时间窗模式下机组检修计划模型研究与应用

2018-07-31马晓伟薛斌褚云龙郭少青张德亮黄红伟

电气自动化 2018年2期

马晓伟，薛斌，褚云龙，郭少青，张德亮，黄红伟

(1. 国网电网公司西北分部，陕西西安 710048； 2．北京清大科越股份有限公司，北京 100084)

0 引言

发电机组检修计划编制是电力系统调度运行的关键内容，对电网供电能力具有显著影响。随着我国电力市场化改革的不断推进，传统行政指令主导的检修计划编制模式必将改变。引入市场化调整手段，形成公平、公开的检修计划编制体制已成为电力市场下发电机组检修计划编制的必然趋势。

检修时间窗模式是当前一种较为成熟的市场化发电机组检修计划形成机制[1-2]，在美国、英国等电力市场起步较早的国家得到了较为广泛的应用。文献[3]设计了电力市场环境下发电机组检修计划调整机制，通过开展检修时间调整满足电网运行可靠性要求。文献[4]介绍了国外市场模式下发电机组按照时间窗模式申报检修计划的内容和要求。文献[5]提出了基于市场公平性的发电机组检修计划编制模型，以提升不同发电机组检修计划的时间和次数。文献[6]基于我国市场发展要求，设计了发电机组检修市场的模式，其核心思想在于引入检修成本，实现检修计划的市场化交易。文献[7]深入研究了电力市场环境下的发电机组检修问题，提出了以备用容量充裕度最大为目标的检修计划编制模型。

可以发现尽管检修市场窗模式在国外得到了广泛的开发和应用。但是由于我国电力市场改革起步较晚，相关的研究还比较少。检修时间窗模式下发电机组检修计划优化编制的模型和算法还不够成熟。

为此，本文将首先介绍发电机组检修计划时间窗编制模式，分析其技术要求和实施难点；接着从独立调度机构(Independent System Operator，简称ISO)进行检修计划优化编制的角度出发，提出系统层面发电机组检修计划优化编制的模型和算法；最后，以该模型和算法为核心，设计了发电机组检修计划优化编制的系统功能架构，并介绍了其在西北电网的应用情况。

1 时间窗模式的主要内容和实施要点

1.1 时间窗模式的主要内容

发电机组检修时间窗模式本质上是一个以时间窗口为申报主要内容的发电机组检修计划平台式管理模式。所谓“平台式”，是指发电企业能够按照其意愿申报其检修计划方案，ISO在编制最终的检修计划时必须做到公平、公正。这一点有别于当前我国大部分地区电网在进行发电机组检修计划优化时以行政指令为主导，编制过程不透明，编制结果不公平的非市场模式[3]32。在该平台上，发电企业必须按照规定向ISO申报其发电意愿，主要申报内容包括每台发电机组检修计划时段方案和各方案所对应的意愿成本。

检修计划时间方案为一台发电机组的一项检修任务的起止日期。由于发电机组检修工作的连续性要求，因此对于同一台发电机组的一项检修任务，其申报的任意方案在检修工作期间必将是连续的。意愿成本则是该发电机组为争取某一检修计划时间方案所愿意支付的费用，该费用的高低实际上就代表了该检修工作对该发电机组的重要程度。

图1所示为检修时间窗模式下一发电企业对其所辖的一台发电机组所申报的检修计划意愿方案示意图。图1中取值为1的时段表明该发电机组处于停机检修状态，取值为0则表明发电机组并不处于停机检修状态。表1为该发电机组各检修计划意愿方案时间范围、检修天数和意愿成本的基本信息。可以发现发电机组的各检修计划时间方案均为一个个类似“时间窗口”形状的连续区间。从表1可以看出不同方案下发电机组的检修意愿不同，在示例的3个方案中发电企业偏向于选择时间段，且安排时间靠前的方案1。

图1 发电机组检修时间窗申报示例

方案名称检修起止周总周数意愿成本/万元方案1[6,9]44方案2[10,14]53方案3[40,45]62

1.2 时间窗模式的实施要点

时间窗模式下发电机组检修计划编制与执行的实施流程如图2所示。其实施要点包括：

1)发电企业申报检修时间窗及各时间窗所对应的意愿成本

在ISO规定的时间范围，发电企业根据自身生产计划安排及市场评估分析，提交其所辖各发电机组的检修计划时间窗和各检修计划方案所对应的意愿成本。为了规范申报，ISO需要对其申报时间和意愿价格范围作相应规定。

2)ISO按照公平、公正的原则编制发电机组检修计划

该步骤是时间窗模式的核心内容，也是本文所研究的主要内容。ISO在接收到所有发电企业规定时间范围的检修计划申请后，在确保电网供电可靠性的前提下，按照经济原则编制发电机组检修计划。这部分的建模和求解方法将在本文下一节进行详细介绍。

3)ISO根据检修计划实际执行情况对各发电厂进行考核和补偿

根据检修计划管理要求，ISO对各发电机组实际检修计划执行情况进行统计，并按照相关标准对发电企业执行情况考核和补偿。由于各电力市场规定不同，因此考核和补偿的标准不同，这里不作赘述。

图2 时间窗模式实施流程

2 时间窗模式下检修计划模型与算法

2.1 优化目标

传统发电机组检修计划优化编制中，发电机组不同的检修时间所对应的成本难以量化。而在时间窗模式下，发电机组不同检修计划所对应的成本可通过其申报的意愿成本量化。因此，时间窗模式下发电机组检修计划优化编制的目标为所采用的检修计划时间窗满足意愿成本最小，该目标函数可表示为：

(1)

式中：NG表示系统中的发电机组台数;Ni为第i台发电机组所申报的检修计划时间窗方案数;pi,j为第i台发电机组所申报的第j项检修计划时间窗所对应的意愿成本;xi,j为0～1决策变量，代表第i台发电机组所申报的第j项检修计划时间窗被采用的状态。

2.2 约束条件

所需要考虑的约束条件包括机组检修意愿约束、电网运行可靠性约束两大类。

1)机组检修意愿约束

该约束项包括两个方面要求：①决策变量所代表的检修计划方案采用情况须为0～1变量；②任意发电机组的检修计划方案有且仅有一个被采用。上述约束条件可表示如下：

xi,j={0,1} ∀i=1,2…,NG,j=1,2…,Ni

(2)

(3)

如式(2)为决策变量取值约束，式(3)为决策变量取值之和为1的约束项。

2)电网运行可靠性约束

电网运行可靠性约束是指所安排的发电机组检修计划必须满足电力供应的备用要求。可选用失负荷概率、发电容量充裕度和备用容量充裕度等指标来对电网运行可靠性进行评价[8-9]。上述指标计算方法不同，但是从算法原理和指标含义来说，实际上可按照其是否考虑机组的运行可靠性分为确定性指标和概率性指标两大类[10-11]。在上述两大类指标中尽管指标项的计算过程有所差别，但物理含义相同，为此本文各选用一项指标来进行电网运行可靠性分析。确定性指标选用备用容量充裕度指标，概率性指标选用供电可信容量指标。为保证电网运行可靠性，要求上述两项指标不得低于规定限值。上述关系可表示如下：

Rt≥Rset∀t=1,2…,NT

(4)

Et≥Eset∀t=1,2…,NT

(5)

式中:NT为检修计划所对应的优化周期;Rt、Et分别为该运行周期内第t个运行点的备用容量充裕度和供电可信容量;Rset、Eset为所规定的备用容量充裕度限值和供电可信容量限值。

其中，第t个运行点的备用容量充裕度计算公式如下：

(6)

第t个运行点的供电可信容量计算公式如下：

(7)

式中：γi为发电机组i的故障停运率。

2.3 求解算法

本文所提出的时间窗模式下发电机组检修计划优化编制模型实际上为混合整数线性规划问题,该问题可基于Cplex等成熟软件包直接求解[5]17-18，本文不再赘述。

3 系统设计与实践应用

3.1 系统功能框架

时间窗模式下发电机组检修计划优化编制系统与传统检修计划优化编制模式的差别在于需要提供一个开放的厂网互动平台，为发电企业提供其所辖发电机组检修计划方案申报的窗口。该系统的功能框架如图3所示。整个系统按照其实现功能，可划分为三个功能模块。

1)厂网互动模块

作为ISO和发电企业信息交互的窗口，主要实现如下三方面功能:发电机组基础信息管理，检修计划方案申报和检修计划考核申诉和考核、补偿信息查询。发电企业可在其功能模块下实现对其所辖发电机组的基础信息管理，包括装机容量、故障停运率等。检修计划方案申报则是发电企业将其检修意愿按照时间窗要求的数据结构进行申报，所申报的内容包括检修时间窗和意愿成本。检修计划考核申诉和考核、补充信息查询，是在实际运行后，发电机组根据实际运行情况对ISO所公布的考核费用和补充费用对其进行查询、申诉。

2)检修计划优化编制

该功能模块为ISO发电机组检修计划编制人员所主要使用的功能模块。该模块以本文第2节所提出的时间窗模式下的发电机组检修计划优化编制模型构建。编制人员在该功能模块下除进行数据信息查询、编制外，还能根据所编制计划的备用容量充裕度、发电可信容量指标对其进行综合评估。

3)检修计划执行情况分析

该模块是按照检修计划编制结合和发电机组实际检修计划执行情况，对其进行考核和补偿。各电力市场均会根据自身情况制订其考核和补偿标准。一般来说当发电机组检修计划实际周期短于申报周期且短于全网同类检修内容平均检修周期时，表明执行情况较好，可给予适当补偿；当超过其申报周期时，则需要对其进行考核。该模块所需要的发电机组实际检修计划执行情况数据来自于发电计划编制系统。