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东南大学硕上学位论文 a b s t r a c t w o r d w i d ee l e c t r i c i t yi n d u s t r yi sn o wo nt h ew a yo fd e r e g u l a t i o n e l e c t r i c i t yp o w e rm a r k e tc a n p r o v i d e t h em a r k e tp a r t i c i p a n t sa l lo p e no p p o r t u n i t yt oj o i nc o m p e t i t i o n t h ee l e c t r i c i t y r e f o r m a t i o nh a sb r o k e nt h ev e r t i c a lm o n o p o l ys t r u c t u r e ；o f ft h eo t h e rh a n d ，i ta l s op u t sf o r w a r d m o r eq u e s t i o n st ot h ee x p e r t sa n ds c h o r l a r si nt h ef i e l do fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n ga n de c o n o m i c s i nt h ef i e l do fe c o n o m i c s ，q u e s t i o n ss u c ha st h er e f o r m a t i o no fp r o d u c t i o nm a n a g e m e n ta n d d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ta r ef o r c u st o d a y ；w h i l en e wt e c h n i q u e so fv a r i o u sa s p e c t si np o w e r s y s t e mo p e r a t i o ni nt h ef i e l do fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n ga r ea l s oa p p e a l i n g i nf a c t , t h ec a l c u l a t i o n o ft 0 t a jt r a n s f e rc a p a b i l i t y ( t t c ) a n da v a i l a b l et r a n s f e rc a p a b i l i t y ( a t c ) i so n eo ft h e t e c h n i q u e s i nl9 9 0 s ，t h en o r t ha m e r i c a ne l e c t r i cr e l i a b i l i t yc o u n c i l ( n e r c ) u n i f i e dt h ec o n c e p t o ft r a n s f e rl i m i t , a d v a n c e dt h ed e f i n i t i o na n dc a l c u l a t i o nf r a m e w o r ko fd e t a i l e da t c s i n c et h e n , t h ew o r kh a sb e e np e r f o r m e da n da c c e p t e dw o r l d w i d e l y t h ei n f o r m a t i o no fa t cb e t w e e na r e a si s as t a n d a r dt o o la n di m p o r t a n tr e f e r e n c ef o ra l le l e c t r i c i t ym a r k e tp a r t i c i p a n t st ot a k ep a r ti n e l e c t r i c i t yt r a d e i nt h i st h e s i s s o m ed e t e r m i n i s t i ca l g o r i t h m sa r ee m p l o y e dt oc a l c u l a t ea t cb e t w e e na r e a sa n dt 1 1 e a l g o r i t h mi ss o m e w h a ti m p r o v e dl a t e r t h em e t h o d si n v o l v e da r el i n e a rd i s t r i b u t i o nf a c t o r p o w e rf l o w ( l p f ) m e t h o d ，r e p e a tp o w e rf l o w ( r p f ) m e t h o da n dc o n t i n u a t i o np o w e rf l o w ( c p f ) m e t h o d f i r s to fa 1 1 l i n e a rp o w e rf l o wm e t h o di sp e r f o r m e d w i t ht h ec h a r a c t e ro fd c f l o wa n ds e n s i t i v i t ym a t r i xo fi la t cr e s u l tw h i c hi sn o ts op r e c i s eb u tf a s tc o u l db eo b t a i n e d s e c o n d l bi no r d e rt oi m p r o v et h ec a l c u l a t i o np r e c i s i o n c o n t i n u a t i o np o w e rf l o wm e t h o di s i m p o r t e da n de x e c u t e d w i t ht h et o o lo fc p fm e t h o d , t h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fa i t c b e t w e e na r e a so fp o w e rs y s t e mi sr e a l i z e d , m e e t i n ga l lk i n d so fb a s i cp h y s i c a lc o n s t r a i n t s f o r c u s e do nt h ef o u rt a e h e so fc p f , t h a ti s ，p a r a m e t e r i z a t i o n ，p r e d i c t o r ，s t e p - l e n g t hc o n t r o l l o ra n d c o r r e c t o r , s e v e r a lc p fm e t h o d sa r ea s s e m b l e da n dc o m p a r a t i v e l yp r e c i s ea t cr e s u l t sa r ea c q u i r e d 1 1 h i r d l y , t h el p fm e t h o da n dc p fa r ec o m b i n e d ：t h ea t cr e s u l td e r i v e df r o ml p fi sa s s i g n e dt o b et h es e c o n dp r e d i c t e do p e r a t i o np o i n ti nt h ep vc u r v eo fc ：p fm e t h o d , t h i sw o r ki sp r o v e d f e a s i b l ea n dt i m es a v i n g i tn o to n l ye n s u r e dt h ep r e c i s i o no fc a l c u l a t i o nb u ta l s oi m p r o v e di t s e f f i c i e n c y i nt h ep r o c e s so fa t cc o m p u t a t i o nb yc p f , c o n s t r a i n t si n c l u d i n gg e n e r a t o rc a p a c i t y l i m i tc o n s t r a i n t , l i n et r a n s f e rl i m i tc o n s t r a i n t , a m p l i t u d eo fv o l a t g ev a l u ec o n s t r a i n ta n ds t a t i c v o l t a g es t a b i l i t yc o n s t r a i n th a v ea l lb e e nt a k e ni n t oc o n s i d e r a ti o n p a r t i c u l a r l y , t h ep vn o d et y p e c o n v e r s i o ni sc o n s i d e r e di nt h ep r o c e s so fc a l c u l a t i o n , t o o f i n a l l y , i nt h ep a r to fs i m u l a t i o nt e s t , a t cu n d e rn o r m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o na n dn 1o p e r a t i o nc o n d i t i o ni sc a l c u l a t e ds ot h a tt h e s y s t e ma t ec o u l db ed e r i v e d e m p i r i c a l t e s te m p l o y e dt h ei e 雎9 - b u ss y s t e ma n di e e e 3 0 b u ss y s t e m ：t e s t sa r ea n a l y s i z e dw i t ht h er p f 钔a sb e n c h m a r k f r o mt h et e s t sw ec a n c o n c l u d et h a tc p fi sc r e d i b l ea n dp r a c t i c a li nt h es o l u t i o no fa t cw i t hs t a t i cv o l t a g es t a b i l i t y c o n s t r a i n t k e yt e r m s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ；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 ( a t c ) ；l i n e a rp o w e rf l o w ( l p f ) ； c o n t i n u a t i o np o w e rf l o w ( c p f ) ；s t a t i cv o l t a g es t a b i l i t yc o n s t r a i n t ；d e t e r m i n i s t i ca l g o r i t h m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：蝉日期：盟 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 世界范围内的电力发展正面临着巨大的改革，问题的焦点是电力企业由垄断型的管理向 市场型的转变，伴随着电力市场不可逆转的发展趋势，很多新问题应运而生，在这个过程中， 经济利益的主体发生了分离，发、输、配电的先后独立，使得发电企业、电网公司、配电公 司都在保证安全运行的重要前提下也需要积极寻找各自利益最大化的经济目标。 电能是整个电力市场经营的主要产品，由于电力不能存储，而且电力在传输过程中会遇 到输电线路的传输容量上限等约束，故电网中实时可用的剩余传输容量一直是系统调度的重 要数据。电力市场改革后，由于引入了更多的经济因素，电网可用传输容量的功能得到了扩 大，它不仅能显示电网运行的安全与稳定裕度，还能为系统运行人员和电力市场参与者提供 电网使用状况的详细信息，以便指导其市场行为【l l 。 电网输电能力的研究发端于2 0 世纪7 0 年代，时称区域功率交换能力，即t r a n s m i s s i o n i n t e r c h a n g ec a p a b i l i t y ，或s i m u l t a n e o u si n t e r c h a n g e t r a n s f e rc a p a b i l i t y 。传统垂直管制环境下， 电网区域问功率交换量较低，电网容量裕度较大，因此系统的输电能力只是调度员调度时的 一个参考信息，用来了解系统目前的运行状态到各种安全约束的距离；调度员可以根据经验 来调度发电、负荷增长方式。但是，到了电力市场环境下，系统运行的不确定性增大，电能 交易瞬息万变，为了最大限度的降低输电成本，输电网已不得不把对其输电能力的极限研究 作为提高经济效益的主要手段，系统负荷峰值常常接近电网能承载的最大输电容量，发生支 路过负荷、节点电压幅值范围越限的可能性大大增加1 2 , 3 1 。同时，由于各方利益目标的不同， 对电网中可利用的传输容量的不同的调度方式将会为不同的利益主体带来截然不同的收益。 因此，电力改革开始后，电网中可用输电能力( 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 , a t c ) 的计算方法 及计算结果也受到了更多的市场参与者的关注。它作为重要的市场信号，能积极指导市场参 与者在电力交易过程中的各种商业行为，具有显著的经济和技术价值。 随着电力市场竞争的日益剧烈和市场环境的不断成熟，不断变化的电力潮流数据，需要 不断更新a t c 结果与之匹配，准确、高效、快速地计算电网可用输电能力成为研究的重点。 1 2a t c 研究概述 本节将对a t c 的研究价值和概念作出论述。 1 2 1a t c 的研究意义 电力市场环境下，a t c 信息的发布具有如下的意义： ( 1 ) 系统运行者可将其视为实时评估互联系统不同区域问功率交换能力的重要依据。在 互联系统运行中，“传输”与“交换”同义1 4 】。通过a t c 的实时发布，能提高输电网的输送效率， 从而使交易双方获得更大的经济利益。 ( 2 ) a t c 可以作为输电网削减交易，消除阻塞的标准。当系统出现阻塞后，电网管理者 可以依据a t c 与交易量的差额大小反映交易对阻塞影响程度的轻重，削减影响程度大的交 易，以便从技术上消除阻型川。 ( 3 ) a t c 还能为电网规划建设提供具体信息，为提高系统的可靠性和经济性服务。在电 力系统规划过程中，系统区域间的功率交换能力是评估互联系统可靠性的几个主要性能测度 之一。系统规划者可以利用这一测度作为评估系统互联强度、比较不同输电系统结构优劣的 东南大学硕士学位论文 指标【4 1 。 ( 4 ) a t c 在电力市场的其它方面也有用武之地，比如在输电权定价、辅助服务定价等方 面。 1 2 2 a t c 的概念 根据北美电力可靠性委员会( n o r t ha m e r i c a ne l e c t r i cr e l i a b i l i t yc o u n c i l ，n e r c ) 1 9 9 5 年 文献中的定义 6 1 ，所谓一个系统两个区域间的输电能力是指通过两区域间的所有输电同路， 从一个区域向另一个区域可能输送的最人功率，且必须满足至少下述三个约束： 1 、在无故障发生的正常运行方式下，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、发电机) 停运的故障条件下，系统能够吸收动态功率 振荡，维持系统的稳定性； 3 、当2 中描述的事故发生且系统功率振荡平息后，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) 的功率及电压水平应在给定的紧急事故条件下的额定 范同内。 为说明电力系统区域间功率交换能力的概念，这里用简化的三区域互联系统来加以论述 川。如图1 所示，一系统有a 、b 和c 三个区域，它们之间由输电线路a b 、a c 和b c 相联接，其中a 、b 、c 三个区域分别代表三个含有发电、输电网络和负荷的子系统，输电 线路x y ( x 、y 分别代表a 、b 、c ) 由一条或儿条输电线组成。 区域a 图i - i 互联区域问a t c 传输示意图 t x y 是区域x 与y 间的界面潮流，当计算区域a 到b 的功率交换能力时，调整区域 a 和区域b 的电力输出( 和或电力需求) ，以便能在区域a 中出现电力过剩，在区域b 中 出现电力缺乏，这样就自然地在区域a 、b 间形成一功率交换，持续地加大两区域间的此类 调整，使区域a 和b 间的功率差不断增加，直到某一设备或系统变量达到它的极限值，或 者是达到了所要测试的功率交换水平，且要考虑系统中单一故障( 如设置某一发电机、变压 器、输电线等停运) 的影响。其中，在某一故障条件下，某一设备或系统的极限值所限定的 功率交换量最低，该功率交换量即为此种运行条件下a 、b 区域间的功率交换能力，该故 障称为最严重的单一故障。 1 9 9 6 年，美国联邦能源管制委员会f e r c ( f e d e r a le n e r g yr e g u l a t o r yc o m m i s s i o n ) 对 2 第一章绪论 a t c 提出了明确的定义【7 】：a t c 是输电网传输能力的一种度量标准，它反映出在已成交的 传输容量基础上，输电网对市场交易还可提供的最大传输容量。北美电力可靠性委员会 n e r c ( n o r t ha m e r i c a ne l e c t r i cr e l i a b i l i t yc o u n c i l ) 对此做出了进一步的解释和说明，它指出 a t c 是在不同输电系统之间，通过预定断面的传输功率的增长值。 从数学角度来说，a t c 定义为最大输电能力( t o t a lt r a n s f e rc a p a b i l i t y ，t t c ) 减去传输 可靠性裕度( t r a n s f e rr e l i a b i l i t ym a r g i n ，t r m ) ，减去容量效益裕度( c a p a c i t yb e n e f i tm a r g i n ， c b m ) ，再减去现有合同( e x i s t i n gt r a n s m i s s i o nc o m m i t m e n t s ，e t c ) 。数学表达式如下： a t c = 册一兀刚m c 剧m e 形 ( 1 1 ) 其中，1 1 r c 是指在满足系统各种安全约束的条件下，互联输电网络上可以传输的最大 有功功率。 t r m 为输电可靠性裕度，是指预留的必要的输电能力，以确保当系统运行参数在合理 范围内发生变化时，整个系统能够安全稳定的运行，它反映了不确定因素对互联系统间输电 能力的影响。在实际应用中，并不需要实时计算t r m 值，比如欧共体内部电力市场只要求 每半年刷新一次t r m 值。在计算t r m 时，多数情况下是取1 r c 的一个同定百分比。对于 电气连接紧密、无功支持充裕的电网，t r m 所占t r c 的百分比可以取得小一些眵l 。 c b m 为容量效益裕度，是从发电机安全运行考虑，为了保证稳定的负荷供电，一些负 荷供应商预定保留的输送容量裕度。 在a t c 计算公其中，t r m 和c b m 这两个参数的确定也很重要，目前，有多种方法计 算这两个参数1 5 7 , 5 s 1 ，本文中采用了1 c 的一个固定百分比( 4 ) 的方法。 e t c 为现有输电协议( 包括零售用户服务) 占用的输电能力，包括“可撤消”和“不可撤消” 的传输容量。本质上包括给定条件下所有正常的输电潮流，反映了已签合同占用的输电能力； e t c 包括以一i - j l 个方面：不可撤销的预约输电服务( n r e s ) ；不可撤销的计划输电服务 ( n s c h ) ；可撤销的预约输电服务( r r e s ) ：可撤销的计划输电服务( r s c h ) 。其中n s c h 和 r s c h 之和不能够超过r r c 运行水平。然而，在计划水平，各输电网拥有权者可以容许n r e s 和r r e s 的值大于1 r c 与t r m 的差。为了充分利用已有的输电设备，假设n r e s 本身小 于t t c 与t r m 的差。这样得到： ( 1 ) 不可撤消的可用传输容鼍 m 彤= 眦一豫m 一例一舰懿 ( 1 - 2 ) ( 2 ) 可撤销的可用传输容量 彳粥= 册一口本职m 一m 一r 醪一艘耶) a t c = i t c b t r m c b m r s c h n s c h 、- 4 ) 其中，o a l ，o 五一l ( 3 1 3 ) 5 、p v 节点无功上、下限约束： q g j 。i n q g t q - o _ f 。 ( f = 1 ，, - - - , 4 )( 3 1 4 ) 其中n 1 为系统发电机个数，2 为系统节点总数，3 为系统支路个数，4 为p v 节点 个数。附录a 给出了在本文算例中具体使用的的约束限值数值。在正常运行情况下，节点 电压范嗣约束与附录a 中规定的相同，当进行n 一1 情况下的a t c 计算时，节点电压范围约 束有所调整，调整范围在各算例中说明。 本文采用的对静态电压稳定约束的处理为式( 3 - 1 3 ) ，利用检查厶+ 。是否大于以来判断是 否达到电压稳定约束。若五+ l o ，且d e t ( 以) o ( 3 - 1 5 ) 其中，上为考虑发电机和综合负荷静特性时的雅可比矩阵，称为发电机、负荷静态化 的雅可比矩阵：以为把发电机和负荷看作恒定阻抗时的雅可比矩阵，称为发电机、负荷阻 抗化的雅可比矩阵。 本节对连续潮流法的计算思路进行了讨论，以下将对连续潮流法各个环节的不同计算方 法进行归纳和比较。 3 2 连续潮流计算方法 本节在方程参数化环节采用的算法有：局部参数化方法、弧长参数化方法和正交参数化 1 9 东南人学硕士学位论文 方法：预测环节采用的算法有：切线法、割线法、曲线拟合法和混合法；步长控制环节采用 定步长和变步长两种策略【“4 5 】；校正环节采用牛顿拉夫逊法校正。四个环节的合理组合，可 以得到多种基于连续潮流的算法。 3 2 1 方程参数化 常规系统潮流方程式( 3 3 ) 在p v 曲线功率极限点附近雅可比矩阵会发生奇异而导致潮流 不收敛；引入参数化方程是连续潮流区别于普通潮流的主要特征。对连续潮流法来说，方程 参数化有两方面的含义：一是如何选择控制参数以有效区分稳态解曲线上各点的先后顺序， 二是通过参数化方程的建立，克服方程在鞍结分岔点处的病态。参数化策略是贯穿整个连续 方法的核心，它决定了整个连续潮流的应用情况。所谓参数化方法就是如何构造一个方程， 使得它与参数化后的潮流方程一起构成一个具有m 1 个待求变量的m + i 维方程组，来确定 曲线上的下一个运行点。这个方程的一个重要作用就是使得增广后雅可比矩阵在鞍结型分岔 点处非奇异、不病态。 增补的参数化方程可表示为： if 吃。( 1 + a 诏。) 一屹。( 1 + 兄吒，) 一u ( q c 吃+ 岛s 呜) = o 以置句2 1 如。一鱿0 ( 1 + 五k f ) _ q ( 舌：f 呜一易伽岛) ：o ( 3 1 7 ) 厶= 喜c 薯一c s ，2 + c 兄一名c s ，2 j 。j c 3 ，8 ， li _ 1 2 0 第三章考虑静态电压稳定a t c 计算的连续潮流法分析 参数化等。另外，文献 4 6 】第一次提出了在连续潮流中利用潮流问题本身特征方程作为参数 化方程的特殊参数化方法，其中有发电机无功输出参数化方法和系统网损参数化方法，这些 统称为特殊参数化方法。 本文关于连续潮流的讨论中，用到的参数化策略有：局部参数化、弧长参数化和正交参 数化方法。 压幅值或相角不变。令向量工- - o p 矿+ 尸q 允r ，其中l = x n “，此处为原潮流方程 if 圪。( 1 + 五，) 一圪。( 1 + 兄吒) 一( q c 鲫岛+ b i i s i r 喝) ：o 以丘d 2 1 如。一缆o ( 1 + 兄) 一配u ( 二鸭一岛螂岛) ：o ( 3 - 2 0 ) 出 哥 招 图3 2 局部参数化方法的垂直校正和水平校正示意图 如图3 2 所示，从已知点a 出发，由一个固定的负荷增长，经预测得到预测点b ，在由 b 点到c 点的校正过程中，采用垂直校正的方式，不改变在b 点的得到的系统负荷值，只 校正状态变量中的潮流电压幅值和相角。 同样，在c 点由某种预测方法经过一个固定的负荷增长方式得到预测点d ，采用水平 校正的方式，不改变d 点对应的p q 节点k 处的电压幅值u ，d 点到e 点的校正过程中， 校正状态变量中除以外的所有电压幅值、相角和名，这一过程称为水平校正。 2 1 3 2 1 3 弧长参数化方法 东南大学硕士学位论文 弧长参数