（电力系统及其自动化专业论文）市场环境下输电网规划模型和算法研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 电网规划是电力市场研究领域的一个重要组成部分，本文详细的叙述了国内外 电力市场环境下电网规划的发展状况，分析了电力改革过程中电网规划遇到的问题 和挑战，总结了市场环境下电网规划的步骤和流程。电网规划中对于发生阻塞的线 路，是选择新建线路还是采用经济调度的方法来消除阻塞是值得考虑的重要问题。 本文对于阻塞以及阻塞定价进行了简要的介绍，提出了市场环境下考虑阻塞费用时 电网规划的模型和求解方法，通过对线路所分摊的阻塞费用与为消除该线路阻塞而 需要的扩建费用进行比较，得到更为合理的电网规划方案。 最后本文用考虑阻塞费用的电网规划方法和传统电网规划方法分别对g a r v e r 6 节点电网算例进行了计算分析，并将得到的规划方案进行比较，结果表明考虑阻塞 费用的电网规划方法是合理有效的。 关键词：电力市场，电网规划，输电阻塞 a b s t r a c t p o w e rt r a n s m i s s i o nn e t w o r kp l a n n i n gi sa l li m p o r t a n tp r o b l e mo ft h ee l e c t r i c i t ym a r k e t r e s e a r c hf i e l d t h ep a p e ra n a l y z e st h ed e v e l o p m e n t sa n dn e wc h a l l e n g e so ft h en e t w o r k p l a n n i n gi nt h ee l e c t r i c i t ym a r k e te n v i r o n m e n ti nd e t a i l s n l ep a p e rs u m m a r i z e sn e t w o r k p l a n n i n gm o d e l sa n dp r o p o s e st h en e t w o r kp l a n n i n gf r a m e w o r kf o rt h ed e s i g nu n d e rm a r k e t c o n d i t i o n s i ti sn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h ee x p a n s i o no fl i n e st oe l i m i n a t ec o n g e s t i o n ，t h ep a p e rp u t s f o r w a r dan e wn e t w o r kp l a n n i n gm e t h o dt o c o m p a r et h ec o s t s o fc o n g e s t i o nt h a th a v e a s s e s s e dw i mt h ec o s t so f c o n s t r u c t i n gn e w l i n e s f i n a l l yt h em e t h o di su s e df o rp r o g r a m m i n g g a r v e r - 6n o d en e t w o r kp l a n n i n g 1 1 1 er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em e t h o di sr e a s o n a b l ea n d e f f e c t i v e ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gl i - z i k e y w o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ，n e t w o r kp l a n n i n g ，p o w e rt r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o n 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。 特此申明。 坐! ! 剑7 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 日期： 导师签名 日 期：至! i ，7 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 市场模式下输电网规划的重要意义 电力是现代社会发展的重要动力，伴随着我国经济的高速增长，我国电力系统 也处于迅猛发展时期，电力需求增长很快。随着我国电力改革的逐步深入，电厂与 电网进行了分离，形成两大电网公司和多个发电公司，当条件成熟时，输电、配电 也将分开，最终使“发电、输电、配电”分离，形成各电力企业自由竞争的局面。 电力市场环境下的发、输、配电分离为输电网规划带来了许多新的挑战，基于市场 环境下的电网规划概念的提出标志着适应市场竞争环境的新的电网规划原则、模型 及工具已日益成为关注的焦点。 电网规划是电力系统研究领域的一个重要组成部分，是在已知规划水平年的电 源规划和负荷预测的基础上，根据现有的电网结构，合理地选择扩建线路以满足安 全运行和经济性最优，其实质便是在网络投资费用与运行及故障等费用之间寻找平 衡“。 在新的形势下，电网规划的主要问题包括以下几个方面：( 1 ) 如何制定电网的运 营规则以及完善电力市场机制，将局部利益和社会效益最大化的总体目标统一起 来 ( 2 ) 什么样的市场规则才能保证向电网的投资者提供足够的投资动力，从而使电 网在市场环境下有效发展；( 3 ) 对于电网的规划部门和投资者来说，如何定义电网规 划的目标、建立新的规划原则以及发展新的规划模型和工具。 随着电力系统的发展，电网规划投资也越来越大，面且由此形成的网架结构又 在较长时间内影响着整个电力系统电力供应的特性。成功的电网扩展规划会带来巨 大的经济效益和社会效益，否则会造成重大损失。输电网的合理、优化规划是整个 电力系统健康发展的基础，也是从根本上消除阻塞问题、保证电力市场充分、公平 竞争的关键措施。电网规划直接决定了电源发出的电能是否可以安全经济可靠地送 到负荷。因此，深入开展电网规划研究不仅关系到电力系统的直接利益，还对社会 的稳定以及国民经济的持续、快速、健康发展起着举足轻重的作用，具有极其重要 的现实意义。 1 2 电网规划方法的发展 电网规划的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、可靠地输送到负荷的前 华北电力大学硕士学位论文 提下，使电网的建设和运行费用最小。电网规划属于个复杂的多决策变量、多约 束条件的优化问题，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。 早期的电网规划方法以方案比较为基础。这种方法从几个设定的待选方案中通 过技术经济比较选择出推荐的方案。然而，参加比较的方案往往是规划人员凭经验 提出的，并不一定包括客观上的最优方案，更不可能包含全部可行方案，因此最终 推荐方案包含相当的主观因素和局限性。随着数学理论和计算机技术的发展，新的 电网规划方法应运而生。目前电网优化规划方法主要分为启发式方法、数学优化方 法和新理论应用三大类。 一、启发式方法 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。主要由过负荷校验、灵敏度分析、方案形成三个部分组成。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，并且当网络规模较大时 指标对于一组方案都差别不大，难以优化选择。启发式方法又分为两种，第一种是 逐步扩展法，即根据灵敏度分析的结果，以最有效的线路加入系统逐步扩展网络。 另外一种是逐步倒推法，即首先将所有待选线路全部加入系统，构成一个冗余的虚 拟网络，然后根据灵敏度分析，逐步去掉有效性低的线路。 二、传统优化方法 传统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 因素难咀用数学模型表达，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。传统数学优化的主要方法有：线性规划、非线性规划、整数规划、 混合整数规划和动态规划方法”1 。 1 9 7 0 年k a l t e n b a e hj c 等人首先提出求解电网规划问题的线性规划法，1 9 8 5 年v i l l a s a n ar 等人作了改进，线性规划方法是最优化技术中发展最成熟的领域， 同时也是应用最广泛的优化方法。人们常常采用近似措施将非线性问题线性化，以 便利用线性规划处理非线性优化问题。线性规划模型的主要不足是用连续变量模拟 离散的决策变量，不能准确地描述输电网络规划的整数性，得到的结果要么偏离最 优解，要么不满足约束条件。这些方法都是基于灵敏度分析建模，精度不高，并且 ， 华北电力大学硕士学位论文 用连续变量确定离散的0 一l 整数变量，带来较大误差，解的最优性无法得到保证。 但因线性规划法具有计算简单、求解速度快等优点，在电网规划中还是得到了较多 的应用和发展”1 。 1 9 7 3 年，p u n t e l 等人提出了一种输电网络非线性规划模型，并采用非线性规 划法中的梯度法来求解此模型，利用伴随网络的方法求解性能指标相应于线路电纳 的梯度向量，进而选择有效线路加入。由于存在解的取整问题，为了保证解的可行 性，只好采取循环的方法来解决，这就无法保证解的最优性。 1 9 7 4 年，l e e 等人把输电网络规划表述为一系列的0 1 整数规划问题，并利 用卜1 隐枚举法进行求解。卜1 整数规划，对解决小规模的问题效果较好，但当 规划变量个数增加时会遇到“维数灾”问题，因此这种方法还有待改进；0 1 隐枚 举法，在0 1 整数规划的基础上有了很大改进，大大减小了整数规划的规模，但 是该算法的搜索计算量较大，计算时闻较长，同时，由于采用了一些近似方法，因 此，所得结果也不一定是问题的最优解。 1 9 8 5 年s h a r i f n i a 建立了输电网络规划的混合整数规划模型，此模型较为全面 地反映了输电网规划中的各个目标函数，但因为约束条件和变量太多而难以实用。 综上所述，尽管数学规划发展较快，但各种数学规划方法在解决输电网络规划 的实际问题时还存在困难，因此还有待进一步完善和发展。 三、现代优化方法 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( 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；环境的影响；法规及政 策背景下的不确定性等) ，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“1 。 1 ) 模糊规划方法：在进行规划之前对各种数据、专家经验和语言规则等资料进 行模糊化处理，对输入输出之间的关系通过模糊规则来描述，将模糊集理论与专家 系统、决策支持系统结合起来，利用模糊集理论改进传统规划方法的柔性和强壮性， 这些方法被证明是行之有效的。 2 ) 遗传算法：遗传算法是模仿生物进化过程的一种方法，因为其独特的优越性 在电力系统的许多领域得到了应用。遗传算法的主要思想是通过列出或随机产生一 组待选规划方案作为祖先，经编码后生成一个个“染色体”，评价其中各方案的好 坏，并通过杂交、变异等多次作用，产生出具有更好品质的方案，直到取得最优的 结果。与传统方法相比，遗传算法具有多路径搜索、隐含并行性、随机操作等特点， 同时它对数据的要求低，基本上不要探索空间的知识或其他辅助信息。它采用概率 3 华北电力大学硕士学位论文 变迁规则来指导搜索方向，使其具有明确的搜索方向，提高了算法的鲁棒性“1 。 3 ) 进化规划：进化规划不需要对变量进行编码和解码，与遗传算法相比更适合 连续优化问题。采用该方法进行电网规划时，在所要考虑的电网中列出所有的待选 线路，计算出最为合理的潮流分布，去掉潮流小于某一闽值的线路后得到的网络方 案即为所求的最优方案。其处理的是线路潮流这一连续变量，进化规划与遗传算法 的主要区别是：进化规划采用控制参数而不是它们的编码，进化规划每代的选择过 程是变异和竞争；而遗传算法是复制、变异和杂交，采用进化规划的缺点是计算量 大，计算时间较长“ 。 4 ) 禁忌搜索法：禁忌搜索( t a b us e a r c h ) 算法是一种高效的用于解决组合优化问 题的启发式搜索算法，其特点是采用了禁忌技术，用个禁忌表记录已经到达过的 局部最优点，在下一次搜索中，利用禁忌表中的信息不再或有选择地搜索这些点， 以此来避免落入局部最优解。该方法适合于解决纯整数规划问题，有效处理不可微 的目标函数，这正与电网规划的特点相符合，因此该方法被引入至电网规划中。该 方法的优点是：搜索效率高；收敛速度快。缺点是：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；t a b u 表的深度及期望水平影响搜 索的效率和最终结果；t a b u 搜索法机理还不甚清楚，蚨数学上无法证明其一定能 达到最优解；对于多阶段大规模的问题可能受到列表大小的限制，难以达到全局 最优解。“。 5 ) 分解方法：其思想是将一个大而复杂的电网规划问题分解成多个相对简单的 子问题，然后通过求解各个小问题得到最终的最优解的方法。目前比较常用的分解 方法是d a m z i g w o l f e 和b e n d e r s 分解。 除了以上几种主要的电网规划方法之外目前还有一些其它的方法也被应用到 电力网络规划中，例如蚁群算法、模拟退火方法等。 1 3 电网规划的研究现状综述 随着发电和输电环节的分离，输电网的功能和角色发生了较大的变化，输电网 规划也将发生显著变化。输电网不再仅仅是一个电能载体，输电网规划目标也不再 单单以社会福利最大化为目标，同时也要考虑输电网的利益最大化。传统的输电网 规划方法已经不适应于电力市场环境的需要，必须建立新的基于市场条件下的电网 规划方法。下面对电网规划的研究现状作一介绍： 文献【8 】从严格的数学优化方法出发，提出了一种新的电网规划多目标优化模 型，同时考虑了投资最小，可靠性最大，对环境的影响最小等三个目标，通过对各 目标实现程度的隶属函数进行定义，提出了求解模型的模糊算法，将多目标优化规 划问题转化成模糊规划问题。但该模型的求解方法非常复杂，确定各目标实现程度 华北电力大学硕士学位论文 的隶属函数的方法有待商榷。 文献【9 】针对现有电网规划中难以很好综合考虑经济性和可靠性的问题，在对 电网规划进行数学描述的基础上，以供应方开发成本最小和需求方缺电成本最小为 目标函数，并直接在算法的寻优过程体现该最优化模型。同时以改进的混合遗传模 拟退火算法为求解工具，来解决该问题。文献中的求解过程中近似处理了很多参数， 这样所求得的电网规划方案的实用性方面稍显不足。 文献【1 0 】建立了综合考虑电网设备投资、走廊代价、电网损耗等因素的电网优 化模型，具体包括导线及线路走廊的选取方法、网架及线路走廊对环境影响的等效 费用和系统安全性因素造成的社会成本损失以及电能供需价格关系等。该文献着重 体现了优化规划的市场性，具有一定的实用性。但对大规模的电网规划的适用性有 待深入研究。 文献【1 1 以p o o l 市场定价模式为背景，提出了一种启发式的规划方法，分析了 各投资方案的社会效益，并结合需求弹性考虑了由于投资不足造成的用户缺电损 失。 文献【1 2 】首先以p o o l 市场模式为背景，基于最优潮流的输电网边际定价模型， 提出一个计及多场景的综合性系统阻塞指标作为评估规划网络可靠性的经济指标； 然后建立了阻塞指标约束下的输电网静态规划模型。与传统的输电网规划相比，该 模型由市场条件下的o p f 确定系统最优经济运行状况，在输电网规划决策中，显得 更为科学。同样该文献没有很好地解决电网规划中的一对矛盾体经济性和可靠 性。如何合理的考虑好二者的关系，还有待进一步研究。 综上所述，电力市场环境下的电网规划更加重视经济性和可靠性的协调问题， 在电网的规划设计中，应从全局着眼，统筹考虑，合理布局，搞好电网结构，加强 主干网络。在电网规划中考虑阻塞的影响是一个比较新的研究方向，相关文献大多 注重于研究阻塞指标的问题，而阻塞费用的分摊则基本应用在阻塞管理的研究方 面。本文在对阻塞费用进行研究的基础上，提出了市场环境下将线路阻塞费用与新 建费用相比较来确定电网规划方案的方法，对电网规划模式进行了新的探索。 1 4 本论文的主要工作 输电网的规划是电力市场发展中面临的重要问题，本文针对此问题进行了深入 地分析，并对电网规划中的阻塞费用问题进行了详细的研究，本文的主要研究工作 分为以下几个部分： 1 本文回顾了在传统电力体制下进行电网规划的要求和方法，详细分析并总结 了国内外在电力市场改革进程中解决电网规划问题的具体情况和研究成果，对电力 市场环境中电网规划面对的问题进行了讨论，提出了新形势下我国电网规划的特点 华北电力大学硕士学位论文 和适应我国国情的规划体制； 2 在介绍了输电阻塞和节点定价法的基础上，在电力联营体模式下建立了求取 全网的阻塞费用和各条线路阻塞费用的数学模型，这是本文进行研究所必需的理论 基础，为后面的研究做了准备； 3 在对电网规划进行了深入的研究后，本文提出了市场环境下电网规划的步骤， 其主要目标是在满足电力供应可靠性的基础上，综合考虑技术和经济、投资等因素， 使电力市场的竞争性得到充分发挥； 4 详细介绍了电网规划模型建立和求解的方法，在此基础上建立了传统的电网 规划模型，为下一步的方案比较研究打下了基础，并论述了新建线路应考虑的因素 和新建线路费用计算的方法； 5 在电力市场环境下考虑到阻塞费用的影响，提出一种将输电阻塞费用和新建 线路投资费用相比较的电力市场环境下的电网优化规划新方法。本文对g a r v e r - 6 节 点电网进行了规划分析，分别按本文提出的电网规划方法和传统电网规划方法对同 一目标电网进行了规划，规划结果表明了考虑阻塞费用的电网规划方法是合理有效 的，对市场环境下电网优化规划方案的确定具有一定的意义。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章电力市场环境下的电网规划 电网规划在电力市场中扮演着十分重要的角色，输电容量是否充足，容量配置 是否合理将关系到各市场成员的切身利益，关系到各参与方能否公平竞争，甚至影 响系统的安全运行，因而电网的规划是一个引人瞩目的问题。电力工业市场化改革 后，新时期下的电网规划由于要面对厂网分开产生的电网投资回收不确定性、负荷 变化、政策变化等等诸多不确定性因素，在新的市场环境下如何确定输电网的最优 规划方案，如何分析投资者的投资行为等仍是一个尚未解决的问题。因此，市场环 境下的电网规划已经成为我国电力市场研究中的一个热点问题。1 。 在我国现阶段，输电网正在快速发展，并且输电网一直是由国家统一建设和管 理的。对于一个快速发展的输电网，采用统一规划、统一建设、统一调度是必要的。 由于电力工业的技术特点以及自然垄断属性，加之我们国家特定的经济状况及其它 一些实际问题，在确定我国的电力工业改革模式和电力市场结构时输电网是一个需 要考虑的重要因素。 2 2 传统体制下的电网规划 任何问题的解决都不是一蹴而就的，要解决电力市场环境下电网规划所面临的 新问题，首先就要深入理解以往传统电力体制下是如何进行电网规划的，这样才能 在新的形势下逐步变革和发展以往的规划办法和手段，以便找到比较好的解决方 法。 传统的电网规划是作为统一的电力系统规划的组成部分由电力公司统一进行， 它一般以确定最佳发电资源规划为主，而输变电规划围绕发电规划展开。用户没有 选择电力服务商的自由，电源建设、运行和负荷供应都由电力企业统控制安排， 因此，在电源建设规划、运行方式和负荷报装计划确定后，电网容易达到安全可靠 的要求，电网规划也容易确定。同时，在原有体制下，系统对电网规划和运行的要 求是安全第一，而经济性则位于其次的位置。从技术上来讲，传统体制下对电网规 划的基本要求是： ( 1 1 满足电厂电能送出； ( 2 ) 输、变、配电比例适当，容量充裕，主干网架满足n 1 要求； ( 3 ) 电压支持点多，能在正常及事故情况下保证电力系统的安全及电压质量； 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 保证用户供电的可靠性。一级负荷及重要供电地区，必须设置两个及以上 彼此独立的供电电源； ( 5 ) 系统运行的灵活性。电网结构应能适应各种可能的运行方式，包括正常及 事故情况下、高峰及低谷负荷时的运行方式； ( 6 ) 潮流分布合理，无迂回倒流或送电距离过长等现象。 传统体制下，网、省电力局在各自经营区域内既拥有电厂又拥有电网。各电力 局对其划定的地理区域拥有垄断经营特权。电网作为整个电力系统( 包括发、送、配) 的一部分，其规划按照行业整体规划由电力局统一进行。这种体制下的规划理论具 有明显的自然垄断特性。 各网、省电力局的整体规划包括电源、电网和其他与电力发展有关的规划，它一般 以电源规划为主，电网规划只是作为电源规划的配套部分。满足电厂电力送出、符合安 全稳定运行导则是电网规划的主要目标。长期以来，我国的电力工业发展滞后于国民经 济的发展，电力供应不足，电厂和系统安全一直是整个系统规划的中心。 在资金方面，传统体制下电网建设所需资金原来由中央财政拨款。几经变化，后来 实行拨改贷。前几年随着集资办电的出现，电网规划项目( 包括电厂接入系统部分和输、 配电环节的加强和完善部分) 捆绑在电源规划项目中，所需资金作为整个项目( 包括电厂 和电网) 的部分由电厂投资方统一筹集，物价部门根据工程造价和还本付息的原则核 批电价。电网经营和运行部门负责从技术上提出要求。在这种模式中，用户所缴纳的用 电费用从财务上支持了电厂和电网所有的成本和收益。最终实行的电价是规划的结果而 不是起点。于是便出现了这样的情况，那就是在电力供需矛盾紧张的情况下，由于有电 价作保障，是资金而不是企业效益决定了新机组和电网的建设。 2 3 国外电力改革后的电网规划 要解决市场环境下电网规划所面临的问题，不仅要从我国电力发展自身的实际情况 出发，还要适当的学习国外的先进经验，使我国的电力改革少走或者不走弯路。 一、 英国和美国 英国在电力工业改革前，由中央发电局承担电网规划的任务，电力市场环境下由于 电网公司在英国电力市场运作中所处的中心地位，现在电网规划只能由电网公司负责完 成。电网公司对外公开发行规划资料，目的是增加电力市场的透明度，帮助发电商和供 电商预测未来若干年内的投资机会和使用输电系统的费用情况。电网公司做规划时只考 虑那些与其已签订接网协议和系统使用协议的电厂。 鉴于电力库的竞争机制，对于规划水平年的开机方式采取根据机组成本大小进行排 列的方法，并结合对地区间电力传输起关键制约作用的边界线的约束情况，进行上机计 算，得出在各种典型方式下的系统潮流图。英国的电网结构清晰，层次分明，运行管理 r 华北电力大学硕士学位论文 水平高，这也充分反映了英国电网的规划设计水平“。 美国在电力工业的市场化改革中提出了由区域输电组织( r t o ) 来负责从一个较大 区域的角度进行电网规划和扩容的办法，而这个组织本身又是与市场参与者没有任何利 益联系的，从而确保了电网规划的公正性和可信性。联邦能源管理委员会( f e r c ) 规 定每个r t o 必须负责规划、指导、安排必需的输电网扩容、新建和升级工作，来使电 力市场提供高效率的、可靠的和非歧视的输电服务，并且和国家权力机构进行必要的合 作，以最小的成本来保持或者提高现有的稳定性水平。在f e r c 的模式下，输电规划从 单个实体过渡到区域的水平。这个变化有助于限制一些仍然拥有输电和发电资产的公司 发挥市场力( m a r k e tp o w e r ) 。 但是由于原来的规划是区域内的电力公司针对他们自己的用户来做出的，现在则要 为满足区域电力市场的需要来由r t o 来做出，这其中就产生了许多问题。这些问题包 括规划的目标( 可靠性还是商业性) ，在规划决策中阻塞费用的作用，在建设大的设施时 的经济利益和土地使用问题，使输电系统更加接近系统的物理极限的新技术的应用，以 及由于发、输、配电分开后对新的电源和负荷增长的信息获得的难度逐渐增加以及需求 侧管理和电源规划对新的输电项目的替代性等等“。 二、南美 在一些南美国家，电力工业重组己经完成或者正在进行。其中，在电网扩容规划中 国家的干预和合作的程度各不相同。但在所有的情况下，私人电网拥有者必须为发电商 提供公平、公正的输电服务接入，这是一致的。 在智利，电网规划工作是一个基于市场化的程序，它通过一个协商过的公开、公正 的输电服务收费机制，把输电网规划工作交给私人代理商。管制方可以提出一个经济可 行的电力系统规划指导计划。这个计划会随着私人投资者提出的电源建设方案而定期修 改，从最小成本的角度出发来调整这个指导规划。电网的拥有者或者投资者会从包括政 府所做的方案内的所有规划方案进行选择。他们不必一定选择政府所做的方案，那并不 是必须的要求。由于智利的网架结构属于辐射性网络结构，建立一个新的电厂，总要建 立与之相联电网线路。现在投入的供电总成本可以通过电源的投资额和运行成本来计 算，而以后可能发生的其他成本可以通过一个他们自己建立的水火电随机协调模型计算 出来。在这个模型中，负荷的增长、燃料的价格和利息率被假定为已知。然后管制方基 于这个规划模型中预测的电价为用户设定输电服务费。所以市场参与方知道他们在未来 的市场中所要付出的输电服务费并且能够有针对性的进行工作。 在秘鲁和玻利维亚，管制方不仅制订指导规划，还可以限制输电收入。只有属于这 个已有系统的投资才可以回收成本。其他方可以建设新的线路，但是不能保证它们一定 会接入系统。管制方现在面临的问题是如何制订这个计划及如何运用一个系统的方法来 评估这个决策。这些管制措施实施的实践还不是很长，其合理性还有待于时间的检验。 这其中的一个重大的问题就是如何去协调管制方和和电网的私人拥有者之间的矛盾关 9 华北电力大学硕十学位论文 系。 在阿根廷和哥伦比亚，由于安全性和经济性的原因，不论电网的所有权怎么样，电 网的经营权要由一个实体来进行。电网的维护工作应该在系统运行员的监管之下由电网 的拥有者来完成。在阿根廷，管制机构来评价各个投资方案，如果认为可行，就通过代 理商组织一个招投标过程来进行建设和维护。中标者，会被付给年成本费，并负责设备 的维护，如果建设达不到要求，就要受罚。 综上所述，几乎所有的电力市场化国家都将厂网分离，在电源侧引入竞争，电 网由于天然垄断，受到政府的严格管制，通过调控和采取激励措施，既不允许获取 高额垄断利润，又要保证合理收益以维持电网的发展。根据市场结构和管制方式的 不同，市场条件下的输电网规划主要存在两种不同的模式： ( 1 ) 电网公司统一决策 电网公司在其中居于主导地位，如英国等国家，电网公司处于中心地位，负责 电源布局，电网规划及未来电网的运行特性分析。适合于这种环境的电网建设体制 a t i o n a lt r a n s m i s s i o na u t h o r i t y ) 简称为n t a ，n t a 是受政府控制的公众事业，是 t o ，i s o ，p o o l p x 为一体的管理体制，由n t a 负责电网规划。 ( 2 ) 监管部门负责电网规划 南美的发展中国家如智利，玻利维亚，秘鲁，由监管部门制定电网规划方案 ( a d a p t e dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ) ，而且该电网规划方案还被用于限制电网企业获取高 额利润的依据。 在我国现阶段，输电网正在快速发展，而且输电网一直是由国家统一建设和管 理。由于电力工业的技术特点以及自然垄断属性，加之我们国家特定的经济状况及 其它一些实际问题，在我国的电力体制改革方案中明确规定“受国家有关部门的委 托，国家电网公司协助制定全国电网发展规划，区域电网公司规划区域网发展”， 由此可见我国电网规划的体制实际上属于上述第一种情况。 2 4 市场环境下的电网规划 2 4 1 我国电力市场发展状况 自1 9 9 8 年开始，我国的浙江省、上海市、山东省和东北三省，先后开展模拟电力 市场运营试点工作。这些试点电力市场，大致分为两种模式：建立在差价合同基础上 的全电量竞争模式；建立在完成计划电量基础上的部分电量竞争模式。 浙江省的模拟电力市场采取了在差价合同基础上的全电量竞争模式。上海市、山东 省和东北三省都采取了在8 5 以上计划电量基础上的部分电量竞争模式。但还稍有差 j 0 华北电力大学硕士学位论文 别：在电力需求状况较好的上海市，将试点之后的发电量与试点之前的计划发电量相 比之增量部分，作为竞价电量；在当时电力需求状况欠佳的省份，将1 年总发电量的 5 1 5 作为竞价电量。在试点初期，一些省份( 包括未被指定试点的省份) 首先建立 了月( 或旬、周) 前市场，即参与竞争的发电厂采取按月( 或旬、周) 竞价的方式进行 上网电量交易，之后又建立了日前现货市场；而另外一些省份，则直接建立日前现货市 场。最初，都是以系统边际电价作为竞价上网电量的结算价格；后来，为了避免个别 发电厂操纵市场价格现象，上海市开始按发电厂自己的报价结算竞价上网电量。在计 划电量的发电计划安排原则上，各试点电力市场有所不同。日前现货市场竞价发电计 划制订的优化算法和软件有所不同。辅助服务的安排、补偿办法不同“。 尽管模拟电力市场还不是真正的电力市场，但模拟电力市场为我国实旌“厂网分开” 后，逐步建立健康有序的电力市场，积累了丰富的经验、培养了大批的电力市场管理和 技术人才。2 0 0 2 年1 2 月，中国电力新组建并成立了1 1 家公司和国家电力监管委员会， 标志着中国电力市场正式启动和实施。 区域电力市场建设是当前中国电力市场改革的重点。我国幅员辽阔，电网在格局上 划分为六大区域电网，在此基础上建立六大电力市场符合客观规律，非常必要和及时。 2 0 0 4 年1 月1 5 日和5 月1 8 日，东北和华东区域电力市场模拟运行相继进入模拟运行， 根据电监会文件，三年内其它几大区域电力市场将依次启动。 2 4 2 电网职能的转变 市场环境下，不同的电力市场参与者( 发电厂商、电网经营者和用户) 对不同的电网 规划项目可能会持不同的态度，这是因为有的建设项目可能对某部分参与者有利，而另 一些项目可能对另一部分参与者有利。例如，由于相互竞争的发电厂商所处的地理位置 不同，一个新的电网规划项目给他们带来的收益就不同：受电网制约的发电厂商可能希 望扩展电网以解决除制约，而靠近负荷中心的发电厂商则可能倾向于保持现状以保持他 们的相对优势。这种多方利益的冲突使得竞争电力市场条件下的电网规划变得更加复 杂。但有一点是可以肯定的，那就是厂网分开后，电网成为一个独立的能量输送主体， 电网规划更多地属于企业行为，它应当以追求电力公司企业利润最大化为目标。 以企业利润最大化为目标的电网规划包含两个主要内容。一是保证电网的安全经济 运行；二是作好规划项目的经济评价，电网经营者自觉而严格地控制工程造价。这里应 当强调指出的是，市场环境下电网的可靠运行变得愈加重要，因为停电就意味着负荷损 失以及由此引起的赔偿和可能的法律诉讼费用等，其中合同方式的停电赔偿和法律诉讼 是传统体制下所没有的。关于经济评价，它强调公司的投入产出即所谓效益原则，是厂 网分开后电网规划的核心内容。 华北电力大学硕士学位论文 结合国外的经验，我们国家的电网规划主要应由各大电网公司在电力监管机构的监 督下完成。电网公司作为一个独立的经济实体，应致力于降低成本，提高输电服务质量。 新时期的电网职能主要应该是服务于竞争的发电市场和未来的竞争性售电市场。它不再 拥有计划经济下的垄断地位，它只是作为电能销售过程中的输送服务来存在的。所以， 电网的职能应该转变为： ( 1 )提供输电准入服务，对申请并网的电源和用户进行审核，按照一定的标准为 他们提供输电服务，保证发电侧和输电侧市场的充分竞争，而尽量不因为输 电阻塞而使这两端的市场有发挥市场力的行为产生，为用户提供高质可靠的 电能。不能有任何歧视的行为，要遵守公平、公开、公正的原则； ( 2 )进行电网的建设，包括高压主干线路和一些专用线路，使电网的建设更好地 适应社会发展的需要； ( 3 )在政府的及有关管制方的监管下，制订输电服务价格，要本着分摊合理、公 开透明的原则，为输电交易提供服务，保证电网投资快速、稳定的回收； ( 4 )向电源公司建设新的电源，及用户接入提供正确的经济信号，与电源建设配 合进行电网扩容； ( 5 )为电源和用户提供有偿的辅助服务。 2 4 3 市场环境下电网规划面临的不确定性 由于电力市场条件下的传统电力工业的纵向解捆，电力市场中的电网规划将面 临很多的市场不确定因素。电网规划要适应这些不确定因素，使电网具有较好的灵 活性。市场环境下的电网规划应从经济角度和工程角度两个不同方面同时对电力系 统进行分析，评估各种规划方案和不确定因素的影响，制订出一套切实可行的、并 能适应将来发展变化的电网规划的方案和管理模式。 市场中的电网规划将面临以下很多不确定性因素。t s q e ； 1 ) 未来负荷变化的不确定性。随着改革的深入，市场将向用户侧开放，由于市 场中实时电价会发生频繁波动，不同时期的电价水平也会发生变化，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。另外，还包括由外部刺激( 例如外商 投资等) 和大项目的新建所引起的负荷预测的不确定性，这是由于这些项目能否投 产、何时投产、投在何地通常是难以预测的，它受到众多不确定性因素的影响和许 多方面的牵制。 2 ) 未来电源规划的不确定性。未来电力市场中的电源规划将是发电公司的内部 决策，这些信息往往不会在市场中提前公开，电网公司就不会提前了解这些信息。 再加上电源公司随着市场竞争、电价、国家政策、燃料等等不确定性因素，他们自 华北电力大学硕士学位论文 己的规划计划也会变化。另外由于输电线路的寿命一般要比电源的建设周期长，在 这么长的时间内也很难预测电源的变化，这都会影响电网规划工作的进行。 3 1 电力市场发展所导致的合作与竞争方面的不确定性。包括市场交易导致的系 统潮流不确定性和电价的不确定性等。在竞争的市场中，发电公司从各自的利益出 发，会不断调整自己的竞价策略，导致市场供需的平衡点不断变化，价格也频繁波 动；并且，随着市场对用户侧开放，用户可以自由选择供电商购买电力，用户和电 厂之间的供求关系也将更加频繁变化，甚至可能产生大规模的远距离输电交易，这 些都导致了系统潮流的不确定性，原来的电网势必会产生新的网络拥挤情况。除了 建设新的输电线路来减少输电瓶颈外，也可以采用安装f a c t s 来调整线路的潮流， 以便尽可能利用现有电网的传输容量。 4 ) 电网潮流不确定性。在竞争性的电力市场中，由于电网的调度是基于发电侧 竞价上网的结果而产生的，随着发电商报价策略的不同，电网的调度也会随之改变， 一个发电商在这个时段上网，而在下个时段他就可能不参加上网竞价，他的最终目 的是自身利益的最大化，他会根据这个目标不停地变换自己的竟价策略。这就大大 增加了电网潮流的不确定性。同时，随着大用户直购电工作的逐步进行，电厂和用 户的关系的不断变化以及有可能产生的远距离大规模购电，都会增加系统潮流的不 确定性。 5 ) 输电费不确定性。目前国际上电力市场仍处于一个研究发展阶段，输电服务 定价还没有一个完善的解决方法，同时由于电源和电网投资主体的多元化，未来电 力市场发展中的各种不确定性因素都将给输电费用分析造成一定的困难。 6 ) 系统可靠性不确定性。在电力市场条件下，电力系统可靠性和系统运营经济 性之间的矛盾逐渐显现出来，由于各电力公司、电网公司分属不同的经济实体，从 而导致在系统运行和规划设计中对系统安全可靠性因素的考虑与传统电力系统存 在巨大的区别。 7 ) 法规和政策背景的不确定性和越来越难以准确预测的未来环境对电网规划 的影响等。众所周知，政策和法规的变化会给电网规划带来一定的影响，而这往往 是最难以预测的。 2 4 4 市场环境下电网规划的特点 电力市场改革以后，一方面电网企业作为受政府严格监管的垄断部门，电网规划应 追求整个社会利益的最大化；另一方面，电网部门被单独划出，电网投资者的直接目的 将从原有的发、输、配电总体利益最大化转变成电网运行和建设利益最大化。达到这两 个目标主要依靠市场体制建设，并通过详细而量化的经济核算即项目的经济效益确定电 华北电力大学硕士学位论文 网建设方案。电力改革后的输电网扩容需求主要有如下几种： ( 1 ) 把新的电源连接到电网； ( 2 ) 为新的和增加的负荷服务； ( 3 ) 减少输电阻塞，经济性的满足负荷需要； ( 4 ) 提高输电网的鲁棒性来提高系统的可靠性； ( 5 ) 提高整个系统的稳定性。 在电力市场环境下，作为连接生产者和消费者的中介，电网的地位和作用更加突出。 除了在技术上更安全稳定运行外，与传统体制下的情况相比，电网的建设与规划呈现出 以下几个方面的特点： ( 1 ) 提供足够的输变电容量，保证竞争市场的电力交易的顺利进行； ( 2 ) 为发电厂商公平地提供电力传输服务，允许其他市场参与者公平的接入和使用 输变电网络和设备； ( 3 ) 根据上网规则和负荷需求的实际情况收购电量，而不是无条件地满足所有电厂 和所有机组的送出； ( 4 ) 按照负荷的分布建设合理的网架，并向发电厂商和用户传达有关电网使用的价 格和网架结构信息，以指导和调节电源的建设和用户的接入，促进竞争电力市 场健康有序地发展； ( 5 ) 树立社会营销的思想，即在确定未来市场的需求、欲望和兴趣的基础上，以对 消费者和社会双重负责的态度，通过电网的规划和建设，一方面为用户提供优 质产品和服务，另一方面树立良好的社会公益事业的形象； ( 6 ) 通过核算电网服务价格，公正地回收提供服务的费用，保证电网经营的合理收 益。 2 5 本章小结 我国电力工业市场化改革以来，随着网厂分开和电力市场的初步形成，电力系 统中的一些新情况、新问题不可避免地摆在我们面前。在电力市场改革中，输电网 规划是一个十分复杂而又极其重要的现实问题。 本章首先回顾了在传统电力体制下进行电网规划的要求和方法，然后介绍了美 国和南美等一些国家在电力市场改革进程中应对电网规划问题的具体情况。本章最 后详细叙述了电力市场环境中电网规划面对的新问题，并针对我国电力改革的实际 情况，提出了新形势下我国电网规划的特点和适应我国国情的电网规划体制。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章输电网规划方法研究 电力规划工作是一项复杂的系统工程，其复杂性突出地表现在其具有规模大、 不确定和不精细因素多以及涉及部门和专业领域广的特点。电力规划工作不仅需要 大量有关社会经济发展的历史数据，还需对现有电网进行深入的分析，同时亦要对 社会未来发展有比较全面的了解。 3 2 电网规划方法研究 输电网络优化规划的目标是寻求最佳的电网投资决策以保证整个电力系统的 长期最优发展。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。在形成电网规划方案时，按规划研究的时间长短，可分为静态电网规 划和动态电网规划。静态电网规划只对未来某一负荷水平年的电网接线方案感兴 趣，不要求考虑接线方案的过渡问题。规划期较长时，需要将其分为几个水平年， 并考虑各水平年规划方案的过渡问题。这种规划称为长期电网规划或动态电网规 划。 3 2 1 静态规划模型 静态规划模型在静态规划过程中，根据可靠性和经济性指标的处理方法，电网 规划模型又可分为经济性模型和可靠性模型两类“。 一、经济性模型 电网规划可以按照目标函数的不同分为以下两种： ( 1 ) 无明确目标函数的规划模型 在最初的传统启发式方法”1 ( 如逐步加线、逐步减线法等) 中，没有明确的目标 函数，而是将线路投资等隐含目标与线路的有效性指标相结合，规划运算过程结束 的原则是网络中没有冗余线路( 逐步减线法) 或网络中没有过负荷线路( 逐步加线法) 。 模型以隐式的直流潮流方程为约束，具有简单、易于计算等特点。 ( 2 )以明确的经济性指标为目标函数的模型 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 华北电力人学硕士学位论文 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( x i 0 ，1 ) ) ，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，电网规划又可分为直流( d c ) 模型、运输( t r a n s p o r t a t i o n ) 模型、混合( h y b r i d ) 模型和分离( d i s j u n c t i v e ) 模型。 1 ) 直流潮流模型 它要求规划网络完全满足直流潮流约束，包括全网( 现有和待扩建) 各节点功率 守恒，即满足k c l 方程：全网电压满足k v