一种计及区外电能交易的低碳化电源规划方法及系统

技术领域

本发明属于电力系统电源规划技术领域，具体涉及一种计及区外电能交易的低碳化电源规划方法及系统。

背景技术

能源转型背景下，建立“清洁低碳、安全高效”的电源系统成为普遍目标。通过提高系统清洁能源比例，特别是风电、光伏的电源装机渗透率和电量渗透率，以降低整个电力生产过程中的二氧化碳排放水平，是实现电源结构低碳化的重要措施。电源规划方法为电源结构转型提供理论支撑。其根据电力系统电源及电网实际情况、负荷预测结果、电源开发潜力等因素，考虑政策及发展目标，计算未来一定时期内的新增电源的投产计划及相关指标，为能源转型与电源发展提供参考。

电源规划的基本方法是通过建立数学模型，模拟电力系统的实际情况与需求，进而求解模型以得到合理的电源投产方案。其数学模型通常以最小化系统投资、运行成本为目标，以满足负荷需求为基本要求。其问题在于，已有的电源规划方法多以方案的经济性和可靠性为出发点，未考虑电力系统电源建设的低碳化需求，其规划结果无法引导系统向低碳化的电源结构发展。此外，对于新能源资源相对匮乏的地区而言，从新能源富集地区购入新能源电量是提高本地能源清洁化率的重要举措；新能源富集地区则可以送出功率以促进消纳并获益。而已有的电源规划方法多采用固定的交易电量或交换功率曲线，并在此基础上优化系统内部电源投产方案。这种简化处理方法忽略了电力系统灵活安排购售电计划的可能性，对系统内部电源规划提出了更严苛的要求，可能导致结果的经济性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种计及区外电能交易的低碳化电源规划方法及系统，引入碳排放上限约束、新能源电量占比约束等关键约束条件，同时优化规划期内年度电源投产和购售电方案，以适应当前电力系统的低碳化建设目标。此外，引入典型日运行模拟校核以提高规划方案的合理性及可行性。

本发明采用以下技术方案：

一种计及区外电能交易的低碳化电源规划方法，包括以下步骤：

S1、获取电力系统基本技术数据、系统运行预测数据和系统电源规划数据；

S2、利用步骤S1获得的电力系统基本技术数据、系统运行预测数据和系统电源规划数据构建计及区外电能交易的低碳化电源规划模型的目标函数；

S3、分别构建计及区外电能交易的低碳化电源规划模型的模型规划阶段约束条件、模型月度生产模拟阶段约束条件和模型典型日运行模拟阶段约束条件，根据约束条件和步骤S2构建的目标函数建立计及区外电能交易的低碳化电源规划模型；

S4、采用求解器求解步骤S3构建的计及区外电能交易的低碳化电源规划模型，得到电源投产方案、购售电策略及典型日机组出力，实现低碳化电源规划。

具体的，步骤S1中，系统基本技术数据包括各电厂初始装机台数

具体的，步骤S2中，计及区外电能交易的低碳化电源规划模型的目标函数具体为：

其中，G为受端系统电厂集合；G

具体的，步骤S3中，模型规划阶段约束条件包括机组每年投产数量限制；机组装机台数上限、投建数量逻辑约束和装机充裕度约束。

进一步的，机组每年投产数量限制为：

(2)机组装机台数上限为：

(3)投建数量逻辑约束为：

(4)装机充裕度约束为：

其中，

具体的，步骤S3中，模型月度生产模拟阶段约束条件包括月度电量平衡约束、火电/风电/光伏/水电月度发电量上下限约束、储能月损耗电量约束、新能源交易电量占比约束、月度交易电量上下限约束、新能源电量占比约束和碳排放约束。

进一步的，月度电量平衡约束为：

火电/风电/光伏/水电月度发电量上下限约束为：

储能月损耗电量约束为：

新能源交易电量占比约束为：

月度交易电量上下限约束为：

新能源电量占比约束为：

碳排放约束为：

其中，E

具体的，步骤S3中，模型典型日运行模拟阶段约束条件包括火电厂机组状态变量约束、火电厂出力上下限约束、火电厂爬坡速率约束、火电厂最小开停机时间约束、水电厂出力上下限约束、水电厂日可发电量约束、风电/光伏出力上下限约束、储能电站运行状态约束、储能电站充放电上下限约束、储能电站电量约束和功率平衡约束。

进一步的，火电厂机组状态变量约束为：

其中，u

火电厂出力上下限约束为：

其中，

火电厂爬坡速率约束为：

其中，

火电厂最小开停机时间约束为：

其中，

水电厂出力上下限约束为：

其中，

水电厂日可发电量约束为：

其中，

风电/光伏出力上下限约束为：

储能电站运行状态约束为：

其中，

储能电站充放电上下限约束为：

其中，

储能电站电量约束为：

其中，

功率平衡约束为：

其中，

可调节负荷运行约束：

实时交易功率约束：

本发明的另一个技术方案是，一种计及区外电能交易的低碳化电源规划系统，包括：

数据模块，获取电力系统基本技术数据、系统运行预测数据和系统电源规划数据；

函数模块，利用数据模块获得的电力系统基本技术数据、系统运行预测数据和系统电源规划数据构建计及区外电能交易的低碳化电源规划模型的目标函数；

约束模块，分别构建计及区外电能交易的低碳化电源规划模型的模型规划阶段约束条件、模型月度生产模拟阶段约束条件和模型典型日运行模拟阶段约束条件，根据约束条件和函数模块构建的目标函数建立计及区外电能交易的低碳化电源规划模型；

计算模块，采用求解器求解约束模块构建的计及区外电能交易的低碳化电源规划模型，得到电源投产方案、购售电策略及典型日机组出力，实现低碳化电源规划。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

一种计及区外电能交易的低碳化电源规划方法，已有方法以经济性最优和供电可靠性为目标进行优化，未考虑低碳化需求，本发明采用的数学模型适应了电力系统电源结构低碳化目标，能有效提高规划方案的能源清洁化率，降低其规划期内二氧化碳排放量；已有方法基于固定的外送功率优化电源投产方案，在省间大规模电能交易的当下，忽略了购售电这一重要举措的灵活性及其对经济性的影响，可能导致规划方案的成本较高，而本发明将月度及典型日购售电作为决策之一，与电源投产协同优化，能获得更优的解；已有方法多以电力平衡校核电源方案是否能满足年度最大负荷需求，未进行实际运行模拟，在高可再生能源接入或高系统外功率交互背景下，可能会出现失负荷或弃风光的情况。本发明引入典型日运行模拟校核，提高了方案的安全可靠性；在已有规划方法基础上，本发明着重考虑电力系统能源消费结构低碳化的发展需求，从碳排放量和新能源电量占比两个角度出发，综合考虑建设系统内电源与区外电能交易两个措施。使得计算结果更符合当前电力系统建设发展需求，更具有参考性。

进一步的，步骤S1所设置数据描述了待规划电力系统的现状、规划目标与需求、电源技术经济参数及运行模拟边界，为后续电源规划方案的计算及运行模拟校验提供了基本数据。

进一步的，步骤S2所设置涵盖了规划期内电源投资与运行的所有成本项，具体包括机组投资成本、机组固定运行维护成本、月度购电成本、火电燃料成本、负荷调节成本、切负荷惩罚、弃水/弃风/弃光惩罚、典型日购电成本。该目标函数能较准确地反映规划成本，参考性强；同时引入了购售电及负荷调节及其成本，策略丰富。

进一步的，通过设置规划阶段约束条件，反映机组投产所受限制与基本要求，增强电源规划结果的合理性和可行性。

进一步的，机组年投产数量限制与装机台数上限反映了受资源水平、经济条件、环保政策等综合因素作用下，机组投产数量的上限；投建数量逻辑约束为各电厂机组数量变化的基本逻辑关系；装机充裕度为保证供电可靠性而设置，要求总的电源装机容量高于各月最大负荷，是对电源投产容量的最低要求。

进一步的，将月度购售电量/新能源电量及典型日交易功率纳入决策变量范畴，将其作为实现新能源目标及降低成本的策略之一，使得规划更符合电力系统的实际情况，一定程度上能提高规划方案的经济性。

进一步的，月度电力平衡以月为尺度校验规划方案供电可靠性，使得规划方案能够满足用电量需求；火电/风电/光伏/水电月度发电量上下限约束则反映了各电厂在资源条件等因素限制下的每月可发电量边界，使规划方案及月度发电量结果更合理可行；储能月损耗电量约束描述储能设备充放电过程造成的电量损耗；新能源交易电量占比约束模拟了电源结构及网架等因素作用下新能源电量在交易电量中所占的比例；新能源电量占比约束设置了该系统负荷电量中由新能源供应的最低比例，能促进该系统电源结果及能源消费结构清洁化、低碳化；碳排放约束限制了该系统年度最大二氧化碳排放量，能降低生产模拟结果中的二氧化碳排放量，进而影响电源的选型，使规划结果更加低碳清洁。

进一步的，引入了典型日运行模拟，来校核高可再生能源发电、高电能交易下，系统能否保证供电可靠性，并减少弃风、弃光现象发生，提高了计算结果的安全可靠性。

进一步的，火电运行约束(包括火电厂机组状态变量约束、火电厂出力上下限约束、火电厂爬坡速率约束、火电厂最小开停机时间约束)描述了火电厂运行所需满足的物理条件限制；水电运行约束(水电厂出力上下限约束、水电厂日可发电量约束)描述了水电厂运行所需满足的物理条件限制及资源情况；风电/光伏出力上下限约束描述了风电/光伏资源水平；储能电站运行约束(储能电站运行状态约束、储能电站充放电上下限约束、储能电站运行约束)描述了储能电站运行所需满足的物理条件约束。上述各类型电厂运行约束从设备物理条件及资源水平给出了运行边界，有助于较准确地计算典型日下机组的运行情况，进而提高可靠性评估及成本估算的准确性；功率平衡描述了系统正常运行需满足的基本要求，除系统内部机组出力外，购售电及可调节负荷也作为供电或调节的措施，该约束用于保障典型日下逐时刻可靠供电，对电源规划方案进行校核；可调节负荷运行约束及实时交易功率约束给出了典型日内负荷调节和实时功率交易的范围。

综上所述，本发明方法适用于低碳化背景下电力系统的电源规划方案制定，能得到更环保、安全可靠的电源规划方案，为其电源结构低碳化建设提供参考意见。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

请参阅图1，本发明一种计及区外电能交易的低碳化电源规划方法，包括以下步骤：

S1、从电力规划部门获得系统基本技术数据、系统运行预测数据、系统电源规划数据；

系统基本技术数据：各电厂初始装机台数；各类型电源发电机数据；直流线路数据；灵活负荷数据；

各电厂初始装机台数

系统运行预测数据：规划期负荷预测值、新能源出力预测值、水电机组月来水电量预测值；

规划期负荷预测值，包括月最大负荷

系统电源规划数据：新能源年度电量渗透率下限、年度碳排放上限、风电/光伏每年最小投产容量、风电/光伏/储能单位造价年下降幅度、各电厂年最大投产台数及总装机台数上限；

静态备用系数θ；新能源年度电量渗透率下限ζ

S2、构建计及区外电能交易的低碳化电源规划模型的目标函数；

目标函数为最小化规划期内投资及运行总成本，成本项具体包括：机组投资成本、机组固定运行维护成本、购售电成本、火电燃料成本、灵活负荷调节成本、切负荷罚项、新能源弃电罚项。

其中，G为受端系统电厂集合；G

S3、构建计及区外电能交易的低碳化电源规划模型的约束条件；

1)构建模型规划阶段约束条件，包括：

(1)机组每年投产数量限制：

(2)机组装机台数上限：

(3)投建数量逻辑约束：各电厂装机台数应为整数且逐年递增：

(4)装机充裕度约束：每月电源等效装机容量与交易功率之和应大于最大负荷，且留有一定备用容量以应对突发事件：

其中，

2)构建模型月度生产模拟阶段约束条件，包括：

包括：月度电量平衡约束；各类型电厂月度发电量上下限约束；月度交易电量及新能源电量上下限约束；新能源电量占比约束；碳排放约束；

(1)月度电量平衡约束：每月各电厂的发电量与购入电量之和，应能够满足本系统的用电量需求：

(2)火电/风电/光伏/水电月度发电量上下限约束：受自然资源等因素限制，火、风、光、水月度可发电量存在上限：

(3)储能月损耗电量约束：

(4)新能源交易电量占比约束：受电源、电网结构等因素限制，交易电量不可能全是新能源电量，新能源电量的占比存在上下：

(5)月度交易电量上下限约束：受直流线路运行状态及送端系统状况等因素限制，月度交易电量存在限制：

(6)新能源电量占比约束：低碳目标下，系统每月负荷电量中，应有一定比例的电量由新能源供应，该新能源电量可以来自系统内部新能源场站，也可以从区外购入：

(7)碳排放约束：

其中，E

3)构建模型典型日运行模拟阶段约束条件，包括：

电厂运行约束条件，包括：火电厂运行约束条件，水电厂运行约束条件、新能源电厂运行约束条件、储能电站运行约束条件；功率平衡约束；可调节负荷运行约束；实时交易功率约束；

安排各类型机组的出力、可调节负荷状态和交易功率，以保证典型日下各时刻功率平衡为目标。该阶段约束条件包括四个大类，即：各电厂安全稳定运行所需要满足的约束条件、系统功率平衡约束、可调节负荷正常运行约束条件、实时交易功率约束。

(1)火电厂机组状态变量约束：

其中，u

(2)火电厂出力上下限约束：

其中，

(3)火电厂爬坡速率约束：

其中，

(4)火电厂最小开停机时间约束：

其中，

(5)水电厂出力上下限约束：

其中，

(6)水电厂日可发电量约束：

其中，

(7)风电/光伏出力上下限约束：

(8)储能电站运行状态约束：

其中，

(9)储能电站充放电上下限约束：

其中，

(10)储能电站电量约束：

其中，

(11)功率平衡约束：

其中，

可调节负荷运行约束：

实时交易功率约束：

S4、采用求解器求解步骤S3构建的模型，得到电源投产方案、购售电策略及典型日机组出力，实现低碳化电源规划。

本发明再一个实施例中，提供一种计及区外电能交易的低碳化电源规划系统，该系统能够用于实现上述计及区外电能交易的低碳化电源规划方法，具体的，该计及区外电能交易的低碳化电源规划系统包括数据模块、函数模块、约束模块以及计算模块。

其中，数据模块，获取电力系统基本技术数据、系统运行预测数据和系统电源规划数据；

函数模块，利用数据模块获得的电力系统基本技术数据、系统运行预测数据和系统电源规划数据构建计及区外电能交易的低碳化电源规划模型的目标函数；

约束模块，分别构建计及区外电能交易的低碳化电源规划模型的模型规划阶段约束条件、模型月度生产模拟阶段约束条件和模型典型日运行模拟阶段约束条件，根据约束条件和函数模块构建的目标函数建立计及区外电能交易的低碳化电源规划模型；

计算模块，采用求解器求解约束模块构建的计及区外电能交易的低碳化电源规划模型，得到电源投产方案、购售电策略及典型日机组出力，实现低碳化电源规划。

本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于计及区外电能交易的低碳化电源规划方法的操作，包括：

获取电力系统基本技术数据、系统运行预测数据和系统电源规划数据；利用电力系统基本技术数据、系统运行预测数据和系统电源规划数据构建计及区外电能交易的低碳化电源规划模型的目标函数；分别构建计及区外电能交易的低碳化电源规划模型的模型规划阶段约束条件、模型月度生产模拟阶段约束条件和模型典型日运行模拟阶段约束条件，根据约束条件和目标函数建立计及区外电能交易的低碳化电源规划模型；采用求解器求解计及区外电能交易的低碳化电源规划模型，得到电源投产方案、购售电策略及典型日机组出力，实现低碳化电源规划。

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关计及区外电能交易的低碳化电源规划方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：

获取电力系统基本技术数据、系统运行预测数据和系统电源规划数据；利用电力系统基本技术数据、系统运行预测数据和系统电源规划数据构建计及区外电能交易的低碳化电源规划模型的目标函数；分别构建计及区外电能交易的低碳化电源规划模型的模型规划阶段约束条件、模型月度生产模拟阶段约束条件和模型典型日运行模拟阶段约束条件，根据约束条件和目标函数建立计及区外电能交易的低碳化电源规划模型；采用求解器求解计及区外电能交易的低碳化电源规划模型，得到电源投产方案、购售电策略及典型日机组出力，实现低碳化电源规划。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

为验证本发明所提方法的有效性，此处采用中国某省份进行分析，该系统总电源装机容量为71627MW，新能源装机容量9700MW，占比为13.5％，规划期最大负荷为94190MW。设置规划期第一年碳排放上限为1.9亿吨，且每年上升0.1亿吨，设置规划期最后一年新能源电量占比为16％。下面分别采用已有方法(不考虑低碳相关约束及电能交易优化)、低碳规划(考虑低碳约束，无电能交易优化)、本发明所提方法进行该省份电源规划方案计算，各项结果指标如下表：

可以看出，已有方法以总成本最低为目标，未考虑系统低碳化建设需求，因此所得方案的成本较低，但碳排放量大、新能源电量占比低，即所得到的规划方案是一个经济性较优但环保性差的方案；而低碳规划方案所得结果则相反，通过投产大量新能源机组以提高新能源电量占比、降低碳排放，其代价是付出较高昂的建设成本；本发明所提方法则在低碳规划方法的基础上进一步考虑了区外电能交易的选择，通过灵活安排月度购售电量与典型日购售功率，在负荷高时购入电能以减少电源投产及相应的投资成本，在负荷低时出售电能获取收益；同时购入的新能源电量，能与省内新能源机组一同供电，促进碳排放下降，达成新能源电量占比目标。

综上所述，本发明一种计及区外电能交易的低碳化电源规划方法及系统，适用于低碳化背景下电力系统的电源规划方案制定，能得到更环保、安全可靠的电源规划方案，为其电源结构低碳化建设提供参考意见。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。