别代表线路投资方案和储能投资方案的染色体，每个位置的投资方案作为对应染色体上的基因，然后对每一个个体进行下层模型的出清，进而返回到上层模型的目标函数。
[0106]
在一定的循环次数下，经过选择、交叉、变异步骤寻找目标函数的最优解，其中选择时运用锦标赛法选出较优的个体，并结合模拟退火算法来提高变异的效果。
[0107]
通过本实施例所述的技术方案，机组的真实运行状态得以反应，在充分考虑现货市场出清的同时实现了输电线路和储能的联合最优规划，并且采用改进的遗传算法对该模型进行求解，有效提升了模型求解速率。本实施例为输电网络规划提供一种新思路，有效引导电网公司基于现货环境对输电线路和储能进行投资建设。
[0108]
3)收益评估模型130
[0109]
现行现货市场规则下，计划机组与市场机组并行，同时由于输配电价改革，电网公司的收入构成将发生变化。面对这种复杂状况，传统的电网公司收益模型不再适用。本实施例重点厘清了电网公司在现货市场环境下的收益构成，提出了能准确评估电网公司经营情况的收益评估模型。该收益评估模型包括市场收益子模型、计划收益子模型和运行成本子模型。
[0110]
i)市场收益子模型
[0111]
电网公司市场部分收益主要为包含电量费用和容量费用的输配电价过网费：
[0112][0113][0114]
其中r
market
为市场部分收益；level代表不同电压等级，area代表不同的区域；为市场部分电量；为综合输配电价，α
h
为每种类型用户用电的占比，p
m,level,area,h
为在预设电压等级和区域下的输配电价；为预设区域下大工业用电用户的市场部分电量，代表相应的容量价格。
[0115]
ii)计划收益子模型
[0116]
电网公司计划总收益r
plan
包括售电总收入、a类机组基数电量购电支出、b 类机组基数电量购电支出和跨省联络线购电支出四部分。
[0117][0118]
其中r
plan
表示电网公司计划总收益，m代表月份。为总计划电量，为计划电量综合目录电价；为a类机组基数电量，为a类机组基数电量综合上网电价；
为b类机组基数电量，主要由b类机组中未进入市场结算的电量构成，为b类机组基数电量综合上网电价；为外省联络线输入电量，为联络线电量综合上网电价。
[0119]
iii)运行成本子模型
[0120]
电网公司的运行总成本c包括折旧费c
de
、运行维护费用c
op
、税收c
tax
和市场机组补贴c
sub
四个部分。
[0121]
c＝c
de
c
op
c
tax
c
sub
......(32)
[0122]
其中，c代表运行总成本，c
de
代表折旧费、c
op
代表运行维护费用、c
tax
代表税收；c
sub
代表市场机组补贴。
[0123]
折旧费c
de
包含历史成本和新增成本：
[0124][0125]
其中i
history，level
为历史资产，i
add，level
为新增资产，ε
1，level
和ε
2，level
分别为对应的定价折旧率。
[0126]
对市场机组补贴c
sub
的计算方法为：
[0127][0128]
其中为进入市场的应补偿电量，p
m，g
为相应机组的标杆上网电价，p
m，coal
为燃煤机组标杆上网电价。
[0129]
结合上述三个部分，电网公司总的盈利计算模型为：
[0130]
r＝r
plan
r
market
‑
c......(35)
[0131]
最后在实际运用中只需代入相关数据就可以计算出电网公司的收益大小。该技术方案有效阐明了电网公司在现货环境下的收益构成，为电网公司进行投资决策提供了一种新的思路。
[0132]
完成上述三个模块后，将其整合为一个运营分析决策模块，进而在电力现货市场的大环境下，为电网调度、电网规划、经营状况分析提供一种有效解决途径。
[0133]
本技术还提出一种电网运营的模拟方法，请参阅图5，图5是本技术电网运营的模拟方法一实施例的流程示意图，在本实施例中国，电网运营的模拟方法具体可以包括以下步骤：
[0134]
s110：根据当前计划与市场双轨制运行的电力市场结构，对市场机组与计划机组进行协同优化，以建立电网调度模型。
[0135]
其中，电网调度模型包括抽水蓄能机组模型以及火电机组的出清模型，将抽水蓄能机组模型嵌入到火电机组的出清模型进行联合出清。
[0136]
s120：基于现货市场的出清结果、现货价格信号和输配电成本，对储能与输电线路进行联合优化分析，以建立电网规划模型。
[0137]
其中，电网规划模型包括储能与输电线路的联合规划模型，其中储能与输电线路的联合规划模型为双层规划模型，储能与输电线路的联合规划模型的上层模型代表储能与输电线路的投资；储能与输电线路的联合规划模型的下层模型是根据上层模型给定的线路
投资结果来进行市场出清。
[0138]
s130：根据电网公司在现货市场下的盈利组成，对市场收益与计划收益进行详细分析，以建立收益评估模型。
[0139]
其中，收益评估模型包括市场收益子模型、计划收益子模型和运行成本子模型，收益评估模型的输出值等于市场收益子模型的输出值与计划收益子模型的输出值之和，再减去运行成本子模型的差值。
[0140]
s140：结合电网调度模型、电网规划模型以及收益评估模型，并输出电网运营的模拟结果。
[0141]
可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本技术，而非对本技术的限定。另外为了便于描述，附图中仅示出了与本技术相关的部分而非全部结构。文中所使用的步骤编号也仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0142]
本技术中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0143]
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0144]
以上所述仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。