HELP模型及其在水电优化开发和电力系统电源优选中的应用
2008-01-22 13:55:06 来源：
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电力18讯： 1 规划的任务和思路
水电优化开发规划是电力系统扩展规划的一个重要组成部分。其规划任务为：水电开发方案、系统电源、输电线回路及水电厂水能参数等的优化。
它涉及水资源、能源和电力三个系统。由于水电具有的随机性、非线性特性以及水电厂群运行和效益的关联性，使水电规划及水电占相当比重的电力系统扩展规划，变得非常复杂。至今，国内外尚缺乏对这类规划的成熟模型和软件。国内开发的IRELP/I及SIRELP等混合整数规划模型，虽在一定程度上能解决这类问题，但仍存在理论上不够严密、计算规模过大和对某些非线性问题尚不能圆满解决的问题。HELP(Hyower & Electricity Long－term Planning)模型，是继承国内外有关模型的优点，并尽量克服其缺点而形成的。
水电开发和电力系统电源选择，规划期一般为10至30年，费用的计算期常用50年。
HELP模型的思路，是从规划起始年出发，前向递推进行逐年规划，直至规划期末。每一个规划年，均需进行投资决策(即该年的投产方案)和与之相应的运行决策(含水电厂水库群运行决策和系统水火电厂群运行决策)。从规划起始年至规划期末，各年的投资决策组成“决策树”，“决策树”的每一枝相应于一个“规划策略”，优化规划是寻求系统费用最小的规划策略。
由于规划期长，各年可能投产的方案很多，若按枚举法列举投产方案，则方案数量是大得惊人。本文用动态规划法并结合工程特点和工程经验，剔除明显不利的方案，最大限度地减少计算工作量，快速找到规划的最优策略。
HELP由3个相互联系的模型组成：子模型HY(水电厂水库运行决策)、子模型BLE(电力系统水、火电厂运行决策)和整体模型GBL(动态规划)。
2 模型的数学表达式
2.1 子模型HY
HY是对某一年的某投资方案、水电厂群运行优化模型、优化各水电厂年内各月的出力的决策，作为子模型BLE的基本数据。它是非线性规划问题，目标函数和部分约束为非线性。用线性规划模型逐次迭代求解。线性规划模型简述如下：
(1)目标函数
在已有系统边际费用时，目标函数可以用水电厂群总发电效益BENEFIT最大来表示
(1)
式中 HY、Y、M为水电厂、水文年份及月份的集合，hy、y、m是它们的相应元素；N、PR为电厂时段出力(变量，MW)及其价值系数。
在很多情况下，PR值不但各月不同，而且随水电厂群总出力的增加而下降，其表达式为PR(m)＝f(POWER(m))。它可从规划中得到，再反馈到本子模型中进行迭代修改。PR也可分别对保证出力和季节出力给以较大和较小的价值系数。
(2)约束方程
约束方程主要包括水库状态方程、水量平衡方程、连续方程、出力方程、出力和流量约束方程及综合利用和环保约束方程等几类。其中部分是非线性的，大部分是线性的。
约束方程表达式及算法见文［1］。
2.2 子模型BLE
子模型BLE有确定型和随机型两种模式。本文介绍确定型模式。电力电量平衡必须满足负荷及备用容量和机组检修的需求。
(1)目标函数。系统火电燃料费用及失负荷费用COST极小化。
(2)
式中 COST为系统总费用，即为火电燃料费用及启动费用及失负荷费用之和，变量；YR及D分别为水文系列年数及一周(或一天)的时段集合；TH、THC和THS分别为火电厂、非停机火电厂和可停机火电厂集合；DR和DUR为一个月的周数的当量值(或一个月的天数)和时段d的小时数；P为火电厂工作容量；STP和SC为可停机火电启动容量(变量，MW)及火电停机容量单位费用(参数)；FC为火电厂单位燃料费用，FC＝f(P);OC和SC分别为系统负荷(变量，MW)及失负荷单位费用。
(2)约束方程 含负荷平衡、机组检修及备用容量平衡、水电能量约束和各类电厂工况等。
1)负荷平衡
(3)
式中 DP与D同集；PW为火电厂在周(或日)负荷图上各相邻台阶间所担负荷的增值(变量，MW)；LOAD和ζ分别为系统负荷及电厂厂用电和输电损失系数(参数)。
系统中若有抽水蓄能电厂，则可将周(或日)的时段分为抽水蓄能电厂发电工况和抽水工况两部分。约束方程可按发电工况和抽水工况，分别在式(3)的左端和右端加上发电和抽水的功率，并加综合效率约束方程。
若电力系统分为若干个子系统，则分别对各子系统进行平衡，并增加各子系统间的功率交换及输电能力约束方程。
2)机组检修平衡
hy∈HY,th∈TH
(4)
式中 MNTHY和MNTT为水、火电厂各月检修容量，变量，MW；CAP为电厂装机容量，对水电及已有火电为参数，对新增火电为变量，MW；DURMNT为电厂每年计划检修的总历时，m。
若系统内有抽水蓄能电厂，也应增加抽水蓄能的机组检修平衡方程。
3)备用容量平衡 当进行确定型规划时，约束方程为
(5)
式中 RES、RS和MAXLOAD分别为电厂备用容量、系统备用率和最大负荷。
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水电优化开发规划是电力系统扩展规划的一个重要组成部分。其规划任务为：水电开发方案、系统电源、输电线回路及水电厂水能参数等的优化。
它涉及水资源、能源和电力三个系统。由于水电具有的随机性、非线性特性以及水电厂群运行和效益的关联性，使水电规划及水电占相当比重的电力系统扩展规划，变得非常复杂。至今，国内外尚缺乏对这类规划的成熟模型和软件。国内开发的IRELP/I及SIRELP等混合整数规划模型，虽在一定程度上能解决这类问题，但仍存在理论上不够严密、计算规模过大和对某些非线性问题尚不能圆满解决的问题。HELP(Hyower & Electricity Long－term Planning)模型，是继承国内外有关模型的优点，并尽量克服其缺点而形成的。
水电开发和电力系统电源选择，规划期一般为10至30年，费用的计算期常用50年。
HELP模型的思路，是从规划起始年出发，前向递推进行逐年规划，直至规划期末。每一个规划年，均需进行投资决策(即该年的投产方案)和与之相应的运行决策(含水电厂水库群运行决策和系统水火电厂群运行决策)。从规划起始年至规划期末，各年的投资决策组成“决策树”，“决策树”的每一枝相应于一个“规划策略”，优化规划是寻求系统费用最小的规划策略。
由于规划期长，各年可能投产的方案很多，若按枚举法列举投产方案，则方案数量是大得惊人。本文用动态规划法并结合工程特点和工程经验，剔除明显不利的方案，最大限度地减少计算工作量，快速找到规划的最优策略。
HELP由3个相互联系的模型组成：子模型HY(水电厂水库运行决策)、子模型BLE(电力系统水、火电厂运行决策)和整体模型GBL(动态规划)。
2 模型的数学表达式
2.1 子模型HY
HY是对某一年的某投资方案、水电厂群运行优化模型、优化各水电厂年内各月的出力的决策，作为子模型BLE的基本数据。它是非线性规划问题，目标函数和部分约束为非线性。用线性规划模型逐次迭代求解。线性规划模型简述如下：
(1)目标函数
在已有系统边际费用时，目标函数可以用水电厂群总发电效益BENEFIT最大来表示
(1)
式中 HY、Y、M为水电厂、水文年份及月份的集合，hy、y、m是它们的相应元素；N、PR为电厂时段出力(变量，MW)及其价值系数。
在很多情况下，PR值不但各月不同，而且随水电厂群总出力的增加而下降，其表达式为PR(m)＝f(POWER(m))。它可从规划中得到，再反馈到本子模型中进行迭代修改。PR也可分别对保证出力和季节出力给以较大和较小的价值系数。
(2)约束方程
约束方程主要包括水库状态方程、水量平衡方程、连续方程、出力方程、出力和流量约束方程及综合利用和环保约束方程等几类。其中部分是非线性的，大部分是线性的。
约束方程表达式及算法见文［1］。
2.2 子模型BLE
子模型BLE有确定型和随机型两种模式。本文介绍确定型模式。电力电量平衡必须满足负荷及备用容量和机组检修的需求。
(1)目标函数。系统火电燃料费用及失负荷费用COST极小化。
(2)
式中 COST为系统总费用，即为火电燃料费用及启动费用及失负荷费用之和，变量；YR及D分别为水文系列年数及一周(或一天)的时段集合；TH、THC和THS分别为火电厂、非停机火电厂和可停机火电厂集合；DR和DUR为一个月的周数的当量值(或一个月的天数)和时段d的小时数；P为火电厂工作容量；STP和SC为可停机火电启动容量(变量，MW)及火电停机容量单位费用(参数)；FC为火电厂单位燃料费用，FC＝f(P);OC和SC分别为系统负荷(变量，MW)及失负荷单位费用。
(2)约束方程 含负荷平衡、机组检修及备用容量平衡、水电能量约束和各类电厂工况等。
1)负荷平衡
(3)
式中 DP与D同集；PW为火电厂在周(或日)负荷图上各相邻台阶间所担负荷的增值(变量，MW)；LOAD和ζ分别为系统负荷及电厂厂用电和输电损失系数(参数)。
系统中若有抽水蓄能电厂，则可将周(或日)的时段分为抽水蓄能电厂发电工况和抽水工况两部分。约束方程可按发电工况和抽水工况，分别在式(3)的左端和右端加上发电和抽水的功率，并加综合效率约束方程。
若电力系统分为若干个子系统，则分别对各子系统进行平衡，并增加各子系统间的功率交换及输电能力约束方程。
2)机组检修平衡
hy∈HY,th∈TH
(4)
式中 MNTHY和MNTT为水、火电厂各月检修容量，变量，MW；CAP为电厂装机容量，对水电及已有火电为参数，对新增火电为变量，MW；DURMNT为电厂每年计划检修的总历时，m。
若系统内有抽水蓄能电厂，也应增加抽水蓄能的机组检修平衡方程。
3)备用容量平衡 当进行确定型规划时，约束方程为
(5)
式中 RES、RS和MAXLOAD分别为电厂备用容量、系统备用率和最大负荷。
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