（电力系统及其自动化专业论文）电力系统最优安全控制和安全性定价.pdf

摘要 s u p p l yf u n c t i o r le q u i l i b r i u m ，l s f e ) 理论相结合，设计了一种激励相容 的电力系统安全性市场运行机制线性供应函数激励显示机制。该机制 能鼓励和引导所有追求利润最大化的参与者披露真实的经济信息。而且参 与者是否披露真实的经济信息与其它所有参与者的行为无关。依该机制， i s o 在最优安全控制和安全性定价时能进行准确的决策。对所设计的运行 机制的有效性，从理论上作了证明。 4 基于l s f e 理论提出了一种计及信息不对称和输电系统约束的计算 参与者l e r n e r 指标的方法，为监视参与者是否披露真实的经济信息提供了 另外一种有效的工具。 以上所提最优安全控制和安全性定价模型及算法、线性供应函数激励 显示机制和l e r n e r 指标计算方法的合理性和有效性己分别用新英格兰1 0 机3 9 节点系统、i e e e3 机9 节点系统和一个拥有4 个参与者的算例进行 了验证。 关键词：电力系统，安全控制，安全性定价，实用动态安全域，博弈论 机制设计，市场势力 i i 墨堡查堂堕主堂垡笙茎 a b s t r a c t p o w e rs y s t e ms e c u r eo p e r a t i o ni sam o m e n t o u sp r o b l e mr e l a t i n gt ot h en a t i o n a l e c o n o m y a n dt h ep e o p l e sl i v e l i h o o da n de v e nn a t i o n a ls e c u r i t y s i n c et h ee i g h t i e so f t w e n t i e t h c e n t u r y , w i d e s p r e a d b l a c k o u td u et o p o w e rs y s t e mi n s t a b i l i t y o c c u r s f r e q u e n t l yo v e r t h ew o r l d s ot h eo n - l i n es e c u r i t ym o n i t o r i n g ，a s s e s s m e n ta n dc o n t r o l b e c o m em o r es i g n i f i c a n tw h i c hi sr e g a r d e da st h em o s ti m p o r t a n tl i n eo fd e f e n s eo f p r e v e n t i n gs e r i o u sb l a c k o u ta sa r e s u l to fp o w e rs y s t e mi n s t a b i l i t y i tl a c k s ，h o w e v e r , i m p e l l i n ga n ds y s t e m i c m e t h o d st h a tc a nb ea p p l i e di nt h eo n l i n es e c u r i t ym o n i t o r i n g ， a s s e s s m e n ta n dc o n t r 0 1 t h es e c u r eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e mr e l a t e st os t a t i c s e c u r i t ya n dt r a n s i e n t s t a b i l i t y , a n d t h et r a n s i e n t s t a b i l i t y i st a k e na sa ni l l u s t r a t i v ec o n d i t i o ni nt h i s d i s s e r t a t i o n t h et r a n s i e n ts t a b i l i t yo f p o w e r s y s t e m i su s e dt ob ea n a l y z e df o ra g i v e n p r e - f a u l ti n j e c t i o nb yu s i n gt r a n s i e n ts i m u l a t i o nm e t h o do rt r a n s i e n te n e r g yf u n c t i o n m e t h o d t h ec o m p u t a t i o nb u r d e no fm a k i n gd e c i s i o no ft h eo p t i m a ls e c u r i t yc o n t r o l w i t ht h e s em e t h o d si ss oh i g ht h a ti ti sd i f f i c u l tt ob ea p p l i e do n l i n e t h ef a c to ft h a t t h ec r i t i c a l b o u n d a r yo fp r a c t i c a ld y n a m i cs e c u r i t yr e g i o n ( p d s r ) i nr e a lp o w e r s y s t e m sc a n b ed e s c r i b e da so n eo raf e w h y p e rp l a n e si ni n j e c t i o ns p a c ep r o v i d e sa n e f f e c t i v et o o lf o ro p t i m i z i n gs e c u r i t yc o n t r 0 1 b a s e do nt h ep d s a n o p t i m a ls e c u r i t y c o n t r o lm o d e la n d a l g o r i t h ma r ed e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w h i c ha r ep o t e n t i a li n o n - l i n ea p p l i c a t i o n d u et ot h ed e r e g u l a t i o no fe l e c t r i cp o w e rm a r k e ti nc h i n a ，p e o p l e h a sp a i dm o r ea t t e n t i o nt ot h es t u d yo f s e c u r i t yp r i c i n gw h i c h i sr e g a r d e da sav a l i d s t r a t e g y f o r e n h a n c i n gs y s t e ms e c u r i t y i nd e r e g u l a t e d e l e c t r i c p o w e rm a r k e t s ， h o w e v e r , p r i c ef u n c t i o n ss u b m i t t e db yp a r t i c i p a n t sw h oa t t e m p tt om a x i m i z et h e i r o w nb e n e f i t sd i f f e rp r o b a b l yf r o mt h e i rt r u ec o s tf u n c t i o n s t h i sc a nl e a di n d e p e n d e n t s y s t e mo p e r a t o r ( i s o ) m a k i n gw o r s ed e c i s i o no fs y s t e ms e c u r i t yc o n t r o lo rs e c u r i t y p r i c i n g t h ep r o b l e mo fh o wt o i n d u c ep a r t i c i p a n t st or e v e a lt h e i rt r u ee c o n o m i c i n f o r m a t i o nm u s tb es o l v e dt or e a l i z et h eo p t i m a ls e c u r i t yc o n t r o la n d s e c u r i t yp r i c i n g m e c h a n i s md e s i g nt h e o r yi ng a m et h e o r yh a sp a r t i c u l a rp r e d o m i n a n c ei nr e s p e c to f d i s c o v e r i n ge a c hp a r t i c i p a n t st r u ee c o n o m i ci n f o r m a t i o n b a s e do nt h em e c h a n i s m d e s i g nt h e o r y , an o v e ls e c u r i t ym a r k e to p e r a t i o nm e c h a n i s mo fp o w e rs y s t e mi s d e s i g n e dw h i c hc a ni n d u c ep a r t i c i p a n t st os u b m i tt h e i rt r u ec o s tf u n c t i o n s t h em a i n r e s u l t sr e a c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ec o n c e p to fp d s r ，am o d e lf o rm a k i n gd e c i s i o no fo p t i m a l s e c u r i t y c o n t r o la n ds e c u r i t y p r i c i n g o fp o w e rs y s t e mi s s u g g e s t e d w i t h t a k i n g t r a n s i e n t s t a b i l i t yc o n s t r a i n t s ，c o n t i n g e n c y o c c u r r e n c e p r o b a b i l i t y a n d s y s t e m i n s t a b i l i t yi m p a c ti n t oa c c o u n t t h eo b j e c t i v eo f t h i sm o d e li st or e a c ht h em a x i m u m i l i a b s t r a c t o f s o c i e t yw e l f a r et h r o u g hs e a r c h i n go p t i m a lc r i t i c a lc o n t i n g e n c y s e t t h eo u t p u t so f t h i so p t i m i z a t i o np r o b l e ma r eo p t i m a lc a p a c i t yr e s e r v ea n do p t i m a lr e d i s p a t c hp o w e r o f e a c h p a r t i c i p a n t 2 ，b a s e do nt h ed u a l i t yp r i n c i p l eo f o p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g ya n d t h ec o n j u g a t e p r o j e c t i o ng r a d i e n ta l g o r i t h m ，ah y b r i dc o n j u g a t ep r o j e c t i o ng r a d i e n to p t i m i z a t i o n a l g o r i t h mo fo p t i m a ls e c u r i t yc o n t r o li sa l s od e v e l o p e d ，w h i c hh a sg r e a tp o t e n t i a li n s a t i s f y i n gt h er e q u i r e m e n to f o n l i n ea p p l i c a t i o no ft h eo p t i m a ls e c u r i t yc o n t r o la n d s e c u r i t yp r i c i n go f p o w e rs y s t e m 3 c o m b i n i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo fm e c h a n i s md e s i g ni ng a m et h e o r yw i t h l i n e a rs u p p l yf u n c t i o ne q u i l i b r i u m ( l s f e ) t h e o r y , a ni n c e n t i v ec o m p a t i b l eo p e r a t i o n m e c h a n i s mo fp o w e rs y s t e m s e c u r i t ym a r k e t ，l i n e a rs u p p l y f u n c t i o ni n c e n t i v e r e v e l a t i o nm e c h a n i s m ，i ss u g g e s t e d i ti s c a p a b l eo fe n c o u r a g i n ga n di n d u c i n ga l l p a r t i c i p a n t st op r e s e n t t h e i rt r u ee c o n o m i ci n f o r m a t i o n f u r t h e r m o r e ，w h e t h e ro rn o ta p a r t i c i p a n tp r e s e n t si t s t r u ee c o n o m i ci n f o r m a t i o ni s i n d e p e n d e n to f t h ea c t i o n so f o t h e rp a r t i c i p a n t s b yu s i n gt h em e c h a n i s mp r e s e n t e dh e r e ，i s oc a nm a k e c o r r e c t l y d e c i s i o n sa b o u tp o w e rs y s t e mo p t i m a l s e c u r i t yc o n t r o la n ds e c u r i t yp r i c i n g t h e e f f e c t i v e n e s so f t h em e c h a n i s mi sp r o v e d t h e o r e t i c a l l y 4 b a s e do nl s f et h e o r y , am e t h o di sd e v e l o p e dt oc a l c u l a t et h el e m e ri n d e x o fp a r t i c i p a n t sw i t h t a k i n g i n f o r m a t i o n a s y m m e t r y a n dt r a n s m i s s i o nn e t w o r k c o n s t r a i n t si n t oa c c o u n t i tp r o v i d e sa n o t h e re f f e c t i v et o o lt os u r v e i l l ew h e t h e ro rn o t p a r t i c i p a n t sh a v ep r e s e n t e d t h e i rt r u ee c o n o m i ci n f o r m a t i o n t h er a t i o n a l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h em o d e la n dt h ea l g o r i t h mo fo p t i m a l s e c u r i t yc o n t r o la n ds e c u r i t yp r i c i n g ，t h el i n e a rs u p p l yf u n c t i o ni n c e n t i v er e v e l a t i o n m e c h a n i s ma n dt 1 1 em e t h o dt oe a l c u l a t e 廿1 el e m e ri n d e xm e n t i o n e da b o v ea r e r e s p e c t i v e l yd e m o n s t r a t e db yt a k i n gt h e1 0 一m a c h i n e s - 3 9 - b u s e sn e we n g l a n ds y s t e m ， t h ei e e e3 - m a c h i n e s 9 - b u s e ss y s t e ma n da4 - p a r t i c i p a n t se x a m p l ea st h ei l l u s t r a t i v e s y s t e m s k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ；s e c u r i t yc o n t r o l ；s e c u r i t yp r i c i n g ；p r a c t i c a ld y n a m i c s e c u r i t yr e g i o n ；g a m et h e o r y ；m e c h a n i s md e s i g n ；m a r k e tp o w e r l v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果，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 天生大鲎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：起义术 签字日期：即吗年2 月7 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 苤注盘鲎有关保留、使用学位 论文的规定。特授权墨查盘堂可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：起艾火 导师签名 妥畦锫 签字日期：如哆年f 1 月t9 日 签字日期：哆年i2 月，日 ， 天津大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 什么是电力市场? 简单的讲，电力市场是一种管理机制。在电力工业 中引入市场机制就是要打破传统的垂直统一的管理运行机制，引进竞争， 以达到降低成本，提高效率，优化电力资源配置的目的。电力市场机制与 传统的行政命令机制不同，它对电力工业的管理主要采用经济手段而不是 行政命令手段i i - s j 。 当前，电力市场是世界各国电力工业改革的大趋势。近百年来，由于 电力工业自身存在的规模经济( e c o n o m i e so fs c a l e ) 特性，在世界各国都 是一个自上而下的垄断性行业。一个电力公司经营其所在地区的发电、输 电和配电等各项业务。在垄断经营模式下，一方面，电力公司缺乏高效率 运行的动机，这在一定程度上延缓甚至阻滞了电力工业技术创新的步伐； 另一方面，电力工业的垄断运行必然会受到政府或其它机构的管制 ( r e g u l a t i o n ) ，对如此庞大的、复杂的电力系统进行管制十分困难，在某 种意义上，甚至可以说是不可能的i l ，2 】。2 0 世纪9 0 年代电力工业不断涌现 的新技术也促使电力市场得以蓬勃发展。从电力系统本身讲，高效率、低 投资的发电技术，以及不断应用的可再生能源技术，降低了规模经济效益， 从而使发电侧的竞争成为可能【6 j ；不断进步的分散控制、柔性交流输电系 统( f a c t s ) ，也将为系统运行提供更加丰富的调控手段【7 l ；输电技术的发 展和输电网络的强化，一方面使得一个区域的发电商参与另一个区域的发 电竞争成为可能( 发电侧竞争) ，另一方面也使得一个区域的电力用户从另 一个区域购电成为可能( 用户侧竞争) ；从计算机技术和信息技术的角度讲， 计算机通信和计算能力的提高、人机交互技术的飞速发展，尤其是i n t e r n e t 相关技术的日趋成熟，为建设电力市场奠定了良好的基础阶1 0 。 为什么要建立电力市场? 2 0 世纪7 0 年代末，智利首先实行电力市场 改革，以消除其电力行业的腐败、低效和缺乏资金的状况，从此拉开了世 界各国电力工业改革的序幕【1 l ，”】。8 0 年代末9 0 年代初启动的英国电力市 场令人看到了市场体制的巨大的潜在效益，为世人所瞩目 1 3 j 4 。从9 0 年 第一章绪论 代起至今，世界上己形成了电力市场改革的潮流。阿根廷、美国、加拿大、 澳大利亚、欧盟各国、斯堪的纳维亚半岛( 包括北欧的瑞典、丹麦、挪威 等国家) 以及中国、日本等亚洲国家和部分非洲国家( 如南非) 都进行了 不同程度的电力市场化尝试【1 5 2 2 1 。但是，世界各国电力工业改革的原因和 动力有所不同，可大致分为以下几类o 】： 1 )电力市场是吸引投资的重要手段。对大部分发展中国家，电力工业因 为缺乏资金而严重缺电，通过建立电力市场可吸引大量投资( 包括外 资) ，以满足不断增长的电力需求。如智利和阿根廷。 2 )部分发达国家建立电力市场的目的主要是在电力工业内部引进竞争 机制、改进管理，以挽救由于垄断经营而渐渐失去活力的电力工业。 如英国和美国。 3 ) 部分国家和地区建立电力市场，是为了实现电力的经济交换和备用支 援。如斯堪的纳维亚半岛的电力市场( n o r dp 0 0 1 ) 和欧盟内部电力市 场( i e m ) 。 大规模区域电网互联和市场化体制改革是当前我国电力工业发展的两 大趋势。2 0 0 2 年底，我国国家电力公司已重组为两家电网公司和5 家发电 公司，这标志着我国电力市场改革也已进入到实质性阶段。 在强调电网互联和体制改革给电力工业带来巨大经济效益的同时，也 要注重它们对电力系统的安全和经济运行提出的严峻挑战：一方面，我们 至今仍缺乏对跨大区互联电网这样复杂的电力系统的运行经验；另一方面， 电力市场也使电力系统的安全和经济运行面临更为复杂的不确定性因素。 在传统的垂直统一管理模式下，整个电力系统的发电、输电、配电和 供电是统一管理和统一调度的，运行方式安排相对比较简单，系统的安全 和经济运行容易得到保证。 但在竞争性的电力市场环境下，由于：发电和电网分离，成为独立 核算的、以利润最大化为主要目的的经济实体，在用户侧开放的电力市场 中，用户也由被动的电力负荷成为具有能动性的市场成员，发电商和用户 都不再无偿的提供系统安全运行服务【2 3 1 ；电力市场通常是一个寡头市 场，同时电力需求弹性较低，甚至为零。在这种场景下，拥有较大市场份 额的发电商具有一定的市场势力( m a r k e t p o w e r ) ，它们对市场电价以及市 2 天津大学博士学位论文 场上的能量供给具有很大的控制能力，它们的报价通常远远高于它们真实 的边际生产成本。经济学告诉我们，在完全竞争市场中，价格等于边际成 本，市场效率高，而在非完全竞争市场( 比如电力市场) 中，由于生产者 市场势力的作用，价格往往高于边际成本，降低了市场效率【2 4 j ；不仅如此， 发电商还具有针对输电约束的博弈行为，比如区域内发电商通过调整它 所拥有的机组的报价和出力，使得在完全竞争环境下原本不会阻塞的区域 间联络线运行在它的传输功率的最大值，从而达到阻止区域外发电商参与 本区内的发电竞争、增加区域内发电商经济利润的目的；电力交易瞬息 万变，系统运行的不确性因素增加。因此可以说，电力市场化改革使电力 系统的安全和经济运行更加复杂化。电力调度既要保证系统的安全运行， 又要保证公平竞争，提高系统的经济性，如何协调电力系统的安全性和经 济性，即寻找安全性和经济性的平衡点，是当前电力系统研究的重要问题 之一。 2 0 0 3 年8 月1 4 日，北美东部电力系统发生了一连串的相继开断，最 终导致了系统失稳，酿成了有史以来最大规模的停电灾难( “8 e 1 4 ”大停电) ， 造成的经济损失多达3 0 0 亿美元 2 “。这次大灾难不仅反映了现代互联的大 电力系统一旦失稳所导致的后果的严重性，而且也暴露了当前的电力系统 安全运行规则和电力市场运行规则在处理这种偶然事件时的孤助无力：没 有实施在线稳定量化分析和决策支持；没有统一的调度，缺乏信息的合理 共享；监管和市场规则没能激励出足够的可用发电容量和可用输电容量等。 “亡羊补牢，为时未晚”，深入研究酿成这次大灾难的机理，找出并修正电 力系统在当前安全运行机制和经营机制等方面存在的缺陷，才能杜绝再一 次停电灾难的发生。这再一次表明电力市场化改革必须进一步强调系统安 全性的提高。如何通过竞争性机制来获得足够的、合理分布的备用容量? 如何进行最优安全控制? 如何改进竞争环境下的市场监管方式，有效的监 视和抑制参与者( 包括发电商和用户) 的市场势力，并引导它们披露真实 的经济信息，以便于最优安全控制的实施? 等问题再次引起了当前广大电 力工作人员和研究学者的广泛关注。这些问题也正是本文要着重研究和解 决的问题。对这些问题的研究对于指导我国电力市场环境下的跨大区互联 电网的安全、经济运行具有很大的实用价值。 3 第一章绪论 1 2 电力市场中新出现的几个概念 1 2 1 电力市场中的用户 在传统的电力系统中，只有负荷的概念而没有真正意义上的用户的概 念。电力部门将负荷看作被动的受控终端，对负荷的管理主要采取行政手 段，在需要进行负荷限制的时候实施切负荷。虽然已逐步采用部分经济手 段如峰谷电价、超指标加价等，但作用很弱，只是作为行政手段的补充【4 1 。 在电力市场中，用户作为市场成员的一份子，和发电商、输电公司、 售电公司之间是平等的伙伴关系。如果迫不得已需要切负荷，应当给予用 户适当的补偿。另外，用户也可以选择供电方，主动参加电能的交易。 用户和供应方之间是一种既竞争又协作的关系。竞争，体现在用户可 以寻找最适合自己的供电方式和最经济的价格。供应方和用户作为竞争的 双方，最终达到一种平衡。竞争的结果是在供应方和用户之间形成一个双 方均能接受的价格。 用户和供应方之间又具有协作关系。比如，目前世界各国开始研究的 需求侧管理( d s m ) ，即是利用用户的协作，调整负荷曲线，延迟电源建 设，以达到提高效益、减少或延缓投资、节约能源的日的。用户可以在合 作中得到经济上的鼓励和补偿。对电力公司来讲，在用户的支持下，通过 合理的安排备用和维修计划，也可以取得可观的经济效益 2 6 。 总之，在电力市场下，用户作为平等的参与者，具有一定的能动性。 充分发挥用户的能动性，通过竞争和协作，可以给电力市场中的各方成员 带来利益。 用户概念的引入也带来许多需要进行研究的问题。比如，用户如何参 与竞争? 如何与电力公司进行协作? 为了制定合理电价，如何对用户的停 电损失进行恰当的估计? 等等。 1 2 2 电力市场的运行机制 整个电力工业可以划分为发电、 四个领域中垄断、竞争的程度不同， 输电、配电和供电四大领域。依据这 可以将电力市场分为四种模式4 1 。 4 天津大学博士学位论文 第一种是垂直垄断型经营模式：在上述四个领域中均是垄断的，发、 输、配、供高度统一，垂直型管理，在一定区域内，由单一的运行者负责 系统运行；但公共事业权力机构有权干涉，包括营业区域、电价等。与我 国改革开放前的情况类似，电力部门垄断电力从生产到销售的全过程p “。 在垄断型经营模式下，一方面，由于供电方面的垄断，降低了投资者 的投资风险；另一方面，发、输、配、供电的整体规划和运行，可获得较 高的规模经济效益和供电可靠性。 随着电力工业的发展，电力公司的规模经济效益优势日益降低。从而， 在电力工业中引入竞争、建立电力市场，成为现实的需要。另外，在环境 保护、投资、资源优化综合利用、负荷侧管理等方面，也要求在电力工业 中引入竞争m ”。电力市场的竞争，最初是从发电市场的开放开始的。 第二种是发电市场开放运营模式：在电力生产者之间引入竞争，在输、 配、供电系统中实行垄断经营。独立发电商( i p p ) 一般不拥有供电专营区 域和输配电系统，只负责电力生产，这就要求在发电单位之间开展公平竞 争；另外，原有的电力公司之间也要求展开竞争，电力公司间可进行功率 交换。这种模式下的发电市场是一种垄断竞争市场 3 8 , 3 9 】。与目前我国实行 的“电厂大家办、电网国家管”的模式类似，发电厂独立经营，参与市场 竞争；各地的供电局仍然是省局和网局的直属单位。 第三种是批发竞争型运营模式：在这种模式下，允许配电公司直接从 各发电公司买电，并通过输电网输送。这里的配电公司指的是具有配电网 并可以直接向最终用户直接供电的公司。配电公司垄断对最终用户的电力 供应，但要求输电网对配电公司开放【40 1 。对应于中国的情况，除了发电厂 参与竞争外，各地的供电局也应该独立核算，成立独立经营的配电公司。 第四种是零售竞争型运营模式：同时开放发电市场和用户市场，实现 了市场供、求的双向选择。这种模式扩大了用户的选择权，即允许所有的 用户选择供电公司。这里的供电公司可以是配电公司也可以是没有配电网 的电力零售商。要求输电网和配电网均是开放的。配电和供电是分开的， 在供电领域引入竞争。在这种模式下，允许成立独立经营的专门负责向最 终用户供电的供电公司 4 1 】。 5 第一章绪论 1 。2 3 电力市场交易类型 电力市场中普遍存在3 种类型的交易：电力联营体交易( p o o l t r a n s a c t i o n s ) 、双边多边交易( b i l a t e r a l m u l t i l a t e r a lt r a n s a c t i o n s ) 和辅助服 务交易( a n c i l l a r ys e r v i c et r a n s a c t i o n s ) 卜“。 在p o o l 交易中，竞争在发电侧和供电侧同时展开，初期的市场也可能 只开放发电侧市场( 单一购买者模式) 。p o o l 是一个非营利性组织，与所 有市场成员无经济上的利害关系。发电商和用户分别向p o o l 呈报一条报价 曲线( 竞卖和竞买) ，p o o l 根据它们的报价曲线计算所有市场成员的交易 能量和价格( 或系统边际电价) 。在p o o l 交易中，也可能存在双边交易， 但是很有限。2 0 0 0 年改革前的英国电力市场和智利、阿根廷等国的电力市 场以及美国p j m 电力市场、澳大利亚的v i c t o r i a 电力市场都属于这一类型 的市场模式。本文中最优安全控制、安全性定价和市场势力分析部分所采 用的市场模式都是发电侧和供电侧都竞争的p o o l 模式。 一个发电商和一个用户( 或配电商、供电商) 可直接参与双边交易， 而不需要第三方的介入【4 副；多个发电商和多个用户( 或配电商) 在交易中 介机构( b r o k e r s ) 的协调下参与多边交易【。多边交易是在双边模式基础 上发展而来的一种更广泛的市场交易形式，可以看作双边交易的高级形式。 双边和多边交易的交易能量和价格都是由交易方自行决定，而不是由独立 系统运行员( i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t o r ，i s o ) 负责决定，i s o 只是向双 边多边交易提供电能的输送服务。i s o 负责调度运行职能，确保系统的安 全、可靠运行；旦电网出现阻塞或其它安全隐患，i s o 通过协调各市场 的交易消除阻塞或安全隐患【l 5 1 。美国加州电力市场以及斯堪的纳维亚电力 市场、新西兰电力市场等都属于该模式。文【4 4 】还提出了电力市场委托交 易的概念，为解决电力交易因传输阻塞或和机组故障而造成部分或全部中 断的问题提供了另外一种可行的方案。 i s o 还负责辅助服务市场的运行。辅助服务是电力系统必须具备的一 种满足供电质量和电力系统安全运行的机制。由i s o 和市场成员间达成辅 助服务交易，如网损补偿、负荷跟踪、备用支持、电压无功支持、系统安 全控制和黑启动服务等。在电力市场环境下，如何量化辅助服务并制定合 理的价格，在运行中如何优化辅助服务的构成，是电力市场理论和实践的 6 天津大学博士学位论文 难点，至今未得到很好的解决【5 1 。 1 3 电力系统安全性 1 3 1 电力系统安全性定义 为避免级联停电，一般都采取了严格的规划和运行准则1 4 ”。设计工程 师和系统调度人员都严格按照可靠性准则来规划和运行系统。根据北美电 气可靠性委员会( n e r c ) 1 9 9 7 年发布的最新准则 4 6 1 ，把互联大电力系统 的可靠性( r e l i a b i l i t y ) 分为发电充足性( a d e q u a c y ) 和系统的安全性 ( s e c u r i t y ) ，前者是指发电储备的必要性，即系统发电能力应大于预测负 荷的需求量；而后者是指系统能够承受和挽救发电和输电停运形式的一组 可能扰动( 又称作( 可信的) 预想事故集) 的能力，换句话也就是，如果 系统能够承受一些可信的预想事故，那么它就是安全的。 1 3 2 电力系统安全性控制 传统的电力系统监视、评估和控制是基于d yl i a c c o 构想( 1 9 6 7 ) 的 p 7 , 4 8 1 。该构想是假设电力系统运行在两个约束集( 负荷约束和运行约束) 之下的，其中负荷约束是要求满足全部负荷的需要，而运行约束则可分为 静态约束( 如要求任一母线的电压、任一线路的潮流和任一台设备的功率 在容许的范围内) 和动态约束( 如保证系统的小扰动稳定性和暂态稳定性) 两类。依次可以把系统运行条件分为三种状态，即正常状态、紧急状态和 恢复状态( 如图1 1 所示) 。其中正常状态又可以分为安全的和不安全的。 为了确定安全与不安全需要定义一个预想事故集。如预想事故集中任一扰 动都不会把系统引入紧急运行状态，则系统是安全的。否则，系统是不安 全的。依照上述构想系统运行中安全性总是第一位的，只有在系统是安全 的情况下才考虑经济调度。如果当前系统的运行状态不能承受一个可信的 预想事故，就必须采取发电机和负荷再调度等措施使系统回到安全状态， 即使经济上代价昂贵也得这样做。这就是d yl i a c c o 所定义的安全控制或 预防性控制( 如图1 1 所示) 。安全控制需要系统有足够的可控制资源，像 发电机旋转储备和直接的负荷控制等，以便进行事故前的再调度，把系统 从不安全状态拉回到安全状态。 7 第一章绪论 垩鲎一一 控制 = = 状黧移口状态 控制l _ j 图1 1 d y l i a c c o 的电力系统安全性构想 由于暂态稳定分析的计算量比较大，至今缺乏可在线实际应用的动态 的安全控制方法。为了减轻暂态稳定分析的计算负担，提高计算速度，很 多专家和学者在计算方式以及安全控制原理和算法等方面进行了大量的研 究。文4 9 提出将并行计算( p a r a l l e lp r o c e s s i n g ) 技术应用到电力系统的时 域仿真中，以提高计算速度。文 5 0 根据电力系统机电暂态过程电气变量 的响应特点和分布式协同计算实现过程中子系统间的信息交接特点，提出 了改善暂态稳定仿真分布式计算效率的积分步初值估计法和积分步内交接 变量修正调节法，在较大程度上提高了暂态稳定分布式并行计算的效率。 文 5 1 基于分层递归二分法的思想，提出了一种暂态稳定并行计算任务的 划分策略，有效地降低了暂态稳定仿真计算中协调系统规模和算法的通信 量，提高了各个计算进程的负载平衡度和并行计算能力。在此基础上，文 5 2 利用集群机技术进一步提出了一种基于分块思想、信息传递与动态多 线程相结合的网络方程分层算法及其实现策略，提高了算法的并行效率和 整体性能，依该算法研制的电力系统动态并行仿真程序有望满足大规模电 力系统暂态过程实时仿真、甚至超实时仿真的要求。 文【5 3 针对电力系统暂态稳定性分析中影响系统稳定性的关键因素在 向量空间有一定相似性的特点，提出了一种基于聚类的人工神经网络 ( a r t i f i c i a ln e u r a l n e t ，a n n ) 方法。文 5 4 研究了利用综合人工智能进行暂 态稳定仿真的方法，即利用神经网络训练动态元件的输入输出关系，同时 利用遗传算法优化神经网络的结构和加快神经网络的训练速度。该法比传 8 天津大学博士学位论文 统的时域仿真计算速度快，并能保持较高的精度，可以有效的提高暂态稳 定仿真的实时性。文 s 5 1 应用粗糙集理论中的决策表化简技术，提出了一 种压缩人工神经网络输入空间的方法，改善了人工神经网络用于电力系统 暂态稳定评估( t s a ) 时面临的数据训练瓶颈问题。但基于人工神经网络 的暂态稳定性分析法存在学习时间长、网络结构和学习参数的选择经验性 太强等不足。 另外，根据在制定安全控制方案时，是否定量的考虑不同方案的经济 性，安全控制的研究可以划分为两大类： 1 ) 没有定量经济性考虑的安全控制： 直接法( 能量函数法) 5 6 - 6 0 1 和混合法【6 卜6 3 1 在度量用以评价不同预防性 控制方案的能量裕度( e n e r g ym a r g i n ) 以及利用能量裕度灵敏度进行发电 再调度( 预防性控制) 的研究中，得到了广泛的关注。此类方法的主要不 足在于以下3 方面：正确求解相关不稳定平衡点( u n s t a b l ee q u i l i b r i u m p o i n t ，u e p ) 比较困难；当系统处于稳定域边界时，使用能量函数法判断 系统是否稳定，结果往往偏于保守：能量函数法未能计及电力系统安全 性调控装置的作用。 2 ) 同时具有定量经济性考虑的安全控制： 通常，对于给定的系统运行状态和预想事故集，可行的安全控制方案 有很多，应当寻求在某种意义( 比如经济性) 上最优的控制方案( 取决于 所选择的目标函数，一般取安全控制的成本为目标函数) 。 文 6 4 1 使用模式识别( p a t t e r nr e c o g n i t i o n ) 来评估系统在一个具体扰动 下的稳定性( 稳定或不稳定) 。如果系统的当前运行状态在这个扰动下不能 使系统保持稳定，那么调度员通过求解一个计及稳定性约束的优化问题( 目 标函数为发电机的燃料成本) 对发电机的有功出力进行再调度，使系统在 该扰动下稳定。由于这种控制方式只能针对一个具体的事故进行，如果再 调度后的系统在发生其它事故时仍然不稳定( 包括再调度之前对之稳定的 事故在再调度之后变为不稳定的情形) ，那么就需要重新调度，这是一个不 断的迭代过程。该文对如何处理预想事故集中同时存在多个使系统失稳的 事故情形下的最优安全控制问题并没有给出系统有效的处理方法。 文【6 5 】和 6 6 使用人工神经网络首先计算系统暂态能量裕度对发电机 0 第一章绪 论 有功出力的灵敏度，然后根据该灵敏度和预先选择的经济目标函数进行最 优发电再调度保证系统的暂态稳定性。同文 6 4 的情形一样，该法也是针 对一个特定的扰动来进行最优稳定性控制的，如果能给出同时考虑多个事 故( 一个预想事故集) 的稳定性约束的最优安全控制方法就更为可取。 文6 7 1 将在线的动态预防控制( d y n a m i cp r e v e n t i v ec o n t r o l ，d p c ) 描述 为一个非线性优化问题。在这个优化问题中：目标函数取为预防控制的经 济成本；等式约束是描述电力系统动态特性的微分代数方程组：而不等式 约束则定义了这样一个域( d o m a i n ) ，使得系统的运行轨迹始终位于域内， 以满足对系统特性( 稳定性、电压降落等) 的要求。但是对于如何求解如 此超大规模的非线性优化问题，该文没有