105电力系统经济调度研究 论文

摘 要

电力对我国迅速发展的国民经济起着至关重要的作用。能源是发展国民经济的重要物质基础，也是制约国民经济发展的一个重要因素，但是由于供电不足，致使我国的工业生产能力得不到应有的发挥，因此我们要最大限度的提高能源利用的经济效果，降低能源的消耗。我国的电力工业高速发展为世人瞩目，一大批电力建设基础项目已经或即将建设，特别是黄河中上游梯级电站的不断建成，长江三峡工程以及“西电东送”工程的建设，使我国电力系统的规模成为世界之最。电力系统经济调度问题正成为十分重要和迫切的问题。本文主要叙述了电力系统优化调度研究的目的, 内容和意义，介绍了电力系统经济运行的概况，什么是电能经济调度及电力市场环境下的经济调度，详细分析了经典经济调度的具体方法和应用。提出了在已知负荷和机组容量情况下的经济调度方案，并且实现了用matlab 软件编写程序来求解经济调度问题的方法。本文还利用powerworld 软件制作了一个电力系统的仿真模型，实现了对简单电力系统的仿真。

关 键 词： 电力系统 经济调度 最优运行

第一章 绪 论

随着国民经济持续、快速增长，电力需求迈入急剧增长的快车道。自2002年起，电力供应紧张的局面在一些地区再度显现，全国的电力供需形势从“九五”末期电力供应略有盈余转变为总体平衡，12个省市区电力供应紧张。在电力系统中，实现系统安全经济运行对国民经济发展具有重大的意义，世界各国对发电厂的经济负荷分配、系统的安全经济调度、最优潮流等问题都作了研究，并逐步的将各种优化方法应用到实际系统中。

胜利油田坐落于山东省东营市，经过40年的开发建设，年原油产量2600万吨以上。与油田建设同步发展的油田供用电系统已经成为全国最大的企业供用电系统之一。按管理层次分，东营地区供用电网有四个管理单位，一是东营供电公司，主管单位山东电力集团，负责东营地区220kV 及以上电压等级电网的调度管理以及市、区、县电网的运行维护管理。二是胜利油田电力管理总公司，主管单位中国石化集团公司胜利石油管理局，负责3座220kV 变电站、1座自备电厂的管理，负责油田生产、生活区110kV 、35kV 和6kV 电压等级电网的运行维护管理。电力管理总公司作为油田电力管理部门，还行使行业管理职能。三是胜利发电厂，主管单位也是中国石化集团公司胜利石油管理局，负责4台机组的发电和运行管理。四是胜利油田有限责任公司，主管单位中国石化集团公司，它负责部分油田6kV 生产配网系统的运行维护管理。胜利油田供用电经营管理模式是，电力管理总公司从东营供电公司购买约10％，从胜利电厂约90％的电力，出售给胜利油田有限公司所属各采油厂、公司，或转供给居民和其它企业。各采油厂、公司再将购得的电力用于生产，而胜利发电厂剩余的发电量直接上省网销售。近几年胜利油田电网有了长足发展，2003年底胜利电厂二期3#、4#机组投产，标志着胜利油田拥有了百万机组自备电厂，一举扭转了长期以来油田电网与省网联系薄弱和稳定性差的状况，加强了油田电网与省网的电气联系，提高了系统稳定性。

油田电网已经从单一的完全从山东省网购入电量转换到向山东电网输送电量与购入电量并存的局面，电力管理总公司作为独立企业参与电力市 场竞争，管理重点从传统的计划转供电，逐步过渡到基于科学调度和竞价决策的市场化经济调度。

第二章 电力系统经济运行

电力系统由发电、输电、变电、配电、用电设备以及继电保护、调度通信、远动和自动调整、控制设备等二次系统的各种设备构成。电力系统运行的根本目的是在保证整个系统安全可靠和保证电能质量符合标准的前提下，连续不断的、经济的向用户供给所需要的电能，实现电力系统的功率平衡。

2.1 电力系统概述

一个大型电力系统通常包括多种发电资源，如火电、核电、水电、抽水蓄能电站等等。在调度时针对电力负载的需求，要考虑各种电源的特性，即机组发电功率调整能力、最小开关机时间、定期检修所需时间等运行特性以及燃料费用、其它固有费用等经济特性，给出适当容量。为了保证运行的可靠性，还要留有适当的备用容量。通过适当地组合各种发电资源以最经济的形式提供稳定的电能。

火力发电技术，它利用燃料的化学能来生产电能，现在由于机组容量大型化，投资费用下降，热效率提高非常显著。它承担了中间负荷和基础负荷部分，为确保供电起着重要的作用。火电机组使用的燃料主要有煤炭、液化天然气、石油等等。调度时要考虑到火电机组的最小启停时间、最大最小发电功率、爬升约束、定期检修计划等约束。

核能是代替石油的主要能源，核能发电机组的经济特性是建设费高，燃料费低，可承担基荷任务。核能机组的检修时间比火电机组更长，但发电机组的构造比较简单，比起火电，核电维修及事故比较少。其启动时间短，只有数分钟，在调度时可以不考虑。水电使用天然的水资源发电，燃料费用几乎为零，应充分地利用。

抽水蓄能发电机组在深夜轻负载时，利用其它机组的剩余电能将水抽到坝中蓄存，在负载高峰时发电。其电力供应并不依赖于河水，地点可以自由选择。由于技术的进步，可以实现高落差、大容量化。抽水蓄能机组为电能的需求供应提供了很大的弹性，其供电能力要考虑水库容

量和可用的抽水资源。 [2]

2.2 电力系统的特点

电力系统同其它的工业系统相比有着明显的特点，其特殊性主要表现在以下几个方面:

1. 结构复杂而庞大。一个现代化的大型电力系统装机容量成百上千万千瓦。世界上最大的电力系统装机容量达几亿千瓦，供电距离达几千公里。电力系统中各发电厂内的发电机、各变电站中的母线和变压器、各用户的用电等，通过许许多多条不同电压等级的电力线路结成一个网状结构，不仅结构十分复杂，而且覆盖辽阔的地理区域。

2. 电能不能大量储存。电能的生产、输送、分配和使用是在同一时刻完成的。在任何时刻，电力系统中电源发出的功率都等于该时刻电力系统负荷和电能输送、分配过程中所消耗的功率之和。暂态过程非常迅速。电能以电磁波的形式传输，传播速度为300000km/s。发电机、变压器、输电线路、用电设备的投入或退出运行都是在一瞬间完成的。电力系统故障的发生和发展以及运行方式改变所用的时间都是十分短暂的。

3. 特别重要。国民经济的各个部门、人民的文化和物质生活都离不开电能。供电不足或突然停电往往给国民经济造成巨大损失，给人民生活带来不便。

2.3 电力系统运行状态及其相应的调度措施

电力系统的运行状态及其相应的调度措施如下所述:

1. 正常状态

正常运行状态下的电力系统满足所有等式和不等式约束条件，系统内的发电机有一定的旋转备用容量，输电设备也有一定的富余容量，在负荷增加或减少时，系统频率和电压值在质量指标规定的范围之内，并向系统用户供应合格的电能; 电力系统中各发电和输、变电设备的运行参数都在规定的限额之内:电力系统有一定的安全水平，在正常干扰(如电力系统负荷的随机变化、正常的设备操作等) 下电力系统只从一个正常状

态连续变化到另一个正常状态，而不会产生有害后果。

正常运行状态下的电力系统是安全的，可以实施经济运行调度，其目的就是要尽量维持电力系统的正常运行，为用户提供高质量的电能，并使发电成本最经济。

2. 非正常状态

当负荷增加过多，或发电机组因出现故障不能继续运行而计划外停运，或者因发电机、变压器、输电线路等电力设备的运行环境恶化，使电力系统中的某些电力设备的备用容量减少到使电力系统的安全水平不能承受正常干扰的程度时，电力系统就进入了警戒状态。这时系统对外界的抗干扰能力下降了，特别是在电力系统发生故障时，可能出现不等式约束条件不能成立的情况，使系统进入到不正常状态，如设备过载等，从而使系统的安全运行受到威胁或遭到破坏。电力系统调度的目的就是要发现这一状态，并及时采取预防性措施，使系统尽快恢复到正常状态。例如，调整发电机出力和负载配置、切换线路等。这时经济调度就放到次要地位了。当系统发生一个相当严重的干扰，例如短路故障、大容量机组突然跳闸等，使得电力系统的某些参数越限，如变压器过负荷、频率低于允许值等，系统某些不等式约束条件遭到破坏，系统则进入到紧急状态。紧急状态的电力系统是危险的。电力系统调度控制应采取紧急措施，尽快消除故障的影响，争取使系统恢复到警戒状态或正常状态。

2.4 对电力系统运行的基本要求

针对上述电力系统特点及其运行状态可以看出，电力系统调度的基本任务，就是要根据电力系统实时运行状态和相应的目标，正确而实时地提出调度控制的策略，以满足用户供电需要，提供高质量的电能，保证系统安全运行，同时使发电成本最省。具体体现在以下三个方面：

(1) 保证安全可靠地持续供电

安全对电力系统来说是头等大事，系统一旦发生事故，其危害是难以估量的。轻者使用户停电，重者使设备损坏或造成人员伤亡，停电给

国民经济造成的损失远超过电力系统本身的损失。因此，努力保证电力系统安全运行并一直处于正常的运行状态，是调度的首要任务。因此，电力系统的首要任务是可靠地、持续地向用户供电。保证安全可靠地持续供电的前提条件是保持功率平衡。功率平衡是指系统的电力供应必须在任何时刻都与系统负荷平衡。这是能量守恒的一种形式，是电力系统运行的必要条件。

(2) 保证良好的电能质量

电能质量以电压、频率及波形来衡量。各国对三个参数都有自己的规定，电压质量和频率质量一般都以偏移是否超过给定值来衡量，而波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量。所有这些质量指标，都必须采取一切手段予以保证。电压和频率过多地偏离额定值对电力用户和电力系统本身都会造成不良的影响。轻则使用户减产或产生废品，严重时可造成设备损坏或危及电力系统的安全运行。

稳定电压的关键是调节系统中无功功率的平衡。频率的变化，是整个系统有功功率的平衡问题。这不仅与频率调节的自动装置有关，而且与备用机组多少、开停机计划、运行方式以及负荷预测等均有关系。目前我国的电压波形为正弦波，主要由发电设备所决定。另外，近来负荷中的高次谐波对电气设备也会造成不良影响，因此，也要对波形给以足够的重视。

(3) 保证系统运行的经济性

保证系统的安全性和电能质量是电力系统运行的前提条件。在确保这两个条件满足时，还应该确保系统取得最佳的运行经济性，即合理分配每座电厂所承担的负荷，合理调度电力系统潮流，降低生产每一度电能消耗的能源，降低电能输送、分配时的损耗，从而提高电力系统运行的经济性。这样，可用最少的一次能源(水、煤、石油等) 消耗获得最多 的、有用的电能，使电能成本最低。

第三章 电能经济调度

一个电力系统一旦投入运营，如何在满足系统安全和电能质量的前提下确保系统取得最佳的经济性是系统运行管理的目标，实现的手段则是电力系统运行的决策与调度，即我们所说的电力系统经济调度。通过电力系统的经济调度，可以正确地预测负荷，优化组合发电机以决定系统内所有的发电设备是否在线发电，何时发电以及发多大的功率，从而极大限度地降低发电燃料消耗，降低网络损耗等，使得系统在满足系统功率平衡、系统备用的前提下，总的运行费用最省最小。

3.1 电能经济调度的定义

电能经济调度是指系统的发电容量大于负荷需求时，系统中参加运行的机组已经预先确定的情况下，将负荷优化分配给各发电机组，达到全系统的燃料消耗量或发电费用最小。经济调度的发展经历了基本负荷法，最优负荷点法，及等微增率法三个阶段，目前依然以等微增率法为基本的方法，当前各国电力公式采用的实时优化调度程序多数是基于经典经济调度的模型。

由于采用经济调度方法进行电力调度的确能为电力系统节省很多发电费用，因此经典经济调度得到了广泛的应用。早期的有功经济调度基本上以经典法为主。有功经济调度的概念可追溯到本世纪20年代甚至更早，当时，工程师们已经致力于发电的经济分配问题，即发电单元合理分担负荷问题。30年代初期，M ．J ．Sblnberg 和T ．H ．Smith 提出了耗量微增率概念，40年代，E ．E ．Geor8e 提出了网损修正思想。从此，围绕着有功经济调度的协调方程式形式以及网损和网损微增率的计算，进行了大量的研究工作。60年代初期，J ．CarpeMtler 为了在经济调度中考虑不等式约束，延伸经济调度的概念，首先将最优化原理应用于电力系统经济调度中，按照KMhn —TMcker 条件，将经济调度问题转化为求解非线性规划问题。J ．Carpentier 把这种经济调度方法定义为最优潮流[3]。虽然J ．Carpentisr 采用高期一塞德尔迭代法求解没有得到满意的收敛

效果，但这是最优潮流最早的有意义的尝试。从此以后，国内外大批学者从事这方面的研究工作。

但在80年代以前经济调度的一个缺点是不重视线路的安全性因数，而线路的安全性问题恰恰是系统发生事故的主要原因。80年代以来，许多学者提出了解决这一问题的方法，既考虑线路安全约束的经济调度，这些方法在根据系统负荷需求对发电机输出功率进行经济调度的同时，能够考虑正常运行状态下线路安全约束，避免了线路潮流越限情况的出现，使得在进行经济调度的同时能兼顾了系统的安全性。但在70年代末期国内外几次大的电力事故的发生，使人们越来越注意并重视只考虑正常运行状态的安全约束的经济调度是远远不够的，必须计及N-1线路安全约束的经济调度。因此出现了将N-1安全约束以预想事故约束全部引入经济调度模型，尽管这种方法能够考虑N-1安全约束，但由于对实际规模的电力系统来讲，约束众多（可多达几万至几十万个约束）无法处理，并且由于其预先考虑的事故约束，使得目标函数的寻优区域变小，尽管保证了N-1安全性，但却失去了一定的经济性[4]。由于预想事故分析不可行，因此有人提出出现断线事故以后重新对功率分配进行调整计算的方法，得到一个新的、满足该约束条件的经济调度方案。其中最为典型的是Mota —Palomino 等人提出的分段微分罚函数法的非传统的线性规划法来完成针对某种特定的偶然事故的经济调度，该方法利用罚函数的伪梯度作为寻优方向，不需要可行的初值且寻优速度快。但其缺点是只针对特定的断线故障，不具有普遍性[5]。

3.2 电力系统经济调度研究的内容

电力系统经济调度包含的内容十分丰富。

首先要研究用户的需求，即进行电力负荷预测，按照调度计划的周期，可分为日负荷预测、周负荷预测和年负荷预测等。不同周期的负荷有不同的变化规律。负荷预测的精度直接影响经济调度效益，提高预测的精度就可以降低备用容量、减少临时出力调整和避免计划外开停机组。

接着要研究的问题是火电机组经济特性曲线的编制和电厂内机组间的经济负荷分配。与一般概念不同，不是按效率(或煤耗率) 或容量分配机组负荷，而是按等微增的原则分配各机组的负荷才是最经济的。机组的耗煤量曲线和它的微增率曲线是电力系统经济调度的基础资料，它们的准确性直接影响经济调度效益。

但仅仅考虑经济特性编制的调度计划不一定实用，因为它在安全上可能通不过。实际的电力系统电力调度计划总是把安全放在第一位，因为电网事故的经济损失远远大于经济调度的效益，因此还必须研究考虑安全约束的经济调度。如果两个区域间的传输线或功率流超过传输实际物理能力时，就要减少相应的实际发电功率，而不再考虑经济性。通常经济调度不考虑电力传输限制，也有把安全性和经济性统一在一个被称为最优潮流(OPT)的广义经济调度中考虑[6]。

另外还要考虑到电能在网络上的传输损失，因为网损牵涉到网络结构和潮流分布。通常传输损耗可以看成是用户电力负荷的一部分，并由相应的发电厂负担。

3.3 电能经济调度研究的意义

电力的基本特性是难以大量地存储，在供电过程中，生产和消费必须时时达到平衡，而且消耗电力的用户多种多样。在保证电力系统持续可靠地供电及保证良好的电能质量的前提下，保证电力系统运行的经济性对国民经济一次能源总消耗的1/3，而且电能在变换，输送，分配时的损耗也相当可观。因此，降低每生产一度电所消耗的能源和降低变换，输送，分配时的损耗，有极其重要的意义。为保证电力系统正常运行时的经济性，应展开系统经济运行工作，使各发电厂所承担的负载能合理分配。例如，使水电厂能充分利用水能，避免弃水; 使火力发电厂中经济性能好的多发电，差的少发电，并避免频繁开停机组:使功率在系统中合理分布以降低电能在变换、输送、分配中的损耗等等。虽然目前我国的电力供应还很紧张，但随着一大批电力建设基本项目的实施，尤其是长

江三峡工程的建设，大型水火电混合调度问题将变得日益紧要和迫切。我国的能源储备并不十分丰富，所以调度问题的很好解决将为国家节约大量的能源和花费，对环境保护也有深远的意义。本文所研究的电力系统经济调度问题，就是希望通过合理安排各发电机组的发电功率，节省为满足电力需求所消耗的能源和花费的费用。

开展经济调度的效益虽然很难直观表达，但它的经济效益有科学的理论依据。根据国内外一些电力系统的测算，可节省能耗或降低成本达总耗量的0.5％- 1.5％。如华北的京律唐电网，由于开展了以降低燃料费用为目标的经济调度，通过实验对比测算，取得了降低燃料费2993万元，每天约节约8万元，使燃料费用降低了约0.73％，提高了经济效益[7]。

3.4 电力市场下的经济调度

电力作为商品必然走向市场，这是社会主义市场经济客观规律的要求，也是电力系统自我完善发展，从而适应并推动国民经济发展的需要。

随着电力体制改革的进行，电力市场化运行机制正在逐步建立，由此将打破垄断，引入竞争，提高电网运行的效率。随着国民经济的发展，对电力需求的不断增加，发电容量不断的扩大，而能用的热能资源诸如煤，石油等价格的不断攀升，使得电力成本越来越高，这给各国电力公司带来了很大的竞争压力。如何减少单位发电量的投入成本，节约有限的能源，提高市场竞争能力，这些都使得电力市场环境下的最优经济调度成为电力系统界急待解决的研究课题[8]。

以电价为支点的电力市场，较大限度地克服了政策、待遇上的差异，为各利益主体提供了一个公平竞争的经济舞台。电网的经济调度以电网获得最大效益为目标，按电价择优安排发电。

电价放开，使当前电网运行中的许多重大问题得到不同程度的解决。以电价为依据，克服了电网行为的主观任意性，有利于实现公平和公正；价格杠杆有利于科学投资和合理利用自然资源，提高新、旧电厂的调节能力。为了在竞争环境中求生存、求发展各利益主体必须保持活力，加

强运行、财务、设备、物资、燃料等各个环节的管理，以利于提高企业质量、减少浪费、发展社会生产力。 在目前的电力体制下，形成电力市场尚有大量工作待开展，作为过渡阶段可逐步实行模拟电力市场。

经济利益协调原则包括市场原则和大家谈论的“公平、公正”的原则。在计划经济向市场经济的转轨中，经济调度模式在传统资源优化和电力市场的自由竞价之间面临选择和过渡，但无论采用何种方式都应有明确的利益协调原则。

3.4.1 关于市场原则

利益协调应逐步面向市场。各电网利益主体在竞争中应以效益为中心，共同搞好电网工作。市场经济即商品经济，其本质是引进竞争机制，各利益主体遵照一定的规则，以各自的效益为运营目标，在竞争中促进社会主义经济的繁荣发展和良性循环。

电力也是一种商品，遵循市场原则，电网的经济调度应“使全网在供电成本最低的条件下运行”，对电厂来说，经济运行应遵循在较长时期内发电效益最高的原则。

3.4.2 公平公正和经济合理

在现行体制下，制约经济调度全面实施的因素主要有以下两方面。其一是并网协议的制订方式和内容，从公平公正的角度来看，并网协议存在一些弊病。为了吸引投资，我们在发电项目和电价上的一些承诺，比如在发电利用小时、最低购销电量和电价上的承诺，为电网调度带来困难，同时造成电厂与电厂、电厂与电网之间的不平等，这是阻碍电力事业健康发展的不利因素。要引进竞争，就应当逐步减少保护差异的措施。“一厂一价”、“还本付息”的电价政策与电力法“同网、同质、同价”的原则相违背，也是造成电力项目造价高、投资大的重要原因。其二，电厂与电网之间签订的长期电量协议，给电网动态经济运行带来困难，存在着不经济、不合理的因素。这种模式在一定程度上照顾到电网和各利益主体，但是它必须基于科学合理的长期电量测算和加价水平

的确定。如果该数值过大，双方难以完成计划，或挤占其他电厂的发电量；过小，则会影响该电厂的经济效益或资源利用，调整计划将牵涉协议和电费等问题[9]。

电网经济调度是在不同的时间尺度内不断寻优，动态修正计划的过程。月(周) 优化和修正年度发电计划，日优化和修正月(周) 发电计划。并网经济协议中的电量条款一般为固定的全年电量，这种协议有其存在的合理性，但不利于电网优化调度。有必要探索较为经济、合理的“弹性”经济协议形式[10]。

3.4.3 电网安全

统一电网中若没有合理的并网协议和有效的管理制度，将造成运行条件不合理多方电厂争抢效益，甚至危及电网安全的后果。开展经济调度和电力市场工作，一定要以电网安全为前提，要吸取美国西部大停电事故的教训，特别是在并网电厂增多，注意力集中于经济利益时，在经 济调度方案中决不可忽视安全性考察。

第四章 电能经济调度的解决途径

本章主要介绍电能系统的最优化解决方法与电网降损的主要途径。为了实现对怎样最优化问题有一个全面深刻的理解，首先介绍一下经济调度的数学模型。

4.1 经济调度的数学模型

经济调度是在机组状态给定的情况下，根据负荷情况求解交易计划结果。

在电力系统运行中，希望通过各发电机有功负荷量的合理分配来降低能源消耗或降低系统供电成本，从而提高经济效益，这就有必要将电网损耗计入优化目标。本数学模型的网损以发电机的函数即B 系数计入目标函数。解此有约束的非线性规划问题，我们利用拉格朗日乘数来处理等式约束，为了减少计算量、改善收敛，对不等式约束的处理不采用罚函数法或乘子法，而是对有限的变量暂时定于界上，随着迭代的进行而求出其最终值。对于增广的目标函数，则用改进的牛顿迭代求出其最优值。

4.1.1 目标函数

min F =∑f i (p i ) +β∆P L

（4.1） i =1N

其中 N——出力的发电机总数

（4.2）

a 、b 、c 为第i 发电机的函数系数，i =1，2，„，N i i i

β——单位网损功率折算费用系数 f i (p i ) ——第i 个发电机的发电耗量费用函数 2+b P +c f i (p i ) =a i P i i i i

∆P L ——全网网损，以B 系数法表示为各发电机出力的函数 ∆P L =P T B P +B T P +B 。 G L G L G G (4.3）

B L 、B LO 、B O 为系数矩阵与电压相角及网中电阻参数R 有

P D +∆P L -∑P i =0N

i =14.1.2 等式及不等式约束 （4.4）

P i ≤P i max i min ≤P

（4.5）

其中：P D ——总负荷之和

∆P L ——网损

P i ——各发电机有功出力

4.2 等微增率法

在实际的工作中，机组负荷优化分配最简单的方法是等微增率法，即以效率为基础，效率高的机组尽可能多带负荷，效率低的机组则尽可能少带负荷。这个原则简单直观，容易操作执行。目前大多数电厂仍然采用这种方法。

发电机负荷优化分配问题就是满足约束的条件下，求解目标函数(1)的极值，即为有约束最优化问题。经典的等微增率法是工程上常用的求解方法。按照这种方法，引入Lagrange 不定常数λ，消去(2)式的约束，得Lagrange 函数（忽略网损）： N N

F =∑f i (P i ) P i ) i min +λ(P -∑P

i =1（4.6） i =1

至于(5)式的约束，则采用强制运算结果不越界的方法来处理，如当运算结

果出现P

P i =P i min 。 i ≥P i max 时，则取P i =P i max ；当P i ≤P i min 时，则取

（6）式存在极值的必要条件为 ∂F =0 （i=1，2，„，N ） （4.7） ∂P i 由于各机组的等耗量变化独立，所以由（7）式得

∂f (P ) ∂f (P ) =∂f (P ) ==n =λ ∂P ∂P 2∂P n （4.8） 1∂f (P ) （i=1，22式中，„，N ）——第i 2台机组的等耗量微增率 ⎤∂F ∂F （6 ⎢∂⎥2∂P ∂P P ∂∂F 1∂P 21∂P n ⎥1 （i=1，2，„，N ，j=1，2，„，N ） （4.9） ≥02222⎢⎥∂P ∂P ∂F ∂F F ∂F i j 2以矩阵H 表示，有： ⎤⎢P ∂⎥0j P H =⎢∂∂P ⎢2⎥2∂P n ⎥1i ∂2∂P 1⎢⎥（4.10） ⎢⎥2⎢⎥⎢⎥10）式得： ∂F 考虑到各机组燃料耗量变化独立，并将（6）式代入（0∂⎢∂20⎥2F ⎥⎢F H ⎥⎢∂P ∂P 2⎥∂P ∂P ∂（4.11） ⎣⎢n 1⎥P n ⎦n 2⎢6）式的Hesse 矩阵。 ⎥H 称为（2⎢∂F ⎥等微增率法的优点是计 等微增率法揭示了发电机组负荷分配的实质，0⎢02⎥∂P 算简单，易于编程。从上面的分析中可知，这种方法要求Lagrange 函数n ⎦⎣

的Hesse 矩阵正定，由机组的煤耗量与负荷的函数关系式可得： ∂f (P ) =2a （i=1，2，„，N ，j=1，2，„，N ） （4.12） ij ∂P 其中a 为机组i i 在负荷区间[P , P ]的燃料耗量特性曲线的二次ij i , j -1i , j 00⎤项系数。 ⎡2a 1j ⎢11）得： 将（12）代入（⎥02a 2j 0⎥⎢ H = ⎢⎥（4.13） ⎢⎥002a nj ⎥因此等微增率法实由(13)可知，当H 主对角线上的元素全为正时为正定矩阵，⎢⎣⎦

个满足经济调度要求的各发电机组的出力[11]。 际要求参与负荷分配机组的燃料耗量特性曲线的二次项系数大于零。由此即可求出

4.3 电网降损的主要内容与途径

电网经济运行就是不用物资投资取得明显节电效果的一项内涵节电技术。所谓经济运行方式，就是使整个电力系统的电能损耗减少、经济

效益提高的一种运行方式，电网经济运行一是把变压器经济运行节电技术形成一个系统工程。并按系统工程方法对变压器经济运行节电技术进行优化排序；二是把变压器经济运行领域扩充到变压器及其供电线路经济运行，变电所及其供电网经济运行，也就是说扩展到输电网经济运行(三绕组变压器及其供电系统) 和配电网经济运行(双绕组变压器及其供电系统) 。电网的经济运行主要是变压器及其供电系统的经济运行。

变压器在整个电力系统中是一种应用广泛的电气设备，一般说来，从发电、供电一直到用电，需要经过3～5次的变压过程，其自身要产生有功功率损失和无功功率消耗。由于变压器台数多，总容量大，所以在广义电力系统(包括发、供、用电) 运行中，变压器总的电能损失占发电量的10％左右。这对全国来说，意味着全年变压器总的电能损失为1100亿kW·h 以上，相当于3个中等用电量省的用电量之和。变压器经济运行是在损失电能的1100亿kW·h 以上电能中去挖掘节电潜力；电网经济运行则是在损失的3178～3746亿kW·h 电能中挖掘节电潜力。

4.3.1 变压器经济运行的基本内涵

变压器经济运行是在确保变压器安全运行及满足供电量和保证供电质量的基础上，充分利用现有设备；通过择优选取变压器最佳运行方式、负载调整的优化；变压器运行位置最佳组合以及改善变压器运行条件等技术措施，从而最大限度地降低变压器的电能损失和提高其电源侧的功率因数，所以变压器经济运行的实质就是变压器节电运行。变压器经济运行节电技术是把变压器经济运行的优化理论及定量化的计算方法与变压器各种实际运行工况密切结合的一项应用技术，该项节电技术不用投资，在某些情况下还能节约投资(节约电容器投资和减少变压器投资) 。所以，变压器经济运行节电技术是向智力挖潜、向管理挖潜实施内涵节电的一种科学方法[12]。

4.3.2 电网经济运行的基本内涵

电网经济运行是在保证区域电网(110kV以上) 和地区电网(110kV以下的城区网、农网和企业网) 的安全运行和在满足供电量和保证供电质量的基础上，充分利用电网中现有输(配) 变电设备，通过优选变压器及电力线路经济运行方式和负载的经济调配及变压器与供电线路运行位置的优化组合等技术措施，从而最大限度地降低变压器与供电线路的有功损耗和无功消耗。

4.3.3 电网经济调度

电网经济调度是以电网安全运行调度为基础，以降低电网线损为目标的调度方式。由于电网经济调度是属于知识密集和技术密集型领域，所以电网经济调度是按电网经济运行的科学理论，根据电网经济运行方式软件和经济调度软件定量计算的结果，全面实施电网经济运行的调度方式。

4.3.4 电网改造节电技术

电网改造节电技术是在不增加电网改造投资和充分利用现有电网改造资金的基础上，在提高电网供电容量和保证供电质量的前提下，运用优化定量计算新技术降低城乡电网的线损，如老旧变压器淘汰中要劣中汰劣，新型变压器选型中要优中选优，既要根据城网和农网负载分布的特点，调整变压器运行位置与供电线路实现优化组合，又要根据电网中变压器与供电线路的分布状况，优化负载经济分配和电网经济运行方式。总之，由于电力行业是技术密集型行业，在城乡电网改造中应贯彻“科教兴电”的方针，依靠科技进步和推广以计算机应用为主要内容的先进技术，提高电网安全经济供电的管理水平。在城乡电网建设和改造过程中要充分利用“电网改造节电技术软件”优化调整城乡电网的电力结构和提高电网结构中的技术含量。把电网建成“安全经济型电网”，为电网安全供电奠定良好的基础。在电网运行中最大限度地降低电网的线损。 由于电网的线损主要是由变压器损耗与电力线路损耗所组成，所以电网改造的节电降耗，也就是对电网中的所有变压器和电力线路进行择

优选择和优化组合，组建成“安全经济型电网”。因此，在电网运行中变压器及其供电系统经济运行也是电网改造节电技术的基础和实施目标。

4.3.5 电网经济运行是一种科学方法

(1)择优化。优胜劣汰的自然法则充满着整个自然界，任何新技术的实质都是人们寻求到的择优汰劣的结果。变压器及其供电系统经济运行节电技术正是运用优化理论对各种运行工况进行择优汰劣而达到节电目的的技术。

(2)定量化。任何一门科学都必须以定量化计算式作为基础，仅有定性分析的原则，没有定量计算则构不成一门完整的学科。变压器及其供电系统经济运行节电技术是以近千个定量计算式作为判断优劣的基础，它已进入定量化学科领域。

(3)有序化。从无序化到有序化是事物向纵深发展的必然规律，长期以来变压器及电力线路经济运行方式基本上处于无序状态(没有按择优化运行) ，电网经济运行理论为电网经济运行走向有序化提供了理论基础。

4.3.6 电网经济运行是一个专家系统

电网改造节电技术、配电网经济运行方式、输电网经济运行方式、配电网经济调度、输电网经济调度、双绕组变压器经济运行和三绕组变压器经济运行等系列软件均属于软科学技术。是电网改造和电网经济运行节电降耗的专家系统，属于以智力资源为依托的知识经济领域。

4.3.7 电网经济运行的主要范畴

电网包括企业电网、城网、农网和区域网。企业网、城网、农网的电压等级大部分在110kV 以下，其经济运行统称配电网经济运行，也就是双绕组变压器及其供电系统经济运行。区域电网的电压等级大都在110kV 以上，其经济运行称为输电网经济运行，即三绕组变压器及其供电系统经济运行。以下所指的电网经济运行范畴既包括配电网经济运行，

也包括输电网经济运行。下面所指的变压器经济运行方式及负载经济调度，既包括双绕组变压器，也包括三绕组变压器。

4.3.8 电网经济运行节电潜力与社会效益

根据变压器经济运行分析，如全面开展变压器经济运行，其节电量约占用电量的1％以上(即降低变压器的损失率10％以上) 。

全国各行各业全面推行变压器及其供电系统经济运行节电技术，如按1％～2％节电率计算，不用投资，全国年节电效果可达到100～200亿kW·h，相当于一个大型发电厂的年发电量。

由于电网经济运行有近千个定量化计算式，加之随着变压器和电力线路的技术参数变化和负载变化都必须重新进行优化计算，这样，对具有变压器台数较多的企业电网、城乡电网和区域电网来说，实施电网经济运行计算量很大，计算难度也大，人工运算已远远满足不了需要。因此，只有应用电网经济运行软件进行定量计算和优化选择[13]。

综上所述，电网经济运行节电技术就是运用优化定量化的科学判定方法，改变人们多年来形成的误把浪费当节约的陈旧观念和习惯做法，是用知识经济手段提高电网运行中的科技含量，去挖掘电网损耗中的节 电潜力。

第五章 胜利油田电力系统经济调度研究

5.1 胜利油田电网结构及负荷特点

强化电网建设，电网的安全经济运行水平进一步提高。针对电力生产的特点，他们推进网上电量电费结算、电网调度自动化、集控站以及变电站综合自动化的建设和实施，缩短了电费核算周期，减少停电时间，提高了电网经济运行水平。他们建立电力调度信息管理系统，形成了覆盖全油田所有电力调度与运行单位的集调度运行、信息共享为一体的信息系统，使调度日常工作全面实现网络化、规范化。５１座变电站实现了变电站保护监控信息自动采集。电网技术装备水平的全面提高，实现了电网的长周期安全稳定运行，供电可靠性、供电电压合格率均保持在９８％以上。

油田电网目前分220kV 、110kV 、35kV 、10kV 和6kV 等五个电压等级，最高电压等级220kV 实现了内部环网运行，主要以胜利电厂、九分厂变、新孤变、盐镇变等220kV 厂站为依托，通过220kV 万九I 线、万九II 线、九孤线、盐孤线、万盐线形成的“四角”环网。110kV 及以下各电压等级系统主要采用辐射型供电方式。

滨沾线滨郭线

LGJQ-400/16.7KM

木郭线

LGJQ-400/29.409KM

沾化电厂

2*12.5万KW Xd''=21%

LGJQ-400/21.4KM

滨州(500KV)

王木

L G J -400/17. 8+L G J Q -300/30. 42K M

郭集

沾盐线

盐孤线

盐镇

LGJQ-400/48.204KM

新孤

LGJQ-400/66.808KM

木胜线

万盐线

万九Ⅱ线LGJQ-400/26.328KM

九孤线

九胜线LGJQ-400/24.069KM

胜利电厂

万九Ⅰ线

2*LGJQ-300/18.699KM

万胜线2*LGJ-300/19.2KM万东线2*LGJ-300/20.2KM

2*22万KW Xd''=15.63%2*30万KW Xd''=16.18%

胜利变

万杨线2*LGJ-300/11.256+LGJQ-400/39.11KM

杨东线

LGJ-400/44.981KM

杨家东城变

从电网网架结构与供电方式上看，胜利油田电网目前主要有如下两个突出特点：

1）220kV 最高电压等级系统网架建设较完善，自身内部以及与山东省网联系相对密切。油田最高电压等级的220kV 直接与山东省网联接，胜利油田现有的一座电厂与三座220kV 变电站的网架结构已达到了N －1的要求，其中部分网架达到N-2的要求，如胜利电厂、九分厂变。110kV 与35kV 变电站的网架95％达到了N －1的要求，6kV 线路60％实现了“手拉手”供电，其中油城城区电网6kV 线路已有90％实现了“手拉手”供电。

2）实现了分区分层供电。油田电网地理结构上是以黄河为界，黄河以北有220kV 镇变和新孤变两座变电站，主要给孤岛采油厂、河口采油厂、滨南采油厂及海上钻井平台供电；黄河以南有胜利电厂和220kV 九分厂变，主要给油田基地、胜利采油厂、现河采油厂等油区供电。除220kV 系统为环网供电外，其它都是以220kV 变电站为中心的通过

110kV 、35kV 和6kV 系统向四周辐射形供电，无电磁环网供电方式。黄河以北的两座220kV 变电站之间负荷能够互为备用，黄河以南九分厂变与胜利电厂升压变之间负荷也是互为备用，可以相互调整，方式比较灵活。

5.2 胜利油田电网负荷与电压支撑

胜利油田电网由于油井负荷占85%以上，需要大量的无功功率。而无功功率与电压质量密切相关，无功供给与电压质量一直是围绕电网安全优质运行的一个重要问题，下面从四个方面介绍油田电网的电压情况：

第一、功率因数。 表3-1 油田电网功率因数统计表

上表是各电压等级的平均功率因数情况，其中220kV 功率因数已超过0.99，110kV 的功率因数已接近0.98。目前功率因数比较低的是6kV 油井线路的功率因子，许多线路达不到0.85。

第二、无功补偿与供给。

为提高电压质量和电网的功率因数，保证电网的安全经济运行，胜利油田电网安装有大量静态无功补偿装置，分为就地补偿与集中补偿两大类。分散补偿是由各采油厂在各自管辖的6kV 线路的油井上就地安装，从变电站的6kV 出口测量其单线功率因数目前大多达到0.85以上。集中补偿是在所有35kV 与110kV 变电站6kV 母线侧安装两组电容器，220kV

变电站中九分厂变在35kV 母线上安装了4组电容器。两种无功补偿装置为油田电网提供了大量无功功率，在确保电网经济运行的同时提高了电网的电压水平。统计显示目前全油田安装无功补偿装置总容量已达到39万kVAR 。根据负荷水平计算所安装容量已经达到了正常无功功率的需求，实现了《电力系统安全稳定导则》要求的无功功率分片就地平衡的原则。

除大量电容器作为无功功率电源外，其余无功功率主要由胜利电厂与孤北电厂供给，这部分无功功率由于是旋转动态无功，在电网发生事故时对电网的电压起了重要的支撑作用。

第三、电压调节。

油田电网的电压调节主要通过三个方面进行，一是依靠自备电厂进行调节，其中胜利电厂在提供全油田主要动态无功的同时，通过无功调整直接调节110kV 直配负荷的电压水平，孤北电厂开机时主要对新孤变供电的滨海地区电网电压发挥调节作用；二是依靠主变分头调节电压，除胜利电厂主变外油田所有220kV 主变都有有载调压功能，对调节局部电网电压起到了非常大的作用，也是油田电网调压的主要手段。另外约有10%的110kV 主变、8%的35kV 主变带有载调压功能，其余主变全部都是无载调压，调节电压必须将主变停电才能进行。但目前达到有载调压条件的变电器也全部是手动调压，无一座实现AVC 自动调压。

5.3 胜利油田电厂经济运行研究

作为电网经济调度的一个重要方面是发电厂的经济调度，胜利油田电网的主要供电电源是胜利发电厂, 其四台机组总装机容量达100万kW ，其中1#、2#号机装机容量为20万kW ，3#、4#号装机容量为30万kW 。在此对胜利电厂四台机的经济调度问题予以研究。

胜利油田电网负荷年变化趋势基本上是夏季与冬季为全年负荷高峰，春季与秋季相对负荷较轻。下面是胜利油田冬季负荷高峰期典型日负荷变化曲线：

曲线负荷： 0—-6 时：70万 6—-11时：79万 11—13时：76万 13—17时：79万 17—22时：85万 22—24时：70万

采用电厂等微增率法确定在典型负荷时期一天24时内胜利电厂四台机的负荷分配：

胜利电厂四台机的最大最小出力以及耗量微增率为：

1#机：最大出力200MW ，最小出力100MW ，耗量微增率=7.97+0.00964P1

2#机：最大出力200MW ，最小出力100MW ，耗量微增率=7.65+0.00951P2

3#机：最大出力300MW ，最小出力150MW ，耗量微增率=7.21+0.00788

4#机：最大出力300MW ，最小出力150MW ，耗量微增率

=7.32+0.00765P4

四台机经济分配的条件为： dF 1/dP1=7.97+0.00964P1=λ dF 2/dP2=7.65+0.00951P2=λ dF 3/dP3=7.21+0.00788P3=λ dF 3/dP3=7.32+0.00765P4=λ 在以下不同负荷段： P 1 + P2 +P3 + P4 =700MW P 1 + P2 +P3 + P4 =790MW P 1 + P2 +P3 + P4 =760MW P 1 + P2 +P3 + P4 =850WM

从以上各式可以求得每台机组在不同时间最经济出力 1、负荷为700MW 时，胜利电厂各台机组出力为： P 1=108MW P 2=142MW P3=227MW P4=221MW

2、负荷为790MW 时，胜利电厂各台机组出力为： P 1=128MW P 2=163MW P3=252MW P4=246MW

3、负荷为760MW 时，胜利电厂各台机组出力为： P 1=121MW P 2=156MW P3=244MW P4=237MW

4、负荷为850MW 时，胜利电厂各台机组出力为： P 1=141MW P 2=176MW P3=268MW P4=262MW

从以上计算结果可以看，在一天的不同时间段，每台机组运行在最经济出力状态时，机组都在最大最小出力范围之内，这样通过科学合理地安排四台机组的出力，就可以做到满足油田电网正常负荷需求的条件下，使机组耗能最低，实现电厂的经济运行。

5.4 胜利油田输配电网经济运行研究

据统计，从发电厂发出的电能大约有10%损失在输配电网中，其中输电与配电各占一半，所以说有效降低输配电网的网损是提高电力系统

经济运行水平的重要一环。

5.4.1 油田电网输电网降损措施

计算可以得出，油田电网220kV 系统采用环网方式油田电网的整体网损较开环运行明显降低。故油田电网正常220kV 系统安排运行时应采用环网方式，在检修或事故时环网打开时，应尽快恢复环网运行状态，这样除可以提高电网的供电可靠性，还可以提高电网的经济运行水平。

目前110 kV与35kV 正常采用辐射型方式供电，对于这种正常条件下的运行方式，将负荷予以合理分配是降低网损的有效措施，分配原则是负荷尽量靠近电源侧，尽量采用短线路供电，尽量做到无功功率的就地平衡。主要可以采取及时投切变电站的电容器、合理调节主变分接头、采用合理的运行方式等。

对于输电网应在保证电压在安全区内的前提下尽量提高其电压幅值，原因是在此电压等级主变铁损较与电流有关的铜损相比较小，提高电压可以降低线路与主变的电流，从而有效降低输电网的网损，如正常调节220kV 九分场变、新孤变、盐镇变的110 kV与35kV 侧电压在117kV 与37kV 为宜。

5.4.2 油田电网配电网降损措施

油田电网配电网主要是6kV 配电网，目前胜利油田只有少量10kV 配电网。该电压等级网络主要是6kV 配电线路、配电变压器及6kV 电机组成。

首先是配电网的降损措施是实施配电网的轻负荷、双电源、手拉手方式，合理分配电网负荷降低网损。

其次是实现配电网的无功功率就地补偿措施，在配电变压器上安装成组补偿电容，优先选用能够自动调节的自动补偿电容器，通过减少配电网中无功功率的流动来降低电流数值，从而降低配电线路的线损。

第三是适当降低配电网运行电压水平，因为该电压等级电网有大量配电变压器运行，铁损较铜损要高，而电压降低将减少铁损量，虽铜损

略有提高，但该系统整体网损将有所下降，如在保证电机正常运行的前提下保持6kV 系统电压在6.1左右为益。

另外，将6kV 电压等级升级为10kV ，将会减少配电网网损64%，极大地提高配电网的经济运行水平，该项技术措施的缺点是投资较大。

5.4.3 油田电网主变压器降损措施

油田电网大多数变电站安装两台主变电器，其中220kV 九分场变与新孤变已安装有三台主变。由于油田电网负荷受季节影响较大，春秋季负荷轻、夏冬季负荷重，经常会出现一个变电站多台主变投运带少量负荷的情况。

在油田电网适合采用负荷轻时停运一台主变降低变损的技术措施，具体操作首先是计算出一个变电站内主变的经济运行区，在负荷达到经济运行区时及时投停主变降低变损，如春秋季节将田庄变、滨六变、滨二变等变电站主变停运一台。此措施适合中长期运行，如几周至几月的时间内一直保持在一个运行状态，不应于一日内频繁操作，应在保持电 网稳定运行的前提下予以实施。

第六章 结 论

电网调度的主要任务是指挥电网运行，电网调度安全管理工作的好坏，将直接影响电网的安全稳定可靠运行。近年来，随着城乡电网的改造，电网技术装备水平不断提高，使电网调度的现代化程度越来越高，对电网的安全稳定运行起到了极大的促进作用。保证电网安全运行的三个条件是：①合理的电网网架结构；②可靠的继电保护；③高素质的调度人员。结合工作实际，笔者认为，在现有电网的结构下，加强调度管理，特别是加强继电保护和运行方式的运行管理，提高调度人员的素质水平，杜绝误调度、误操作事故的发生是保证电网安全运行的关键。

电力系统经济调度是电力系统运行和管理中最为重要的日常活动之一，它能准确地预测负荷，决定系统内所有的发电设备何时发电以及发多大的功率，从而极大限度地降低发电燃料消耗，减少运行成本，从而带来较大的经济效益。随着我国电力工业的高速发展，一大批重点工程已经或即将建设，特别是电力体制的深化改革和电力市场的初步建立，电力系统经济调度问题正成为十分重要和迫切的问题，它是发电厂提高效益和竞争力的重要手段。研究和开发电力系统的经济调度方法，具有巨大的经济和工程意义。

本文即针对电力系统经济调度中最常见的几个问题展开了研究。本文的主要内容如下:

1． 首先作为本文的基础，介绍了电力系统经济运行的概况，其中主要

介绍了电力系统的特点、电力系统运行状态及其相应的调度措施、对电力系统运行的基本要求等。

2． 接着，介绍了电能经济调度。主要包括电能经济调度的定义、电力

系统经济调度研究的内容、电能经济调度研究的意义、电力市场下的经济调度等内容。详细介绍了有关电力市场的原则、公平公正和经济合理以及电网安全。描述了经济调度问题的数学模型，特别是对于经典经济调度方法的阐述，说明了经典经济调度算法在实际系

统中的实用性。

3． 对油田电网输配电系统的运行状态进行了分析与研究，提出了降低

网损提高电网经济运行水平的一系列技术措施。

致 谢

本论文的工作是在导师讲师的指导下完成的。导师对我学习上的循循善诱、工作上的谆谆教诲，使我终生难忘。从导师哪里我学到了不少的知识，在思想上、态度上，导师渊博的学识、严谨的治学态度、孜孜不倦的敬业精神、为人师表的高尚风范以及宽广坦荡的胸怀，极大地激励着我不断进步。从导师那里学到的，对我的工作也有很大的帮助，导师言传身教，使我不但在科学学术上有所收益，更重要的是学到了严肃的科研作风、严谨的科学态度、创新的思维方法和勤奋的敬业精神，这一点将使我受益终身，在此深表感谢。值此论文完成之际，谨向倾注了大量心血的恩师表示深深的敬意和最诚挚的谢意。

作者感谢同学对论文工作进行的讨论和提出的建议。

最后，我为能有这样的良师益友而骄傲，感谢所有给予我帮助的人！

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