发购电计划节能减排论文范文

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1发电调度计划与电力市场对节能减排的考虑

1.1发电调度计划对节能减排的考虑从节能减排的角度看，电力系统发电计划调度模式主要包括节能发电调度计划模式、环境经济发电调度计划模式以及含节能减排因素的经济发电调度计划模式[5-6]。其调度目标可分别简述为火电机组的运行能耗最低、火电机组的运行费用和污染气体排放综合最低、火电机组运行费用最低等三个方面。1)节能发电调度计划模式[5]。该模式是我国电力行业结合其自身特殊的电源结构，在原有的“三公”经济发电调度计划基础上提出的。其主要原因在于目前我国电力行业以火电为主，且火电机组的煤耗率较高(或称能耗水平较低)，其重点强调是降低一次能源的消耗问题，即节能问题。2)环境经济发电调度计划模式[6]。该模式主要由欧美等发达国家首先提出，由于这些国家火电机组的煤耗率较低以及其电源结构以清洁能源为主，其重点强调的是火电机组调度运行中的污染气体排放(即减排问题)和经济性的协调。3)含节能减排因素的经济发电调度计划模式[7]。该模式在经济发电调度计划模式的框架内将电力系统调度运行中各机组对应的能耗价值、环保价值以及对系统安全运行的影响等诸多因素采用可量化的货币价值，再利用传统的经济发电调度计划模式进行发电调度。需指出的是，这种模式本质上是采用了市场化的方法将各机组的能耗、污染气体以及对系统安全运行等的影响转化到了统一的货币化度量平台，其运行条件必须依赖于电力市场的成熟以及交易规则的完善。

1.2电力市场对节能减排的考虑基于市场化的手段考虑电力系统节能减排主要包括以下五种模式：节能电力市场模式、基于外部成本内置法的电力市场模式、基于排放权交易的电力市场模式、基于可再生能源电价政策的电力市场模式以及基于发电权交易的电力市场模式。1)节能电力市场模式[8]。该模式主要借鉴了节能发电调度计划的思想，通过在电力市场中增加能耗惩罚或者能耗约束的方式，使得购电单位在满足自身经济效益最大化的同时，还要兼顾社会效益最大化，从而达到促进电力系统节能减排的目的。2)基于外部成本内置法的电力市场模式[9]。该模式采用了外部成本内置法的方法对火电机组的化石燃料外部环境成本进行测算和货币化，并将其计入到发电燃料的内部成本中。该方法本质上是对市场交易中各售电单位的原始报价进行了环境因素的修正，从而使得电力市场的交易主体在追求经济效益最大化的过程中蕴含了环境污染最小化的思想。3)基于排放权交易的电力市场模式[10]。排放权交易是为减少温室气体排放而设立的，其本质思想是任何企业要排放温室气体，则其必须拥有相应数量的排放权。排放权不足的企业可以从排放权市场上购买排放权；而排放权剩余的企业可在市场上出售排放权，获得收益。排放权的价格由市场供需决定，排放权交易产生的成本或者收益其实就是外部环境成本的货币化体现。4)基于可再生能源电价政策的电力市场模式[11]。该模式主要是为了促进可再生能源的发展，为避免可再生能源由于技术成本较高无法参与市场竞争的一种保护政策。该模式为可再生能源企业提供了有利的市场环境，可以更好地促进电力系统节能减排效益的最大化。5)基于发电权交易的电力市场模式[10]。发电权是指各类发电机组在政府下发的年度发电量计划或者通过发电权交易竞争获得的发电电量，而发电权交易是指发电企业将部分或全部发电权电量有偿转让给有剩余发电能力的高效率机组。该交易作为现阶段电力市场节能减排的重要品种，是通过市场化手段实现电力行业节能减排目标的重要手段，而实际中也取得了节能降耗和保护环境的双重实效。

2考虑节能减排的发购电计划研究述评

2.1考虑节能减排的发电调度计划研究述评节能发电调度计划是实现节能降耗的重要手段，现有文献无论从国家层面还是结合节能发电调度计划试点运行均产生了大量研究成果。如2007年8月，文献[5]从国家层面制定的《节能发电调度办法(试行)》成为指导节能发电调度计划工作开展的纲领性文件。在此背景下，文献[12-14]分别结合广东、四川和贵州节能发电的实施情况建立了节能发电调度计划模型。其中文献[12]重点考虑了网络约束、时段耦合和网损等3个问题，并提出了启发式的2阶段算法求解所建模型，该算法能够较好地处理“寻优”与“时段耦合”之间的关系。文献[13]重点从实时节能调度的角度建立线性化的增量交易模型，并基于等微增率原理最优次序法求解所建模型，该算法具有计算快速、鲁棒性好的优点。文献[14]重点考虑网损对节能调度计划的影响，该模型采用了2阶段算法求解。然而，上述文献均在日或实时调度的时间范畴内研究节能发电问题，为了实现节能效益时间尺度上的统筹，也有一些文献在月度范畴内建立了节能发电调度计划模型并给出了求解算法。如文献[15]定性提出了建立月度节能发电调度计划模型的基本框架，并给出了其与日发电调度计划的协调方法和求解该类问题的通用算法，即将模型中的约束条件适当转化后利用标准的非线性优化软件包求解。文献[16-17]则利用机组有序启停方式建立了月度节能发电调度计划模型，以实现在“三公调度”基础上系统煤耗最小，所建模型采用启发式算法求解。上述文献重点从发电侧节能降耗的角度开展研究，没有考虑需求侧对发电调度计划节能降耗的影响，而实际中通过需求侧管理也能在一定程度上实现节能降耗。由此，文献[18-19]提出一种基于需求侧节能降耗的节能发电调度计划模型；文献[20-21]则建立了考虑采暖需求管理的节能发电调度计划模型。上述模型均采用了成熟的非线性规划软件包求解。

鉴于上述文献的优化空间均在一个省网内，其优化空间有限，为了在更大的空间范畴实现发电调度计划节能降耗的统筹，文献[22]提出了建立考虑空间尺度协调的节能发电调度计划基本框架；文献[23-25]则重点引入了经济学中高低匹配的思想在跨省的区域电力市场范畴内建立了节能发电调度计划模型，其中文献[24-25]还给出了基于撮合交易的启发式算法求解所建模型的思路。考虑到采用集中式的节能发电调度计划时发电企业的自主权受到较大约束，从而影响了节能发电调度的深入开展，文献[26]通过授予发电企业较大自主权的方式，更有效地将发电指标从能耗高机组向能耗低机组的转移，从而实现了发电调度计划的节能降耗。而文献[27]则进一步考虑发电侧、用户和调度中心的三方互动，初步构建了智能电网环境下互动式节能发电调度计划体系的基本框架。目前该类问题还处于定性探索性研究阶段，未见具体的模型和求解算法的研究文献报道。上述文献均没有考虑污染气体排放对节能发电调度计划的影响，为了兼顾污染气体排放的控制，文献[28-30]从节能和减排2个角度建立节能发电调度计划多目标模型。其中，文献[28]采用了拉格朗日松弛算法求解模型；文献[29]通过对煤耗微增率特性曲线分段线性化后，采用线性规划法求解所建模型；文献[30]采用了非线性多目标加权模糊优化算法求解所建模型。在环境经济发电调度计划中，文献[31-32]提出了在经济发电调度计划中考虑污染气体排放管理的基本思想。文献[33-35]建立了纯火电系统的环境经济发电调度计划模型。前者采用了混沌遗传混合优化算法求解；后两者均采用经典的非支配排序遗传算法解。文献[36]重点研究了水火电力混合系统的环境经济发电调度计划模型，采用了多目标差分进化算法求解所建模型。文献[37]建立了考虑含热电联产机组的环境经济发电调度计划模型，模型采用了经典的遗传算法求解。另外，也有文献重点在市场环境下展开了对环境经济发电调度计划模型的研究。如文献[38]在排污权交易的市场背景下建立了环境经济发电调度计划模型；文献[39]则强调了更广域的市场环境下实现节能减排来建立环境经济发电调度计划模型，所建模型采用了基于电网分解与协调原理的分布式并行算法求解。显然，上述文献均没有考虑风电出力、负荷功率的随机性对发电调度计划节能减排的影响，无法满足未来大规模绿色能源接入以及负荷需求多样化的需要。考虑风电出力，负荷随机性的节能减排发电调度模型，其重点在于强调如何兼顾风电良好的节能减排特性和出力随机性之间的矛盾，以使得所建立的发电调度计划模型能够确保在风电出力和负荷功率随机性造成电网运行条件恶化的环境下，尽可能实现电力系统发电调度计划节能减排和经济效益的综合最优化。考虑风电出力随机性对节能发电调度计划的影响，文献[40-41]在日调度周期内分别建立了负荷分配和机组组合节能发电调度模型。前者采用了遗传算法求解，后者采用了量子遗传算法求解。文献[30]综合考虑风电、水电的随机性，采用MonteCarlo随机模拟的方法首先模拟出风电、水电电量，再以此作为已知值建立节能发电调度计划模型。由于在建立模型前，模型中的风电和水电等数据是已知的模拟值，故本质上该模型仍属于确定性的模型范畴。同时还需指出的是，由于该模型研究的是月度时间范畴，忽略负荷随机性有待商榷。电力市场环境下考虑风电等随机性的环境经济发电调度计划，其基本思想是将各类机组的环境价值、能耗价值以及对电网安全运行的正面或者负面影响，均折算成经济价值，再进行经济发电调度计划的决策。如文献[43]就是这一思路的最好佐证。

基于上述思路的延续，文献[44]进一步考虑了风电备用容量补偿成本及风电场“负效率”运行的影响，建立了基于风电场极限穿透功率惩罚成本的经济发电调度计划模型。考虑所建模型是一个复杂的非线性问题，该模型采用了遗传算法求解。文献[45]则通过加入备用罚函数、风电盈余罚函数和污染评估罚函数来建立考虑风电成本的发电调度模型，该模型也采用了遗传算法求解。文献[46]通过分析风电出力可能被高估和低估的概率，对风电接入将导致系统维持稳定运行的成本增加风险加以考虑，构建了含风电机组的电力系统环境经济发电调度计划模型，所建模型采用了非劣排序微分进化的多目标优化算法求解。文献[47]则重点通过引入利润备用容量惩罚成本构建含风电机组的经济发电调度计划模型，由于所建模型是在含机会约束的随机规划框架内建模，该模型采用了MonteCarlo和遗传算法相结合的智能算法求解。鉴于目前全球温室效应突出，考虑节能减排的环境经济发电调度计划中，也有重点从温室气体CO2排放的角度研究低碳发电调度。本质上而言，该类模型是节能减排发电调度模型的具体化(即将多种排放气体的控制改变为直接针对CO2)。如文献[48-49]均将CO2的排放作为一类可调度的资源，在综合考虑低碳电力技术、碳成本和碳约束等要素的基础上，建立了低碳电力调度模型以协调“电平衡”与“碳平衡”。一般而言，考虑节能减排的发电调度计划模型会在一定程度上增大系统网损，而在随机环境下发电调度的系统网损会变得愈加明显，基于这一思考，文献[50]建立考虑交流潮流安全约束的环境经济发电调度计划模型，从而确保了优化结果的最优性。该模型采用了细菌觅食算法(BacterialForagingAlgorithm)求解。鉴于风电出力随机性较大，传统文献中只考虑上旋转备用的发电调度计划模型已不能够满足发电调度的需要，由此，含风电出力随机性的发电调度模型需要考虑上下两种旋转备用。其中，上旋转备用用来应对风电场出力突然较少或者火电机组强迫停运；下旋转备用用于应对负荷突然减少或风电场出力突然增加。基于这一客观事实，文献[51]重点考虑系统上、下旋转备用容量的影响，构建了含风电场的环境经济发电调度计划模型，所建模型采用了差分进化算法求解。文献[52]通过计算下一个调度日风电场实际出力的条件期望与计划出力的差值，确定了风电对系统上、下旋转备用的需求来建立环境经济发电调度模型，所建模型采用了粒子群算法求解。文献[53]则提出了考虑风电渗透功率的增、减出力旋转备用量化模型，所建模型采用了粒子群算法求解。文献[54]通过定义风电功率间歇波动引起系统备用紧张程度指标以规范化风电备用风险，从而建立了一体化制定经济发电与旋转备用的经济发电调度计划模型。所建模型采用分解交替迭代求解策略，即将原问题分解为经济发电和旋转备用2个混合优化子问题求解。为应对风电随机性导致的电网运行安全问题，也有文献将风电出力作为“可控”的优化变量。如文献[41,55]认为在风电预测出力范围之内其出力可向下调整，从而避免了风电出力随机性可能带来的网络安全问题。本质上而言，这种思路在风电出力无法不满足电网运行安全要求时，采用了“弃风”手段来确保调度方案的可行性。这在风电等随机性绿色能源的渗透率较高，以及其随机性较大时的电网系统中具有一定实用价值。

严格意义上讲火电机组的出力存在“阀点效应”，为了使得建立的发电调度计划节能减排模型更具合理性，应该考虑火电机组阀点效应对发电调度计划节能减排的影响。基于这一认识，文献[56-57]建立了含火电机组阀点效应的发电调度计划模型。但需指出的是，阀点效应的考虑改变了机组能耗与出力之间函数关系的单调性，大幅增加了模型的求解难度。基于此，上述文献均采用了智能算法中的粒子群算法求解。文献[57-59]考虑风电出力、负荷功率的随机性，建立了多场景环境经济发电调度计划模型。这类模型的优点在于充分描述了风电出力和负荷随机性对环境经济发电调度计划的影响，但其优化结果的准确性依赖于场景数的多少。当场景数较大时模型求解非常困难；当场景数较少时其优化结果的最优性又得不到保证。上述模型均采用了改进的粒子群算法求解，以提高模型求解效率和优化结果的最优性。纵观发电调度计划节能减排优化方法的研究现状，节能发电调度计划、环境经济发电调度计划以及到考虑节能减排因素的经济发电调度计划三者本质上均是在追求在满足机组和电网安全等各种约束条件下，如何兼顾节能减排以及经济效益最大化问题。现有文献重点研究了各类随机因素对发电调度计划内在运行条件的影响，如旋转备用、电网安全、网损等因素。但是，针对发电调度计划中节能减排问题，现有文献均停留在含确定性的节能减排评估指标优化模型的研究范畴，特别是还缺乏节能减排的风险防范和管理意识。

2.2市场环境下考虑节能减排的购电计划研究述评在西方发达国家，由于建立了严格的环境监管体系、提高了排放税收额度、引入了大气排放物(主要是CO和NOX)的额度交易等措施，其考虑节能减排的市场机制较为成熟，从而使得电力行业中的发电企业不得不将环保上的成本和效益体现在发电报价中，通过市场机制执行了政府在节能和环保上的导向作用。所以，在西方发达国家，现有的市场环境下的购电计划模型，在考虑节能减排因素后依然适用。在我国，由于电力市场还处于发展的初级阶段，且还面临节能减排的巨大压力，故非常有必要结合我国电力系统节能减排的实际情况，再借鉴成熟电力市场的研究经验来研究基于市场化手段的电力系统节能减排问题。基于以上认识，有学者针对我国电力系统节能减排的实际情况提出了节能电力市场的概念，并对其进行了探索性研究。文献[60]提出了采用市场机制的节能发电调度计划安排原则及节能发电的调度模式，为节能减排与电力市场的结合打下了基础。文献[8]定性探讨了节能优先、能耗电价和能耗约束三种节能电力市场模式的初步方案。文献[61]则明确提出了兼顾节能减排和电力市场的初步方案，但对于如何进行节能减排与电力市场的深度结合还需作深入研究。文献[62]明确提出了节能发电调度计划与电力市场两个层面的节能降耗模型，在节能发电调度计划的技术层面中考虑煤耗、网损、排污等因素确定调度优先级；而在电力市场层面则根据交易双方的报价水平以及引起网损的变化来确定交易优先级。延续上述研究思路，文献[63]结合我国湖北省在电力市场开展节能减排的实际情况，初步设计了涵盖年度与月度电力市场的节能减排交易模式，其核心思路是首先确保新能源、清洁机组分配到合理的发电空间，然后再以购电费用最小(社会福利最大)为原则安排火电等机组的电能交易。文献[64]明确提出了准市场化的节能发电调度计划模式。文献[65]提出了能耗权交易和能耗折价标准的概念，实现了能量、能耗、排污三者统一的市场评价标准。在此基础上再按照社会综合成本最小化的目标来优化调度发电机组。在上述研究成果基础上，文献[66]进一步提出了细分节能电力市场模式的概念，但市场细分后由于各市场的竞争者较少，该市场模式存在市场力干扰的可能性极大。上述文献还处于对节能电力市场模式设计的初步阶段，具体表现在：这些节能电力市场模式以定性研究为主，没有形成完整的节能电力市场模式；没有涉及到市场主体在节能电力市场环境下购电方法的研究；没有考虑绿色能源和负荷需求随机性对市场交易节能减排的影响。另一方面，就区域电力市场环境下的购电计划模型来看，文献[67]只考虑了电量的优化分配问题，也没有考虑绿色能源、负荷需求等随机性因素的影响，其研究成果无法满足我国广域电力市场环境下通过跨省交易实现节能减排的需要。

3电力系统节能减排还需深入研究的问题

如前论述，电力系统节能减排问题是全球学术界和工程界共同关注的重大问题，然而在智能电网和电力市场的建设中，现有研究无法满足电力系统节能减排的诸多诉求，提炼目前的发购电计划研究现状，主要有如下3个问题还需要作深入研究。1)从随机环境下发购电计划节能减排角度来看，现有文献均停留在含确定性的节能减排度量指标的优化模型研究范畴，特别是还缺乏节能减排的风险管理和防范意识。由此，在随机环境下，如何实现发购电计划节能减排的风险管理还需要深入研究。2)从广域电力市场环境下发购电计划节能减排角度来看，现有文献在电网结构较为薄弱或者系统峰谷差较大的环境下，可能无法满足特高压环境下跨省发/购电节减排的需要。由此，如何计及系统调峰和网络潮流安全约束，实现广域电力市场发购电计划节能减排的优化及风险管理还需作深入研究。3)从智能电网和电力市场的建设进程来看，现有发购电计划研究中没有考虑电动汽车、超级储能装置、源荷互动等对电力系统节能减排的影响，而上述环节的研究和发展方兴未艾。由此，如何计及上述因素对发购电计划节能减排的影响及其风险管理还需作深入研究。

作者：文旭郭琳王俊梅单位：国网重庆市电力公司电力科学研究院国网重庆电网电力交易中心