基于动态规划法的日发电计划及不同报价曲线研究.docx
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基于动态规划法的日发电计划及不同报价曲线研究
分类号:
学校代码：
10079
密级:
华北电力大学硕士学位论文
题目：
基于动态规划法的日发电计划及不同报价曲线研究
英文题巨：
RESEARCHOFDAILYGENERATIONSCHEDULING
BASEDONDYNAMICPROGRAMMINGMETHODANDDIFFERENTBIDCURVE
研究生：
白长波
专业：
电力系统及其自动化
研究方向：
电力市场
指导教师：
张粒子职称：
教授
论文提交日期：
二零零六年五月
华北电力大学声明
本人郑重声叨：
此处所提交的硕士学位论文《基于动态规划法的H发电计划及不同报价曲线研究》，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。
据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力人学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论义屮作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名：
日期：
关于学位论文使用授权的说明
本人完全了解华北电力人学有关保留、使用学位论文的规定，即：
①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以釆用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被査阅或借阅；④学校可以学术交流为II的,复制赠送和交换学位论文；©同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。
（涉密的学位论文在解密后遵守此规定）
作者签名：
日期:
导师签名：
日期:
中文摘要
交易计划的制定和执行是电力市场运作的核心。
在仝面了解日发电计划优化理论研究的基础上，论文从对动态规划法的改进及不同报价曲线意义的讨论展开研究。
具体如下：
U）在分析按时段或按全天平均报价排队确定机组优先上网次序的不足的基础
上，采用综合报价排队的办法来减少状态数，算例表明能提高解的质量。
C2）分析/局部加密法的小足，给出/在逐步加密的过程中选取负荷寻优范围和步长的办法。
在程序实现时，以报价功率段最小值S满足定计算速度的最小步长一者的最大值作为计算步长。
C3）通过理论分析和算例说明，市场采用下降型及以V型为代表的波动起伏型报价曲线时，小能同时做到既对市场成员公平合理，乂实现电网购电费用最小的目标。
关键词：
电力市场，动态规划法，日发电计划，报价曲线
ABSTRACT
Thedevelopmentandexecutionofgenerationschedulingisthekeyinelectricitymarket.Aftercomprehensiveunderstandingoftheoptimaltheoryofdailygenerationscheduling.Thispapercarriesouttheresearchbasedontheimprovementofdynamicprogrammingandthepracticalmeaningofdifferentbidcurve.Thedetailsareasfollows:
（1）Afterfinishinganalyzingthedisadvantagesofaverage-bid-priceintheformofperiodoftimeorthewholedaytosolveunitcommitmentproblem,thepaperraisesthemethodofsynthesis-bid-pricetoreducethestateofunit,ithasbeenprovedthroughthesimulation.
（2）Thispaperanalyzestheproblemoflocalrefineddynamicprogramming,andgivesouttherangeofload-optimizingandthemethodtochoosepace.Iftheminimumpowersectislargerthanthestep—lengthincertainspeed,thenthelaststep-lengthistheformer.Intheopposite,thelaststep-lengthisthelatter.
（^Calculationandacademicanalysisindicatethat,itcannotbeimpartial,andcannotrealizethedestinationofminimizingthecostforpoweratthesametime,whenelectricpowercompaniestakedecrease-modelbidcurveandV-modelbidcurvewhichbelongstofluctuant-modelbidcurve.
BaiChangBo（PowerSystem&itsAutomation）Directedbyprof.ZhangLiZiKEYWORDS:
ElectricityMarket,DynamicProgrammingMethod,DailyGenerationScheduling，BidCurve
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章绪论1
1.1研究的U的和意义1
1.1.1市场化是电力I：
业发展的方向1
1.1.2口前交易计划优化理论研究意义2
1.2.本文的主要工作2
第二章国内外的研究现状4
2.1弓I*4
2.2日前发电计划数学模型4
2.2.1目标函数4
2.2.2约束条件5
2.3日前发电计划算法综述6
2.3.1启发式方法6
2.3.2线性规划法7
2.3.3混合整数规划法7
2.3.4拉格朗日松弛法7
2.3.5网络流规划法8
2.3.6动态规划法8
2.3.7其他优化算法9
2.4本章小结9
第三章基于动态规划法的日发电计划求解10
3.1弓I由10
3.2动态规划法的基木原理10
3.2.1动态规划法的发展及其研究内容10
3.2.2动态规划法的基本概念10
3.2.3动态规划法的最优性原理和基本凼数方程12
3.2.4建立动态规划模型的基本步骤13
3.2.5动态规划法的递推方向及求解形式13
3.3动态规划法在该问题中的具体实现14
3.3.1选取各时段运行状态14
3.3.2对每种状态求解其经济功率分K19
3.3.3机组组合最优路径的求解25
3.4稈序逻辑框图28
3.4.1程序总框图28
3.4.2经济功率分配模块程序框图30
3.4.3各时段可行状态组合模块程序框图31
3.4.4最优转移路径模块程序框图32
3.5本章小结35
第四章不同类型报价曲线的研究36
4.1弓I,36
4.2基丁'发电成本的真实报价曲线类型36
4.3发电报价曲线类型37
4.3.1发电公司可能采用的报价曲线类型38
4.3.2从电力市场角度探讨卜降型及V型报价曲线38
4.4本章小结41
第五章算例42
5.1R发电计划算例42
5.2不同报价曲线意义研究的算例46
5.3本章小结48
第六章结论50
6.1丄作总结50
6.2展望50
参考文献51
m.m54
攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加的科研情况55
第一章绪论
1.1研究的目的和意义
1.1.1市场化是电力工业发展的方向
电力作为国民经济的基础行业，其运行效益和它的价格直接决定了一个国家的产品在全球经济中的竞争能力。
传统的电力工业在经济学上被归为自然垄断性行
业，在垄断模式下运行/一个相当长的时期。
而随着现代控制、M络与信息技术的进步和发展，电力工业内部具有建立定的自由竞争空间的基础。
科学技术的发展为在电力工业中引入市场竞争机制提供/可能。
从1990年英国开始电力市场改革至今的十多年中，全球各国电力工业纷纷走上了电力巾场改革之路。
建立电力市场的B的，就是要将电力工业纳入市场经济的大框架中，通过市场
竞争的方式来调整社会资源的分配，即而实现全社会资源优化配置。
传统电力系统主要可以分为输、发、配、售四个环节，他们之间的关系是相互依存，统一管理，正是由于他的这一结构，造成了生产力发展缓慢的局面。
进行市场化改革，就需要市场具有相对独立的市场成员，这就迫使改革必须打破原有的产业结构，实现输、发、配、售的独立经营，切断发电、输电和供电之间的资木纽带，使各电厂、电网公司和供电公司成为独立经营的市场成员。
在这一模式卜'，各市场成员为了参与市场竞争，必须不断提高生产效益和生产力，从而实现了各类资源的优化，提高了整
个系统的运行效率，促进了系统的发展，这是进行市场化改革的主要H的。
从世界范围来看，英国、美国、澳大利亚、智利、阿根廷等国的电力市场给电力T.业带来的活力及其效益是有目共睹的。
其运行经验表明：
电力市场对降低电力
的生产与传输的成本，提高电力工业运行效宇-产生了重要的影响。
降低电价，改善服务已成为引入电力市场新机制是否成功的重要标志。
我国[1-3'的电力工业改革起步较晚，而且存在诸多问题。
例如电网结构不合理，电源建设缺乏规划性且分布不合理，传统模式根深蒂固，市场经济概念仍处于发展阶段，这些都阻碍着我国电力市场改革的发展，但是为了实现提高效率，降低成本，优化资源配置，促进电力发展的目标，市场化改革就刻不容缓。
我国的电力市场化
改革于上世纪90年代末有序的开展起来。
首先实现了电力资产的重组，至2002年底为lh，国家电网公司已重组为两家电网公司和5家发电公司，与此同吋，山东、上海、浙江、辽宁、吉林和黑龙江电网也被确定成为了首批电力市场试点单位，2001年山东、上海、浙江的发电侧电力#场相继投入商业化试运营，同年6月，东北三省的发电市场也正式启动，这标志着我国电力市场化改革已经进入到实质性阶段。
目前我国正积极建立竞争、开放、有序的区域电力市场，跨省电网已经形成，区域电网之间的联系正逐渐加强。
1.1.2日前交易计划优化理论硏究意义
交易计划的制定和执行是电力市场运作的核心内容，而日前交易又是电能量交易的重耍环节，也是电能量交易的*耍形式，制定公平、合理的口前交易计划直接关系到电力市场能否健康、顺利、稳定地运行和发展。
巾—场环境下的日前交易计划和传统的日调度计划相比，有以下几点重要区别：
U）目标函数不同。
传统的经济调度以整个系统总的运行费川最低为目标。
而巾场模式下，电网公司依据各发电公司的报价制定发电计划，以全网总购电成本最小为口标。
由此可见，在电力市场下，用于电M经济调度的口标函数发生/变化。
12）经济性质不同。
传统的调度计划是作为企业内部的生产计划命令，调度中心的调度员可以根据系统的需要对可操作的各机组或电力设备进行修改，或指定调峰、调频、调压调度；而电力市场中，交易计划的实质是买卖双方的经济合同，对系统所需要的调度调整，需向其他市场成员支付相应的费用，弥补其损失。
。
）约束条件不同。
传统调度模型屮要细致考虑线路的传输容量、传输断面的输送功率、节点电压等安全约束。
在电力市场下，发电商在追求利益最大化时小会自发的考虑系统的安全约束问题，电网的安全约束需要在制定发电计划时进行详细考虑并强制执行。
同时，由于交易模式确定的电量合同、双边合同等多种贸易形式，也成为新的约束条件。
U）采用的算法不同。
在传统的经济调度模式下，各发电机组申报的煤耗曲线和机组启动费在一定时期是基本固定的，按照发电成本大小的机组排序在各时段也是大致相同的，各类数学规划方法、优化算法和/^发式算法得到了广泛的应用。
而在电力市场中，由于市场规则的造成的各类不确定性，例如机组报价的不确定性，竞价电量的不确定性等，会在调度过程中造成阻塞、容量分摊、机组频繁启停等问题。
综h所述，市场环境下，交易算法要处理的约束条件比传统模式下的多，处理约束的方法也发生了变化，采用的调整方式复杂多变。
从上述分析可见，在市场模式下，传统模式的发电计划已经不能适用。
因此，进行市场模式下的交易计划优化理论研究是I-分必要的，开发,屮,电力市场下的交易计划优化软件，尤其是日前交易计划优化软件具有重要的现实意义。
1.2.本文的主要工作
本文主要进行了以下几项工作：
U）査阅国内外相关文献，全而了解电力市场下日前发电计划编制的相关优化
理论研究的进展情况。
从目标函数，约朿条件，交易算法等方面深入研究和分析电力市场下日前发电计划编制所出现的新特点。
a）采用动态规划法求解日发电计划
a.针对基T各吋段机组平均报价或机组全天平均报价排队确定各机组优先
级，以便得到各时段临界机组。
本文在分析这两种排队办法不足的基础上，提出了采用综合报价排队的办法。
即以机组在各吋段的中标价格之和的平均值来排队确定机组的优先次序，该办法能有效避免前者的小足之处，且从市场的角度出发，显得更有说服力。
b.分析/局部加密法的小足，给出丫在局部加密的过程中选取负荷寻优范围
和步K的办法。
在程序实现时，以机组报价功率段最小值与满足一定计算速度的最
小步长一者的最大值作为计算步长。
c采用delphi编程语言编制了H-有一定实用价值的日前'发电计划制定软件。
U）理论上讲，发电公司可以报任何类型的报价曲线。
但并小是每种类型的报价曲线都有意义。
本文从理论上分析了，在处理下降型及以V型为代表的波动起伏型报价曲线时，不能同时做到既对市场成员公平合理，又实现电网最小购电费用的目标。
通过算例说明下降型及以V型为代表的波动起伏型报价曲线在电力市场中是没有意义的。
第二章国内外的研究现状
2.1引言
电力市场卜的日前发电计划，是指在电力市场卜，充分考虑负荷平衡，系统安全备用，机组技术特性和交易规则的约束，制定下个交易日各个时段L一股划分48或96个时段）的电量交易计划，并以全网的购电费用最小为目标。
也就是预先制定下个交易日各个时段由哪些机组发电，发多少电的问题。
发电计划包括机组组合和经济功率分配两部分。
电力系统的负荷在一天之内是不断变化的，负荷的这种变化如果仅靠改变机组出力而不改变机组的组合数目，其机组出力的调节范围往往难以满足要求。
根据相应的负荷曲线，在满足负荷需求和一定的约束条件下，在计党周期内确定机组的开、停机计划使计筧周期内的总费用为最小，这就是机组最优组合。
合理的机组组合计划能节省一次能源，延长机组使用寿命，带来可观的经济效益，同时它也是包括经济功率分配在内的其他经济性优化的基础。
在市场条件下，机组间的经济功率分配所得机组的出力基于机组的报价。
从市场的角度以及电力系统本身的特点，来衡量发电计划制定的好坏，就是要兼顾经济性与安全性。
同时有效减少实时调度对原发电讣划的修止，也非常重要。
发电计划制定的过程，要尽可能简单，快速，精确。
考虑的约朿尽可能全面，合理。
结果尽可能接近最优解。
目前国内外的相关研究主要从两个方面展开：
U）数学模型。
在不同的电力市场模式及交易种类下，建立的发电计划数学模型会有所不同。
a）优化算法。
目前应用丁•发电计划编制的算法*耍有优先排序法、线性规
划法、网络流法、拉格朗日松弛法、动态规划法等方法。
在这些优化算法中，计算速度快，能更好的处理约束条件，优化效果明显的算法得到了更为广泛的应用。
何任何一种算法都有它的局限性，因此为使问题得到很好的解决，优化算法的研究出现两个重要的特点：
算法改进和不同算法的组合使用。
2.2日前发电计划数学模型
机组组合问题是一个髙维数、非凸的、离散的、多约束的、非线性的优化问题。
2.2.1目标函数（计及机组的启动费用）
mmF（U,t,P,t、H[UltF,（Plt）+Ult（1-【/,.（—,）S,]a-1）
式中：
i——机组号，/=l,2,AA/，/为机组总数；t——时段兮，t=1,2,AAT,r为时段数；
U„一一机组z在,时段的运行状态，仏=1运行，u,t
plt—―机组/在f时段的有功出力；
S,——机组/的启动费。
0停机;
b\（P„）一一电网在,时段付给机组i的购电费；关丁^的进步说明：
在日前市场中一般采用SNIP（SystemMarginalPrice）结算方式
t=l1=1
C諮=max[C（。
]
符号说明：
一
SMP——系统统边际电价；
CSilPJ—―z时段系统统一边际电价；
clt一一？
时段机组^的报价。
2.2.2约束条件
U）有功功率平衡约束
E
P-p—p=01it1Dt1LtW
/=1
式中：
Pnt——t时段电网负荷功率；
C2-2）（.2-3）
a—4）
Pr
时段电MM损,
a）机组最大最小出力约束
p.;,mmit;,:
工1^中•PP-
^1•?
max,？
mm
-机组z的最大、最小出力限值,
（.3）机组升降功率速度约束
式屮：
APL"—―机组？
的上升功率速度限值；APD,——机组z的下降功率速度限值。
U）机组的启停约束
t。
Nj―TONj^OFFj―^OFFj
a-6）
（.2-7）
式中.T-
>\jI•1ONj•>-1-OFFj
（5）系统旋转备用约*
-机组i的最短连续运行和连续停运时间限值'
C2-8）
2>n[【/^-Pimm,APD；）]>BRODj（.2-9）
式中：
BROUt，BRODt—―分别为电网？
时段的上旋转备用和卜旋转备用限值;（.6）负荷备用约朿
Zi.riupimax-pDI）>BR
i{PDt-UnPmm）>BRE
C2-10）
（2-11）
式中：
B^'Bred—―分别为电网负荷上备用和下备用限值。
（.7）计划运行、停运约束，该约束由检修、供热及机组申报连续运行等情况引起计划运行：
【/,,=1（2-12）计划停运：
U,,=Q（2-13）
2.3日前发电计划算法综述
2.3.1启发式方法[4~7]
启发式方法（heuristicmethod）是最早使用的一类优化方法，这种方法没有严
格的理论依据，依靠直观的判断或实际调度的经验寻找最优解。
启发式方法在机组组合问题中的应用有以下两种情况：
a.局部寻优法。
其基本的思路是从一个尽可能好的初始解出发，在其邻域内寻优，通过迭代求得最优解或次优解。
这种方法计算速度快，所需内存少，但往往找不到最优解。
但局部寻优法可与专家系统方法结合使用。
b.优先顺序法（Prioritylist）。
（1）逆序排序法（UnitDecommitment）
在这种方法中，首先把所有可以参与运行的机组设置成全时段开机，在这种情况下，系统将有过多的旋转备用，从而导致额外的运行费用。
为了得到一个经济的运行方案，把一台经济性最差的机组变成停运状态，从而可以节省出一部分运行费用，同时减少了多余的旋转备用。
继续选择下一台经济性较差的机组安棑停机。
这个过程进行直到整个系统的总运行费川不再下降，并且满足系统负荷和旋转备川的要求为止。
这种方法的一个显著特点是系统总费用随着迭代过程的进行单调减少，并且总是保证旋转备用满足要求。
C2）顺序组合法（sequentialUnitCommitment）
这种方法也就是我们通常采用的排队法，文献[4'中提到将系统可调度的机组按某种经济特性指标事先排出顺序，根据系统负荷大小按这种顺序依次投切机组。
文献[s]将其用十经济功率分配的求解，求解过程分排序选择，越限校正。
排序选择可解决竞价，负荷平衡和边际电价确定，越限校正主要是校正每个时段约束是否满足。
文献[5'将其用十机组组合和经济功率分配求解，表明排队法只能用十单段或多段水平报价曲线，且不能有下降段，另外它难以处理跟时间有关的约束，如机组的爬坡速度约朿和启停时间约朿。
总之，优先顺序法简单，计算速度快，占用内存少，常常找不到虽优解，但能满足一般的应用要求，这种方法既可单独使用，也可与动态规划法等方法结合使用。
优先顺序法提出较，，现在仍在研究和应用之中。
2.3.2线性规划法[8-"]
线性规划法是目前较为实用的算法，主要优点是：
快速、可靠；能有效地处理网络安全约束；可以直接解决与时间有关的约束；同时还可以处理下降型的报价曲线；其缺点是：
处理网损比较麻烦；对于非线性的目标函数和约束，必须使川逐次线性化的手段才能求解，确定步K的大小是一个困难的问题，而且逐次线性化也会造成计算精度的损失。
2.3.3混合整数规划法[4]
混合整数规划（mixed-integerprogra國ing）是变量中既有整数又有t整数的数学规划问题，根据除整数变量以外的其它变量的函数类型，乂可分为线性混合整数规划和t线性混合整数规划。
这种规划问题解决起来十分困难，常用的方法有分支定界（branch-and-bound）法、Benders分角牟（Bendersdecomposition）^>广义Benders分解（generaIizedBendersdecomposition）法等.
混合整数规划法的优点是：
a.直接求解机组组合问题的数学模型，不需要加入过多的限制或假设；
b.从理论上来说，能找到全局最优解。
其缺点是：
a.方法比较复杂，不直观，对于分支定界法，为得到比较高的效率，需要精心构思分支策略和求下界的算法，Benders分解法和广义Benders分解法使用也较复杂；
b.对于实际系统，直接使用计党量太大，必须对问题进行分解；
c.Benders分解法或广义Benders分解法对目标函数的性态有一些要求。
混合整数规划法在机组组合问题中实用化的成果不太多，但有一些理论成果有价值，后来应用I-分广泛的拉格朗日松弛法虽甲.也是以分支定界法的形式出现的。
2.3.4拉格朗日松弛法[4][36~37]
拉格朗日松弛法的基本思想是把全系统的约朿，如负荷约朿、旋转备用约朿等，写成目标函数的惩罚项的形式，即进行松弛。
约束条件松弛后的对偶问题可分解为单机组的子问题。
求解子问题的过程和整体协调（即优化拉格朗日乘子）的过程交替迭代进行，直到找出最优或次优的对偶问题解，再从对偶解形成原问题的最终解。
拉格朗H松弛法优点：
a.随着机组数的增加，计算量近似线性增长，克服了维数障碍，且机组数目越多，算法效果越好；
b.方法十分灵活，不但可以成功地解决机组组合问题，也可以推广到水火电联合经济调度问题和电力交易的问题；
c.算法的一些因子具有实际的物理（经济）意义，如与系统负荷约朿相关的拉格朗口乘子即等丁•系统边际发电成本。
拉格朗H松弛法缺点：
a.由丁•目标函数的非凸性，用对偶法求解吋，存在对偶间隙，需耍根据对偶问题的优化解采取一定的措施构造原问题的优化可行解，这是拉格朗H松弛法的一个难点；
b.算法的迭代过程中有可能出现振荡或奇异现象，需要采取措施加快收敛；
c.考虑某些约束条件（如机组爬坡
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