（电力系统及其自动化专业论文）电力市场条件下可用传输能力的研究.pdf

：皇耋里丝垒丝三里堡篁丝堡尘竺塑塞 a b s t r a c t u n d e rt h ec o n d i t i o no fp o w e rm a r k e te n v i r o n m e n t ，t h er e f o r mi nt r a n s m i s s i o n a r e a r e q u i r e s t h e r i g h t o fat r a n s m i s s i o n p r o v i d e r t o s u p p l y a l lt h et r a n s m i s s i o n c u s t o m e r se q u a l l y ，s oa st ot a k ef u l l a d v a n t a g e so ft r a n s m i s s i o ns o u r c e so fp o w e r s y s t e m t h u s ，i ti sn e c e s s a r yt oc a l c u l a t ea t c ( 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 ) f a s ta n d c o r r e c t l y f i r s t l y t h ef u l l p r e s e n t a t i o no fh i s t o r i ca n dr e c e n tr e s e a r c ha c h i e v e m e n to f a t ci sg i v e n d e f i n i t i o na b o u tc a l c u l a t i o no fa t ci si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gd e f i n i t i o no f t o t a lt r a n s f e rc a p a b i l i t y 、t r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ym a r g i n 、c a p a c i t yb e n e f i tm a r g i n e t c t h e n ，s e v e r a lt y p i c a la t c c a l c u l a t i n gm e t h o d so nt h eb a s i so f d e t e r m i n a b l em o d e l a r ec o m p a r e d c o n v e n t i o n a ls e c u r i t yc o n s t r a i n e d o p t i m a lp o w e rf l o w m e t h o d sm a x i m i z et h e t r a n s f e rc a p a b i l i t yb e t w e e nt w oc o n t r o la r e a sa s s u m i n ga l lo p f = o p t i m i z e dp a r a m e t e r s c a nb ec e n t r a l l yd i s p a t c h e d ，i nt h ed e c e n t r a l i z e de n v i r o n m e n t ，u s u a l l yt h i sa s s u m p t i o n c a n n o tb es a t i s f i e d ，s o t h e y a r en o ts u i t a b l ef o r t t c ( t o t a l t r a n s f e r c a p a b i l i t y ) c a l c u l a t i o n t oo v e r c o m et h ed e f i c i e n c yo ft h ec o n v e n t i o n a ls c o p f ，at r a n s f e r b a s e d s c o p fm o d e li sp r e s e n t e di nt h ep a p e r ，c o n s i d e r i n gv o l t a g el i m i t s 、t h e r m a ll i m i t sa n d s t a b i l i t yl i m i t s s e q u e n t i a l c o n s t r a i n e dv a r i a b l em e t r i cp r o g r a m m i n gi su s e di nt h e o p t i m a lp o w e rf l o w ( o p f ) t oc a l c u l a t et t c i ta s s u m e st h a to n l ya l lo p f o p t i m i z e d p a r a m e t e r si n v o l v i n gt h es e l e c t e ds o u r c ea n ds i n k a r e ac a nb ed i s p a t c h e d ，w h i c hc a l lb e s a t i s f i e di nd e c e n t r a l i z e ds t r u c t u r e ，i tc a na l s oa d j u s tt h er e a l p o w e ro u t p u t a tt h e s o u r c ea r e a ，t h er e a la n da c t i v el o a da tt h es i n ka r e ai na n y w a y ，w h i l er p f a n dc p f a d j u s t st h o s ei naf i x e di n c r e m e n t a ls t e p t s c o p f i sag o o dm e t h o dt ou s ei nt h ef u t u r e a p p l i c a t i o n l a s t l y ，ap r o g r a mf o rs i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o ni sd e v e l o p e du s i n gt o o l b o xo f m a t l a ba n da ne x a m p l eo fc a l c u l a t i o ni sg i v e n k e yw o r d s ：o p t i m a lp o w e rf l o w ；s e q u e n t i a lc o n s t r a i n e dv a r i a b l em e t r i cm e t h o d ； t o t a lt r a n s f e rc a p a b i l i t y ；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 ；m a t l a bt o o l b o x 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：诹钮口皿试日期：_ ) 阳午年争月) 7 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。本入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，在年鳃密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：敢阳j 幺粒 导师签名。彰递参 日期：口口中年牛月研日 e l 期：2 嘶年；月，矿日 硕士学位论文 1 1 a t c 的研究现状 第1 章绪论 电力市场就其定义而言，是指采用法律、经济等手段，本着公平竞争，自愿 互利的原则，对电力系统中的发电、输电、供电和用户等各成员组织协调运行的 管理机构和执行机构的总和。它的基本特征是开放性、竞争性、计划性和协调性。 电力市场化已经成为当今世界各国电力工业发展的趋势。 电力工业的市场运营提出了许多新问题，电力网可用传输能力a t c ( a v a i l a b l e t r a n s f e rc a p a b i l i t y ) 的计算和应用就是其中之一。对于一个互联电力系统，区域间 的输电能力对整个系统的安全可靠性有重要影响。输电领域的改革要求输电网的 所有权者必须向电网的所有输电用户平等地全面开放输电网，以便更好地支持输 电服务，充分地利用现有的输电网络资源。有三种因数导致现代电力系统的运行 越来越接近其安全运行极限【l 】： ( 1 ) 出于经济等方面的考虑，实际使用的输电系统往往有别于最初设计时的 标准( 如区域间输电水平的增加) 。 ( 2 ) 由于环保及土地使用等问题，尽量的少建设新的输电线路及设备。 ( 3 ) 由于电力市场竞争，追切需要利用现有的系统输电网络来输送更多的电 力，以便最大限度地降低成本。 这些因数造成了现代电力系统的输电水平日益提高。如何准确地确定电力系 统的区域间功率交换能力及正确地估计偶然因数，使系统在保证安全性以及可靠 的前提下，最大程度地满足各区域的用电负荷要求，成为当今电力行业所面临的 急待解决的问题。 输电系统传输能力的研究早在2 0 世纪7 0 年代就开始了，当时称为区域间功 率交换能力，即t r a n s m i s s i o ni n t e r c h a n g ec a p a b i l i t y ，或者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 。所谓系统中两区域间的功率交换能力【2 l ，是指在满足一定的约 束条件下，通过两区域间所有输电回路，从一个区域向另外一个输电区域可输送 的最大功率。在比较发达的国家，由于新的市场竞争机制在电力行业的引进，在 电力系统规划与运行中，系统区域间的功率交换能力是评估互联系统可靠性的几 个主要性能指标之一，系统规划者可以利用这个指标评估系统互联强度，比较不 同输电系统结构优劣。美国邦能源管理委员会f e r c ( f e d e r ne n e r g yr e g u l a t o r y c o m m i s s i o n ) 先后两次对a t c 问题作了解释和说明【3 】，提出了输电网所有权者计算 输电系统a t c 的要求。北美电力可靠性协会( 简称n e r c ) 于1 9 9 5 年给出了定义1 4 】， 由于电力市场的开放，a t c 不单作为可靠性的指标，同时也是指导电力交易参与 电力市场条件下可用传输能力的研究 者的商业行为的重要市场信号。n e r c 后来根据需要对a t c 的定义作了修改，即 a t c 指在现有的输电合同基础上，实际物理输电网络中剩余的、可用于商业使用 的传输容量，这些定义的给出很好地促进了a t c 的研究。目一前的a t c 研究主要 在两个方面： ( 1 ) 作为系统的一项安全指标研究a t c 的计算，即在考虑系统静态约束或 者动态约束条件下，寻找合适的数学模型和优化方法，快速、精确地估计系统的 a t c 。 ( 2 ) 作为市场信号研究a t c 在实际电力系统的运行中如何合理的运作。当 前的研究成果主要集中在a t c 的计算。 已有的可用传输能力( a t c ) 的计算方法主要以满足热稳定静态线路潮流约束 为主，而没有考虑暂态稳定约束。算法步骤基本是，首先确定研究的输电网的最 大传输能力，再扣除输电网已用的输电容量，然后扣除安全备用容量。a t c 计算 方法按照模型分为两类：其一是基于确定性模型的算法；其二是基于概率性模型 的方法。基于确定性模型提出的计算方法主要有：直接求解法，线性规划法，连 续潮流法，反复潮流法，最优潮流法，分布因子法，遗传算法。基于概率性模型 提出的算法主要有：随机规划法，枚举法，蒙特卡洛模拟法等。 基于概率性模型的计算方法适用于离线的a t c 计算。该方法利用概率理论和 数理统计的方法分析输电系统的可用传输能力。基于电力系统所具有的随机特征， 通过模拟发输电设备的随机开断情况以及负荷变化确定系统可能出现的运行方 式，然后采用适当的优化算法求解这些运行方式下系统的a t c ，最后分析综合各 种运行状态下的a t c 值，从而得到系统a t c 值的期望值。早在7 0 年代，人们就 已经认识到可以利用概率方法分析功率传输能力问题，第一个用于功率传输能力 分析的概率模型基于线性化的潮流方程和假设功率传输能力是遵循正态分布的随 即变量。且只受正态分布的发电裕量的影响瞪】。后来l a u b y 等人采用直流潮流结 合线性规划校正的算法研究输电网络故障率对系统输电能力的影响【6 】i ”。9 0 年代 初期，s a n d f i n 等人提出了一种基于m o n t ec a r l o 模拟方法分析输电能力的概率模 型1 8 ，9 j ，这种方法通过m o n t ec a r l o 模拟方法获取系统状态的样本，然后用线性的 优化潮流确定最大传输功率。近年来，s a k i s 和x i a 提出了基于查点法的输电能力 概率分析方法 1 0 , 1 1 】，该方法将输电能力的计算用一个复杂的优化问题来描述，而 求解这个优化问题采用的是基于概率的方法，该方法把优化问题分解成易于处理 的子问题，即故障选择和故障模拟计算。概率统计的方法也可以和其它数学方法 结合。比如巴西学者m e l l o 等提出将m o n t e c a r l o 模拟法与a c 优化潮流计算相结 合计算大型互联系统区域间传输能力的方法【l2 1 。采用蒙特卡洛方法来处理电网中 数目庞大的不确定性因数，且计算时间不会随着系统规模或者网络的复杂程度增 加而急剧增加。因此，该算法非常适合大系统离线a t c 研究。目前的a t c 计算方 2 硕士学位论文 法很难适应不断变化的网络条件，不利于充分利用输电网络资源。怎样快速精确 地计算输电网络的a t c 是研究的重点。 最早使用确定性模型来计算系统区域间传输能力的是l a n d g r e n 等人，所采用 的方法基于线性规划理论，用功率传输以及线路开断分布因子来求解系统区域问 的最大传输功率 1 3 , 1 4 , 1 5 。后来c a r v e r 等人提出了把输送有功功率表达成系统发电 量和输电网络的线性函数，应用线性规划技术求解【l ，m a n i o 等人对该方法进行 了补充 1 7 】。前面的这些方法都是线性化的直流网络模型，无法考虑系统电压问题 对功率传输的影响。在电压稳定分析中，有很多方法考虑用电压和电压崩溃问题 来限定的系统功率传输极限【l8 。2 引。8 0 年代初，s a u s e r 等人首次在系统输电能力计算 中考虑了暂态稳定性的影响，用直接暂态稳定分析中的势能界面( p e b s ) 确定系统 的暂态能量稳定边界以及它们对负荷水平的灵敏度，然后用能量边界以及灵敏度 来确定受暂态稳定约束的输电能力 2 9 1 , 我国的刘肇旭和童建中应用l y a p u n o v 直接 法构成l y a p u n o v 函数，通过求解系统的近似不稳定平衡点快速计算系统稳定域的 算法，最后推导出暂态稳定约束方程，可直接考虑暂态稳定约束计算系统的输电 能力1 3 0 。 1 2 本文研究课题的目的和意义 电力工业的市场化改革过程中，输电领域的改革要求输电网的拥有者必须向 电网的所有用户平等、全面地开放输电网络的使用，在实现电力市场输电服务的 同时，充分利用现有的网络资源，提高资源的利用率。这就提出了如何准确高效 地计算a t c 的问题。在电力市场环境中，系统运行中的不确定因素很多、且电能 交易又随时间而变化，使系统负荷峰值常常接近电网能够承载的最大输电极限、 线路过负荷、节点电压越限等现象发生的几率增大。电网的可用输电能力a t c 既 是系统的可靠性指标，对指导电网调度员的工作、保证整个系统的安全可靠运行 具有重要的技术价值，同时，它又提供了重要的市场信号，有助于深入了解市场 参与者在电力交易过程中的商业行为对电网输电能力的影响，对促进电力市场化 改革的深入发展、保证系统在市场环境下安全可靠运行具有重要的经济意义。 1 3 本文的主要工作 本文综合分析了目前对于a t c 的计算方法，比较分析现有a t c 算法的优劣， 提出一种快速精确计算a t c 的新数学模型，结合先进的最优化数学方法求解。具 体的工作如下： ( 1 ) 分析国内外现有的基于确定模型的a t c 计算模型和方法，从模型精度 和算法的速度两个方面比较已有方法的优劣； ( 2 ) 研究新的基于确定模型的a t c 计算模型。一方面就已有的模型探讨精 皇垄毫丝耋堡：2 星生塑要垄竺竺圣 度和算法速度之间的取舍关系，合理平衡a t c 计算中系统可靠性和商业目标间的 矛盾，另一方面探讨非线性模型的有效表达方法，以利于问题的求解，最后选取 或建立新的a t c 计算模型。 ( 3 ) 针对已有模型研究相应的有效快速算法，实现a t c 的快速求解。 ( 4 ) 探讨本文方法在线使用的可能性及其改进措施，力争现场应用。 ( 5 ) 基于m a t l a b 编写和调试相应的仿真分析程序，并对典型系统进行计 算和分析。 4 硕士学位论文 第2 章电力市场条件下可用传输能力的概念 2 1 电力市场的规则及其运营模式 电力市场是采用法律、经济手段，本着公平竞争、自愿互利的原则，对电力 系统中发电、输电、供电以及用户等进行组织协调运行的管理机制和执行系统的 综合。为了维持电力市场的经济次序，保证电力市场的参与者之间的平等权利真 正体现公平竞争的原则，必须遵守以下原则【3 1 ”】： 首先，发电厂间平等竞争。在电力市场中，发电计划和上网电价是电力市场 中用户最为关心的问题。所以电力调度部门要依照发电厂的边际成本编制发电计 划。按照统一上网电价结算，鼓励各发电厂降低运行成本，提高效益。 其次，用户间平等竞争。按照用户的实际供电成本收费，对于不同用电种类， 进行合理的成本分摊，尽量的减少用户问的补贴。 再其次，电力市场公开性。为了保证电力市场公平的原则，必须将所有的信 息公开。这样，用户可以依据用户电价制定最优的用电计划和调整用电结构。发 电厂根据上网电价可以随时调整自己的发电保证运行既稳定又有经济效益，更好 地参与市场竞争。 概而谈之，电力市场包括发电市场和电力销售市场。不同的管制体制下电力 市场运营模式可归纳为4 种【3 3 3 4 】。 ( 1 ) 垄断模式。这种模式集发电、输电、配电为一体，将国家的电力供应的全 部或大部分由国家电力部或者国家电力公司垄断经营。为了限制垄断利润，国家 通过法律法规对电价实彳亍管制。 ( 2 ) 竞争模式。这种模式容许在垄断经营的电力企业之外存在独立发电企业 ( 简称i p p ) ，由垄断企业对i p p 生产的电力实行买断，然后独家将电力卖给广大 电力用户。初步将市场的机制引入到发电领域。 ( 3 ) 输电网开放模式。这种模式是将发电、输电以及配电相互分离，各发电厂 为独立的发电企业。只要是发电企业都根据公平竞争的原则竞价上网。在该模式 中，由竞争的发电市场，也有垄断经营的输电市场和竞争的销售市场。 配电网开放市场。这种模式的特点是发电、输电以及配电企业相分离，各自 成为独立的经营实体，实现了生产者的竟价上网和消费者对电力商品有差异的购 买。打破了传统的电力一体化管理模式，形成了电力供应的多家竞争格局。配电 网开放市场为发电企业报价竞争上网，为用户自主选择发电商和配电商创造了条 件，使生产者与消费者之间形成了真正的买卖关系。 电力市场条件下可用传输能力的研究 2 2 输电网络的特性与输电市场的模式 由于输电线路典型的规模经济效应，高电压等级、大容量输电线路是发展的 方向，所以区域间输电线路通常数目有限，这就出现了垄断的经济特性。尽管输 电网络的扩大，区域间的输电路径都有较长的距离，这样导致输电价格很高，所 以通过网络输电路径提供的竞争十分的有限。 必须做到以下几点： ( 1 ) 电力市场要公开，以便监督。 ( 2 ) 扩大自由选择的权利，保证电网的开放。 ( 3 ) 必须建设有关的规章制度，以便规范市场。 2 3 传输能力的概念 2 3 1 传输能力和输电容量的区别 传输能力主要依赖于分析计算时的发电、用户需求以及所假设的输电系统条 件。电力工业通常将容量视为固有的承载极限或者电力设备的额定容量。在传输 中，容量通常是指线路热极限或者某传输元器件的额定容量。单条传输线路作为互 联网络一部分运行，它的输电能力是该线路和网络中其它元件的物理关系函数。某 路径或者界面上的传输能力不是单条线路的承载容量或者额定容量的简单叠加。 这种叠加的容量值和网络传输能力差异很大。通常，网络的实际传输能力比各条 线路的额定容量叠加的结果小得多。简而言之，某传输路径或者界面上所有线路的 容量叠加值不代表两个区域间的传输能力。 2 3 2 传输能力的计算 传输能力的计算一般应用计算机对互联网络的各种假设运行状态仿真。这些 仿真通常“离线”进行，远提前于系统运行状态。每次仿真代表互联网络运行的一 个瞬间情况。因此，仿真被认为是网络特性和可用传输能力的反映。需要考虑的因 数如下： ( 1 ) 已计划客户需求。基准状态需求水平应该适合所研究的系统条件和客户 需求水平，其中包括峰荷、腰荷以及谷荷等负荷水平。 ( 2 ) 发电分配。利用的和没利用的发电机分配要求和被仿真的系统实际情况 相符合。 ( 3 ) 系统框架。基准状态下的互联系统结构应反映被仿真系统的运行状态， 包含可预见发电和线路的越限故障，以及任何可预见的有效操作的激活。 ( 4 ) 已规划的基本传输。要求建立模型的已规划电力传输，应该考虑被分析系 统的额定基准条件并取得所有涉及部门的同意。 ( 5 ) 系统偶然情况。所有发电机和传输系统的偶然情况要符合电力系统电 6 硕士学位论文 力联合会以及各地区的计划标准或准则，以保证所有和输电有关的电力装置的故障 都得到分析。从某种程度上说，偶然情况的估计应考虑偶然情况的多重性比较合适。 互联网络的状态是时时变化的，因此，网路的传输能力也随时间而变化。鉴于此 对于运行中的网络，传输能力要分时段进行计算。此外，依据实际网络状态计算得到 的传输能力往往比离线分析的结果或高或低。仿真预期的时间越长，所假设的状态 的不确定性越大。然而，仿真研究得到的传输能力的结果被认为是网络实际传输能 力的合理反映。 2 3 3 传输能力的制约因数 传输能力的制约因素主要有一下几个方面【4 l ： ( 1 ) 热极限。热极限是传输线路或电力设备在未违背公共的安全要求和未过 热导致永久性破坏之前的某特定时间段内通过的最大电流。 ( 2 ) 电压极限。系统电压和电压变化必须维持在可接受的极大和极小范围内。 比如说，电压极小值可以确立不破坏系统安全和客户电力设备前提下的最大输电 量。大范围的系统电压崩溃可导致部分甚至整个互联电网的停电。 ( 3 ) 稳定极限。输电网络在受干扰后经过暂态和动态周期后，可以继续的保持 稳定。所有和互联电网相连的发电机运行必须与整个系统保持同种频率。系统受 干扰后。发电机随后各自发生振荡，导致系统频率、线路负荷以及系统电压波动。对 于一个稳定系统而言，随着电力系统进入新的稳定运行点振荡逐渐被吸收。如果系 统不能很快的达到新的稳定运行点，发电机有可能相互失步，并导致更大范围的电 力网运行失稳。发电机失稳可破坏设备并导致电力供应失去控制而断电。 2 4 可用传输能力的概念 2 4 1 可用传输能力的定义 为了促进电力改革的深入发展，同时保证系统在市场环境中的安全可靠性运行 美国联邦能源管理委员会( f e r c ) 在其1 9 9 6 年的8 8 8 8 8 9 号令中，提出了“输电网的 所有权者计算输电系统a t c 的要求，【孙。其后，北美电力系统可靠性委员会( n e r c ) 给出了a t c 的定义，即a t c 是指在现有的输电合同基础上，实际物理输电网络中剩 余的和可用于商业使用的传输能力【4 】。此定义说明，电力市场环境中，电网输电能 力的问题不再是原来意义上简单的区域功率交换能力，而是基于已有的输电合同 基础上，保证系统安全可靠性运行的条件下，区域间或者母线与母线间可能增加 输送的最大功率。它是实际输电网络保整输电能力的尺度。其定义可以用如下的 方程式表达： a t c = t t c t r m c b m e t c( 2 1 ) 其中：t t c ( t o t a lt r a n s f e rc a p a b i l i t y ) 表示最大输电能力，表示在满足 电力市场条件下可用传输能力的研究 系统各种安全可靠性要求下，互联系统联络线上的总的输电能力：t r m ( t a n s f e r r e l i a b i l i t ym a r g i n ) 表示输电可靠性裕度，反应不确定性因素对互联系统问输 电能力的影响；c b m ( c a p a c i t yb e n e f i tm a r g i n ) 表示容量效益裕度：e t c ( e x i s t i n g t r a n s f e rc a p a b i l i t y ) 表示现有输电协议( 包括零售用户服务) 占有的输电能力。 依据e t c 合同的稳定程度，可以使用“可撤销”和“不可撤销”传输来进一步描述 输电合同。 2 4 2 容量效益裕度 容量效益裕度是指：供电服务部门为了保证通过互联网络获得发电，以满足发 电可靠性要求而预留的输电容量。c b m 比t r m 应用更加广泛，更代表输电网裕度。 因此，供电部门的制度中一直都规定要预留输电容量以满足发电的可靠性，a t c 的 计算必须考虑到c b m 。可以预见，各供电部门以及各地区规划局会继续关注c b m 。 目前的a t c 研究中，考虑c b m 时应该包含如下3 个系统备用容量： ( 1 ) 输电备用。即预想故障发生之后，为了保证这段时间内系统的安全可靠运 行，电网应当预留的紧急备用量。 ( 2 ) 电网为辅助服务预留的辅助备用容量。 ( 3 ) 电网为改变发电计划和发电机组故障预留的机组备用容量。 2 4 3 输电可靠性裕度 为了保证互联网络在一系列不确定性因数影响下安全运行而预留的输电容 量。输电服务要在潜在的各种系统状态下稳定使所有输电系统的使用者受益。t r m 反映了系统条件的不确定性，以及不确定性对t t c 和a t c 计算的影响，同时随着系 统状态变化，要求运行具有灵活性以保证系统安全运行。 2 4 4 可撤销输电服务与不可撤销输电服务之间的关系及优先权 首先要区分已计划的和预留的输电服务。预留的输电服务包括输电网输电能 力的一部分，但是区域间实际电力传输不包括在内。已计划的输电服务表明电力传 输在输电网络发生的同时有部分的预留输电服务。如下历述，两个术语可应用于撤 销或不可撤销输电服务： ( 1 ) 不可撤销预留( n r e s ) ( 2 ) 不可撤销已计划( n s c h ) ( 3 ) 可撤销预留( r r e s ) ( 4 ) 可撤销已计划( r s c h ) n s c h 和r s c h 之和不能够超过t t 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t t 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： n a t c = t t c t r m n r e s( 22 ) r a t c = t t c a ( t r m ) 一r r e s n r e s r a t c = t t c b ( t r m ) r s c h n s c h 其中：式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 包含的a 和b 为区间 0 ，1 内任意值 输网络拥有权者对网络可靠性的关心程度。应满足的条件为： n s c h n r e s t t c t r m n s c h + r s c h t t c 9 ( 2 3 ) ( 2 3 ) 取决于各传 ( 2 。5 ) ( 2 6 ) 电力市场条件下可用传输能力的研究 第3 章t t c 、t r m 以及c b m 和e t c 的计算 3 1 最大传输能力的计算 3 1 1 t t c 的计算要求 n e r c 在传输能力参考资料中对于t t c 的定义一直沿用至今，并没有因开放输 电网和计算a t c 的需要而有所改变，定义可以简述如下【4 】： ( 1 ) 系统状态。确立和模拟分析时间段内的基准状态，包括已计划的客户要求、 发电分配以及系统结构和基本传输。如果系统状态变化。t t c 的计算要随着重新 调整。 ( 2 ) 重大故障。在传输能力研究中，必须对整个网络众多发电机和传输线路故 障进行评估，以便找到对输电能力影响最大的故障。这种故障评估必须符合各系统、 电力联合会以及各地区的规划标准或准则。由于系统的运行状态不同，最重大的故 障和最具有限制作用的设备元件也会随之变化。所以故障评估要包含系统的各种 运行状态。 ( 3 ) 系统极限。如前面所述，输电网络的传输能力要受系统物理和电力特性的 限制，包括热限制、电压限制和稳定性限制。因此，t t c 变为： t t c = m i n i m u m o f t h e r m a ll i m i t ，v o l t a g el i m i t ，s t a b i l i t yl i m i t l 由于系统运行状态的变化，对于t t c 限制作用也会不同，如下图3 1 所示： 图3 1 约束对最大可用传输能力的限制作用 ( 4 ) 并行路径潮流。电能只要在线路中传输，就会产生并行现象。这种复合电 力传输现象可能影响整个网络的运行，特别当系统接近交易极限的时候。传输能力 的计算必须考虑到整个互联网络的运行极限。有些时候，并行线路除了影响交易系 统外，还限制其它系统的输电。 ( 5 ) 同时传输和非同时传输。计算传输能力时，只对两个区域间独立的并且非 同时的传输进行仿真得到的结果称为非同时传输能力。反之如果仿真计算考虑到 同时传输或者非独立的传输得到结果则成为同时传输能力。同时传输和非同时传 1 0 硕士学位论文 输能力之间并不相关，各非同时传输能力的叠加值一般大于同时传输能力。 3 1 2i t 0 的计算方法总结 目前，用于计算区域间最大传输能力的数学方法很多，大致的可以分以下几种： ( 1 ) 线性规划法1 3 , 1 4 , 1 5 。所采用的方法基于线性规划理论，用功率传输以及 线路开端分布因子来求解系统区域间地最大传输功率，该方法只考虑了传输线路 的热极限。 ( 2 ) 连续潮流方法( c p f ) 。该方法可以跟踪潮流解的轨迹，从一个基准的潮流 出发，直到电压静态稳定极限，即系统的临界点最大潮流点。 最早是美国的c h i a n g 应用连续型潮流法分析在负荷以及发电机有功功率变化 的情况下大型电力系统的静态特性，并考虑3 种静态约束计算系统区域间的功率 交换能力3 引。由于考虑了系统非线性和电压无功特性，相对于直流潮流而言，基 于c p f 的方法又前进了一步。然而，由于c p f 在负荷和发电量增加时，采用一个 公共的因子，而没考虑最优的发电和负荷，在计算一个特定的电力传输极限时， 会导致较为保守的t t c ，并且在c p f 中常常不考虑无功优化和电压控制，这会进 一步导致t t c 计算的保守性。有学者研究了不同发电机有功输出分片模式对系统 区域闯功率交换能力的影响 3 ”，并建立了发电机无功功率极限、u l t c 和s v c 对 系统区域间功率交换能力影响进行了分析，从而为探索提高系统区域间功率交换 能力的措施提供了可靠的依据。以连续性潮流计算为基础，对大型互联电力系统 区域间传输能力分析取得了相当的成果1 3 7 , 3 8 1 。 ( 3 ) 反复潮流方法( r p f ) 。该方法的数学模型类似于c p f 方法，区别在于r p f 方法反复的求解一系列节点特定方向上的常规潮流方程，执行计算更加的的简单， 因此收敛速度快l 。相对于o p f 方法而言，r p f 方法提供了p v 和v - q 曲线，以 便电压稳定性分析。 ( 4 ) 分布因子法。该方法基于直流潮流中的电力传输分布因子来确定区域间 的极限传输能力。由于分布因子容易计算，并能够快速得到t t c 的近似值。该方法 可以很好地满足实时计算的要求。但是由于分布因子基于直流潮流。从而忽略了 电压和无功功率的影响以及系统的非线性。该方法计算结果偏差比较大，特别不适 合缺乏无功功率支持和有效电压控制的重负荷系统。当然分布因子法可以用于电 压问题不严重的系统。 ( 5 ) 考虑安全约束的最优潮流方法( s c o p f ) 。可以应用合适的最优化数学方 法，比如：内点法、神经网络法 4 0 1 、信赖域法以及连续二次规划法等。 ( 6 ) 基于传输的考虑安全约束的最优潮流方法( t s c o p f ) 。这种方法可以应用 于非调控环境。其应用的数学方法与s c o p f 的相同。 电力市场条件下町用传输能力的研究 3 2 输电可靠性裕度的计算 输电可靠性裕度( t r m ) 一般考虑了系统的状态和网络固有模型的不确定性。 现有的研究认为这些不确定性因素包括网络设备的随机故障并联线路上由于同 步传输所产生的约束平衡系统的发电量和负荷量所引起负荷变化负荷分布和负 荷预测的随机波动区域间功率环流的影响。已经安排的系统故障检修和其它已知 的网路状态不考虑。t r m 的计算方法主要有： ( 1 ) 取某一确定数量的输电容量作为t r m 【4 ，通常以t t c 中的某一个百分 比( 比如4 ) 作为t r m 。 ( 2 ) 基于系统的基准运行状态反复地计算各种预想故障情况下电网的输电能 力，以最严重预想故障条件下的电网的输电能力与t t c 的差作为系统的t r m 42 1 。 ( 3 ) 以适当减小每个设备的额定值来考虑不确定性因数及误差网络输电能力 的影响。 ( 4 ) 用灵敏度分析法计算t r m ，如一阶导数法f 4 3 1 。 ( 5 ) 基于概率模型计算a t c ，以考虑不确定性因数以及误差对网络输电能力 的影响4 4 。4 8 1 。 对不确定因数和误差的处理方法直接影响a t c 的计算精度和计算时间。一般 方法( 1 ) 和( 2 ) 对不确定性因数的影响力估计过大：方法( 3 ) 对于不确定性因数 的处理只是适合在线的a t c 计算；对于离线的a t c 计算则采用概率的方法处理不 确定性因数。在这些方法中，基于概率模型的计算方法不准确，但是可以提供更多的 信息，比如a t c 的预测值和值的变化。 3 3 容量效益裕度的计算 计算容量效益裕度( c b m ) 的方法有两种“”：( 1 ) 先求所研究区域间的t t c ， 然后直接减去e b m 得到a t c 。( 2 ) 将c b m 视为输电网中的固定传输量。计算单个 区域发电机可靠性的方法可以用于计算每个区域需要外部提供的发电量，通常的 目的是使得每个区域的发电机可靠性在容许的范围内，这个标准才是缺电时间期 望( l o l e ) ”低于额定值。 l o l e = 只( c 。一) ( 3 1 ) i = l 其中：c 表示第i 天的可用容量。厶表示第i 天的预测峰荷，只( c 。一) 表示 第i 天的缺电概率，它可以直接由容量停运累积概率表得到。d 丛是以每年天数 为单位，其值表示所研究期间内缺电以时间单位计算的数学期望，表示该期间的 缺电平均天数。这个指标没有频率也没有持续时间的涵义。目前对于日负荷模型 比较认可的缺电参考标准是l o l e 0 1 天，年。对于小时负荷模型，这里选定的缺 电参考标准是l o l e 2 4 小时年。如果所研究的任何区域内的发电容量不能满足 硕士学位论文 可靠性要求，提高整个所有发电机的容量直到这个区域l o l e 低于2 4 小时年， 所需要增加的发电容量即外部发电机提供给该区域的容量。然后，将所有外部提 供给该区域的发电容量分配到其它的供电区。分配的原则如下： ( 1 ) 从外部某个区域获得的电能反比于对应供电区的l o l e 值，也就是说外 部供电区的可靠性越高，需要提供的电能越大。 ( 2 ) 保证每个供电区的发电容量在额定标准( l o l e 2 4 d , 时，年) 内。如果某 个区域的l o l e 不满足要求，稍微改变所有区域间传输功率，使得所有区域的l o l e 水平在标准范围内。 电力市场条件下可用传输能力的研究 第4 章基于确定性模型的可用传输能力的计算 4 1 可用传输能力的计算框架 在线a t c 的计算框架5 1 1 如图4 1 所示。 圈4 1a t c 的计算框架 其中：s e 表示状态估计器，s a 表示安全分析；c o p 表示实时运行规划，o a s i s 表示网络开放实时信息系统。由s e 模块中获得系统的当前运行状态，由s a 模块 中获得系统的预留故障集，由c o p 模块中获得负荷预测、发电计划和故障设备的 信息。所计算的a t c 值传送到网络开放实时信息系统( o a s i s ) 模块上。 电力市场环境下，进入电力行业进行竞争的企业既包括以前的电力公司，也有 由其它行业转产到电力行业的新公司。为了保证电力市场所有参与者都拥有平等 使用输电设备的权利和机会，需要及时公布相关的输电网络信息，因此引入了网络 的开放实时信息系统( o a s i s ) 。传送到o a s i s 的主要内容包括界面标识、运行日 期和时间、约束设备列表、最大输电能力及可用传输能力。市场参与者通过公共 媒体从o a s i s 上获得所关注系统的输电信息、a t c 等信息，促进了发电商的价格竞 争、拓宽了电力用户的选择范围，有利于降低电能的生产成本，提高电能的供应质 量。 4 2 直接求解法 该算法 4 3 1 求解两个区域间的a t c 时候，先增加所研究区域间的功率交换量， 使得系统设备出现过负荷或者过电压，然后再用折半法削减所研究区域问的功率 交换量，知道系统的安全约束条件处于临界满足状态，则所研究区域间基准状态 之上的功率交换量就是所求的a t c 。 直接求解法考虑热极限和电压极限。假如标准的非线性潮流方程表示为： - 厂( j ) = 【p ( z ) 一p ”，a ( j ) 一q ”】= 0 ( 4 1 ) 4 硕士学位论文 其中x = ( v ，口) 。 那么上述方法的方程数学模型为： m a x 旯( 4 2 ) s j r f ( x ，a ) = f ( x ) 一肋= 0 g ( x ，a ) 0 其中：五表示负荷和发电增值的比例系数：b 表示负荷或者发电，舷固表示 一系列的潮流方程；g ( x ，丑) 表示热极限方程和电压约束方程。可以知道该方法要 进行反复的潮流计算以达到最大的传输功率。该方法应用于计算供电区和受电区 之间的非同时性可用传输功率。必须遵守以下的约束： ( 1 ) 传输线路和变压器功率必须低于近似的额定功率。 ( 2 ) 故障后电压降低量必须低于给定值。 ( 3 ) 故障前节点母线电压必须在给定的极限范围内。 该计算方法应用了线性的和非线性的潮流分析方法，充分利用了牛顿法和解 耦潮流法的优点。当传输量增加一个较大步长后，首先利用固定斜率的解耦方法 来求非线性潮流方程初始解，然后采用牛顿法来精练方程的结果。采用线性的直 流潮流法来分析热故障，采用固定斜率的解耦潮流法分析交流故障。采用归纳法 搜索区域间非同时性传输的热极限。判断标准为：故障前负荷超过线路正常额定功 率值，故障后负荷超过线路紧急状况下的额定容量值。一旦确定传输的热极限，采用 a c 故障检验方法。如果潮流解不收敛或者超过电压容许范围，重新进行归纳搜索 直到达到a c 故障标准。 归纳搜索方法实例：假定使用者在给定热极限和电压范围的时候选定了初始 搜索的步长最大值为1 0 0 m w , 最小的值为2 0 m w 。如果搜索步长小于选定的最小值， 那么停止越限校核。首先校核基准状态下的越限情况，如果没有越限情况发生，则将 供电区和受电区之间的传输能力增加1 0 0 m w , 这样每次增加1 0 0 m w 直到越限情况 发生为止。假如当传输能力达到4 0 0 m w 时，系统超出了热极限。搜索步长降低 5 0 m w ，从而新的传输水平为3 5 0 m w 。如果系统还超出热极限，那么再降低步长得到 3 2 5 m w 的传输水平。此时，无论系统是否超出了热极限，下一传输步长为1 2 5 m w 低于传输步长的最小值加m w 所以3 2 5 m w 是热条件容许下的传输能力。 接着在这传输水平开始a c 越限校核。假如校核有电压越限，则减少传输水平 1 0 0 m w ，得到2 2 5 m w 。如果没有发现越限情况，则增加传输量5 0 m w 得到传输水平 2 7 5 m w 若仍然没有电压越限情况发生则再增加传输水平2 5 m w 到3 0 0 m w 。同样 由于下一传输步长将为1 2 5 m w ，j 、于传输步长的最小值。所以，首要故障下的微增 传输能力( f c i t c ) 为3 0 0 m w 。如图4 2 所示。 热极限搜索 01 0