（电气工程专业论文）考虑多时段需求响应的输电阻塞管理.pdf

c o n g e s t i o nm a n a g e m e n to fp o w e rt r a n s m i s s i o nc o n s i d e r i n g m u l t i - t i m ei n t e r v a ld e m a n d r e s p o n s e s u nq i a n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rp e n gj i a n c h u n a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 孙苷 日期：2 0 l1 年譬月2 ；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。 本人授权湖南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 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：孙午 导师签名：l 誊釜i 瞪鬻 日期：p f 年r 月弓日 日期：2 0 1 1 年r 月2 3 日 考虑多时段需求响应的输电阻塞管理 摘要 电力行业的市场改革为电力行业快速发展、经济高效运行赢来了机遇，同时 给安全稳定带来了挑战。随着市场化的不断深入和竞争机制的不断发展，输电资 源的有限性问题便突出的体现出来，产生了输电阻塞。为保证电力系统的安全可 靠运行，必须对输电阻塞这一现象进行有效的管理。 本文在分析总结传统阻塞管理方法的基础上，从需求侧角度出发，充分利用 需求侧管理良好的负荷调整和降低阻塞特性，在出现输电阻塞时，灵活、主动、 经济、受控的进行需求侧管理，降低阻塞时的负荷需求，有效解决阻塞问题。 通过合理的分时电价和补偿价格，本文根据电量电价弹性系数建立了一种需 求响应模型。该模型利用价格信号将负荷高峰时段的部分用电量转移到负荷低谷 时段，实现了削峰填谷。以典型日负荷参数为例，仿真分析了需求响应模型的负 荷调整特性。根据该模型，本文提出了一种新的阻塞管理方法。该方法利用节点 边际电价选取参与阻塞管理的负荷节点，降低了需求侧参与阻塞管理的规模，提 高了阻塞管理的经济性。被选取负荷节点根据多时段下的需求响应模型进行负荷 转移，同时调节发电机出力，利用原对偶内点法进行优化计算，实现从发电侧和 需求侧同时进行阻塞管理。针对i e e e 3 0 节点系统阻塞时，发电侧单独进行阻塞 管理和本文方法进行阻塞管理的情况进行了仿真计算和比较。结果表明，本文方 法能够有效缓解阻塞、平抑电价、减少运行费用，具有更好的经济性。 关键词：电力市场；阻塞管理；需求侧管理；需求响应；分时电价；弹性系数 硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e ri n d u s t r ym a r k e tr e f o r mh a sp r o v i d e dar a p i d ，e c o n o m ya n d e f f e c t i v ed e v e l o p m e n to p p o r t u n i t yf o rt h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yo p e r a t i o n b u tn e w c h a l l e n g e sa n dd i f f i c u l t i e so c c u rt ot h r e a t e ns y s t e ms e c u r i t ya n ds t a b i l i t ya tt h es a m e t i m e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rm a r k e t a n dc o n t i n u o u si m p r o v e m e n to f c o m p e t i t i o n ，t r a n s m i s s i o nr e s o u r c el i m i t a t i o nh a sb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s f o r t h es a k eo fg u a r a n t e e i n gt h es y s t e mi nt h es a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o ns t a t e ，t h e p r o b l e mt r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o nh a st ob es o l v e de f f e c t i v e l y b a s e do nt h ea n a l y s i sa n ds u m m a r i z a t i o no ft r a d i t i o n a lc o n g e s t i o nm a n a g e m e n t s a sw e l la st h ec h a r a c t e r i s t i co fd e m a n ds i d em a n a g e m e n t ，t h ep r o b l e mi ss o l v e df r o m d e m a n ds i d ew h i c hp e r f o r m ss i g n i f i c a n t l y a tl o a da d j u s t m e n ta n d m i t i g a t i n g c o n g e s t i o n w h e nt h ec o n g e s t i o nh a p p e n s ，t h r o u g hd e c r e a s i n g l o a dd e m a n d ，t h e m a n a g e m e n tc a nb ef l e x i b l e ，a c t i v e ，e c o n o m i c a l ，c o n t r o l l e dt od e a lw i t ht h ed i f f i c u l t e f f e c t i v e l y w i t hr a t i o n a lt i m e - o f - u s e ( t o u ) p o w e rp r i c ea n dt h ep r i c e t oc o m p e n s a t e c o n s u m e r s ，b a s e do nt h ep r i n c ee l a s t i c i t yo ft h ed e m a n dad e m a n dr e s p o n s em o d e li s b u i l t u s i n gp r i c es i g n a l ，t h i sm o d e lt r a n s f e r sap a r to fe l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o ni np e a k p e r i o dt ov a l l e yp e r i o dt oi m p l e m e n tp e a kl o a ds h i f t i n g t a k ee x a m p l eo f t h et y p i c a l d a i l yl o a dp a r a m e t e r s ，c h a r a c t e r i s t i c so nl o a da d ju s t i n go f d e m a n dr e s p o n s em o d e la r e s i m u l a t e da n da n a l y z e d b a s e do nt h ep r o p o s e dm o d e l ，an e wc o n g e s t i o nm a n a g e m e n t m e t h o di sp r o p o s e d b yu s eo fn o d a lm a r g i n a lp r i c e ，t h el o a db u s e sp a r t i c i p a t i n g c o n g e s t i o nm a n a g e m e n t a r ec h o s e ni no r d e rt or e d u c es c o p eo fd e m a n ds i d e p a r t i c i p a t e i n c o n g e s t i o nm a n a n g e m e n t ，r a i s i n ge c o n o m y a c c o r d i n g t od e m a n d r e s p o n s em o d e lf o rm u l t it i m ei n t e r v a l st h el o a dt r a n s f e r r i n gi sp e r f o r m e da tc h o s e n b u s e s ，a n db a s e do np r i m a l d u a li n t e r i o rp o i n tm e t h o dt h eg e n e r a t i o nu n i to u t p u ti s a d j u s t e dt oi m p l e m e n tc o n g e s t i o nm a n a g e m e n ta tg e n e r a t i o n s i d e a n dd e m a n d 。s i d e s i m u l t a n e o u s l y i e e e 3 0s y s t e mu n d e rc o n g e s t i o nc o n d i t i o n ，g e n e r a t i o n s i d ea n dt h e p r o p o s e dm e t h o di m p l e m e n tc o n g e s t i o nm a n a g e m e n ta r er e s p e c t i v e l ys i m u l a t e da n d c o m p a r i s o n r e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d c a ne f f e c t i v e l y m i t i g a t ec o n g e s t i o n ，k e e pp r i c e ss t a b l ea n dr e d u c eo p e r a t i n gc o s t 考虑多时段需求响应的输电阻塞管理 皇昌詈詈詈詈昌詈暑昌皇墨暑皇詈皇置昌i i a , = , k e yw o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ；c o n g e s t i o nm a n a g e m e n t ；d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ； d e m a n dr e s p o n s e ；t i m e - o f - u s e ( t o u ) e l e c t r i c i t yp r i c e ；e l a s t i cc o e f f i c i e n t i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 本文研究的背景和意义l 1 2 国内外发展与研究现状2 1 2 1 阻塞管理2 1 2 2 需求侧管理5 1 3 本文主要研究内容8 第2 章电力市场下的输电阻塞管理9 2 1 引言9 2 2 发电机组重新调度9 2 3 灵敏度分析法1 0 2 4 输电权法。1 2 2 5 用户需求弹性1 3 2 6 电价分解法1 5 2 7 方法比较分析1 6 2 8 小结18 第3 章需求侧管理与分时电价1 9 3 1 引言l9 3 2 需求侧管理基本内容与实施手段2 0 3 2 1 需求侧管理基本内容2 0 3 2 2 需求侧管理实施手段2 3 3 3 需求侧管理对负荷特性的影响分析2 4 3 3 1 时间分布影响2 4 3 3 2 空间分布影响2 5 3 4 需求侧在阻塞管理中的应用2 6 3 5 分时电价2 7 3 5 1 时段划分2 7 3 5 2 数学模型2 8 3 6 小结2 9 v 考虑多时段需求响应的输电阻塞管理 第4 章考虑多时段需求响应的输电阻塞管理3 0 4 1 需求响应模型3 0 4 1 1 单一时段需求响应模型3 0 4 1 2 多时段需求响应模型3 1 4 2 考虑多时段需求响应的输电阻塞管理模型3 2 4 2 1 基于多时段模型的需求侧负荷调整3 2 4 2 2 阻塞管理的数学模型。3 3 4 3 考虑多时段需求响应的输电阻塞管理算法与流程3 4 4 4 ，j 、结3 6 第5 章仿真与分析3 7 5 1 系统与参数3 7 5 2 需求响应的效果分析3 8 5 3 阻塞管理的效果分析4 0 5 4 j 、结4 2 结论与展望4 4 结论4 4 展望4 5 参考文献4 7 致谢5 2 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 3 附录bi e e e 3 0 节点系统接线图5 4 附录ci e e e 3 0 节点系统参数5 5 v l 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文研究的背景和意义 电力工业直接关系到国民经济发展、社会稳定和人民群众生活质量，构建一 个经济、高效、安全的服务于电力生产、输送和销售的良好环境是全世界电力行 业共同追求的目标。在传统的电力体制下，发电、输电、变电、配电的一体化使 电力工业缺乏竞争，不会面临产业利润不足的情况，因而就不存在提高效益的产 业发展刺激。随着社会经济的发展、电力需求的增长，传统电力体制激励不足、 经济效率低下的弊端就逐渐暴露出来，因此为了消除阻碍电力工业发展的这一障 碍，打破垄断、引入竞争机制，进行电力市场改革就呼之欲出。早在1 9 9 8 年1 1 月，国务院国办发【1 9 9 8 】1 4 6 号文转发了国家经贸委“关于深化电力工业体制改革 有关问题的意见 ，将辽宁、吉林、黑龙江三省与山东、上海、浙江同时列为网 厂分开、竟价上网的试点单位，这标志着我国电力市场工作的正式启动。经过近 几年的不断推进，国家电力市场化改革取得了一定的成效。 随着电力市场化改革的不断深入，电力系统的运行条件变得更加复杂。市场 环境下电力的传输首先需要遵照供需平衡的原则，其次应当符合电路的基本原理 等一系列物理约束，同时需要考虑到电能的不可存储特性以及用电需求的空间不 平衡的特点，特别是对于电网规模较大，电源、负荷分布不均匀的情况，可能会 出现电网中某线路的潮流超过了其允许的限值，从而产生阻塞。阻塞不但会影响 电力系统运行的安全性，造成意料之外的电网故障，而且会提高电价，进而影响 电力市场运行的经济效率。积极开展阻塞管理能够解决以上所述的问题，如何有 效地进行阻塞管理、确保电力系统安全经济运行变得极其重要。 阻塞管理的目的是通过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。阻塞问题 的根本解决方法是扩大发电侧和电网的规模，然而面对日趋严峻的能源需求形势， 单纯依靠发电侧和电网架构的建设来满足日益增长的电量需求和消除线路传输的 容量限制，存在以下两点不足： ( 1 ) 电网建设规划通常依据未来一段时间内用电量和最大负荷预测数据，而 最大负荷持续时间一般不长，特别是阻塞往往发生在负荷高峰时刻，即建设投资 仅在负荷高峰时才得以体现价值。单纯为解决高峰时刻阻塞问题而扩大电网建设 投资，容易造成设备的运行效率较低，建设投资的回收期过长。 ( 2 ) 尽管当前大力推广绿色能源，但存在如光照时间强度不足、无风场等自 考虑多时段需求响应的输电阻塞管理 然条件的限制，目前的发电侧建设主要以火电为主，造成的污染严重，不利于贯 彻落实可持续发展战略。同时国家“上大压小”的电厂建设原则和受电厂选址的 限制，发电侧的建设发展较困难。 目前的阻塞管理研究大多集中在发电侧，即通过调节发电机的出力，使整个 网络的潮流处于一个最优的状态。随着需求侧管理( d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ， d s m ) 概念的提出以及需求侧管理技术在欧美国家的推广和应用，需求侧成为了 进行阻塞管理的有效方式，通过合理的方式在需求侧降低阻塞时刻的用户负荷需 求，减轻电网能量传输的压力。需求侧管理是通过有效的经济、技术等手段，引 导电力用户优化用电方式，可以推迟发电侧和电网的投资，达到节约能源、改善 和保护环境的目的，实现低成本的电力服务。2 0 1 0 年1 1 月国家发展和改革委员 会、工业和信息化部等六部门发布了电力需求侧管理办法，要求有关部门和各 地自2 0 11 年1 月1 日起全面实施电力需求侧管理，保障电网安全运行和居民生活 的用电需求，为需求侧管理的广泛应用奠定了基调。 特别是智能电网的发展赋予了需求侧更广阔的应用空间，智能电网尤其强调 信息与电能的双向互动，通过智能电网用电环节的建设，如电动汽车有序充电、 智能工业园区、智能小区、用电信息采集和电力光纤到户等重点项目，为需求侧 参于阻塞管理搭建了一个良好的平台1 2 3 】。分时电价作为需求侧管理中的一种经济 手段，在负荷高峰时段制定较高价格，负荷低谷时段制定较低价格，激励用户改 变自身用电行为。分时电价在削峰填谷等方面具有良好的特性，能够充分改善负 荷的时间不平衡性，将其用于阻塞管理时，主动而受控的调整负荷的时间分布， 转移阻塞时的部分负荷需求，从而解决阻塞问题，避免系统运行的安全可靠性受 到威胁。 1 2 国内外发展与研究现状 1 2 1 阻塞管理 目前阻塞管理的主要方法一般基于最优潮流1 4 】( o p t i m a lp o w e rf l o w ，o p f ) ， 通常以发电成本最小或者发电调整费用最小为目标函数，以机组出力、线路容量 等为约束条件构建模型【5 击】。文献【7 】提出考虑静态电压安全性的阻塞管理模型， 将静态电压安全性纳入到最优潮流算法的约束条件中。文献【8 9 】提出发电再调度 的阻塞管理模型，并分别利用发电转移分布因子和灵敏度系数对模型进行改进。 文献【1 0 】针对发电权交易引起的阻塞问题提出了两种调度模型，一种是以最大化 成交量为目标，一种是考虑能耗约束的最大化社会效用为目标。文献 1 1 】针对应 用于国内南方电力市场的撮合交易机制，研究了基于撮合交易机制的结算规则与 阻塞管理的关系，以调整费用最小为目标函数，提出了撮合交易机制下消除阻塞 硕士学位论文 的模型与算法。文献 1 2 】提出了基于协作拍卖法的跨区域输电阻塞管理方法，适 合双边和p o o l 混合的市场交易模式，并能兼顾区域内存在不同的交易模式。文 献 1 3 1 提出了一种新的优化类算法，该算法将优化问题转化为等价非线性方程组， 利用半光滑牛顿类算法，解决阻塞管理问题。文献 1 4 】引入粒子群算法解决阻塞 问题，快速、高效解决优化问题。 世界各国在不同电力市场体制下，依据自身特点采用各不相同的解决阻塞管 理的方法。 1 美国p j m 电力市场 美国p j m ( p e n n s y l v a n i a n e wj e r s e y m a r y l a n d ) 电力市场分为发电、输电、 供电三个环节，在中间环节即输电环节成立独立的电网运营机构，负责电网的调 度和市场交易，采用节点边际电价( l o c a t i o n a lm a r g i n a lp r i c e ，l m p ) 和金融性 输电权( f i n a n c i a lt r a n s m i s s i o nr i g h t s ，f t r ) 进行阻塞管理【l 引。 p j m 根据机组报价进行最优潮流计算，确定各节点的l m p 。l m p 隐含了阻 塞的机会成本，发电侧根据其电压母线的l m p 结算，需求侧根据其负荷电压母 线的l m p 支付，需求侧要支付阻塞成本，阻塞成本计算如下： 阻塞成本= 需求侧l m p 发电侧l m p p j m 利用f t r 来避免阻塞造成的价格波动，输电用户和固定的点对点用户可 事先购买f t r ，以避免阻塞发生时自身支付的费用提高。一般阻塞发生时，传输 用户必须交纳阻塞费用，f t r 所有者按照事先约定的容量和约定线路上的l m p 获得补偿。其阻塞管理示意图如图1 1 所示。 i 确定市场成员的f t r 数量 上 i 安全校核 上 l 计算系统各点的l m p 上 i 计算市场成员持有的f t r 价值 上 i 计算系统的输电阻塞收益 上 i 输电阻塞收益的分配 图1 1 美国p j m 阻塞管理示意图 2 美国加州电力市场 美国加州电力市场采用双边交易模式，由s c ( s c h e d u l i n gc o o r d i n a t o r ) 提交 平衡电能供需计划以及阻塞时电能的调整投标，i s o ( i n d e p e n d e n ts y s t e m o p e r a t o r ) 负责系统调度和安全运行，运用市场分裂法主要针对区域间阻塞进行 管理，以保证计划中电量的传输不会造成区域间的阻塞，管理区域包括加州北部、 加州中部和加州南部。加州区域间阻塞管理的一个特点是“市场分离，如果 i s o 需要调整任何一个s c 的能量计划来消除阻塞，那么不能以改变该计划原有 的供需平衡为代价【l 引。 在s c 提交能量计划后，i s o 通过计算校验是否出现输电阻塞，如果没有， 则按照提交的能量计划安排调度运行；否则根据s c 上报的调整投标，按照调整 投标由低到高的原则，调整能量计划直至消除阻塞。此外，加州电力市场还通过 f t r 来辅助解决输电阻塞问题，f t r 所有者可以从i s o 收取f t r 所规定线路的 阻塞盈余。其阻塞管理示意图如图1 2 所示。 图1 2 美国加州阻塞管理示意图 3 英国电力市场 英国电力市场采用n e t a ( n e we e l e c t r i c i t yt r a d i n ga r r a n g e m e n t s ) 模式，阻 塞管理采用最优调度的方法，其阻塞管理示意图如图1 3 所示。 i 参与者上报发电需求计划 上 i 仿真计算 上 l 公布供、需量及可能出现阻塞的情况 上 i 参与者调整计划 上 i 参与者提交发电、负荷调整报价 上 l 最优调度 上 l 结算 图1 3 英国n e t a 阻塞管理示意图 硕士学位论文 在调度计划安排前一天，市场参与者上报发电计划和需求，调度运行机构根 据上报数据仿真校核，分析系统供需平衡及可能出现的阻塞情况，并将结果公布 给市场参与者。市场参与者根据公布信息调整自身的发电和需求计划，并上报最 终结果。同时市场参与者应上报发电和负荷的可调整报价，调度运行机构根据调 整费用最小为目标函数，计算系统的最优潮流，保证系统安全运行。最后调度运 行机构向发电增加和负荷削减的参与者付费，向发电削减和负荷增加的参与者收 费【1 7 18 1 。 4 北欧电力市场 北欧电力市场由挪威、瑞典、芬兰和丹麦四个国家组成。挪威电网采用价格 区方法进行阻塞管理，挪威电网阻塞通常出现在区域间线路，当阻塞发生时，依 据阻塞发生的区域间线路，电网被划分为几个报价区，市场参与者要上报每个报 价区的发电机组与负荷报价，每个报价区有自己的成交价格。当阻塞发生时，具 有充足发电容量的区域成交价格低，激励其减少发电或增大负荷；发电容量不足 的区域成交价格高，激励其增大发电，直到阻塞消除，在调度计划确定后这些具 有不同成交价格的区域成为价格区【l9 1 。北欧电力市场其他国家，如瑞典通过购买 发电调整容量来消除阻塞，当阻塞发生时，选择发电成本最低的机组遵照负荷需 求和电网频率控制要求来进行上调或下调，以消除阻塞【2 0 。2 1 】。 1 2 2 需求侧管理 2 0 世纪7 0 年代，为应对两次世界能源危机以及日益严重的环境压力，美国 在世界上率先开展需求侧管理，取得了显著成效，并带动了需求侧管理在全世界 的发展，目前已有美国、法国、德国、加拿大等3 0 多个国家和地区进行需求侧管 理工作2 2 彩】。需求侧管理主要包括能效管理、能源替代和需求侧响应，需求侧管 理主要内容具体分类如图1 4 所示。 图1 4 需求侧管理分类示意图 考虑多时段需求响应的输电阻塞管理 需求侧管理中需求侧响应有激励型和价格型两种，可以充分运用到阻塞管理 当中。表1 1 简单列出了需求侧响应各种模式参与系统运行的应用内容。 表1 1 需求侧响应内容简介 文献【2 4 】提出将可中断电价与峰谷分时电价相结合，在分析供电公司成本和 效益基础上，建立联合优化模型，既达到了削峰填谷资源优化的作用，又有利于 平衡供电公司和用户之间的利益，促使需求侧管理顺利推行。文献 2 5 2 8 将需求 侧应用到输电阻塞管理中。文献 2 9 1 提出一种可中断负荷参与的阻塞管理多目标 模型，同时考虑了可中断负荷用户数最少、可中断负荷量最少和i s o 支付给可中 断负荷的总成本最少三个目标。文献 3 0 1 将可中断负荷引入多时段下的输电阻塞 管理，实现了可中断负荷在输电阻塞管理中的最优使用，有利于实现社会效益的 最大化。 进入2 l 世纪，智能电网的概念随着技术的不断发展应运而生，为需求侧管理 工作的开展提供了坚实的技术基础，特别是高级量测体系( a d v a n c e dm e t e r i n g i n f r a s t r u c t u r e ，a m i ) 的发展和应用，推动了需求侧在电网安全稳定控制运行 中的应用，需求侧管理成为智能电网框架下不可缺少的一部分。智能电网对需求 侧的高度关注，促使各国政府、电力公司以及相关企业纷纷开始大力开展需求侧 管理【3 1 1 。 1 国外 美国需求侧管理起步最早，特别是在激励型需求侧管理上应用较为广泛。包 硕士学位论文 括负荷直接控制、可中断电价、紧急需求响应、容量市场和需求侧竞标等。美国 需求侧管理的主体不仅包括电力公司，政府及第三方利益机构也参与进来。同时 美国各电力公司开展需求侧管理配套体系的建设，为用户构建a m i ，安装智能表 计，能够以需要的频率采集用户负荷数据，并存储和上传，便于需求侧管理的实 施与推广。2 0 0 6 年，美国共有2 3 4 个供电公司采用负荷直接控制项目，参与用户 数超过4 8 0 万，每年贡献的需求侧管理容量在7 0 0 万k w 左右；共有2 1 8 个供电 公司提供削减、可中断电价项目，参与用户以大型工商业用户为主，每年容量资 源贡献超过7 5 0 万k w 。同时美国各电力公司在系统出现可靠性故障时，会向各 负荷用户发出削减负荷量的请求，并对于自愿削减负荷的用户给予一定的经济补 偿。2 0 0 8 年，美国德州一风机突然故障，退出运行，造成系统容量从1 7 0 0 m w 下 降至3 0 0 m w ，系统从需求侧出发，紧急调度1 1 0 0 m w 需求响应，从而避免了一 次全州的大停电【3 2 】。 法国积极开展需求侧管理，将日负荷率由7 3 提高到8 5 左右，相应减少发 电容量约1 9 0 0 万k w 。英国投资1 6 5 亿美元建设了5 0 0 多个能效项目，实现节能 6 8 亿k w h ，相当于2 0 0 万个家庭的年用电量。 2 国内 1 9 9 8 年，国家电网公司成立了需求侧管理指导中心，对需求侧管理的理念和 研究起到了一定的推动作用。不像美国、欧盟等国家，国内需求侧管理主要由电 网公司负责，从2 0 0 3 到2 0 0 8 年，由于电力能源短缺，需求侧管理得到了迅速的 发展。目前国内需求侧主要集中在负荷调整、能效管理和清洁能源替代三个方面。 国家发改委和电监会先后颁布了关于加强电力需求侧管理工作的指导意见和 电力需求侧管理办法，进一步规范了需求侧管理领域，为电网公司积极开展需 求侧管理奠定了政策基础，指明了发展方向。 在北京，每年采用分时电价的负荷量占总负荷量的6 0 左右，由高峰时段转 移到低谷时段的负荷量大约为2 0 0 m w ，同时投资建设大约5 0 0 个储能项目；在 江苏，江苏省电力公司开展名为“虚拟电厂 的需求侧项目，在两年间节能相当 于投资建设一个5 7 9 m w 的电厂；在广东，广州、佛山和中山建设了覆盖三市6 0 负荷的需求侧管理系统，2 0 0 5 年开始，广东开展基于分时电价的需求响应计划， 深圳通过提供优惠电价，鼓励工业用户调整工作时间，实现错峰目的。河南、江 西等省纷纷推行分时电价，主要针对大型工业用户，有效的削减了负荷高峰，上 海市更是将分时电价推广到普通居民用户，并针对单一电价和两部制电价制定了 分季节的详细分时电价制度【3 3 1 。 2 0 0 9 年，国家电网公司以“自动化、互动化、信息化”为目标大力开展智能 电网建设，在用电环节突出体现了电力流和信息流双向互动，需求侧管理内容更 是在多个重点项目中得到充分的体现。电动汽车有序充电提供了一种有效的负荷 考虑多时段需求响应的输电阻塞管理 调整手段；用电信息采集建设以实现电力用户的全采集、全覆盖，为需求侧管理 提供基础服务：电力光纤到户构建用户与电网公司的双向、高速、可靠的通信网 络，为需求侧管理中信息的上传、下发提供了承载平台；智能小区和智能园区分 别将服务对象确定为普通居民家庭和大型工业，使需求侧管理的主体参与者便捷、 有效的参与到电网安全经济运行中。 1 3 本文主要研究内容 本文对电力系统输电阻塞产生的原因、背景进行了描述，并对目前已有的阻 塞管理方法进行了分析与比较，同时从需求侧角度出发，分析了需求侧参与阻塞 管理的可行性和经济性，并提出了一种多时段需求响应模型的阻塞管理方法。具 体工作如下： ( 1 ) 本文分析了阻塞管理的发展现状及其对电网稳定性的重要意义，并对现 有的阻塞管理方法发电机组重新调度、灵敏度分析法、输电权法、用户需求弹性 和电价分解法等进行了分析与比较。 ( 2 ) 本文阐述了需求侧管理在电力系统应用中的基本内容和实施手段，通过 简单系统分析了需求侧管理对负荷时间、空间不平衡特性的影响，描述了需求侧 参与阻塞管理的典型应用，并对需求侧管理中分时电价的应用进行了分析。 ( 3 ) 本文通过合理划分峰谷时段、制定分时电价和补偿价格，运用电量电价 弹性系数建立了多时段需求响应模型，在保证用户效益最大化的前提下，为有效 进行削峰填谷，改善负荷的时间分布不平衡，提供了可借鉴的方法。 ( 4 ) 本文提出一种基于多时段需求响应模型的阻塞管理模型、算法和流程。 在考虑多时段的情况下，按照阻塞时节点l m p 的高低，选择部分用户转移高峰 负荷，减轻高峰时段的负荷压力，并调节发电机出力，从发电侧和需求侧共同缓 解阻塞。 ( 5 ) 本文通过一个典型日负荷曲线，分析比较多时段需求响应模型在不同场 景下改善负荷特性的效果，发现该模型能够引导用户调整用电方式，减小负荷峰 谷差；通过修改的i e e e 3 0 节点系统，分别对仅从发电侧进行阻塞管理和基于多 时段需求响应的阻塞管理进行仿真，仿真结果表明，本文所提方法能够有效地缓 解阻塞，降低高成本发电机的出力，减少总运行成本费用，保证系统运行的安全 稳定性和经济性，并体现了市场的竞争性。 硕士学位论文 2 1 引言 第2 章电力市场下的输电阻塞管理 在传统电力体制下，整个电力系统从发电到配电都是统一管理和调度的，运 行方式相对比较简单，系统的安全可靠运行相对容易得到保证。随着电力市场的 改革，在竞争、高效的机制下，电力交易瞬息万变，可能会出现网络中部分线路 传输容量趋于极限，进而使系统运行承受很大风险。因此解决电力系统运行时的 阻塞问题成为保证电力市场体制下的系统安全可靠运行的关键。 阻塞问题产生的根本原因在于传输容量和系统稳定的限制，阻塞管理就是采 用一定的技术、经济手段有效控制发电机与负荷，使系统运行在安全稳定的限制 范围内，并保留一定的裕度。阻塞管理方法的适用性跟其所在的电力市场密切相 关，目前电力市场主要有p o o l 模式、双边模式以及两者的混合模式。同时，任何 一种阻塞管理方法，都存在其安全性和经济性特点，不同的方法具备各自的优缺 点。 目前提出的阻塞管理方法主要有以下几种：发电机组重新调度、灵敏度分析 法、输电权法、用户需求弹性和电价分解法。本章从电力市场下阻塞管理的应用 与研究出发，对以上五种典型的阻塞管理方法进行分析与比较。 2 2 发电机组重新调度 发电机组重新调度是一种传统的阻塞管理方法，具有广泛的适用性，其应用 基于o p f 的方法【3 4 。3 6 】。首先根据机组的报价，按照报价低的先上网的原则，安排 发电计划，如果出现阻塞则通过调整各发电机的出力来改善网络潮流，缓解阻塞。 发电机组重新调度缓解阻塞的目标函数一般有两种： ( 1 ) 发电机出力调整量最小为目标 | m i n f = l 屹f l ( 2 1 ) f 式中，a p o ，为发电机f 的出力调整量，为参与调整出力的发电机总数。 ( 2 ) 发电机调整费用最小为目标 j v m i n f = i 屹( 哦) ( 2 2 ) ， 式中，石( a p o f ) 为发电机f 的出力调整量为p g f 时对应的出力调整报价。 发电机典型的调整报价曲线如图2 1 所示。图2 1 中横坐标为机组增加或减 考虑多时段需求响应的输电阻塞管理 少出力的调整量，纵坐标为与调整量相对应的报价，由于增加机组出力需要额外 的燃料成本费用，故增加出力报价高于减少出力报价。 调整价格( u s d m w ) 减少了 磊f 姗- 价 厂 调整量m w 图2 1 机组出力调整报价曲线 发电机组重新调度缓解阻塞的约束条件为： ( 1 ) 功率平衡约束 f 圪一一巧( g ；l c o s o 扩+ b os i n o u ) = 0 q g ，一鳓一丢兰巧( qs i n 岛一岛c 。s 岛) ：o q 3 l 扣 ( 2 ) 发电机出力约束 j 学圪学 ( 2 4 ) 【鲫q g f 鲫 ( 3 ) 节点电压约束 杉。咖形k 一 ( 2 5 ) ( 4 ) 线路潮流约束 f 豳厶刀帕戤 ( 2 6 ) 式中，尸g ，、尸d ，为节点f 的有功出力和有功负荷，q g f 、q 历为节点f 的无功出 力和无功负荷，砟、巧为节点f 、_ ，的电压幅值，如为节点f 、，的电压相角差，g ， 和b 驴为节点导纳矩阵的相应元素，学、学、q 、鲫为节点f 有功出力、 无功出力的上下限，形懈、k 晌为节点f 的电压幅值上下限，乃为线路，的电流， ，严、j 户为线路，的电流上下限。 该阻塞管理模型基于安全校正的方法，对于电力市场的交易模式具有良好的 适用性，但由于对发电机出力进行了调整，可能会造成发电成本较高的机组发电 份额增大，从而造成发电费用攀升。同时在严重阻塞时，可能会出现部分机组不 出力的极端情况，甚至可能该模型在约束条件下，无法取得最优的机组调整策略 来消除阻塞。 2 3 灵敏度分析法 发电转移分布因子( g e n e r a t o rs h i f td i s t r i b u t ef a c t o r ，g s d f ) 是基于灵敏度 硕士学位论文 分析法的阻塞管理模型中的重要参数，描述了发电机注入量与线路潮流的关系， 当发生阻塞时，根据发电机对阻塞线路的潮流影响程度，选择对阻塞线路影响最 大的发电机，调整其出力消除阻塞。 g s d f 反应了发电机出力变化时线路中的潮流变化情况，其定义为： 知t = 鼍 7 ， 式( 2 7 ) 表示发电机k 发生单位出力的变化，导致的线路 ，上的有功潮流变 化。 在直流潮流模型中，g s d f 可以由电抗矩阵直接导出【3 7 】： 缸：笪：坠 ( 2 7 ) 。2 赢2 之产 q - ) 式中，f 、j f 为线路 ，的首末节点，x 珐和狮分别电抗矩阵的对应元素，劫为线 路f ，的支路电抗。 由此可以看出，对于给定的网络，由于节点阻抗矩阵和线路电抗是固定的， g s d f 是一个定值。直流模型下的g s d f 计算快速，仅与网络结构有关，不受到 网络中潮流的影响，阻塞管理时只需计算一次。g s d f 在直流模型下没有考虑无 功功率的影响，但在交流模型下计算则不能保证计算的快速性，因此可根据系统 实际运行情况来确定。 基于g s d f 的阻塞管理模型如下1 3 8 】： m i n f = i i 屹( 峨) ( 2 8 ) 厶一u “i 舭 a 附屹= 一叱 k n g 屹= 0 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 蝴屹域。 ( 2 1 1 ) 式中，n g 为参与阻塞管理的机组总数，刖毋、衅分别为机组k 的最大和 最小出力调整量。式( 2 9 ) 表示机组出力调整后阻塞支路阻塞消除，式( 2 1 0 ) 表示机组出力调整后网络仍保证功率平衡，式( 2 1 1 ) 表示机组出力调整在其约 束范围内。 基于g s d f 的阻塞管理流程如下： 步骤l ：根据各机组报价，以发电成本最小为目标，计算各机组出力： 步骤2 ：安全校验，检测是否出现阻塞情况，没有转步骤5 ，否则进行下一步； 步骤3 ：计算网络g s d