CN112084640B - 一种调频市场下不同调频容量水电机组的开停机仿真模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了调频市场下不同调频容量水电机组的开停机仿真模型，以当前机组的运行状态为基础，分别与开一台机或停一台机后的多种运行工况进行对比，从而避免了求解范围过于发散的问题，假设有k台机组投入智能开停机功能，则本发明仅对k+1种工况(k台机组中的一台依序改变开停机状态的k种工况，以及所有机组均不改变开停机状态的工况)进行对比。本发明一方面可以在实际的发电运行工作中，自动对机组进行开停机操作，降低运行人员负担；另一方面则可以根据将不同的假定调频容量作为二次调频可调容量，利用模型进行仿真智能开停机运算，生成机组开停机的仿真时序状态。

Description

一种调频市场下不同调频容量水电机组的开停机仿真模型

技术领域

本发明涉及水力发电自动化技术领域，涉及一种调频市场下不同调频容量水电机组的开停机仿真模型。

背景技术

目前，绝大部分水电站的机组开停机操作均由计算机监控系统现地控制单元(LCU)的可编程逻辑控制器(PLC)通过预先设置的顺控流程在无人干预的情况自动完成。自动开停机功能大大降低了运行人员的工作负担，杜绝了人为误操作的可能性，并提高了开停机的成功率，但仍然需要运行人员手动触发启动开机流程或停机流程，于是存在以下问题：

1)通过流域集控中心或梯调中心对多个水电站进行远程集中控制日渐成为主流的水电站运行管理模式，在大规模集中控制模式下，由于次数频繁，即使是简单的开停机触发操作也对运行人员构成了一项沉重的工作负担。

2)目前总调、省调的直调大型水电站普遍采用有功功率的计划曲线控制方式，即至少提前一天将全天24小时的水电站计划总有功设定值按96点计划曲线(间隔15分钟)或288点计划曲线(间隔5分钟)的形式下发到水电站、流域集控中心或梯调中心，然后由水电站自动发电控制功能(AGC)对计划曲线进行线性填充，生成分钟级的水电站计划总有功设定值，进而在对应时刻对各水电机组的有功功率进行调节。但是AGC能否实现电站功率的有效调节依赖于发电状态机组数量与水电站计划总有功设定值的匹配性，从而经常出现运行人员因为工作疏漏没有及时开机或停机，进而导致水电站总有功设定值无法执行到位的情况。

3)多运行区水电机组的出现进一步增加了问题的复杂性，按照水电机组在额定容量范围内运行区间从低到高的划分排列，除了较为常见的振动区→建议运行区机组(常规类型机组)外，还出现了以糯扎渡、小湾等电站为代表的振动区1→限制运行区→振动区2→建议运行区机组(单建议运行区机组)；以及以苗尾电站为代表的较为少见的振动区→建议运行区1→限制运行区→建议运行区2机组(双建议运行区机组)。对于后两类具有多个运行区间的水电机组，即使发电状态机组数量能够与水电站计划总有功设定值匹配，也仍然存在寻找最优开机数量以保证最少机组处于限制运行区的问题，于是如何更恰当地对机组开停进行统筹，以尽量避免机组处于限制运行区运行，成为运行人员需要面临的一项重大挑战。

4)个别电站如糯扎渡水电站，除了满足对调度计划有功曲线的响应性约束，以及满足机组规避限制运行区运行的稳定性约束外，在部分工况下还需要保证不少于一定数量的机组处于发电状态，以此为电网的安全稳定运行提供充足的备用可调容量。以上3种约束，即响应性约束、稳定性约束、安全性约束，在不同的优先级权重下互相冲突，从而进一步增加了集控和电站运行人员统筹开停机工作的复杂性和安全风险。

5)此外为了进一步提高电网的运行稳定性，激励发电企业提供更优质的调频辅助服务，充分发挥市场在资源配置中的决定性作用，近两年来各电网广泛建立调频辅助服务市场。以南方各电网为例，目前广东电网调频市场已正式投入运行，云南等省份电网的调频市场也将在2020年投入运行。在调频市场机制下，水电站除满足水电站计划总有功设定值外，还需要根据二次调频中标量，预留充分的二次调频调节容量，且向上和向下的二次调频预留调节容量相等，从而使水电站计划总有功设定值从一个点的匹配性问题扩展为一个区间的匹配性问题，于是对发电状态机组数量安排的合理性提出了更为苛刻的要求，这一问题无疑极大增加了运行人员的工作负担。

与此同时，调频市场带来的另一个问题是，电站参与调频市场竞标时，需要按照调度以分时段为单元所公布的二次调频需求量，在一定的比例范围内(云南电网为15％～50％)对二次调频容量进行申报。由于电站二次调频可调容量在客观上受到电站可用机组数量(包括发电状态机组和备用状态机组)、计划有功设定值、发电水头、运行区动态组合等复杂条件的共同约束，因此如果电站参与调频市场竞标时，申报的二次调频容量过大，极有可能造成二次调频不可用、机组频繁穿越振动区、过多机组长时间处于限制运行区运行、频繁开停机等问题，从而对经济收益或设备安全带来严重的不利影响。

以上两个问题的共通之处在于，需要构建一种充分可靠的智能开停机模型，可以基于水电站工况和机组状态，根据二次调频预留容量，自动计算最优的开停机指令，生成机组开停机的时序状态。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种调频市场下不同调频容量水电机组的开停机仿真模型，能够综合考虑电站二次调频可调容量、开停机频次、限制运行区机组数量和运行时长等因素，可以辅助竞标决策人员对水电站参与调频市场竞标的各分时段最佳申报容量进行计算。

本发明所采用的技术方案如下：

一种调频市场下不同调频容量水电机组的开停机仿真模型，该仿真模型接收的仿真参数包括：各时间点下，投入智能开停机功能的机组、机组开停机优先级、各机组各运行区范围和计划有功设定值；

以当前投入智能开停机的所有机组的运行状态为基础，以改变一台机组的开停机状态后的运行工况作为一种开停机策略；

根据有功计划曲线按照固定间隔生成计划有功设定值，构建表示未来一段时间的水电站计划总有功设定值的向量P_set’，每当仿真模块执行完一个仿真计算周期，就将仿真时间向前推进一个有功计划值变化的最小时间间隔；

构建与其对应的表示未来某时刻的二次调频预留容量的向量P_f，在对指定时间区间，以该仿真时间区间最后一个分时段的调频容量作为该仿真时间区间之后的调频容量；若仿真时间区间为整个投标时段或最后一个分时段，则以该仿真时间区间最后一个时间点的仿真参数作为该仿真时间区间之后的仿真参数；

构建表示未来某时刻的有功功率调节范围的下限值和上限值的矩阵P_set；考虑不同数量机组处于限制运行区时，分别对应的联合运行区域

其中

表示当前模式下有i台机组处于限制运行区所对应的联合运行区域，

表示j号机组改变开停机状态的开停机策略并执行后有i台机组处于限制运行区所对应的联合运行区域；

在此基础上构建2行、n+1列的开停机矩阵模型S^j，对各分时段内对各假定调频容量下、整个投标时段内对最佳拟申报调频容量下各可用机组的开停机状态进行仿真或仿真校验：

矩阵S^j的第1行各元素是不同时刻下水电站有功功率调节范围与该模式下发电状态机组数量的匹配度参数，其值越大则匹配性越差；j为改变开停机状态的机组，当j＝0时，S^j是当前模式下的矩阵模型；

矩阵S^j的第2行各元素是不同时刻下为了满足水电站有功功率调节范围，该模式最少必须处于限制运行区机组的加权数量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的调频市场下不同调频容量水电机组的开停机仿真模型，以当前机组的运行状态为基础，分别与开一台机或停一台机后的多种运行工况进行对比，从而避免了求解范围过于发散的问题，假设有k台机组投入智能开停机功能，则本发明仅对k+1种工况(k台机组中的一台依序改变开停机状态的k种工况，以及所有机组均不改变开停机状态的工况)进行对比，而不是对2^k种工况(k台机组分别处于发电状态和非发电状态的不同组合)进行对比。

本发明可以仿真的方式得出每个假定调频容量所可能导致的各机组开停机状态的时序变化结果，从而使每个假定调频容量可以被判断可行性和量化优劣性，并可以被互相比较，于是收敛了原本极为发散的决策过程。采用本发明提供的仿真模型，可以首先确定各分时段最佳拟申报调频容量，然后在整个投标时段内对最佳拟申报调频容量进行校验，并根据校验结果进行修正的方式，通过这种方式可以规避对不同分时段的各种假定调频容量的海量组合方式进行比较的工作，从而大幅降低了程序的计算量。

利用本发明的仿真模型，一方面可以在实际的发电运行工作中，自动对机组进行开停机操作，降低运行人员负担；另一方面则可以根据将不同的假定调频容量作为二次调频可调容量，利用模型进行仿真智能开停机运算，生成机组开停机的仿真时序状态，并以此为基础对各种假定调频容量是否能够得到满足、是否会导致机组频繁开停机、是否会导致机组长时间处于限制运行区等问题进行分析，并进而辅助竞标决策人员选择可行且最优的二次调频容量进行申报。本发明的仿真模型考虑到了水电站设备工况、水电站计划有功设定值、水头预测范围、调度公布二次调频需求量等条件，综合考虑电站二次调频可调容量、开停机频次、限制运行区机组数量和运行时长等因素，可以辅助竞标决策人员对水电站参与调频市场竞标的各分时段最佳申报容量进行辅助计算，以兼顾经济收益和设备安全的双重需求。

附图说明

图1为本发明的仿真模型的逻辑流程示意图；

图2为本发明m＜β⁰时的智能开停机运算流程图；

图3为本发明1≤β⁰≤m时的智能开停机运算流程图；

图4为本发明的仿真模型参与辅助决策的流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，一种调频市场下不同调频容量水电机组的开停机仿真模型，该仿真模型接收的仿真参数包括：各时间点下，投入智能开停机功能的机组、机组开停机优先级、各机组各运行区范围和计划有功设定值；

以当前投入智能开停机的所有机组的运行状态为基础，以改变一台机组的开停机状态后的运行工况作为一种开停机策略；

根据有功计划曲线按照固定间隔生成计划有功设定值，构建表示未来一段时间的水电站计划总有功设定值的向量P_set’，每当仿真模块执行完一个仿真计算周期，就将仿真时间向前推进一个有功计划值变化的最小时间间隔；

构建与其对应的表示未来某时刻的二次调频预留容量的向量P_f，在对指定时间区间，以该仿真时间区间最后一个分时段的调频容量作为该仿真时间区间之后的调频容量；若仿真时间区间为整个投标时段或最后一个分时段，则以该仿真时间区间最后一个时间点的仿真参数作为该仿真时间区间之后的仿真参数；

构建表示未来某时刻的有功功率调节范围的下限值和上限值的矩阵P_set；考虑不同数量机组处于限制运行区时，分别对应的联合运行区域

其中

表示当前模式下有i台机组处于限制运行区所对应的联合运行区域，

表示j号机组改变开停机状态的开停机策略并执行后有i台机组处于限制运行区所对应的联合运行区域；

在此基础上构建2行、n+1列的开停机矩阵模型S^j，对各分时段内对各假定调频容量下、整个投标时段内对最佳拟申报调频容量下各可用机组的开停机状态进行仿真或仿真校验：

矩阵S^j的第1行各元素是不同时刻下水电站有功功率调节范围与该模式下发电状态机组数量的匹配度参数，其值越大则匹配性越差；j为改变开停机状态的机组，当j＝0时，S^j是当前模式下的矩阵模型；

矩阵S^j的第2行各元素是不同时刻下为了满足水电站有功功率调节范围，该模式最少必须处于限制运行区机组的加权数量。

该矩阵模型的元素运算为：

对矩阵模型S^j的第1行元素值进行判断，从所有不等于0的元素中找出列下标最小的元素，并将该元素的列下标赋值给β^j，若S^j的第1行的所有元素均为0，则β^j＝n+2；

当j＝0时，参数β⁰衡量了需要通过开机或停机改变当前机组运行模式，以满足有功计划曲线和二次调频预留容量的紧迫程度；否则，参数β^j衡量了不同开停机策略下，发电状态机组数量与有功计划曲线和二次调频预留容量的匹配度；对得到的β^j进行排序，得到最大值β^max；

设置t₂为开停机紧迫程度的判断阈值时间，并对参数m作进行计算，m＝t₂/t，t₂远小于t₁；根据β⁰与m的比较结果，以满足有功计划曲线和二次调频预留容量的紧迫程度的不同，进入相应的紧迫或不紧迫的运算流程；

若紧迫时，则判断改变投入智能开停机机组的开停机状态是否能够更好匹配未来有功计划曲线和二次调频预留容量；若不紧迫时则判断改变投入智能开停机机组的开停机状态是否明显更好匹配未来有功计划曲线和二次调频预留容量，或有利于减少限制运行区运行的机组数量；

综合考虑不同开停机策略与未来有功计划曲线和二次调频预留容量的匹配程度，以及不同开停机策略下最少处于限制运行区机组的加权数量，结合投入智能开停机机组的开停机优先级，锁定需要改变开停机状态的机组。

下面详细给出模型参数的输入、建立和运算。

S1)仿真模块的仿真参数的输入

仿真模型综合考虑了有功计划曲线、二次调频预留容量、限制运行区域、机组开停机优先级等各项因素，在水电站的最优发电状态机组数量的基础上，自动生成开停机指令；仿真模块的仿真参数包括：各时间点下，投入智能开停机功能的机组、机组开停机优先级、各机组各运行区范围、计划有功设定值；具体的参数输入为：

10)根据有功计划曲线按照固生成计划有功设定值的时间间隔，假设为1分钟，每当仿真模块每完成一个周期的计算，仿真时间就向前推进1分钟；

20)仿真模块对一指定时间区间内的开停机状态进行仿真时，需要使用该时间区间后的调频容量，因此以该仿真时间区间最后一个分时段的调频容量作为该仿真时间区间之后的调频容量，例如仿真模块对1:00～1:59在调频容量100MW下的开停机状态进行仿真，则在仿真过程中假定2:00～2:59的调频容量也是100MW，该假定不影响仿真模块对2:00～2:59的仿真结果，而当仿真模块对0:00～23:59进行仿真时，如果23:00～23:59的仿真调频容量为150MW，则认为投标时段之后的调频容量也为150MW；

30)仿真模块对一指定时间区间内的开停机状态进行仿真时，需要使用该时间区间后的仿真参数，因此如果仿真时间区间为整个投标时段或最后一个分时段，则以该仿真时间区间最后一个时间点的仿真参数作为该仿真时间区间之后的仿真参数，以计划有功设定值为例，假如参与仿真的分时段为1:00～1:59，则在仿真过程中需要用到2:00～2:59的计划有功设定值时，就直接调2:00～2:59的计划有功设定值，但若参与仿真的是0:00～23:59，或23:00～23:59，则认为仿真时段之后的计划有功设定值均为23:59的计划有功设定值；

40)仿真模块默认所有状态设置为可用的机组均投入智能开停机功能；

50)仿真模块对一指定时间区间内的开停机状态进行仿真，依赖于各机组在该时间区间的起始开停机状态，因此需要根据该时间区间第一个时间点的仿真参数和调频容量

60)仿真模块默认所有的智能开停机指令均得到执行，并使相应机组的开停机状态在智能开停机指令执行的T₁时间间隔后发生改变，本实施方式中假设T₁为5分钟，则以1:00～1:59为例，1:00时默认起始开停机状态为1号机组停机且2号机组开机，整个分时段内共得到两次智能开停机指令，分别为1:20对1号机组执行开机指令，1:56对2号机组执行停机指令，则在1:00～1:59内1、2号机组的仿真开停机状态分别为，1)1:00～1:24，1号机组停机且2号机组开机；2)1:25～1:59，1号机组开机且2号机组开机。

70)仿真模块默认所有机组的开停机优先级按机组序号由小到大排列，实际上给出的任何开停机优先级默认排序均不影响仿真结果。

S2)对各机组在该时间区间的默认起始开停机状态进行计算，包括以下步骤：

51)假设有n台机组状态可用，即有n台机组投入智能开停机功能，则每台机组有开机和停机2种状态，于是共有2ⁿ种开停机组合状态，假设1、2号机组投入智能开停机功能，则分别有1号机组开机且2号机组开机，1号机组停机且2号机组开机，1号机组开机且2号机组停机，1号机组停机且2号机组停机共4种组合状态；

52)2ⁿ种开停机组合状态下，对于假定处于开机状态的机组，依赖于各运行区的范围以及各机组处于运行区的不同，将所有机组的调节范围组合后，会形成由一段连续区间或多段连续区间构成的有功功率可调范围，假设1号机的限制运行区为140～230MW，建议运行区为460～650MW，2号机的限制运行区为140～280MW，建议运行区为430～650MW，则与S1451各开停机组合状态对应的有功功率可调范围如下表所示：

53)从2ⁿ种开停机组合状态中筛选出第一个时间点的计划有功设定值包含于有功功率可调范围的开停机组合状态，共m₁种，假设分时段为1:00～1:59，而1:00的计划有功设定值为500MW，则筛选出3种开停机组合状态，即1号机开机且2号机开机，1号机组停机且2号机组开机，1号机组开机且2号机组停机；

54)对m₁种开停机组合状态，用第一个时间点的电站计划有功设定值减去包含该设定值的有功功率可调范围的某段连续区间的上限、下限，两个结果的绝对值中最小的那个绝对值，即为该开停机组合状态的二次调频可调容量，则1号机开机且2号机开机的二次调频可调容量为10MW(510MW减500MW)，1号机组停机且2号机组开机时的二次调频可调容量为70MW(500MW减430MW)，1号机组开机且2号机组停机时的二次调频可调容量为40MW(500MW减460MW)；

55)使用调度公布的二次调频需求容量乘以允许申报的最大比例，即为最大可申报调频容量，假设调度公布的二次调频需求容量为200MW，则最大可申报调频容量为200MW乘以50％，为100MW；

56)将S2254得出的m₁种开停机组合状态下的二次调频可调容量与S2255的最大可申报容量进行比较；

57)如果m₁种开停机组合状态的二次调频可调容量均小于最大可申报容量，则从中选择二次调频可调容量最大的开停机组合状态，或从二次调频可调容量均为最大的开停机组合状态中随机选择一种，作为各机组在该时间区间的默认起始开停机状态，由于1号机开机且2号机开机的二次调频可调容量为10MW，1号机组停机且2号机组开机时的二次调频可调容量为70MW，1号机组开机且2号机组停机时的二次调频可调容量为40MW，均小于最大可申报调频容量，于是筛选出二次调频可调容量最大的1号机组停机且2号机组开机的开停机组合状态作为1:00的默认起始开停机状态；

58)如果不是所有m₁种开停机组合状态的二次调频可调容量均小于最大可申报容量，则从m₁种开停机组合状态中筛选出二次调频可调容量大于等于最大可申报容量的m₂种开停机组合状态中；

59)从m₂种开停机组合状态中选择开机数量最少的开停机组合状态，或从开机数量均为最少的开停机组合状态中随机选择一种，作为各机组在该时间区间的默认起始开停机状态。

仿真模型的建立包括：

S3)构建向量P_set’：

S3100)确定智能开停机功能的预判时间t₁，建议设置为60分钟左右，如果t₁设置过长则不但会增加运算周期，还会无谓增加逻辑的复杂性，如果t₁设置过短则会削弱智能开停机运算功能的预判作用，t₁为智能开停机功能可调参数；

S3200)根据智能开停机功能的预判时间t₁，以及水电站计划总有功设定值的时间间隔t，确定参与智能开停机运算的数据点数量n，n＝t₁/t；

S3300)根据水电站未来一段时间t₁内n个计划总有功设定值，以及电站当前的总有功设定值，构建向量

式中

为当前已生效的水电站计划总有功设定值，也就是当前的电站总有功设定值，

为未来时刻最近的水电站计划总有功设定值，并以此类推；

S3400)根据水电站未来一段时间t₁内的二次调频预留容量，构建向量

式中

为

对应时刻的二次调频预留容量；

S3500)根据S3300和S3400结果，构建n+1行2列矩阵

其中

分别为

对应时刻有功功率调节范围的下限值和上限值，

式中的α为预设常量，通常不大于1MW，设置α是为了保证无论二次调频是否中标(即是否为0)，水电站有功功率调节范围均能保持为一个区间范围，从而实现后续运算步骤的统一性。

S4)联合运行区域

的确定：

所述的开停机策略及机组的运行设定为：

S4100)计算当前模式下，不同数量机组处于限制运行区时，所分别对应的联合运行区域，包括：

S4110)列出当前所有发电状态机组处于不同运行区的组合方式，组合方式的数量是所有发电状态机组运行区数量的连乘乘积；

S4120)计算与S4110列出各组合方式分别对应的组合运行区间，组合运行区间的计算方式为，组合运行区间下限为该组合方式下各发电状态机组所处运行区的下限之和，组合运行区间上限为该组合方式下各发电状态机组所处运行区间的上限之和；

S4130)计算与S4110列出各组合方式分别对应的，每种组合方式下处于限制运行区的机组数量；

S4140)对S4130所得处于限制运行区的机组数量相同的组合方式进行归并，并对参与归并的S4120所得的各组合运行区间求并集，就得到不同数量机组处于限制运行区时，所分别对应的联合运行区域

其中i为处于限制运行区的机组数量，

表示当前模式下有i台机组处于限制运行区时的联合运行区域。

S4200)计算不同开停机策略下，不同数量机组处于限制运行区时，所分别对应的联合运行区域，包括：

S4210)分别假设各投入智能开停机运算的机组改变开停机状态，除了该台改变开停机状态的机组外，其它机组的状态均与当前实际运行状态一致；

S4220)若S4210假设改变开停机状态的机组是发电状态机组，则列出除该机组之外当前所有发电状态机组处于不同运行区的组合方式，组合方式的数量是上述机组运行区数量的连乘乘积；

S4230)若4210假设改变开停机状态的机组是非发电状态机组，则列出当前所有发电状态机组增加该机组之后，所有机组处于不同运行区的组合方式，组合方式的数量是上述机组运行区数量的连乘乘积；

S4240)计算与S4220或S4230列出各组合方式分别对应的组合运行区间，组合运行区间的计算方式为，组合运行区间下限为该组合方式下各机组所处运行区的下限之和，组合运行区间上限为该组合方式下各机组所处运行区间的上限之和；

S4250)计算与S4220或S4230列出各组合方式分别对应的，每种组合方式下处于限制运行区的机组数量；

S4260)对S4250所得处于限制运行区的机组数量相同的组合方式进行归并，并对参与归并的S4240所得的各组合运行区间求并集，就得到不同数量机组处于限制运行区时，所分别对应的联合运行区域

(j为正整数)，其中j为S4210所假设的改变开停机状态的机组序号，i为处于限制运行区的机组数量，

表示j号机组改变开停机状态后有i台机组处于限制运行区时的联合运行区域。

S4300)对S4140、S4260所得各联合运行区域

(j扩展为自然数)所包含的各区间(不排除一个联合运行区域包含多于一个连续区间的可能性)进行范围扩展，将各区间的上限均加上α，将各区间下限均减去α，以适应S3500步骤在二次调频未中标情况下对有功功率调节范围所进行的修正。

S5)矩阵模型S^j的建立：

S5100)针对当前模式和不同开停机策略，建立2行n+1列矩阵S^j，当j＝0时，S^j是当前模式下的矩阵模型，否则，S^j是不同开停机策略下的矩阵模型，其中j为S4210所假设的改变开停机状态的机组序号；

S5200)矩阵S^j的第1行各元素是不同时刻下水电站有功功率调节范围与该模式下发电状态机组数量的匹配度参数，以

为例，计算步骤如下：

S5210)建立变量x₁、x₂、x₃；

S5220)求有功功率调节范围

未包含在S4300扩展后各联合运行区域内的区域

并计算该区域的覆盖范围x₁；

S5230)计算x₂，

S5240)计算x₃，若0≤x₂<1，则x₃＝0；否则，分别计算

与

各联合区域所包含的各区间边界值的差值绝对值，并从中取最小的差值绝对值赋值给x₃；

S5250)

越大则匹配性越差；

S5300)矩阵S^j的第2行各元素是不同时刻下为满足水电站有功功率调节范围，该模式最少必须处于限制运行区机组的加权数量，以

为例，计算步骤如下：

S5310)如果

则

否则，继续进行计算；

S5320)建立变量y₀、y₁、y₂……y_r……，r表示有r台机组处于限制运行区；

S5330)求有功功率调节范围

与S4300扩展后有0台机组处于限制运行区时的联合运行区域的交集

并计算该交集的覆盖范围y₀；

S5340)若有功功率调节范围

扣除S4300扩展后有0台机组处于限制运行区时的联合运行区域后的集合不为空集，则继续求该不为空集的集合与S4300扩展后有1台机组处于限制运行区时的联合运行区域的交集

并计算该交集的覆盖范围y₁；

S5350)继续以上过程，直至有功功率调节范围

被扣除完毕，得到不同数量机组处于限制运行区时各交集的覆盖范围y_r；

S5360)

矩阵模型S^j的运行为：

S6100)对矩阵模型S^j的第1行元素值进行判断，从所有不等于0的元素中找出列下标最小的元素，并将该元素的列下标赋值给β^j，若S^j的第1行的所有元素均为0，则β^j＝n+2；当j＝0时，参数β^j衡量了需要通过开机或停机改变当前机组运行模式，以满足有功计划曲线和二次调频预留容量的紧迫程度；否则，参数β^j衡量了不同开停机策略下，发电状态机组数量与有功计划曲线和二次调频预留容量的匹配度。

S6200)对S6100计算得到的β^j进行排序，得到最大值β^max；

S6300)根据S6100所得β⁰的不同，即需要通过开机或停机改变当前机组运行模式，以满足有功计划曲线和二次调频预留容量的紧迫程度的不同，进入不同的智能开停机运算流程，并设置t₂为开停机紧迫程度的判断阈值时间，并设参数m，m＝t₂/t，t₂为智能开停机功能可调参数，t₂必须远小于t₁，建议设置为10分钟左右；

S6400)参见图3，当1≤β⁰≤m时，智能开停机运算步骤为：

S6410)若β⁰＝β^max，且除β⁰外的其它β^j≠β^max，则智能开停机运算结束，运算结果为0；

S6420)若β⁰≠β^max，且有唯一的β^j＝β^max，则智能开停机运算结束，运算结果为与β^max相等的β^j的上标号；

S6430)若β⁰≠β^max，且有多个β^j＝β^max，则进行如下运算：

S6431)对所有与β^max相等的β^j所对应的矩阵模型S^j的列下标小于β^max的第2行元素的数值进行累加，得到

S6432)对S6431计算得到的u^j进行排序，得到最小值u^min；

S6433)智能开停机运算结束，运算结果为所有同时满足β^j＝β^max以及u^j＝u^min的矩阵模型S^j的上标号；

S6440)若β⁰＝β^max，且有多个β^j＝β^max，则进行如下运算：

S6441)对所有与β^max相等的β^j所对应的矩阵模型S^j的列下标等于β^max的第1行元素

进行排序，得到最小值

S6442)若

则智能开停机运算结束，运算结果为0；

S6443)若

则智能开停机运算结束，运算结果为所有同时满足β^j＝β^max以及

的矩阵模型S^j的上标号。

S6500)参见图2，当m＜β⁰时，智能开停机运算步骤为：

S6510)若β⁰＝β^max，且除β⁰外的其它β^j≠β^max，则智能开停机运算结束，运算结果为0；

S6520)若有除β⁰外的其它β^j＝β^max，则进行如下运算：

S6521)对所有与β^max相等的β^j所对应的矩阵模型S^j，以及当前模式下矩阵模型S⁰的列下标小于β⁰的第2行元素的数值进行累加，得到

S6522)对S6521计算得到的除v⁰之外的其它v^j进行排序，得到最小值v^min；

S6523)若v⁰－v^min＜0，则智能开停机运算结束，运算结果为0；

S6524)若0≤v⁰－v^min＜δ，且β^max－β⁰≤3×m，则智能开停机运算结束，运算结果为0，其中δ＝t₃/t，t₃为智能开停机功能可调参数，与处于限制运行区运行对机组的损害程度呈反相关性，t₃必须介于t₁和t₂之间，建议设置为30分钟左右；

S6525)若v⁰－v^min≥0，且3×m＜β^max－β⁰，则智能开停机运算结束，运算结果为所有同时满足β^j＝β^max以及v^j＝v^min的矩阵模型S^j的上标号；

S6526)若v⁰－v^min≥δ，则智能开停机运算结束，运算结果为所有同时满足β^j＝β^max以及v^j＝v^min的矩阵模型S^j的上标号。

下面给出本发明的开停机仿真模型参与调频市场竞标最佳申报容量的辅助决策的实施例，包括对各分时段内对各假定调频容量下、整个投标时段内对最佳拟申报调频容量下各可用机组的开停机状态进行仿真或仿真校验。

本实施方式中假设水电站参与调频市场的投标分时段长度为1小时，即在投标过程中需要对次日0:00～0:59、1:00～1:59…23:00～23:59共24个分时段，每个分时段长度为1小时的调频容量进行申报；电站参与竞标最大申报容量为调度公布需求的50％，最小申报容量为调度公布需求的15％；电站参与竞标的申报容量的最小变化幅度为10MW。

仿真模块根据调用指令，在各分时段内对各假定调频容量下各可用机组的开停机状态进行仿真，或在整个投标时段内对最佳拟申报调频容量下各可用机组的开停机状态进行仿真。

S7)仿真模块在各分时段内，对不同假定调频容量下，各可用机组的开停机状态进行仿真，包括：

S7310)将该分时段以及该分时段之后的一个分时段的仿真参数输入仿真模块，如果该分时段为投标时段内的最后一个分时段，则参照S2230执行；

S7320)将该分时段的最大可申报容量作为假定调频容量输入仿真模块，并启动仿真；S7330)仿真模块按照S7250步骤，计算出各机组在该时段起始的默认开停机状态；

S7340)仿真模块计算该分时段内的智能开停机指令，并按照S7260在每次得到智能开停机指令的T₁时间间隔后，使相应机组的开停机状态发生改变；

S7350)仿真模块将假定调频容量，以及对应的分时段内的各机组的仿真开停机状态输出；

S7360)将假定调频容量减去二次调频申报容量的最小变化幅度δ得到新的假定调频容量：

S7361)如果新的假定调频容量小于最小可申报容量，则该分时段内各可用机组开停机状态仿真完毕；

S7362)如果新的假定调频容量大于等于最小可申报容量，则以该新的假定调频容量作为输入量，并重新启动仿真，执行S7330之后的步骤。

根据S7360，对于分时段最大可申报容量为50MW，最小可申报调频容量为15MW时，仿真模块分别对于假定调频容量为50MW、40MW、30MW、20MW的情况进行仿真，并返回4组对应不同假定调频容量的分时段内各机组的仿真开停机状态。

通过对各分时段内各假定调频容量下的仿真结果进行分析，排除各分时段内的不可行假定调频容量，筛选出各分时段内的可行假定调频容量

S8)仿真模块在整个投标时段内，对最佳拟申报调频容量下各可用机组的开停机状态进行仿真：

S8100)将整个投标时段内的仿真参数输入仿真模块；

S8200)主将所有分时段的最佳拟申报调频容量输入仿真模块；

S8300)仿真模型按照S50步骤，计算出各机组在投标时段起始的默认开停机状态；

S8400)仿真模型计算整个投标时段内的智能开停机指令，并按照S60在每次得到智能开停机指令的T₁时间间隔后，使相应机组的开停机状态发生改变；

S5400)仿真模型将整个投标时段内各机组的仿真开停机状态输出。

再由竞标人员对整个投标时段内最佳拟申报调频容量的仿真结果进行分析，确认最佳拟申报调频容量的是否可行并修正。

假设需要对最佳拟申报调频容量进行修正的分时段有2个，分别为2:00～2:59(分时段内最佳拟申报调频容量200MW)、3:00～3:59(分时段内最佳拟申报调频容量150MW)，得到以下修正最佳拟申报调频容量。

利用本发明的仿真模型，一方面可以在实际的发电运行工作中，自动对机组进行开停机操作，降低运行人员负担；另一方面则可以根据将不同的假定调频容量作为二次调频可调容量，利用模型进行仿真智能开停机运算，生成机组开停机的仿真时序状态，并以此为基础对各种假定调频容量是否能够得到满足、是否会导致机组频繁开停机、是否会导致机组长时间处于限制运行区等问题进行分析，并进而辅助竞标决策人员选择可行且最优的二次调频容量进行申报。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种调频市场下不同调频容量水电机组的开停机仿真模型，其特征在于，该仿真模型接收的仿真参数包括：各时间点下，投入智能开停机功能的机组、机组开停机优先级、各机组各运行区范围和计划有功设定值；

以当前投入智能开停机的所有机组的运行状态为基础，以改变一台机组的开停机状态后的运行工况作为一种开停机策略；

根据有功计划曲线按照固定间隔生成计划有功设定值，构建表示未来一段时间的水电站计划总有功设定值的向量P_set’，每当仿真模块执行完一个仿真计算周期，就将仿真时间向前推进一个有功计划值变化的最小时间间隔；

构建与其对应的表示未来某时刻的二次调频预留容量的向量P_f，在对指定时间区间，以该仿真时间区间最后一个分时段的调频容量作为该仿真时间区间之后的调频容量；若仿真时间区间为整个投标时段或最后一个分时段，则以该仿真时间区间最后一个时间点的仿真参数作为该仿真时间区间之后的仿真参数；

构建表示未来某时刻的有功功率调节范围的下限值和上限值的矩阵P_set；考虑不同数量机组处于限制运行区时，分别对应的联合运行区域F_i ⁰、F_i ^j；其中F_i ⁰表示当前模式下有i台机组处于限制运行区所对应的联合运行区域，F_i ^j表示j号机组改变开停机状态的开停机策略并执行后有i台机组处于限制运行区所对应的联合运行区域；

在此基础上构建2行、n+1列的开停机矩阵模型S^j，对各分时段内对各假定调频容量下、整个投标时段内对最佳拟申报调频容量下各可用机组的开停机状态进行仿真或仿真校验：

矩阵S^j的第1行各元素是不同时刻下水电站有功功率调节范围与该模式下发电状态机组数量的匹配度参数，其值越大则匹配性越差；j为改变开停机状态的机组，当j＝0时，S^j是当前模式下的矩阵模型；

矩阵S^j的第2行各元素是不同时刻下为了满足水电站有功功率调节范围，该模式最少必须处于限制运行区机组的加权数量。

2.如权利要求1所述的调频市场下不同调频容量水电机组的开停机仿真模型，其特征在于，所述矩阵模型S^j的元素运算为：

对矩阵模型S^j的第1行元素值进行判断，从所有不等于0的元素中找出列下标最小的元素，并将该元素的列下标赋值给β^j，若S^j的第1行的所有元素均为0，则β^j＝n+2；

当j＝0时，参数β⁰衡量了需要通过开机或停机改变当前机组运行模式，以满足有功计划曲线和二次调频预留容量的紧迫程度；否则，参数β^j衡量了不同开停机策略下，发电状态机组数量与有功计划曲线和二次调频预留容量的匹配度；对得到的β^j进行排序，得到最大值β^max；

设置t₂为开停机紧迫程度的判断阈值时间，并设参数m，m＝t₂/t，t₂远小于t₁；根据β⁰与m的比较结果，以满足有功计划曲线和二次调频预留容量的紧迫程度的不同，进入相应的紧迫或不紧迫的运算流程；

若紧迫时，则判断改变投入智能开停机机组的开停机状态是否能够更好匹配未来有功计划曲线和二次调频预留容量；若不紧迫时则判断改变投入智能开停机机组的开停机状态是否明显更好匹配未来有功计划曲线和二次调频预留容量，或有利于减少限制运行区运行的机组数量；

综合考虑不同开停机策略与未来有功计划曲线和二次调频预留容量的匹配程度，以及不同开停机策略下最少处于限制运行区机组的加权数量，结合投入智能开停机机组的开停机优先级，锁定需要改变开停机状态的机组。

3.如权利要求1或2所述的调频市场下不同调频容量水电机组的开停机仿真模型，其特征在于，所述的向量

式中

为当前的电站总有功设定值，

为未来时刻最近的水电站计划总有功设定值；

向量

式中

为

对应时刻的二次调频预留容量；

矩阵

其中

分别为

对应时刻有功功率调节范围的下限值和上限值，

α为预设常量。

4.如权利要求1或2所述的调频市场下不同调频容量水电机组的开停机仿真模型，其特征在于，所述联合运行区域F_i ⁰、F_i ^j的确定为：

S100)计算当前模式下，不同数量机组处于限制运行区时，所分别对应的联合运行区域：S110)列出当前所有发电状态机组处于不同运行区的组合方式，组合方式的数量是所有发电状态机组运行区数量的连乘乘积；S120)计算出各组合方式分别对应的组合运行区间：组合运行区间下限为该组合方式下各发电状态机组所处运行区的下限之和，组合运行区间上限为该组合方式下各发电状态机组所处运行区间的上限之和；S130)计算每种组合方式下处于限制运行区的机组数量；S140)对S130所得处于限制运行区的机组数量相同的组合方式进行归并，并对参与归并的S120所得的各组合运行区间求并集，得到不同数量机组处于限制运行区时，所分别对应的联合运行区域

F₁ ⁰、

……F_i ⁰……，其中i为处于限制运行区的机组数量，F_i ⁰表示当前模式下有i台机组处于限制运行区时的联合运行区域；

S200)计算不同开停机策略下，不同数量机组处于限制运行区时，所分别对应的联合运行区域：

S210)分别假设各投入智能开停机运算的机组改变开停机状态，除了该台改变开停机状态的机组外，其它机组的状态均与当前实际运行状态一致；

S220)若假设改变开停机状态的机组是发电状态机组，则列出除该机组之外当前所有发电状态机组处于不同运行区的组合方式，组合方式的数量是上述机组运行区数量的连乘乘积；

S230)若假设改变开停机状态的机组是非发电状态机组，则列出当前所有发电状态机组增加该机组之后，所有机组处于不同运行区的组合方式，组合方式的数量是上述机组运行区数量的连乘乘积；

S240)计算S220或S230所列出各组合方式分别对应的组合运行区间：组合运行区间下限为该组合方式下各机组所处运行区的下限之和，组合运行区间上限为该组合方式下各机组所处运行区间的上限之和；

S250)计算与S220或S230列出各组合方式分别对应的，每种组合方式下处于限制运行区的机组数量；

S260)对S250所得处于限制运行区的机组数量相同的组合方式进行归并，并对参与归并的S240所得的各组合运行区间求并集，得到不同数量机组处于限制运行区时，所分别对应的联合运行区域

F₁ ^j、

……F_i ^j……，j为正整数，其中j为假设的改变开停机状态的机组序号，i为处于限制运行区的机组数量，F_i ^j表示j号机组改变开停机状态后有i台机组处于限制运行区时的联合运行区域；

S300)对S140、S260所得各联合运行区域

F₁ ^j、

……F_i ^j……所包含的各区间进行范围扩展，将各区间的上限均加上α，将各区间下限均减去α，α为预设常量。

5.如权利要求1所述的调频市场下不同调频容量水电机组的开停机仿真模型，其特征在于，所述仿真参数的设置或判断为：

仿真模块默认所有状态设置为可用的机组均投入智能开停机；

仿真模块默认所有的智能开停机指令均得到执行，并使相应机组的开停机状态在智能开停机指令执行的T₁时间间隔后发生改变，T₁为参考机组实际开停机所需要的平均时间所设置的时间参数；

仿真模块默认所有机组的开停机优先级按机组序号由小到大排列；

仿真模块在对一指定时间区间内的开停机状态进行仿真时，根据该时间区间第一个时间点的仿真参数和调频容量，对各机组在该时间区间的默认起始开停机状态按以下方式进行判断：

S2251)假设有n台机组状态可用，即有n台机组投入智能开停机功能，则每台机组有开机和停机2种状态，共有2ⁿ种开停机组合状态；

S2252)2ⁿ种开停机组合状态下，对于假定处于开机状态的机组，将所有机组的调节范围组合后，形成由一段连续区间或多段连续区间构成的有功功率可调范围；

S2253)从2ⁿ种开停机组合状态中，筛选出第一个时间点的计划有功设定值包含于有功功率可调范围的开停机组合状态，共m₁种；

S2254)对m₁种开停机组合状态，用第一个时间点的电站计划有功设定值减去包含该设定值的有功功率可调范围的某段连续区间的上限、下限，以两个结果的绝对值中最小的为该开停机组合状态的二次调频可调容量；

S2255)使用调度公布的二次调频需求容量乘以允许申报的最大比例，为最大可申报调频容量；

S2256)将S2254)得出的m₁种开停机组合状态下的二次调频可调容量与S2255)的最大可申报容量进行比较；

S2257)如果m₁种开停机组合状态的二次调频可调容量均小于最大可申报容量，则从中选择二次调频可调容量最大的开停机组合状态，或从二次调频可调容量均为最大的开停机组合状态中随机选择一种，作为各机组在该时间区间的默认起始开停机状态；

S2258)如果不是所有m₁种开停机组合状态的二次调频可调容量均小于最大可申报容量，则从m₁种开停机组合状态中筛选出二次调频可调容量大于等于最大可申报容量的m₂种开停机组合状态中；

S2259)从m₂种开停机组合状态中选择开机数量最少的开停机组合状态，或从开机数量均为最少的开停机组合状态中随机选择一种，作为各机组在该时间区间的默认起始开停机状态。

6.如权利要求1或2所述的调频市场下不同调频容量水电机组的开停机仿真模型，其特征在于，所述矩阵S^j的元素确定为：

S5200)矩阵S^j的第1行元素

计算为：

S5210)建立变量x₁、x₂、x₃；

S5220)求有功功率调节范围

未包含在扩展后各联合运行区域内的区域

并计算该区域的覆盖范围x₁；

S5230)计算x₂，

S5240)计算x₃，若0≤x₂<1，则x₃＝0；否则，分别计算

与

F₁ ^j、

……各联合区域所包含的各区间边界值的差值绝对值，并从中取最小的差值绝对值赋值给x₃；

S5250)

越大则匹配性越差；

S5300)矩阵S^j的第2行元素

的计算为：

S5310)如果

则

否则，继续向下一元素进行计算；

S5320)建立变量y₀、y₁、y₂……y_r……，r表示有r台机组处于限制运行区；

S5330)求有功功率调节范围

与扩展后有0台机组处于限制运行区时的联合运行区域的交集

并计算该交集的覆盖范围y₀；

S5340)若有功功率调节范围

扣除扩展后有0台机组处于限制运行区时的联合运行区域后的集合不为空集，则继续求该不为空集的集合与扩展后有1台机组处于限制运行区时的联合运行区域的交集

并计算该交集的覆盖范围y₁；

S5350)继续以上过程，直至运算至有功功率调节范围

被扣除完毕，得到不同数量机组处于限制运行区时各交集的覆盖范围y_r；

S5360)

7.如权利要求2所述的调频市场下不同调频容量水电机组的开停机仿真模型，其特征在于，当1≤β⁰≤m时，矩阵模型的运算为：

S6410)若β⁰＝β^max，且除β⁰外的其它β^j≠β^max，则智能开停机运算结束，运算结果为0；

S6420)若β⁰≠β^max，且有唯一的β^j＝β^max，则智能开停机运算结束，运算结果为与β^max相等的β^j的上标号；

S6430)若β⁰≠β^max，且有多个β^j＝β^max，则进行如下运算：

对所有与β^max相等的β^j所对应的矩阵模型S^j的列下标小于β^max的第2行元素的数值进行累加，得到

对得到的u^j进行排序，得到最小值u^min；

智能开停机运算结束，运算结果为所有同时满足β^j＝β^max以及u^j＝u^min的矩阵模型S^j的上标号；

S6440)若β⁰＝β^max，且有多个β^j＝β^max，则进行如下运算：

对所有与β^max相等的β^j所对应的矩阵模型S^j的列下标等于β^max的第1行元素

进行排序，得到最小值

若

则智能开停机运算结束，运算结果为0；

若

则智能开停机运算结束，运算结果为所有同时满足β^j＝β^max以及

的矩阵模型S^j的上标号；

当m＜β⁰时，矩阵模型的运算为：

S6510)若β⁰＝β^max，且除β⁰外的其它β^j≠β^max，则智能开停机运算结束，运算结果为0；

S6520)若有除β⁰外的其它β^j＝β^max，则进行如下运算：

S6521)对所有与β^max相等的β^j所对应的矩阵模型S^j，以及当前模式下矩阵模型S⁰的列下标小于β⁰的第2行元素的数值进行累加，得到

S6522)对S6521计算得到的除v⁰之外的其它v^j进行排序，得到最小值v^min；

若v⁰－v^min＜0，则智能开停机运算结束，运算结果为0；

若0≤v⁰－v^min＜δ，且β^max－β⁰≤3×m，则智能开停机运算结束，运算结果为0，其中δ＝t₃/t，t₃介于t₁和t₂之间，t₃的设置遵循与机组处于限制运行区运行的损害程度呈反相关性的原则；

若v⁰－v^min≥0，且3×m＜β^max－β⁰，则智能开停机运算结束，运算结果为所有同时满足β^j＝β^max以及v^j＝v^min的矩阵模型S^j的上标号；

若v⁰－v^min≥δ，则智能开停机运算结束，运算结果为所有同时满足β^j＝β^max以及v^j＝v^min的矩阵模型S^j的上标号。

8.如权利要求1所述的调频市场下不同调频容量水电机组的开停机仿真模型，其特征在于，仿真模型对各分时段内对各假定调频容量下的仿真过程为：

S7310)分时段以及该分时段之后的一个分时段的仿真参数输入仿真模块，如果该分时段为投标时段内的最后一个分时段，则以该分时段最后一个时间点的仿真参数作为该分时段之后的一个分时段的仿真参数；

S7320)将该分时段的最大可申报容量作为假定调频容量输入仿真模块，并启动仿真；

S7330)仿真模型计算出各机组在该时段起始的默认开停机状态；

S7340)仿真模型计算该分时段内的智能开停机指令，并在每次得到智能开停机指令的T₁时间间隔后，使相应机组的开停机状态发生改变，T₁为参考机组实际开停机所需要的平均时间所设置的时间参数；

S7350)仿真模型得到假定调频容量，以及对应的分时段内的各机组的仿真开停机状态，将假定调频容量减去二次调频申报容量的最小变化幅度δ得到新的假定调频容量，然后并进行以下判定：

如果新的假定调频容量小于最小可申报容量，则该分时段内各可用机组开停机状态仿真完毕；

如果新的假定调频容量大于等于最小可申报容量，则以该新的假定调频容量作为输入量，并重新启动仿真。

9.如权利要求1所述的调频市场下不同调频容量水电机组的开停机仿真模型，其特征在于，仿真模型对整个投标时段内对最佳拟申报调频容量下的仿真过程为：

S8100)将整个投标时段内的仿真参数输入仿真模块；

S8200)将所有分时段的最佳拟申报调频容量输入仿真模块；

S8300)仿真模型计算出各机组在投标时段起始的默认开停机状态；

S8400)仿真模块计算整个投标时段内的智能开停机指令，并在每次得到智能开停机指令的T₁时间间隔后，使相应机组的开停机状态发生改变；

S8500)仿真模型得到整个投标时段内各机组的仿真开停机状态。

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