（电力系统及其自动化专业论文）电力市场环境下atc的实用化研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n ti n d e xo ft h ef u r t h e ru s a b l ea m o u n to ft r a n s m i s s i o nc a p a c i t y f o rc o s m e r c i a l t r a d i n g ，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 ) i si n c r e a s i n g l y d r a w i n ga t t e n t i o no fa 1 1p a r t i e si n v o l v e di np o w e rm a r k e t h o w e v e r ，m o s tc u r r e n t s t u d i e sf o c u so nt h em e t h o d so fa t c ，w h i c ha f f e c tt h ep r a c t i c a li t yo ft h e s em e t h o d s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t w op r a c t i c a la l g o r i t h m sf o rc a l c u l a t i n ga t ci nt h ed a y a h e a d m a r k e ta n dt h er e a l t i m em a r k e tr e s p e c t i v e l ya r ep r o p o s e d t h em a i nc o n t r i b u t i o no f t h ep a p e ri sa sf o l l o w s ： f i r s t ，a no p t i m a lm e t h o df o ra s s e s s i n ga t cb a s e do nt h es e q u e n t i a lq u a d r a t i c p r o g r a m m i n gi si n t r o d u c e d t h em e t h o df u l l yu t i l i z et h ef e a t u r e so fs o p ，s u c ha s s m a l l o u n to fc o m p u t a t i o n ，c l e a ra n dc o n c i s ep r o c e s sa n df a s tc o m p u t i n gs p e e d ，a n d t h em e t h o dc a nc o n v e n i e n t l yc o n s i d e rt h ec o n s t r a i n so fa cp o w e rf l o we q u a t i o n sa n d s y s t e mo p e r a t i o nl i m i t s ，w h i c he n s u r et h ea c c u r a c yo ft h ec a l c u l a t i n gr e s u l t s s e c o n d ，am e t h o df o rs h o r t t e r ma t cf o r e c a s tb a s e do nt h em o n t ec a r l os i m u l a t i o n i sp r o p o s e d t h ep o w e rs y s t e mu n c e r t a i n t i e sa r ec o n s i d e r e du s i n gm o n t e c a r l o s i m u l a t i o na n d a c t i v ep o w e rg e n e r a t i o nb i d d i n go fg e n e r a t o r si sc o n s i d e r e di n c a l c u l a t i o no fb a s ef l o wa n da t c ，w h i c hm a k es h o t t e r ma t cp r o j e c t i o n sm o r ei nl i n e w i t ht h ea c t u a lr e s u l t s f i n a l l y a no p t i m a lm e t h o da i m e da tm a x i m i z i n gt h es o c i a lb e n e f i t si sp r o p o s e d i no r d e rt oe n a b l et h ea t cc a l c u l a t i o nr e s u l t sc a nm o r ef u l l yr e f l e c tt h es u p p l ya n d d e m a n ds i t u a t i o ni np o w e rm a r k e t ，b o t ht h eg e n e r a t i o nb i d d i n gc u r v e sa n dd e m a n d s i d e b i d d i n gc u r v e s a r ec o n s i d e r e di na s s e s s i n ga t c ，w h i c hc a l ld i s t r i b u t ep o w e rr e s o u r c e e f f e c t i v e l ya n di m p r o v et h es o c i a lb e n e f i t s t h em o d i f i e di e e e2 4b u ss y s t e mi su s e df o rt e s t i n ga n da n a l y s i st h ep r o p o s e d m e t h o d s t h es o l u t i o n so b t a i n e dt e s t i f yt h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h e p r e s e n t e dm e t h o d sa n dd e m o n s t r a t e st h a t t h ep r o p o s e dm e t h o d sa r ee f f i c i e n tt o h a r m o n i z et h er e l a t i o nb e t w e e ns y s t e ms e c u r i t ya n db e n e f i t k e y w o r d s ：p o w e rm 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 ；s e q u e n t i a lq u a d r a t i cp r o g r a m m i n g m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ；d e m a n ds i d eb i d d i n g l i 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。 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。 研究生签名：刍豳二牛导师签名：一= 圭午日期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 当前，电力工业正在结构、管理、运行等各方面经历前所未有、非常迅速的变革，而 且这种变革趋势在本世纪还将继续下去。面对如今错综复杂的电力市场，旧的垄断体制已 无法继续维持下去。全球范围内，解除电力工业的管制和实行电力市场的目标就是打破垄 断，提高效率。 在电网互联，电力工业市场化后，系统的运行条件、稳定裕度、备用容量以及对突发 事件的应变能力与以往相比都有很大的不同。市场的竞争对系统的物理稳定性产生很大的 影响，如果市场规则不能引导出充足的远期可用发电和输电容量，市场运营不能及时保证 发电和输电备用裕度，不但电力市场潜在稳定性危机，系统的物理稳定性也很难保证。1 9 9 6 年美国西部电网停电的调查结果中指明：事先未研究过的实际运行条件使调度员不知所措， 缺乏稳定裕度的概念，因此不知系统离开安全稳定极限有多远。可以相信，如果具备先 进的在线分析工具，就可以在事故发生后第一时间得到实际的电网输电裕度，及时正确地 修正控制方案，则完全可以避免类似的大范围停电灾难的发生。 开放的输电网络给电力市场参与者提供了一个公平竞争的环境，但输电网络的输送容 量是有限的，为保证电力系统的安全稳定运行，输电系统在通过确定性电能交易利用部分 电网传输容量的前提下，若还需要进一步进行电能交易，就需要对电网输电能力做深入分 析和计算。因此，在电力市场条件下，研究和计算电网传输容量可以引导市场参与者进行 电能交易，保证充分利用电网输电容量。 电网输电能力的计算的研究始于2 0 世纪7 0 年代，当时被称为输电交换能力( t i c ： 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 ) l 2 jl 3 j ，此后也有称为电网传输容量( t c ： t r a n s m i s s i o n c a p a c i t y ) “。二十世纪九十年代以来，为了适应输电网市场化改革的要求， 各国电力工业组织先后对输电系统输电能力的定义及内涵做了不同的阐述。直到1 9 9 6 年美 国联邦能源委员会( f e r c ) 颁布了“要求输电网的拥有者计算输电网区域间可用传输能力 a 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 ) ”的命令后，这方面的研究才受到众多工程人员和 研究学者的注意。其后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 l a b i l i t y c o u n c i l ) 统一了有关输电极限的概念，提出了a t c 的详细定义与计算框架，这一工作在国 际上得到了更为广泛的认可。 可用传输能力计算通常是在特定条件下采用离线计算方法，这主要是因为需要大量的 计算。传输能力计算要考虑到系统的热过负荷、电压和暂态稳定等限制。互联电力系统运 行的不确定性通常是由天气因素、非计划输电线路和发电机组故障等因素引起的。在a t c 中，可以用裕度来考虑不确定性，以保证在实际情况下电能的可靠输送。 可用传输能力计算对于竞争性电力市场而言具有重要的理论和现实意义，它是电力市 场运营和交易中心，以及市场成员关注的重要技术指标，同时还涉及到市场的经济化运作 它对于解决未来电力市场输电服务交易的可靠性和经济性具有积极的意义”1 。 目前，我国各大区域电网内部以及电网之间的联系比较薄弱，还存在相当多的安全隐 患。此时，及时快速的提供电网输电能力不仅对电力系统的稳定性及其重要，也是建立健 康有序的电力市场的重要保证。可喜的是，在我国电力市场改革之初，就己意识到可用输 电能力数据的及时发布对电网的稳定性和电力市场安全运行的意义，并把a t c 计算看成是 电力系统市场化进程的关键问题之一。 东南大学硕士学位论文 1 2 a t c 的基本概念 1 2 1a t c 的定义 北美电力系统可靠性委员会( n e r c ) 在2 0 世纪9 0 年代第一次全面定义了可用输电 能力( a t c ) 及相关术语”1 ：a t c 为在已成交的输电协议基础上，电网在满足各种故障安 全约束条件下剩余的且将来可作为商业用途的传输容量。 a t c 反映出在一定的系统运行方式下( 且不超过系统的各种运行极限) 输电网还可提供 的最大传输容量，是对区域功率交换能力的综合反映。从数学角度讲，a t c 定义为最大输 电能力t t c ( t o t a lt r a n s f e rc a p a b i l i t y ) 减去输电可靠性裕度t 础( t r a n s m i s s i o n r e l i a b i l i t ym a r g i n ) ，再减去现存输电协议量e t c ( 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 ) ( 包括零售用户服务) 和容量效益裕度c b m ( c a p a c i t yb e n e f i tm a r g i n ) 。t t c 是在一可靠运 行方式下互联输电网络上传输的最大功率量，且同时满足一组指定的故障前、后系统条件。 t r m 和c b m 是用来考虑电力系统内不确定性的两种输电裕度，其作用是在t t c 基础上进一 步计算a t c 时留有一定的裕度，一般随不同的电力市场和不同的区域而不同。n e r c 定义t r m 为必要的传输容量，以保证互联输电网络在合理的不定因素情况下的安全性，定义c b m 为 必要的传输容量，在满足发电可靠性的前提下，以保证负荷从互联电网获得电力，通常以 某一确定数量或特定百分比的t t c 作为t r m 和c b m 的值。e t c 本质上包括给定条件下所有 正常的输电潮流，即基态潮流。由于电力系统状态随时间变化，所以t t c 的计算根据电力 市场的需要，可按小时、日、月进行。a t c 和t t c 的计算始终是针对两个区域进行，即1 个电力出售区域和1 个电力购入区域。具体如图卜1 所示，用公式可表示为： 4 7 c = z 了c z 兄 f c 丑m e 7 c( 1 1 ) 图l 一1a t c 的定义 从a t c 定义可以看出，a t c 是在电力市场条件下，衡量某一时刻输电网的特定断面对 市场交易还可提供的最大传输能力。它随时间的推移、电网结构的变化和断面的不同而改 变。它与传统概念上的功率传输极限或最大传输容量有关，而且比它们涉及的范围更宽， 不仅需要计算某一输电线路、重要断面或母线节点的a t c ，甚至还需计算同一时刻多条输 电线路、多个重要断面或多个母线节点的a t c 。此外，a t c 还融入了电力市场的特征，取决 于市场交易量大小、交易地点及交易合同的持续时间。因此虽然a t c 的概念本身并不复杂， 2 第一章绪论 但它涉及的方面却很广，这增加了a t c 计算的难度，同时也使a t c 在电力市场中的作用更 大，应用范围更广。 1 2 2a t c 的计算原则 a t c 是一技术特性尺度，用来衡量互联输电网络如何运行以满足商业性输电服务要 求，因此必须满足一定的原则，以平衡技术上的可行性和商业上的经济性的问题。a t c 必 须准确反映输电网络的实际使用情况，同时计算又不能太复杂，以避免限制了商业上的经 济性。a t c 的计算需满足如下要求“1 ： 1 、a t c 的计算结果必须在经济上是可行的。计算得到的a t c 数值必须是可用且可靠的。 2 、a t c 的计算必须在整个互联输电网络上实时考虑时变的潮流分布。此外，必须从可 靠性出发考虑整个互联网络上同步传输( s i m u l t a n e o u st r a n s f e r ) 和并行路径潮流 ( p a r a l l e lf l o w ) 的影响。 3 、a t c 的计算必须考虑a t c 与功率注入点、穿越互联网络的传输路径和功率流出点之 间的关系。所有部门必须提供必要的、充足的信息用于计算a t c 。 4 、为形成和发布所有合理的a t c 计算的信息，各互联子区域需要适当且必要的合作。 5 、a t c 的计算必须遵守n e r c 、以及各区域、电力联合组织等的标准、安全规划和运行 政策等：同时需要考虑预想事故的情况。 6 、a t c 的计算必须考虑系统状态中合理的不确定性因素，并且提供一定的裕度以确保 互联输电网络的可靠运行。 1 2 3a t c 的地位和作用 在电力市场中a t c 的地位和作用体现在以下几个方面： 首先，a t c 可以减少输电网在实时运行中发生阻塞的概率。 其次，a t c 可以作为输电网裁减交易，消除阻塞的标准。当系统出现阻塞之后，电网 管理员可以依据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，裁减影响程度 大的交易，以便从技术上消除阻塞。 第三，a t c 在电力市场条件下，衡量某一时刻输电网的特定断面对市场交易还可提供 的最大传输能力。它随时间的推移，电网结构的变化和断面的不同而改变。 第四，a r c 可用来判断系统的安全性能，如系统某区域内部有机组停运，需从其它区 域汲取电能以维持区域电力平衡，与区域间传输能力很小的系统比较，传输能力大的系统 具有更强的鲁棒性和灵活性。 第五，交易双方利用实时发布的a t c 信息可获得更大的经济利益。 最后，a t c 还可为电网规划建设提供具体的信息，为提高系统的可靠性和经济性服务。 而且a t c 在电力市场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。 1 3 a t c 的计算方法及研究现状 近几年出现了不少关于a t c 计算方法的文献，散见于国内外期刊杂志和会议论文集。 它们大多是基于n e r c 定义的a t c 的体系框架之上，大体上可以分为确定性的求解方法和概 率性的求解方法两大类。 币g 用确定性方法计算a t c ，其实质就是在给定的发电机节点( 群) 和负荷节点( 群) 上， 东南大学硕士学位论文 分别增加送、受电量。然后解潮流方程，并检查是否有线路过载或别的越限情况发生，重 复这一过程，直到出现越限为止，得到的两节点( 群) 之间的最大电力传输与基准潮流之差 即是所求的a t e 。 在系统建模时，可以选择直流潮流模型或者交流潮流模型进行计算。采用直流潮流便 于简化计算，但由于忽略了电压和无功的影响以及系统本身的非线性，有时会导致无法接 受的错误；而采用交流潮流模型，虽然计算过程比直流潮流复杂，但计算结果要比直流潮 流精确的多。 利用确定性方法计算a t c 目前主要包括线性规划法”“、重复潮流法“、连续潮流 法”1 、最优潮流法。1 、灵敏度分析法+ 1 1 等。 另一方面，电力系统运行中大量的不确定因素，如负荷的变化，发电机装机及出力计 划的变化以及设备故障退出运行等，都会对a 亿的数值造成很大的影响。对此，可以采用 能记入不确定性影响因素的潮流分析方法，将直接能处理不确定变量的概率论等概念引入 潮流分析计算中，即是所谓的概率性方法。 目前，利用概率性方法求解a t c 问题主要有3 种方法，即基于概率潮流的方法。“、 将系统状态枚举法和优化算法相结合的方法”1 以及将蒙特卡洛模拟法和优化算法相结合 的方法“， 1 3 1 确定性方法 ( 1 ) 线性规划法 线性规划法通常把整个问题分解为有功功率和无功功率两个子优化问题。在求解方法 上，大都采用分段线性或逐次线性化逼近非线性规划问题，然后利用线性规划方法求解。 文献r 9 使用直流潮流模型，考虑各种安全约束条件，利用线性规划的方法计算a t c 。 由于算法基于直流潮流，忽略了电压和无功的影响，不适用于缺乏无功支持和有效电压控 制的重负荷系统。文献 1 0 介绍了一种基于直流潮流的灵敏度分析法用来计算a t c ，计算 速度快，结果较准确、实用。但由于其只考虑线路热稳定约束，未计及电压和无功的影响， 所以其可靠性受到质疑。 ( 2 ) 重复潮流法 重复潮流法又叫常规潮流法。这种方法基于常规交流潮流，计算中可以考虑节点电压 限值约束，支路过负荷约束以及其它可能的稳定约束。其要点是按给定的功率增长模式， 以某一步长逐渐增加负荷侧的负荷，同时相应增加发电侧的出力，直到某一物理不等式约 束起作用为止。 为了加快计算速度，可以对重复潮流计算做一定的改进，将支路过负荷约束和电压约 束分开考虑。首先采用线性分布因子法，逐步增加受电侧的负荷和发电侧的出力，直至有 支路过负荷为止。然后采用交流潮流计算求得的运行点下各节点电压，检查是否有电压越 限的现象发生，如果有，则逐步减少受电侧的负荷和发电侧的出力，直到电压越限现象消 失为止。 r p f 计算a t c 的方法原理简单，可以计及系统的电压和无功的影响，计算结果能较好 的反映实际运行状况。但由于按给定的功率增长模式，不考虑系统无功和电压的分布优化， 这可能会使a t c 的计算结果略为保守；此外需要重复计算系统交流潮流方程，考虑“h i - 1 ” 静态安全约束时计算量大，不适合大系统的在线应用。 ( 3 ) 连续潮流法 连续潮流法原来主要被用于研究静态电压稳定问题，当它被用来计算a t c 时，方法是 从基本潮流开始，在指定方向上，逐步增加送电区的发电机有功出力和受电区的负荷， 4 第一章绪论 连续求解潮流，直到系统达到静态电压稳定极限，即临界最大潮流点。 c p f 方法一般分为2 类：参数化连续潮流法和非参数化连续潮流法。在a t c 计算中一 般采用非参数化连续潮流法，通过预测校正格式克服潮流在极限点收敛困难的问题。为 了加快计算速度，可以使用一些计算技巧，如每次更新雅可比矩阵时仅改动变化较大的状 态变量对应的元素，对于预想事故的处理可以采用并行算法等1 。 文献 1 5 比较全面的介绍了有关连续潮流的计算。文献 1 6 给出一段时间内在一系列 电源负荷传输方案下使用连续潮流方法求解a t c 。文献 1 7 将原一对偶内点法与连续潮流 法相结合，利用前者的优化结果和后者能够追踪系统运行过程中各离散事件变化细节的特 点，既能有效的提高系统的输电能力又能模拟系统运行，是传统连续潮流法的改进。但由 于c p f 在负荷量和发电量增加时，采用的是一个公共负荷因子忽略了发电和负荷的优化分 布，可能导致a t c 计算趋于保守。 ( 4 ) 最优潮流法 最优潮流法是将传输容量的计算描述为一个非线性优化问题，它能方便的考虑节点电 压、发电机出力、线路潮流等约束，确保了计算结果的准确性。文献 1 8 对使用最优潮流 法计算a t c 进行了详细的阐述，并给出了计算a t c 的六种等价的目标函数。最优潮流法通 常把区域间的传输容量最大设为目标函数，等式约束为潮流方程，将线路容量约束、发电 机出力约束以及节点电压约束作为不等式约束，从而将a t c 计算转化为一个非线性优化问 题。 最优潮流法的数学模型可以表示为： m a x 厂( x ) “ g ) = 0 ( 卜2 ) 矗( x ) 0 其中，厂( 为目标函数，例如受电区所有负荷节点的功率之和；g ( x ) 为潮流平衡约束； 厅 ) 表示各种不等式约束。 基于最优潮流的k f c 计算方法同连续潮流法相比，对约束条件有更强的处理能力，理 论上可以处理各种约束，还可以进行有功和无功优化，计算结果更准确。另外，由于易于 借鉴利用最优化方法研究的最新成果，如改进粒子群算法。等智能算法，因而最优潮流法 在a t c 计算中得到了广泛的应用。该类方法的缺点主要是：较难考虑系统稳定性这样的动 态安全约束：所获得的最优运行点可能是一个理想的结果，实际运行中难以达到。 ( 5 ) 灵敏度分析方法 灵敏度分析方法利用系统中某些量的变化关系分析问题。目前，用于a t c 计算的灵敏 度系数主要有支路开断分配系数b o d f ( b r a n c ho u t a g ed i s t r i b u t i o nf a c t o r ) 、功率传输 分配系数p t d f ( p o rt r a n s f e rd i s t r i b u t i o nf a c t o r ) 、发电机停电分配系数 g o d f ( g e n e r a t o ro u t a g ed i s t r i b u t i o nf a c t o r ) 。这些灵敏度系数是在系统的直流模型基 础上获得的，它们只与电网的结构有关，而与系统的运行状态无关。因此对于某一具体系 统而言，无论网络结构有多复杂，它们都可以预先计算。所以基于灵敏度分析法的a t c 计 算通过运用b o d f ，p t d f ，g o d f 三种灵敏度系数便可快速计算出特定断面的a t c 。 灵敏度分析法的最大优点是当市场交易变化后，当电网的支路断开或发电机中断后， 以及电力市场的其它因素改变后，它可以快速计算出影响因素对a t c 的作用，从而在系统 状态改变后，获得特定断面的a t c 。然而该方法的快速性是以牺牲一定的准确度为代价的， 灵敏度系数只能反映各变化因素与a t c 之间的线性关系，不能计及各变化因素与a t c 之间 的非线性变化，更不可能考虑所有因素对a t c 的共同影响。因此在实际使用过程中，该方 法往往要求从某一准确的a t c 出发，只计入各因素在此基础上的微小变化，从而快速且准 5 东南大学硕士学位论文 确地获得新状态下的a t c 。因而该方法可与其它高精度，但耗时长的方法配合使用，如连 续潮流法、最优潮流法等。 1 3 2 概率性算法 ( 1 ) 基于概率潮流的方法 在基于概率潮流的方法中，不确定性变量被表示为呈一定概率分布的随机变量，根据 输入的随机变量的概率特性，求出随机变化的电网潮流的概率特性，并依此进行a t c 的计 算分析。概率潮流方法所选择的数学模型具体如下： jr 2 厂( 2f ( x 1x 2 ，屯，x n ( 1 - 3 ) 【z = g ( x ) = g ( x l ，工2 ，x 3 ，) 其中，y 为输入的随机变量向量( 如节点注入的有功、无功功率等) ，五为状态随机变 量向量( 如节点电压幅值、相角等) ，z 为输出的随机变量向量( 如线路潮流等) 。概率潮 流方法的计算任务就是利用概率统计原理，根据r 的均值、方差及概率密度函数来确定x 和z 的均值、方差及概率密度函数，求解出线路的潮流分布概率，从而确定出线路的a t c 水 平。 。 其具体的求解方法主要有蒙特卡罗模拟法和解析法两种。前者具有较小的局限性，但 却需要经过大量的模拟实验，耗时长；对于解析法，由于变量的随机性及潮流方程的非线 性，要真正求出概率潮流的精确解非常困难，因此，常作一些合理的假设使问题简化，如 假设各节点注入功率相互独立、节点负荷用正态分布的随机变量描述等。 ( 2 ) 将系统状态枚举法和优化算法相结合的算法 该方法主要采用数学枚举的思想，将系统的状态一一枚举，同时又与优化算法相结合， 从而求出线路的a t c 。在该方法中，由于枚举法的指数时间特性，使其无法适用于大系统 的研究，因而从目前来看，还不具有实际意义。 ( 3 ) 将蒙特卡罗模拟法和优化算法相结合的算法 该方法实际上是对前者的改进，与系统状态枚举法相比，蒙特卡罗模拟法能方便的处 理输电网络中数目庞大的不确定性因素，而且计算时间不随系统规模或网络连接复杂程度 的增加而急剧增加，因此，对大型电网a t c 的计算有重要的实用价值。 该方法所选择的数学模型可以为： max弓(1-4) n 其中只，为指定发电机节点( 群) 的送电量或负荷节点( 群) 的受电量，在某个系统状态下，分 别增加送电量和受电量，直至约束条件处于临界状态，则利用此优化模型求出的送电量或 受电量的增加值即为所求的a t c 。 该方法的实施可以分为系统状态的模拟和a t c 的计算。其中系统状态的模拟可采用符 合二项分布的变量，分别描述发电机运行与否和线路故障与否；a t c 计算可以采用灵敏度 分析的方法，找出节点注入功率与线路潮流之间的关系，在临界状态下，利用线路潮流的 变化量可以求出节点注入功率的变化量，即相应的a t c 。 6 第一章绪论 1 4 论文研究内容及章节安排 1 4 1 研究内容 随着我国电力市场化改革不断深入，特别是随着区域电力市场的不断建设，a t c 作为 一种区域间功率交换能力的最直观表现，正越来越受到人们的重视，针对a t c 研究的文章 层出不穷。然而，综观这些文章，绝大多数都将研究的重点放在了如何计算a t c 的算法本 身，而对电力市场环境下a t c 中所包含的经济性因素研究较少，从而大大降低了这些算法 在电力市场环境下的实用性。 本文针对当前a t c 研究中存在的上述问题，分别应用基于蒙特卡洛模拟的短期a t c 预测算法和考虑社会效益最大化的a t c 算法对日前交易市场和实时交易市场中的a t c 实 用化计算进行了研究，并在两种算法中加入了对市场环境下经济性因素的考虑，并对两种 算法分别进行了算例分析，算例结果表明了两种实用化a t c 算法的合理性。 1 4 2 章节安排 全文安排如下： 第一章绪论 首先介绍a t c 的基本概念，包括a t c 的背景、定义、计算原则以及地位和作用，然 后对当前a t c 的主要计算方法和研究现状进行了综述，最后简要说明了本论文的主要研究 内容及章节安排。 第二章基于序列二次规划法的最优a t c 计算 详细介绍一种基于序列二次规划法的最优a t c 计算方法。该章首先介绍了传输容量计 算的基本原理，随后给出了基于最优潮流的传输容量计算数学模型，然后运用序列二次规 划法对该数学模型进行了计算。该章详细介绍了序列二次规划法，以及采用序n - - 次规划 法计算a t c 的具体步骤。该章使用该算法对i e e e - 2 4 系统进行了算例分析，结果表明了该 算法的有效性。 第三章基于蒙特卡洛模拟的短期a t c 预测计算 针对日前交易市场，介绍了一种基于蒙特卡洛模拟的短期a t c 预测计算方法。该章首 先详细介绍了基于蒙特卡洛模拟的概率a t c 计算方法，包括蒙特卡络模拟法的系统状态选 择、概率a t c 指标的计算以及蒙特卡洛模拟法计算概率a t c 的流程。随后该章对短期a t c 预测算法进行了介绍。在短期a t c 预测算法中不仅对输电系统中的各种偶然性因素进行了 考虑，还加入了对发电侧的机组报价因素的考虑，从而使得短期a t c 预测计算的结果更符 合实际，增强了短期a t c 预测算法的实用性。该章的算例分析结果表明了该算法的有效性、 合理性。 第四章考虑社会效益最大化的a t c 计算 针对实时交易市场，介绍了一种考虑社会效益最大化的a t c 计算方法。随着我国电力 市场改革的不断发展深入，最终将从目前的发电侧单边开放走向发电，需求侧的双边开放， 实时平衡交易将成为不可缺少的、最具特色的交易形式。该章正是针对这一趋势，在a t c 的计算中同时计及发电侧和需求侧竞价，提出了一种考虑社会效益最大化的a t c 计算方 法。该章使用i e e e - 2 4 系统进行了算例分析，结果表明了该算法的有效合理性。 第五章结论与展望 对全文进行了总结并对进一步的工作进行了展望。 7 东南大学硕士学位论文 第二章基于序n - - 次规划法的最优a t c 计算 关于a t c 的计算方法，目前用得较多的是基于最优潮流( o p t i m a lp o w e rf l o w ，0 p f ) 的计算方法”。这种方法将功率交换的计算用优化问题描述，其特点是可以利用现有的各 种优化方法来求解，且可方便处理各种约束，对系统进行优化调度，很适合于a t c 的计算。 最优潮流方法将a t c 的计算描述为一个非线性优化问题，在具体求解中可以采用多种优化 算法，如线性规划法1 、内点法“”、人工神经元网络法”和b e n d e r s 分解法”1 等。本章提 出的最优a t c 的计算数学模型，主要基于序列二次规划法，并计及潮流约束、节点电压 约束、功率约束和线路潮流约束。本章用i e e e - 2 4 节点测试系统对该方法具体使用做了阐 述，同时验证了该方法的有效性和快速性。 2 1 引言 在我国即将实行的区域和跨区域电力市场模式中，建议各区域之间一般宜采用长期双 边交易的模式。快速准确地计算区域间最大交易量对于双边交易的长期稳定实施以及整个 系统的安全经济运行有重大意义。一方面，在确保系统安全运行的前提下，各区域电网公 司希望利用现有的输电网络输送更多的电力，实现全局资源优化配置。另一方面，电力市 场的各交易方也迫切关注电网的运行状态，以确保在当前运行条件下已经签订或即将签订 的交易合同的可行性和预计的经济效益。 本章模型的建立基于以下假设： 1 系统基准潮流解是可行的，对应于一个稳定运行点； 2 系统的负荷和发电机变化很慢，从而系统无暂态稳定问题，且系统有足够阻尼以保 持动态稳定； 3 在系统电压失稳前，至少有一个节点电压已达到电压上限。 在上述假定下，可忽视系统暂态稳定问题，静态安全约束校验则采用“n - 1 ”准则。文 中考虑了如下约束： 1 潮流约束； 2 节点电压约束； 3 功率约束； 4 线路热稳定约束。 本章a t c 计算模型思路如下： 1 建立a t c 计算的最优潮流模型； 2 利用序列二次规划法求解a t c 。 本章计算的双边交易下的a t c ，指的是从一个区域( 发电节点集) 向另一个区域( 负荷节 点集) 在满足上述约束的条件下可以进一步增加的最大输电能力，因此忽略了t 脚和c 删 这两个输电裕度的计算。需要说明的是，涉及到的双边交易可以是点对点的，也可以是点 集对点集的；可以是同一个区域的，或者是相邻区域的，也可以是不相邻区域的。本章所 用算例计算的是一个区域( 发电区) 到另一个区域( 受点区) 的最优a t c 值。 8 第二章基于序列二次规划法的最优a t c 计算 2 2 基于最优潮流的a t c 计算模型的建立 2 2 1 传输容量计算基本定理“” 传输容量一般基于区域计算，区域间输电断面一般由输电线路组成，并形成一个割集。 区域闻传输容量是指定区域间输电断面的最大输电容量。 图2 一l 给出一个具有5 个区域的互联电力系统，区域肌( 册= 1 , 2 ，5 ) 对外联络线形 成割集l 。在这样一个互联电力系统内，传输容量计算是在基本潮流基础上，研究特定 区域间进行电能交易所能够传输的最大电力。计算区域f 到区域_ ，的传输容量，实质是把 区域f 内发电商的电能最大限度地卖给区域_ ，内的供电商。 图2 - 1 区域互联电力系统示意图 ， 传输容量计算的一般性假设：系统在各种运行状态下具有足够的阻尼以保持系统安全 和稳定，系统具有足够大的稳定裕度以防止干扰，同时系统在失去电压稳定性前节点电压 越限。 针对具体区域f 到区域，的传输容量计算，作出以下假设： ( 1 ) 给定系统基本潮流方式； ( 2 ) 区域f 所有节点负荷固定在基本潮流，并和基本潮流相同： ( 3 ) 区域，所有发电节点固定在基本潮流，并和基本潮流相同； ( 4 ) 除去区域f 和区域，其它区域所有发电和负荷节点固定在基本潮流，并和基本 潮流相同； ( 5 ) 增加区域，节点负荷，并相应增加区域f 节点发电，直到系统出现任何限制为止。 基于以上假设，可得出以下定理： 定理：在以上假设的前提下，计算区域f 到区域，的最大传输容量，若不考虑采用不 同计算方法计算区域f 到区域，的最大传输容量结果的网损差异，则下列6 个命题等价： ( 1 ) 区域f 所有发电节点有功出力累加达到最大； ( 2 ) 区域，所有负荷节点有功出力累加达到最大； ( 3 ) 区域f 所有发电节点有功出力和区域，所有负荷节点有功出力累加达到最大； ( 4 ) 区域f 对外所有联络线输出功率累加达到最大； ( 5 ) 区域，对外所有联络线输入功率累加达到最大； ( 6 ) 区域f 对外所有联络线输出功率和区域，对外所有联络线输入功率累加达到最 9 东南大学硕士学位论文 大。 2 2 2 基于最优潮流的传输容量计算数学模型 基于o p f 计算指定区域间传输容量，例如计算区域f 和区域_ ，在基本潮流基础上的传 输容量，其形成的o p f 问题，等式约束为潮流方程，不等式约束包括节点电压约束、节点 发电和负荷约束、支路潮流约束等。对于目标函数，计算区域f 到区域，的传输容量，可 以定义为上述定理给出的6 种情况。 对于系统内区域| i ( _ i = 1 ，2 ，m ) ，设其对外联络线集合表示为k ；发电节点集合 表示为r k ；负荷节点集合表示为r 0 。对于节点i ( i = 1 , 2 ，) ， 其有功无功发电分别 表示为p a ，g g f ；有功、无功负荷分别表示为p ，曰工f 。对于线路玎，其有功、无功潮 流分别表示为p d ，劬则采用的6 种目标函数可分别表示为： ( 1 ) 极大化区域f 所有发电节点有功出力累加值： 值： z = m a x ( p 傩) t e ( 2 ) 极大化区域_ ，所有负荷节点有功出力累加值： 厶= m a x ( p ) i e ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 3 ) 极大化区域f 所有发电节点有功出力和区域，所有负荷节点有功出力累加值： 六= m a x ( p 6 k + p 。) k e k，e 屯 ( 4 ) 极大化i 苎域i 对外所有联络线输出功率累加值： 工= m a x ( p ，) p e b ( 5 ) 极大化区域，对外所有联络线输入功率累加值： 六= 一m a x ( p f ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 6 ) 极大化区域f 对外所有联络线输出功率和区域j 对外所有联络线输入功率累加 以= m a x ( 岛岛) f e b口e b ( 2 6 ) 对于计算区域f 到区域，的传输容量的o p f 问题，其等式约束为潮流约束，不等式约 束包括节点电压约束，节点发电和负荷约束、支路潮流约束等。 1 0 第二章基于序列二次规划法的最优a t c 计算 设节点f 的电压幅值为k ；电压相角为只；电压幅值最小、最大限值分别表示为v , m ， 巧一；有功发电最小、最大限值分别表示为p o t ，p 芋；无功发电最小、最大限值分别 表示为g 乎，g ；有功负荷最小、最大限值分别表示为p 字，p ：无功负荷最小、最 大限值分别表示为g 字，g 。节点导纳矩阵元素为g p + ，；线路扩首、末端潮流有功 功率分别表示为p ；，p ；，功率限值表示为磊。在实际计算中，需要考虑按照a t c 的计 算原则新增的电能交易，不能影响已有的电能交易，即原有负荷及发电机有功出力不能因 为新增交易而削减。 潮流约束 f 一p 。= k _ ( g ，c o s 0 , ，+ 岛s i n o ，) =( 2 7 ) l q 。- q 。= 巧巧( g ，s i n o ，一日c o s o ，) 7 l j e 功率约束 v , ms k k f p 警- p g f p 1 9 訾g 西g 嚣“ 髂三0 等 线路潮流约束 p 严岛p 7 “ 2 3 序列二次规划法及其求解a t c 的步骤 2 3 1 序列二次规划法简介 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 序列二次规划( s q p ) 方法已被证明为求解有约束非线性规划问题的有效方法之一。本 章将采用s o y 方法求解上述的o p f 问题。首先建立优化问题相应的拉格朗e t 函数，然后将 它转变为近似的二次规划( q p ) 子问题。通过迭代，即不断求解近似的q p 子问题，可以证 明相应的q p 子问题解序列收敛到最优解。基于k u h n - t u c k e r 条件，q p 子问题是通过有最 东南大学硕士学位论文 优步长搜索的拟牛顿法来求解。有关的数学模型及求解过程如下。 对于一般的非线性优化问题 r a i n 厂( 力 盯g 。( 功= 0f = 1 , 2 ，栉 ( 2 - 1 2 ) 一( x ) 0j = l ，2 ，所 相应的拉格朗日函数为： o ) = ，( x ) + x , g ，( x ) + 九+ ，吩( x ) ( 2 1 3 ) i = i i = i 这里a 为相应的第f 个约束的拉格朗日乘子。若对厂( x ) 在初值处进行泰勒级数展 开，取二次函数逼近，并对晶( x ) ，( x ) 作线性逼近，可以定义相应的近似二次规划( q p ) 子问题，并可以证明q p 子问题等价于如下定义的另一个q p 子问题： 幽w t ( x d s k + 毛s ；郾k s t & ( 以) + v 矿( 靠) 以= 0i = 1 , 2 ，行 ( 2 1 4 ) h j ( x k ) + v h f ( x i ) 0 ，= l 2 ，m 该q p 子问题的解向量即为x 的优化搜索方向。式( 2 一1 4 ) 中k 为迭代次数，h t 为正 定矩阵，初始化时为单位矩阵，经过迭代可收敛到式( 2 1 3 ) 的拉格朗日函数的实海森矩阵。 显然，x 修正方程应为： x k + 12 x k 1 - a 删& ( 2 - 1 5 ) 这里a q 为最优化搜寥方向的最优步长，a 应使相应的以“为下列一维最优问题 的解： 咿厂) + 善+ j = l 九+ ，m a x 【( 0 ，懈+