（电力系统及其自动化专业论文）区域互联电力系统输电能力分布式协同计算.pdf

a b s t r a c t t r a n s f e rc a p a b i l i t yi sa l li n d e xt om e a s u 代h o wm u c hp o w e rc a l lb et r a n s f e r r e d s a f e l yi nag i v e ns y s t e m h o wt oc o m p u t ei ta c c u r a t e l yi si m p o r t a n ti ns y s t e ms e c u r i t y e v a l u t a t i o n ，r e a l t i m ed i s p a t c h ，a n dp o w e rm a r k e to p e r a t i o n r n l eo p t i m i z a t i o n m e t h o d sh a v eb e c o m ep o p u l a r - u s e db e c a u s et h e yc a l ld e a lw i t ha l lk i n d so f r e s t r i c t i o n sc o n v e n i e n t l ya n dc o m b i n et h es e c u r i t ya n de c o n o m yo fp o w e rs y s t e m s i n t ot h ea l g o r i t h e mw e l li nm a n ym e t h o d st oc o m p u t et r a n s f e rc a p a b i l i t y m o r e o v e r , p o w e rm a r k e th a sb e e nt h et r e n di ne l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yi no u r c o u n t t y i nd e r e g u l a t e de n v i r o n m e n t ，t h ep o w e rs y s t e mn e t w o r k sw h i c hb e l o n gt o d i f f e r e n tp o w e rc a m p a n i e sa r ed i s t r i b u t e da n dd e c e n t r a j i z e ds ot h a tt h eo p e r a t i o nd a t a o fo n ec a m p a n yc a n n o tb ea c q u i r e db yo t h e rc a m p a n i e st h o r o u g h l y ad i s t r i b u t e d c o o r d i n a t e dm e t h o dt oc o m p u t et r a n s f e rc a p a b i l i t yb a s e do nd e c o m p o s e ds y s t e m n e t w o r ki sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t e da n dd e c e n t r a l i z e dc h a r a c t e r i s t i c so f p o w e rs y s t e m si nt h i sp a p e r f i r s t , t h ed e c o m p o s i t i o n c o o r d i n a t i o nm e t h o di sa d o p t e d t od e c o m p o s et h ep o w e rn e t w o r k sa c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gs u b - n e t w o r k sd i v i s i o n c o n d i t i o n s a n dt h e c o m p u t a t i o no ft r a n s f e rc a p a b i l i t ym o d e lb a s e do nt h e o p t i m i z a t i o nm e t h o di se s t a b l i s h e d n e x t , t h ea u g m e n t e dl a g r a n g em e t h o di su s e dt o t r a n s f o n nt h em i n i z a t i o np r o b l e m o ft h ed e c o m p o s i t i o na n dc o o r d i n a t i o nm o d e lt ot h e s a d d l ep o i n tp r o b l e mo fa u g m e n t e dl a g r a n g ef u n c t i o n f i n a l l y , t h ea u x i l i a r yp r o b l e m p r i n c i p l e ( a p p ) i su s e dt of o r mad i s t r i b u t e di n e r a t i v ef r a m e w o r ki nw h i c ht h e t r a n s f e r c a p a b i l i t yc o m p u t a t i o no ft h ew h o l en e t w o r k si st r a n s f o r m e dt ot h e s u b - p r o b l e m si nt h es u b n e t w o r k s i nt h i sa l g o r i t h m ，t h ed i s t r i b u t e dc o m p u t a t i o na n d d a t aa c q u i s i t i o na r ei m p l e m e n t e db yt h es u b n e t w o r k si ne a c hi t e r a t i v ec o m p u t a t i o n ， a n dt h ei n f l u e n c e so nt h ei n t e r n a ln e t w o r k se x p o s e db yt h ei n t e r c o n n e c t e de x t e r n a l n e t w o r k sa r ec o n s i d e r e db ye x c h a n g i n gb o u n d a r yn o d e s i n f o r m a t i o ns 0t h a tt h e c o m p u t a t i o n i nt h es u b n e t w o r k sc a nb e u p d a t e dt o s t a r tn e x tr o u n di t e r a t i v e c o m p u t a t i o n 。t h ea m o u n to fc o m m u n i c a t i o nd a t ai sv e r ys m a l lb e c a u s eo n l yt h e b o u n d a r yn o d e s i n f r o m a t i o nn e e dt ob ec o m m u n i c a t e di nt h ec o m p u t a t i o np r o c e s ss o t h a tt h et r a n s f e rb u r d e ni np o w e rs y s t e m sw o n tb ei n c r e a s e d i nag i v e ns u b - n e t w o r k , t h ec o m p u t a t i o na p p r o a c hc a nb es e l e c t e dt oc o m p u t et h e t r a n s f e rc a p a b i l i t yo fi t so w r la c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cc o n d i t i o n t h ed i r e c tn o n l i n e a r p r i m a l - d u a li n t e r i o rp o i n ta l g o r i t h m ，w h i c hh a sg o o dc o n v e r g e n c e ，f a s tc o m p u t a t i o n s p e e da n dh i g hp r e c i s i o n ，i su s e dt oc o m p u t e t h ew a n s f e rc a p a b i l i t yo fs u b - n e t w o r k si n t h i sp a p e r t h i sc o m p u t a t i o np r o c e s sa d j u s t e dt os u i tt ot h ed i s t r i b u t e df r a m e w o r ki s p r e s e n t e di nd e t a i li nt h i sp a p e r c o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n s , t w oa p p l i c a t i o ni m p l e m e n t a t i o n si nd i f f e r e n t s i t u a t i o n sr e g a r d i n gt ot h ea c t i v ep o w e rt r a n s f e r r e dt h r o u g hb o u n d a r yn o d e sa r e s t u d i e d , a n dt h er e s p e c t i v e d i s t r i b u t e d a p p r o a e h st oc o m p u t es y s t e m t r a n s f e r c a p a b i l i t ya r ep r e s e n t e di n t h i sp a p e r i nt h ec a s eo fc o o r d i n a t i n ga c t i v ep o w e r t r a n s f e r r e dt h r o u g hb o u n d a r yn o d e sb yt w oa d j a c e n ts u b - n e t w o r k s ，t h ec o m p u t a t i o n a p p r o a c ht oi n c r e a s et h et r a n s f e rc a p a b i l i t yo f t h ew h o l ep o w e rs y s t e m st h a tc o n s i s to f a l ls u b - n e t w o r k st h r o u g ho p t i m i z i n gt h eb o u n d a r ya c t i v ep o w e rv a l u e si se x p a t i a t e d k e yw o r d s ：t r a n s f e rc a p a b i l i t y , d i s t r i b u t e do p t i m i z a t i o n ，a u x i l i a r yp r o b l e m p r i n c i p l e ，d e c o m p o s t i o n c o o r d i n a t i o n m o d e l 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，也不包含为获得墨叠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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：赵晶晶 签字同期： 2 0 呵年f 月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗态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：玉晶晶 签字日期：2 0 年f月2 了同 导师签名：多飞扎 t 签字日期：1 年 1 月研 日 j 第一章绪论 1 1 电力系统输电能力 1 1 1 输电能力的基本概念 第一章绪论 系统输电能力是衡量互联电力系统在特定的运行方式下，经过系统两区域间 全部输电线路将电能可靠地由一个区域传送到另一个区域的能力的一种指标【l 】。 输电能力不是一个新的概念，在传统的计划经济体制下，输电能力是系统调度员 调度时所参考的一个安全信息，用以了解系统当前运行状态与各种约束间的距 离。在电力市场环境下，输电能力又被赋予了新的经济含义，旨在现有的输电合 同基础上，实际输电网络中剩余的，还可用于商业使用的传输容量，这是所有电 力市场参与者进行交易活动时都必须了解的重要信息。因此电网输电能力除了传 统意义上的评估系统可靠性的重要测度，又可作为引导市场参与者进行电力交 易、刺激商业竞争以充分利用现有资源的市场信息，其准确求取对电力系统有重 要意义。 系统b系统c 图1 1 互联系统简化网络图 如图1 - 1 所示，由子系统a 到子系统b 的输电能力可以通过如下方法得到【1 】： 在系统其它条件不变，并且考虑系统内主要的几种单故障的情况下，调整两子 系统的发电量( 或负荷水平) ，使子系统a 中发电量存有剩余而子系统b 中的发 电量不足，于是在整个系统中将很自然地产生由子系统a 到子系统b 的电能传 第一章绪论 输，持续进行上述的调整直至系统不满足安全运行的约束条件，此时两子系统间 的输电量就是在该运行情况下两子系统间的总输电能力，其中包括由子系统c 传递到子系统b 的电能。 计算系统输电能力通常是用计算机模拟在特定的运行条件下互联电力系统 的运行情况来得到的，在计算中必须考虑如下一些因素【2 】： ( 1 ) 用户负荷特性：在迸行计算时，基态负荷水平必须与待研究的用户负 荷水平相适应，必须能代表各个时间段的负荷特性； ( 2 ) 发电机调度方式：在计算时必须按照系统实际情况来模拟工作机组与 备用机组的出力与调度方式，在必要时还应该考虑发电机的能力曲线问题： ( 3 ) 系统网络结构：在计算中必须准确地模拟出基态情况下互联系统网络 的各种特性，其中包括对系统内任意设备退出运行以及对改变运行方式时系统相 应变化的模拟； ( 4 ) 预约输电服务：在计算中必须考虑已经由交易双方确认的预约输电服 务对输电能力的影响； ( 5 ) 系统故障：在计算中必须根据实际系统需要对相应的故障进行分析， 找出对输电能力影响最大的故障，在某些情况下还应该适当考虑多重故障发生时 系统的状况。 考虑到电力系统的实际情况，系统输电能力的求解必须严格满足以下三个约 束条件t 1 。2 j ： ( 1 ) 热稳定极限：热稳定极限规定了输电线或用电设备在一定时间内所能 流过的最大电流值，以免输电线路或用电设备因过热而发生永久性故障。热稳定 极限可以分为正常情况下的极限值和紧急情况下的极限值，它们分别对应于不同 的运行情况。 ( 2 ) 电压极限：电能在流经输电线时，会导致线路的电压降落，而在输电 系统中必须时时将各节点的电压维持在一个特定的范围之内，以保证不会对系统 及用户设备造成损害。电压极限规定了系统内各节点所能允许的电压变化范围。 ( 3 ) 稳定极限：互联系统可靠性设计的一个基本原则就是要保证系统在发 生故障时，能够继续保持可靠的运行。稳定极限主要是考虑系统暂态稳定性问题 和静态稳定性问题时所得的约束。 系统输电能力的准确求解对电力系统有重要的意义： ( 1 ) 系统输电能力的准确求解是实现电力市场化的一个必要条件。在电力 市场环境下，系统输电能力将影响到发电服务、输电服务分析等环节，对交易双 方都有重要的意义，是电力交易双方需要确切掌握的基本数据。输电能力的确定 对于约束电力交易行为，保障公共电网安全具有积极作用。 第一章绪论 ( 2 ) 输电能力研究可为电力网络规划提供辅助测评手段。输电能力的大小 直接反映了电网的安全性，可靠性，以及互联电网的联结强度和结构的优劣。通 过对输电能力的准确求解，可以为电网规划设计部门及审批部门提供量化的辅助 性测评标准。 ( 3 ) 输电能力的实时求解对于电力系统运行调度部门具有重要意义。通过 计算，可以及时掌握系统目前的运行情况，合理调度各区域间的资源，合理利用 现有设备的传输能力，避免危及全网的恶性事故发生。 1 1 2 输电能力的常用指标 在电力系统的实际运行中，经常使用的输电能力指标有：一次故障下的总输 电能力( f i r s tc o n t i n g e n c yt o t a lt r a n s f e rc a p a b i l i t y ，简写为f c t t c ) 、一次故障下 的可用输电能力( f i r s tc o n t i n g e n c yi n c r e m e n t a lt r a n s f e rc a p a b i l i t y ) ，简写为 f c i t c ) ，以及区域间可用输电能力( a v a i l a b l et r a n s f e rc a p a b i l i t y ，简写为a t c ) 等。 其中，根据北美电力系统可靠性委员会( n o r t ha m e r i 6 a ne l e c t r i cr e l i a b i l i t y c o u n c i l ，简写为n e r c ) 给出的定义【l 】，所谓的一系统两区域间的输电能力( 即 f c t t c ) 是指满足下述约束条件时，通过两区域间的所有输电线路，从一个区域 向另一个区域可能输送的最大功率： ( 1 ) 在无故障发生的正常方式下，系统中所有设备( 包括线路) 的负荷及 电压水平在其额定范围内； ( 2 ) 在系统中单一元件( 如输电线，变压器或发电机等) 停运的故障条件 下，系统应能够吸收动态功率震荡，维持系统的稳定性； ( 3 ) 当( 2 ) 中描述的事故发生且系统功率震荡平息后，在调度员进行故障 相关的系统运行方式调整之前，所有设备( 包括输电线) 的功率及电压水平在给 定的紧急事故条件下的额定范围内； ( 4 ) 若在正常情况下所求得的输电能力小于考虑任何一个单一故障时所求 得的输电能力值，则最终结果将以正常情况时的为准； ( 5 ) 在特殊情况下，求解系统输电能力时还可以适当地考虑多重故障。 事实上，f c t t c 就是满足n 1 故障条件的系统输电能力。它的求解应考虑 故障选择与排序、静态安全性分析、动态安全性分析等问题p j 。 f c i t c 的定义为在基态系统潮流的基础上，满足n 1 故障条件的系统可用 输电能力。它可以根据f c q 陌c 以及基态情况下系统的潮流情况进行求解。 在电力市场环境下，系统运行的不确定性大大增加，电能交易瞬息万变，再 考虑到各种故障对系统造成的影响，高效准确地计算系统的输电能力就显得尤为 重要。为了规范市场运作，美国联邦能源委员会( f e r c ) 于1 9 9 6 年颁布了“要 第一章绪论 求输电网的所有者计算输电网区域间可用输电能力( a v a i l a b l et r a n s f e r c a p a b i l i t y ，简写为a t c ) 一的8 8 9 号令。北美电力可靠性委员会n e r c 给出了 a t c 的定义：a t c 是指在现有的输电能力合同基础上，实际物理输电网络总剩 余的、可用于商业使用的传输容量。此定义说明，在电力市场环境下电网输电能 力问题不再是原先意义下简单的区域功率交换能力，而是基于已有输电合同的， 在保证系统安全可靠运行条件下的，区域间或点对点之间可能增加的功率传输 量。可用输电能力的计算公式如下： 么歹c 之2 一丁c z 蹦一c 肼一昱歹c( 1 1 ) 其中，r 丌c 是系统在满足各种安全性与可靠性要求下的输电能力。在只需考虑 单一故障的情况下，1 r c 等同于前面提到的f c t t c 。t r m ( t r a n s m i s s i o n r e l i a b i l i t ym a r g i n ) 是输电可靠裕度，它反映了系统内的不确定性因素对输电能 力的影响。c b m ( c a p a b i l i t yb e n e f i tm a r g i n ) 是容量效益裕度，它定义为负荷供 应单位( l o a ds e r v i n ge n t i t i e s ，简写为l s e ) 保留的系统输电能力，以确保从互 联系统获得电能，从而满足发电可靠性要求。e t c ( e x i s t i n gt r a n s m i s s i o n c o m m i t m e n t ) 是现有输电协议所占有的输电能力，根据e t c 和c b m 合同的稳 定程度，可以将输电合同分为可撤销的( r e c a l l a b l e 或n o n f i n n ) 或不可撤销的 ( n o n r e c a l l a b l e 或f i n n ) 、计划的( s c h e d u l e d ) 或预约的( r e s e r v e d ) 输电合 同。组合后可得到4 种输电服务用语：m 汪s ( 不可撤销的预约输电服务) 、n s c h ( 不可撤销的计划输电服务) 、r r e s ( 可撤销的预约输电服务) 、r s c h ( 可撤销 的计划输电服务) 。 a t c 是一个动态量，因为它是一组可变和相互影响的参数的函数，这些参 数与网络的条件密切相关，因此a t c 的计算值需要阶段性地更新。 由上述各种输电能力的定义可以看出，特定网络结构下( 包括故障情况下) 的输电能力计算是计算各输电能力指标的基础，因此如何准确求解具有十分重要 的意义。 1 1 3 输电能力的主要计算方法 f e r c 的8 8 9 号令中提出的计算a t c 的要求为电力工业提出了一个重大课 题，必须在完整的技术准则指导下发展实际的计算方法，为电力市场提供商业性 可行的输电能力信息。输电能力的计算需要考虑到很多约束条件，这些约束条件 在具体的求解过程中不可能一次全部都考虑到，通常情况下都是先分别计算各约 束条件下系统的输电能力，然后选取其中的最小值作为最终的输电能力。根据考 虑的稳定性约束类型不同，输电能力研究可分为考虑功角稳定与考虑电压稳定两 种情况。近年来国内外频频发生的大电网稳定破坏事故多是由于电压失稳和电压 第一章绪论 崩溃 4 1 ，而且我国的电网结构较为薄弱，并联电容器使用多，加上城市家用电器 设备，特别是空调数量的增多使得我国发生电压失稳的可能性更大，目前我国应 加紧进行电压稳定性及其相关问题的研究，其中电压稳定性可分为暂态电压稳定 和静态电压稳定。在静态电压稳定性研究中，鞍结分叉( s a d d l en o d eb i f u r c a t i o n ， 简写为s n b ) 是造成系统电压失稳的主要原因。文献【5 】证明了暂态电压稳定的 动态模型中计算得到的鞍结分叉点及其相应的特征信息同样可以由静态模型的 计算中得到，从而也进一步说明了静态方法求解电压稳定性约束下输电能力的准 确性。本文所讨论的是考虑静态电压稳定性约束的输电能力研究。 图1 2 静态电压稳定约束下的输电能力示意图 如图1 2 所示，静态电压稳定约束下的输电能力是指在特定的网络结构( 包 括正常状态和故障状态) 下，系统当前运行点( o 点或d 点) 距离电压失稳点 ( c 点或c 点) 的距离( a 或九) 。 下面简要介绍一下常用的输电能力计算方法。输电能力研究至今已有3 0 多 年的历史，早在上个世纪7 0 年代国际学者就开始研究输电能力的计算方法。输 电能力的计算方法大体可分为两类1 6 - 7 ：基于概率的求解方法【8 - 1 0 1 和确定性的求解 方法【1 1 - 1 5 1 。基于概率的求解方法主要有枚举法【8 】和蒙特卡洛法【9 1 0 1 ，确定性的求 解方法主要有连续潮流法( c p f ) 【1 1 1 3 】【3 3 1 和最优化方法【l 禾1 5 1 。 ( 1 ) 枚举法。通过列举系统所有可能状态得到a t c 的概率密度函数，它只 适用于对小系统做理论研究，在实际系统中因为要考虑的状态量太多而很难应 用。 ( 2 ) 蒙特卡洛( m o n t ec a r l o ) 法。通过m o n t ec a r l o 仿真来抽取系统状态， 第一章绪论 采用直流潮流结合线性规划方法或者标准潮流方法进行计算，其计算时间不随系 统规模增加而急剧增加，具有较高的效率，是当前应用最广泛的概率计算方法。 ( 3 ) 连续潮流法。这是一种有效追踪p v 曲线的非线性方法，它通过在常 规潮流方程中引入连续性参数克服常规潮流计算方法( 如牛顿法，快速解耦法等) 中雅克比矩阵在临界点附近的病态行为，从而能够得到准确的输电能力值。这类 方法能很好地追踪系统实际运行轨迹，是近年来应用比较广泛的输电能力计算方 法之一。在使用连续潮流法进行计算之前，必须事先确定各负荷节点增长方式以 及各个发电机随负荷变化时的调度方式，计算得到的结果是该功率注入变化方向 上的输电能力。文献【1 1 】提出了分别以系统总网损( 有功无功) 、平衡母线的出 力( 有功无功) 以及发电机无功出力作为连续性参数的连续潮流法。文献 1 2 】 介绍了一种以连续潮流计算方法为基础的电力系统区域间输电能力计算方法，该 方法可以计及线路过负荷，节点电压越限及潮流解鞍点分叉等静态安全性约束条 件的影响，可以作为区域系统间功率交换能力离线分析的有效手段。文献【3 3 】在 传统连续性方法的基础上，提出了一种改进的步长控制连续性潮流计算方法，根 据预测环节中的信息自动选取合适的步长，提高计算效率。文献【1 3 】为克服连续 潮流计算在临界点附近的收敛性无法得到有效保证的缺点，对局部参数连续法作 了一定改进，能够有效保证连续潮流计算在奇异点及其附近的收敛性。但是连续 潮流方法在应用时，需要预先给定发电机的有功出力增长方式，这有时不能满足 实际情况的计算要求。 ( 4 ) 最优化方法。相比于连续潮流法，最优化方法不需要事先规定发电机 有功出力增长方式，而是将系统输电能力的求解问题转化为求解满足系统潮流方 程的等式约束和其它一些不等式约束( 如系统的各种运行约束和物理设备约束 等) 的情况下系统的最大负载能力问题，将发电机有功出力，机端电压等引入待 优化量，从而直接求解系统的最大负载能力，既可以方便地处理各种约束，又可 以对系统资源进行优化调度，兼顾安全性和经济性。这类方法并不需要像连续潮 流法那样计算出当前运行点与电压失稳点之间的解轨迹，而是直接求解系统的输 电能力，获得待研究设备的最佳状态，计算效率高。此外，最优化方法的优势还 在于同时对系统的其它控制元件进行优化，提高系统的输电能力。目前比较先进 的算法是原对偶内点法。文献 1 4 1 通过建立非线性规划模型，并在优化变量中引 入发电机端电压等控制变量，采用原对偶内点法求解，以获得更大的负载能力。 文献【1 5 】以最优潮流( o p t i m a lp o w e rf l o w ，简写为o p f ) 为基础提出了一种考 虑暂态稳定约束的a t c 计算方法，将暂态稳定约束经过约束转化后直接加入优 化模型中，转换后的优化模型各变量定义在e u c l i d e a n 空间，不含微分方程，是 一种静态优化问题。文献【3 4 】将原对偶内点法和连续性潮流计算系统输电能力相 第一章绪论 结合提出一种输电能力的综合计算方法，用原对偶内点法优化得到的发电机出力 值为连续性潮流方法提供最优的发电机出力方向，用连续性潮流追踪系统从初始 运行点到电压崩溃点的过程，控制各离散事件向最优值靠近，从而提高系统输电 能力。本文将基于最优化方法对输电能力的计算展开讨论。 1 2 电力系统分布式计算 1 2 1 简介 市场化的电力系统与传统电力系统之间最大的区别就在于电力系统将由若 干个独立的公司共同运营。市场化的运行方式使不同电网公司所辖电网呈现按地 域形式的分区分布和彼此独立的特点，一个公司的系统运行数据对其他公司而言 存在一定程度的不透明性，区域电网间存在信息壁垒，数据和信息不可能充分共 享，集中式的全网计算和分析越来越难以实现。电网公司间系统数据的不透明性 和地域分布所要求的计算分布性是市场环境下电力系统计算所面临的主要问题， 与传统电力系统运行模式下各种算法主要追求提高计算效率不同，市场环境下， 算法必须在保持各公司所辖子系统相对独立的同时完成相关的分析计算工作，因 此在发展各种电力系统分析算法时必须突出考虑这种独立运行的特性。 除了上述电网运行的相对独立性以外，电力系统网络其固有的互联特性使得 子系统的分析计算工作必须考虑外部系统的影响。目前主要采用两种方法解决这 个问题：外网等值法【1 6 】和分布式计算法【r 7 。2 0 】。外网等值法在电网建模时对外部网 络采用一定的简化处理，通常是按照不同的系统运行方式将外网的影响化为恒定 注入量来处理，但是由于缺乏外部电网的实时动态信息，在计算中容易产生误差， 尤其是在电力负荷日益加重的今天，外网等值法可能会对系统的运行产生比较严 重的影响。相比之下，分布式计算方法则可以进一步考虑到实时运行数据对电力 系统计算的影响，能更好地符合电力系统的实际，满足电力市场环境下的计算的 要求，是一种很有前途的计算方法，目前分布式计算方法在暂态稳定计算1 1 7 - 1 8 潮流计算【1 9 1 和最优潮流计算【2 0 】方面都有了一定的研究成果。 文献 1 7 1 探讨了基于支路分割和区域迭代的暂态稳定分布式算法。这种算法 实现了用子系统微分代数方程内部求解代替系统的统一求解，子系统间的数据可 以是不透明的，按支路分割区域子系统的方式适合电力系统地理分布特性和市场 条件下电网公司独立运营的特点。在此基础上文献【1 8 】提出了基于积分步初值估 计和积分步内交接变量修正调解的改进方法，在较大程度上提高了暂态稳定仿真 分布式计算的效率。文献0 9 从研究调度员潮流以及静态安全分析在d e m s 环境 第一章绪论 下的分布式计算这一新领域出发，提出了一种多区域互联系统分布式动态潮流协 调计算的异步迭代计算模式，通过在外层迭代过程中不断修正外边界节点的等值 注入功率来模拟外网对内网扰动的响应，分布在各地的子系统不需要改变现有潮 流计算模型( 如矿秒节点的选择、联络线及外网等值的建模方式等) ，就可获得整 个互联系统动态潮流的计算效果。在算法实现过程中，充分考虑了子系统计算的 独立性，可根据实际情况满足子系统潮流计算的不同精度要求，灵活方便。文献 【2 0 提出了一种分布并行最优潮流计算方法，将大电网优化问题转化为多个子系 统互相协调的并行优化问题，通过相邻子系统之间交换边界节点数据减少了子系 统间数据的交换量，避免了数据传输带来的瓶颈，同时按照地理区域划分的电网 分区的做法便于在电力市场方面的应用。 本文将分布式计算应用于电力系统输电能力计算的领域，和最优化方法相结 合首次提出区域互联电力系统输电能力的分布式协同计算方法。 1 2 2 辅助问题原理在分布式优化计算中的应用 结合电力系统本身具有的高度分散、分布的特点和各电网公司之间存在信息 壁垒的问题，在电力系统输电能力计算中，需要的分布式算法和数学模型应该面 向电力系统分布广泛的特点，能够较为独立地进行分布在各地的子网络计算，区 域间传输信息量少且尽量少地涉及到其它区域内部信息。辅助问题原理是这一方 面最有前景的方法之一。 辅助问题原理将一个大的优化问题( 包括极小值问题、鞍点问题等) 分解成 一系列子问题解决。1 9 8 0 年，c o h e n 第一次将前人的分解协调法加以归纳整理， 并进一步推广和概括化，得到了辅助问题原理1 2 l - 2 2 。在电力系统的应用中，j b a t u t 与a r e n a u d 于1 9 9 2 年首次将辅助问题原理应用于日发电计划优化问题【2 3 1 。1 9 9 7 年，b a l h oh k i m 等采用辅助问题原理对分布式最优潮流进行了建模和计算 2 4 - 2 6 ， 采用分解协调模型对电网进行分解，通过辅助问题原理将原优化问题按照电网分 区分解成若干个可独立优化的迭代子问题，然后通过迭代过程中不断地交换边界 节点信息使各分区及时有效地计及互联外网的影响并更新本区计算，最后达到整 体收敛，实现全网最优潮流计算，取得了令人满意的效果。文献 2 7 1 探讨了应用 辅助问题原理进行分布式最优潮流计算时，控制参数的选择对算法收敛性的影 响。 本文将辅助问题原理应用到电力系统输电能力优化计算中，得到一个分布式 的迭代计算框架，从而实现输电能力的分布式计算。 第一章绪论 1 3 本文工作及结构 1 本文的主要工作 ( 1 ) 对系统输电能力的基本概念，常用指标及基本的计算方法进行了描述， 简单介绍了分布式计算在电力系统的应用。 ( 2 ) 采用分解协调法将电网按地理区域的划分进行分区，生成了地域分布 式的分解协调计算模型。研究了辅助问题原理及其在分布式优化计算方面的应 用，并结合辅助问题原理通过互联系统协同计算的方式构建了基于电网分区的分 布式输电能力迭代计算框架。 ( 3 ) 研究了原对偶内点法的基本原理及其在输电能力计算中的应用，并验 证了其在输电能力计算方面的有效性。采用原对偶内点法实现分布式输电能力计 算框架中各分区区内输电能力的优化计算。 ( 4 ) 结合电力系统实际情况进行不同实际场景下的应用研究，分别针对固 定电量交易计划模式和分区间协商制定交易计划模式的两种应用场景提出了具 体计算方法，其中在后一种计算模式下通过优化边界传输功率使得全网输电能力 得到提高，同时可获得对于制定交易计划很有指导意义的边界传输功率的值，本 文对两种应用场景均进行了算例试验。 2 本文的基本结构 本文第二章详细介绍了基于电网分区构建分布式输电能力计算框架的过程。 首先采用分解协调法实现互联电网分解，然后采用增广拉格朗日法和辅助问题原 理将计算全网输电能力的问题转化为若干个相对独立的各分区电网计算输电能 力的子问题，得到各分区协同计算的迭代形式的分布式计算框架。第三章中详细 介绍了最优化方法中原对偶内点法的基本原理，建立了用此方法计算系统输电能 力的数学模型并进行了算例试验，然后采用原对偶内点法完成前一章构建的分布 式输电能力计算框架中的各分区内输电能力的优化计算，实现了基于电网分区的 电力系统输电能力的分布式计算。第四章对实际场景中的若干应用问题作了详细 讨论，配合电力系统的实际情况应用本文提出的分布式输电能力计算方法，分别 针对固定电量交易计划模式下和分区间协商制定交易计划模式下的两种应用场 景提出了具体计算方法并进行了算例试验，其中在后一种应用场景中通过模拟退 火算法优化分区间边界传输功率获得对于制定交易计划很有指导意义的边界传 输功率值。第五章进行全文总结。 第二章基于电网分区的分布式输电能力计算框架 第二章基于电网分区的分布式输电能力计算框架 2 1 电网分区与分解协调模型 将电网按地理区域划分为若干区域，本文采用分解协调法1 2 3 】分解互联电网。 为简明起见，本文以两分区为例详细阐述电网分解过程，同理可以得到类似的多 分区分解过程。 如图2 1 ( a ) 所示，电网s 的两个子系统c 1 、g 通过边界节点五相连，五、 五分别是c l 和c 2 的内部节点集合。通过“复制 边界节点五实现网络分离，只 为边界节点的传输功率，咒。，咒，为系统分离后边界节点通过“复制 在不同分 区产生的注入功率，如图2 1 ( b ) 所示。 c lc 2 ( a ) 分离前 c l c 2 ( b ) 分离后 图2 1 互联电网的分解过程 用咒，( i = 1 ，2 ) 表示各子系统的“复制 边界节点集合，用g ，( i = l ，2 ) 表示电网分解后形成的每一个分区，用s 表示所有分区的集合，即有：s = e ) ， ( 江l ，2 ) 。可将每一个边界节点看作一个虚拟的发电机节点，毛，为第i 分区虚拟 发电机节点的参数变量。虚拟发电机弥补了因为电网分区后产生的潮流不平衡， 同时也使c 形成了一个相对独立的子系统。 为了使分离后的系统与原系统等值，应规定咒，与五，为电气上的同一点， 即具有相同的节点电压幅值，相角以及数值相等方向相反的注入功率，增加边界 一致性约束条件： 螽，= 彘而2 ( 2 1 ) 第二章基于电网分区的分布式输电能力计算框架 其中，毛。与黾：具有的电气量包括节点电压幅值，相角，有功功率注入和无功功 率注入，即有： x b 。= ( e 。r ，q 。r ，k i t , 皖。7 ) r 2 = ( 只2 r ，q 2 t ，i z b 2 t , 晚2 r ) r ( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中，毒= d i a g ( i ，1 ，) 、彘= d i a g ( - i , 一1 ，1 ，) 是对角元素为1 或一1 的单位对 角矩阵。这里规定功率由边界节点注入区内网络的方向为正。 多分区的情况类似于两分区，同样是经过“复制 区域间的边界节点，增加 边界一致性约束条件实现电网分解。文献【2 8 】中还介绍了多个分区共有一个边界 节点的电网分解过程，原理是相同的。 2 2 基于最优化方法计算输电能力 2 2 1 最优化方法在电力系统中的应用 计算系统输电能力所要考虑的约束有很多，包括线路容量约束、低电压约束 和稳定性约束等，本文考虑静态电压稳定约束下的最大输电能力求取。前文已经 介绍了各种求解系统输电能力的方法，目前应用较多的主要有连续潮流法f 2 w 和最 优化方法1 1 4 】。在连续潮流法计算过程中，发电机的有功出力增长方式是预先给定 的，这与实际情况不符。实际系统中各发电机出力模式需要根据不同的需求采用 不同的调度方式进行调整，尤其是在竞争的电力市场环境下，为充分利用系统现 有的输电能力以求得最大经济效益，考虑发电机优化调度成为一个越来越重要的 问题。按照预先给定的模式增长，所获得的计算结果趋于保守，从而限制了输电 系统的利用率，造成现有资源的浪费。相比而言，最优化方法可以通过将发电机 有功出力，机端电压等引入待优化量，从而直接求解系统的最大负载能力。下面 简要介绍一下最优化方法在电力系统中的应用p 0 1 。 所谓最优化( o p t i m i z a t i o n ) ，指的是人们在生产过程或生活中为某个目的而 选择的一个“最好一方案或一组“得力一措施以取得“最佳一效果这样一个宏观 过程。电力系统最优运行的原始研究工作可追溯到1 9 2 0 年以前，只不过在2 0 世 纪6 0 年代之前它所涉及的范围一直局限于单纯考虑优化后的经济性，而未顾及 安全性等因素，因此一直被称为电力系统经济运行或经济调度，其核心是等耗量 微增率分配原则，但随着电力系统规模的发展，一次大面积的供电中断所导致的 国民经济损失将能抵消优化运行数十年所产生的累计经济效益，这样严峻的事实 使系统运行的安全性被提到了与经济性同等重要的位置，甚至要优先考虑。6 0 年代初，c a r p e n t i e r 和s i r o u x 在法国首先探讨了最优潮流问题1 3 u j 。从此，电力系 第二章基于电网分区的分布式输电能力计算框架 统最优运行理论展开了新的篇章。最优潮流是指满足节点正常功率平衡及各种可 靠性指标的约束下，实现目标函数的优化，通常的目标函数是发电费用或全网网 损。最优潮流是最优化方法在电力系统中的实际应用之一，比起经典经济调度方 法来说，它具有统筹兼顾、全面规划的优点，不但考虑系统有功负荷，还可以考 虑系统无功负荷的最优分配；不但考虑各发电单元的有功上、下限，还可以考虑 各发电单元的无功上、下限等。为了进一步反映系统间的安全性限制，还可以考 虑联络线功率限制，节点对的功角差限制等。这样就能将安全性运行和最优经济 运行等问题综合地用统一的数学模型来描述，从而把经济调度和安全监控结合起 来。 到2 0 世纪9 0 年代，世界许多国家的电力工业在市场结构和管理机制方面都 发生了巨大的变化，系统运行中可靠性、经济性和电能质量三者的地位和关系从 传统的安全第一转变为互相协调统一，因此最优化方法的应用范围得到了极大地 发展，现已成为电力系统规划与运行中强有力的工具。目前最优化方法在电力系 统中的主要应用有如下几个方面： ( 1 ) 最优化方法在安全经济调度中的应用。这是最早的应用，其目标函数 是最小的发电费用或最小的网损，等式约束为潮流方程及电厂约束方程，不等式 约束可以为各种设备约束、经济约束、安全约束等。 ( 2 ) 最优化方法在电压稳定性问题研究中的应用。当系统无功严重不足时， 节点电压会显著下降甚至造成电压失稳。如何充分利用系统资源，在保证安全可 靠性的前