电力经济与管理概论.ppt

基于大系统优化理论的基于大系统优化理论的电能成本分析1.背景意义电力市场电价理论电力市场电价理论uu电能成本分析电能成本分析 -电能短期成本分析电能短期成本分析 短期电价预测，是制定实时电价的基础短期电价预测，是制定实时电价的基础 优化运行，减小运行成本，安排运行方式优化运行，减小运行成本，安排运行方式 -电能长期成本分析电能长期成本分析 长期电价预测，引导长期供需平衡，进行电价宏观控制长期电价预测，引导长期供需平衡，进行电价宏观控制 uu电价形成机制电价形成机制2.章节安排uu第一章第一章 绪论绪论uu第二章第二章 电能成本分析的数学优化理论基础电能成本分析的数学优化理论基础uu第三章第三章 电能短期成本分析电能短期成本分析uu第四章第四章 机组组合问题的系统进化算法机组组合问题的系统进化算法uu第五章第五章 电能长期成本分析电能长期成本分析uu第六章第六章 电源规划问题的新算法电源规划问题的新算法uu第七章第七章 结论结论3.主要工作uu介绍了微观经济学的生产成本理论和相关数学介绍了微观经济学的生产成本理论和相关数学优化理论，着重研究了拉格朗日松弛法。优化理论，着重研究了拉格朗日松弛法。uu建立了电能短期成本分析的数学模型，用拉格建立了电能短期成本分析的数学模型，用拉格朗日松弛法进行电能短期成本分析。朗日松弛法进行电能短期成本分析。uu首次提出了系统进化算法首次提出了系统进化算法 的新概念，并成功地的新概念，并成功地应用于机组组合问题。应用于机组组合问题。uu阐述了电能长期成本分析的基本思想，对两部阐述了电能长期成本分析的基本思想，对两部制电价和一部制电价进行了详细地分析论证。制电价和一部制电价进行了详细地分析论证。uu提出了电源规划程序提出了电源规划程序JASPJASP的改进的改进 算法。算法。4.机组组合问题的优化方法评述uu启发式方法启发式方法 -局部寻优法局部寻优法 -优先顺序法优先顺序法uu数学优化方法数学优化方法 -动态规划法动态规划法 -混合整数规划法混合整数规划法 -拉格朗日松弛法拉格朗日松弛法uu人工智能方法人工智能方法 -遗传算法遗传算法5.拉格朗日松弛法及其经济意义一个经济系统成本最小化问题的数学模型一个经济系统成本最小化问题的数学模型6.拉格朗日松弛法及其经济意义拉格朗日问题拉格朗日问题7.拉格朗日松弛法及其经济意义第第i i个厂商的子问题为个厂商的子问题为 (i i=1,=1,n n)8.拉格朗日松弛法及其经济意义对偶问题对偶问题 (P-D)P-D)若若 给出任一给出任一 处处的最优解，则向量的最优解，则向量为为 处的次梯度。处的次梯度。9.拉格朗日松弛法及其经济意义次梯度法次梯度法给定初始值给定初始值 ，按照下面的关系式计算序，按照下面的关系式计算序列列 ，这里这里 为正的标量步长。为正的标量步长。10.电能短期成本分析电能短期成本分析的数学模型电能短期成本分析的数学模型uu目标函数目标函数uu系统约束系统约束 -负荷约束负荷约束 -旋转备用约束旋转备用约束11.电能短期成本分析uu机组约束机组约束 -发电机组输出功率上下限约束发电机组输出功率上下限约束 -最小运行时间和最小停运时间约束最小运行时间和最小停运时间约束 -机组加减负荷速度约束机组加减负荷速度约束 -机组开机第机组开机第1 1小时或停机前小时或停机前1 1小时的功率约束小时的功率约束 -机组旋转备用约束机组旋转备用约束12.电能短期成本分析电能短期成本分析的拉格朗日松弛法电能短期成本分析的拉格朗日松弛法松弛系统约束（负荷约束和旋转备用约束），形松弛系统约束（负荷约束和旋转备用约束），形成拉格朗日函数成拉格朗日函数13.电能短期成本分析设设底层问题用于解决单台机组的优化问题底层问题用于解决单台机组的优化问题要满足所有机组约束。要满足所有机组约束。14.电能短期成本分析上层问题为优化拉格朗日乘子，即解对偶问题上层问题为优化拉格朗日乘子，即解对偶问题约束条件约束条件15.电能短期成本分析采用次梯度法求解对偶问题。采用次梯度法求解对偶问题。对任意给定的对任意给定的 和和 ，次梯度分别为，次梯度分别为次梯度法即给定次梯度法即给定 和和 以及正的步长序列以及正的步长序列16.电能短期成本分析通过迭代计算序列通过迭代计算序列 对于对于 j=0,1,2,.j=0,1,2,.直到找到直到找到 和和 的最优值。的最优值。迭代步长迭代步长 17.电能短期成本分析系统某典型日负荷曲线18.电能短期成本分析边际发电运行成本随时间变化趋势19.机组组合问题的系统进化算法系统进化算法系统进化算法系统进化算法系统进化算法=分解协调法分解协调法分解协调法分解协调法+进化优化算法进化优化算法进化优化算法进化优化算法(Cooperative Coevolution)Cooperative Coevolution)将大系统分解成一系列的子系统并考虑子系统间将大系统分解成一系列的子系统并考虑子系统间的关联和协调，形成多层的优化问题，再在适当的关联和协调，形成多层的优化问题，再在适当的层次结合进化优化算法，形成一种新的算法框的层次结合进化优化算法，形成一种新的算法框架，这种算法兼有分解协调法和进化优化算法的架，这种算法兼有分解协调法和进化优化算法的优点，适合于解决大系统的优化问题，可称之为优点，适合于解决大系统的优化问题，可称之为系统进化算法。系统进化算法。20.机组组合问题的系统进化算法系统进化算法框架21.机组组合问题的系统进化算法解下层子问题的遗传算法解下层子问题的遗传算法uu采用二进制编码，染色体的采用二进制编码，染色体的1 1位表示位表示1 1个时段的个时段的开停机状态，开停机状态，1 1表示开机，表示开机，0 0表示停机。表示停机。uu需要对交叉和变异操作后的编码进行启发式修需要对交叉和变异操作后的编码进行启发式修正。正。uu对火电机组加减负荷速度约束的处理是直接调对火电机组加减负荷速度约束的处理是直接调整与惩罚函数法相结合的方法。整与惩罚函数法相结合的方法。22.机组组合问题的系统进化算法对偶问题的随机优化过程解对偶问题的随机优化方法解对偶问题的随机优化方法23.机组组合问题的系统进化算法最终解的统计分析最终解的统计分析最终解总耗量分布图24.机组组合问题的系统进化算法系统机组台数对计算时间的影响系统机组台数对计算时间的影响计算时间随机组台数的变化25.机组组合问题的系统进化算法调度期间时段数对计算时间的影响调度期间时段数对计算时间的影响计算时间随调度期间时段数的变化26.电能长期成本分析按长期边际成本定价27.电能长期成本分析两部制电价两部制电价分时定价模型28.电能长期成本分析一部制电价一部制电价两部制电价的隐含的基本假设两部制电价的隐含的基本假设uu通过通过LOLPLOLP或目标备用裕度确定的固定的容量或目标备用裕度确定的固定的容量需求。需求。uu价格弹性系数为价格弹性系数为0 0的静态负荷曲线。的静态负荷曲线。uu现有发电机组的全年一致的可靠性或期望可用现有发电机组的全年一致的可靠性或期望可用度。度。29.电能长期成本分析若电力公司规定市场进入者若电力公司规定市场进入者必须按传统的必须按传统的LOLPLOLP或备用裕度规划备用容量，将导致以下问题或备用裕度规划备用容量，将导致以下问题uu管制的，而非经济的容量目标。管制的，而非经济的容量目标。uu人为的供电联营规模，导致扭曲的电能价格。人为的供电联营规模，导致扭曲的电能价格。uu继续靠供给方平衡市场，而不是让负荷随一部继续靠供给方平衡市场，而不是让负荷随一部制价格变化。制价格变化。uu不能公平接纳不提供不能公平接纳不提供“额定额定”的发电和备用容的发电和备用容量分额的供给方技术。量分额的供给方技术。30.电能长期成本分析一部制电价市场31.电能长期成本分析两部制电价市场32.电能长期成本分析两部制市场电能长期边际成本计算两部制市场电能长期边际成本计算一部制市场电能长期边际成本计算一部制市场电能长期边际成本计算33.电源规划问题的新算法JASP JASP 电源规划模型包括电源投资决策和生产优电源规划模型包括电源投资决策和生产优化两部分。化两部分。电源投资模型决策生产优化模型X,Y Z电源规划模型结构34.电源规划问题的新算法电源投资决策模型电源投资决策模型uu目标函数目标函数uu约束条件约束条件 -电力平衡条件电力平衡条件 35.电源规划问题的新算法 -电量平衡条件电量平衡条件还要满足投资决策变量的非负性约束和各待选电还要满足投资决策变量的非负性约束和各待选电厂的约束条件。厂的约束条件。vvJASPJASP原算法采用包括爬山和排序过程的启发式原算法采用包括爬山和排序过程的启发式算法进行电源投资决策。算法进行电源投资决策。vvJASPJASP新算法采用拉格朗日松弛法进行电源投资新算法采用拉格朗日松弛法进行电源投资决策。决策。36.电源规划问题的新算法电源投资决策的拉格朗日松弛法电源投资决策的拉格朗日松弛法拉格朗日函数拉格朗日函数37.电源规划问题的新算法下层问题用于解决单个发电厂的优化问题下层问题用于解决单个发电厂的优化问题火电子问题火电子问题 (P-P-i i),),i i=1,=1,N Ngfgf水电子问题水电子问题 (P-P-j j),),j j=1,=1,N Nghgh抽水蓄能子问题抽水蓄能子问题(P-P-j j),),j j=N Nghgh+1,+1,N Nghgh+N Ngpgp38.电源规划问题的新算法上层问题为优化拉格朗日乘子，即解对偶问题上层问题为优化拉格朗日乘子，即解对偶问题约束条件约束条件 ，。对于任意对于任意 、，其次梯度分别为，其次梯度分别为 39.电源规划问题的新算法系统指标系统指标原算法新扩建的容量为原算法新扩建的容量为5200 5200 MWMW。新算法新扩建新算法新扩建的容量为的容量为5000 5000 MWMW。新算法少安装新算法少安装1 1台台600 600 MWMW的的火电机组，多安装火电机组，多安装1 1台台300 300 MWMW的火电机组和的火电机组和2 2台台50 50 MWMW的水电机组。可见新算法方案减少了大容的水电机组。可见新算法方案减少了大容量火电机组的投建，而改善了系统的调峰性能，量火电机组的投建，而改善了系统的调峰性能，电源结构更合理。电源结构更合理。40.电源规划问题的新算法目标函数值的变化情况41.电源规划问题的新算法 误差DE的变化情况42.主要结论uu对于求解整数和组合规划问题的拉格朗日松弛对于求解整数和组合规划问题的拉格朗日松弛法，建立了经济模型，应用对偶优化原理，首法，建立了经济模型，应用对偶优化原理，首次提出了详尽的价格机制解释。用拉氏方法求次提出了详尽的价格机制解释。用拉氏方法求解电能短期成本分析的数学模型，提出从拉氏解电能短期成本分析的数学模型，提出从拉氏方法对偶解形成原问题可行解的一种通用的全方法对偶解形成原问题可行解的一种通用的全局优化方法。计算结果说明方法的正确性。局优化方法。计算结果说明方法的正确性。43.主要结论uu首次提出系统进化算法的概念。对于机组组合首次提出系统进化算法的概念。对于机组组合问题的具体实现是用拉格朗日函数松弛系统约问题的具体实现是用拉格朗日函数松弛系统约束，约束条件松弛后的系统优化问题可分解为束，约束条件松弛后的系统优化问题可分解为一系列子系统的优化问题，用遗传算法求解子一系列子系统的优化问题，用遗传算法求解子优化问题，而用随机优化方法求解对偶问题。优化问题，而用随机优化方法求解对偶问题。计算结果表明算法收敛性好，最终解的质量很计算结果表明算法收敛性好，最终解的质量很高，从根本上解决了进化算法对于大系统优化高，从根本上解决了进化算法对于大系统优化计算时间过长的问题。计算时间过长的问题。44.主要结论uu对按长期边际成本定价的两部制电价和一部制对按长期边际成本定价的两部制电价和一部制电价进行了详细分析论证。在电力市场条件下，电价进行了详细分析论证。在电力市场条件下，采用一部制电价将引导有效容量规划，这是提采用一部制电价将引导有效容量规划，这是提高社会效益的关键。将电源规划程序高社会效益的关键。将电源规划程序JASPJASP应用应用于电能长期成本分析，采用负荷微增法计算电于电能长期成本分析，采用负荷微增法计算电能长期边际成本。计算结果证实了一部制电价能长期边际成本。计算结果证实了一部制电价的合理性。的合理性。45.主要结论uu电源规划程序电源规划程序JASPJASP的模型包括电源投资决策和的模型包括电源投资决策和生产优化两部分。本论文提出的改进算法用拉生产优化两部分。本论文提出的改进算法用拉格朗日松弛法进行电源投资决策，使格朗日松弛法进行电源投资决策，使JASPJASP更趋更趋严谨完善。计算结果表明，新算法求得的解投严谨完善。计算结果表明，新算法求得的解投资和运行费更少，电源结构更合理。对于大规资和运行费更少，电源结构更合理。对于大规模电力系统，算法具有很快的收敛速度和很好模电力系统，算法具有很快的收敛速度和很好的收敛性。的收敛性。46.思考题1电能短期成本分析的数学模型如何推广到水火电能短期成本分析的数学模型如何推广到水火电混合系统？电混合系统？2电能短期成本分析数学模型与常规的机组组合电能短期成本分析数学模型与常规的机组组合模型有哪些主要区别？模型有哪些主要区别？3按电能短期成本分析进行定价与目前提出的按电能短期成本分析进行定价与目前提出的“竞价上网竞价上网”的区别及合理性？的区别及合理性？4在作者提出的拉格朗日松弛框架下遗传在作者提出的拉格朗日松弛框架下遗传随机随机优化算法中，收敛的含义是什么？作者是否将优化算法中，收敛的含义是什么？作者是否将此算法同传统的动态规划此算法同传统的动态规划次梯度法比较？次梯度法比较？47.思考题5请作者简单说明拉格朗日松弛框架下对偶函数请作者简单说明拉格朗日松弛框架下对偶函数的凹性与原问题及子问题的形式有无关联？为的凹性与原问题及子问题的形式有无关联？为什么？什么？凹函数的定义凹函数的定义凹函数的定义凹函数的定义 考虑优化问题考虑优化问题 48.思考题 拉格朗日函数拉格朗日函数 对偶函数对偶函数 49.思考题 则显然则显然 所以所以不论原问题及子问题的形式如何，对偶函不论原问题及子问题的形式如何，对偶函数总是凹的数总是凹的。50.思考题6电能成本与特定交易机制下的实时电价有无必电能成本与特定交易机制下的实时电价有无必然联系？成本在竞标形成的电价中如何体现？然联系？成本在竞标形成的电价中如何体现？7论文要解决的是非线性、离散和有时间耦合约论文要解决的是非线性、离散和有时间耦合约束的问题，在取得全局最优和遗传收敛方面，束的问题，在取得全局最优和遗传收敛方面，仅用文中的例题说服力不足。目前各电网竞价仅用文中的例题说服力不足。目前各电网竞价软件因报价变化大（实际市场中的报价依据不软件因报价变化大（实际市场中的报价依据不完全是成本），得出的结果机组启停频繁，各完全是成本），得出的结果机组启停频繁，各时段分配功率变化过大，是当今难以克服的困时段分配功率变化过大，是当今难以克服的困难。作者的计算中是否遇到了这些问题？难。作者的计算中是否遇到了这些问题？51.思考题8电力市场中的机组组合在什么场合下进行？用电力市场中的机组组合在什么场合下进行？用于发电厂？发电公司？还是电网公司？于发电厂？发电公司？还是电网公司？52.