（电力系统及其自动化专业论文）考虑风险的输电网优化规划.pdf

山东大学硕士学位论文 行了优化规划，形成了规划目标年2 0 1 0 年的目标网架。通过分析，规划方案能 够适应未来目标年山东的电源发展及负荷需要，并且在保证经济性的同时，也具 有良好的安全稳定性。 本文方法实用有效，切合工程实际，得到的网架结构科学合理，对输电网优 化规划的理论研究和工程实践有较大的参考价值。 关键词：输电网规划；遗传算法；不确定性；风险评估 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sam a j o ri n g r e d i e n to fe l e c t r i cp o w e rs y s t e mp l a n n i n g ，t r a n s m i s s i o nn e t w o r k p r o g r a m m i n g ，o nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gp o w e rn e t w o r k ，m a i n l ya i n l st oc h o o s e a p p r o p r i a t ec i r c u i t r ye x p a n s i o ns oa st oa c h i e v et h eo p t i m i z a t i o ni nt h es a f eo p e r a t i o n a n de c o n o m i c a le f f i c i e n c yo ft h ee l e c t r i c p o w e rs y s t e m w i t ht h ei n c r e a s i n g c o n s t r u c t i o np a c eo fn a t i o n a li n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e m ，w e s t - t o e a s tp o w e r t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n dn o r t h - s o u t hm u t u a ls u p p l ys y s t e m ，n e t w o r ki n t e r c o n n e c t i o n i se x p a n d i n gi n c r e a s i n g l yo nal a r g es c a l e c h i n ap l a n st oa c c o m p l i s ht h el a r g e i n t e r c o n n e c t e dp o w e rn e t w o r kn a t i o nw i d ew h i c hi ss a f ea n dr e l i a b l e ，m e e t st h e r e q u i r e m e n t so fe l e c t r i cp o w e rt r a n s m i s s i o n , a n ds a t i s f i e st h ed e m a n d so fm a r k e t a b l e o p e r a t i o ni n o r d e rt h a tr e s o u r c ea l l o c a t i o na n do p t i m i z a t i o na n ds o c i a lb e n e f i t s m a x i m i z a t i o nc a nb er e a l i z e d ap r o p e rt r a n s m i s s i o nn e t w o r ka c t sa st h ef o u n d a t i o n f o rt h ep o w e rs y s t e mt or a i ls a f e l y , s t a b l ya n de c o n o m i c a l l y t h e r e f o r e ，i ti sp r o f o u n d a n dp r e s s i n gt os t u d yt r a n s m i s s i o nn e t w o r ke x p a n s i o na n dp r o g r a m m i n ga sa s u b j e c t i nt h et r a d i t i o n a lv e r t i c a li n t e g r a t i o ns y s t e m ，t r a n s m i s s i o np r o g r a m m i n g ，b a s e d o nl o a df o r e c a s t i n ga n de l e c t r i c i t yg e n e r a t i o np r o g r a m m i n g ，u s u a l l yt a k e so n l yo n e p o s s i b l ef u t u r ev i s i o ni n t oc o n s i d e r a t i o n a f t e rt h er e f o r mo fe l e c t r i cp o w e rm a r k e t , p o w e rn e t w o r kp r o g r a m m i n gi sc o n f r o n t e d 、i t l lm o r ea n dm o r eu n c e r t a i ne l e m e n t s w h i c hb r i n gn e wc h a l l e n g e s i no r d e rt od e a l 嘶t l lt h e s eu n c e r t a i n t i e s ，n e wm e a s u r e s a n dt o o l sa r en e e d e d t h i st h e s i s ，t h r o u g ha p p l y i n gm o n t ec a r l oa n a l o g yt oh a n d l et h e u n c e r t a i ne l e m e n t si np o w e rm a r k e te n v i r o n m e n ta n du s i n gt h eu n c e r t a i n t i e so fp o w e r f l o wt od e s c r i b et h eu n c e r t a i nf a c t o r sb r o u g h tb yp o w e rg e n e r a t i o na n dl o a d i n g ， e s t a b l i s h e sat r a n s m i s s i o nn e t w o r km o d e lt h a tc a nt a k eu n c e r t a i n t i e si n t oa c c o u n t t h ep o w e rt r a n s m i s s i o n s y s t e m e s t a b l i s h e du n d e ra ne l e c t r i c a lm a r k e t e n v i r o n m e n tw a sf a c e d 、析t l lg r e a t e rc h a l l e n g e s m o r eu n p r e d i c t a b l eu n c e r t a i n t i e s w o u l dl e a dt or i s k si n c l u d i n gi n v e s t m e n tr i s k sa n ds e c u r i t yr i s k s t h e r e f o r e ，i ti so f g r e a ti m p o r t a n c et oe v a l u a t ea n da n a l y z et h ec o s ta n dr i s ko ft h ep o w e rt r a n s m i s s i o n s y s t e mp r o g r a m m i n g t h i st h e s i s ，u s i n gc h a n c ec o n s t r a i n t sr i s kd e n o t a t i o na n db a s i n g i i i 山东大学硕士学位论文 i t s e l fo nr i s kf a c t o r , e s t a b l i s h e sp o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mm o d e lw h i c hc o n s i d e r s r i s kc o n s t r a i n t i na d d i t i o n , t h i st h e s i sa i m st oa s s e s ss y s t e mr i s kf u r t h e r , a n du s e s q u a n t i f i c a t i o nr i s ka s s e s s m e n tf e et os h o wt h ec o s tc a u s e db yt h er i s ku n d e rt h e m a r k e te n v i r o n m e n t a sar e s u l t ，ac o m p a r i s o nb e t w e e nt h er i s ke x p e n s ea n d i n v e s t m e n te x p e n s eb e c o m e so b v i o u s e m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tb o t hs a f e t ya n d e c o n o m yc a nb ea c h i e v e di nt h i sw a y g l o b a ls e a r c ha l g o r i t h m si sap r o f o u n d l ye f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h e c o m p l i c a t e dn o n l i n e a ro p t i m i z a t i o np r o b l e mo fp o w e rn e t w o r kp r o g r a m m i n gu s i n g g e n e t i ca l g o r i t h m h o w e v e r , d u r i n gt h ef o r m a t i o no fp o p u l a t i o ni n i t i a t i o n ，c r o s s o v e r a n d m u t a t i o n ，g e n e t i ca l g o r i t h mw i l lg i v er i s et oag r e a td e a lo f i n f e a s i b l es o l u t i o na n d c a u s eo t h e rp r o b l e m ss u c ha sp r e m a t u r i t y , n o n b a n d w i d t hc o n v e r g e n c e ，a n dl o w c o n v e r g e n c es p e e da sar e s u l to fc o d i n gp r o b l e m o nt h i s ，t h i st h e s i sa i m st oi n t r o d u c e n i c h eg e n e t i ca l g o r i t h mw h i c hi sb a s e do nr e p l a c e m e n tm e c h a n i s ma n dm a k e ss o m e i m p r o v e m e n t so nt h ep r o b l e m ss t i l le x i s t i n gi ng e n e t i co p e r a t i o n i nt h el a s tp a r t ，t h i st h e s i sm a k e saf u l la n dc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ep r e s e n t s i t u a t i o na n df u t u r ed e v e l o p m e n to fs h a n d o n gp o w e rn e t w o r k ，a n db a s e do nt h e d e v e l o p m e n to fp o w e rs u p p l ya n dl o a d i n gc e n t e ro fs h a n d o n gp r o v i n c e ，t h i st h e s i s m a k e ss o m eo p t i m i z a t i o np r o g r a m m i n gf o rs h a n d o n g5 0 0 k vp o w e rn e t w o r k a d o p t i n gp r o g r a m m i n gm e t h o da n ds o l v i n gm e t h o dm e n t i o n e d t h r o u g ht h ea n a l y s i s o ft h ep r o g r a m m i n gs c h e m e ，i th a st h ec a p a b i l i t yt os a t i s f yt h ed e m a n d so ft h ep o w e r s u p p l yd e v e l o p m e n ta n dl o a d i n gr e q u i r e m e n t so fs h a n d o n gp r o v i n c e m o r e o v e r , i t d o e sn o to n l ye n s u r ee c o n o m i co p e r a t i o n ，b u ta l s of a v o r a b l es e c u r i t ya n ds t a b i l i t y t h ep r o g r a m m i n gm e t h o dm e n t i o n e di nt h i st h e s i si sf e a s i b l ea si tc a nt a k et h e p r a c t i c a lp r o j e c ti n t oc o n s i d e r a t i o na n da c c o m p l i s h e sas c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l e s p a t i a lg r i ds t r u c t u r e ，w h i c hi so fg r e a tr e f e r e n c ev a l u e k e y w o r d s ：t r a n s m i s s i o nn e t w o r kp r o g r a m m i n g ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；u n c e r t a i n t y ； s e c u r i t ye v a l u a t i o n i v 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。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：盘鳆垒 日 期：幽堡垒目至妇 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东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 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：超! 迫垒导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着现代工业和农业的不断发展及人民生活水平的日益提高，社会对电力的 需求量越来越大，促使电力系统的规模不断扩大。我国电力系统的建设，长期以 来存在重电源( 发电厂) 、轻电网的现象，尤其是近几年电源建设规模逐年扩大， 电网规划和建设滞后更为明显，电网整体投入的不足，增加了大停电的风险【l j 。 因此加快电网建设和发展已经刻不容缓，我国计划在2 0 1 0 年- 2 0 2 0 年间建成安 全可靠、满足电能传输和市场化运营的全国范围联合大电网，推进电力资源在更 大范围内优化配置【2 3 】。合理的输电网结构和充裕的输电容量不但是电力系统安 全稳定运行的基础，也为发电公司提供了公平竞争的平台，不仅可以获得巨大的 社会效益，还可以获得可观的经济效益。相反，电力系统规划的失误会给国家建 设带来不可弥补的损失，因此，对电力系统规划问题进行研究以期最大限度地提 高规划质量，具有重大的现实意义。 在传统的垂直一体化体制下，输电网规划是建立在负荷预测和发电规划的基 础上，通常只考虑一种最可能出现的未来场景，把或- 1 静态安全作为必须 满足的条件m l ，一般用罚函数的方式来处理静态安全约束要求，忽略各种不确 定性因素。因此规划方案实施时，受不确定性因素的影响，数学上严格的最优方 案却可能导致大量的补偿投资。特别是在电力市场条件下，电网规划面临着更多 的不确定因素，新增发电机组和老机组的退役不再是集中式的统一规划，而是取 决于发电公司或投资者自己的决策。除发电厂位置与装机容量难以准确预测外， 市场竞价结果也会引起机组发电出力变化的不确定性，以及电力市场发展所导致 的合作与竞争的不确定性等，这些因素都给输电网规划带来了新的挑战，需要新 的方法和工具来处理这些不确定性因剥引。 由于诸多不确定因素的存在，能够计及这些不确定性因素的规划方法是当前 研究的热点之一，并取得了满意的效果，但这些方法都将约束条件视为不可逾越 的。其通常是将和n - 1 作为必须满足的条件，严格地满足未来场景。但是规 划中的数据都是对未来情况的预测，在规划过程中严格的遵守预测情况并不一定 最优，数学上的最优解在面对未来环境变化时可能失去了原来的意思。因此，在 山东大学硕士学位论文 制定输电系统规划方案时需要适度考虑未来环境的变化情况，适当放宽约束，约 束条件的放宽意味着风险，使规划方案能够在一定风险的情况下达到最优【9 l 们。 目前对风险问题的研究集中于对风险的量化【1 1 】以及如何在输电系统模型中适当 考虑风险等方面【1 2 】。风险评估费用来反映不安全现象的经济代价，通过该指标 可以对输电网的扩建投资与收益进行对比决策，比较不同规划方案的风险值，优 化选择方案。如何在模型中考虑不确定环境下决策的风险以及实施风险定量评估 是一个值得研究的问题。 建立合理的电网结构是电网规划设计部门的重要使命，输电规划涉及的内容 十分广泛，包括选择电网电压、确定输电方式和确定电网结构等。但是由于电网 电压的选择及交直流输电的配合是一个相当复杂的问题，取决于整个国民经济的 发展和电力设备的制造水平，本文仅讨论输电网络拓扑规划相关的问题。 1 2 市场环境下输电网规划的研究现状 近十年来，电力市场化改革风靡全球。虽然世界各国采用的电力市场模式和 市场机制存在很大差别，但发电环节和输电环节分离和输电系统开放已成为不可 逆转的趋势。市场环境下，由于竞争的出现，电网规划面临更多的挑战【l 1 5 】。伴 随着电力体制改革，输电网规划过程将引入更多的不确定性和复杂性因素，对输 电网规划产生重要的影响，能够计及不确定性因素影响的输电系统灵活规划方法 引起了学术界的广泛关注，成为输电系统规划领域的研究热点【l6 1 。因此，本文 评述了市场环境下的不确定因素，并对目前国内外已有的电网柔性规划方法及算 法进行了综述。 1 2 1 电力市场环境下面临的不确定因素 与传统管制环境相比，电力市场环境带来了更多的不确定性因素，新增发电 厂的位置、装机容量、投运时间以及现有机组的退役情况对于输电网规划来说都 成为不确定因素。此外，未来电能政策、市场结构和管制方案等方面的不确定性 也会对输电网规划产生重要的影响【1 7 9 1 。因此，如何正确、客观合理地分析不确 定信息，对提高规划的灵活性和适应性是十分必要的。 ( 1 ) 未来电源规划的不确定性 2 山东大学硕士学位论文 电力工业市场化以后，发电厂和电网分离，发电规划在很多国家成为发电公 司的内部事宜，以电厂投资者的利益最大化为目标，尽管要满足政府或监管机构 所制定的相关法规或条例的约束，但发电规划在很大程度上取决于发电公司或发 电厂的潜在的投资者对电力市场未来的电价走势、国家相关政策的调整、能源价 格走势以及负荷变化等因素的预测。因此，新的电厂或机组的类型、位置、容量 和投运时间以及旧机组和旧电厂的退役或停运等决策一般由发电公司自行做出， 而且发电公司往往不会将这些信息在市场中公布，给输电网规划带来很大的困难 和影响。同时，输电网建设周期相对于电厂建设周期来说较长，会更增加输电网 建设的投资风险。 ( 2 ) 未来负荷变化的不确定性 随着改革的深入，市场将向用户侧开放，由于市场中实时电价会发生频繁波 动，不同时期的电价水平也会发生变化，如果考虑用户的需求弹性，负荷水平也 会随电价的波动而变化。电力市场的发展趋势是根据供电质量向用户收费，当用 户根据自身的考虑改变对供电质量的要求时，可导致系统资源一定程度上的重新 分配，增加了负荷特性的不确定性。另外，由外部刺激( 如国家政策等) 和大项目 的新建所引起的负荷预测的不确定性，这些项目能否投产、何时投产、投在何地 通常是难以预测的，都将影响负荷特性的不确定性。 ( 3 ) 电力市场发展所导致的合作与竞争方面的不确定性 电力市场发展所导致的合作与竞争方面的不确定性包括市场交易导致的系 统潮流不确定性和电价的不确定性等。在竞争的市场中，发电公司从各自的利益 出发，会不断调整自己的竞价策略，导致市场供需的平衡点不断变化，价格也频 繁波动，并且，随着市场对用户侧开放，用户可以自由选择供电商购买电力，用 户和电厂之间的供求关系也将更加频繁变化，导致了合作和竞争不确定性。 ( 4 ) 输电网潮流的不确定性 在竞争的电力市场中，由于电网的调度是基于发电侧竞价上网并在考虑到自 身的利益基础上兼顾社会效益的结果，但是有时发电商的报价是策略性的，电网 的调度也会随之改变。一个发电商在这个时段上网，而在下个时段就可能不参加 上网竟价，最终目的是自身利益最大化。根据这个目标不停地变换自己的竞价策 略，大大增加了电网潮流的不确定性。同时，随着大用户直购电的逐步进行，电 山东大学硕士学位论文 厂和用户的关系的不断变化以及可能产生的远距离大规模购电，都会增加系统潮 流的不确定性。 ( 5 ) 其它不确定性 法规和政策背景的不确定性和难以准确预测的未来环境对电网规划的影响 等。政策和法规的变化会给输电网规划带来一定的影响，而这往往是最难以预测 的。 1 2 2 输电网灵活规划方法 应对不确定性因素影响的输电网规划方法称为输电网灵活规划方法，又称电 网柔性规划方法【2 0 1 。这种规划方法计及规划过程中的不确定因素，按照实际运 行经验，采用不确定性数学理论方法把不确定性因素引入到电网规划模型或规划 过程中，以此寻求具有灵活性更强和适应性更好的柔性规划方案。柔性规划的思 想并不是针对未来某种预测场景寻找最优规划方案，而是考虑到未来环境的变 化，以柔性规划方案适应未来环境的可能变化，以最小的代价弥补因可能出现的 环境变化而造成的利益损失。因此，柔性规划方案不是某个特定环境下的最优规 划方案，它对于各种未来可能出现的环境而言，可能都是“次优方案。采用柔 性规划方法从总体上可以节省大量的资金投入和物资消耗，对于电网建设发展来 说，它可以实现电网建设真正意义上的经济、合理和安全、可靠。 目前，按照对不确定性因素的处理方式不同可以分为两大类：一类是基于多 场景技术的电网灵活规划方法；另一类是基于不确定性理论的电网灵活规划方 法。 1 2 2 1 基于多场景技术的规划方法 多场景技术实质是将不确定性规划问题转化为多个确定性规划问题来解，从 而简化电网规划模型，降低求解难度。该法首先对未来环境中的各种不确定性因 素进行分析，列出其可能取值，再将各种可能取值进行组合得到多个未来可能场 景。通过多个确定性场景的计算分析，寻找出能适应大多数场景的最佳规划方案。 已有的考虑多场景技术电网规划方法主要有：基于场景发生概率的规划方法【2 1 1 ， 基于决策偏好的场景技术规划方法【2 2 1 ，基于线路被选概率的规划方法【2 3 1 ，基于 4 山东大学硕士学位论文 等微增率的电网规划方法【2 4 】等。多场景技术的主要缺陷在于对场景的选择缺乏 数学理论支持，对场景过多的情况存在求解上的困难。 1 2 2 2 基于不确定性理论的灵活规划方法 近年来，由于数学领域里不确定性理论的深入发展使得电网规划问题的不确 定性建模方式不断涌现，采用不确定性理论直接建模的方法具有理论严密和对不 确定性因素处理精确的优点，弥补了多场景技术理论支持不足的缺陷。目前，该 方法已经取得比较理想的研究成果。已有的不确定性规划方法有基于概率理论的 随机规划方法【2 5 1 ，基于灰色理论的灰色规划方法【2 6 1 ，基于模糊数学的模糊规划 方法【2 7 1 ，基于盲数理论的盲数规划方法【2 引，基于集对分析的柔性规划方法【2 9 1 ， 基于联系数理论的联系数规划方法【3 0 1 等。 ( 1 ) 基于概率理论的随机规划方法 基于概率理论的随机规划方法最早用于输电网规划不确定性因素的处理。它 使用概率论来描述和处理随机环境中的不确定性因素，随机潮流能够给出线路过 载概率、节点电压越限概率和系统失去静态稳定的概率等指标，为输电网随机规 划提供必要的数据。 ( 2 ) 基于灰色理论的灰色规划方法 灰色理论思想是直接将基于时间变化的一组数据转化为微分方程来表示，建 立基于系统发展变化的动态模型，对未来数据进行预测。灰色预测模型通过情景 分析和层次抽样将负荷灰色信息白化处理，转化成确定性的规划序列，采用线性 潮流估计技术和灰色系统建模分析方法，得到输电网投资风险小的网络扩展决策 方案。 ( 3 ) 基于模糊数学的模糊规划方法 模糊理论用于处理各种主观因素较重和数据资料不完整等造成的不确定性 因素。该方法将规划中的部分数据采用隶属函数进行模糊化处理，构造模糊潮流， 通过模糊数的运算寻求最优网络投资方案。 ( 4 ) 基于盲数理论的盲数规划方法 盲数理论可同时处理随机性、灰性、未确知性和模糊性多种不确定性信息， 可得到直观的线路潮流分布、造价分布，较为细致地反映实际情况。通过盲数描 山东大学硕士学位论文 述节点功率，构造盲数潮流，通过盲数运算可以得到最优灵活规划方案。 ( 5 ) 基于集对分析的柔性规划方法 集对分析理论是一种关于确定和不确定系统的同、异、反定量分析的系统分 析方法，把确定性信息和不确定信息包含在同一个系统中，全面刻画事物的联系 和转化。将集对理论引入到输电网规划问题中，首先处理相对确定性信息和相对 不确定性信息，得到基序；再利用相对不确定性信息对排序结果进行稳定性分析， 得到其它排序结果。基于集对分析的柔性规划模型综合考虑电网建设经济性和可 靠性，使规划方案的综合效益最佳。 ( 6 ) 基于联系数理论的联系数规划方法 联系数不仅把一个具体的数与这个数所在的范围联系起来，而且还把一个具 体的数与所在范围内的确定性与不确定性联系起来，使得在一定范围内的确定性 与不确定性相互联系、渗透、制约与转化，并在数量上得到客观的反映。采用联 系数表示节点负荷和机组出力及各种关系，构造一个包含确定性和不确定性因素 的输电网规划模型，它将具有较好的经济性、可靠性和灵活性。 1 2 3 输电网规划求解方法 针对各种输电网规划模型，人们提出了多种求解算法，大致可以分为三大类： 数学优化算法、启发式算法和现代启发式算法。 1 2 3 1 数学优化算法 数学优化方法是从纯数学的角度看待规划问题，通过一般性优化数学问题的 求解方法进行规划问题的求解。常用的方法有线性规划【3 1 1 、混合整数规划3 2 1 以 及动态规划等。数学优化方法可以保证解的理论最优性，但对大规模问题容 易陷入维数灾。 1 2 3 2 启发式算法 启发式算法的基本思想是建立规划决策变量与某种效果指标之间的灵敏度 关联，通过对原始网络和冗余网络分别逐条地进行增加线路和删减线路，来形成 最终的规划网络，从而形成了加线法和减线法两种启发式算法【3 4 1 。在市场环境 6 山东大学硕士学位论文 下，启发式算法的研究方向是利用市场信号的启发式算法。比如：以节点清算价 格差为基础的启发式电网规划【3 5 1 ，基于平均阻塞费用指标的启发式电网规划【3 6 】、 基于单位电力的边际传输成本的启发式电网规划【3 刀等。启发式算法方法简单易 于实现，但是该方法不能考虑线路之间的相互影响，不具备理论最优性。 1 2 3 3 现代启发式方法 现代启发式算法是模拟自然界中一些“优化”现象而研究出的一类比较新的 优化求解算法，适用于求解组合优化问题以及目标函数或某些约束条件不可微的 非线性优化问题。此类算法中较有影响的主要有：遗传算法【3 引、t a b u 搜索法【3 9 1 、 蚂蚁算法 4 0 1 、粒子群算法【4 1 】等，均取得了较好的效果。 遗传算法用于电网规划有其独特的优点。传统优化方法中遇到离散性、非线 性、高维数、多约束、多目标等困难，遗传算法本身的优点可以较好地解决这些 问题【4 2 】。因此，对于求解电网优化这一复杂非线性优化问题是一种非常有效的 手段，目前得到了广泛的应用。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 是模拟生物在自然环境中的遗传 和进化过程而形成的一种自适应全局优化概率搜索算法。它最早由美国密执安大 学的教授提出，起源于6 0 年代对自然和人工自适应系统的研究。7 0 年代d ej o n g 基于遗传算法的思想在计算机上进行了大量的纯数值函数优化计算实验。在一般 研究工作的基础上，8 0 年代由g o l d b e r g 进行归纳总结，形成了遗传算法的基本 框架。 遗传算法的基本原理是：首先将实际优化问题的解编成数字串，也称染色体， 每一个染色体代表该优化问题的一个解，多个染色体构成遗传过程中的一代，而 相应的编码位则类似于生物的基因。再将实际问题的目标函数转变成染色体的适 应度函数，适应度函数值是衡量染色体性能的指标，染色体的适应度函数值越大， 说明该染色体对应的解越好。然后，随机产生染色体群体，计算各染色体的适应 度函数值，根据各染色体适应度函数值进行繁殖，交叉和变异等遗传操作，产生 下一代染色体群体。在遗传操作过程中，各染色体适应度函数值大小决定了该染 色体被繁殖的概率，适应度函数值越大的个体，有更多的机会繁殖后代，使群体 的优良特性得以遗传和保留，从而反映了适者生存的原理。交叉和变异操作则通 7 山东大学硕士学位论文 过随机地结构化地交换各染色体之间的信息，可能产生更加优秀的染色体。这样， 经过逐代遗传，就会产生出一批适应度函数值很高的染色体。最后，将这些染色 体解码还原就获得原问题的最优解。当染色体群体规模足够大和遗传代数足够多 时，从理论上讲，遗传算法一定可以找到原问题的最优解。 1 3 本文的主要工作 本论文从理论研究和工程应用出发，在输电网规划中计及了各种不确定性因 素的影响，考虑了更深层次的安全要求，以风险评估费用这一指标量化评估了输 电网安全风险，建立了相应的数学模型并提出求解方法，使规划方案兼顾经济性 和安全性。主要内容有： 1 、分析了厂网分开后输电规划面临的不确定因素，包括规划期间的电源建 设、负荷变化和系统运行方式变化等不确定性对输电网规划的影响。利用注入功 率的不确定性来处理市场环境下输电网规划所面临的不确定因素，并将其影响计 入输电网规划数学模型。 2 、利用确定性安全准则下的风险评估费用评估了未来不确定性环境下输电 网规划决策的风险，建立了考虑风险评估的输电网规划模型。将风险费用以经济 性指标体现出来，并加入到目标函数，从而使规划方案的投资费用与安全风险具 有可比性。确定性安全准则的考虑不仅满足和n - 1 安全，进一步考虑了规划 网络的n - 2 安全，满足了更深层次的安全要求。 3 、针对标准遗传算法存在的不足，结合电网规划的特点，引入了小生境淘 汰算法，造就小生境进化环境，维护群体多样性，提高全局搜索能力，避免算法 早熟和非全局收敛。对遗传算法在形成初始种群、交叉、变异过程中有一定的随 机性，生成的染色体对应的架线方案容易导致网络不连通等问题，对遗传操作进 行了改进。 4 、在充分分析山东电网现状和发展趋势以后，结合山东省的电源和负荷发 展状况，利用上述理论对山东电网进行优化规划，形成了规划目标年2 0 1 0 年的 目标网架，验证了本文方法的有效性和实用性。 8 山东大学硕士学位论文 第二章考虑风险约束的输电网规划模型及求解方法 电力工业市场化改革为输电网规划带来了更多的不确定性因素。各种不确定 性因素的风险是不同的，某些情况下满足全部约束条件的代价是很大的，但是发 生概率很低，如果严格的满足约束条件，经济上并不一定最优。而且，规划的数 据都是对未来情况的预测，以高昂的代价来严格遵守预测情况没有必要。因此， 在不确定性市场环境下进行输电系统规划决策时应适当放宽约束，以很小的过负 荷为代价换取更大的经济效益。约束条件的放宽意味着风险。输电网规划决策应 该是在一定风险约束的条件下达到经济性最优。 目前对输电网规划风险问题的研究正在兴起，研究主要集中在风险的量化、 风险显式表达方法以及输电规划模型中适当风险水平的确定等方面。文献【1 1 】提 出基于遗憾值对电网规划方案风险进行评判的方法。该方法能够识别出每种场景 下的风险值，使得市场环境下电网规划的风险得以量化。但是该方法是“事后 的，方案既定的条件下进行风险评估，缺少一定的前瞻性。而且该方法是利用多 场景技术来处理不确定性因素，对于大规模电力系统，可能的场景数目巨大，求 解困难。文献1 4 3 将机会约束规划引入到市场环境下的输电网规划研究中，可以 适当处理市场环境下电源建设和负荷增长的不确定性，在约束条件的处理上更加 灵活。文献【4 4 进一步考虑不确定环境下的风险因素，利用机会约束可以显式描 述风险的特点，构造了计及风险约束的多阶段输电规划模型，初步实现了在规划 过程中考虑风险因素。通过设置不同的置信水平值，得到满足约束条件不同的规 划方案，进而达到对风险的控制。但是文中对风险的量化仅停留在未来环境可能 发生过负荷的风险概率，对于风险的确定数值没有给出定量的指标，缺少必要的 评估。 本章将讨论市场环境下的不确定性因素的处理，利用机会约束规划来可以显 示描述风险的特点，引入输电规划风险因子，并利用蒙特卡洛模拟法计算该风险 因子，以该风险因子为约束建立输电网灵活规划模型，最终得到未来不确定性环 境下综合成本最小的输电网规划方案。 2 1 机会约束规划概述与风险 9 山东大学硕士学位论文 机会约束规划是在一定概率的意义下达到最优的理论。它是一种随机规划方 法，针对约束条件中含有随机变量，并且必须在观测到随机变量的实现之前做出 决策的问题。考虑到所做决策在一些比较极端的情况下可能不满足约束条件，而 这些情况出现的概率很低，为避免由此引起的优化方案过于保守，机会约束规划 方法允许所做决策在不利的情况发生时不满足约束条件，但该决策应使约束条件 成立的概率不小于某一个足够小的置信水平。机会约束规划的一种常见形式为： j m i n f ( x )、(2-1) 【s 1 p ， g j ( x ，f ) o ，= 1 2 k j 口 式中：x 为n 维决策向量；善为已知概率密度函数乡( 善) 的随机向量；f ( x ) 为 目标函数；g j ( x ，孝) ( = 1 ，2 ，j ) 为随机约束函数；e ) 表示 ) 中的事件成立的 概率；口为给定的约束条件的置信水平。 机会约束规划中对约束条件的放宽意味着风险，可以把置信水平与风险等同 起来，置信水平越高，风险越低，反之，风险越高。因此可以将式( 2 1 ) 改写 成 j 幽八彳、(2-2) 卜p g 肜，孝) o ，j = l 2 k j 万 其中占为风险约束因子，利用该因子可以对风险进行显式的表示和量化，在 规划决策中考虑风险的影响。 机会约束规划的传统求解方法一般根据事先给定的置信水平，将机会约束规 划转化为确定性规划，然后用确定性规划的理论去解决。然而，对于比较复杂的 机会约束规划问题，通常很难做到这一点，利用随机模拟技术处理机会约束条件， 并利用遗传算法的优胜劣汰可以很好的解决这类问题。具体求解方法如下。 对任意给定的决策变量x 采用如下的蒙特卡罗仿真方法检验风险约束是否 成立：从概率分布乡( 孝) 中产生个独立的随机变量当，乞，知；对于某一 给定的- ，设。是次试验中g j ( x ，f ) 0 成立的次数，即所产生的个随机变 量满足约束的个数：由大数定律可知，可以用频率估计 p g ( x ，孝) o ，j = l ，2 ，k 的值，当且仅当频率万时，式( 2 2 ) 中的约束 1 0 山东大学硕士学位论文 成立。 2 2 不确定性因素的模拟 电力市场中的厂网分开，使得输电网的规划模式也发生了重大的变化，电网 投资者的目的从原来的发、输、配电总体利益最大化转变成电网建设和运行利益 最大化。世界上已经进行了电力工业市场化改革的国家，所采取的电力市场结构 体制和运行方式不尽相同，输电网的规划模式也有差别，一般可分为基于管制的 方式和基于市场驱动的方式，市场条件下采用怎样的方式进行电网规划仍是一个 比较有争议的问题。 随着我国电力市场改革的逐步深入，电厂与电网将彻底分离，分别成为独立 的发电公司和具有自然垄断地位的电网公司，电网公司作为一个独立的、特殊的 市场参与者，受政府和相应的监管机构的监管。我国和英国、西班牙和南美的一 些国家一样，仍坚持输电网的统一规划，由政府或有关部门推荐新电厂的位置和 装机容量供投资者参考【4 5 】。因此，在进行输电系统规划时，对未来的发电厂厂 址及其容量可以在相当程度上做出估计。 对未来电厂的厂址、容量和负荷等不确定性因素估计后，可以用概率密度函 数描述这些随机变量并反映到模型中。设规划期内节点f 的新装机容量尼。服从 离散概率分布： 只 岛，= 硭， = ( k - 1 ，2 m ) ( 2 3 ) m 其中o 1 ，= 1 。 k = l 设节点f 的有功负荷昂，服从正态分布o ，砰) ，其中鸬和吼分别为负荷的 期望值和标准差。节点i 的有功注入功率c = 圪，一昂将注入功率的随机向量 记为f 。 利用蒙特卡罗模拟方法按各电源和负荷注入功率的概率分布函数随机抽样， 可得m 个注入功率向量尸= 白，包，白锄 。 山东大学硕士学位论文 2 3 输电系统风险因子的描述与计算 市场环境下发电、负荷以及运行方式的不确定性可以用注入功率的不确定来 描述。节点注入功率的不确定性会引起电网运行方式的多样性，由电网规划方案 x 确定的输电系统不可避免的带来一定的风险，应采用定量指标来衡量，定义 输电规划风险因子为 ，= 耋9 7 髟i 舣x ，兰9 7 (2-4)l 方式对应的支路潮流 向量，0 但刚表示在条件戚立时，事件戚立的概率，则巧 ( 1 ) l p b 。积) 习 为第，条线路故障开断后系统过负荷的概率，所有- 1 故障开断的过负荷概率为 差9 7 ( 1 巧c 号七，i 昂m 默x ) ，由于。若n9 7 巧 ( j 巧c 薯七，j 昂m 锻x ) 差g ， 所以，_ o ，1 】，值越大贝l j n - 1 开断后其它线路过载的风险越大，输电网规划者可 以根据电网的发展阶段和风险偏好程度设定，值。 式( 2 4 ) 中包含节点注入功率随机向量，可以采用蒙特卡罗仿真方法来计 算输电规划风险因子，。首先对各电源和负荷注入功率进行随机抽样获得m 个注 入功率向量p ，设第，条支路开断后，不满足静态安全约束的注入功率向量数为 m ，则过负荷的概率m m ，从而可以计算出风险因子，。 2 4 考虑风险约束输电网规划模型 市场环境下的电源建设和负荷增长，以及发电厂竞标行为产生的各发电机节 点发电出力等不确定性因素，会引起系统节点有功注入的不确定。为此，输电规 划模型应该计及这些因素，允许所形成的方案在某些比较极端情况下不满足线路 过负荷约束，但这种情况发生的概率必须满足可接受的风险水平，基于风险因子 建立了输电网规划模型。据此，给出了输电网规划模型： m i n z = c i ( x )( 2 5 ) s t 1 2 山东大学硕士学位论文 麓 弓5 岛吃 嗽j 眷 ：迭晚 广九 i ( x ) 0 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式中：决策变量x 是待选线路