（电力系统及其自动化专业论文）输电损耗分摊计算平台的研究.pdf

输电损耗分摊计算平台的研究 r e s e a r c ho nc o m p u t a t i o np l a t f o r m so ft r a n s m i s s i o nl o s s e sa l l o c a t i o n a b s t r a c t s y s t e ml o s s e sa l l o c a t i o nn o to n l ye f f e c t st h ep r o f i to f a l lt r a n s m i td u t yb o d y ，b u ta l s oh a s a f f e c t i o no nt h eh e a l t h yd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c a lm a r k e t s y s t e ml o s s e sa l l o c a t i o ni so n e o f t h ep r o b l e m st h a tn e e dt os o l v ei nt h ee l e c t r i c a lm a r k e t a l t h o u g hm a n ys c h o l a r sp u tf o r w a r ds o m ea r i t h m e t i ca b o u ts y s t e ml o s s e sa l l o c a t i o n t h e r ei sn o ta na r i t h m e t i ct h a tc a ns a t i s f ya l lu s e 侣i ti sn e c e s s a r yt ob u i l dap l a t f o r mt o c o m p a r et h ea r i t h m e t i c t os e l e c tt h eb e s to rr e s e a r c hn e wa r i t h m e t i c t h i sp l a t f o r mc a na l s u r e t h ee q u i t yo fs y s t e ml o s s e sa l l o c a t i o n n 圮p o w e rs y s t e mb d t x ) m e sm o r ea n dm o r ec o m p l e x , s ot h ec o m p u t eq u a n t i t yo fs y s t e ml o s s e sa l l o c a t i o nb g o m e 8m o r ea n dm o r e t l l i sm a d e s y s t e ml o s s e sa l l o c a t i o nh a v eal o to fd a t aa b o u tt h ei t sr e s u l t , a n di n c r e a s et h ed i f f i c u l t yo f s e l e c t i n ga n dc o m p a r i n g i nt h i sp a p e r , t h ea r i t h m e t i ci sa n a l y z e d ，s u c ha se m b e d d e da r i t h m e t i c ，t h ea r i t h m e t i c b a s e do nm a r g i n a ll o s sc o e f f i c i e n t s 。t h e 鲥t h m e t i cb a s e d0 1 1s y s t e mf l o w , s u n h n 撕z c dw i t h t h em e r i ta n dd i s a d v a n t a g eo fa r i t h m e t i c ；t h e np r o g r a m m e dt h ef o u rm e t h o d ( p r od a t a , m a r g i n a il o s sc o e f f i c i e n t s ，z - b u sl o s sa l l o c a t i o na n df l o wt r a c i n g ，) ，a n dm a k ead e s kw i t h v i s u a lc + + u n d e rt h es o m ed e s k , t h em e t h o d sc a nb er u n , w h i c hi su s e f u lf o rt h es y s t e m l o s s e sa l o c a t i o n a i m i n ga tt h en o - i n t u i t i o n i s t i co f t e x t , e s p e c i a l l yw h e nt h e r ea r el o t so f d a t a , t h ec o m p a r e a n d 锄i a l y s i sh a v ed i f f i c u l t y 眦sp a p e ri n t r o d u c e sv i s u a l i z a t i o nt od i s p l a yt h er e s u l to f s y s t e m l o s s e sa l l o c a t i o n t h eo u t p u tf o r m a to fs y s t e m1 0 s s e sa l l o c a t i o nc h a n g et ot a b l e 、c o o r d i n a t e a n dh i s t o g r a m , t h i sm a d et h er e s u l to fs y s t e ml o s s e sa l l o c a t i o nm o r ei n t u i t i o n i s t i c n 屺 v e r a c i t yo f t a b l ea n dt h ei n t u i t i o n i s to f g r a p ht a k ea d v a n t a g eo f e a c ho t h e r w h i c ht a k eal o to f a d v a n t a g et ot h er e s e r r c ho fs y s t e ml o s s e sa l l o c a t i o n a l o n gw i t ht 1 1 ei n c r e a s i n go fg d dn o d e t h er e s u l to fs y s t e ml o s s e s a l l o c a t i o ni s i n c r e a s i n g t h i sm a k e st h ed a t ao ft h i sp a p e rr e d u n d a n t , a n dt h eg r a p ho fv i s u a l i z a t i o nc a n t d i s p l a yn o r m a l l y a i m i n ga tt h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rp r o v i d e ss g i o 。u st e c h n o l o g yt os y s t e m l o s s e sa l l o c a t i o n k e yw o r d s ：s y s t e ml o s s e sa l l o c a t i o n ；p l a t f o r m s ；v i s u a l i z a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：日艚k 叫 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 盘里毒3 1 年上月丛日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 电力市场化改革就是要将电力生产的发电、输电、配电、售电等环节分开，并在发 电和售电环节引入竞争。从整体上划分，电力市场的开放分为垄断、发电竞争、批发竞 争和零售四个渐进阶段。目前，我国的电力市场还处在发电竞争试点阶段，实行“厂网 分开，竞价上网”。经过“厂网分开，竞价上网”发电侧电力市场后，电力市场将过渡 到发电、输电、配电相分离，即形成批发竞争模式。在此模式下，不但发电企业要根据 公平竞争的规则竟价上网，而且允许大的电力用户直接从发电企业购买低价的电力，通 过同一电网或互联网予以输送。1 9 9 2 年美国颁布的能量政策法案提出了输电网开放 ( t r a n s m i s s i o no p e r la c c e s s ) “的概念，其目的是为发电市场提供一个规范而公平的 竞争环境。在竞争的电力市场下，输电网的功能和角色都发生了重大的变化；输电网公 用化并且作为电力商品的载体进入商业化运营，随着输电开放，越来越多的用户要求输 电网为他们提供公正、平等的输电服务。这就要求，输电部分从发电和配电环节分离出 来，形成独立的输电公司，在监管机构的监督下，负责电力系统的安全运行和市场交易 的经济运行嘲。同时，输电网运行的基本问题不再是优先解决电力公司用户的电力需求， 而是要明确的定义输电服务、用户使用输电系统的权利以及相应的服务成本，并将其服 务平等地提供给任何市场参与者以及科学合理的分摊其成本州。在电力工业引入竞争的 改革中，输电对于促进电力市场的竞争，支持可靠性的管理和市场交易等有更加重要的 作用。 为了建立公平竞争、开放有序、健康发展的电力市场，既要充分借鉴国内外现有的 电力市场实践经验与教训，同时还要结合我国电力市场的客观环境，要着实研究很多问 题。其中输电系统开放所引起的问题是电力系统商业化运营中的基本问题，是电力市场 顺利实施，并迫切需要解决的问题，其研究已经成为热点之- - s - - s 3 。广义的讲，输电问题 中的几个主要问题包括输电阻塞管理、输电定价和输电损耗分摊等。 1 1 输电损耗分摊的目的和意义 电力市场建立以后，公平竞争将成为电力市场最重要和基本的原则。输电损耗分 摊是电力市场中面临的基本理论问题之一，其目的是分摊给每个发电商和用电用户应承 担的网络传输损耗费用。虽然在电力市场交易过程中，输电网的损耗只占全部成本很小 的一部分，一般来讲输电系统功率损耗占整个输送容量的2 5 。但是它对于提高输电定 价有效性以及引导输电用户合理利用输电资源具有重要作用，仍需要对其进行重点研 究，以尽可能提高市场效率。此外，输电损耗分摊结果不仅直接影响各输电责任主体的 输电损耗分摊计算平台的研究 经济利益，更关系到电力市场的健康发展。在输电开放的市场框架下，需解决的问题是 如何将输电损耗在发电用户和用电用户中分摊，即输电损耗分摊问题，而在发电侧电力 市场中，面临的问题则是要对发电厂商的发电报价进行网损修正。 输电损耗分摊是一个十分复杂的问题，除了由于输电损耗与输电系统用户功率之间 的非线性关系使得损耗具有天然的不可分性外，市场框架和交易用户( 联营、双多边 和转运交易用户) 的多样性也是一个影响因素，故如何公平、合理的在用户间分摊损 耗成为一个难题。不同的计算和分摊方法会造成在电网用户间分摊比例很大的差异， 如何进行统一的精确的计算和公平分摊，成为电网用户普遍关心的问题。同时，不同 的网损分摊方案，也会对电力系统的经济运行产生影响。英国电力市场的运行实践表 明，不同的网损分摊方案可能对交易电价的影响高达1 0 【咖。因此，合理、公平的对 网损进行分摊，无论从提高整个电力系统的经济效益来说，还是从对不同电网用户的 公平开放来说，都有重大的意义。 1 2 损耗分摊的研究现状及其相关问题 输电损耗产生的原因是有功率流过了有阻抗的输电网络，如果二者之一数值为零， 就不会产生输电损耗。现有技术水平下输电元件还无法达到超导，所以是否有功率流过 成为是否产生输电损耗的唯一影响因素。当输电网络中有多个功率同时流过时，就出现 了哪个功率在哪些元件上产生了多少损耗的问题，这就是损耗分摊问题。基于输电损耗 产生的原因，输电损耗分摊应根据输电用户功率对系统的实际使用程度将损耗分摊给各 输电用户。但是由于损耗与输电用户之间复杂的非线性关系，这使得目前提出和应用的 各种网损分摊方法都有优缺点，没有一种通用的、能得到大家一致认可的最好方法。一 个好的网损分摊算法应该尽量满足如下条件： ( 1 ) 公平合理。应该能真实地反映各使用者使用电网的程度，坚持“谁使用谁付钱， 用多少付多少”的原则，不存在相互补贴的情况。 ( 2 ) 过程透明。整个分摊过程应该公平、透明，使用户易于接受，并且方法要始终如 一，避免人为因素干扰。 ( 3 ) 计算简单。分摊方法应简单并且容易实现，算法速度尽可能快，适合于大规模实 时运算。 “) 收支平衡。电网公司所取得的总网损费用必须等于各个市场成员实际的网损费 用。 ( 5 ) 经济信号。分摊方法应该能提供适当的经济信号给个市场成员引导输电网络的经 济合理调度。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 目前，主要的一些网损分摊方法有如下几类：压入法、基于网络拓扑类算法、基于 灵敏度的方法和潮流追踪法等。国外一些大的电网公司采用较多的是平均网损分摊法和 边际类算法，其中一些典型的区域电力市场网损分摊方法见表l - 1 。从表中不难看出， 各国家各地区都结合自身网络实际情况，采用不同的电力市场模式，使用的网损分摊方 法也不一样。 表1 1 各国各地区电力市场网损分摊方法 t a b 1 t h es y s t e ml o s s e sa l l o c a t i o nm e t h o do f s e v e r a ln a t i o n sa n dz o n e 各国家各地区都结合自身网络实际情况，采用不同的电力市场模式，使用的网损 分摊方法也不一样，见表1 - 2 ，这也间接的表明没有一个算法能使所有用户满意。因此， 对现有众多网损分摊算法比较是必要的，进而在由原来算法的基础上寻求最优算法， 或通过比较寻找提出新算法的思路或方法。 输电损耗分摊计算平台的研究 在我国发电侧电力市场中，按照市场规则，所有独立发电公司的竞价机组在交易 中心竞价上网，用电实施单一购买，售电价格由国家统一制定，不能变动。如果按照 各竞价机组的发电报价直接交易，则存在如下问题： ( 1 ) 公平性：发电机散布在电力网络中，位置各不相同，所以每个发电机输出功率 所引起的功率损耗是不一样的。而发电机输出功率的计量点是发电机的出口， 这就意味着根据实际发电报价进行的交易没有考虑各发电机输出功率所引起的 功率损耗的差异，即认为各发电机输出功率损耗是相同的，这对引起系统功率 损耗小的发电机而言是不公平的。 ( 2 ) 经济型：，一般而言，坑口电厂发电成本较低，但其一般远离负荷中心，引起的 输电功率损耗较大。若直接根据发电报价进行交易，则可能会造成较多远距离 电厂中标，可能造成输电损耗增加的费用大与购电节省的费用，从而降低了系 统整体运行的经济性。 因此，有必要在交易前对发电报价进行网损修e t i l l ，在保证各电厂公平竞价的同 时，兼顾系统整体运行的经济性。 基于以上可知，输电损耗分摊理论是电力市场下必须研究的一个理论之一。 1 3 输电损耗分摊平台研究的意义 1 3 1 输电损耗分摊平台研究的目的 输电损耗分摊平台的研究建立，可以在同一界面下，对不同网络节点进行计算，可 以方便地调用不同算法，计算所需要的数据，减少不必要的麻烦。对输电损耗分摊结果 的可视化处理，可以使输电损耗分摊结果的直观性与准确性相结合，便于分析和比较网 损分摊结果。 1 3 2 输电损耗分摊平台研究的必要性 伴随电力市场化进程的不断发展，输电损耗分摊问题也经过多年研究，但输电损耗 分摊依旧存在以下主要问题：第一，虽然此前提出很多关于输电损耗分摊的算法，但在 众多算法中，不能找到一个算法令所有用户满意。在科研工作和实际工程中缺少这样一 个输电损耗分摊平台，来对现有算法进行比较，以便在现有算法中选择最优算法，或者 通过平台比较现有算法，进而研究新算法。第二，随着电网规模的变大，网损分摊结果 的数据也越来越多，其分摊结果显示也带来很大难度。建立输电损耗分摊平台并实现网 损分摊可视化可以有利于不同算法的比较和结果的可视化显示。研究的要求越来越迫 切，具体体现如下： 一4 - 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 网际互联不断加深：由于地区能源资源及用电大户分布的不平衡，加之各种技术 的改进和新技术的出现，促使输电网越来越大。大范围的功率输送越来越多，同 时输送范围越来越大，这大大增加了网损分摊和算法选择的难度。 ( 2 ) 数据越来越多：输电网的不断加大，伴随出现大量的发电节点和负荷节点。这带 来了大量的运算数据，造成损耗分摊结果的显示很难进行分析和比较。 ( 3 ) 分摊算法越来越多：上述( 1 ) 和( 2 ) ，使得损耗分摊问题日益突出，间接的导致更多 的学者提出不同的分摊算法，没有一个统一的平台对各算法进行比较，这容易导 致很多人为因素加入到其中。 鉴于上述，建立输电损耗分摊平台，并在其基础上对输电损耗分摊结果可视化的研 究是必要的，由于网损分摊可视化的引用可以使网络数据、损耗分摊算法和显示技术形 成有机整体，达到给研究员以清晰、直观的印象，进而对各算法的合理性和实用性有了 直观印象，以便在实际应用中寻求最优算法或者研究新算法。 1 4 本文的主要工作 针对目前的网损分摊计算方法各有优缺点，没有一个统一的环境来对各个算法进行 比较计算，并且以往多数学者在提出一种新算法时，只是把新算法与原有的一种或两种 算法进行数值比较，不免有一定人为因素包含其中等现状。本文主要对原有几类主流算 法进行研究分析，建立了输电损耗分摊平台，并将可视化概念引入到网损分摊结果显示 中。在网损分摊平台的建立和其结果的可视化显示中的方法和思路，希望能给以后研究 网损问题带来一点启示。本文具体工作如下： ( 1 ) 网损计算是网损分摊的前提，本文首先总结分析了压入法、基于网络拓扑结构类 算法、灵敏度类算法和潮流追踪类算法等主流算法各自优缺点，并用c + + 语言实 现了这四类算法的代表算法邮票法，z b u s 法、灵敏度算法和潮流追踪算法。 ( 2 ) 使用m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s sl i b r a r y ) 的a p p w i z a r d 向导建立了输电损 耗分摊平台，实现了同一界面下不同算法的比较。 ( 3 ) 对网损分摊平台结果进行了可视化处理，将表格、坐标系和柱形图等显示方法引 入到可视化结果的显示中。 ( 4 ) 通过算例，对比可视化的网损分摊结果，结合文本显示和图形显示各自优点，完 善了损耗分摊结果的显示，便于对其算法的分析与选择。 ( 5 ) 本文最后将多屏显示技术引入到网损分摊中来，以期解决当电网络的节点增加到 一定数量，足以让其可视化损耗分摊结果无法在同一界面下正常显示，甚至不能 显示的问题。 输电损耗分摊计算平台的研究 2 电力市场下的网损分摊的主流算法 2 1 网损分摊已有算法的剖析 输电损耗分摊的核心问题是输电用户对电网使用程度的责任确定问题，本着“谁使 用谁负责，用多少付多少”的原则，将系统总的输电费用分摊给各输电用户。关于如何 确定输电用户对输电设备的利用份额国内、外学者提出了许多种方法。如今较流行的方 法可分为以下四类：压入法“”、基于网络拓扑类算法1 、基于灵敏度的方法“5 删和潮 流追踪类算法“】。 2 1 1 压入法 压入法是一类方法的总称，在其中包括邮票法、合同路径法等。 所谓邮票法，即不管转运路径如何，输电费用完全由转运功率的多少来决定，将总 的输电费用多少进行分摊，优点由于其只按功率来分摊输电费用，所以该方法计算简单、 过程透明，易于实现，许多电力市场中采用这种损耗分摊方法。其缺点是忽略实际运行 情况，也可能会向用户提供不正确的经济信号。如：用户如果向离其电气距离较远的发 电厂买电，与就近买电所承担的输电费用并无增加，并且邮票法往往意味着使用网络较 轻的负荷对其他用户进行补贴。 所谓合同路径法是指在转运合同中规定一条从发电用户功率注入点到购电用户功 率流出点的一条连续通路，并假定转运功率只在此条连续通路通过，在进行输电费用计 算时，只考虑该连续通路的设备。有以下缺点： ( 1 ) 合同路径法只适用于规模较小的电力网络，随着电力网络规模的不断扩大，使合 同路径的合理确定变得越来越困难。 ( 2 ) 在实际情况下，转运功率并不只在合同规定的路径中流过，而是对整个电力网络 都有影响，只是影响的程度有所不同。合同路径法忽略了转运潮流对电网其他部 分的影响，特别是与合同路径相邻部分，可能影响较大，从而产生输电服务费用 的不合理分摊。 综上所述，压入法是一种比较粗糙的方法，并不能提供很好的经济信号。 2 1 2 基于网络拓扑类算法 一 z - b u s 是一种基于基于网络拓扑类算法的网损分摊方法。该方法利用电网络阻抗矩 阵和母线注人电流以及网损的计算公式将系统中的网络损耗自然地分配到系统的各个 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 母线上。该方法可以很好地反映系统的传输线参数和网络拓扑结构对网损的影响，以及 很好地反映了系统的电气结构。z - b u s 法将系统损耗分配到所有的系统母线之上。 z - b u s 有以下优点： ( 1 ) 计算简单。易于计算，计算量小。 ( 2 ) 方法简单。容易理解，易于被用户理解。 ( 3 ) 该方法很好地反映了系统的电气结构。 ( 4 ) 能保证收支平衡 缺点： ( 1 ) 其网损分摊结果有正有负，输电公司很难接受这个现象。 ( 2 ) 不能提供经济信号。 ( 3 ) 该分摊方法分摊网损结果存在负数。 2 1 3 基于灵敏度的方法 基于灵敏度的方法是通过输电服务用户功率对输电元件上一些物理量的灵敏度来 获取各用户对输电网络的影响程度，据此进行输电系统服务的分摊。 该类方法有以下优点： ( 1 ) 计算简单。易于计算，计算量小。 ( 2 ) 由于该方法实质是一种边际成本法，所以该方法能够提供较强烈的经济信号。有 利于促进输电资源的经济使用。 ( 3 ) 电网调度、运行人员对于灵敏度概念非常熟悉，有利于用户对该方法的理解，易 于被用户接受。 但该方法有以下缺点： ( 1 ) 用户对输电线路的灵敏度有正有负，并且潮流灵敏度的大小往往变化很大。 ( 2 ) 利用该方法所求取的用于输电服务分摊的输电设备使用程度只是反映了某种运 行状态下输电服务用户功率与输电元件中的功率之间的微增变化关系，该关系与 输电服务用户总量对输电元件中功率的贡献可能是不一致的。 ( 3 ) 与系统潮流的状态有很大关系。不同潮流状态下，同一转运灵敏度会产生很大差 异。 “) 计算结果与电力网络的选取有很大关系，由于节点反映的是该节点功率微增、平 衡节点功率微减，所以选取不同的参考节点会得出不同的损耗灵敏度结果。 ( 5 ) 基于灵敏度的方法不一定能保证收支平衡。 输电损耗分摊计算平台的研究 综上所述，基于灵敏度的解析法虽然可以提供较强烈的经济信号，但由于其有上述 缺陷，所以该方法还需改进来克服以上缺陷。 2 1 4 潮流追踪法 潮流追踪法是利用节点功率的等比例分配原则嘲侧对节点功率进行追踪，从而确定 发电功率与用电功率之间的对应关系和发电功率与用电功率在输电元件中流过的数量， 从而确定每个输电用户对输电设备的利用份额。通过潮流追踪可以获得电力系统中某个 负荷的电能来自于哪些电源或某个电源的电能流经哪些输电元件流向哪些负荷。 潮流追踪方法的特点： ( 1 ) 对节点功率的追踪，确定每个输电用户对输电设备的利用份额，其算法简单、清 晰。 ，( 2 ) 计算过程透明度高。易于理解、易于被用户接受。 ( 3 ) 可以满足其收支平衡。 潮流追踪法本身是一类方法，其中包括许多具体的算法，如电流追踪和功率追踪， 顺流追踪和逆流追踪，无损追踪法和有损追踪法等。由于潮流追踪法对系统的潮流进行 了追踪，得出输电元件中潮流的成分组成，即输电元件中的功率由哪些发电机流入或供 给了哪些负荷，这样会得到一个明确的某一发电机注入功率在电网络中的流经通路情 况。这样使潮流追踪法具有简明、清晰的优点，从而有利于各输电用户对潮流追踪法的 理解，有利于潮流追踪法的推广和增强输电服务费用分摊的透明性。 其最大的缺点是：不提供经济信号。 鉴于上述分析，各类算法均具有不同的缺点，通过对现有主流算法的理论分析不足 以让用户满足。对其算法的研究分析有待进一步提升。 2 2 部分主流算法的实现 2 2 1 邮票法 采用邮票法分摊损耗时，首先计算网络的总损耗，然后根据各用户交易功率的大小 将网络总损耗分摊给各输电用户。可以看出，该算法不考虑电能交易的功率注入点和流 出点的位置以及功率流动路径。 该算法不仅可用于联营交易的损耗分摊，还可应用于双边交易和转运交易。 现以联营交易模式下的损耗分摊为例进行计算，假设损耗由发电用户承担，则损耗 分摊的步骤如下： 步骤h 计算全网输电功率损耗， 大连理工大学硕士学位论文 = 式中：为输电网中第i 条线路的功率损耗。 步骤2 ：计算全网发电功率p ， p _ - 弓 式中：p 为输电网中第j 台发电机的发电功率。 步骤3 ：计算单位发电功率应分摊的损耗丑， 丸：垒 步骤4 ：计算各发电机分摊的损耗p l o s s ， k = 碣 2 2 2z - b u s 法 z - b u s 方法是把总系统损耗圪。分摊给输电网络中各个母线厶。 即：= 丘 步骤1 ：系统损耗可以表示为： = 吼謦( 喜乙 步骤2 ：上述公式变形的； = 贸謦( 窆i - i 如 h 砉陲玛) 只。= 9 l l 如l + 孵 i 工i l l l jl - l 1 1 j 步瓢由于k 吼謦陲玛j 、i l = 0 j ， l i l1 1 故： = 孵。k = l k主j1一)k=l j 同样：最= 暇 ( 嘉 公式( 2 8 ) 的具体推导请参看附录a 。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 输电损耗分摊计算平台的研究 2 2 3 灵敏度法 灵敏度法是通过输电用户功率对系统功率损耗的灵敏度来获取各用户对输电网络 的使用程度，据此进行损耗分摊。节点的损耗灵敏度反映了在某一特定系统运行方式下， 该节点功率微增、平衡节点功率微减时，系统功率损耗的变化。 设某运行时段系统中有个节点，则损耗分摊步骤如下： 步骤l ，全系统总损耗公式： 一一 三- 1 2 q l 巧2 + 哆一2 吧c o s ( 6 ：一q ) l ( 2 1 1 ) 步骤2 ，对上式 o l a v , = 2 2 2g f ， j - ! o l i o s , - ：e g j - i 步骤3 ，由于网 因此得； a l o k = ( 钇 - l a l a o , = ( 钇 j i _ 整理得： 一只) 巧s i n ( 包- o , ) 损是个节点注入功率的函数，记为工( 只，q ) ，i = 1 , 2 ，n 8 pa q = j 为潮流方程的雅克比矩阵。 ( 2 1 6 ) m m q 锨叫嚣 ) ) m 坫 心 哟 坩 坩 g g 叼 叼 勉， 勉， 钇 钇 + + 形 b 坩 佑 必 粥 鸩 喝 ， ， 越一卯钇一阳 既一阳钇一 b 箜塑阳 丝吧丝勉 + + 护一卯一阳钇一卯钇一妒 = = 钇一阳乩一 大连理工大学硕士学位论文 阱 a a p a 勉 = ，一1 a a 口 a a 矿 ( 2 1 7 ) 式中嚣，雾由式( 2 1 4 ) 和式( 2 1 5 ) 求得，冬= 嚣= 【知，冬：，r 和 如= 嚣= 锄，：，锄 7 分别为各节点的有功、无功边际网损矢量平衡节点和p v 节点除外。因为平衡节点的电压幅值、相角和p v 节点的电压幅值不受其他节点的注入 功率的影响，保持不变。 对于p v 节点i ，该节点无功功率的变化量将全部由该节点进行补偿，不会引起额 外的网损，因而该节点的无功边际网损系数为零，即如= 0 。同理，对于平衡节点s ， 其节点有功边际网损系数和无功边际网损系数均为零，即= 0 ，五倦= 0 。 步骤5 ，l ( i ) = 冬，只+ 如q 。 ( 2 1 8 ) 由于功率损耗实际上是电流平方的函数，如果完全使用上式将造成成本的过度回 收。这种情况可以通过对原边际网损系数作进一步的修正，使分摊的总网损等于实际网 损量。 修正系数搿= 万生一，式中l 为总网损，( i ) 为分摊到各节点的网损量的总和 y f f l “i 苗一 所以，调整后的第i 个节点所分摊的网损为： l ( i ) = 只+ 嘞q ( 2 1 9 ) 2 2 4 潮流追踪法 所谓潮流追踪，是对节点功率进行追踪，从而确定发电功率与用电功率之间的对应 关系，和发电功率与用电功率在输电元件中流过的数量，据此确定每个输电用户对输电 设备的利用份额和损耗责任。 潮流追踪可分为顺流追踪和逆流追踪。所谓的顺流追踪是从发电机节点开始，沿着 系统潮流的流动方向进行追踪，从而可确定电源出力在各负荷中的分配情况；而逆流追 踪则正好与此相反，它从负荷节点开始，逆着系统实际潮流的流动方向进行追踪，从而 可确定各负荷所需功率在电源中的分配情况。 ( 1 ) 潮流追踪法的损耗分摊原则 输电损耗分摊计算平台的研究 潮流追踪中的关键问题之一是损耗分摊原则的确定，因为占系统传输功率一定比例 的损耗的分摊，直接影响到负荷用户或发电公司的功率在系统中各个输电元件中的分 布，进而又会影响输电元件损耗分摊的结果油1 。 图2 1 所示，其中u 、u 。为输电元件首末端的电压，r + j x 是输电元件的参数，i 是 输电输送的功率在线路末端的值，豆与爱分属不同的用户。 弘s i + 是 图2 1 简单系统 f i 9 2 1s i m p l es y s t e m 设夏= 鼻+ 尥，长= 足+ j q ：，在该运行状态下输电元件的功率损耗： 笺鬓u 2 篓兰警u 2 鳓 亿2 ：芏垡蔓堡驾墨! 璺垒f r + m ”7 当爱与豆单独通过该输电元件时，产生的功率损耗： 峨。：乌鍪( r + 闳峨：穹鍪( r + ) ( 2 2 1 ) v 2 v 2 比较式( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) ，可得： 峨= 峨。+ 峨2 + 皈 ( 2 2 2 ) 式中：暖：型翌磐( r + ) ，定义其为附加损耗。 u 2 式2 2 2 表明，当分属不同用户的功率经过圊一输电元件时，产生的损耗可分为两 部分，前一部分是这些功率单独流经该输电元件所产生的损耗之和；第二部分是这些功 率同时流过该输电元件所产生的附加损耗；一种合理的损耗分摊原则首先应该满足公 平、合理的原则，将第一部分损耗分摊给各个用户是没有困难的，所以对式2 2 2 中的 附加损耗的处理是损耗分摊的关键。 大连理工大学硕士学位论文 根据式2 2 0 、2 2 l 和2 2 2 可以看出，当线路中流过的功率墨或曼变化时，损耗中 的第一部分，即龋或舔：的幅值是呈现平方变化的，而损耗的交互增加部分，即附加 损耗_ 心是线性变化的。所以，当归属不同用户的功率流经同一输电元件时，第一部 分应按电流平方比例分摊：而第二部分，即附加损耗部分应按电流比例分摊。据此，可 得到如下的分摊原则：当归属不同用户的功率流经同一输电元件时每项功率应分摊的损 耗为：该功率单独流经此输电元件产生损耗与附加损耗中按电流比例应分摊部分的和。 若用数学公式表达，如图2 1 所示，功率墨和爱应分摊的损耗龌与夏分别为： 龌= 皈t + 心未葛龋= 皈：+ 心8 。+ l s 2 1“ s + & 2“ 蝮l ：簪( 置+ ) 皈：雩鍪( r 4 - 弘) 遮。2 p , 6 ，+ 2 0 , 0 = ( r + i x ) v 2 u 2 。2 应该说明的是，上式可方便地被扩展到输电元件中流过多个用户归属功率的情况。 按上面提出的损耗分摊原则，将附加损耗按功率比例分摊给各个用户，既保证了公平性， 又向用户提供了有利于降低整个系统的损耗的信号，因此是一种公平、合理的网损分摊 原则。 ( 2 ) 迭代追踪算法 潮流追踪的一个关键问题是如何确定用来指引追踪方向的水平位，即确定潮流有向 图中的节点追踪的顺序。一般情况下，在输电网中，节点电压幅值的下降方向和无功功 率的流动方向是一致的，节点电压角度的下降方向和有功功率的流动方向是一致的，因 此，可以利用节点电压的幅值和角度来探测潮流追踪的可行路径。 直功通琏生玉功逼整担回盟丝簋法逋程 根据以上分析可知，以节点电压角度和幅值分别对有功和无功功率进行追踪是十分 简便和快捷的。由于有功和无功的通路相同，故利用电压幅值或角度即可进行追踪。以 从负荷节点逆流追踪为例，其具体步骤如下： 1 ) 对输电网进行潮流计算；对节点电压幅值或角度由小到大进行排序； 2 ) 按所得到的排序对每个节点进行以下处理，然后结束。 8 ) 将所有出线功率进行整理、合并，明确该节点出线功率的组成与归属； b ) 将出线功率与该节点负荷利用按节点功率比例分配原则在该节点所有进线 中进行分配，从而得到该节点所有进线末端的功率组成与归属； 输电损耗分摊计算平台的研究 c ) 对该节点的每一条进线进行以下处理：根据上面计算出的该线路末端功率的 组成与归属，利用2 2 4 1 节中提出的损耗分摊原则，将该线路的功率损耗 进行分配，从而得到该线路首端的功率组成与归属。 垦直功塑堕皇玉功道造丕屡盟丝簋选逾狸 当潮流有向图中的有功与无功通路不相同时，利用上节提出的步骤进行计算会遇到 由于无功功率的组成与归属不详而无法进行损耗分摊的困难。 为解决此问题，应采用如下的迭代方法，具体步骤为： 1 ) 对输电网进行潮流计算；对节点电压幅值和角度有小到大进行排序； 2 ) 利用a 提出的追踪步骤对有功功率进行追踪。由于此时输电元件中无功功率的 组成与归属不详，故在进行损耗分摊时，不计无功功率的影响； 3 ) 重复如下的迭代过程，喜至两次迭代结果之差的绝对值小于给定的值时结束； a ) 利用a 提出的追踪步骤对无功功率进行追踪，线路中有功功率的组成与归属 采用上一次迭代的结果； b ) 利用a 提如的追踪步骤对有功功率进行追踪，线路中无功功率的组成与归属 采用上一次迭代的结果； 大连理工大学硕士学位论文 3 损耗分摊平台的建立 在输电开放的市场框架下，损耗分摊需解决的问题是如何将输电损耗在输电用户 ( 电能的生产方和使用方) 中分摊。这就要求，损耗分摊的结果最终分摊到用户所在节 点或母线上，即发电用户的出口或者用电用户的入口。目前的输电损耗分摊计算方法众 多、各有优缺点，没有一个统一的环境来对各算法进行比较。多数人在提出一种新算法 时，只是把新算法与原有的一种或两种算法进行数值比较，不免有一定人为因素在其中。 本文主要对原有几类主流算法进行研究实现，并建立了输电损耗分摊平台。 3 1 损耗分摊平台的搭建及设计思想 3 1 1 损耗分摊平台简介 损耗分摊可视化平台的设计思想立足于提供一个良好的运行平台，该平台包含四种 输电损耗分摊算法( 邮票法、z - b u s 法、灵敏度算法和潮流追踪算法) ，通过对不同节 点数据的输入，实现同一平台下不同算法的比较，保证了网损分摊算法比较的公平性和 算法选择的方便性。整个系统采用的面向对象技术，利用v c + + 语言编制而成。 3 1 2 编辑语言与开发环境的选择 c + + 语言是面向对象的编程语言，c + + 语言的高速度，使它适合编制计算程序。 m i c r o s o f t 公司的v i s u a lc + + 独有的视一文档结构，可视化的开发方式实现了图形界 面与文档数据的封装，简化了编程的复杂度，由于大多网损分摊涉及较多节点，在大量数 据的程序设计中要求快速、方便，所以选择v i s u a lc + + 作为开发工具。采用v c + + 作为 开发环境，它不但有功能强大、面向对象的优点，同时提供了一系列的可视化的开发工 具，在这些工具中最常用的是微软基础类库m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s ) 。m f c 对w i n d o w s 中大部分对象进行封装，用户只从这些类中生成实例即可，不用和低层a p i 函 数打交道。 v c 具有如下特点： ( 1 ) 兼容性好。早期版本的数据库和应用程序，稍作改动仍能使用。 ( 2 ) 创建应用程序快速、方便。 ( 3 ) 开发能力更强大! 面向对象的方法可最大限度地利用v c 的资源，优化系统，获 得最大的速度和能力。 ( 4 ) 可与其他应用程序相互作用 输电损耗分摊计算平台的研究 3 1 3 使用v c 开发输电损耗分摊平台的步骤 在进行应用软件设计时，必须首先搞清楚软件开发的目的动机，其最终目的是满足 用户需求。损耗分摊平台的开发要经历如下步骤： 。 ( 1 ) 平台设计目标。此阶段是3 个步骤中最重要的一步。损耗分摊平台的目的是在同 一平台下实现不同算法，以达到有一个良好的环境，以供给研究人员真实有效的 数据来分析比较算法。 ( 2 ) 算法实现。此阶段的主要任务是编写潮流追踪算法，进而编写上述四种算法，并 进行调试。 ( 3 ) 平台实现。用h f c 提供的控件做出界面，使上述四种算法在同一界面下运行。 ( 4 ) 调试运行。对多组数据进行测试，检测其稳定性和准确性。 3 i 4 输电损耗分摊平台的总体结构 网损分摊平台由数据输入、拓扑分析、潮流计算、核心算法及结果输出五个部分组 成。其结构如图3 1 所示。 网损分摊平台通过拓扑分析，整理输入的数据并存入到文档数据模块中，通过拓扑 分析、潮流计算、核心算法及结果输出等模块集成到一起，构成了损耗分摊平台。 i 结果输出l f 1 l根据需j i 之选择耸法 八f 、r l 数据输入1 2iu 核心算法 介 潮：i f c 计算 沙 7 丁1 文档数据 图3 1 软件结构框图 f i g 3 is o f c w a r ea r c h i t e c t u r ed i a g r a m 人机交互层 大连理工大学硕士学位论文 3 2 网损分摊平台主要模块说明 3 ，2 1 输入部分 采用文本形式输入，输入准确，容易理解 实现方法如下： f i l e * f p l ： f _ p l = f o p e n ( ”i n l ，u t i t x t ”, ”) ： i f ( ( f p l = f o p ( ”i n p u t l t x t , o ”) ) = 删l l ) p r i n t f ( “c a n n o to p e nf i l e n ”) ：) f ) f c l o s e ( f p l ) ： 3 2 2 潮流计算部分 潮流计算模块主要实现潮流计算以及计算结果的处理。它的核心程序采用最为常用 的牛顿拉夫逊法，而且在计算过程中通过节点的优化编号，稀疏矩阵法与三角分解法进 一步提高了程序的速度和可靠性。该模块的原理图如图3 2 所示。 图3 2 软件结构框图 f i g 3 2 s o l h v a r ea r c h i t e c t u r ed i a g r a m 输电损耗分摊计算平台的研究 f i g 3 2 ，s o f t w a r ea r c h i t e c t u r ed i a g r a m 本损耗分摊平台的潮流计算算法选用直角坐标系下和极坐标系下的牛顿拉弗逊算 法。 3 2 3 核心算法部分 鉴于现今的几类主流算法分别是：压入法、基于网络拓扑类法、基于灵敏度的方法 和潮流追踪法。其每类算法的典型算法分别为邮票法、灵敏度算法、z - b u s 算法、以及 潮流追踪法。输电损耗分摊平台的算法选择上述算法，旨在在同一个平台下，根据需求 选择部分或全部算法，以便在网损分摊算法的比较分析上，提供一个较好的辅助工具。 具体算法请参考本文第二章。图3 3 可以看出，损耗分摊平台中的四种损耗分摊算法与 所基于的潮流计算的逻辑关系。 图3 3 软件结构框图 f i g 3 3 s o f t w a r ea r c h i t e c t u r ed i a g r a m 3 2 4 输出部分 原始数据的输出同样采用记事本格式，其优点是数据显示准确。 输出实现方法： 大连理工大学硕士学位论文 f i l e 幸f p ： i f ( ( f p = f o p e n ( ”o u t p u t 2 t x t 。钳。) ) = n u l l ) p r i n t f ( c m m o to p e nf i l e n ) ：l f ) f c l o s e