（管理科学与工程专业论文）市场机制下电网规划研究.pdf

捅辣 j - 1 一 目前，我国的电力系统改革步伐已进行了6 年，但电力市场环境还很不完善， 电网发展的自身原因及长久以来的“重发轻供”，使得电网发展滞后，且不确定因 素在今后电网发展中日益增多，本文提出市场机制下的电网规划应该是满足经济 增长、市场需求、具有科学灵活性、经济性、最优性。为此，论文针对该领域中 几个关键性问题进行了研究，取得如下成果： 一、运用经济学市场需求理论与负荷预测理论相结合，论证市场需求决定电 网规划，进而引导发电侧生产。本文在经济增长、价格和效率的基础上引入城市 化和工业化这两个重要因素，运用协整与误差纠正模型的分析方法解释了河南省 近2 0 年以来电力消费与经济增长之间存在长期稳定关系，提高了模型预测的精度 和稳定性，并对今后2 0 年的电力需求进行了外推预测。 二、在系统研究地理信息空间分析的主要内容、相关学科基础、前沿方向等 问题的基础上，引入空间分析中电力g i s 和第四维概念，旨在寻求一种新的电网 规划思路。在变电站选址方面，提出了基于电力g i s 的模糊模式识别模型，将模 糊模式识别理论应用于电网规划中的变电站选址综合评价过程，解决了应用解析 方法进行空间选址，其选址结果难于实施和定量评价、排序的问题。 三、开展市场机制下基于数据包络模型的电网规划经济学分析，从传统投资 决策方法出发，结合风险投资的特点，深入分析电网投资项目的费用与效益的构 成及其对评价结果的影响，丰富和深化了现有电网投资效益评价的研究。重点将 d e a 包络方法运用于电网投资效益分析中，通过构建输入输出指标，进一步完善 成本效益分析方法在电网投资规划中的应用。 四、通过对电网企业的投资风险研究，提出了基于m a s 合作博弈论的电网 规划投资激励策略，以缓解电网规划中遇到的资金不足问题。联合投资是输电投 资者倾向采取的策略，运用m a s 方式合作博弈提出了输电投资成本的分摊准则， 基于核子的解法解决了已有分配方法不存在最优解或存在多个解的问题。 五、本文系统研究了基本蚁群算法的优化计算过程中的几个关键因素、关键 环节，结合输电网络优化这一具体问题的特点，提出引入口与联动公式和信息 素挥发因子的自适应两方面改进的蚁群算法，应用于电网优化规划中，得到全局 最优解，经过改进的蚁群算法优化方法提高了网络优化规划过程中得到全局最优 解的收敛速度。 关键词：电网规划市场机制空间分析效益分析投资分摊网络优化 a b s t r a c t t h et r a n s m i s s i o ng r i df a c e ss o m ec h a n g e si nt h er e f o r m i n ge n v i r o n m e n tb e c a u s e t h eg e n e r a t i o na n dt r a n s m i s s i o nh a v eb e e nd i v i d e di n t ot w oi n d e p e n d e n t d e p a r t m e n t s f o ra b o u t6y e a r s i n t r o d u c i n gt h ec o m p e t i t i o na n dp u s hm a r k e t - o r i e n t e dd e r e g u l a t i o n i st h et e n d e n c yo ft h ee l e c t r i cp o w e rs e c t o ra l lo v e rt h ew o r l d s ot h et r a d i t i o n a l t r a n s m i s s i o np l a n n i n gm e t h o d o l o g y , m o d e la n da n a l y s i st h e o r ya r en o ts u i t a b l ef o rt h e m a r k e tc o n d i t i o nd u et ot h eu n c e r t a i n t i e so fi n v e s t m e n t , l o a da n dp o l i c i e s t r a n s m i s s i o np l a n n i n gp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ee l e c t r i cm a r k e t i ts h o u l db e m a r k e t o r i e n t e d ，f l e x i b l e ，e c o n o m i c ，a n do p t i m u m ，s ot r a n s m i s s i o np l a n n i n g i sa n o t i c e a b l ep r o b l e m f i r s t l y , c o n c e mt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee l e c t r i cc o n s u m p t i o na n de c o n o m i c d e v e l o p m e n tb a s e do nt h ec o i n t e r g r a t i o nt h e o r ya n de r r o r - c o r r e c t i o nm o d e l ，w i t ht h e d a t ao fh e n a np r o v i n c e s e t t i n gt h el o n g - r u ne q u i l i b r i u me q u a t i o na n dt h ev e c m o d e l ，a n a l y s i n gt h ec h a n g i n ga n dt r e n do f t h ee l e c t r i cc o n s u m p t i o na n de c o n o m i c d e v e l o p m e n t ，a n df o r e c a s t i n gt h ee l e c t r i cc o n s u m p t i o n o f h e n a n s e c o n d l y ，s y s t e m sa n a l y s i st h eb a s i cc o n c e p t i o n ，m o d e l s ，s t r u c t u r ea n dm a n a g e o ft h eg e o g r a p h ys p a t i a la n a l y s i s ，t h ed a t am o d e la n dt h ed a t as t r u c t u r eo ft h ep o w e r g i sa r ep u tf o r w a r d ，a n dt h ec o n c e p to ft h ef o u r t hd i m e n s i o ni np o w e rg i sa f f o r d sa n e ww a yf o rt h et r a n s m i s s i o np l a n n i n g t h e r ei sab a s i ct h o u g h tw a yt od e a lw i t ht h e c o s m i c a l l yh e r e r o g e n e i t hd a t a a n dt h e i rf u s i o ni na l l u s i o nt oe l e c t r i cp o w e r e s t a b l i s h m e n tl o c a t i o n t h et h e o r i e so ff u z z ym o d ei d e n t i f yh a db e e nu s e di nt h e s y n t h e s i se v a l u a t i o np r o c e s so f s u b s t a t i o nl o c a t i n gi nt r a n s m i s s i o ng r i dp l a n n i n g t h i r d l y , a na p p r o a c ho nd e a f o re v a l u a t i o no nd i s t r i b u t i o ni n v e s t m e n tp r o j e c ti s p r o p o s e d b a s e do nt h et r a d i t i o n a l i n v e s t m e n td e c i s i o nm e t h o d ，c o n s i d e r i n gt h e f e a t u r eo fr i s ki n v e s t m e n t , t h r o u g hc h o o s i n gt h ei n p u ta n do u t p u ti n d i c e s ，t h e d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sad e am o d e lt oe v a l u a t ed i s t r i b u t i o ni n v e s t m e n tp r o j e c t sw i t h e c o n o m i cr i s ka n dc o n s t r u c t i n ga no p t i m a ld e c i s i o nm a k i n gu n i tt op e r f e c tt h e r e s e a r c ho fc o s t b e n e f i ta n a l y s i sm e t h o dw i t h i nt h ea p p l i c a t i o no ft h et r a n s m i s s i o n i n v e s t m e n tp l a n n i n g f o u r t h l y , t h e t r a n s m i s s i o n i n v e s t m e n t e n c o u r a g e m e n t m e c h a n i s mh a s c o n s i d e r a b l ee f f e c to nt h et r a n s m i s s i o nc a p a c i t y t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h e i n t e l l i g e n c ee n g i n e e r i n gi nt h et r a n s m i s s i o np l a n n i n g t h ea r i t h m e t i c b a s e do nt h e n u c l e o l u ss o l u t i o ni nc o o p e r a t i o ng a m et h e o r ya n dm u l t i - a g e n ts y s t e mi sp r o p o s e dt o f i g u r eo u ta l l o c a t i o nt h ei n v e s t m e n to ft h ef i x e dc o s t ，c o n s e q u e n t l yt h ep r o b l e m s w h i c hh a v en o to p t i m u mr e s u l to rm u l t ir e s u l t sa r es o l v e d f i f t h l y , a ni m p r o v e da ca l g o r i t h mb yj o i n e dt h er e v i s i n ge c l i p s eg e n ew a sp u t f o r w a r dw h i c hc o n t r o l l e dt h ep r o c e s so fp o s i t i v ef e e d b a c kt h er e s e a r c ha r e ab y d y n a m i ca d j u s t i n gt h ea c c o u n tg e n e 口a n dp t h i sm e t h o di n c r e a s e dt h ep r o b a b l yt o g e tt h eb e s to fa l l s o l u t i o ni nt h ep r o c e s so fn e t w o r ko p t i m i z i n gp r o g r a ma n d q u i c k e n e dt h ec o n s t r i n g e n c ys p e e d k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o n p l a n n i n g ，m a r k e t - o r i e n t e d ，s p a t i a la n a l y s i s ，b e n e f i t a n a l y s i s ，i n v e s t m e n ta l l o c a t i o n ，o p t i m i z a t i o nt r a n s m i s s i o ng d d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 穆够签字日期：翻年，月，矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁洼基堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 鸯弗 签字日期：甜年f 月f 户日签字日期：砂牛1 月f 垆日 天津大学博士学位论文 1 1 电网发展概况 1 1 1 电力改革简要回顾 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代中期以来，中国为了解决当时日益严重的缺电问题，实行了 “集资办电、多渠道筹资办电”政策，打破了之前由国家独家办电的体制，逐渐形 成了发电主体多元化格局。2 0 世纪9 0 年代后期，电力供应出现“低水平”富余， 不少发电企业要求公平竞争。1 9 9 8 年底，国务院决定开展省级“厂网分开、竞价 上网”试点，拉开了中国电力体制改革的序幕。试点省市包括：上海、浙江、山 东、辽宁、吉林、黑龙江。2 0 0 2 年国务院出台电力体制改革方案( 5 号文) 1 1 ，明确了电力市场化改革的方向，提出建立政府监管下的政企分开、公平竞争、 开放有序、健康发展的电力市场体系。2 0 0 2 年底，根据国务院方案，对原国 家电力公司进行重组，成立了两家电网公司和五家全国性质的发电集团及四家电 力辅业集团，初步实现厂网分开，五家全国性发电集团和其他众多的独立发电企 业初步形成了发电侧竞争格局。 1 1 2 市场机制下电网规划面临的问题 在电力工业进行结构性体制改革的背景下，电网公司主要负责电网的经营、 管理和建设。一方面，输、配电环节目前是属国家垄断经营，具有经济规模性， 但同时必须接受政府监督，即垄断约束。另一方面，电网公司作为企业，为维持 长期的发展，对电网投资要考虑其经济性，但又作为公用事业，也不得不为一些 社会效益而放弃部分经济效益【2 】。现阶段首先是在发电侧引入竞争，实行“网厂 分开，竞价上网”，建立以省网为基础的区域电力市场，形成了国家区j 彝一 省级三级电力市场，并逐步向国家区域两级电力市场过渡。厂网分开后，各 省电力局剥离了发电资产成为电网公司，从一个垄断经营者的角色变为一个自主 经营、自负盈亏的企业，其职能、运作都要发生很大的变化，使得不得不重新审 视考虑电网公司在这个新环境下自身的发展、收益。现在电网公司的许多工作内 容也要随着改革的进行而改变，电网公司的经营目标发生了很大改变，要在满足 系统可靠性和市场的经济性的同时，满足自身的利益需求，电网公司原有的工作 模式也要在新的体制下有所改变。改革过程中的一些新情况、新问题不可避免地 第一章绪论 摆在我们面前，这其中一个很大的改变就是新时期下的电网规划问题。我们以往 的电网规划是以最小成本扩容的目标出发，进行电源电网统一规划，把电网建设 的成本打入到电源建设的成本中去1 3 。而在电力市场体制下，往往存在着电网安 全可靠性和最小成本之间的矛盾。如果以最小成本为目标进行电网规划，就会存 在着输电可靠性的问题。节省成本的结果是电网运行风险因素的增加。但如果以 系统的安全性、可靠性为目标进行电网规划，带来的成本可能并不是最小的。而 与传统的规划过程相比，市场环境下的输电规划更加复杂。 1 2 电网规划研究的背景和意义 1 2 1 电网发展的重要性 电网是国民经济的关键基础设施和重要的公用事业，目前，我国电能在终端 能源消费的比重已由1 9 9 0 年的1 0 上升到1 9 1 。随着现代化水平的不断提高， 社会对电力的依赖程度日益增强，用电需求日益提高。 l 、电力需求快速增长及我国能源资源禀赋，要求加快大电网发展。2 0 0 0 2 0 0 6 年，我国g d p 由9 9 万亿元增长到2 0 9 万亿元，增长了1 1 倍；发电装机 由3 1 9 亿千瓦增长到6 2 4 亿千瓦，增长了约l 倍；全社会用电量由1 3 5 万亿千 瓦时增长到2 8 4 万亿千瓦时，增长了1 1 倍。预计到2 0 2 0 年，我国发电装机将 达到1 5 亿千瓦，全社会用电量达到7 3 6 万亿千瓦时，人均装机约l 千瓦1 5 j 。能 源的巨大需求、电力的持续增长，迫切要求加快转变电力发展方式。 2 、煤电油运是宏观调控着力解决的主要问题，缺煤是近期电力供应紧张的 主要矛盾。我国能源消费以煤为主，煤炭消费占能源消费的7 0 ，其中5 4 用 于发电。2 0 0 7 年，我国发电装机达7 1 3 亿千瓦，其中火电5 6 亿千瓦。火电装 机中，东部1 3 省( 市) 占5 5 ，比2 0 0 0 年上升7 个百分点。2 0 0 0 - - 2 0 0 7 年， 我国新增火电3 2 亿千瓦，其中东部1 3 省( 市) 1 9 亿千瓦，占6 1 。生产力与 能源资源的逆向分布、就地平衡的电力发展方式，导致煤炭资源大规模、远距离 输送。我国输电方式在能源输送中所占比重过低，2 0 0 5 年，“三西”和宁东地区 能源外送中输煤和输电的比例为3 3 ：1 ，输煤比重高达9 7 。中东部地区燃煤电 厂依靠区外大量调入电煤，给煤炭运输带来巨大压力。煤电油运始终是宏观调控 着力解决的主要问趔6 。 3 、“上大压小”、“节能调度”是国家进行节能减排的重要举措，实施“上大压 小”、“节能调度”是当前和今后一个时期电力工业节能减排工作的重点，“十一五” 期间，国家确定了关停5 0 0 0 万千瓦小火电的目标，随着“上大压小”工作的不断 天津大学博士学位论文 推进，许多地区加大了小火电关停规模，关停时间提前且更为集中，给地区负荷 充足可靠供电和电网安全稳定运行带来严峻考验，要求加快电网配套工程建设， 补强地区供电网络，加强各级电网主干通道建设，提高资源优化配置能力。 4 、电源持续大规模投产，对电网与电源协调发展提出新要求。“十一五”期 间全国发电装机预计投产4 8 亿千瓦，2 0 0 6 年投产1 亿千瓦，2 0 0 7 年预计投产 1 2 亿千瓦，预计后三年分别投产9 4 0 0 、8 5 0 0 、8 5 0 0 万千瓦。随着电源的大规模 投产，电网滞后于电源建设的局面将更加突出。 5 、国家现在正在鼓励可再生能源的发展，电网公司不仅要负责可再生能源 的接入系统的投入，还要确保全额收购其所发电量，风电是国家重点鼓励发展的 可再生能源之一，2 0 2 0 年风电装机将达到3 0 0 0 万千瓦，风电大规模建设和接入 电网，势必给电网调峰和安全稳定运行带来较大压力，对电网发展提出了新要求 阴 o 以上的各种原因证明了电网应该以满足经济增长、市场需求为发展的出发 点。在电网规划、项目选址、工程设计、施工建设各个方面落实电力市场的新的 要求，转变电网发展方式，提高资源优化配置能力，加快技术进步，加强电网改 造，提高电网输电能力，落实环保措施，推进电网与资源、与电源、环境的协调 发展。 1 2 2 电网规划是电网发展的根本 电网发展的相对滞后，主要是由于电网建设落后，电网结构不合理，使得电 能不能得到合理分配，导致用户的电力需求不能满足。市场经济是以市场调配资 源和最大限度地利用资源来获得最大的经济效益。在当今电力市场逐步形成和发 展的形势下，电网规划不应该脱离电力市场这个大环境。电力市场环境下，电网 发展逐步开始以“市场需求为导向，以经济效益为中心”。电源通过电网与市场需 求相连，电网更能直接反映市场需求，电力市场需求增长及分布决定了电网的发 展和布局。因此，电网规划要以电力市场为依据，按照市场的需求来进行规划， 建立灵活安全、经济可行、资源配置能力强，优化设计的网络，确立规划发展， 其意义尤为重大。随着电力系统向广泛互联方向的发展，电网的管理逐步采用基 于市场竞争的经营管理体制，一个有计划、有目标、有良好网络结构的电力网络， 是在市场竞争中占居优势的必要条件。执行合理的、切实的、科学的电网规划， 可以获得巨大的经济社会效益，反之，规划决策的失误，将会给国家建设和经济 发展带来不可弥补的损失。 第一章绪论 1 2 3 电网规划原则 电力系统规划工作应在国家产业和能源规划具有全局性，电网发展规划是以 电网企业的全局为对象，根据电网企业总体发展的需要而制定的，它所规定的是 企业的总体行动，它所追求的是企业的总体效果；规划具有长远性，企业的发展 规划既是企业谋取长远发展要求的反映，又是企业对未来较长时期( 5 年左右) 内生存和发展的统筹策划，是长远发展的起步；规划具有挑战性，规划是关于企 业在激烈的竞争中如何与竞争对手抗衡的行动方案，是面对环境的复杂性和多变 性，确定规划方案，对确保企业未来取得或保持竞争优势具有极大的挑战性和指 导性【8 1 。 l 、与电力行业发展规划相协调。企业发展规划应符合国家能源战略和电力 行业发展规划的指导方针。 2 、长期目标与近期目标相结合。以企业长期发展战略目标为指导，保持各 项工作的延续性和统一性，确保公司目标的分步实现。 3 、整体目标与局部目标相统一。按照建设现代企业的总体目标，整体推进 各项工作协调发展；各业务和职能部门的规划目标要与本公司总体发展目标协调 统一；各单位的规划目标要与国家总体发展目标协调统一。 4 、实物量规划与价值量规划协调并重。电网规划应实现企业建设和运营的 物理量( 电网、电源建设规模和售电量等) 目标与公司经营的价值量( 投资规模、 收入和利润等) 目标的有机结合和互相协调。 5 、和谐发展、整体优化原则。推进各项工作合理、协调、有序发展，使企 业经营效果最佳。 1 3 市场环境下电网规划的特点 在市场机制下，电网规划将面临众多的不确定因素，它们有的是在市场环境 下出现的全新不确定因素，有的则是传统模式下的不确定因素在市场环境下出现 的新情况。如何适应这些不确定因素，使电网具有较好的灵活性和鲁棒性，相对 于传统的电网规划来说，求解难度大大增加了。 1 3 1 未来电源规划的不确定性 电力工业市场化以后，发电和电网分离，在引进外资和集资办电政策引导下， 发电领域全部由国家投资垄断经营的格局被打破，实现了办电主体多元化，各发 电厂都将实现竟价上网【4 1 。发电规划成为发电公司的内部规划，以电厂投资者的 天津大学博士学位论文 利益最大化为目标，尽管需要满足政府或监管机构所制定的相关法规或条例的约 束。发电规划在很大程度上取决于发电公司或发电厂投资者对电力市场未来的电 价走势、国家相关政策的调整、能源价格走势以及负荷变化等因素的预测。因此， 新的电厂或机组的类型、位置、容量和投运时间，以及旧机组和旧电厂的退役或 停运等决策一般由发电公司自行做出，而且发电公司往往不会将这些信息提前在 市场中公布。这些情况对电网规划来说都是不确定的因素，但电网的运行又要适 应电源的配置和负荷的变化，这会给电网规划带来很大的困难和影响。另外，电 网的建设周期相对于电厂的建设周期来说较长，所以很难估计未来较长时间内的 系统电源及市场的变化，这也增加了电网建设的投资风险。 1 3 2 未来负荷变化的不确定性 电价是电力市场的核心问题之一，其决定因素包括上网机组的成本、市场的 供需状况以及系统的健康状况，等等。实时电价的采用使得电力市场中未来任何 时段的电价都是不确定的，会发生波动。如果考虑用户的需求弹性，则负荷水平 也会随电价的波动而变化。电力市场的发展趋势是根据供电质量向用户收费，因 此当用户根据自身的考虑出发改变对供电质量的要求时，将导致系统资源一定程 度上的重新分配，这增加了负荷特性的不确定性【5 】。天气变化、国民经济发展速 度、居民消费水平变化以及在缺电环境下实施的错峰避峰等相关政策，使得负荷 变化具有更大的不确定性。 1 3 3 系统潮流的不确定性 在市场环境中，电网调度的原则是根据电厂机组的报价和用户需求来决定成 交量、成交价格和优化调度次序。市场中各电厂生产的目标是其利润的最大化， 从各自的利益出发它们会不断调整自己的竞争策略，按照自身条件和市场需求确 定投入机组台数及其生产规模。电力市场逐渐对需求侧开放，用户可以自主选择 供电商购买电力，则用户和电厂之间的供求关系的变化将更频繁，并可能产生大 规模的远距离输电交易，这就要求电网有足够的区域间输电容量。供用电双方的 转运业务导致市场平衡点不断变化，导致新的潮流模式。电力交易的不确定性使 得原来的电网势必产生新的网络拥挤情况，这时要建设新的输电线路来减轻输电 瓶颈，也可以采用安装f a c t s 等设备或提供无功补偿的方法来调整线路的潮流， 以便尽可能利用现有输电网的输送容量。 第一章绪论 1 3 4 投资回报的不确定性 电力市场改革前，一体化电力企业通常是输电网的唯一投资者，传统机制保 证电力企业能安全地实现投资回收并获得一定的利润，这种情况下电网投资不存 在任何风险。改革后的电力市场，电网的投资需要大量的资金并且投资回收是一 个长期过程，大部分投资者一般不会选择长期的输电网投资，因为投资时间越长， 不确定性就越多，例如电源规划、负荷变化、政策变化、电价、燃料价格等不确 定因素，导致投资回收的风险很大【6 】。为了减小项目投资资金风险和保证获得最 大投资回报，对电网规划方案进行经济评估是非常必要的。 1 3 5 电价的不确定性 在市场环境下，电价随负荷涨落变化，随地点不同，随可靠性升降。由于负 荷的不确定性、地点的不确定性、可靠性的不确定性和网络拥挤情况的不确定性， 使得电价变化频繁，再加上实时电价各种计量方法的不同以及计算过程中存在的 误差，使得电价的不确定性更加突出【。刀。 1 3 6 规划目标的不确定性 传统体制下，电力部门作为政府部门本身肩负行业监管的职能，市场化改革 后，电网公司作为独立的法人运作，其本身具有逐利性，但是出于电力行业的特 殊性，电网公司包括电网规划都将受到政府部门的严格监管，二者之间的博弈过 程也将造成电网规划上作在目标以及最优方案的选择上具有不确定性。 1 3 7 投融资体制的不确定性 与传统的较为稳定的国家投资体制相比，电力市场环境下电网建设的融资方 式更为灵活多样【8 】，这就意味着电网建设上作受金融市场中不确定因素的影响更 大，如银行利率、股市、汇市的变化均有可能对输电网规划上作产生较大影响。 上述种种不确定性因素大大增加了输电网规划上作的难度，在这种情况下， 传统规划方法已经越来越不适应当前电力市场环境下输电网规划上作，迫切需要 新的理论和方法来获得最佳规划方案以适应未来不确定环境。 天津大学博士学位论文 1 4 研究现状及趋势 1 4 1 电网规划研究的现状 电网规划是电力系统规划的重要组成部分，其任务是根据规划期间的负荷增 长及电源规划方案确定相应的最佳电网结构。进行电网规划的基本原则是在保证 将电力安全、可靠地输送到负荷中心的前提下，使电网的建设和运行费用最小化。 从数学上讲，电网规划属于一个复杂的多决策变量、多约束条件优化问题，而且 具有整数性、非线性、多目标性、动态性及不确定性等特点，同时其复杂性随着 系统规模的增大而增加。 目前电网优化规划方法1 9 】分为启发式方法和数学优化方法、灵活规划方法三 类。启发式方法是以直观分析为依据的算法，通常基于系统某一性能指标对可行 路径上一些线路参数的灵敏度，根据一定的原则，逐步迭代直到得到满足要求的 方案为止。这种方法直观、灵活、计算时间短，便于人工参与决策，且能给出符 合工程实际的较优解。缺点是难以选择既容易计算又能真正反映规划问题实质的 性能指标，并且当网络规模大时，指标对于一组方案都差别不大，难以优化选择。 常用的启发式方法可分为基于线路性能指标( 如线路过负荷) 的启发式方法及基 于系统性能指标( 如系统年缺电量) 的启发式方法两种。 而数学优化方法就是将电网规划问题用数学优化模型进行描述，然后通过一 定的算法求解，从而获得满足系统要求的最优规划方案。这种方法由于考虑了电 网的决策变量与运行变量等之间的相互关系，并将实际规划问题采用优化方法求 解，因而在理论上更严格，并保证了方案的最优性。但由于电网规划问题属于大 规模的组合数学问题，计算时间长、占用计算机内存大，对于实际的大规模系统 求解困难很大。因此，优化方法在建立模型时不得不对具体问题作大量简化。此 外，有些规划决策因素难以用数学模型表达，所以由优化方法求出的数学意义上 的最优解未必是符合实际的最优方案。优化方法可分为确定性优化方法及不确定 性优化方法。前者包括线性规划法、非线性规划法、动态规划法、整数规划法、 图论及网流法等；后者包括随机规划法、模糊规划法等。相对来讲，确定性方法 出现比较早，解法也比较成熟，但难以精确考虑规划问题的不确定性及多目标性。 不确定性方法出现比较晚，但它可较为有效地处理随机因素和模糊因素。 总之，传统的电网优化规划方法在理论研究方面已经比较成熟，在工程应用 中也取得了较好的经济效益和社会效益但随着世界范围内电力体制改革的不断 深入，电网规划正面临着越来越多的不确定性因素的影响【m 】( 如未来系统负荷及 电源信息的不确定性；电力市场发展所导致的合作与竞争方面的不确定性；环境 第一章绪论 的影响；法规及政策背景下的不确定性等等) ，未来环境正变得越来越难以准确 预测，传统的规划算法难以适应新的环境。针对这些问题，近年来国内外学者提 出了一些新的研究方法，特别是计及不确定性因素影响的电网规划研究已取得到 一些初步的研究成果。 电网灵活规划【i l 】，又称为电网柔性规划，是指在进行电网规划时，考虑各种 不确定因素，以最佳的柔性规划方案来适应未来环境的变化，使规划方案在总体 上达到最优。其灵活性体现于现在的规划方案适应未来的环境变化。近年来由于 一些新方法和新理论的引入，使这一领域的研究工作取得了长足进展，其中有些 电网灵活规划方法已经开始应用于实际的电力系统规划工程中，取得了比较满意 的社会、经济效益。 1 4 2 国内外理论综述 经过国内外学者的多年研究，在电网规划方面已经形成了比较系统的理论和 方法。传统的电网规划模型按照规划阶段或规划时间的长短可以分为静态规划模 型和动态规划模型；在此基础上考虑到电网规划数据的不确定性，还有灵活规划 模型。以下将分别介绍静态规划模型、动态规划模型和灵活规划模型。 1 、静态规划模型 静态规划模型主要考虑单阶段规划，考虑一定规划时间内的目标函数值最 优；静态规划模型可以分为经济性模型和可靠性模型两种。 ( 1 ) 经济性模型：该类模型以网络投资费用、运行费用、设备折旧维修费 用和电能损耗费用等经济性指标之和为目标函数。其中应用最广泛、最为大家所 接受的是“水平年电网规划数学模型”。该模型以预测的某一规划水平年的负荷水 平为已知条件，以待选线路为决策变量，以线路建设投资和系统运行费用为目标 函数。根据具体情况，可以增、减一些经济性指标，作为目标函数。根据约束条 件的不同，又可分为直流( d c ) 模型13 1 、运输模型【14 1 、混合模型和分离模型 1 1 6 o ( 2 ) 可靠性模型：“需求侧管理”的兴起使人们的可靠性观念发生了变化。 用户在购买电力的同时也购买了电力供电可靠性，由于供电可靠性问题给用户造 成的经济损失必将成为今后制定电价时要考虑的重要因素。因此，电网供电总成 本不应再仅包括电网扩展建设的投资成本、运行成本，还应包括由于电网电力供 给不足或中断造成的用户缺电损失，即需求侧的缺电成本。可靠性模型的目标函 数取可靠性成本和可靠性效益的现值之和。约束包括潮流等式约束、支路容量限 制、网架结构限制1 1 7 等。可靠性成本即电网的投资成本，在计算运行成本的情况 下，也包括运行成本。可靠性效益【1 8 】指电网达到一定供电可靠性水平使用户获得 天津大学博士学位论文 的效益，某一供电可靠性水平下的社会、经济效益较难估算。可靠性效益可以用 缺电成本，即由于电力供给不足或中断引起用户缺电、停电造成的经济损失来表 示。随着我国电力市场的发展，从供需两个角度考虑的可靠性模型有着良好的研 究价值和应用前景。但是可靠性效益并不能完全反映电力市场环境下的电网损失 成本，电力市场环境下的电价机制和阻塞疏通等问题的存在使得电网损失成本的 计算变得更加复杂，如何有效地评估电力市场环境下的电网损失成本还需要进一 步研究。 2 、动态模型 与静态规划相比，在动态规划模型中，决策变量在各阶段的取值相互制约， 当线路在某一阶段被选中后，就不能在其它阶段再被选中，不能出现架线复拆的 现象【1 9 j 。因此相对于静态规划，动态规划模型的约束中需增加一项约束；如何很 好地在求解过程中满足这一约束条件，是动态规划模型求解的难点，也是其计算 量大量增加的地方。对于目标函数，动态规划还必须考虑资金的时间价值。目前 关于动态规划的研究工作尚不充分，仍有大量工作有待去完成。 3 、灵活规划模型 由于社会经济、科学技术的迅速发展，以及日益加重的环境压力和各种新机 制的引入，电网规划面临着很多不确定因素的影响，为弥补传统规划方法的不足， 考虑不确定性因素的影响，提高规划方案的适应性，对于灵活电网规划方法的研 究正日益受到国内外电网规划研究工作者的广泛关注【2 0 1 。目前的灵活规划方法主 要有： 。 ( 1 ) 随机规划模型【2 l 】：采用统计参数描述和处理电网规划中已有的经验和 规律，用概率方法处理未来随机环境中的各种参数，并通过随机潮流方法得到潮 流指标，为随机规划提供数据。随机规划模型需要的原始数据量大，而且电力系 统中很多不确定性因素并不具有随机的性质，故有一定的应用局限性； ( 2 ) 模糊规划模型【2 2 】：较适用于处理不同量纲、相互冲突的多目标优化和 综合评判问题，最后的目标通常不是某一指标达到最优，而是满足最大的综合满 意度。在模糊规划模型中，通过模糊化处理各种不确定性数据，并通过模糊规则 来描述输入输出之间的关系，再通过模糊运算得到潮流指标，为模糊规划提供数 据。模糊规划模型也是目前电网规划研究中较充分的一种灵活规划模型。 ( 3 ) 灰色规划模型【2 3 】：将一些不确定性信息进行灰色建模，然后通过信息 的白化处理，将灰色信息转化为确定性信息。目前电力系统灵活规划中灰色方法 已经得到了初步的应用，但是由于灰色方法对灰色信息的处理不够缜密，并且缺 乏严格的数学理论支持，还有待改进和完善。 ( 4 ) 盲数理论1 2 4 j ：是近年来新出现的研究不确定性信息的数学理论，可以 第一章绪论 处理同时具有随机性、灰性、未确知性和模糊性等两种及以上不确定性的信息。 通过盲数b m 模型对不确定性信息进行建模，计算盲数潮流，求得在不同的线 路盲数潮流过负荷概率值下的规划方案，然后通过成本效益分析，求得综合最优 规划方案 ( 5 ) 在( 1 ) ( 4 ) 模型中，约束条件是不可逾越的，规划方法是被动地适 应约束条件。由于规划数据都是对未来情况的预测，以高昂的代价来严格遵守预 测情况有时未必值得。这时可以考虑在规划过程中允许部分线路出现一定的过负 荷率，以此来寻求一种经济性和可靠性之间的平衡。即柔性约束规划是主动地从 约束条件和规划决策两方面去求解问题的结果。 ( 6 ) ( 1 ) ( 5 ) 模型只考虑了线路对目标的影响和网路安全性问题。随着 电力电子技术的发展，柔性交流输电( f a c t s ) 具有广阔前景。f a c t s 2 5 】具有提高 线路的输送客量、减少线路投资、动态控制潮流，以及提高静态和动态稳定性的 特点，因此将成为电网改造和扩建的现代化手段，计入f a c t s 元件的电网扩展 规划是一个刚刚起步的规划方向。 1 4 3 电网规划理论求解方法 国内j l - 研究电网规划的方法，针对各种规划模型，人们研究出了多种求解方 法。这些求解方法可以分为三大类：传统启发式方法，现代启发式方法和数学优 化方法。 1 、传统启发式方法 传统启发式方法又可称为灵敏度方法，包括逐步扩展法和逐步倒推法。逐步 扩展法1 2 6 】是以减轻其它支路过负荷的多少来衡量待选线路的作用，并据此选择最 有效的线路加入系统，逐步扩展网络。这种方法以系统节点阻抗矩阵为基础进行 灵敏度分析，当网络中有孤立节点或不联通现象时，阻抗矩阵不存在，因而使其 应用受到一定限制。逐步倒推法【2 7 】是将所有待选线路加入系统构成一个冗余的网 络，按照一定的目标函数求解各待选线路的有效性指标，逐步去掉有效性低的线 路，直到没有线路可去掉为止。当规划水平年与起始年相隔较远、现有电网相对 比较薄弱时，系统中可能存在很多孤立节点，包括新的电源点和负荷中心。在这 种情况下，适合用逐步倒推法。 2 、现代启发式方法 “现代启发式算法”是为模拟自然界中一些“优化”现象而研究出的一类比较 新的优化求解算法，适用于求解组合优化问题以及目标函数或某些约束条件不可 微的非线性优化问题。它比较接近于人类的思维方式，易于理解，用这类算法求 解组合优化问题在得到最优解的同时也可以得到一些次优解，便于规划人员研究 天津大学博士学位论文 比较。此类算法主要有：模拟退火算法，遗传算法，t a b u 搜索法，蚂蚁算法等。 ( 1 ) 模拟退火算、法【2 8 j 模拟退火算法是以马尔科夫链的遍历理论为基础的一种适用于大型组合优 化问题的随机搜索技术。算法的核心在于模仿热力学中的液体的冻结与结晶的冷 却和退火过程，采用m e t r o p o l i s 接受准则避免落入局部最优，渐进收敛于全局最 优。模拟退火法可以较有效地防止陷入局部最优，但为使每一步冷却的状态分布 平衡很耗时间，而且属于单点寻优，对求解存在多个最优解的问题有一定的困难， 需要改进。 ( 2 ) 遗传算法1 2 9 1 遗传算法是目前电网规划中广为使用的一种现代启发式寻优方法。它通过编 码将规划方案转变为分组染色体，并列出一组待选方案作为祖先( 初始可行解) ， 以适应函数的优劣来控制搜索方向，通过遗传、交叉、变异等逐步完成进化，最 终逐步收敛到最优解。同传统算法相比，遗传算法具有多路径搜索、隐并行性、 随机操作等特点，对数据的要求低，不受搜索空间的限制性约束，不要求连续性、 导数存在、单峰等假设，可以考虑多种目标函数和约束条件。但遗传算法也存在 计算速度慢，有时会收敛到局部最优解等不足，目前对此也进行了一些改进和研 究。此外，考虑到模拟退火算法可以有效防止陷入局部最优解这一特性，将模拟 退火和遗传算法结合的混合遗传一模拟退火算法也取得了不错的效果。 ( 3 ) t a b u 搜索法【j u j t a b u 搜索法是一种高效的启发式搜索技术，其基本思想是通过记录( t a b u 表) 搜索历史，从中获得知识并利用其指导后续的搜索方向，以避开局部最优解。t a b u 搜索法的搜索效率高，收敛速度快，目前已受到规划工作者的重视。但是t a b u 搜索法是一种扩展邻域的单点寻优方法，收敛受到初始解的影响，而且t a b u 表 的深度及期望水平影响搜索的效率和最终的结果，从数学上无法证明其一定能达 到最优解，尚需进一步研究。 ( 4 ) 蚁群算法【j 蚁群算法是由意大利科学家d o r i g o 研究总结出的一种新型的仿生启发式优 化寻优算法。该算法仿照蚂蚁群觅食机理，构造一定数量的人工蚂蚁，每个人工 蚂蚁以路径上的荷尔蒙强度大小( 按照一定的状态转移准则) 选择前进路径，并 在自己选择的行进路径上留下一定数量的荷尔蒙( 进行荷尔蒙强度的局部更新) ， 当所有蚂蚁均完成一次搜索后，再对荷尔蒙强度进行一次全局更新。通过反复的 迭代，最终多数蚂蚁将沿着相同的路线( 最优路线) 完成搜索。应用表明，其算 法效率、寻优能力均强于目前已有的其它现代启发式优化算法，适宜于求解有约 束问题，有着广阔应用前景。本文将着重介绍和探讨蚁群算法在网络优化中的应 第一章绪论 用。 3 、数学优化方法 数学优化方法就是将电网规划问题用数学优化模型进行描述，然后通过一定 的算法求解，从而获得满足系统要求的最优规划方案。这种方法由于考虑了电网 的决策变量与运行变量等之间的相互关系，并将实际规划问题采用优化方法求 解，因而在理论上严格保证了方案的最优性1 3 引。但由于电网规划问题属于大规模 的组合数学问题，计算时间长，占用计算机内存大，对于实