（电力系统及其自动化专业论文）电力市场下输电网优化研究.pdf

目匕口口 j 习明 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 电力市场下输电网优化研究 ， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的 研究成果。 据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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 献均已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:日期: 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 ) 作者签名导师签名: 弓 7 尹 才提二 日期:日期 :乡 补 矿 / : . 丫 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 课题研究的背景及意义 随着国民经济的高速发展以及人民生活水平的不断提高， 电力已经成为了社会 发展的主要动力，社会对电力的依赖程度也越来越高，电力需求增长随之加快。为 用户提供安全、可靠、 优质的电能是电力部门义不容辞的责任，要做到这一点必须 有合理高效的电力网络. 伴随三峡工程的建设、 “ 西电东送”等工程的实施，我国电力系统正处于迅猛 发展的时期，全国现已形成以 5 00kv 输电线路为骨千的七大区域电网，并通过 士 500kv 直流输电线将华东和华中两大区域电网相连，以后将逐步形成以三峡为核 心的全国电网。 如何根据负荷增长和电 源规划确定合理的电网结构， 使之满足安全 经济输送电力的要求， 是电网规划今后面临的主要任务。电网规划直接决定了电源 发出的电能是否可以安全、经济、 可靠地送到负荷中心。全国性的电力网络即将形 成，为了能够合理地调配电力资源最大限度地满足国民经济发展和人民生活的需 要， 必须对电网结构进行合理的优化。 因此， 做好电网优化是当前电力规划工作中 迫切需要解决的问题。 输电网是电力系统中的重要组成部分， 承担着连通发电侧与配电侧、 输送电能 的重要职能。从而电网优化工作在电力系统研究领域中也越发重要， 传统的电网规 划工作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。 经济的飞速发展使得用电量急剧增加， 传统的电网规划已经不能满足经济发展 的需要，原有的电网结构己经不能满足社会的用电需求。许多地区由于电网结构相 对薄弱、不合理，造成有些地方有电送不出，有些地方又严重缺电，甚至出现由于 局部电网故障而诱发恶性连锁反应，最终酿成大面积长时间停电的重大系统事故， 如东北电网1 9 9 3 年8 月2 0日 事故和华北电网1 9 9 9 年4 月28 日事故都和电网结构 不合理有直接关系。 2 0 0 3 年全国很多省都出现了电力紧缺的局面， 许多城市都出现 了拉闸限电现象。 在经济发达国家，由于历史因素造成的电网结构不合理也同样会 导致大规模停电事故，如 1 9 8 7 年7 月日本东京大停电和 1 9 9 6 年 7 月、8 月间美国 西部联合电网两次大停电，同样给社会造成了巨大损失。 严重的影响了国民经济生 产和居民的正常生活。出现这种大面积电力事故的原因，一方面是由于电源不足而 导致电力供应跟不上; 另一方面是由于己 建或待建的电网结构不合理， 无法充分利 用电网的传输能力，导致用户的电力需求不能满足。因此，深入开展电网优化研究 l 华北电力大学硕士学位论文 不仅关系到电力系统的直接利益，还对社会的稳定、国民经济的持续、快速、健康 发展起着举足轻重的作用。这正是进行电网优化工作的意义所在。 1 . 2输电网优化研究的范畴和特点 电网优化是一个复杂的问题，其复杂性主要在于具体网络结构的复杂性，由于 待选路径的独立决策变量多，必须考虑大量的技术和经济约束。电网优化规划问题 一般是在下列已知条件的基础上进行的【 1， 幻 。 ( 1) 水平年的电源出力和负荷情况; (2)已有线路的接线方案: ( 3) 各个节点之间待建的所有可能路径 ( 即备选线路走廊) ; ( 4) 可获得的导线型号和相应的建设投资参数; ( 5) 政策因素及环境制约。 电网规划的基本原则是在保证将电力安全可靠地送到负荷中心的前提下， 使电 网的建设投资和运行费用等各种量化的指标总和最小. 电网的运行费用包括:电能损耗费、维修费、管理费等. 其中，维修费、管理 费是比较固定的。在规划阶段主要考虑输电过程中的电能损耗费用及停电损失费 用。 电网规划阶段要考虑的可靠性要求包括阁 : 1 .正常运行要求 在电力设备完好的情况下要保证各项运行指标满足要求。首先满足性能要求， 即每个节点的功率守恒。 在电网形成阶段， 最为关键的问题就是输送容量是否足够， 即是否会出现线路过负荷现象，因此要进行过负荷校验，即所谓的 “ n 检验，o 2 .安全运行要求 在某些设备故障或负荷波动的情况下， 要保证供电可靠性要求， 通常是在任意 一条线路故障断开的情况下各线路不会出现过负荷，即所谓的“ n 一 1 检验” 。 根据文 献 3 为了减少不必要的计算，可以先根据各线路开断后引起系统解裂或线路过负 荷问题的可能性进行故障排列， 然后按顺序依次对可能性大的线路进行校验，当校 验到某条线路断开后不引起过负荷时， 排在后面的线路就不必进行校验了。为了防 止 “ 遮蔽”现象，在连续几条线路故障都未引起系统过负荷时，才停止断线分析。 按规划期的时间长短，电网规划可以分为以 下几类阁 : ( 1) 短期电网规划; ( 2) 中、长期电网规划: ( 3) 远期 ( 景)电网规划。 短期电网规划又称为静态电网规划， 通常只对未来某一负荷水平的电网接线方 华北电力大学硕士学位论文 案感兴趣，还要求考虑接线方案的过渡问题，因而也称为水平年规划。 短期电网规 划期一般为5 年左右。 规划期在 10至20年的规划问题属于中、 长期电网规划问题。 由于中、长期电网规划间较长，所以需要将规划期分为多个水平年，并考虑水平年 之间 各方案的过渡，又称为动态规划习 。 远景电网规划通过对未来发展情况的简单 分析， 给出根据环境参数进行远景规划的一般原则，并做出最后的初步选择。它的 规划期一般在 30 年左右。三种规划方案相互承接、联系，并没有明确的时间点作 为界限。远景电网规划所得出的确定性方案，可以通过中、长期电网规划的实际情 况进行修正，短期电网规划可以对中、 长期电网规划引入的假设进行精确的分析和 论证.与此同时，中、长期电网规划又可以指导短期研究，确保短期决策与中、长 期电网发展相一致。 输电网规划属于系统优化问题，具有以 下特点。 1 .多目 标性 一个规划合理的电网不仅要在技术上可行，达到安全可靠、灵活方便的目标， 也要实现经济上投资合理、产出效益高的目 标，同时还要在社会效益、 环境保护等 方面满足要求。 而技术、 经济和其它各方面要求之间通常会相互影响甚至相互矛盾。 因此， 评价一个方案优劣是一项复杂的工作. 若将所有问题都加以考虑并用一个统 一的数学模型进行表述，这将是一个非线性大系统多目 标数学规划问题， 在生产实 践应用时，求解是非常困难的。 2 .不确定性 电网规划是以未来电力系统发展， 如电 源和负荷的发展水平为基础的。由于受 国家政策调整、社会经济发展水平、人口因素和环境变化等因素影响，电力系统的 发展环境也在不断变化， 而且这种变化在预测中严重地受时间的约束， 进行预测的 时间越长，条件越模糊、越不确定，有些甚至是不可预料的。因此，不确定性是长 期电网规划的又一突出特点。上述不确定因素对规划方案的合理性有着显著的影 响，必须在制定规划方案的决策阶段认真考虑. 3 .非线性 电力系统就其本质来说是一个非线性的大系统， 线路电气参数与线路功率、 传 输功率与网损等关系是非线性的， 这使输电网规划的目 标函数、 约束条件也都是非 线性的。 若采用数学上的非线性规划算法来求解， 对具有一定规模的电网来说计算 量大，求解困难。 4 .动态性 动态性是长期电网规划的又一突出特点。 长期电网规划为多阶段电网规划，规 划期内既要考虑各阶段电网方案的可行性， 又要考虑各阶段之间的相互影响， 还要 考虑整个规划期内的各种限制性约束及可能发生的不确定因素的影响， 各阶段电网 规划之间存在着动态性. 对于这种多阶段动态规划问题， 最严格的是依据数学上的 3 华北电力大学硕士学位论文 动态规划方法求解，但因电网规划的众多变量和约束条件，使得用动态规划方法求 解极容易造成 “ 维数灾难”问题，求解变得非常困难。故动态规划方法虽然理论完 善却难以实际应用。 5 .整数性 由于线路是按整数回路架设的， 所以电网规划的决策变量必然是0 一 1 整数性质 的。 而数学上经典的整数规划算法对于多决策变量、多约束条件的大规模非线性电 网规划来说很难适用。 1 . 3 输电网优化研究现状 随着厂网分离，电力行业市场化等新问题的出现， 使得输电网规划工作也需要 不断的完善，以适应新的要求。随着输电网市场化改革的逐步推进，输电网规划工 作也由过去的电力系统整体规划的一部分逐步独立出来， 作为市场环境下的一个独 立的单元进行运筹. 传统的电网规划有些已 经不再适应当前的新形势， 学者们在此 问题上做出了大量有意义的工作。 文献【 5提出了多目 标电网规划的分层最优化方法，使得计算量大幅度降低， 避免了多目 标函数处理大量约束条件的困难，同时提出的改进最优切负荷模型，简 化了 缺电成本的计算，使可靠性指标转化为经济性指标时更加快捷。但从其解的角 度看，通过文中所述模型解得的分层最优化解是在指定开发成本范围内追求可靠性 的解，也可以说所得解是分层意义上的最优解，这种首先在经济量值上满足一定要 求 ( 很大程度侧重开发成本，其次满足稳定性约束)的做法理论上是合理的，在电 力部门电网规划工作的实际应用中有待进一步检验。 文献【 6根据粒子群算法收敛性受初始粒子分布影响较大的特点，结合非线性 单纯 体法( n o n l i n e ars i m p l e x m e t h o d ， n s m ) ， 提出t 一种粒子群初始化 方法。 该方 法克服了随机初始化粒子时不能保证粒子合理分布的缺点，对提高初始粒子质量、 加速粒子群算法 ( p s o )的收敛速度起到了有效的作用;同时分析了罚函数形式的 适应度函数使迭代过程产生振荡的现象，根据对偶拉格朗日法，提出了一种交叉迭 代法，克服了罚函数法的不足. 文献 7、 8均提出考虑不确定性因素影响的电网优化方法。在以模糊集合论 描述和处理规划中的不确定模糊性因素的基础上，建立了以模糊供电总成本最小为 优化目 标的电网规划模型，利用概率论及模糊集合论处理不确定因素计算问题，通 过计算电网故障状态下的模糊电量不足期望值计算模糊缺电成本.最后利用遗传算 法产生动态优化解。但在工程实际应用中，不确定性事件集合难以全部预测，其中 不确定性事件可能发生的概率更是难以准确预测。 文献 9在综合考虑供电可靠程度的经济价值对用户侧影响的基础上，提出了 华北电力大学硕士学位论文 一种新的电网规划成本效益分析与评价数学模型，应用遗传模拟退火算法和成本效 益分析方法对其进行规划和分析，有效地将电网规划的经济性和可靠性结合起来， 进一步完善了成本效益分析方法在电网规划工作中的应用。但其模型中所引用的两 个参数单位缺电成本 ( iea r )与电力不足期望值 ( e e n s) ，通过计算获得实 际的准确值还存在困难，其计算过程也是非常繁琐的tlo。 文献【 1 1 通过引入一种衔接规划经济性与输电设备可靠性的方法， 把设备的可 靠性因素加入到目 标函数中， 从而在经济性最优的同时体现出可靠性。 但此方法中 设备的可靠性量化工作有一定困难，尤其是大规模系统中设备可靠性指标的计算。 文献【 121 以p ool 市场定价模式为背景， 以改进的遗传算法为基础， 提出了一种 包含用户需求弹性的规划方法，其规划工作的思路是将市场环境下的电网规划分解 为两个问题，即形成候选方案集的优选决策主问题和指定方案的运行成本和缺电成 本等指标的市场运行模拟子问题。但其文中所应用的规划模型相对简单，实际计算 中远比此复杂。 另外， 文中所介绍的规划方法是建立在用户侧用户的种类、 用电量、 用电时间等数据为准确的已知量的基础上的，但这些数据实际上很难准确获得。 文献 1 3通过建立改进的最优切负荷模型， 对缺电成本进行计算， 为计算缺点 成本提供了新思路。其模型的准确程度有待在实际应用中进一步验证。 文献【 14 、【 巧 均是基于在柔性约束的基础上，针对电网灵活规划现有方法所 存在的问题和不足，如场景规划技术、盲数规划、线路被选概率等，提出的电网规 划方法的新思路。新方法能够显著地松弛约束，减少计算量，但也有其使用的局限 性，对于负荷和发电出力无法调整的情况并不适用。 综上所述，当前电网规划工作主要集中在以下几个方面: (1 )处理市场环境下带来的新问题: (2 )松弛模型约束， 减少计算量; (3 )对不确定性信息的处理，尤其在中、远期规划研究中; (4 )对动态规划的 研究，更好的处理规划工作中不确定性干扰问题; (5 )对非线性模型 求解工作中 算法的研究， 尤其是仿生学算法的研究。 我国的电力市场化改革才刚刚起步， 新形势下的电网优化研究还有大量的工作 要做， 今后的 研究 方向 应当 包括16 一 18 : (l )加强对新型寻优算法如各种仿生学算法的 研究， 寻找更快速、高效的实用 规划求解方法; (2 )合理地考虑多阶段规划中各阶段规划方案之间的过渡和相互间的制约关 系，寻找求解动态规划更合理的模型和实用的求解方法; (3 )在规划模型中更合理地考虑和协调经济性和可靠性的关系，更充分地考虑 安全因素，使规划方案更具实用价值: (4 )全面合理地考虑和处理各种不确定 性因素， 如经济、环境和政策等，使规 ， 华北电力大学硕士学位论文 划方案具有更高的灵活性和适用性: (5 )在输电网规划中考虑采取合理的接线模式， (6 )细致分析和确定合理的电网规划模型和算法 新要求。 降低短路电流; ，使其满足电力市场模式下的 1 . 4 本文所做的主要研究工作 本文在电力市场化的形势下，分析了其给电网规划工作带来的各种影响，完善 了规划工作的数学模型及其求解算法， 通过算例验证证明了方法的有效性。具体的 说，可分为以下几点: 1 ，在对中外大量文献参阅和分析的基础上， 对当前电网优化研究领域已有的研 究成果进行总结分析， 分类介绍了当前此领域其他学者的主要工作， 并展望 了未来市场环境下输电网优化研究的主要方向。 2 .在电力行业市场化改革过程中， 电网规划工作必然会出现一些新问题， 本文 深入分析、 讨论了市场化与电网规划工作的关系。 分类介绍了在实际工作中， 电网优化工作领域里各种不确定性影响因素， 并且指出了电网优化工作新的 指导原则和发展方向。 3 .总结了电网优化研究领域内的研究成果， 分类介绍各种电网规划模型， 并针 对电力市场化改革的新形势， 提出了充分考虑二次扩建发生概率的电网规划 改进模型，而且通过算例验证其有效性。 4 .在对各种电力系统优化模型细致分析的基础上， 针对各模型的表述形式和特 点， 进行抽象和总结， 分类介绍了各种规划模型的求解算法， 着重分析了基 于仿生学的遗传算法的原理及计算过程， 并真对当前存在的问题， 提出了基 于并列交叉算子等改进方法的并行遗传算法， 通过算例验证， 证明了其相对 基础遗传算法的高效准确性。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力市场环境下的输电网优化 当今世界，电力工业体制正在发生深刻的变革，打破垄断、引入竞争，建立统 一、开放、竞争、有序的电力市场，已成为发展的必然趋势【 旧 。 自20世纪80年代以来，以英国为首， 国际上许多国家进行了电力工业体制改 革，目 标都是开放电力市场，引入竞争机制，降低发电成本，合理利用资源，最终 使用户获利。从 1 9 98 年开始，我国在电力行业实行 “ 厂网分开，竞价上网”的改 革，并确定了山东、上海、 浙江及东北的辽宁、吉林、黑龙江六个电网为首批 “ 厂 网分开” 试点单位。 2 0 00年1 月山东、 上海、 浙江的发电侧电力市场正式投入运营， 东北三省电力市场也在2 0 00年4 月正式运营川 。 近几年我国开始的电力市场建设工作， 取得了一定的成果。 然而，由于我国电 力行业实施了40 多年的计划经济， 若要向市场经济转变，将涉及到电力工业规划、 建设、运行和管理的各个方面变革，这将是长期而艰巨的历史任务。 2 . 1 电力市场简介 211 电力市场的概念 电 力市场 21 是采用法律、 经济等手段， 本着公平竟争、自 愿互利的原则， 对电 力系统中发电、输电、供电用户等各成员组织协调运行的管理机制和执行系统的总 和。电力市场具有开放性、竞争性、计划性和协调性的基本特征。根据以上定义， 电力市场首先是一种管理机制: 这种机制与传统的行政命令的机制不同，主要采伟 市场经济手段进行管理。同时，电力市场还是这种管理机制的执行系统， 包括贸易 场所、计量系统、计算机系统、通信系统等。 电力市场又可以分为电建市场、 发电市场、 输配电市场、供电市场和电力消奏 市场五个部分。 2 . 1 . 2 电力市场基本特征和目 标 电力市场的总体目 标应是引入市场竞争机制， 通过上网电价的竞争使发电商的 投资合理化: 通过建立电力市场运营规则， 创造公开、 公平、 公正的电力市场环境， 实现电力市场交易双方自由选择，促进电力资源的优化配置，为用户提供稳定、 可 靠、 优质的电力服务，促进我国电力工业可持续发展的电力市场化建设。但是，实 施电力改革、建立竞争性电力市场是一个复杂的过程，因为不同的市场主体追求各 自 不同的利益目 标，这些目 标之间往往相互矛盾。这些目 标包括: ( 1)用户希望获得低电价、高服务质量和安全稳定的电力供应: 7 华北电力大学硕士学位论文 ( 2)发电公司希望能与购电方直接进行电力的自由交易; ( 3) 电网公司希望实现电网经济运行，安全、稳定、经济的输配电能; ( 4)政府希望实施全国性的能源政策和与国家经济发展相适应的电力工业可持 续发展方针; ( 5)环境保护组织希望减少污染; ( 6)燃料供应商希望维护其市场份额和投资。 电力市场的建立必须通过电力经营管理体制的改革，使上述具体目 标相互平 衡， 根据经济发展的不同阶段和电力发展的不同水平， 确立改革的主要目 标和次要 目标，先期目标和后期目标。 电力市场的基本特征为:开放性、竞争性、 计划性和协调性。与传统的垄断的 电力系统相比，电力市场具有开放性和竞争性。与普通的商品市场相比，电力市场 具有计划性和协调性。电力系统是相互紧密联系的， 任何一位成员的操作，均将对 电力系统产生影响， 所以要求电力市场中的电力生产、使用、交换具有计划性。同 时由 于电力系统要求随时做到供需平衡， 所以要求电力市场中的供应者之间、 供应 者与用户之间相互协调。 2 . 13 电力市场的构成要素 为保证电力市场的正常运行，电力市场需具备六大要素: 即市场主体、市场客 体、市场载体、市场价格、市场规则和市场监督t22。 电力市场中的市场主体是进入各级电力市场进行购电和售电的发电公司、 输电 公司、 配电公司等电力企业，电力用户以及经纪人。电力市场的客体是电力，可以 分解为电力容量和电量两类。电力市场载体是电力交易活动的物质基础， 包括各种 电力设备和场所设施等。电价是电力市场的杠杆，是电力市场的核心内容。电力市 场要采用经济、法律手段管理市场成员，电价则是体现管理思想的工具。所以，确 定电价原则、计算贸易电价是电力市场的重要内容。 市场运行规则包括:市场进入规则、市场竞争规则和市场交易规则。为了保证 电力市场的有序运营， 必须指定严密的电力市场运行规则。 其核心是引入竞争机制， 保证电力市场开展公平和有序的竞争.各级电力市场都必须设有专门的监管机构， 其主要职能是监管电力市场的交易行为和竞争行为，处理不公平的竞争和违反法 律、法规的行为，并对电力市场运行中发生的纠纷、争议和投诉进行调解和仲裁。 2 . 1 . 4电力市场的贸易形式 电力市场的贸易25 形式为转运。 提供转运业务是电 力市场中电网的一项基本功 能。开展转运业务是引入竞争、体现公平原则的手段，同时转运也是开放的电力市 场的标志。 吕 华北电力大学硕士学位论文 电力工业传统的管理模式是电力公司采用自己的输电网络， 将自己所发的电能 提供给自己的用户。而电力市场建立以后， 公平竞争即成为电力市场最重要和最基 本的原则。发电厂和用户自由选择贸易对象是公平竞争的基本内容，而开放输电通 道、提供转运业务是实现自由选择的必要条件。 转运即提供输电设备，为其它的电力供、需方输送电能。如图2 一 1 所示，发电 企业a 可以与本地区的用电企业b 签订售电合同，在此情况下本地区输电网公司k 所承担的按要求输送电力的业务即为转运业务; 如果发电企业与其它地区用电单位 签订售电合同， 本地区电网及所有的输电通道中的相关电网共同承担转运业务。 并 且， 发电企业a 与用电企业b 在经济上可以是也可以不是同一实体， 但输电网公司 k 必须与a 、b 在经济上独立。 供方需方 图2 一 1 电力的转运 开放输电通道、 提供转运业务将给电力市场带来巨大的效益， 是电网发展的必 要条件。输、配电网络的转运成为当今世界电力工业改革的热点，许多国家都已将 开放输电通道、提供转运业务明确列入有关法津。 2 . 2 电力市场与电网优化的关系 电力市场的兴起为输电网规划带来了许多新特点。 建立电力市场的主要措施是 通过在电力工业中引入竞争来打破电 力系统的垄断， 优化资源组合， 提高电力系统 的运行效率，使电力工业充满活力。 竞争的引入使电力系统的规划、 运行面临前所 未有的挑战. 输电网规划不仅需要计及电源规划所带来的更多不确定性， 还须要在 决策过程中充分考虑发电厂商、 输电网公司和用户的利益需求，以及市场监管集团 的管理职能等。 输电网规划成为涉及金融、 投资、电力工程技术等多个领域的交叉 课题，变得更加复杂。 市场经济是以市场调配资源， 最大限度的利用资源， 从而获得最大的经济效益。 在当今电力市场逐步形成和发展的形势下，电网规划不应脱离电力市场这个大环 境。长期以来，电力系统规划主要是确定最佳发电资源规划，电源项目一直是电力 华北电力大学硕士学位论文 规划的重要组成部分，电网规划围绕电源规划展开，主要是满足电厂的电力送出， 电网规划实际上就是作为电源规划的送出部分。 电力体制改革后， 发电厂和输电网分开，电网的扩展不再按照电源的发展进行 规划，不再以能够把发电厂发出的电力送出去为目的。电网发展要以“ 市场需求为 导向，以经济效益为中心” ，电源通过电网与市场需求相连，电网更直接反映市场 需求，电力市场需求增长及分布决定了电网的发展和布局。因此，电网规划要以电 力市场为依据，按照市场的需求来规划，哪里有市场，哪里就有安全可靠的电网。 在电力市场环境下， 追求最大利益是企业发展的宗旨， 如何以最小的投入获得最大 的利益是电网优化工作所应该考虑的主要问题。因此，在电力市场环境下，电网规 划的目的就是合理调配电力资源，以最小的成本获得最大的企业效益和社会效益， 达到成本与效益的最佳比例。 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 规划工作的重点主要集中在以下几个方面: ( 1)提供足够的输变电容量，确保竞争市场中电力交易的顺利进行: ( 2 ) 公平地为发电厂商提供电力传输服务， 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、 趋向和兴趣的基础上， 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. 23 市场化给电网规划工作带来的新挑战 2 ， 3 ， 1 电网规划工作职能的转化 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 华北电力大学硕士学位论文 的发电厂商可能希望扩展电网以解除制约， 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。 关于规划项目 的经济评价， 它强调公司的 投入产出比即所谓效益原则，是厂网分开后电网规划的核心内容。 结合国外的经验川， 我国的电网规划工作主要应该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竟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 送服务职能而存在的。由图2 一 2 可见电网具体职能的转变。 * 单一职能: 输电 * 提供输电准入服务，对申请并网的电源和用 户进行审核，不能有任何歧视的行为，要遵 守公平、公开、公正的原则 * 进行电网的建设，尤其是高压主干线路和一 些专用线路，使电网的建设更好地适应经济 发展和社会生产生活的需要 * 在相关行业管理部门的监管下，制定输电服 务价格，本着分摊合理、公开透明的原则， 为输电交易提供服务，确保电网投入资金快 速、稳定的回收 * 有利于与电源规划的配合，更好的实现电网 规划工作， 加强与发电企业的信息交流 *为发电单位和用电客户提供有偿的相关辅助 服务 图2 一 2电网职能的转化 华北电力大学硕士学位论文 2 . 3 . 2市场化带来更多的不确定性因素 1 .电源建设存在较大的不确定性 传统的电源规划是由一体化的电力企业所完成的， 可以很好地与电网规划统一 起来。这是电力规划工作的核心， 而电网规划是以电源规划为基础进行的。在市场 环境下随着电厂和电网的分开， 各自的规划都是相对独立的。 未来的电源规划工作 是发电公司来决策， 必然以电厂投资者的利润最大化为前提，发电企业要尽可能降 低发电成本，厂址及容量的选择将从电厂造价、运行费用等方面进行考虑。而且， 由于各生产单位利润的变化还可能出现原有电厂停运等情况。 这些情况对电网规划 来说都是不确定性因素， 但电网的运行又要适应电源的配置和负荷的变化， 这会给 电网规划带来很大的困难和影响。 2 .用电侧不确定性 在电力市场化后期，电力的交易中的现货交易将比现阶段有大幅度的增加。 现 货市场通常采用实时电价， 实时电价的浮动性将影响购电用户的需求弹性川 ，而用 电侧负荷量的改变又将对整个负荷侧的电能质量产生影响。 实时电价对大型用电单 位峰谷时段也产生影响。这些不确定性因素都对电网优化规划提出了更高的要求。 3 .系统潮流的不确定性 在竞争的电力市场中，电网调度的原则是根据电厂报价的高低来确定成交量、 成交价格和优先调度次序。由于市场中各电厂生产的目标是其利润的最大化，从各 自 利益出发他们会不断调整自己的竟价策略， 导致市场平衡点不断变化。 如果随着 市场逐渐对需求侧的开放，用户可以自由选择供电商购买电力， 则用户和电厂之间 的供求关系将频繁变化， 并可能产生大规模的远距离输电交易。 这也要求电网有足 够的区域间输电容量。所有这些都导致潮流的不确定性。 4 .电力交易的不确定性 电力市场的电力交易具体内容包括: 市场成员、 市场运行管理部门的义务和责 任; 电力市场的交易类型; 数据申 报; 发电计划的编制; 上网电价的计算; 辅助服 务市场信息发布的内容及管理: 市场干预及中止的条件和步骤等。 各部分的变动都 对交易产生影响。 电力交易是一个复杂多变的综合性问题， 电力交易的不确定性将 导致新的潮流模式， 使得原有的网架不一定适应新出现的潮流模式， 往往可能造成 新的传输瓶颈。 2 . 3 . 3 电网优划工作的新思路 1 .遵循 “ 经济性原则”和 “ 安全原则” 在电力市场环境下，电网规划首先要以电网的安全可靠性为基础， 充分考虑电 网的成本和市场效益。 在传统的电网规划中，电网的经济分析往往得不到重视。 在 华北电力大学硕士学位论文 电力市场中，电网公司也是企业，也需要在市场中取得一定的投资回报以保证企业 生存发展，同时市场的参与者、监管者也都要求输电服务费用最低，因此，寻求经 济性最高的电网方案非常重要。 一个经济性高的电网规划方案还必须能满足未来市 场对电网容量的需求，保证电网安全可靠，减少 “ 输电阻塞” ，保证电力交易能够 顺利进行。 2 .坚持以市场为导向，以经济效益为中心的原则 坚持市场引导电网就是突出电力市场在电力工业发展中的地位和作用， 强调电 网发展要以“ 市场需求为导向，以经济效益为中心” 。电网规划要以电力市场为依 据，哪里有市场，哪里就有安全可靠的电网。 电网结构以及电网可靠性水平是与国家综合经济实力、 国民经济和社会发展所 处的阶段和发展水平紧密相关的，超越社会发展阶段和经济承受能力，过分地盲目 强调电网的可靠性水平， 违背了电网建设实现资源优化配置的目的， 又由于其不经 济性和不能给公司带来效益，进而阻碍电网的发展。所以，要克服不顾及投资效益 和忽略社会承受能力的盲目建设电网的倾向。 2 . 4 小结 本章从电力市场化改革为出发点， 引出了电力市场的基本概念， 介绍了其特点、 主体、客体的主要组成部分，以及 “ 电力”作为一种商品，在电力市场环境下的交 易形式。进而详细分析了电力市场与电网规划的关系，总结了电网规划工作中的新 要求和特点。然后阐述了电力市场给电网规划工作带来的影响，从各种不确定因素 进行分析， 介绍了各种不确定因素的内容及产生的原因， 最后提出了电网规划在电 力市场下应该坚持的原则及未来的发展方向。 华北电力大学硕士学位论文 第三章电网优化中的规划模型研究 电网优化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。其复杂性突出地表现在其具有大规模、不确定性和影响因素多以及涉及 多部门和多专业领域的特点。从数学上讲，电网优化工作是一个十分复杂的动态多 目 标不确定性非线性整数规划问题。其特点是把确定的未来环境作为研究基础，从 而建立数学模型，求得最佳规划方案。 3 . 1 电网规划模型介绍 3 . 11 静态规划模型 电网规划研究研究领域的学者们在建立数学规划模型方面做了大量工作。在静 态规划工作中，根据网架及设备的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t2川。 1 .经济性模型 ( 1) 无明确目标函数的规划模型 在最初的传统启发式方法 ( 如逐步加线法、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 束的判定准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 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”【习 。 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xt 。 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，又可分为 直流( n c ) 模型、 运输( t r ans p o rt at i o n ) 模型、 混合( h y b r i d ) 模型和分离( d i sj unc ti v e ) 模型阔 。四种模型的具体区别主要在于对kvl 方程的处理上，见表3 一 1 。 华北电力大学硕士学位论文 表3 一 1四种模型的对比 k c l 方程 i k v l 方程特点说明 直流潮流 模型 ( d c模型) 完全满足 1 完全满足 属 于混 合整 数 非 线 性 规 划模型; 求解 有难度 应用最广泛 运输模型! 完全满足 1 完全忽略 比d c模型容 易求解 所得最优规划方案无法满 足直流潮流方程，须在过 负荷支路处追加一些线 路，导致投资的增加 棍合模型1 完全满足 已有线路 满足;新 建线路忽 略 较易求解 可能产生追加线路的额外 投资 分离模型1 完全满足 满足改进 后的方程 避 免 了直 流 潮流模型中 出现非线性 方程; 求解相 对容易 将原有的 k vl 平衡( 即方 程右端等于零) 约束改为 两个分离的上下限约束: 具有较好的应用前景 2 .可靠性模型 “ 需求侧管理”的兴起使人们的可靠性观念发生了变化。用户在购买电力的同 时也购买了电力的一个重要品质一定的供电可靠性 2 卜 川 。由于供电可靠性问 题 给用户造成的经济损失必将成为今后制定电价时要考虑的重要因素.因此，电网供 电总成本不应仅包括电网扩展建设的投资成本、运行成本，还应包括由于电网电力 供给不足或中断造成的用户缺电损失，即需求侧的缺电成本。 可靠性模型的目 标函数取可靠性成本和可靠性效益的现值之和。约束包括潮流 等式约束、支路容量限制、网架限制等。可靠性成本即电网的投资成本，有时也包 括电网运行成本。可靠性效益是电网达到一定供电可靠性水平使用户获得的收益。 某一供电可靠性水平下的社会、经济效益较难估算，可靠性效益可以用缺电成本， 即由电力供给不足或中断引起用户缺电、停电造成的经济损失来表示。随着我国电 力市场的发展，从供需两个角度考虑的可靠性模型有着良 好的研究价值和应用前景 ， 2 一 3 3 31 . 2 动态规划模型 动态规划模型中，决策变量在各阶段的取值相互制约，当线路在某一阶段被选 中后，就不能在其它阶段再被选中。对于目 标函数，长期规划还必须考虑资金的时 华北电力大学硕士学位论文 间 价 值 。 相 对 于 静 态 规 划 ， 动 态 规 划 模 型 的 约 束 中 需 增 力 。 一 项 约 束 : 觉 彩 ” 1 (np 为 规 划 总 阶 段 数 ) . 如 何 很 好 地 在 求 解 过 程 中 满 足 这 一 约 束 条 件 ， 是 苗 卷 规 划 模 型 求解的难点，也是其计算量大大增加的地方。动态规划方案的优劣。直接影响系统 未来的再发展，而目前关于动态规划的研究工作尚不充分，仍有大量工作有待去完 成。 3 . 1 . 3 灵活规划模型 伴随社会、经济、科学技术的迅猛发展，以及日 益加重的环境压力和各种新机 制的引入，电网规划正面临着越来越多不确定性因素的影响，未来环境也变得越来 越难以 预测la 。 近年来， 为弥补传统规划方法的 不足， 充分考虑不确定性因素的 影 响， 提高规 划方案的适应性，灵活电网规划方法351 的 研究日 益受到国内 外的广泛关 注，成为近年电网规划研究的热点。在前述各种静态和动态规划模型基础上，再考 虑各种不确定性信息并做相应的处理，产生了各种不同的灵活规划方法。同时近年 来为了克服单一方法的不足而将多种方法进行组合【” 一 371 ，优势互补，也成为一种重 要的研究方法，并取得了比较理想的效果。按照规划结果对约束条件满足情况的不 同，电网灵活规划模型可分为两类:严格约束模型和柔性约束模型。 1 .严格约束模型 ( 1) 随机规划方法 随机规划方法是将以往的经验和规律采用统计参数来表示。随后在随机环境中 对未来环境和参数采用概率方法进行处理;通过随机潮流方法得到潮流指标，为随 机规划提供数据。文献 3 8 采用统计参数描述和处理电网规划中己有的经验和规 律， 用概率方法处理未来随机环境中的各种参数，并通过随机潮流方法得到潮流指 标，为随机规划提供数据.随机规划模型需要的原始数据量大，而且电力系统中很 多不确定性因素并不具有随机的性质，故有一定的应用局限性。文献 3 9 基于分解 和随机最优化技术、决策分析和多目 标权衡分析等方法，分析规划方法中处理不确 定性的确定性场景法和常规随机最优化等方法，对其特点和优缺点进行了讨论，并 在常规随机方法的基础上提出了扩展随机方法。同时讨论了电力系统规划扩展策 略。根据可能的损耗或遗憾值将扩展随机方法转化为求解最小遗憾值的多目 标随机 规划，从而可以求得最终的最优随机规划方案。 (2 )模糊规划方法 模糊规划方法在进行规划计算之前必须对各种数据、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。文献【 4 。 中指出 了模糊集理论处理规划和运行中各种不确定性因素的优越性和不足，认为模糊集理 论非常适合于电力系统灵活规划。文献【 41 中采用梯形模糊数为负荷、发电机等不 华北电力大学硕士学位论文 确定性因素建模，然后采用模糊直流最优潮流模型求得模糊最优潮流解。文中基于 风险分析概念定义了暴露性( exposure)和强壮性(r obu st ness ) 指标。从而提出了强化 网架的策略，同时对模糊和随机概率方法进行了比较，强调其适用的不确定性因素 和场合。 ( 3) 灰色规划方法 灰色系统理论的核心是灰色动态建模，其思想是直接将时间序列转化为微分方 程， 从而建立系统发展变化的动态模型。 文献 4 2中提出了一种灰色多级决策方法， 采用灰色负荷信息条件，通过情景分析和层次抽样将灰色信息白化处理，从而转化 为 确 定 性 规 划 序 列， 并 通过 对多 级 决 策 规 划结 果 的 g 五 了 ( 1，1 ) 建 模分 析， 得到电 网 投 资风险较小的网络扩展决策方案。文中将线性潮流估计技术和灰色系统建模分析方 法相结合，建立了评价网络方案优劣的新指标。目 前灰色方法在电网灵活规划中己 经得到了初步应用，但由于灰色方法对灰色信息的处理不够填密，且缺乏严格的数 学理论支持.还有待进一步改进和完善。 (4 )盲数规划模型 盲数理论咐 一 441 是近年来新出 现的研究不确定性信息的数学理论，可以处理同时 具有随机性、灰性、未确知性和模糊性等两种及以上不确定性的信息。通过盲数b m 模型对不确定性信息进行建模，计算盲数潮流，求得在不同的线路盲数潮流过负荷 概率值下的规划方案，然后通过成本效益分析，求得综合最优规划方案。盲数理论 能很好地处理具有多种性质的不确定性信息，值得继续深入研究。 (5 )场景规划模型 对无法用数学方法给出准确数学模型的不确定性信息，一般采用预估计的方法 进行处理，比较有效的方法是建立多场景规划模型。首先对未来环境中的各种不确 定性因素进行分析，得到它们一系列的可能取值。再通过组合的方法将各种不确定 性信息可能的取值分别组合为一个个未来可能的环境( 场景) 。通过计算，寻找出一 个具有最好适应性和灵活性的规划方案( 即能够适应大多数场景的规划方案) ，则此 规划方案即为综合最优方案。 多场景规划模型的实质是通过将难以用数学模型表示的不确定性因素转变为 较易求解的多个确定性场景问题来处理，避免建立十分复杂的电网规划模型，大大 降低了建模和求解的难度。其难点在于如何合理地分析、预测出各种场景，以及如 何判断规划方案的综合最优性。目 前， 有学者通过等微增率准则，s 和考虑线路被选 概率川 建立并求解了多场景规划模型，取得了 不错的效果。 2 .柔性约束模型 在前一类电网灵活规划模型中，约束条件是不可逾越的，规划方法是被动地适 应约束条件。在规划过程中。往往会为了降低某一条线路较小的过负荷率.使整个 规划的投资费用大大提高。由于规划数据都是对未来情况的预测，以高昂的代价来 l 7 华北电