（电力系统及其自动化专业论文）电力市场环境下电网电压的稳定性分析.pdf

t h ep o w e rs y s t e mv o l t a g es t a b i l i t ya n a l y s i su n d e r e l e c t r i c i t ym a r k e te n v i r o n m e n t 一 是i u m m a r y t h ee l e c t r i c i t ym a r k e tr e f o r i l l b r i n g sa b o u tn e wp r o j e c t sf o re l e c t r i cp o w e r s y s t e ms t a b i l i t ya n a l y s i s t h ev o l t a g es t a b i l i t yu n d e re l e c t r i c i t ym a r k e te n v i r o n m e n t w a sr e s e a r c h e di nt h e o r ya n dc a l c u l a t i o nb yt h i sp a p e r t h ep a p e rb e g a nf r o mt h e i m p o r t a n tp a r a m e t e r ：p r i c e ，t h e nt h e r e d u c e dg r a d i e n tm e t h o d t h a ts p o tp r i c e c a l c u l a t i o nm e t h o dw a si n t r o d u c e d t h e ns t u d i e dt h ej u d g em e t h o do ft h ep o w e r s y s t e mv o l t a g es t e a d y s t a t es t a b i l i t y ，b r o u g h tf o r w a r dv o l t a g es t e a d y s t a t es t a b i l i t y g l o b a li n d e x ，c a l c u l a t i o nm e t h o do ft h en o d e sa f f e c t i o nd e g r e et ot h ev o l t a g es t a b i l i t y ， a n dv o l t a g es t e a d y s t a t es t a b i l i t ya n a l y s i sf l o w ，a n du s i n ge x a m p l et oe x p o u n d e da n d p r o v e nt h i sa n a l y s i s o nt h i sb a s e ，d i s c o v e r e dt h es p o tp r i c ew a ss i m i l a rt oc o n t r o l l e d v a r i a b l es e n s i t i v i t yw h i c hw a su s e di nv o r a g es t e a d y - s t a t es t a b i l i t ya n a l y s i s ，a n d f u r t h e re x p o u n d e dt h ev o l t a g es t a b i l i t yi n f o r m a t i o nt h a th i d i n gi ns p o tp r i c et h e o r y t h e nc a t c hf r o mt w ok i n db a s i sf o r mo fe l e c t r i c i t ym a r k e t ，t h a ti s ，as i n g l eb u y e r m o d e la n db i l a t e r a lc o n t r a c tm o d e l ，a n a l y z e dt h ea f f e c t i o no fm a r k e te c o n o m ya c t i o n t ov o l t a g es t e a d y s t a t es t a b i l i t y ，h a sr e a c h e das e r i e so fi m p o r t a n tv i e w p o i n ta n du s e d m a r k e te x a m p l et os i m u l a t ef i n a l l y k e yw o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ；p o w e rs y s t e m ；v o l t a g es t a b i l i t y ；s p o tp r i c e ；o p f i v 贵州大学硕士学位论文 附：学位论文原创性声明和关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究曾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责任由本人承担。 论文作者签名： 丝趁 日 期： 2q q 胜 月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权贵州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、 缩印或其他复制手段保存论文司；口汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：逝导师签名： 贵州大学硕士学位论文 m l m 1 1 研究背景 第一章绪论 电力市场化改革正在全世界范围内进行着，英国、美国、北欧、南美、澳大 利亚等国和地区都已进行了电力市场化改革。中国同样也在进行这一改革，2 0 0 2 年我国电力行业分解为2 家电网公司和5 家发电公司。市场化改革将传统电力的 统一垂直的管理关系改为相互买卖关系，把发、输、配、售的部分环节分解为独 立的经济实体，形成电力市场的竞争环境。 在电力市场环境下，市场运营中引入竞争机制之后，电价在市场中处于核心 地位，电价可以反映电力供求的关系，能够给出经济信号，指导用户合理用电， 电厂合理发电。制定电价的三条基本原则为：成本为主，合理利润，公平负担。 基于短期边际成本的实时电价理论，能够较好的满足以上要求。节点实时电价可 以通过最优潮流计算求解 3 2 , 4 2 1 ，实时电价可以实现社会效益的最大化，在实用中 也有明显的优势。目前，美国p j m 、新英格兰和纽约州、新西兰以及南美智利等 国均采用了基于实时电价理论的节点边际电价方案。 传统模式下，电力系统的发电、输电、配电是统一调度和统一管理的，为了 保证电力系统的安全稳定运行，需对实际系统的运行工况进行分析，重点是进行 潮流、短路和暂态稳定等各种计算，制定和安排合理的运行方式，这样就可以较 为容易的保证系统的安全稳定运行。在电力市场中，允许用户选择供电的范围和 灵活性增大，而且双边交易的大量出现，使系统的运行方式更加多变。传统运行 模式向电力市场模式的转变，给电力系统的稳定性分析提出了许多新的要求，要 将电力系统技术分析和经济分析紧密结合，进行全面和深入的研究。 过去2 0 多年中，国内外兴起了电压稳定性研究的热潮，几乎使电压稳定问 题成为一个独立的研究领域，c i g r e 的3 8 0 1 工作组在1 9 8 7 年3 月专门提出了 电网应按照防止电压崩溃的准则进行规划设计【4 7 1 ，i e e e 在2 0 0 0 完成了电压稳定 研究的最终报告【5 7 1 。但是电压稳定性研究的对象都是传统模式下的电力系统，很 少针对电力市场环境下的电力系统进行研究，电力市场的经济性行为对电压稳定 性的影响没有深入系统的分析。 第一章绪论 1 1 1 国外电力市场发展现状简介 电力市场的开放和自由竞争已是大势所趋。到目前为止，已有数十个国家和 地区不同程度进行了电力工业的市场化改革，下面仅对世界各主要电力市场的发 展概况作简单评述。 英国是最早进行电力市场化改革的国家之一1 1 1 】。1 9 8 9 年7 月政府颁布了电 力法，1 9 9 0 年4 月1 日撤销了垄断经营的中央发电局( c e n t r a le l e c t r i cg e n e r a t i o n b u r e a u ，c e g b ) ，把发电、输电、配售电的功能分开，按1 个国家电网公司( n a t i o n a l g r i dc o m p a n y , n g c ) ，3 个发电公司和1 2 个地区售电公司( r e g i o n a le l e c t d c c o m p a n y , r e c ) 的模式运作。n g c 负责全国高压输电网络运行，同时还负责电 力市场的运行。电力的买卖交易是通过电力联合运营中心( p 0 0 1 ) 进行的，它是 由发电、供电双方共同管理的。此外，还在用户侧引入竞争，市场的运作由独立 的监管机构( 0 f f e r ) 负责监督和管理。英国电力市场取得了较大成功，为世界 其他各国电力工业的市场化改革提供了许多宝贵的经验，同时也逐渐暴露了一些 问题【1 7 - 1 8 1 。英国于1 9 9 8 年1 0 月又提出了电力市场新交易模式( n e we l e c t r i c i t y t r a d i n ga r r a n g e m e n t , n e t a ) 的总体设计方案。2 0 0 1 年3 月2 7 日，电力市场新 交易模式正式实施【镐】。至现在n e t a 运行稳定，效益显著。 美国1 9 7 8 年颁布了公共事业管理政策条例( p u r p a ) ，放松了对电力工业的 管制。1 9 9 2 年9 月，国会通过了国家能源政策条例( e p a ) ，从法律上规定了第 三方进入电网的权利和义务，使独立发电厂( i p p ) 和非发电公司电厂( n u g ) 可自由进入趸售市场，与电力公司在发电领域展开竞争。1 9 9 5 年3 月，联邦能 源管理委员会( f e r c ) 颁布了一项法规公告( n o t i c eo fp r o p o s e dr u l e m a k i n g ， n o p r ) 要求通过无歧视的开放电网来促进电力趸售竞争。1 9 9 6 年4 月，f e r c 又颁布了8 8 8 号和8 8 9 号两项条例，其最终的目的就是在全国范围内打破垄断， 将用电选择权交给用户。输电网开放( t r a n s m i s s i o no p e n a c c e s s ) 是美国电力工 业改革的一项创新举措，它为今后各国电力市场的建立提供了一条重要途径。美 国的电力市场改革主要在各洲分别进行的，大多数州均采用了一定的改革措施， 加州、p j m 、新英格兰、纽约州、德州等电力市场已投入正式运营【2 0 , 4 1 , 4 3 , 6 2 】。其 中，加州电力市场从1 9 9 8 年4 月正式启动运营，但在2 0 0 1 年1 月中下旬，加州 经历了二次世界大战以来首次强制性的分区轮流停电，上百万人受到影响，电力 贯州大学硕士学位论文 市场已发展到濒于崩溃的边缘。已有很多文献分析了加州电力市场失败的原因 1 6 , 1 5 , 1 6 】，加州电力市场的失败为我国电力市场的建设和发展提出了警示。 北欧电力市场迄今为止是世界上唯一的具有实质性意义的多国电力市场 【4 5 舶，5 引。北欧电网内各国电源结构差异很大，互补性强。1 9 9 2 年5 月，挪威根据 其1 9 9 0 年颁布的电力法，对电力管理体制进行了改革，引入竞争机制，开始了 市场化运营。1 9 9 5 年1 0 月，瑞典通过了有关放松管制的立法。1 9 9 6 年1 月，瑞 典正式开始了电力市场商业化运营，并与挪威电力市场合并为一个自由贸易区。 随后，由瑞典国家电网公司和挪威电网公司等额投资成立了仅负责电力交易的新 机构，即北欧电力交易中心( n o r d i cp o w e re x c h a n g e ，简称n o r dp 0 0 1 ) 。芬兰和 丹麦也分别于1 9 9 8 年夏季和1 9 9 9 年下半年加入这个统一的自由电力交易市场。 北欧电力市场对买者和卖者是完全开放的，电力市场不是发电厂电力的单一购买 者，发电厂、供电商、贸易商、用户可以通过市场进行竞价交易，也可以不通过 市场，互相之间直接自由交易。作为一个跨国性的电力市场，北欧电力市场为今 后各国电力市场之间的联合运行提供了宝贵的运营经验。 南美是电力市场化改革开展较早也较为活跃的地区之一【5 9 , 6 0 , 6 1 1 。1 9 8 2 年，智 利颁布了新的电力法，率先重组了本国的电力工业。阿根廷在1 9 9 2 年，秘鲁在 1 9 9 3 年，玻利维亚和哥伦比亚在1 9 9 4 年，巴西和委内瑞拉在1 9 9 6 年，也先后 启动了电力市场商业化运作。经过这次机制的改革，这些国家的电力工业取得了 显著的经济效益，服务水平也得到了改善。阿根廷的电力市场是最为成功的电力 市场之一。阿根廷电力工业的改革是在智利和英格兰电力市场运营经验的基础上 进行的，电力改革立法规定了电力市场运营的经济体制，即发电、输电、配电相 互独立，建立统一的电力市场，鼓励公平自由竞争。此外还对电力企业进行了私 有化改造，将国有电力资产向国内外市场招标出售。改革之后，电价逐年降低， 供电可靠性不断上升；生产效率不断提高；吸引了大批外商投资；国家债务减少， 经济效益逐年上升。 澳大利亚1 9 9 1 年开始着手研究电力工业结构化重组方案【1 2 5 5 1 。澳大利亚的 电力市场化改革也是在各洲进行的。1 9 9 0 年3 月，澳大利亚首都地区、维多利 亚州、新南威尔士州和南澳大利亚州的电网互联。1 9 9 5 年4 月，澳大利亚政务 院( c o a g ) 同意一系列成为竞争协议的竞争政策改革。1 9 9 6 年，通过国家电力 第一荦绪论 l - m ：i i i 宣i i i i i i 宣i i 萱i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 暑i 法规，规定了建立国家电力市场的规则和步骤。1 9 9 7 年5 月，在新南威尔士州 和维多利亚州开始出现有限的洲际电力竞争市场。国家电力市场从1 9 9 8 年3 月 正式开始投入运营，它的最终目标是为用户提供廉价电力。澳大利亚批发电力市 场也是以电力联合运营中心( p 0 0 1 ) 的形式实现的，所有的独立发电厂需向p 0 0 l 竞价发电。与英国不同，允许私营电厂、国有公司以及用户在市场内进行公开交 易，增加了市场成员的选择范围。澳大利亚电力市场取得了较大成功。改革之后， 生产效率大为提高，资源配置进一步得到优化。 新西兰电力市场( n z e m ) 自1 9 9 6 年1 0 月1 日起开始运营。n z e m 通过建 立国家电力联合运营中心( p 0 0 1 ) 以及电力现货交易市场将竞争机制引入电力批 发交易【3 9 1 。主要有两个机构来负责该电力市场的运作：电力市场公司( t h e e l e c t r i c i t ym a r k e tc o m p a n y ) 通过竞价系统负责系统的交易结算，国家电网的操 作员和开发者t r a n sp o w e r 负责电力市场的安全运行。n z e m 可分为两个供电区 域：北岛和南岛，通过一条直流输电线将两者联为一体。，由于直流输电线输送能 力的限制，两区的电价经常会有所不同。为了反映各市场成员的位置及输电系统 的特性，n z e m 采用了节点电价的定价方法。 根据欧盟统一大市场的规定，欧盟国家从1 9 9 9 年起逐步启动电力市场运营。 目前德国、意大利、法国、西班牙、葡萄牙等国都正在积极地进行电力市场改革。 除此之外，日本、加拿大、南非均已进行了一定程度的市场化改革，还有一些国 家的电力市场改革也即将启动。 1 1 2 中国电力体制改革进程，1 9 2 2 l 1 9 7 9 年之前，我国对电力行业实行严格管制，电力建设资金主要来源中央 财政，造成电力建设资金严重不足，电力供应也长期短缺。2 0 世纪8 0 年代，国 家制定了包括开征能源交通基金在内的一系列加快电力建设的政策措施。特别是 “两分钱”的建设基金的征收，促进了电力工业快速发展。1 9 8 5 年国务院批转 了关于鼓励集资办电和实行多种电价的暂行规定，决定“鼓励地方、部门和 企业投资建设电厂 ，随后又制定了关于多种电价实施办法，这些政策措施揭 开了我国电力体制改革的序幕，推动了多家办电与多渠道集资办电格局的形成。 “集资办电 政策对解决严重缺电的矛盾功不可没，“还本付息电价 政策极大 贵州大学硕士学位论文 地调动了社会各界投资办电的积极性，多元化投资主体的各类合资电厂纷纷建 立，多家办电的格局很快形成。 9 0 年代中期党的十四次代表大会确定了实行社会主义市场经济体制，要求 建立全国统一的竞争有序的商品市场，电力市场也包含在内。所谓电力体制改革 是指以政企分开、公司化改组、建立市场竞争机制为主要特征，对传统电力体制 进行整体配套改革的总称。改革的主要内容包括：1 ) 政企分开、网厂分开、输 供分离，实施公司化改组。2 ) 统一开放、竞价上网，建立电力交易市场。3 ) 依 法管理、竞争有序，建立健全电力市场法规体系和监管体系。 1 9 9 3 年，电力部会同国家计委、经贸委颁发了全民所有制电力企业转换 经营机制实施办法。1 9 9 4 年，电力部提出公司制改组、商业化运营、法制化管 理的战略取向。1 9 9 5 年底召开的国家电力工作会议明确提出电力体制重大调整 的基本模式：政府职能移交政府综合经济部门，企业职能转移到拟组建的国家电 力公司，行业职能转移到中国电力企业联合会。1 9 9 6 年4 月，电力法正式实 施，深化电力体制改革的法律依据和保障日趋完善。 1 9 9 7 年1 月1 6 日国家电力公司( 简称国电公司) 正式挂牌，并与电力部双 轨运行。1 9 9 8 年3 月，电力工业部撤销，国家电力公司开始独立运作。此次改 革的目标是通过完成公司改制，实现政企分开，打破垄断，引入竞争，优化资源 配置，建立规范有序的电力市场。1 9 9 8 年8 月，国家电力公司推出以“政企分 开，省为实体 和“厂网分开，竞价上网为内容的“四步走”的改革方略。1 9 9 8 年1 2 月2 4 日，国务院办公厅转发国家经贸委关于深化电力工业体制改革有关 问题的意见，“厂网分开，竞价上网 开始在六个省市先行试点。 2 0 0 0 年二滩水电站严重亏损的问题引起中央领导和社会的极大关注，2 0 0 0 ，年6 月，国务院三峡建设委员会第九次会议召开，在充分肯定“省为实体电力 体制的历史作用的同时，指出“省为实体 在当前电力供过于求的新形势下，必 须改革，否则将阻碍电力工业的发展。同年1 0 月，国务院办公厅下发6 9 号文件， 明确电力体制改革工作由国家计委牵头，会同国家经贸委、国家电力公司等部门 和单位，组成电力体制改革协调领导小组。 2 0 0 1 年5 月，国家计委上报一份被称为“1 + 6 的改革方案，即设立国家电 网公司，下设6 个区域电网公司。但该方案被认为反垄断力度不够，不能真正破 第一章绪论 除区域电网内省与省之间的壁垒。方案因此搁置。2 0 0 1 年1 2 月，国家计委经过 8 个月的调研论证后，重新上报了新的电力体制改革方案，并经过了中央最高决 策层同意，获得国务院批准。 2 0 0 2 年2 月1 0 日，国务院印发电力体制改革方案的通知( 国务院5 号文) ， 有关电力体制改革的大方案确定，其主要内容包括：重组发电资产，建立若干个 独立发电公司；重组电网资产，设立国家电网公司和南方电网公司，在国家电网 公司下辖几个区域性电网公司；设立国家电力监管委员会，负责电力监管。 2 0 0 2 年3 月1 5 日，电力体制改革工作小组成立。中组部负责确定电监会、 国家电网公司、南方电网公司及5 家发电集团公司领导班子的筹备和组建：国家 电力公司负责制订发电资产重组方案。 2 0 0 2 年1 0 月1 5 日，电力体制改革工作小组第四次会议召开。国家计委上 报的关于发电资产重组划分的请示获得国务院领导批复。国家计委主任曾培 炎、国家经贸委副主任欧新黔等在讲话中称：电力体制改革进入实施阶段。 2 0 0 2 年1 2 月2 9 日原国家电力公司拆分为：国家电网公司，中国南方电网 有限责任公司两大电网公司；中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电 集团公司、中国国电集团公司、中国电力投资集团公司5 家发电集团公司；中国 电力工程顾问集团公司、中国水电工程顾问集团公司、中国水利水电建设集团公 司、中国葛洲坝水利水电工程集团公司4 家辅业集团公司。 2 0 0 3 年3 月国家电力监管委员会成立，开始履行电力市场监管者的职责， 实现“政监分开”。2 0 0 3 年6 月国务院印发了电价改革方案，对电价改革进行 方向性指导。电力行业是公用事业，电价关系到各行各业，政府必须进行管制。 电价改革既要考虑其他能源的价格因素，也要激励电力行业调整自身能源结构， 同时要体现支持“三农 。 2 0 0 5 年2 月1 5 日国务院第4 3 2 号令颁布了电力监管条例，国家电力监 管委员会确立了依法执行电力监管和履行行政执法的职能。电力监管条例详 细列出了监管机构、监管职责、监管措施和法律责任，为推进电力工业市场化的 改革提供了法制保障。 2 0 0 6 年2 月，“十一五电力体制改革计划确定并上报国务院。2 0 0 6 年1 1 月1 日，国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议，审议并原则通过了关于 贵州大学硕士学位论文 “十一五”深化电力体制改革的实施意见( 以下简称意见) 。意见指出了“十 一五”期间电力体制改革的三大主要任务：一是抓紧处理厂网分开遗留问题，逐 步推进电网企业主辅分离改革；其次是加快电力市场建设，着力构建符合国情的 统一开放的电力市场体系，形成与市场经济相适应的电价机制，实行有利于节能 环保的电价政策：三是进一步转变政府职能，坚持政企分开，健全电力市场监管 体制。 国家电力体制综合改革将在2 0 0 8 年上半年启动，南方电力市场被初步定为 试点。“大用户直购电 将进一步深化，鼓励发电企业和大企业直接见面，电价 方面拥有更大的灵活度，不再把电网公司作为唯一的售电渠道， 中国电力体制改革至今已有2 0 多年历史，其脚步方向就是电力市场化，引 入竞争机制，打破垄断，大力发展电力行业，为加速的我国经济发展提供可靠充 足的电力资源。 1 1 3我国电力工业市场化改革现状简介1 0 l ( 1 ) 发电侧电力市场 目前，我国电力市场的改革取向是“网厂分开，竞价上网”，即将电网经营 企业拥有的发电厂与电网分开，建立规范的、具有独立法人地位的发电实体，市 场也只对发电侧开放。发电侧电力市场的市场主体是个独立发电企业和电网经营 企业，电网经营企业负责组织各发电公司间的竞争，政府负责对电力市场进行监 督管理。根据“省为实体的方针，我国的电力市场以省级电力市场为主，各省 电力公司是其省内电力市场竞争的组织者。 ( 2 ) 单一购买者模式 我国现行发电侧电力市场的模式是“i + n 模式，“1 是电力市场的单一购 买者，即电网经营企业；“n ”是指参与市场竞争的各独立发电企业。用户不能 与发电厂签订购电合同，只能由电网经营企业采用趸售或零售的方式供电。在这 种模式下，电网经营企业必须每时每刻做到供需平衡，并收购所有电力，以保证 对用户供电。 ( 3 ) 部分电量竟价上网 在市场建立的初期，几个试点单位全部采用了部分电量竞价上网的方式。一 第一章绪论 般安排当年市场需求的1 0 2 0 作为竞争电量，其余作为基本电量( 或合约电 量) 。对于后一部分电量的处理，采用了两种形式：一是必须首先保证这一部分 电量的完成，然后再考虑竞价电量：二是在市场中安排全部电量参与竞价，但是 在结算时考虑对这一部分电量的补偿。 ( 4 ) 双轨制竞价体系 为了解决购售电合同问题，在试点单位提出了包括“差价合约、“履行合约， 竞价超约等多种实施方案。这些方案的核心是双轨制竞价体系，即基本电量部 分按国家批准的合同电价结算，竞争电量部分按竞价电价结算。这基本解决了原 有合同问题。对于竞价电价，各试点单位大多采用满足负荷预测的最后一台机组 出力对应的报价作为结算的竞价电价，这种方式简单易行、促进竞争、提供信息 清晰的特点，比较适合于刚起步的我国电力市场。 ( 5 ) 交易类型 目前，各试点单位主要采用了长期合同、现货交易、实时交易等三种交易方 式：在单一购买者模式下的发电侧电力市场，组织发电公司竞争的电力经营企业 担负着保证向用户供电的义务。所以电网经营企业为了防止严重缺电或电价急剧 升高的风险，必须与发电公司签订一定数量的长期合同。目前各发电公司保留原 有合同8 0 左右的电量，作为电力市场的长期合同。 现货交易是指按照发电机组的报价，提前1 天确定第2 天的发电计划。各试 点单位的现货交易主要采用两种方式；一种方式是将长期合同看作是一个经济合 同而非物理合同，在编制第2 天的发电计划时，按照各发电厂的申报数据，编制 交易计划，如果现货市场的发电计划与长期合同不致，采用经济手段进行补偿； 另一种方式是将长期合同看作是物理合同，长期合同确定的电量在现货市场首先 安排，其余部分作为交易电量编制计划。 实时交易是指在交易日当天确定的发电计划，由于电力工业的特点，要求发 电与负荷实时平衡。不管采用什么方式，由于存在负荷预测误差及系统运行状况 的变化，提前1 天编制的发电计划与实际的负荷需求间存在差异，需要适时调整 发电计划，所以必须建立实时交易市场。在我国，由于处于由传统的管理方式向 市场经济转变的初始阶段，同时受电力市场技术支持系统的制约，实时交易基本 上是作为长期合同和现货交易的补充。 贯州大学硕士学位论文 ( 6 ) 生产调度与市场交易一体化 目前，国际上电力市场的运行主要有两种方式：一种是美国加州i s o ( i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t o r ) 与p e ( p o w e re x c h a n g e ) 分立形式，即独立电网 调度与市场交易分立：另一种是大多电力市场所采用的调度与交易一体化形式。 我国各试点单位大多采用了后一种市场运行方式。 ( 7 ) 技术支持系统尚处于初级阶段 电力市场的正常运行需要技术支持系统的支持，在这方面我们仍缺乏经验。 尤其是在电力市场条件下，如何进行电网安全约束的闭环校核，启停机费用及最 佳机组组合的计算、最优潮流等，还有待进一步研究。 经过一段时期的积极探索和尝试，我国的电力市场化改革取得了一定的阶段 性成果。但应该看到，我国电力市场的发展尚处于初始阶段，有许多内部因素和 外部条件尚不具备，还需进一步完善。相信随着我国电力体制改革的逐步深入， 我国的电力市场将会不断完善，如允许用户参与市场的竞争、双边交易成为电力 交易的主要形式、实时交易份额的增加等。 1 2 主要工作及成果 现在国内外对电力市场环境下的电网电压稳定性分析研究较少，电力市场研 究大多集中在竞价上网【1 1 、辅助服务、输电定价等问题上：电网电压稳定性研究 主要是集中在对确定系统的分析方法上，如分叉分析法，灵敏度分析方法、最大 功率法等，很少将电力市场和电网电压结合在一起分析。现在我国电力市场化改 革不断深化，市场下的电网电压稳定性越来越受到各方面的重视，有必要结合电 力市场对电网电压进行分析。本文主要从实时电价理论入手，寻找节点实时电价 与电网电压稳定性的内在联系，进一步研究了基于实时电价理论单边电力市场和 双边合同电力市场对电网电压稳定性影响，主要内容及研究成果如下； 1 、电网电压静态稳定性的判断方法有多种，本文应用了电压稳定分析的特 征结构分析法中，将潮流雅可比矩阵最小模特征值a 劬作为系统电压静稳全局指 标；定义了a 袖对控制变量的灵敏度，用以寻找对电压静稳造成影响的具体原因， 确定各节点对电压静稳的影响程度；定义了a 。妯对p q 节点的负荷灵敏度，用以 o 第一章绪论 寻找电压最薄弱点。本文给出了控制变量灵敏度和负荷灵敏度的算法和流程，实 现了它们的数值计算，给出了电网电压静稳分析的流程，在应用中更易实现并提 高了电压静稳分析速度。 2 、在实时电价理论的研究中，应用简化梯度法计算最优潮流( o p f ) ，得到 实时电价。发现了隐藏在实时电价理论中的电压静稳信息，实时电价与电压静稳 分析中的控制变量灵敏度有相同的含义。应用实时电价理论和电压静稳的控制变 量灵敏度分析法，两者同时对5 节点电力系统的仿真分析，论证了实时电价与电 压静稳之间的联系。说明了实时电价不仅给出了经济性信息，还给出了电压静稳 信息。 3 、研究了基于实时电价理论下的单边电力市场，从完全竞争型和寡头竞争 型两个市场类型分别进行市场仿真分析，研究经济性行为对电网电压稳定性的影 响。从用户随电价的购电行为，到发电商为自身利益最大化所采取的报价竞争的 企业行为，对电网电压静稳进行分析，得出了市场环境下经济性行为对电网电压 如何影响的重要结论 4 、研究了基于实时电价理论下的双边合同电力市场，发现输电费用同实时 电价一样，与电压静稳有联系，同样给出了电压静稳信息。 1 3 小结 电力市场化改革是电力行业的发展趋势，市场化改革的核心是打破垄断，引 入竞争，提高效率。本章对英国、美国、北欧、南美、澳大利亚、新西兰等国的 电力市场改革现状作了介绍，同时也总结了我国电力体制改革进程，介绍了我国 电力市场化改革的现状，最后介绍了本篇论文的主要工作和成果。 贵州大学硕士学位论文 i ii i i i i 1 i i i i i i i i i i 毒 第二章基于最优潮流的实时电价计算 2 1 实时电价基本理论 实时电价的研究可以追溯到2 0 世纪7 0 年代，8 0 年代开始引起各国研究者 的注意，其早期的理论成果由s c h w e p p p e 等人总结于文献 5 0 1 ，文献【5 0 】从经典 的经济调度理论出发，深入而详细的讨论了实时电价的定义、组成部分和相应的 模型，并提出了依据经济调度和支流潮流的实时电价计算方法，认为实时电价理 论作为经典电力系统优化运动理论的直接发展和延伸，其本质上与经济调度、无 功优化和最优潮流有着密切的联系。9 0 年代后，实时电价理论从两个方面都得 到了长足的发展：模型本身的完善和计算方法的进步。文i f 妖 4 2 1 发展了这一模型， 提出了利用最优潮流求解无功实时电价的方法，其最重要的贡献是发现了最优潮 流中对应于潮流平衡方程的拉格朗日乘子叩p 、与有功、无功负荷的实时电价 具有相同的经济含义，从而说明了最优潮流是一种极具潜力的实时电价计算方 法。 实时电价可以实现社会效益的最大化，在实用中也有明显的优势；实时电价 能在很短的时段更新供电成本的信息，对系统的运行产生重大的影响；实时电价 给发电厂提供了优化发电功率的依据，并可指导用户合理用电；便于互联电网电 力互换的贸易结算；可用于计算转运费等。因此，实时电价有广阔的应用前景， 目前，美国p j m 和纽约州、新西兰以及南美智利、玻利维亚、秘鲁等国均采用 了基于实时电价理论的节点边际电价方案。以下就实时电价的计算模型、定义和 构成等作简要说明。 2 1 ，1 目标函数 实时电价的目标函数是社会效益最大。若仅考虑发电侧市场的竞争，不考虑 需求侧竞价，负荷需求量与电价无关，也即假定负荷没有价格弹性，则社会效益 可以用支付的电能费用来衡量，假设各发电厂按照自身边际成本报价，则目标函 数可进一步反映为全网发电费用最小，即： 第二军基于最优潮沉的实时电价理论 幽“荔( 巳( ) + c q , ( q g f ) ) ( 2 - 1 ) 式中巳慨) ，c & ) 分别为机组i 的有功和无功费用函数；g 为发电机总 数。在本文中，发电有功和无功费用均采用二次曲线描述，即： c a ( 圪) ；彳p p g j 2 + 丑p + c p ( 2 2 ) c j 2 f ( 兄) 一彳。q 磊+ b 。q g f + q ( 2 3 ) 2 1 2 约束条件 2 1 2 1 等式约束 等式约束是潮流有功功率和无功功率的平衡方程式。若研究的电力系统有n 个节点，其中m 个p q 节点，1 个平衡节点( 兼作电压相角参考点) ，其余n 1 m 个节点为p v 节点。在极坐标下的潮流方程为： 对于p q 及p v 节点： 己一一玑u ，( g uc o s 岛+ b ys i n s , j ) - 0 ( i = 1 ，2 ，n - 1 ) ( 2 4 ) 卢 对于p o 节点： 瓯一q 历一玑u ，( 吒s i n 毛一b c o s o , j ) 一0 ( i = 1 ，2 ，m ) ( 2 5 ) 其中，己，瓯分别为节点f 有功、无功发电出力；易，如分别为节点f 有功、 无功负荷；u 。，u ，分别为节点i 和j 的电压幅值；嘞一b 一嘭为节点i 和j 的电 压相角之差；g j ，分别为导纳矩阵第i 行第j 列元素的实部和虚部。 2 122 不等式约束 2 1 2 2 1 发电出力约束 各机组的有功和无功出力约束分别为： 最旆墨圪s 最一 ( i = 1 ，2 ，n 1 一m )( 2 - 6 ) 瓯。i ns 瓯s 瓯麟 ( i = l ，2 ，n 一1 - m )( 2 - 7 ) 其中最吣、己丽。和瓯一、瓯响分别为节点i 有功、无功发电出力的最大 值和最小值：n 1 m 个p v 节点。 贵州大学硕士学位论文 2 1 2 2 。2 支路传输功率约束 支路传输有功功率约束为： 加s 最s 口 ( i = 1 ，2 ，m )( 2 - 8 ) 其中昂、最眦和最曲分别是支路i 传输的有功功率、有功功率的最大值和最小 值；，为支路总数。 支路两侧节点电压相角差约束为： 加s 吼。( i = 1 ，2 ，m )( 2 9 ) 其中吼、巩蛳和吼曲分别是支路f 相角差、相角差的最大值和最小值。 2 1 2 2 3 节点电压限制 各节点电压幅值约束为： u j m l ns u f s u f 一 ( i = l ，2 ，n )( 2 1 0 ) 其中u 、u i m 缸和u i m i n 分别是节点f 电压幅值、电压幅值的最大值和最小值。 2 1 。2 2 3 可控支路电抗约束： 考虑到t c s c ( 可控串联补偿) 等f a c t s ( 灵活交流输电) 元件，各可控支 路电抗变化的约束为： x i 痢s x fs x f 咖( i _ 1 ，2 ，)( 2 1 1 ) 其中置、五础和置曲分别是支路f 的电抗值、电抗的最大值和最小值，心为 可控电抗支路总数。 2 1 2 2 4 移相变压器移相角约束： 移相变压器移相角约束为： 0 n 曲s s 一( i = 1 ，2 ，坼) ( 2 1 2 ) 其中、嗍和曲分别是移相变压器f 的移相角、移相角的最大值和最小值， ，为移相变压器总数。 2 1 3 拉格朗日函数 第二军器予最优潮流时买h 寸电价理论 以上不等式约束可以用罚函数法处理，将所有不等式约束函数表示为： f 0 | l 曲墨h ，sh j n 戤 o o ，- h ，胁) 2 一 o 仰，- h ，疵) 2 h ， j i l 椰 式中0 是罚因子，h j 、h j m a x 和h j 曲分别表示约束对象、约束对象最大值和约束对 象最小值。这样就可以把不等式约束变为等式约束。 包括以上等式约束和不等式约束的优化模型，可构造拉格朗日函数如下： f ( b ，g ，v ，臼) - ( 巳阮) + ” 一善叩，i 【凫一吆- u i 薹u j ( c fc o s + 岛s i n o , j ) 1 一荟叩斫【如一q d i - - u i 荟u j ( g # s i n - b # c o s ) 】 一玉q 一 u m ) 2 ( 2 - 1 4 ) 式中叩一为潮流有功平衡方程的拉格朗日乘子，为潮流无功平衡方程的拉格朗 日乘子，是所有不等式约束条件的集合。此拉格朗日函数用以计算达到目标 函数( 式2 - 1 ) 的未知参数( 如p q 节点电压幅值和相角等) 和可变参数( 如p v 节点的有功出力和电压幅值等) ，以及叩和7 7 毋。具体计算过程见2 2 2 2 节。从 经济含义上讲，f 为考虑运行约束的条件下，向所有用户提供电能的生产成本， 1 7 一和就是节点i 的有功和无功实时电价。 2 1 4 实时电价的定义 实时电价是在给定时段向用户提供电能的边际成本，即为系统总生产费用对 各节点注入功率的微增： 一剖 ( 2 1 5 ) a fi 小剖。 ( 2 - 1 6 ) 式中为节点的有功实时电价；为节点的无功实时电价；事表示最优解。 贵州大学硕士学位论文 葺宣i i i i i i 宣i i 暑i 宣i i i i i i i i i i i i 1 一 _m - - i 毒 2 1 5 实时电价的分解 节点i 的实时电价可以看作是以下各组成部分之和1 5 0 i 肛y ，+ ，m + ，莎+ ，口+ y q s i ( 2 1 7 ) 式中) ，是边际发电燃料成本分量、7 ，m 是边际发电维护成本份量、) ，是发电质 量分量、y l i 是边际网损成本分量、) ，鲫是网络供电质量分量。 以上每个分量均有一个明确的物理意义和经济含义。其中，边际发电燃料成 本) ，与边际发电维护成本之和为系统边际发电机运行成本；发电质量分量 ，筘反映可用发电容量，即系统的发电备用水平；边际网损成本分量y “反映网络 损耗，与节点所处的地理位置有关；网络供电质量分量y 蕊反映网络输送功率的 能力。通过将实时电价进行分解，可得到各种辅助服务的价格【3 2 ，5 。 2 1 6 实时电价的计算 各节点实时电价可以很容易的通过最优潮流计算得到，这是因为最优潮流采 用偏导数来优化目标函数【叫，如果该目标函数为系统的总发电费用，则有功和无 功实时电价分别对应于最优潮流收敛时潮流功率平衡方程的拉格朗日乘子 ( 叩，7 4 ) 【3 冽。若不考虑网损和各种约束条件，则整个系统所有节点的实时电价 完全相同。然而，在任何实际的电力系统中，由于网损的影响和各种约束条件的 限制，电网中各节点的实时电价将各不相同。 2 2基于最优潮流的实时电价计算方法简化梯度法 最优潮流o p f ( o p t i m a lp o w e rf l o w ) 的概念是2 0 世纪5 0 年代初期出现的。 它把电力系统经济调度和潮流计算有机的融合在一起，以潮流方程为基础，进行 经济与安全，有功与无功的全面优化，是一种理想的算法。 最优潮流属于电力系统经济运行问题的一个分支，是指当系统的接线方式及 负荷情况给定时，在满足一些约束条件的前提下，通过调节控制变量( 通常指发 第二章基于最优潮流的实时电价理论 电机出力等可人工控制的量) 使系统总燃料消耗或其他量( 例如总有功网损) 达 到最小值时的潮流分布。这里所考虑的约束条件，通常包括系统中各元件不发生 过载，各节点电压的幅值在规定范围内，各电源的有功及无功功率在允许范围内， 各带负荷调压变压器分接头的位置不超出其极限以及某些关键线路传输的有功 功率满足稳定要求等。现代电力系统的发展要求最优潮流能达到经济性和安全性 的完美统一，既在满足系统安全运行( 满足以上约束条件) 的情况下，尽可能的 减少运行费用。 2 2 1 最优潮流的经典算法 至今已提出的求解最优潮流的模型和方法很多，归纳起来有线性规划方法、 非线性规划方法以及近年出现的人工智能方法等。 1 、线性规划法l p ( l i n e rp r o g r a m m i n g ) ，线性规划法是在一组线性约束条件 下，寻找线性目标函数的最大值或最小值的优化方法。对于最优潮流问题，线性 规划方法一般将非线性方程和约束使用泰勒级数近似线性化处理，或将目标函数 分段线性化。线性化后的求解可以用改进的单纯形法或对偶线性规划法。内点法 是一种线性规划方法，近年来被广泛用于电力系统最优潮流问题。 2 、非线性规划法处理在等式约束或不等式约束条件下优化目标函数，其中 等式约束、不等式约束和目标函数为非线性函数，其中等式约束、不等式约束和 目标函数为非线性函数。简化梯度法、二次规划法以及牛顿法都是非线性规划法 的一种，由于最优潮流问题中等式约束是典型的非线性等式，因此非线性规划法 也就成为解决最优潮流问题的常用方法。 3 、遗传算法是8 0 年代出现的新型优化方法，近年来迅速发展，他的机理源 于自然界中生物进化的选择和遗传，通过选择( s e l e c t i o n ) 、杂交( c r o s s o v e r ) 和变 异( m u l t a t i o n ) 等核心操作，实现“优胜劣汰”。它的主要特点是：可从多初值点开 始，沿多路经搜索实现全局获准全局最优；可方便的处理混合整数离散性问题； 是一种有效的自适应优化算法。 2 2 2 最优潮流的简化梯度法 在最优潮流领域中第一个较为成功地实用算法是h m d o m m e l 和w e 贵州大学硕士学位论文 i t i n n e y 于1 9 6 8 年提出的简化梯度法【5 2 1 ， 度法进行搜索，程序