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1、跫8 7 0 G f i 8基于遗传算法的电力市场条件下的电力系统电源规划的研究T h eS t u d yo fG e n e r a t i o nE x p a n s i o nP l a n n i n gB a s e do nG e n e t i cA l g o r i t h m sI nt h eE n v i r o n m e n to fE l e c t r i c i t yM a r k e t作者姓名虿雪捡学位类型堂压亟学科专业鱼左丕笪丛墓自动丝研究方向电左丕统电退趣划导师及职称工明熬援2 0 0 6 年4 月基于遗传算法的电力市场条件下的电力系统电源规划摘
2、要电源规划是电力系统战略发展规划的重要组成部分，一个好的规划是保证电力系统有序建设与安全、经济、可靠运行的前提，尤其是目前随着“厂网分开、竞价上网”改革的逐步深人，我国电力工业即将步人商业化运营，做好市场条件下的电力系统电源规划工作意义重大。市场经济条件下的电力企业。应以追求效益最大化为目标，所有的决策投资都应充分考虑回报收益，避免武断决策和盲目投资。因此，在市场经济条件下，如何做好电力系统电源规划工作，是当前规划工作者所面临的全新课题。本文在加强电力市场调查研究工作、分析经济结构优化、电力体制改革和电力市场开拓等对电力需求的影响的基础上，综合考虑了资源开发利用、人类生存环境和社会经济等方面协
3、调发展，兼顾了计划与市场的双重因素，提出了市场环境下的电源规划模型和算法，该模型以传统电源规划为基础，在体现可靠性与经济性综合运筹的同时兼顾了可持续发展问题。该模型采用G r e f e n s t e t t e 编码的遗传算法进行求解，在求解过程中对简单遗传算法的算子进行了多方面创造性的改进，不仅能可靠获得全局最优解和次优解，而且加大了求解规模与速度。给出的算例和结果表明本文提出的模型和算法均合理有效。关键词：电源规划电力市场模型遗传算法G r e f e n s t e t t e 编码T h eS t u d yo fG e n e r a t i o nE x p a n s i o
4、 nP l a n n i n gB a s e do nG e n e t i cA l g o r i t h m sI nt h eE n v i r o n m e n to fE l e c t r i c i t yM a r k e tA b s t r a c tT h eg e n e r a t i o ne x p a n s i o np l a n n i n gi sa l li m p o r t a n tp a r to ft h es t r a t e g i cd e v e l o p m e n tp l a n n i n gi na l lp o
5、 w e rs y s t e m A ni d e a lp l a n n i n gc a r lp r o t e c tt h es e c u r e、e c o n o m i c a la n dr e l i a b l er u n n i n go fp o w e rs y s t e m E s p e c i a l l y,w i t ht h ea d v a n c i n go fr e f o r mo n“s e p a r a t i n go fp o w e rp l a n ta n dg r i d，s e l l i n ge l e c t
6、 r i c i t yb yc o m p e t i t i v ep r i c e ,p o w e ri n d u s t yw i l lr e a l i z et h er u n n i n go fc o m m e r c i a l i z a t i o n S o，i ti sav e r ys i g n i f i c a n tt h i n g sf o rs e t t i n gt Ot h ep l a n n i n gu n d e rt h ee l e c t r i c i t ym a r k e t i np o w e rm a r
7、k e t，e l e c t r i c i t ye n t e r p r i s eo u g h tt or e g a r dt h em a x i m i z eo f p r o f i ta st h e i ra i m，a l li n v e s t m e n t sa n dd e c i s i o n ss h o u l dc o n s i d e rf u l l yt h eg a i n，a v o i d i n gt h eb l i n d n e s so ft h ed e c i s i o na n di n v e s t m e n
8、 t S o，h o wt or e a l i z et h eg e n e r a t i o ne x p a n s i o np l a n n i n go fp o w e rs y s t e mi np o w e rm a r k e ti st h ec o m p l e t e l yn e wq u e s t i o nf o rs t u d yt ot h ep l a n n e r T h ep a p e rp u tf o r w a r dt h em o d e la n da r i t h m e t i ct h r o u g ht h
9、es t u d yo ft h eg e n e r a t i o ne x p a n s i o np l a n n i n gi np o w e rs y s t e mu n d e rt h ec o n d i t i o no fe l e c t r i c i t ym a r k e t T h em o d e lb a s e do nt r a d i t i o n a lp l a n n i n gd e m o n s t r a t e st h ec o o p e r a t i o no fr e l i a b i l i t y,e c o
10、 n o m ya n dc o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n t T h es o l v i n gf o rt h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni sb yt h eG e n e t i cA l g o r i t h m sb a s e do nG r e f e n s t e t t ec o d i n g I nt h ep r o c e s so fr e s o l v i n g，t h em o d e lc a nn o to n l yg e tt h eb e s tr e
11、s u l ta n dh y p o r e s u l t，b u ta l s oi n c r e a s et h es c a l ea n ds p e e do fc o m p u t a t i o n T h eo b t a i n e dr e s u l t so fm t m e r a le x a m p l e si n d i c a t et h a tt h em o d e la n da r i t h m e t i ca r eb o t hr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v eK e yw o r
12、d s：G e n e r a t i o nE x p a n s i o nP l a n n i n gE l e c t r i c i t yM a r k e tM o d l eG e n e t i cA l g o r i t h m sG r e f e n s t e t t eC o d i n g插图清单图2 1 赌盘示意图1 2图2。2 遗传算法的构造过程示意图1 6图2-3 遗传算法的基本运算过程示意图1 7图2。4 基于遗传算法的电力市场环境下的电源规划模型求解流程图1 8图3 1 构造算法流程图2 4图3-2 程序流程图2 4图3 3 半不变量法计算流程图2
13、5图3-4 程序的总体结构2 6图4-l 计算速度与待建电源数关系曲线3 0图4 2 对选择过程加以改进后的收敛曲线3 1图4-3 对选择过程未加改进的收敛曲线3 1图4-4 对产生初始种群、选择、变异均加以改进后的收敛曲线3 1独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金墅王些盘堂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文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者橼九彦伤签字隰咿弘肋日学位论文版权使
14、用授权书本学位论文作者完全了解金壁工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅a 本人授权金匿王些态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)一繇办亏哆翩签名一1注：一签字日期：口舌年争月z 二日签字日期：口易年讧序铂学位论文作者毕业后去向：萄鳓慨叫苌咱知f L工作单位：电话：。通讯地址：邮编：致谢本文是在我的导师丁明教授的悉心指导下完成的。导师治学严谨，学识渊博，为人豁达、宽厚仁爱，使我受益终生；他时刻关注学科发展，学术
15、不断创新，更是值得我永远学习的榜样。攻读硕士学位期间，导师在学习和生活给了我很多的关怀，鼓励和帮助，在本文完成之际，我要对敬爱的导师表示衷心的感谢和深深的敬意!在多年的学习，科研过程中，我深深体会到，比学问更重要的是品格。只有在科学领域的执着追求和艰苦探索以及实际生活的磨练中，品格才能不断臻于完善，导师高尚的品格和与时俱进自强不息的精神将永远照亮的生命历程。在研究过程中，吴义纯师兄在理论和算法等诸多方面给了我很多启发性建议和指导。在此，表示衷心的感谢!科研工作的顺利完成，得益于友爱真诚的集体环境。杨飞虎、张立军，韩平平几位同学对于本文的完成曾多次给予无私的帮助，另外，李小燕，谢君，安玲，张明星
16、，方振，杨斯奥等也都在生活和学习中给我伸出过他们热情的帮助之手，还有吴红斌，汪兴强两位师兄以及王敏师姐也给了我宝贵支持。在此，一并谢之!最后，我要感谢我的家人和朋友，在我求学期间对我始终如一的支持。论文的完成与他们的关怀和鼓励密不可分。作者：石雪梅2 0 0 6 年4 月第一章绪论1 1 引言电力系统规划是电力系统建设的一项必不可少的前期工作，其主要任务是根据日益增长的电力负荷水平，制定合理的电力工业发展计划。电力工业的发展水平对其他行业会产生巨大的影响，电力工业的建设又涉及大量的一次能源消耗和巨额的投资【lJ。因此，合理地进行电力系统规划，可以获得很大的经济效益和社会效益；尤其在我国这样一个
17、人口众多资金短缺的发展中国家，做好电力系统规划工作具有迫切的现实意义。随着电力市场化改革的深入，我国目前电力市场环境下的电源规划工作面临着许多新难题。特别是我国近几年来的缺电情况，更是引起人们对电源不足的充分认识，国内各大电力集团公司纷纷以电力市场为导向，以提高市场竞争能力、获利能力为目的，加速发展，故丽难免会造成某些地区一些电源项目匆忙上马，使得电源建设处于无序状态。因此，在综合考虑电力市场需求情况下，如何作好规划工作，如何使得电源布局和结构更加合理，是当前规划工作者所面临的重要课题。这项工作不仅直接影响电网运行成本的高低，关系到供电公司的切身利益，而且也对电力工业的可持续发展以及建设环境友
18、好型、资源节约型社会具有非常重要的意义。1 2 国内对于电源规划的模型与算法研究的现状纵观国内电源规划的发展，从电源规划的W A S P 模型、J A S P 模型，电源规划的双目标动态规划模型、到考虑能源分区平衡的电源规划模型、三峡工程施工电源规划及实施、以及电力系统调峰电源规划模型探讨及其应用等等一系列的研究，电力系统电源规划走过了一段漫长而艰辛的路，每一步都凝聚了电力科研工作者们大量的心血。走过几十年的风风雨雨，我国电力系统电源规划又迎来了新的挑战，无论是模型还是优化算法都面临着新的任务。自2 0 0 0 年以来，各个高校纷纷就电源规划及其算法提出了许多新的思路与做法，目前，国内对于系统
19、电源与电网规划方面进行了相应研究的高校和科研机构有：清华大学、电力科学研究院、西安交通大学、合肥工业大学、华中理工大学等。其中清华大学提出了“系列运算理论”【2】及其在电源规划中的应用，考虑了将电源电网进行一体化研究，并用系列运算理论为其模型求解，强调电源与电网实行统一规划，既提出了解决电源结构、布局、电网协调优化以及资源受限、环保等规划问题，又将系列运算理论应用于模型求解，一定程度地减小了计算量，计算速度也有所提高。西安交通大学就原先的J A S P 模型算法也提出了改进，华中理工大学对电源规划方面的研究主要是就传统的电源规划模型提出了不同的优化求解的方法，其中基于G P A 在电源规划中的
20、应用比较有代表性【3】综上所述，不论是算法还是模型，虽然都有自己的特色和优势，但是却均没有考虑到电力市场下的因素，没有全面考虑到建设环境友好型社会与资源节约型社会所对新形式下的电力系统建设规划提出的新的要求。1 3 本文研究的现实意义及主要的研究工作电力系统发展到今天，己经成为为世界各国提供能源和动力的巨大网络。电力系统的作用是向各类用户提供经济、可靠、符合质量标准的电能。电能的特点之一是不能大量贮存，即电能的生产、输送、分配、消费是同时进行的。所以系统内的可发电容量，在正常运行条件下，应当在任何时候都能满足系统内负荷的要求。因此，对未来本电网内负荷变化与趋势的预测，是一个电网调度部门和规划部
21、门所必须具有的基本信息之一。1 3 1 市场条件下电力系统电源规划的意义电源规划是电力系统建设的一项非常重要的前期工作，其主要任务是根据目益增长的电力负荷水平，制定既经济又台理的电源投建计划。尤其是当前，电力系统电源规划面临市场环境的挑战，发电企业追求经济效益与电网的稳定运行可靠性之间的矛盾日益凸现【4“，首先考虑到市场经济条件下的企业，应以追求企业经济效益最大化为目标，所有的决策投资都应充分考虑回报收益率，避免武断决策和盲目投资。其次要考虑确保电力系统安全稳定运行亦是一个不容变更的宗旨，再次就是要结合综合资源的开发利用、可持续发展以及电力对人类生存环境的污染等综合因素。在市场经济条件下进行电
22、力系统规划工作，与计划经济体制下相比有很大的不同，其难度更大，对规划工作者提出的要求更高。规划工作者不仅要加强电力市场调查研究工作，分析经济结构优化【7J、电力体制改革和电力市场开拓等对电力需求的影响，收集各行业的发展信息，充分研究本地区用电量和负荷的历史数据及其发展趋势，做好规划的基础性工作。而且要在综合考虑资源开发利用、人类生存环境和社会经济等方面协调发展的同时，对规划方案从多方面进行综合权衡分析，确定使经济效益、环境效益和社会效益均达到最佳的方案，从而切实做到以市场需求为导向、以经济效益为中心、以资源优化配置、实现可持续发展为重点、符合电力企业实际的电力系统规划工作。这项工作不仅直接影响
23、电网运行成本的高低，关系到供电公司的切身利益，而且也对电力工业的可持续发展以及建设环境友好型、资源节约型社会具有一定的意义。1 3 2 本文主要的研究工作随着电力市场化改革的深入，电力系统电源规划日益受到重视，但与此同时，我国目前电力市场环境下的电源规划工作面l 晦着许多新的难题。特别是我2国近几年来的缺电情况，更是引起人们对电源不足的充分认识，国内各大电力集团公司纷纷以电力市场为导向，以提高市场竞争能力、获利能力为核心，加快发展。与此同时也造成某些地区一些电源项目匆忙上马，导致电源建设的无序性。因此，在电力市场环境下，在落实科学发展观的要求下，如何综合考虑电力市场需求使得电源布局和结构合理化
24、和优化，是规划工作者所面临的重要课题。为适应新形式下的电力系统电源规划的要求，本文对电力市场条件下电力系统电源规划进行了一定程度的研究，初步提出了市场环境下的电源规划模型。该模型以传统的电源规划为基础，以市场条件下全社会总成本最低为优化目标，在体现可靠性与经济性综合运筹的同时兼顾了可持续发展问题；考虑到电源规划问题的高离散性、非线性、高维数等特点，本文选择了最能体现此类问题优化优势的算法遗传算法对模型进行求解，并针对具体问题经过反复试验，对基本遗传算法提出了几点改进措施，试验表明，改进以后的算法对优化结果与计算速度大有改善。第二章电力市场环境下的电源规划2 1 概述电力系统是整个国民经济或能源
25、系统的一个非常重要的子系统。它的发展受到未来电力负荷增长、一次能源供应及电力技术设备供应和国家财力的直接影响在电力系统规划中这些因素或者直接形成约束条件、或者以某种形式的边际价格间接地控制投资决策过程。电力系统规划由电力负荷预测、电源规划和电网规划等部分构成。电力负荷预测是电力系统规划的基础，它提供电力增长、负荷曲线及电力分布情况电源规划和电网规划结果也可能反过来用电能边际成本对电力负荷曲线或分布施加影响。就电力系统而言，电源方案和电网方案实质上是一个不可分割的整体。但是由于两者侧重点不同，并且统一解决这两个问题又非常困难，所以目前不得不分开处理电源规划和电网规划的问题，在必要时对它们采用协调
26、1 8 J 的技术进行迭代。本论文则主要着重研究电力市场条件下的电源规划问题。电力系统电源规划的目的是根据某时期的负荷需求预测，在满足一定可靠性水平的条件下寻求一个最经济合理的电源开发方案。其要回答以下问题a 何时投建新电厂?b 在何处投建新电厂?c 投建何种类型的发电厂?d 投建多大装机容量的发电厂?为了寻求和论证撮优电源开发方案，电源规划模型应对以下问题作出定量的分析：a 电源结构的合理性：b 规划方案所需一次能源及燃料费用；C 规划方案的投资流和年运行费用；d 供电的可靠性指标e 规划方案与负荷增长、燃料价格和机组投资等的灵敏度；f 推迟某些关键项目的影响：卫哪些市场因素对规划的影响最突
27、出；等等。所有这些问题都使电源规划工作非常复杂。从数学上来说，电源规划模型具有高维性、非线性及随机性的特点。首先，电源规划需要处理各种类型的发电机组，并要考虑相当长时期(远景规划可达3 0 年以上)系统电源的过渡问题。这样在规划中所涉及的决策变量数是十分惊人的。这种维数障碍使我们往往难以直接应用运筹学中的典型算法。其次，发电机组的投资现值和年运行费用都不是有关决策变量的线性函4数另外，一些约束条件，例如可靠性约束条件，电力市场约束等也是非线性的。因而电源规划的数学模型实质上是非线性模型，给求解带来很大困难。最后，电源规划所需的基础数据，如负荷预测数据燃料和设各的价格、贴现率等都包含不确定性的因
28、素，从而使电源规划问题具有明显的随机性质。对于这样复杂的问题，即使利用目前最为先进的计算机要在合理的运算时间内严格地求出最优解也几乎是不可能的。另一方面，原始资料和参数的误差以及很多难以用数学式表达的因素都会影响最终方案的决策。因此，数学上严格的最优解对实际工程问题而言也未必有真正的最优解所以目前电源规划算法都在数学的严格性和计算量之间作了适当的折衷，采取了一些简化方法。传统方法大致可以归纳为以下三种：(把电源规划问题分解为若干子问题，进行分解协调。典型的作法是把电源规划分解为电源投资决策和生产优化决策两部分。(2 1 以启发式算法代替严格的运筹学优化方法。由于维数障碍，运筹学上典型的算法在处
29、理电源规划问题时往往需要占用很长的计算时间。因此在处理实际问题时，可以针对具体问题对严格的算法作一些简化，或者设计一些能够获得接近最优解的实用算法，这种算法称为启发式算法。(3)采用简化假定。例如把机组投资线性化，把煤耗曲线线性化或分段线性化是最常用的简化假定。本文采用了分解协调算法，将电源规划问题进行分解，这样不仅可以减少各个问题的维数，而且使各子问题的模型具有便于处理的性质。2 2 传统的电源规划模型与算法介绍2 2 1 单节点电源规划(按发电机组类型优化(、S P)”弗J单节点电源规划模型就其本质来说，属于整数规划，这种模型是把同类机组的发电厂合并起来，以大量减少变量数，此外，由于这种隋
30、况下，每种类型的机组数的取值较大、因此在算法上先放弃变量的整数性要求，按照连续量的数学规划问题求解，然后用“四舍五入”的方法取得整数解，或者仅仅把少数几个特殊变量作为整数来处理，使模型变为混合整数规划问题，从而使模型限制在通用算法容许的范围之内。2 2 2 按发电厂规化(J A S P)规划模型包括电源投资决策和生产优化两部分，前者确定投产进度，后者确定扩建系统的各类技术指标。电源投资决策模型在运筹学上属于非线性整数规划问题。虽然已有分枝定界法等典型通用算法，但它只能解决变量数在1 0 0 0个以内的线性整数规划问题。当电源规划按照发电厂进行优化时，模型中的变量远远超过了整数规划算法的解题能力
31、，因此，工程上针对具体问题设计了启发式算法，该算法包括排序和爬山过程两个部分。但是，启发式算法却不能从理论上保证取得问题的最优解，最多可以在给定的计算时间内取得接近最优解的结果。因为该算法中的爬山过程对于初始值的选择要求非常高初始值不仅影响寻求最终解的速度，还可能影响最终解的优化程度。从优化理论来讲，爬山法只能保证局部最优，只有当初始值在最优解“足够近的邻域时才能使局部最优变为全局最优。因此，为了使爬山过程有个较好的初始值，还必须要对所有待选水电厂的投建计划单独进行一次初步优化。这无疑使得原本就复杂异常的规划工作变得更加复杂化。2 2 3 关于电源规划的动态规划法【9 J动态规划法是贝尔曼(B
32、 e l l m a n)在2 0 世纪5 0 年代作为多阶段决策过程研究出来的，其核心是最优性原理。基于动态规划的电源规划方法就是将电源规划划分为多阶段多变量整数规划问题，采取前向动态规划法寻求最优规划方案。首先根据可靠性指标淘汰一些不可行的电源规划方案，然后对所有可行方案从规划开始年到水平年搜索最小费用路径。假如在第t 年，每个可行方案的费用都是由规划年开始到该年的最小费用路径决定的，当计算第，年的可行方案，。到第H-1 年的可行方案。的费用时，应把L 到。的建设费用和。的运行费用进行贴现换算后加到。上。以此方法计算第f 年的其它可行方案到第t+1年的可行方案。的费用，从而找出。的最小费用
33、路径并保存该路径。与此类似，可计算第，+1 年的其它可行方案的最小费用路径并保存下来。然后计算第H 2 年的各可行方案的最小费用路径，最终可得到规划年所有可行方案中的最小费用路径，即为最优电源规划方案。与排序法相比，其考虑了规划方案逐年投资费用、运行费用以及可靠性指标的变化，虽然规划结果的可信度、经济性、可靠性有所改善，但是动态规划法却只能用于求解中小规模的电源规划问题。2 3 我国电力市场与电源规划的关系2 3 1 电力市场定义与目的【1 0 1电力市场是采用法律、经济等手段，本着公平竞争、自愿互利的原则，对电力系统中发电、输电、供电、用户等各成员组织协调运行的管理机制和执行系统的总和。电力
34、市场具有开放性、竞争性、计划性和协调性的基本特征。电力市场的目的是在电力系统中引进竞争机制。一个充满竞争的电力市场中，参与者之间都是平等的。所以电力市场最基本的原则是公平。对于发电厂，平等的环境能够促进竞争，激励各发电厂提高生产效率，降低成本，增加活力。发电企业要想在这个环境下立于不败之地，就必须做好前期电源规划工作，系统地对电源建设进行合理的规划。62 3 2 电力市场与电源规划的关系【4 6，l l J在电力市场中，发电企业关心的问题有两个：发电计划和上网电价。其中电价是整个电力市场关注的核心，也是企业盈利的核心标准，我国电力体制改革至今，电价改革也已成为最瞩目的话题，在整个电力体制改革中
35、，电价作为重要的经济杠杆，在建立和培育电力市场，优化配置电力资源，调整各种利益关系方面具有不可替代的作用。因此，在新的市场环境下，将如何既能将发电成本降到最低限度，又能保证电力系统可靠稳定运行，使得上网电价更加具有竞争性，就对电源规划的研究工作提出了更新更高的要求，同时也把电源规划工作提到了非常重要的日程。电力市场是电力工业经营(包括运行与发展、内部与社会)管理与技术的综合体。从某种意义上来讲，电力市场的改革实际上就是电价的改革，通过电价这一杠杆，可以促使各发电厂改善经营，降低生产成本，实现良性循环。对于传统的计划经济时期，电价是由上级主管部门制定的。由于所有的发电供电部门都属于同一个主管部门
36、，所有的电力生产部门的经济收入是由主管者统一分配，就必然导致几乎所有的电力企业不注重经济效率。同时，由于长期缺电，全部靠国家投资电厂存在困难，必然需要外界资金的投入，但由于电网和发电厂同属一家，就会使外界资金存在着各种疑虑，这样就必然就阻碍了电力工业的发展。因此，“厂网分开、竞价上网”也就成为电力市场改革的必然趋势。在电力市场环境下，电网调度应担当为公正的调度员角色，而每个发电厂则成为独立的经济实体，它们都向调度中心报出自己的价格，调度员在考虑电网系统安全的情况下，选择报价最低的发电厂发电。电力市场下独立发电厂的产生，就是要求在发电单位之间开展公平竞争。独立发电厂一般不拥有供电专营区域和输电系
37、统，只负责电力生产。同时，原有的电力公司之间也要求展开竞争。此时，用户市场尚未开放，各电力公司仍拥有供电专营区域。如果某电力公司供电不足，需要增加容量或购买电能等，可以在电力公司之间进行功率交换。从而在电力生产者之问形成竞争。如果单纯从商业获利的角度出发，各个发电企业之间的竞争很有可能最终导致电源的恶性无序建设，最终不但不利于整个电力系统电源的优化配置，还会导致资源的严重浪费，阻碍电力工业的可持续发展。总之，电力市场的实施，不仅可以引入竞争机制，通过公平竞争达到提高系统运行效率，降低生产成本的目的；而且有利于促进电力设计与规划的良性循环。另外，也有利于区域经济协调与利益的公平分配，为电力用户提
38、供合理的电价与高质量的服务。2 4 市场环境下的电力系统电源规划模型2 4 1 建模的总体思路与方法2 4 1 I 概述电力系统电源规划的目的主要是根据某一区域某一时期的负荷预测的结果，在满足一定的可靠性水平条件下，寻求一种最经济实用的、可持续的电源开发方案。电力投资不但规模大、周期长、而且对建设后的电力系统安全经济运行具有决定性的影响。尤其是当前，电力规划工作面临电力市场环境的诸多不确定因素、使得规划的难度加大。市场经济条件下的基本问题是如何以最小的代价满足需求，或以同样的代价取得最大的效益。在改革的大背景下，电力工业面临打破计划经济体制下形成的发、输、配、供一体化的垄断经营模式，建立竞争、
39、开放的电力市场充分发挥市场对资源配置的作用【”】。因此，从外部看，在市场机制起决定作用的条件下，规划工作的重点就是把握市场和面向市场。即：(1)坚持以电力市场作为规划的基础：(2)把规划工作的重点从项目规划和确保供应转移到市场规划和开拓需求上来，积极引导用电市场：(3)以企业的经济效益和社会效益作为确定电力工业发展速度的依据。2 4 1 2 规划工作的新思路及其评价新准则随着我国经济的不断发展和完善，原来计划经济的思路和方法已逐渐显得过时，新形势下的规划工作必须更新观念、调整思路。首先，在电力短缺时期，规划工作是“以产定销”，根据发电能力的大小安排电力资源的分配：但当电力供需基本平衡之后，要先
40、确定市场需求，再安排电力项目的建设。这不仅是一种顺序上的变化，更是观念和方法的更新。其次，按照市场经济体制下电力系统规划工作的地位和思路，改进以前规划工作的内容和方法。现在有不少学者提出了很多新颖的方法来解决电力系统规划中的各种问题。最后，对判断规划好坏的标准进行改进(1)依靠市场法则(即价值规律)来调节和配置资源，加强规划的适应性，尽量避免规划工作的预见性和前瞻性的不足；(2 1 加强规划的创新性：(3)加强规划的未来竞争能力和可持续发展能力，增大未来竞争能力在规划评价中的权熏。2 4 1 3 规划指导思想我国地域辽阔，一次能源分布和工业分布很不均匀 7，舢。燃料基地分布大部分在北方，丰富的
41、水力资源也主要集中在西部，而大部分负荷却又在东部沿海地带。这样东西、南北要跨越1 0 0 0-2 0 0 0 k m，即使在个大区域内，输变电投资在整个电力建设投资中都将占相当的比重。很明显，在这种情况下必须按发电厂进行电源优化才能达到经济合理要求的。按照发电厂优化，便于进行区域电力电量平衡、协调省(地区)间各层次的关系，反应各方面的效益。电源规划模型和求解要考虑两个方面的因素：(1)模型的适应性。传统的电源规划模型仅以电厂固定投资与年运行费用最小为目标，而在电力市场环境下，项目具有未来不确定性和风险性，在规划中要充分考虑企业的收益和可持续发展，以全社会总成本最低和可持续发展为目标；(2)模型
42、的有效求解方法。由于电源规划问题的高离散性，非线性，高维数以及电力系统规模巨大等特点，使得常规的优化算法无法准确对本模型求解，如混合整数规划法的变量维数较高，不适用于大型的电力系统规划；动态规划法由于状态变量的维数较高，计算速度很慢，因而在大型系统中也不适用；而拉格朗日松弛变量法对其算子的选择很困难，若算子选择不当会使收敛速度减慢，甚至不收敛。而遗传算法(G A s-G e n e t i cA l g o r i t h m s)是一种基于自然界自然选择和自然遗传机制的一种随机优化方法【l”，它作为一种全局优化搜索算法，以其简单通用，强鲁棒性和隐含并行处理等优点而得到广泛应用。本文将可靠性融
43、入经济性之中，在考虑了市场环境的相关约束条件的情况下，尝试性地建立了一个兼顾计划与市场双重因素的电源规划模型。该模型采用基于G r e f e n s t e t t e 染色体编码方法的遗传算法求解，并就传统的算法做了部分创造性的改进措施，使得模型优化求解准确性、快速性得到了极大的保证。2 4 2 电力系统随机生产模拟电力系统的随机生产模拟 1,1 4 1 6】是电力系统长远发展规划和短期运行规划的关键部分，其目的是确定在规划期间各水平年间各类发电机组的经济合理开机顺序、发电方式及发电量，并在定可靠性约束下使整个系统的燃料费用最小，通过生产模拟，我们可以得到各类机组的发电量和整个系统的燃料费
44、用，停电电量(E E N S)和失负荷概率(&)及停电小时数(H L O L E)等。在长期规划研究中，生产模拟技术可用于对各种规划方案的技术经济比较，以寻求最佳发展方案，而在短期规划研究中，生产模拟技术可用来对燃料需求、资金流动等问题进行详尽的研究。随机生产模拟的基本方法：在随机失产模拟引入电力系统分析的最初阶段，等效持续负荷曲线是用离散点的函数值来描述的，对于一般规模的电力系统，为了保证计算的精确度，往往需要数以百计的离散点描述其持续负荷曲线。由于每次卷积及反卷积计算都必须重新计算这些离散点的函数值，计算量相当大。随着电力系统规模的扩大以及水电机组和分段机组的考虑，这种采用递归计算处理离散
45、点的方法使计算量急剧上升，给随机生产模拟的实际应用带来了9很大困难。为了克服上述困难，各国学者在提高随机生产模拟的速度与精度方面进行了大量研究工作，提出了不少简化算法。其中以半不变量法与等效电量函数法比较典型(1)半不变量法半不变量法即用随机分布的数字特征半不变量描述系统的持续负荷曲线和各发电机组的随机停运。这个方法使卷积和反卷积的计算简化为几个半不变量的加法和减法运算，从而减少了计算量。当已知等效持续负荷曲线的各阶半不变量时，用G r a m _ c h a r l i e r 级数或则G e w o r t h 级数展开式即可求得该曲线上各点的函数值，便可计算出我们需要的各项指标。此法由于
46、计算效率高和处理问题灵活获得了广泛的应用。(2)等效电量函数法在电力系统可靠性分析中，电量不足期望值(E E N S)这个指标也日益受到重视，因为这个指标标不仅能给出结出比L O L P 更多的内涵，而且也容易转化为停电损失费，便于进行技术经济分忻。先求出电力系统在不同负荷水平需要的电量(即形成电量函数)，并在考虑发电机组故障时直接修正各负荷水平所需的电量(即修正等效电量函数)，那末就可以非常方便地完成随机生产模拟计算这就是等效电量函数法的基本思想。等效电量函数法就是将发电机组停运影响考虑在内的电量函数，即用发电机组随机停运的影响来直接修正电量函数，直接利用电量进行卷积及反卷积运算，使计算量显
47、著下降，而且在处理给定电量的发电机组(如水电机组、抽水蓄能机组)时相对灵活。本文限于篇幅，对其原理与算法过程不作具体阐述。2 4 3目标函数及其约束条件的确定2 4 3 1 目标函数传统的电源规划模型仅以电厂固定投资与年运行费用最小为目标，而在电力市场环境下，项目具有不确定性和风险性，在规划中要考虑企业的收益和可持续发展问题，本文将可靠性融入经济性，兼顾了计划与市场的双重因素建立电源规划模型 1,1 2,1 7 2 5,3 7 ，模型的目标函数为基本投资、环境投资和保持市场竞争力投资的和，具体表达式如下：NN fNrN hN m i n=(日。X i,+匕)+D 砍G 蜀+办+)t=li=1j
48、=lf=lJ=lI=】N FN F+N h+(K，Q+功+乃(z 州+Z c。州)】-(1)l _ l乒】式中：r a i n q，目标函数；规划水平年：，待建火电机组数；虬待建水电机组数：卫，火电厂f 在第，年投产机组台数i吖资盒回收系数；口。火电厂i 在第f 年投产每台机组的固定费用现值总和；C。火电厂i 在第f 年投产每台机组的年运行费用现值总和：6，水电厂，在第r 年投产每台机组的固定费用现值总和；d。水电厂J 在第f 年投产每台机组的年运行费用现值总和；P。系统原有火电厂的燃料费用；z。存货成本(裕度容量成本)等价发电机；z 一，缺货成本(切负荷损失赔偿费用)等价发电机；第，项污染物
49、的环境价值(元k w：污染物总数；9 第，项污染物的排放量：矿减排污染物所付的成本费用(元)；状态变量，f _ 1 时，投产机组z 州：i=0 时投产机组z。硝2 4 3 2 约束条件(1)由定义可知投资决策X，Y 必须为整数且不小于零Z 0，Y 0：(2)火电厂的总装机台数不应超过最终给定的装机台数筮乙xHs Nr(i=1,2，N f)；r=1(3)火电厂每年投产机组的台数应受施工和及制造能力所容许投产台数的限制：五M n(，=1,2，f，f=1,2，)；(4)在规划年的最小技术出力约束最小技术出力约束将在随机生产模拟的典型日运行方式模型中校验，如果不满足则需要增加调峰措施，重新进行电源投资
50、决策。(5)电力市场环境下的电力平衡式中：只系统在第t 年的负荷需求(K w)；且#=D 二(1+如)D 二第t 年系统最大负荷；只|J、J可Xh 圳+n叶州，L，州既酱乙R。容量备用系数；原有机组K 在第t 年的出力或预想出力；。原有发电厂数；(6)电力市场条件下印电乒平衡(五，W j H，(”+，嘭”)=EE“第t 年系统总需求电量：叫原有发电厂第t 年的年利用小时数；R。，电量备用系数，即系统在第t 年需要新建发电厂新增的发电量应等于第t 年新增的可用电电量；f 7 1 考虑可持续发展约束Q。，其中Q f=一E，；式中：i 污染物项目；p，火电厂每单位发电量所排放的污染物的排放量。即火电