（电力系统及其自动化专业论文）考虑需求侧管理的高压配电网规划.pdf

中国l u 力科学研究院 i j 宄生音盱坝i j 学位论史 型，该模型以损失最小为目标函数，将d s m 措施也作为解决负荷增长的方案。根 据不同规划方案作用及对规划影向的不同，提出了考虑d s m 的多阶段高压配电网 规划的分级优化法：并根据高压配电网的特点，提出了采用串式调优法的分区最 优化方法，以降低计算量及模型求解难度。算例证明了算法的有效性。 关键词：配电网规划潮流计算负荷预测线性回归分析法电力需求侧管理 负荷矩优化规划电力平衡电量平衡 中国电力科学研究院研究生部硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a i ng o a lo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n gi st om a k eo p t i m a lg r i dp l a nt o m e e tt h er e q u i r e m n e n t so fs y s t e ml o a di n c r e a s e m e n td m s mi sa ne f f e c t i v em e s u r ef o r l o a dc o n t r o lo ft h es y s t e mo p e r a t i o nw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rm a r k e t d s m p l a y s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e si np o w e rs y s t e mo n l i n eo p e r a t i o na n dc o n t r 0 1 1 1 1o r d e rt om a k eb e t t e ru s eo fc a p a b i l i t yo fd m s m i tw i l ib eh e l p f u lt oc o n s i d e rt h e e f f e e to fd m sd u r i n gt h ep h a s eo fn e t x o r kp l a n n i n gt h e r e f o r eb o t hu t i l i t i e sa n d c o n s u m e r sc a ng e tm o r eb e n e f i t sb yt h ea c t i v em e a s u r e ss u c ha sl o a dc o n t r o la n dp e a k l o a ds h i f t i n ge l ci nd a i l ys y s t e mo p e r a t i o n i t si m p o r t a n tt oa n a b z et h ee x i s t i n gc o n d i t i o no fp o x , , r e rg r i di nn e t w o r kp l a n n i n g i nt h i sp a p e r ，c o r r e s p o n d i n gr e s e a r c hw o r k si nt h i sa r e aa r es u m m a r i z e d ，i n c l u d i n gt h e a n a l ) ，s i so fp o w e rs u p p l y s u b s t a t i o n n e t w o r ks t r u c t u r ea n dh i g h - v o l t a g ed i s t r i b u t i o n l i n e a nj m p r o v e dm e t h o do fl i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i si s p r e s e n t e d ，w h i c h c a n i n c r e a s et h ea c c u r a c yo f l o a df o r e c a s t i n ga c c o r d i n gt op o w e rs y s t e ml o a dp a t t e r n c h a n g e s ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sf o rt h el o a dv a r i e t ya r ed i v i d e di n t ot w og r o u p s ：t i m e s t a b i l i z a t i o ns t a b i l i z e df a e t o ra n dt i m ev a r i a b l ef a c t o r t h et i m es t a b z a t i o nf a c l o r m a vs h o wt h ep a r a l l e lm o v e m e n to ft h es y s t e ml o a dc u r v ea n dt h et i m ev a r i e t y , f a c t o r m a y c h a n g ei t sg r a d i e n t t h r e et y p e so fl o a dc u r v ec h a n g e sa r ed e s c r i b e d ：p a r a l l e l m o 、，e m e n t ，c h a n g ei ng r a d i e n t ，a n dt h e i rc o m b i n a t i o n am u l t i s t e pl o a df o r e c a s t i n g m e t h o dt os e l e c ts y s t e ml o a dm o d e l sa c c o r d i n gt ot h et h r e et y p e ss y s t e mp a t t e r n c h a n g e si sp r e s e n t e d am e t h o do fs i m p l i f i e dp o w e rf l o wc a l c u l a t i o ni sp r e s e n t e di nt h i sp a p e rt om e e t t h er e q u i r e m e n to fp o w e rf l o wc a l c u l a t i o ni nn e t w o r kp l a n n i n g 1 tc a l c u l a t e ss t r a t i f i e d p 。u e rf l o wi nt e r mo fv o l t a g eg r a d e ，a n dj u d g e sw e t h e rt h ev o l t a g ei sb e y o n dl i m i ti n t e r m so f1 0 a dm o m e n t s o m ec o r r e s p o n d i n gp r o b l e m sa r ea l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e r , s u c ha sp o w e r b a l a n c ea n de n e r g yb a l a n c ei nd i s t r i b u t i o nn e t v , , o r kp l a n n i n g t h ee f f e c to fd s m ( d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ) o nr e d u c i n gt h ep e a kl o a dv a l u e i ss t u d i e d t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h em e h t o do fd e a l i n gw i t hd s mi nn e t w o r k p l a n n i n g ah i g h v o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n gm o d e lc o n s i d e r i n gd s mi s p r o v i d e d ，a n dam e t h o dc a l l e dc l a s s i f i c a t i o no p t i m a lm e t h o di sp u tf o r w a r d ， am e t h o df o rm u l t i s t a g eo p t i m a le l e c t r i cp o w e rn e t w o r kp l a n n i n g ，w h i c hd i v i d e s n e t w o r ki n t os e v e r a ls e c t i o n s i sp r e s e n t e dt os o l v et h ep r o b l e me n c o u n t e r e di nt h e r e s e a r c ho nm u l t i s t a g ep o w e rn e t w o r kp l a n n i n g t h es a m p l eh a st e s t i f i e dt h ev a l i do f t h em e t h o d k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n g ，l o a df l o wc a l c u l a t i o n ，d s m ， l o a df o r e c a s t i n g ，l i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i s ，l o a dm o m e n t ， o p t i m i z a t i o np l a n n i n g ，p o w e rb a l a n c e ，e n e r g yb a l a n c e 1 1 选题背景 第一章绪论 1 1 1 加强配电网规划工作的必要性 我国配电网经过了5 0 余年的发展与建设，特别是经过近年投入3 0 0 0 亿元进 行改造、建设后，配电网规模得到了扩大，技术装备水平也有了很大提高，基本 上满足了我国目前社会经济发展的需要。但随着我国经济的快速发展，电力需求 不断持续增长，配电网已进入了技术升级的阶段【”。 为了达到节能、降损，可持续地适应经济的发展，配电网技术水平总是在不 断的进步。配电网的发展一般可分为三个阶段1 2 】： 1 满足基本有电的要求。 2 提高供电网络的供电质量。 3 满足不同区域用户的特殊供电需求( 电能质量、可靠性等方面) 。 目前，我国配电网的发展基本上处于第一第二阶段，部分发达地区进入了第 三阶段。 配电网技术升级要解决好几个关键问题【l j ： 配电网电压等级的优化升级。 采用差异化发展的战略。 关键技术。主要包括网络结构、配电自动化、可靠性评估、分散发电技术、 装备技术、需求侧管理技术等方面，其中需求侧管理技术通过负荷管理， 改变用户的用电方式，降低电网的最大负荷，通过用户采用先进技术和高 效设备提高终端用电效率，减少电量损耗。在电力供需紧张及电力市场条 件下，研究、实施需求侧管理是保持电力可持续发展和节约能源的一个重 要战略选择。 配电网发展进入技术升级的主要标志包括以下几个方面【l 】= 我国配电网所达到的规模。截止2 0 0 0 年末，我国2 2 0 5 0 0 k v 、3 5 1 l o k v 、 l o k v 电压层次的变压器容量分别达到4 1 4 8 9 、5 8 1 1 7 和4 6 2 0 0 万千伏安， 第一章绪论 2 2 0 5 0 0 k v 、3 5 1 l o k v 、l o k v 、0 4 k v 电压层次的线路长度分别达到1 6 3 5 、 5 6 2 3 、2 9 6 6 和7 4 0 万公里。对于这样规模的网络状况，迫切需要标准化、 制度化、体制化的科学管理方式。 局部地区的负荷密度增长迅速。随着社会经济的快速发展，我国一些城市 尤其是大中城市的中心商业区或者经济开发区的负荷急剧增加，有的达到 3 - 4 万千瓦平方公里，这样就产生了线路走廊紧张、变电站布点困难等诸 多问题，现有配电技术难以保证向用户供电的能力和质量。 我国配电网技术经济指标落后。我国配电网在规模上与国外发达国家相 当，但是技术经济水平却相对落后，线损率、可靠率、电缆化率等一些重 要技术指标与国外水平还有很大的差距。以供电可靠性为例，国外供电可 靠性可达到9 9 9 9 ，而我国供电可靠性约为9 9 9 。 配电网的发展与输电网不相协调。输配电网协调发展主要体现在电压层 次、短路容量、变电容量、线路长度、占地资源、投资费用等方面，而我 国配电网设备与电网总资产配置结构上存在不足之处。比较突出的是我国 现有的电压等级序列适应范围有限、配电网的投入不足。 社会生活对电力配送能力的依赖与日俱增。 配电网技术升级是电力发展的必然。 为保证配电网技术升级的科学合理性，提高配电网对未来负荷的适应性、经 济性，减少配电网发展过程中的损失，有必要进行配电网规划的研究，加强配电 网规划对配电网建设的指导。 1 1 2 高压配电网规划的特殊性 高压配电网是联接输电网和中低压配电网的桥梁，是地区级电网、城市电网 的重要组成部分。 我国城市电网规划设计导则中，按电压等级，将城市电网分为四个层次： 送电网、高压配电网、中压配电网及低压配电网，其中送电网指2 2 0 k v 电压等级 电网，高压配电网指1 1 0 k v 、3 5 k v 、6 3 k v 电压等级电网，中压配电网指l o k v 、 6 k v 电压等电网，低压配电网指4 0 0 v ( 2 2 0 v ) 电网。 在电力系统中，送电网往往和配电网规划密不可分，从电网的功能、地位上 来说，送电网往往也扮演着配电网的角色，配电网从某个角度看也起着送电网的 作用；从电压等级上看，在一些地区，2 2 0 k v 电压等级也成为配电网，而在另一 些地区，1 1 0 k v 电网担负着送电网的作用。 第一章绪论 本文的研究对象为地区级或县级电网的具有配电网地位的3 5 k v 及以上电压 等级电网。 与输送电网、中低压配电网相比，高压配电网研究有其特殊性的一面，如负 荷分布不同于输电网、所采用的潮流计算等分析方法也与输电网不同等，正是这 些特殊性赋予了高压配电网规划以不同的内容。 当然，高压配电网与送电网及中低压的区别和划分都是相对的，输电网与高 压配电网、高压配电网与中低压配电网之间存在紧密的联系，特别是在个城市、 地区的电网中更是如此，在规划过程中往往相互制约、相互促进。因而，本文所 指的高压配电网规划并不是孤立于地区或城市送电网规划、中低压配电网规划的， 在规划过程中也应考虑送电网及中低压配电网的状况。 具体来说，高压配电网规划与输电网规划的不同主要体现在以下几个方面： 高压配电网中，线路的供电能力主要受导线载流能力及电压降低的制约， 而输电网中，线路的输送能力主要受功角稳定问题及轻载时电压升高的制 约【3 1 。因而配电网中考虑的电压约束、稳定性约束不同于输电网规划。 在电力市场条件下，输电网规划主要受阻塞管理、电力交易方式等方面的 影响；而高压配电网则主要受供电企业采用的多种市场营销手段的影响。 高压配电网网络结构较输电网复杂，运行方式较为灵活。配电网一般是闭 环设计，开环运行。 可靠性要求多样化，并不一定要求n 1 ，而是要求达到一定的可靠性指标。 可以采用有别于输电网规划的一些方法，如潮流计算，可根据配电网的特 殊性采用不同于输电网的算法；高压配电网规划的数学模型可以有别于输 电网规划的数学模型。 输电网规划受电源的影响较大，而配电网规划受电源的影响则较小。 负荷分布不同。 高压配电网规划与中低压配电网规划的不同体现在以下几个方面： 中低压配电网规划的周期相对较短。 高压配电网规划相对中低压配电网规划而言可以粗放得多，对地理信息的 要求不如中低压配电网规划严格。 中低压配电网基本不用考虑电源问题，而高压配电网则需考虑同电源的配 合问题。 第章绪论 负荷分布不同。 1 1 3 电力需求侧管理实施的必要性 电力需求侧管理是指电力公司采取有效的激励和诱导措施以及适宜的动作方 式，与客户共同协力提高终端用电效率，改变用电方式，为减少电量消耗和电力 需求所进行的管理活动。这种管理是通过一些措施引导用户高峰时少用电，低谷 时多用电，提高供电效率、优化用电方式。这样可以在完成同样用电功能的情况 下减少电量消耗和电力需求，从而缓解缺电压力，降低供电成本和用电成本，使 供电和用电双方受益，达到节约能源和保护环境的长远目的。 实施电力需求侧管理，是解决能源短缺的需要，也是电力体制改革的需要， 能够提高能源利用效率，实现供电企业、电力用户的双赢。 一、提高能源利用效率、解决能源短缺的需要 2 0 世纪9 0 年代以来，电力需求侧管理和综合资源规划逐步推广到许多国家， 其中既有发达国家，也包括电力供应和投资严重短缺的发展中国家。根据国外经 验，以墨西哥为例，在上个世纪9 0 年代初的几年里，采用分时电价减少峰荷 5 0 0 m w ，为峰荷时工业需量的7 t 4 1 。 电能是二次能源，其来源主要有风能、水力、潮汐、核能、地热、煤碳、石 油、天燃气等，其中煤碳、石油、天燃气为不可再生能源。我国目前的电力生产 主要靠烧煤和利用水力。 我国煤、石油、水力等资源的蕴藏量虽然丰富，但是人均占有量却不高，不 到世界平均数的二分之一。煤、石油等的储存量是有限的，不可能无限制的开采。 为满足可持续发展的需要，提高能源利用效率、减少资源消耗是必要的。 d s m 的效果是可观。以江苏省实施d s m 的效果为例，2 0 0 4 年电网负荷率8 8 ， 比2 0 0 3 年增加4 5 ；2 0 0 4 年转移峰荷3 4 6 0 m w ，相当于少建一座3 5 0 0 m w 电厂， 按平均投资5 0 0 0 元千瓦计，节省投资1 7 5 亿元1 6j 。若我国全面实施d s m 并达到、 超过江苏省的效果，则至少可减少装机容量7 0 0 0 0 m w ，减少投资3 5 0 0 亿元以上。 二、电力市场体制改革的需要 需求侧管理和电力体制改革都发源于市场经济体制完善的英国和美国，都是 市场化条件下的产物。 美国加州的经验说明，电力体制改革需和需求侧管理密切结合f 7 】。 第一帝绪论 电力具有不能大量储存的特点。在正常情况下，电力供应和需求之间是平衡 的，电价是正常的。在电力市场里，当电力供应和需求之间产生不平衡，一般有 两种情况：是供大于求，电价就下降：二是供小于求，电价则上升。当供大于 求或供小于求时，通过电价信号使用户增减用电负荷达到供求平衡必须有两个前 提条件：一是电力企业能及时将分时电价传送给用户；二是用户有足够的调控负 荷的手段，用户没有足够的手段来增加或减少用电，就要采取可停电电价等鼓励 措施，来调节负荷。 电力的批发和零售是建立在市场基础上的，而美国加利福尼亚州的电力市场， 曾采取了批发和零售市场互相隔离的方式。即发电厂卖给电网的上网电价随行就 市，而电网对用户的销售电价固定不变，当上网电价上涨时，价格信号传达不到 用户，对需求不会发生影响，结果缺电数量不能减少，上网电价居高不下，电网 企业高价买进电力，低价卖给用户，最后出现严重亏损而破产。美国加州电力危 机给我们的教训是，电力体制改革需要与电力需求侧管理密切结合，否则将影响 到改革的成败。 进行电力体制改革的目的是为了提高电力工业的效率和效益，归根结底是为 电力用户能够获得高质量的、优质的、廉价的电力。供应侧有许多潜力可挖，同 样需求侧也有很大的潜力可挖，电力用户不仅应当在供应侧的改革中获得好处， 还可以在参与竞争性市场化改革中获得更多的好处。 目前，随着我国电力改革的深化，电力需求侧管理也己逐渐展开，如分时电 价已得到广泛实施，在负荷调节上效果显著。 开展电力需求侧管理后，供电企业可采用多种市场营销手段，如采用分时电 价、可中断电价、以质论价等措施调节峰荷，而不是采用拉闸限电等一些计划经 济体制下的措施，来弥补电网供电能力不足、供电质量不合格等因素的影响。这 种转变对电网规划建设带来一定的影响，赋予了高压配电网规划以新的内容。 在配电网规划中有必要考虑d s m 的影响，以提高高压配电网规划的可行性、 经济性、合理性。 1 2 输电网规划研究现状 1 2 1 概述 输电网规划的目的是寻求最优的电网投资策略以保证电力系统的良性发展， 其任务是根据规划期间的负荷增长及电源规划，确定相应的电网结构。 在形成电网规划方案时，按规划研究时间长短，可分为静态电网规划和动态 第一章绪论 电网规划。静态电网规划只对未来某一负荷水平年的电网接线方案感兴趣，不要 求考虑接线方案的过渡问题。规划期较长时，需要将其分为几个水平年，并考虑 各水平年规划方案的过渡问题。这种规划称为多阶段电网规划或动态电网规划【8 j o 根据规划方案是否考虑了未来环境中的不确定因素，电网规划可分为确定性 规划和灵活性规划两类。确定性规划假定未来环境中各种因素均为已知的、确定 的，根据确定的条件、约束，建立数学模型，求得确定的规划方案。灵活电网规 划又称为电网柔性规划，在进行电网规划时，计及多种不确定因素对规划的影响， 以一种柔性的规划方案来适应未来环境的变化，使规划方案在总体上达到最优。 一、电网规划分类【9 】 ( 一) 按时间划分，电网规划研究可分为 远景规划：通过对未来各种发展情形的简单分析，给出根据环境参数进行 技术选择的一般原则，并作出初步的选择，如选择电压等级、输电方式等， 一般相对于一个较长水平年，如2 0 3 0 年。 短期规划：用于制定网络扩展决策，确定详细的网络方案，一般针对一个 较短的水平年，如5 1 0 年。 长期规划：介于前两者之间，用于估计实际电网的长期发展或演变，如 1 0 2 0 年。 ( 二) 按问题划分 负荷预测 网架规划：确定网络最优网架结构，以满足有功负荷传输的要求。 无功规划：确定网络无功补偿容量及分布，以满足无功及电压要求。 稳定性分析：一般作为电网扩展方案提出后的详细分析和校验手段。 短路电流分析：一般作为电网扩展方案提出后的详细分析和校验手段。 二、电网规划的方法 最早的电网规划以方案比较为基础，通常采用手工计算，是一种经验为主、 数学计算为辅的方法。从上个世纪六十年代起，电网规划成为真正意义上的优化 规划，根据电力系统的特点提出各种优化模型，结合相关学科( 如运畴学、系统 论、决策论等) 的成果，应用计算机求解，降低了主观性因素的影响，提高了规 划的科学性。 6 茆一章绪论 传统方法以负荷预测为基础，确定电源点( 变电站) 的最佳容量、位置和线 路最优路径和导线截面等，侧重于考虑电力系统，着眼于以电源、电网的建设满 足用户需求。近年，将之与需求侧管理相结合，提出了一些新概念，如最小成本 规划( l c p ) 、综合资源规划( i r p ) 、综合价值规划( i v p ) 等。 电网建设包括增加电源点( 变电所) 、增加线路、线路改造、原有电源点增容 改造等，可针对不同措施分别设立模型( 单目标、多目标) ，也可根据所采用的多 种措施设立多目标模型，其求解方法为线性规划法、整数规划法、动态规划法1 5 0 | 。 由于规划过程的复杂性，最终解一般只能是“接近优”或“满意解”。 三、电网规划的要求 电网规划是项非常复杂的系统工程，其复杂性突出地表现在其具有规模大、 不确定和不精细因素多、涉及部门和专业领域广的特点。电网规划工作不仅需要 大量有关社会经济发展的历史数据及其分析，还需对电力供需现状进行深入的调 查，同时也要对社会经济发展有比较全面的认识和准确的把握。 在市场经济条件下进行电网规划与计划经济体制下的思路和方法有一定的差 异。市场经济条件下的电力企业，应以追求企业经济效益最大化为目标，充分考 虑投资回报：在电力体制改革后，随着厂网分开，电源规划和电网规划协调统一 显得尤为重要。因此充分发挥市场对资源配置的基础性作用，确保电源、电网、 地方经济的协调性、安全性以及电源结构的科学性和合理性等，对电网规划提出 了新的要求 1 0 , 1 1 , 1 2 】。 传统的电网规划，是在已知电力负荷预测方案和电源建设计划的基础上，为满 足电力送出和需求的发展，论证确定规划水平年最优的电网结构，以保证将电力 安全可靠地送至用户，并使电网建设、运行费用最小。 由于旧体制的电力企业是发电、输电、供电一体化，电网规划、建设和运行 仅是电力企业内部行为，负荷预测、电源建设等因素多为可知因素。电力市场建立 后，发输配售环节的分离，使电网规划将面f 临许多不确定的市场因素，包括负荷 发展、电源建设、系统潮流变化等，同时还需满足用户对电网“经济、安全、灵 活、开放”的要求，因此，电力市场下的电网规划比传统的电网规划面临更多的 困难和挑战。 从技术上来讲，传统体制下对电网规划的基本要求主要有f l o 】： 满足电厂电能送出。 输、变、配电比例适当，容量充裕。主干网架满足n 一1 可靠性要求。 第一章绪论 电压支持点多，能在正常及事故情况下保证电力系统的安全及电压质量。 保证用户供电的可靠性。一级负荷及重要供电地区，必须设置两个及以上 彼此独立的供电电源。 系统运行的灵活性。电网结构应能适应各种可能的运行方式，包括正常及 事故情况下、高峰及低谷负荷时的运行方式。 潮流分布合理，无迂回倒流或送电距离过长等现象。 1 2 2 电网规划模型 一、静态规划模型 在静态规划中，根据指标的处理方法，电网规划又可分为经济性模型和可靠 性模型两类f 2 2 l 。 ( 一) 经济性模型 1 不明确目标函数的规划模型 在最初的传统启发式方法【9 1 ( 如逐步加线、逐步减线法等) 中，没有明确的目 标函数，而是将线路投资等隐含目标与线路的有效性指标相结合，规划运算过程 结束的原则是网络中没有冗余线路( 逐步减线法) 或网络中没有过负荷线路( 逐 步加线法) 。模型以隐式的直流潮流方程为约束，具有简单、易于计算等特点。 2 以明确的经济性指标为目标函数的模型 该类模型以网络投资费用、运行费用、设备折旧维修费用和电能损耗费用等 经济性指标之和为目标函数，其中应用较广泛的是“水平年电网舰划数学模型”f 2 l o 该模型以预测的某一规划水平年的负荷为已知条件，以待选线路为决策变量，以 线路建设投资和系统运行费用为目标函数。根据具体情况，可以增、减可靠性不 足带来的少供电量损失、网损等经济指标，作为目标函数。 根据约束条件的不同，又可分为直流模型1 8 】、运输模型【1 4 , 1 5 】、混合模型【1 3 l 和分 离模型【1 6 l 。 ( 二1 可靠性模型 “需求侧管理”的兴起使人们的可靠性观念发生了变化【1 7 j ，用户在购买电力 的同时也购买了电力的另一个重要品质一定的供电可靠性。由于供电可靠性 问题给用户造成的经济损失必将成为今后制定电价时要考虑的重要因素。因此， 电网供电总成本不应仅包括电网扩展建设的投资成本、运行成本，还包括由于电 8 第一章绪论 网电力供应不足中断造成的用户缺电损失，即需求侧的缺电成本1 1 8 】。 可靠性模型的目标函数取可靠性成本和可靠性效益的现值之和【1 9 】。约束包括 潮流方程约束、支路容量限制、网架限制等。可靠性成本即电网的投资成本，也 可以包括运行成本。可靠性效益为电网达到一定可靠性水平使用户获得的效益。 某一供电可靠性水平下的社会、经济效益较难估算，可靠性效益可以用缺电成本 即由于电力供给不足或中断引起用户缺电、停电造成的经济损失来表示【1 7 l 。随着 我国电力市场的发展，从供需两个角度考虑的可靠性模型有着良好的研究价值和 应用前景。 二、动态规划模型 动态规划模型中，决策变量在各阶段的取值相互制约，当线路在某一阶段被 选中后，就不能在其它阶段再被选中。对于目标函数，长期规划还应考虑资金的 时问价值。相对于静态规划，动态规划模型的约束中需增加一项约束： n p 0 sy 工。ks 1 ( n p 为规划总阶段数) 。如何很好地在求解过程中满足这一约束条件， 篇 是动态规划模型求解的难点，也是其计算量大大增加的地方。动态规划方案的优 劣，直接影响系统未来的雨发展，而且目前关于动态规划的研究工作尚不充分， 仍有大量工作待做。 三、灵活规划模型 随着社会、经济、科学技术的迅猛发展，以及日益加重的环境压力和各种新 机制的引入，电网规划正面临着越多不确定因素的影响。传统的电网规划方法显 然无法适应这些不确定因素的挑战，其数学上严格的最优解对于未来的实际情况 而言并非最优，甚至可能由于未来不确定性因素的影响而不得不进行大量的补偿 投资，因而降低甚至失去了最优规划的意义。近年来，为弥补传统规划方法的不 足，计及不确定性因素的影响，提高规划方案的适应性，灵活电网规划方法的研 究日益受到重视，成为近年来电网规划研究的热点1 2 0 1 。 在前述各种静态和动态模型的基础上，再考虑各种不确定性信息并做相应的 处理，即可得到各种灵活规划模型。 按照规划结果对约束条件满足情况的不同，电网灵活规划模型可分为两类： 严格约束模型和柔性约束模型。 ( 一) 严格约束模型 在这类模型中，要求规划结果严格的满足约束条件( 约束条件有可能为不确定 第一章绪论 的) 。按照对不确定性信息的处理方法的不同，可分为对不确定性信息直接建立准 确数学模型和无法建立其准确数学模型两类。相应地灵活规划模型也可以分为两 类。 建立不确定性信息的准确数学模型，是用一些数学方法对不确定信息处理， 得到描述和处理不确定信息的准确数学模型，再通过求解该模型，得到规划结果。 根据对不确定信息处理方法的不同，可分为随机规划模型、模糊规划模型、灰色 规划模型、盲数规划模型、多场景规划模型等。 1 _ 随机规划模型 随机规划模型采用统计参数描述和处理电网规划中已有的经验和规律，用 概率方法处理未来随机环境中的各种参数，并通过随机潮流方法得到潮流指标， 为随机规划提供数据。 随机规划模型需要的原始数据量大，而且电力系统中很多不确定因素并不具 有随机的性质，故有一定的应用局限性，目前主要是对设备故障、运行状态、系 统负荷状态等具有随机性质的事件进行处理。 2 模糊规划模型 模糊规划模型较适用于处理不同量纲、相互冲突的多目标优化和综合评判问 题，最后的目标通常不是某一指标达到最优，而是最大的综合满意度【2 2 j 。在模糊 规划模型中，通过模糊化处理各种不确定性数据，并通过模糊规则来描述输入输 出之间的关系，再通过计算模糊潮流得到潮流指标【2 3 , 2 4 l ，为模糊规划提供数据。 模糊规划模型也是目前电网规划中研究的最充分的一种灵活规划模型。 3 灰色规划模型 灰色理论是描述信息不完全的不确定因素的工具。灰色规划模型【2 5 】将一些不 确定性信息( 如节点负荷信息、电源容量) 进行灰色建模，然后通过信息的白化 处理，将灰色信息转化为确定性信息。目前在电力系统灵活规划中灰色方法已经 得到了初步的应用，但是灰色方法由于对灰色信息的处理不够缜密，并且缺乏严 格的数学理论支持，还有待改进和完善。 4 盲数规划模型 盲数理论是近年来新出现的研究不确定性信息的数学理论，可以处理同时具 有随机性、灰性、未确知性和模糊性等两种及以上不确定性的信息。通过盲数b m 模型对不确定性信息进行建模，计算盲数潮流【2 6 j ，求得在不同的线路盲数潮流过 负荷概率下的规划方案，然后通过成本效益分析，求得综合最优规划方案。盲数 第一章绪论 理论能很好地处理具有多种性质的不确定信息，值得研究。 5 多场景规划模型 对无法用数学方法给出准确数学模型的不确定性信息，一般采用预估的方法 进行处理，比较有效的方法是建立多场景规划模型。首先对未来环境中的各种不 确定性因素进行分析，得到它们一系列的可能取值。再通过组合的方法将各种不 确定性信息可能的取值分别组合为一个个未来可能的环境。通过计算，寻找出一 个具有最好适应性和灵活性的规划方案( 即能够适应大多数场景的规划方案) ，则此 规划方案即为综合最优方案。多场景规划模型的实质是通过将难以用数学模型表 示的不确定性因素转变为较易求解的多个确定性场景问题来处理，避免建立十分 复杂的电网规划模型，大大降低了建模和求解的难度。其难点在于如何合理地分 析、预测出各种场景，以及如何判断规划方案的综合最优性。目前，有学者通过 等微增率准则，考虑线路被选概率和权衡方法建立并求解多场景规划模型，取得 了不错的效果。 ( 二) 柔性约束模型 在前一类电网灵活规划模型中，约束条件是不可逾越的，规划方法是被动地 适应约束条件。在规划过程中，往往会为了降低某一条线路较小的过负荷率，使 整个规划的投资费用大大提高。由于规划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，有时未必值得。这时可以考虑在规划过程中允许部分 线路出现一定的过负荷率，以此来寻求一种经济性和可靠性之间的平衡。其目的 不在于寻求一种严格满足约束的最优解，而是考虑如何能够在尽可能小的违反约 束条件的情况下，使目标函数的经济性大幅度得到提高。最后再根据规划的结果 调整约束条件( 如过负荷线路上增加一回路等1 。就是说，柔性约束规划是主动地从 约束条件和规划决策两方面去求解问题的结果【2 7 】。 在电网规划中，由于实际问题的复杂性，为了对其进行合理的建模，可能会 将前述一种或多种模型有机组合，以期能最精确地反映实际问题。 1 2 3 规划求解方法 针对各种规划模型，人们研究出了多种求解方法。这些求解方法可以分为三 大类：传统启发式方法，现代启发式方法和数学优化方法。 一、传统启发式方法1 9 , 2 8 j 启发式方法通过定义反映方案运行性能及投资需求的综合指标，根据一定的 原则，对线路进行逐步迭代选择，直到得到满足要求的方案为止。 箱一章绪论 启发式方法的关键在于衡量方案优劣的运行性能指标的定义，根据衡量安全 性指标的不同，启发式方法可分为两类： 1 基于支路性能指标的启发式方法。线路的筛选根据系统运行时线路功率传 输情况来完成，如支路是否过负荷、过负荷严重程度。 2 基于系统性能指标的启发式方法。线路的筛选根据系统运行时整个系统的 一个特定运行性能指标的影响程度来完成，如系统是否缺负荷、缺负荷大小j 以基于线路指标的启发式网架规划方法为例，启发式方法可分为： 1 ) 逐步倒推法：首先根据目标年数据构成一个虚拟网络，该网络除已有线路 外，包括所有待选线路，然后，采用潮流模型对该网络进行分析，比较各待选线 路在系统中的作用及有效性，逐步去掉有效性低的线路，直到网络没有冗余线路 为止，也就是说再去掉任何新增线路，都会引起系统过负荷。 2 ) 逐步扩展法：根据各待选线路对过负荷支路过负荷消除的有效度，选择恰 当待选线路加到网络上，直到网络无过负荷为止。 这类方法以直观分析为依据，接近工程人员思路，可以根据经验和计算给出 比较好的设计方案，但无法严格保证解的最优性。在电网规划中，启发式方法直观、 灵活、计算时间短，便于人工参与给出符合工程实际的较优解，这是其优点。这 种方法总的特点是逐步扩展网络，但不考虑扩建线路决策的相互影响，因而不能 保证给出数学上的最优解，这是它的主要缺点。一般用于求解小规模电网。 二、现代启发式算法 现代启发式算法是模拟自然界中一些优化现象，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某些约束条件不可微的非线性 优化问题。它比较接近于人类的思维方式，易于理解，用这类算法求解组合优化 问题在得到最优解的同时也可得到一些次优解，便于规划人员分析比较。此类算 法主要有：模拟退火算法，遗传算法，t a b u 搜索法、蚁群算法等。 1 模拟退火算法 模拟退火算法【 9 1 是一种适用于大型组合优化问题的随机搜索技术。算法的核 心在于模仿热力学中的液体的冻结与结晶的冷却和退火过程，采用m e t r o p o l i s 接受 准则避免落入局部最优，渐进收敛于全局最优。模拟退火法可以有效地防止陷入 局部最优，但为使每一步冷却的状态分布平衡很耗时间，而且属于单点寻优，对 求解存在多个最优解的问题有一定的困难，需要改进。通常将模拟退火方法与其 它方法结合使用，以发挥各自的优势，如和遗传算法相结合使用【3 0 j 。 笫一章缔论 2 遗传算法 遗传算法1 3 1 1 是目前电网规划中广为使用的一种现代启发式寻优算法。它通过 编码将规划方案作为祖先( 初始可行解) ，以适应函数的优劣来控制搜索方向，通过 遗传、交叉、变异等逐步完成进化，最终逐步收敛到最优解。同传统算法相比， 遗传算法具有多路径搜索、隐并行性、随机操作等特点，对数据的要求低，不受 搜索空间的限制性约束，不要求连续性、导数存在、单峰等假设，可以考虑多种 e j 标函数和约束条件。遗传算法也存在计算速度慢，有时会收敛到局部最优解等 不足，目前对此也进行了一些改进和研究。此外，考虑到模拟退火算法可以有效 防止陷入局部最优解这一特性，将模拟退火算法和遗传算法结合的混合遗传一模拟 退火算法也取得了不错的效果i ”j 。 3 t a b u 搜索法 t a b u 搜索法是一种高效的启发式搜索技术，其基本思想是通过记录( t a b u 表) 搜索历史，从中获得知识并利用其指导后续的搜索方向，以避开局部最优解。t a b u 搜索法的搜索效率高，收敛速度很快，目前已受到规划工作者的重视【3 3 , 3 4 。但是 t a b u 搜索法是一种扩展邻域的单点寻优方法，收敛受到初始解的影响，而且t a b u 表的深度及期望水平影响搜索的效率和最终的结果，机理不甚清楚，从数学上无 法证明其一定能达到最优解，尚需进一步研究。 4 蚁群算法 蚁群算法是由意大利科学家d o r i g o 研究总结出的一种新型的仿生启发式寻优 算法，该算法仿照蚂蚁觅食机理构造一定数量的人工蚂蚁，每个人工蚂蚁以路径 上的荷尔蒙强度大小( 按照一定的状态转移准则) 选择前进路径，并在自己选择的行 进路径上留下一定数量的荷尔蒙( 进行荷尔蒙浓度的局部更新) ，当所有蚂蚁均完成 一次搜索后，再对荷尔蒙浓度进行一次全局更新。通过反复迭代，最终大多数蚂 蚁将沿着相同的路线( 最优路线) 完成搜索。应用表明，其算法效率、寻优能力均强 于目前已有的其它现代启发式优化算法，适宜于求解有约束问题，有着较好的应 用前景。目前有学者偿试将其应用到电网规划中【35 ”j ”，但是还没有很好地将规划 模型处理成适合于蚁群算法求解的模型，系统规模增大时，该文中的方法将难以 求得高质量的解。如何合理地将规划模型转变成适合蚁群算法的模型，有待进一 步研究。 除上述优化算法外，还有一些优化算法被应用到电网规划中。如，人工神经 元方法【3 7 】、专家系统法【3 8 】、进化规划法【3 9 l ，以及将启发式算法与数学优化方法相 结合的算法，文献【4 0 】提出了一种基于蒙特卡罗仿真和遗传算法相结合的输电灵活 规划方法。 第一章绪论 三、数学优化方法 在上世纪5 0 年代末6 0 年代初，由k i g h t 首先将数学优化技术与计算机结合应 用于电网规划，在此期间，虽然用计算机取代了人工计算，但规划方法较简单， 主要表现在对负荷分布及网络结构作各种合理化假设，随着计算机技术及应用数 学的发展，电网规划技术也得到很大发展。 电网规划的数学优化法就是把电网规划设计要求归纳为运筹学中的数学模 型，然后通过一定的优化算法求解，从而获得满足约束条件的最优规划方案。与 电网规划启发式方法相比，数学优化方法考虑了各变量之间的相互影响，因而理 论上更为严格些。但由于电网规划的变量数很多，约束条件复杂，因此，数学优 化方法在建立模型时不得不对具体问题作一些简化，给予近似描述。另外，数学 上最优的方案有可能与实际情况发生矛盾，因而难以得到实施，这是它的主要缺 点。 常用的数学优化法有线性规划、整数规划、混合整数规划、动态规划、分支 定界法等。 1 基于功率流线性规划和相关分解的0 1 隐枚举法 采用了非线性0 1 整数数学模型，既避免了线性化模型( 不能反映新架线与潮 流非线性关系) 带来的误差，也避免了连续函数模型在“取整”中产生的错误。 2 水平年电网规划的一个混合整数规划法 该模型要求各变量满足直流潮流方程，并计及损耗的影响，其目标函数包括 线路建设投资和系统发电费用两部分。为了考虑发电出力对架线方案的影响，该 模型将发电机出力也作为变量处理，因而在确定最佳接线方案的同时还给出了相 应的最优发电机出力调度计划。需要说明，由于数学优化方法在建模时做了大量简 化，有些决策变量难以用数学模型表达，因此数学上的最优解未必是符合工程实际 的最优方案。 混合整数规划法、分支界定法在解决大规模问题时，常有维数灾难，难以收 敛或收敛速度非常慢。 3 支路交换法 支路交换法是1 9 9 0 年由a o k i 等人提出的，其基本思想是：a 在可行方案中加入 一条支路，形成一个环；b 移动一条违反约束或费用较高的支路，如果支路交换后 的方案更优，则保持该方案，否则放弃交换；c 重复以上过程，直到目标函数不能 再改善为止。1 9 9 7 年，s k g o s w a m i 对其进行改进，将支路交换分为区内支路交换 第一章绪论 和区间支路交换，区内支路交换确定变电所的最优供电区域，区间支路交换确定 网络的最优结构。该方法应用较多，但只是一种近似优化方法。 4 线性规划法 在电网规划中，根据实际情况，通过一些简化措施，去除非线性，建立线性 的电网规划模型。线性规划法具有计算简单，求解速度快等优点。但实际电力系 统中的问题大多为非线性，通过简化去除非线性，会带来误差。而且单纯形法要 求解的可行域为凸的，而电网规划中很可能出现非凸的情况。 比较而言，近年提出的优化规划方法_ 以遗传算