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浙江工业大学硕士学位论文 基于可中断负荷的输电阻塞研究 摘要 电力工业的市场化改革，给整个电力工业创造了新的发展机遇，但同时也给电力行业 提出了许多新的挑战和新的问题，其中输电阻塞就是一个非常关键的问题，是市场环境下 保证电网安全运行的核心。 本文分析了市场环境下阻塞调度的原则，指出阻塞管理方法与市场的交易模式密切相 关。针对电力市场主要的三种交易模式，分别介绍了不同模式下的阻塞管理方法，并在此 基础上详细分析了不同市场模式下阻塞成本的计算方法。 针对我国电力市场发展现状，着重研究了我国未来电力市场会出现的混合交易模式， 即可能出现少量的双边合同交易。在国外典型阻塞管理模型基础上，研究了混合交易模式 下基于合同优先和市场报价的阻塞管理模型，并用l i n g o 语言进行了算例研究，给正处 于市场模式过渡阶段的我国阻塞管理提供了一种思路。 可中断负荷管理是电力市场环境下需求侧管理的一项重要内容。本文对可中断负荷管 理中的成本效益问题、可中断负荷合同、实施流程、市场运营等重要方面进行了重点分析， 指出可中断负荷管理需进一步研究的方向。 在以前研究成果的基础上，对可中断负荷在阻塞管理中的应用进行了可行性分析，提 出了一种基于可中断负荷的新型阻塞管理模型，用l i n g o 语言进行了编程实现，并用 i e e e l 4 节点的改进系统进行了验证仿真。结果表明，新的基于可中断负荷的阻塞管理模型 与传统的阻塞调度方法相比，不但能保证电力系统安全、经济运行，而且在有效消除输电 阻塞的同时，还能够大大减小全网购电费用，并可以得到可中断负荷的用户成本。该模型 进一步发展和丰富了电力市场环境下电网的输电阻塞管理研究。 关键词：阻塞管理，可中断负荷，电力市场，l i n g o 程序 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ft r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o n m 队n a g e m e n tb a s e do ni n t e r r i 丁p t i b l el o a d a b s t r a c t t h ei n n o v a t i o no fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yf r o mv e r t i c a li n t e g r a t e dm o n o p o l yt oc o m p e t e d m a r k e tc r e a t e san e wd e v e l o p m e n t a lo p p o r t u n i t yf o re l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y ，w h i l eg i v e sr i s et o m a n yn e wp r o b l e m sa n dc h a l l e n g e ss u c ha st r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o nw h i c hi st h ec o r et oe n s u r e t h es c c u r i 臼o fp o w e r g r i d so p e r a t i o n s t h i st h e s i sp o i n t so u tt h a tt h ec o n g e s t i o nm a n a g e m e n tm e t h o di sc l o s e l yr e l a t e dt om a r k e t t r a n s a c t i o nm o d e ，a n dt h e nt h ep r i n c i p l eo f c o n g e s t i o nd i s p a t c h i n gi np o w e rm a r k e ti sa n a l y z e d f o rt h r e em a i nt r a n s a c t i o nm o d ei np o w e rm a r k e t ，d i f f e r e n tc o n g e s t i o nm a n a g e m e n tm e t h o d sa r e i n t r o d u c e d t h ed e t a i l e dc a l c u l a t i o nm e t h o do f c o n g e s t i o nc o s ti sa l s od i s c u s s e d w i 也t h ed e v e l o p m e n to fp o w e rm a r k e ti nc h i n a , t h em i x e dt r a n s a c t i o nm o d ew h i c hw i l l a p p e a ri nf u t u r ei ss t u d i e d b a s e do i lt h er e s e a r c ho fs o m er e p r e s e n t a t i v ec o n g e s t i o nm a n a g e m e n t m o d e l s ，ac o n g e s t i o nm a n a g e m e n tm o d e la n dt h ep r i c i n gm e t h o da r ep r e s e n t e di nt h em i x e d t r a n s a c t i o nm o d e t h ec a l c u l a t i n ge x a m p l eu s i n gl i n g op r o g r a ms h o w st h a tt h i sc o n g e s t i o n m a n a g e m e n tm e t h o di sr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e i t san e wi d e ao fc o n g e s t i o nm a n a g e m e n t d u r i n gt h et r a n s i t i o ns t a g eo fc h i n a sp o w e rm a r k e t i n t e r r u p t i b l el o a dm a n a g e m e n t ( i l m ) i sa ni m p o r t a n tp a r to fd e m a n ds i d em a n a g e m e n t ( d s m ) i np o w e rm a r k e te n v i r o n m e n t t h ec o s t b e n e f i ta n a l y s i s ，i lc o n t r a c t ，i m p l e m e n t m e a s u r e sa n dm a r k e to p e r a t i o na r ea l ld e t a i l e da n a l y z e d b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h ，t h ea p p l i c a t i o n so fi l mi nc o n g e s t i o nm a n a g e m e n ta r e s t u d i e d a n dt h e n ，an e wt r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o nm a n a g e m e n tm o d e lb a s e do ni n t e r r u p t i b l e lo a di sp r o p o s e d t h ec a l c u l a t i o ne x a m p l eo fr e v i s e di e e e14b u ss y s t e mu s i n gl i n g o p r o g r a mi sd e m o n s t r a t e d c o m p a r e d 丽mt r a d i t i o n a lc o n g e s t i o na p p r o a c h , t h er e s u l t ss h o w st h a t t h ep r o p o s e dm o d e li se f f i c i e n tt os o l v ec o n g e s t i o np r o b l e ma n ds i g n i f i c a n t l yr e d u c et h e e l e c t r i c i t yp u r c h a s ec o s t d r a wac o n c l u s i o n ，t h ep a r t i c i p a t i o no fi n t e r r u p t i b l el o a di nc o n g e s t i o n m a n a g e m e n tc a ne f f e c t i v e l ym i t i g a t et h ec o n g e s t i o na n dd e v e l o pt h et h e o r i e so ft r a n s m i s s i o n c o n g e s t i o nm a n a g e m e n ti np o w e rm a r k e t k e yw o r d s ：c o n g e s t i o nm a n a g e m e n t ，i n t e r r u p t i b l el o a d ，p o w e rm a r k e t ，l i n g op r o g r a m 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 闻t 日期：砷年f 月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密毗 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 懒 嫦 日期：砷年 b 9 9 ：砰年 r 月y j 日 ， f 月彳日 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 长期以来，由于电力产业被认为是一个具有较强垄断性的基础性产业而受到政府的严 格管制，使电力系统处于一种完全垄断状态。然而，随着经济的发展和社会的进步，传统 的自上而下的垄断电力系统管理模式越来越不适应现代经济的飞速发展，其垄断地位受到 了严重的挑战。 自从2 0 世纪8 0 年代以来，世界上一些国家开展电力市场化改革，由于可以提高效率， 降低电价，电力市场化浪潮很快推广到世界上的许多国家。建立电力市场，本着公平、平 等的原则进行电力自由贸易的方式越来越受到人们的重视。目前比较成功的运营模式有英 国电力市场、美国东部电力市场以及西欧几国电力市场等。 我国的电力工业以国家机构改革和产业结构调整为契机，开始了电力市场化进程。 1 9 9 8 年我国开始实行厂网分开，建立发电侧的电力市场，并指定山东、上海、浙江三个电 网首先试点运行。后来又增加辽宁、吉林、黑龙江三个电网组建成东北区域电力市场。这 标志着我国电力市场的正式启动。电力工业面向市场，引进市场经济体制，已成大势所趋。 市场机制的核心是资源的有效配置，资源是有限的，而人的需求是无限的，引入市场竞争， 实现电力商品化，是实现资源有效配置的重要措施n 1 。 中国电力体制改革工作小组发布的关于“十一五”深化电力体制改革的实施意见 中，明确提出要“加快电力市场建设，优化调度方式，着力构建符合国情、开放有序的电 力市场体系”，“完善市场运营规则和监管办法，处理好电源、调度、售电之间的关系，逐 步实现发电企业竞价上网，推进大用户与发电企业直接交易，逐步建立公平竞争的市场机 制 跚。而竞争要求保证市场的自由度，即市场必须使得商品可以自由流通。在理想的电 力市场环境下，电力系统中任意节点的发电机可以自由地向任意节点的负荷供电，从而保 证市场的最大自由度。然而输电系统的两个基本特性输电阻塞和网损极大地限制了这 种自由度。 在电力市场环境下的电力系统中，输电阻塞管理面临的挑战是：如何通过良好的电网 规划规避长期阻塞，更好地满足日益发展的电力市场；面对短期阻塞，如何制订出一套有 效规则来管理电力生产者和电力消费者，以维护系统的安全与稳定，同时又使市场效益最 一3 一 浙江工业大学硕士学位论文 大化，有效防止一些市场参与者利用输电阻塞来形成局部市场以获取垄断利润删。 因而，对输电阻塞管理方法进行研究，对整个社会而言，具有以下重要的意义：确保 输电网络的安全可靠运行：实现在输电阻塞时社会利益的最大化；塑造公开、公平、公正 的市场竞争环境。 1 2 阻塞管理的国内外研究概况 输电阻塞通常指输电系统在正常运行或进行事故安全检查时出现了以下两种情况： ( 1 ) 输电线路或变压器潮流超过允许极限。 ( 2 ) 节点电压越限。 随着打破电力行业垄断、引入竞争机制和建立电力市场，网络潮流分布主要取决于电 力交易的分布，而电力交易则是以利润最大化为目标，于是不可避免地出现了系统中某些 输电价格较低的线路或者其电能价格较低的发电厂周围的线路往往承载较重负荷的现象， 从而增加了发生阻塞的机会。电力市场化以前，由系统调度和各个发电厂发出调度指令， 调节机组出力，直至电力系统运行在输电约束以内。但是电力市场化以后，各发电商的发 电成本的信息不是透明的，输电系统和发电厂各自独立，不能用强制性的指令进行控制阳1 ， 需要系统调度员进行协调，并要求独立系统运营者( i s o ) 必须平等对待各个市场参与者。 此时，对于发电商来说，有限输电容量的分配和阻塞线路上的功率潮流如何削减，是 控制的关键；对用户来说，阻塞引起的功率不足如何在各负荷中反映，是控制的关键。另 外，在经济控制的环境下，阻塞管理就不仅仅是解决输电网络约束问题“2 1 ，还包括对阻 塞定价和阻塞费用在市场成员之间的公平分摊。只有对阻塞费用进行合理定价与分摊，才 能真正做到非歧视地对待所有市场交易者，实现输电网的公平开放。 目前，各国学者对于输电阻塞的研究集中在以下几个领域： ( 1 ) 如何准确计算输电线路的最大传输能力( t t c ) 和可用传输能力( a t c ) ，为阻塞 管理提供准确的网络信息。 ( 2 ) 提高线路的输电能力以缓解输电阻塞。 ( 3 ) 利用电价杠杆对输电阻塞进行调整。 ( 4 ) 电力潮流削减规则的制定。 ( 5 ) 阻塞定价及阻塞费用分摊方法的制定。 ( 6 ) 输电权的设计。 在输电阻塞管理方面，主要有两类技术“舯： ( 1 ) 电网参数优化和控制技术，即通过调整网络结构和控制器参数改变网络潮流，以 4 浙江工业大学硕士学位论文 优化阻塞。 ( 2 ) 通过调整输电计划进行输电管理，i s o 通过求解最优化潮流( o p f ) 找出合理的 输电阻塞管理方法，调整网络潮流，在保证系统安全的同时，也要维护市场的效率。其中 最有代表性的有节点电价法，即在考虑发电机组、系统和网络安全约束条件以及潮流等式 约束下，寻找以社会效益最大化或购电量最大化、购电成本最小化等为目标的经济调度问 题，从而得到节点电价，即各个节点平衡约束的拉格朗日乘子。但其在实际应用中也有不 足，节点电价对运行条件和网络特性非常敏感，导致发电商和用户承担的阻塞费用及电价 波动太大，并且还存在交易盈余的缺陷。 随着电力工业改革的深入，开放的电力市场逐步建立起来，为了创造一个公平的市场 竞争环境，输电网络的开放成为一个必然的结果。输电网络的有限传输容量和输电损失是 输电网络的两大基本特征，输电网络的有限传输容量就有可能导致传输的阻塞。在自由竞 争的电力市场下，如何公平的进行阻塞管理成为输电网络开放必须解决的问题之一，在这 方面国内外已经有了许多的研究m _ 刀。 大体来说，现有的传输阻塞管理可以归为两大类：直接法和间接法。 直接法是电力传输调度机构针对发生阻塞的线路，直接调整交易达到消除阻塞现象。 灵敏度法和基于报价的再调度法都属于此类方法。该方法不考虑调整功率的经济性，仅仅 考虑系统的安全稳定运行，即不超越线路的传输极限。而市场经济中最重要的一条原则是 公平性，因此，该方法只适用于实时平衡市场的线路阻塞管理或者紧急情况下( 某条支路 发生故障，导致线路发生阻塞) 的阻塞管理。 间接法就是根据“实时电价 原理，利用最优潮流计算程序计算出各个节点的电价， 并确定阻塞成本( 阻塞电价) ，使利益冲突双方都能得到经济激励来间接消除阻塞。 文献 1 4 提出了出现传输阻塞时阻塞成本和节点电价的计算方法，并探讨了采用传输 阻塞合同( t c c ) 来消除阻塞对交易双方收益的影响。 文献 1 5 针对电力库和双边多边交易同时存在的市场环境，提出了几种削减策略， 并引入了附加费( w i l l i n g n e s s - t o p a y ) 的概念。 文献 1 6 讨论了在发生阻塞时节点定价问题，并提出了在不同交易下解决传输阻塞的 措施。上述研究工作的基本模型中的优化目标都是最大化社会福利( 最小系统运行成本) 。 文献 1 7 在分析上述阻塞模型管理缺陷的基础上，建立了以最大化交易量为优化目标 的阻塞管理模型，但是该模型的运用前提是需要知道各个市场参与者的运行成本，而在电 力市场的运营过程中，往往不知道各个市场参与者的成本情况，只能根据各自的报价进行 调度、管理，因此需要结合电力市场的运营实际作进一步的研究工作。 一5 一 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 在电力市场环境下，电网的输电阻塞管理研究是电力市场中研究的重要课题，有效的 输电阻塞管理是保证输电网安全运行及电力市场运营的关键，本文主要做了以下几方面的 研究： ( 1 ) 作为发电商和用户的电能输送通道，输电网络的安全问题一直在系统稳定中处 于核心地位，因此对阻塞管理进行了重点研究：总结市场环境下阻塞调度的原则及类型； 分析不同市场模式下各自不同的阻塞管理方式；分析不同市场模式下的阻塞成本。 ( 2 ) 结合我国市场模式的发展进程，研究即将出现的混合交易模式下的阻塞管理方 法。在借鉴比较国外典型阻塞管理模型的基础上，提出基于合同优先和市场报价的阻塞管 理模型，运用l i n g o 建模语言，用算例进行分析总结。 ( 3 ) 阐明了电力市场下可中断负荷的内涵和意义，作为电力市场环境下需求侧管理 的重要组成部分，对可中断负荷用户的成本效益和电力公司的成本效益、可中断负荷合同、 实施流程、参与辅助服务备用市场的机制等进行了系统的分析，指出了可中断负荷管理需 进一步研究的方向。 ( 4 ) 分析了可中断负荷应用于阻塞管理的可行性，将传统模式和利用了可中断负荷 的模式进行了比较，将直流潮流模型加入约束条件中，建立了以全网总体购电费用最小为 目标函数的数学模型。以i e e e l 4 节点改进系统为例，利用l i n g o 程序进行编程求解，得 出了可中断负荷赔偿成本和全网总的购电费用，验证了该模型的合理性和经济性。 一6 一 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章电力市场下的阻塞管理 2 1 电网阻塞问题 作为发电商和用户的电能输送通道，输电网络一直处于核心地位。对电网而言，大多 存在着由于经济、环境的制约以及历史因素造成的一些网络上的薄弱环节。主要体现在输 送潮流的能力受稳定校核计算结果的限制，不得超过某一数值，称之为电网阻塞。线路的 潮流量达到或者超过其输送容量极限时，就可能导致输电阻塞。输电阻塞将带来两方面的 影响：首先它使系统的安全性和稳定性受到威胁；同时它使电能交易计划无法实现，影响 资源的优化配置和利用，还可能导致市场力的滥用，引起电价的扭曲。 因此，阻塞管理的目标是制订一系列规则，有效地控制发电机和负荷，使系统的短期 运行具有一定的安全和可靠性裕度，同时为系统的长期投资规划提供有效信息。从短期而 言，阻塞管理需要制订公平的削减交易的计划和制订新的调整准则，从而实现电力系统的 最优安全经济调度，保证系统安全可靠运行。从长期而言，阻塞管理应该通过价格信号为 系统的长期健康发展提供激励，以通过电网的良好规划来消除长期输电阻塞n 她1 。 在开放的电力市场下，随着发电与输配电分开，各发电公司之问的竞争将加剧，更加 使得输电网络成为资源竞争的瓶颈。发电侧发电商竞价上网，通过竞争机制的引入来进行 资源的优化配置，电力交易转变为以价格为导向，从而不可避免地使系统中某些输电价格 较低的线路或某些与电能价格较低的发电机节点相连的线路承载着较重的负荷，这就大大 增加了发生输电阻塞的几率晗。输电网络的管理者为了保证输电网络的安全可靠运行，必 须对相关环节的潮流加以约束和限制，以防止线路潮流超过稳定极限要求，危及系统安全。 在传统垂直管理模式下，线路的传输容量一旦发生越限，往往是调度中心依据一定的 原则，自主地进行调度，但在电力市场环境下情况有很大的不同。电能的流通是通过电力 交易进行的，消除阻塞的过程牵涉到各个市场参与者的经济利益；同时，消除阻塞不仅需 要技术上的支持，还要兼顾公平和效益，这使得阻塞问题更难于解决。在自由竞争的市场 环境下，当输电网络发生阻塞时，输电调度必须考虑阻塞成本的影响但2 删。 如何设计在技术上可行、经济上合理的阻塞管理措施以缓解或消除阻塞，并提供适当 的经济信号，实现合理的资源配置、促进输电系统的发展，是个十分重要的问题。国内 外学者近年来在这些方面进行了不少研究并取得了一些成果，但总的来说，目前还缺乏一 浙江工业大学硕士学位论文 个普遍适用的、合理的阻塞管理方法。 2 2 阻塞调度的原则及类型 2 2 1 阻塞调度及其原则 消除阻塞最直接的方法就是消减或调整各类交易，重新进行电力分配，这个过程称之 为阻塞调度。阻塞调度技术是阻塞管理的核心。阻塞调度方法与电力市场交易模式密切相 关。当前，电力市场主要有三种交易模式：一种是双边、多边交易模式；一种是电力库 ( p o o l ) 模式；另一种是电力库和双边、多边混合交易模式。电力市场的交易模式不同， 阻塞调度的方法也不同。 在传统的垂直管理体制下，电力调度中心是根据事先知道的各个发电企业的发电成 本，结合网络中的输电约束来安排各个机组的发电计划的。通过最优潮流程序的分析，可 以很好地避免输电阻塞的现象。但是在电力市场环境下，发电企业关注的是能否成功实现 交易而不是如何科学调度。因此，这就给电力市场环境下实行输电调度提出了新的要求， 既要保证输电网络的安全运行，又必须使发电仓业在平等竞争的基础上尽可能使输电网络 有效传输电力而避免出现阻塞。综合起来，电网开放模式下调度必须服从以下3 个原则： ( 1 ) 最低竞价优先并网发电原则。在一定的电力交易量下，哪个企业的竞价最低就优 先发电，直到满足给定的交易量为止，而定价超出清算电价的发电企业就不能并网发电， 从而保证了市场的竞争性和公平性。 ( 2 ) 社会净价值最大化原则。在一个特定的输电网络中，在保证输电线路安全运行的 条件下，尽可能使电力用户为社会所创造的社会净价值最大。 ( 3 ) 输电网络安全可靠运行原则晗4 1 。 2 2 2 双边、多边交易模式下的阻塞调度 电力市场的双边交易模式是指发电商和用户直接签订购售电交易计划，并将计划电量 上报给i s o 。大量的双边交易很难保证同时可行，i s o 必须对双边交易进行校核协1 。因此， 双边交易阻塞管理是如何调整和削减双边交易，不同的调整目标即有不同的调整模式。 ( 1 ) 基于调整费用最小的交易调整模型啪 该交易调整模型是在交易者上报的调整标的基础上构建的，其优化目标的数学表达式 为： 浙江工业大学硕士学位论文 m i n 厂( x ) ：( c ；曙+ c m a 1 9 m ) t = lm = l ( 2 - 1 ) 其中，c ；、哪分别为双边交易时发电机和负荷的出清价格，嵫、蟛分别为调 整前后发电功率和负荷功率的变化量。按照交易调整模型是否需要满足市场分离约束，可 以分为满足和不满足市场分离约束的两类调整模型。双边交易市场的分离约束表达式为： ( 2 - 2 ) 在交易调整模型中，引入市场分离约束，方面可以保证在交易调整之后，双边交易 的发电功率和负荷功率仍然保持平衡，交易者之间原有的交易关系维持不变。但另一方面， 发电功率和负荷功率相等条件的满足又会导致交易的调整费用不可能达到全局最优，即调 整费用比不考虑市场分离约束时要多一些。 ( 2 ) 基于调整量最小的交易调整模型啪1 除了通过交易者上报的调整标来修改双边交易计划以外，有学者还提出了直接裁减双 边交易来消除阻塞的方法。由于在这类交易调整中，交易的电量只会减少而不会增加，因 而这类交易调整模型常常被称为交易裁减模型。为了保持双边的交易形式，交易的发电功 率和负荷功率的裁减量始终相等，即裁减模型满足市场分离约束。 选取不同的裁减目标，交易裁减模型的裁减特性不同。目前，裁减目标主要由两种类 型：交易裁减量之和最小和交易裁减量的加权平方和最小。以交易裁减量之和最小为优化 目标的双边交易裁减模型为： nn m i n 厂( x ) = ( f 尸一t o ) ( 2 3 ) i = l - ， f 其中，f 尸、0 分别为第f 机组在第段调整前后的段容量。以交易裁减量的加权平方 和最小为优化目标的双边交易裁减模型为： nn r a i n ( x ) = 鸭( 酽r e t o ) 2 ( 2 4 ) f = i = i 其中，为加权系数，不同的交易裁减模型可选取不同的加权系数。文献 2 6 采用了 完全相同的权重系数，即呢= l ( f = 1 ，2 ，n ；- ，= 1 ，2 ，) ，也有文献采用了交易计划 电量的倒数作为交易裁减量的权重系数。 采用不同的裁减目标，裁减模型的交易裁减与交易对阻塞线路的灵敏度系数之间的关 o l | 、麓 一 誓 矧 浙江工业大学硕士学位论文 系不同，从而造成了它们不同的裁减特点。采用交易裁减量之和最小的裁减模型，交易裁 减完全取决于交易对阻塞线路的灵敏度系数，只有灵敏度系数最大的几个交易才会被裁。 采用交易调整量加权平方和最小的裁减模型，交易的裁减在交易对阻塞线路灵敏度系数为 正的所有交易之间进行，裁减量的大小与灵敏度系数的大小成正比，与交易裁减量的加权 系数成反比。 由于电力商品必须实时平衡，因而完全的双边交易模式的电力市场通常都与其他交易 模式相配合。 2 2 3p o o l 模式下的阻塞调度 在电力库模式下，发电商和用户通过向p o o l 竞标的方式进行电力交易。电力库组织 者根据交易者的投标对市场结清，并最终确定各交易者的交易量和交易价格。此时一旦发 生阻塞，就要进行阻塞调度，重新进行电力库电力交易的分配。p o o l 模式下的阻塞调度 通常是根据发电商和用户双方的容量价格投标，在考虑各种约束的条件下进行最优潮流计 算。如果投标双方都采用理智的报价，调度结果将使社会效益最大化，同时使由于阻塞引 起的损失最小。 p o o l 交易模式下的阻塞管理方法可分为两类：一类是考虑各种系统约束直接利用最 优潮流( o p f ) 得到满足约束条件的最优发电计划；另一类在投标确定的市场出清价( m a r k e t c l e a r i n gp r i c e - - m c p ) 基础上根据某种原则对发电计划进行安全校正。 直接利用o p f 阻塞管理：最优潮流的数学模型可描述为确定一组使目标函数最小的最 优控制变量u ，并满足等式和不等式约束条件： m i nc ( x ，“) ( 2 5 ) s t f ( x ，甜) = 0 ( 2 - 6 ) h ( x ，u ) 0 ( 2 7 ) 式中x 和u 分别为状态变量和控制变量，式( 2 - 6 ) 为潮流方程等式约束，式( 2 7 ) 包括发电功率约束、支路潮流约束和电压约束等。 p o o l 交易模式中的最优调度与传统的最优潮流的最大区别在于：以发电厂和用户的 投标数据替代了实际成本及效益数据。根据市场开放程度的不同，o p f 模型的目标函数也 有所不同。 对于仅允许发电侧投标的单一买方市场，o p f 的目标函数为购电成本最小，即 浙江工业大学硕士学位论文 r a i n = c , ( p o f ) + e ( 尼玎) ( 2 8 ) i = 1 式中c , ( p g ，) 为发电机g ，的成本函数，q ( ) 为平衡节点的成本函数。 而对于允许负荷侧投标的市场o p f 的目标函数则变为社会效益最大，即以最小的电能 生产成本获得最大的收益，即 m a x = q ( d j ) 一q ( g f ) ( 2 9 ) j i 式中b f ( d ，) 为负荷g ，的收益函数， c ( g f ) 为发电机g 的收益函数。 基于安全校正的阻塞管理：英国的早期电力市场是通过电力库进行电力交易的。它与 直接考虑输电约束的o p f 计算稍有不同的是调度过程分为两个阶段，先用发电排序及加载 程序排出最小成本发电计划，不计及系统约束，最后一台排入计划的机组的报价即为系统 边际价格( s y s t e mm a r g i n a lp r i c e s m p ) 。然后由国家电网公司进行安全校核，由阻塞管 理要求开机和多发的机组称为限上( c o n s t r a i n e do n ) ，停机和少发的机组称为限下 ( c o n s t r a i n e d o f f ) 。 p o o l 模式下阻塞管理的显著特点是能够较为精确地确定发电计划，同时提供节点电 价等经济信息。其缺点除o p f 本身的算法复杂性及透明性不够外，另一个不容忽视的问题 是它假设用户投标信息反映了其成本和收益，而实际情况是发电商在利益最大化的驱动下 会采用策略性的投标行为，尤其当竞争对手较少时会出现操纵市场的情况，如早期英国电 力市场。这使得以成本最小为目标的优化模式失去了意义，为了解决此问题需要从市场设 计方面寻找更为有效的交易模式。 2 2 4 混合模式下的阻塞调度 p o o l 和双边交易混合模式是目前几乎所有电力市场都采用的交易模式。在此模式下 既存在发电商和用户之间的双边长期供电合同，也设立日前( d a y a h e a d ) 和时前 ( h o u r - a h e a d ) 电力库模式及现货投标市场。同时，为保证系统的安全频率和负荷平衡还设 立了实时平衡市场( r e a l t i m eb a l a n c i n gm a r k e t ) 。 当双边、多边交易模式的交易和p o o l 模式的交易共同存在时，系统一旦发生阻塞， 如何协调双边模式交易和p o o l 模式交易的消减和调整，这有3 种情形：只消减或调整 p o o l 交易；只消减双边交易；两种模式下的交易都没有绝对的优先权。前两种情形相当 于单一运作模式下的阻塞调度。对最后一种情形，需要采取一些办法来协调处理两种不同 浙江工业大学硕士学位论文 模式下的交易权重。 目前，在许多实际运营的电力市场，如英国的e n g l a n dw a l e s 市场、美国的n e w y o r k ， n e w e n g l a n d 和c a l i f o r n i a 市场以及挪威电力市场等都采用了p o o l 和双边交易共存的混合 交易模式。由于多种交易的共存，如何公平地调整各类交易计划成为了在此交易模式下阻 塞消除方法研究的核心。针对不同的交易调整方式，如：是采用调整标资源，还是直接调 整交易计划，双边交易是否参与调整，交易各方是独自上报调整标，还是一起上报调整标 等，人们提出了不同的调整目标，从而构造出不同调整特性的交易调整模型。 2 3 阻塞成本 2 3 1p o o l 模式 在该模式下，发电方经过p o o l 出售电力，申报发电价格和发电容量；用户通过p o o l 购买电力( 此处不考虑用户投标的情况) 。于是在不考虑网络约束的条件下，p o o l 采用使 购电费用最小的方法确定市场清算价c 朋，获得各节点的发电功率分别记为气，最j ， 只，于是，p o o l 的总购电费用为 ( 2 - 1 0 ) 由以上安排的发电计划还必须经过网络约束检验。若没有阻塞，则执行发电计划；若 出现传输阻塞，则必须在计及网络约束的条件下，采用使购电费用最小的目标函数，重新 调度发电出力。通过优化求解，发电功率被重新安排，各节点的发电功率分别记为 异，最盯，盯，阻塞消除后，发电方的结算规则主要有以下2 类： ( 1 ) 所有发电方按系统边际价巳朋结算 c ，朋= m a x c l ( p i j l ) ，c 2 ( ) ，g ( 乞。) 】 式中c ，( 只，) 为节点i 的发电报价，f = 1 , 2 ，门。于是，总购电费用为 因此，阻塞费用为 q 2 善c ，m 只， ( 2 一1 1 ) q = c ，- c i = ( g 。只。，一c l ，只，) f=l(2-12) ( 2 ) 多发电量按发电报价结算，少发电量按q m 与发电报价之差结算。于是，支付多 p mq 一瑚 = c 浙江工业大学硕士学位论文 发电量的发电方费用为 g ，= ( 只- p , ，) q ( 鼻，) + 霉，x q 。村 i - - li - - i ( f f 心口鼻，凇( 2 - 1 3 ) 支付少发电量的发电方费用为 巳。：= ( 置，一霉) 【c ，射一g ( 置) 】+ 只，xq 朋 ，；l，司 ( f f 1 只。口 弓，巾( 2 - 1 4 ) 因此，阻塞费用为 q = 巳，1 + q ，2 一q ( 2 - 1 5 ) 2 3 2 双边交易模式 该模式中发电方和用户直接签订双边交易，双边交易量上报给系统调度员。在双边交 易闭市后，系统调度员对双边交易进行网络约束检验。若没有阻塞，则执行双边交易计划； 若出现阻塞，则需进行阻塞管理，调整双边交易。一般双边交易的调整通过交易者申报增、 减投标来完成。系统调度员采用使购买增、减投标费用最小的方法，在计及网络约束的前 提下确定发电方和用户的功率调整值。通过优化问题的求解，可获得各节点的增投标功率 值，分别记为凹0 ，嵫，叫；以及减投标功率值，分别记为卸为，刖锄， 址锄。采用按报价结算的方法，支付增投标的费用为c + = 口( 凹力) 衅力，式中 i - - - i 口( 纰+ ) 为节点f 的增投标报价。收取减投标的费用为c 。= c ( 凹为) 纰j ，式中 ，i l c ( 纰一) 为节点f 的减投标报价。 因此，阻塞费用为 g = c + 一c 一 ( 2 - 1 6 ) 2 3 3p o o l + 双边( 或多边) 交易模式 该交易模式是p o o l 与双边( 或多边) 交易共存的交易模式。它的阻塞管理方式与双 边交易类似，也可通过交易者申报增、减投标完成。此时的交易者刁i 仅包括双边( 或多边) 浙江工业大学硕士学位论文 交易的发电方和用户，还包括p o o l 中的发电方和用户。它的阻塞费用计算方法与双边交 易模式相同。 2 4 小结 随着输电网的开放以及跨区电能交易的日益增多，输电阻塞问题日益严重，本章主要 分析了电力市场下的阻塞调度及其原则，并以电力市场交易模式为基础，重点分析了不同 交易模式下的阻塞调度方法及阻塞成本的计算，指明了输电阻塞研究必须基于一定的电力 市场模式。 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章我国的阻塞调度模型研究 3 1 我国市场模式下的阻塞调度 在1 9 9 8 年电力市场改革以前，我国的电力系统处于传统的垂直管理环境下，电力系 统实行的是一体化管理，发、输、配、售各个领域有着共同的经济利益，发电企业的出力 在调度中心统一的安排之下，缺少卖电方的竞争。输电调度都是在电力调度中心事先知道 发电企业发电成本基础上进行的。电力调度中心根据各发电企业的成本特点，利用最优潮 流程序进行调度，以避免出现传输阻塞现象。在这种垄断模式下，通过电厂出力的统一调 度分配，阻塞出现的可能性较小，即使出现了也很容易再调度，因为发电企业的电力交易 不是通过竞争产生，调度中心甚至可以忽略经济性以保证系统的安全性。 我国电力市场现阶段采用的是发电侧开放的单一购电者模式。厂网分开，竞价上网是 这种模式的概括总结。在这种模式下，原来由电网拥有的发电厂成为具有独立法人资格的 经济实体。各发电厂在市场上通过竞争上网向电网公司售电，配电公司向电网经营公司采 购电力。用户不能直接与发电厂签订购电合同，只能由电网经营公司采用趸售或零售的方 式供电。 因此，我国的阻塞管理模式是p o o l 模式，在一个中心电力交易所( 可以省级的中心 调度所为原型) 下，电力售卖与购买都在该中心交易所进行。这种交易主要是以电力的价 格与质量为基础，由市场来调节，各独立发电企业通过报价参与投标竞争。在发生阻塞时， 按一定的原则重新进行最优化的调度安排，消除阻塞。阻塞费用就在电价上反映出来。 中国电力体制改革工作小组2 0 0 7 年发布了备受关注的关于“十一五”深化电力体 制改革的实施意见。其中新的电力体制改革方案提出，着眼于改变单一电力购买方的市 场格局，培育多家市场购电主体。目前，我国购电模式是电网独家向电厂购电，独家销售。 改革后，大用户可以直接向发电厂购电，而电网不再是一个买方，仅是提供电力输配服务 而已。 在“十一五 体制改革中，输电领域也将开放，逐步允许大用户直接参与交易，会出 现混合交易模式，对阻塞调度又会提出新挑战了。混合模式下的阻塞管理将是复杂的问题， 需要协调好各个市场参与者的经济利益，激发它们参与阻塞管理的热情。 浙江工业大学硕士学位论文 3 2 国外典型模型研究 目前国内对阻塞调度的研究主要针对p o o l 模式，而在混合模式下的探索很少。随着 我国电力市场改革的进行，在“十一五”体制改革中，就将出现大用户直接与发电企业进 行交易，输电网络也将遇到更严峻的挑战。混合模式下的阻塞管理也成了急待解决的重大 课题，也直接影响着电力系统的安全稳定性、经济生产的正常开展。 目前，国外发达国家的电力市场模式已有较为成熟的运行经验，在混合模式下的阻塞 管理方面的研究也有一些。在国外文献的基础上，本节对一些重要研究成果进行分析总结。 概括来说，对混合模式下阻塞管理的研究主要集中在两个方面：当预测到阻塞发生时 按照何种原则进行调整和削减各种交易；实时平衡市场如何调度。 不同调整原则下就有不同的混合模式阻塞调度方式，同时交易的优先级不同，调度优 化目标也不同。优先级不同的调度模式有：p o o l 和双边交易优先级相同模式，p o o l 交 易优先模式，双边合同优先模式。优先级的处理方法是增加调度目标中相应的权重。总结 国外研究经验，主要有以下几种思路。 ( 1 ) 交易矩阵 文献 2 6 提出了虚拟交易网络( v i r t u a lt r a n s a c t i o nn e r o ) 和交易矩阵( t r a n s a c t i o n m a t r i x ) 的概念。各种交易模式( p o o l ，b i l a t e r a l ，m u l t i l a t e r a l ) 均可用交易矩阵表示，以此为 分析框架，输入变量为交易计划，处理网络阻塞时不考虑经济性，使用o p f 程序进行调整， 调整原则为交易矩阵的偏差最小，即 m i n ( 乃一砀) 2 tes ( 3 1 j 驴 式中乃为调整后的交易量，乙为原始交易量，s 为考虑稳态约束条件的交易安全域。 这种调度模式没有考虑不同模式下的交易权重的调整，进行没有优先权的管理，最重 要的是未考虑经济性，这点在电力市场下是得不到生存的，因为经济利益是各个市场参与 者追求的最终目标。但这个模式下能通过矩阵对不同模式下的交易量进行很好的处理，同 时实现交易调整量的最小化，比较适合混合模式过渡阶段韵应用。 ( 2 ) 双边合同优先 文献 2 8 以文献 2 6 的交易矩阵为分析框架，分析了混合模式下的调度策略，双边合 同作为固定交易处理。调度目标和约束条件为： 毋咿c ( 名) ( 3 2 ) dn 6 s t ( 名，g ) s ( 3 - 3 ) 一1 6 浙江工业大学硕士学位论文 乞x e ( 3 4 ) 式中，s 。为各种约束条件，足和q g 分别为发电机有功功率和无功功率，为合同矩 阵，e 为单位矢量。式( 3 - 4 ) 表示发电机总发电功率必须大于合同电量的要求。 这种模式借鉴了交易矩阵处理的优点，同时把双边合同的优先权放在最高位，首先保 证合同交易的满足。此时的调度方式类似于p o o l 的调度模式，只是多了双边合同对功率 的约束，但没考虑在双边合同固定而无法通过调整p o o l 模式下的交易实现阻塞管理时的 情况。 文献 2 9 构造了目标函数为满意度最大的调度模式，定义满意度的思路是：若合同电 量完全被满足或超过则满意度为1 ，若合同电量被削减，则满意度线性下降。应该指出这 种满意度的定义较为粗糙。 美国加卅i 电力市场是一个典型的混合模式，加州模式为i s o + p x + s c 模式。p x ( 电力