考虑碳排放和经济因素的断面功率调整优化方法

张家美1,2,黎灿兵1,2,易俊2,李文芳2,蔡振华1,2  

(1.湖南大学电气与信息工程学院,湖南省 长沙市 410082;2.电网安全与节能国家重点实验室,北京市 海淀区 100192)

摘要

在大规模互联电网中,联络线潮流受两端电网功角的影响,易发生较大幅度的波动。以断面为单位进行输电网络的负载调整可有效降低系统运行风险。在进行断面功率控制时,为达到低碳减排的效果,提出了一种以包括机组原料使用成本和碳过排成本在内的广义发电成本为目标的断面功率优化控制方法。优化模型允许机组进行碳排放权交易,防止电价大幅上升,实现不同类别机组间资源优化配置。根据各机组的碳排放情况,提出准入标记,表示在减排机制下,机组是否具有断面功率控制资格。提出效益影响因子来使断面控制过程中综合效果较好的机组具有更高的调度优先级。使用IEEE 39节点系统进行了断面功率控制计算,结果验证了所提方法的准确性与优越性。

关键词 : 准入标记;效益影响因子;碳过排成本;输电断面;能源互联网

基金项目:国家电网公司科技项目(SGTYHT/17-JS-201)。

0 引言

为了实现更大范围的资源优化配置,进行电网互联成为现代电力系统发展的大趋势[1-2]。能源互联网以电为中心实现能源电力输送,对电网安全稳定运行提出了更高的要求[3-4]。电能大容量远距离输送时,联络线潮流受两端电网的功角影响,易发生较大幅度的波动。线路跳闸造成的潮流转移对电网运行方式有较大影响,并容易发展为重大停电事故[5-6]。输电断面是电力系统中容易受到潮流转移影响、促进潮流转移的关键线路的合集。对断面的负载情况进行实时监视,对重载断面进行及时有效调整是保证电网安全稳定运行的重要手段[7]

断面的功率控制方法主要为潮流优化法和优化控制方法。潮流优化法在求取最优潮流时将断面功率作为约束条件进行潮流计算。文献[8]在传统潮流方程中增加断面功率偏差方程,提出一种基于牛顿法的大型互联电网多断面约束潮流算法,在解电网潮流方程的同时将多个断面功率控制在指定位置。文献[9]在考虑频率电压调节特性的潮流方程基础上,增加了断面传输有功功率方程,提高频率和断面传输有功的控制水平。优化控制法多以灵敏度法为基础,将调控机组的出力作为控制变量构建优化模型进行求解。文献[10]将断面内过载支路与正常支路的灵敏度加权求和,得到综合灵敏度,以保证降低断面整体潮流的同时断面内无支路过载。文献[11]将暂态稳定约束转化为机组的有功出力约束,提出一种计及暂态稳定约束的断面功率调整方法,给出了在故障情况下的断面功率控制方法。文献[12]在电力系统进行实时调度时,考虑断面的安全约束,实现了保证断面安全前提下的风电场功率充分利用。

上述文章从不同方面对断面功率控制方法进行了研究,但少有研究在断面功率控制过程中考虑碳排放影响。面对全球气候变化的严峻形势,低碳生产已成为各国经济发展的重要战略[13]。在中国,电力工业是主要的碳排放行业,电力行业的清洁化、低碳化是实现社会经济可持续发展的必然要求[14]。已有学者从规划和调度两个方面展开了研究。文献[15]从系统规划和系统运行两个层面,建立了完整的低碳经济模式下电力系统的整体框架。文献[16]引入CO2过排放成本、风力发电的广义成本,考虑碳排放配额及风电并网对系统发电成本的影响,构建了日前调度计划模型。文献[17]研究了碳捕集电厂的运行机制,提出了一种包含碳捕集电厂的电力系统低碳优化调度模型。文献[18]提出极限消纳风电情况下储热放热速率和电锅炉电功率的最小协调关系模型,建立了一种电热综合能源系统低碳经济调度模型。

由上可见,低碳已成为电力系统调度的必要因素。在实时的断面功率控制中,同样需要考虑碳排放的影响。本文提出以广义发电成本为优化目标的断面功率控制方法,目的在于解决如何在断面功率控制后使系统运行更加低碳经济的问题。优化目标包括机组固定发电成本和碳过排成本,以保证在考虑系统运行经济性的前提下,兼顾低碳生产的目标。

1 准入标记与碳过排放成本

1.1 准入标记

多数研究表示免费分配初始碳排放权是中国推进低碳减排初级阶段的必然选择[19]。碳排放权是机组核准小时数对应的碳排放量,核准小时为发电机组的年度发电利用小时数[20],使用文献[21]中的方法可计算出机组的碳排放权,如式(1)所示。

式中:Er,i为机组i的碳排放权,kg;ei为碳排放强度,kg/kWh;Ti为建设核准的年度发电小时,h;Wi为装机容量,kW。

为达到低碳减排的效果,在电网调度中,应充分考虑机组的碳排放情况。本文提出准入标记法来判断机组能否参与发电与调度。在不考虑节假日及天气急剧变化的情况下,选取机组近日发电量的平均值作为次日的预估发电量,结合机组的碳排放强度及累计碳排放量计算结束当天全部发电任务时的碳排放累积量。将碳排放累积量与其碳排放权进行比较,判断是否超标。如果超标则标记为0,不允许其参与第二天的发电任务,否则,标记为1。在进行断面功率调整时,机组可能需要上调负荷,最严重的情况下,机组需上调至其出力上限。因此设机组能够参与调度的要求为其次日以最大功率输出,本日发电任务结束时,累积碳排放量不超过其碳排放。此时为其标记2,允许其参与调度,否则根据上述发电准入条件再进行判断。进行准入标记的判断可以保证机组在次日的运行过程中不会出现碳排放超标的情况,减轻了信息记录量,简化了处理过程。如果不进行这种判断,机组可能在运行过程中碳排放量超标,此时需要额外记录机组的超标时间、超标量等,增添了信息记录及通信的复杂性。

式中:Ea1,i和Ea2,i分别为机组i参与次日发电和断面功率控制后的累计碳排放量;Ei为日前碳排放累计值;Wav,i为近日平均输出电能;Pmax,i为机组最大输出功率;h为次日发电时长;sym为碳排放标记。

在实际生产中,存在多种类型的机组,包括火电机组、天然气机组、新能源机组等。火电机组发电成本低,但碳排放强度大,天然气和新能源机组与之相反。单纯进行碳限额策略可能会造成电价大幅上涨,威胁电力市场稳定[20]。因此,需引入合作减排机制。碳排放量较小的机组可将碳排放权部分售出,获取收益;碳排放量较大的机组可购买碳排放权,继续生产。这种方式在保证整体碳排放量降低的同时,各种资源得到合理配置,社会收益达到最大化。在此机制下,在进行机组准入判断时,要明确参与调整的机组是否进行了碳交易以及碳交易额,并对准入标记进行更新。

式中,ΔEi为碳排放权交易量。

1.2 碳过排成本

由于在免费额度内,机组碳排放是不产生费用的,只有当机组进行碳配额交易后,其后续电能生产过程才对应的产生费用。因此本文将在电能生产过程中由于碳排放产生的成本称为碳过排成本,具体定义如下。对于购买了碳配额的机组来说,其碳排放量构成其发电成本中的一部分,碳过排成本为正;对于碳排放量仍在免费碳配额范围内的机组,其碳排放量不构成发电成本,碳过排成本为零;对于售出碳排放权的机组,其碳排放量为其获取收益,碳过排成本为负。

式中:p为生产1 kWh电量的碳过排成本;e为生产 1 kWh电量的CO2排放量;d为交易时购买CO2的单价;ci,e为碳过排成本;g为碳排放权购买量,g<0表示售出碳排放权,g=0表示未进行碳排放权交易,g>0表示购买碳排放权。

2 效益影响因子

在进行断面功率控制时,断面下包含多台机组,优先选择综合性能好的机组进行调度,可优化断面控制效果。灵敏度反应了机组功率变化对线路的影响情况,是断面功率调整时必不可少的参考指标。可使用直流潮流法算出系统中各节点对各线路的灵敏度。由各线路的灵敏度可计算出各机组对该断面的综合灵敏度,如式(8)~(9)所示。

式中:si-k表示发电机i对线路k的灵敏度;Pk为线路k的初始功率;Pk,i为在发电机i增加出力ΔP后线路k的功率;Mk为网络节点支路关联矩阵的第k列元素;Xi为电纳矩阵逆矩阵的第i个列矢量;xk线路k的电抗;Si为综合灵敏度;V为断面下所含线路集。

经济性是调度的基本指标之一,为达到经济性目的,应尽量保证在断面进行功率控制后,断面下机组的总发电成本较低。这里仅考虑机组的原料使用成本,如式(10)所示。

式中:Qi为1 kWh电能按热当量法折算后所需的原料量,折算成标准煤为0.1229 kg,折算为天然气约0.1 Nm3;ηi为电厂生产时对燃料的使用效率;li为燃料单价。本文中火电厂使用原煤,热值为标准煤的0.871,单价为435 元/t,天然气厂使用的天然气单价为3 元/Nm3

为达到低碳减排的目的,本文在已有研究的基础上考虑环保性指标,尽量使断面在功率控制后,系统碳排放强度较小。

式中,gi为单位质量燃料燃烧产生的CO2排放量,对于火电厂,单位质量标准煤完全燃烧产生的CO2排放为2.46 kg[22],对于天然气厂,单位立方天然气燃烧产生的CO2为1.9642 kg。

对于断面而言,灵敏度大的机组响应速度快;成本低的机组,经济性好;碳排放强度小的机组环保性能强。为了衡量机组在功率调整中的综合能力,本文提出效益影响因子,如式(12)所示。

式中:Si,ci,ei分别为灵敏度、发电成本和碳排放强度;w1,w2,w3分别为上述指标的权重,本文通过熵值法[24]来确定。

选取算例中的机组为评测对象,选取灵敏度、发电成本、碳排放强度为评测指标。对评测对象进行归一化处理。

式中:f表示归一化的量;n为发电机的台数。

构建决策矩阵如式(14)所示。式中:行数为样本数,即机组个数;列数为指标数,从左到右分别为灵敏度、发电成本、碳排放强度;aij为第i个机组的第j个指标值。

计算各机组对各指标的贡献度。

式中:Cij为第j个属性下、第i个机组的贡献度;n为机组个数。

计算所有机组对各指标的贡献度,即输出熵。

式中:ej为指标j的输出熵;q为指标个数,本文中q=3。

由各指标输出熵可计算各指标权系数。

式中,wj为指标j的权系数。

代入数值可算出w1、w2、w3分别为:0.386、0.341、0.273。

3 断面功率控制建模

3.1 优化目标

在1.1节的内容中引入准入标记,保证了次日电能生产及断面功率控制过程中机组碳排放累计值不超标,且可筛选出能够进行断面功率控制的机组。在此基础上,以机组功率调整量为控制变量,以广义发电成本为目标函数构建优化模型。其中广义发电成本包括原料使用成本与碳过排成本。在模型中将效益影响因子作为系数与成本相乘,增大在断面功率控制中性能优良的机组被使用的机会。

式中:T为断面负载调整后系统广义发电成本;sym*为断面功率控制准入标记,当sym=2时,机组能够参与调度优化,sym*=1,否则为sym*=0;ci,c为机组原料使用成本;ci,e为碳过排成本;Pi为机组初始功率;zi为机组收益影响因子;xi为机组出力调整量。

3.2 约束条件

考虑到系统稳定运行的要求,设置以下约束条件:过载线路功率调整量等于其过载量(20),其余线路功率调整量小于其冗余量(21),机组参与断面功率控制后,系统功率平衡(22),各机组出力在各自允许的运行范围之内(23),单位调度周期内机组输出功率的变化量应小于其最大上、下爬坡速率与调度周期的乘积(24)。

式中:sil,sim分别为机组i对过载线路集l,正常线路集m的灵敏度;ΔPl为线路集l内各线路的功率越限量;ΔPm为线路集m内各线路的运行冗余量;xpos,i和xneg,i分别为灵敏度为正和为负的的机组的负荷调整量;ΔP0为平衡机负荷调整量;Pmin,i,Pmax,i分别为发电机的出力上下限;rup,i,rdown,i分别为上下爬坡速率;Δt为调度周期。

4 算例分析

为验证算法的正确性,使用修改的IEEE39节点系统进行计算验证,系统接线图如图1所示,39节点所连发电机为平衡机。设30、36节点所连机组为天然气机组,其余为火电机组,使用割集法[25]可得系统的一个断面划分如图1所示。

参考文献[21],结合IEEE39系统实际情况,设网络中各类型机组参数如表1所示。

表1 系统中机组参数
Table 1 Parameters of units in system

图1 IEEE 39节点系统拓扑图
Fig.1 IEEE 39 nodes system topology

根据表1中的数据,使用式(1)中的计算方法可得到系统中各机组的碳排放权。使用广州的日碳交易量和交易价格数据,采用蒙特卡洛法决定参与碳配额购买的机组,可得各机组的碳交易情况如表2所示。

表2 各机组碳交易情况
Table 2 Carbon trading of each unit

在低碳减排机制下,机组能否参与第二天的发电生产及断面功率控制都受到碳累计排放量、碳排放强度、第二天预计出力、机组容量以及碳排放权的影响。基于表2,使用文中第1节中的方法,计算可得各台机组的参与发电和断面功率控制的预测碳排放累计值。预测碳排放累计值与交易后的碳排放权比较可得准入标记,结果如表3所示。

表3 各机组准入资格核对
Table 3 Checking the qualification of each unit

从表3可以看出,G33机组如果参与发电,会造成第二天碳排放额超标,因此为其标记0。其余机组无论是在参与正常生产还是临时调度,其碳排放量均不会超过碳交易后的碳排放权。因此,均标注2。

根据机组准入标记,确定参与发电与断面功率控制的机组。通过潮流计算得到各线路的实际功率流量与负载率,结果如表4所示。

表4 断面内线路潮流信息
Table 4 Lines’ power following of the section

从表4可以看出,线路5与线路23存在过载情况。为了保证功率调整前后断面内的所有线路不过载,将该断面看作一个整体,一起进行功率调整。为了得到各台发电机对该断面功率调整的综合效果,计算效益影响因子,结果如表5所示。

表5 各机组效益影响因子
Table 5 Benefit impact factor of each unit

将各机组的效益影响因子作为系数与调控后的机组出力相乘,根据上文的碳交易情况计算碳过排成本,从而构造出优化模型。使用MATLAB中的linprog对优化模型进行求解,求解结果如表6所示。

表6 发电机优化调整结果
Table 6 Optimization adjustment results of generators

使用表6的结果对发电机出力进行调整后,重新计算系统潮流,此时各线路的负载率如表7所示。

表7 断面功率调整结果
Table 7 Optimization adjustment results of the section

从表7中可以看出,经过功率控制后,各线路的负载率均控制到正常范围之内,验证了本文所提方法的正确性。

表8 发电成本比较
Table 8 Comparison of production cost

表9 碳排放强度比较
Table 9 Comparison of carbon emission intensity

将本文的方法(方法一)与仅以经济性为优化目标的方法(方法二)和以调整最小为目标的方法(方法三)[23]进行比较,比较结果如表8-9所示。相比于方法二,本文方法的经济性略差,但是碳排放强度上却有较大优势。与方法三相比,本文在经济性和低碳性上都得到了更好的结果。通过比较可见,本文能够更全面地考虑断面功率控制的经济性与环保性,达到低碳清洁的电力发展目标。

5 结论

针对大规模互联电网中的断面功率控制优化问题,本文提出了一种以包括机组固定运行成本和碳过排成本在内的广义发电成本为目标的断面功率优化控制方法,解决了在碳限额与碳交易的机制下的断面功率控制问题。本文提出的准入标记可以根据机组的碳排放情况,在日前对机组能否进行电能生产和调度进行判定,具有较强的可实施性;效益影响因子可以衡量机组在断面功率控制中的综合功效。IEEE 39节点系统的仿真结果表明,本文所提方法在降低断面负载率,保证系统安全的基础上,可以降低购电成本与减少环境污染,对于电网的低碳经济运行具有实际参考价值。

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Active Power Flow Adjustment Optimization Method for Transmission Section Considering Carbon Emission and Economic Factors

ZHANG Jiamei1,2, LI Canbing1,2, YI Jun2, LI Wenfang2, CAI Zhenhua1,2
(1.College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2.State Key Laboratory of Power Grid Safety and Energy Conservation , Haidian District, Beijing 100192, China)

Abstract: In the large-scale interconnected power grid, the current of tie lines is affected by the power angle at both ends, which is prone to large fluctuations.The load adjustment of the transmission sections can effectively reduce the system operation risk.In order to achieve low carbon emission in section power control, this paper proposes a power optimization control method aiming at minimizing the generalized production cost including fixed operation cost and carbon over-emission cost, allowing carbon emission trading, which can prevent the electricity price from rising sharply, and optimize the allocation of resources.According to the situation of units' carbon emission, an access symbol is proposed to indicate whether the unit is qualified for sections power control.The proposed benefit impact factor makes the units with better comprehensive effect have higher scheduling priority.The power control of the section is carried out using IEEE 39 nodes system.The calculation results verify the accuracy and superiority of the proposed method.

Keywords: access symbol; benefit impact factor; carbon overemission cost; transmission section; energy internet

Science and Technology Foundation of SGCC (SGTYHT/17-JS-201).

张家美

作者简介:

张家美(1993),女,博士研究生,研究方向为电力系统优化与调度,E-mail:850861772@qq.com。

黎灿兵(1979),男,博士,教授,主要研究方向为电力系统信息化、规划与新能源,E-mail:licanbing@qq.com。

易俊(1980),男,博士,教授级高级工程师,研究方向为电力系统稳定与控制。

李文芳(1970),男,本科,高级工程师,研究方向为电气节能。

(责任编辑 张鹏)


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