（电力系统及其自动化专业论文）基于网络结构变化的输电网阻塞消除方法研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于网络结构变化的输电网阻塞 消除方法研究是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学 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： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：醴兰! 蟹 导师签名： 日期：鼍! 丑垒! a ! 。日期： 2 照缱z 一 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 二十世纪八十年代以来，世界各国都进行或即将进行电力工业的改革。这场改 革的主要目的是通过引入市场机制，增加竞争，降低成本，提高效率，优化资源配 置，促进电力工业的长期稳定发展。竞争的电力市场的三大支柱是发电竞争，输电 系统开放和用户选择。由于输电系统的规模经济特性和地域性以及对安全、控制等 技术问题的考虑，在发电侧和用电侧引入竞争的条件下，输电系统仍然处于垄断地 位。但为了保证电力市场的公平有效竞争，输电系统必须无歧视地对所有的发电厂 和用户开放，即所有的市场参与者，都有同等使用输电系统的权利，任何用户可以 向任何发电厂购电，任何发电厂也可以向任何用户供电。作为发电厂和用户之问的 电能输送通道，输电网络的正常运行不仅影响系统的安全性和可靠性，同时也对市 场竞争，市场效率有显著的影响。但是在输电网络容量不足的情况下，就会经常出 现阻塞现象，以至于系统运行人员为了保证输电网络的安全，不得不对传输加以限 制和约束。 输电阻塞( t r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o n ) 是指输电系统由于网络本身的各种限制， 不能完全满足所希望的输电计划的状态。它通常指输电系统在正常运行或进行事故 安全检查时，出现了以下两种情况l l j ： ( 1 ) 输电线路或变压器的潮流超过允许极限； ( 2 ) 节点电压越限。 输电阻塞是伴随着电力系统重构产生的新名词，它在输电管理中的核心作用主 要表现在： ( 1 ) 输电阻塞影响电力系统的安全运行。竞争机制的引入需要电网更加经济 的运行，这使得电网中的潮流加重并且潮流方式多变，这对电网安全运行是严重的 考验。因此，需要有效的技术手段消除电网阻塞，确保系统安全。 ( 2 ) 输电阻塞是导致电力市场运行无效率的一个重要原因。输电阻塞使得电 能交易计划无法完成，从而影响资源的短期优化配置。因此，需要有效的交易计划 调整策略，实现输电网资源的有效利用。 ( 3 ) 输电阻塞是导致市场失灵的一个重要原因。输电瓶颈的存在容易导致本 地市场力( l o c a lm a r k e tp o w e r ) 的出现，使得市场成员不需要很大的市场份额就能 够获得影响市场价格的能力，从而严重阻碍市场的正常运行。因此，需要有效的本 地市场力的识别和消除措施。 1 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 输电阻塞引起的相关定价策略及成本分摊是引导输电系统投资的重要激 励。市场环境下的输电系统投资由于决策的分散化而更加复杂，输电阻塞引起的成 本和收益是引导市场化投资的重要因素。因此，需要探索市场环境下新的投资激励 模式。 实行电力市场后，人们普遍运用经济学的观点和经济手段来处理输电阻塞。但 在实行电力市场之前，输电阻塞就早己存在。在传统的电力系统垄断模式下，发电、 输电和配电一体化，而且每个发电机组的边际成本己知，系统运行人员以总的生产 成本最小为目标，统一安全经济调度。由于输电阻塞而不得不使用高成本发电容量 造成的额外发电成本，一起计入电价，不必单独考虑阻塞费用。 电力网络不同于其它网络，且电力商品不同于其它商品。它们具有很多独一无 二的特性，比如： ( 1 ) 电能需求时刻变化且不可精确预测，特别是电能不能大规模经济储存； ( 2 ) 在一个相互联系的电力网络中，电能的供应和需求必须时刻保持 平衡，以保证频率、电压和系统稳定，避免停电和事故； ( 3 ) 系统中的潮流分布由k i r c h h o f f 定律和整个网络的阻抗决定，而不是由售 购电合同决定，因而控制困难；平行潮流或环流能够导致发电成本与实际成本相偏 差，从而难以确定输电系统的可用传输容量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 i e s1 ， 将导致潜在的电力系统资源的优化配置失效； ( 4 ) 电力网络中的各种现象，通过网络，相互影响。当地电能的需求和供应， 通过电力网络，影响其它潮流。网络中一个地方的故障，可能导致整个网络崩溃。 为了保证系统安全，系统运行人员必须保证输电线路或处于两个区域之间的一 组输电线路的功率不能太高，而且，这些输电约束必须事先设定。系统运行人员事 先通过一系列的研究，强加一系列扰动，通过模拟，决定各线路的传输限制。在实 际运行中，当输电功率达到或超过此限制时，就说发生了输电阻塞。 输电阻塞阻止了新的输电合同的增加，也可能使得已有的输电合同不能按计划 实行，增加了停电的可能性。阻塞可能使得在电力系统的某些地区形成垄断电价。 因此，如果发生较严重的阻塞，电力市场就可能会被某些市场参与者所左右。如果 不消除系统阻塞，就不可能有公平竞争的、高效率的电力市场。 在我国，己经开始了电力市场化的进程，从而对电力系统的管理模式和技术支 持系统都提出了新的要求。我国的电网建设相对落后，并且受通讯，控制等条件的 制约，在电力市场环境下，随着自由竞价。转运业务的增多，功率流动的随意性增 大，发生阻塞的可能性也增大。因为输电阻塞问题涉及到各方面的直接经济利益， 也将成为我国电力市场中的一个重要问题。因此，本课题从网络结构的角度来探求 输电阻塞的成因以及消除阻塞的方法，具有重大的理论意义和实际意义。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 国内外关于电力系统输电阻塞的研究非常广泛，提出了很多缓解或消除阻塞的 方法，并取得了大量的成果。进入电力工业市场化改革以来，由于市场因素成为阻 塞形成的重要原因，使得市场环境下阻塞管理的目标发生了变化，不再是传统管制 模式下，单纯的消除线路过负荷而进行的发电机出力和负荷量的调整；而是制定一 系列规则，有效的控制发电机和负荷，使系统的短期运行具有一定的安全和可靠性 裕度，同时为系统的长期投资和规划提供有效信息【2 1 。 1 2 1o p f 阻塞消除方法【3 1 4 】 在传统的管制模式下，电力系统一般采用优化潮流方法( o p t i m a lp o w e rf l o w m e t h o d ，o p f ) 来解决阻塞问题。这种方法具有不少优越性。针对电力系统特定的 运行状态，优化潮流方法可以提供非常好的运行方案。它考虑了系统中诸多可以用 来调节的设备，综合利用系统中几乎所有可以用来调节的因素，以获得系统总体效 益最高的运行方案。 最优潮流问题可以描述为在满足等式约束( 潮流方程) 和不等式约束( 安全约 束) 的条件下，求得一组控制变量和状态变量的值，使得系统的某一指标( 目标函 数) 达到最优；是一个典型的非线性规划方法。其中，等式约束条件一般是各母线 潮流方程；不等式约束条件表示安全或质量约束，主要是非控制母线电压约束和线 路功率约束等等【3 l 。 优化潮流方法消除输电阻塞最常用的目标函数为系统发电费用最h i 6 1 。 此外，根据不同的目的可以选择多种目标函数，比如切除负荷量最小和功率调 整量最小m 、无功补偿效益最大【l l 】、系统交换功率最小1 1 3 】等等。 优化潮流方法针对特定运行状态下的系统，能够获得非常好的效果；然而该方 法计算费时，只能针对预想的状况进行优化，难以进行实时调节。随着电力系统发 展，尤其是电力市场模式在电力系统的广泛应用，系统运行方式可能存在着难以预 测的变化，整个系统的状态有可能与原来预期的相差很远；这种情况下，一旦出现 阻塞，利用优化潮流方法很难及时解决问题。优化潮流方法的优化目标一般是系统 总体的经济效益，而不是单一电厂或者用户的经济利益在传统管制状态下，因为 所有的发电厂都由一个部门主管，而用户别无选择，只要所作的调整能消除系统出 现的线路阻塞就可以。在电力市场环境下，由于发、输、配、送分开，各个部门的 经济利益也分开；因此不能再像以往一样要求发电厂和用户无条件的为系统服务。 当某条线路阻塞的时候，采用优化潮流进行阻塞调度时，系统中可能要调整不少发 电机和负荷；如果不能将各个调整的功率量进行明确的区分，厂商和用户可能会因 3 华北电力大学硕士学位论文 此承担经济上的损失而提出不同意见。 优化潮流方法对于系统大小有着较为严格的限制，由于其计算量太大，对于大 规模的电力系统，优化潮流方法在速度上也很难满足系统的发展要求。 电力系统中，对于最优潮流方法的研究起步很早。六十年代初，法国学者j c a r p e n t i e r 首先提出了建立在严格的数学模型基础上的电力系统最优潮流模型 4 1 。在 此之后，o p f 一直是许多学者关注的研究领域果。 第一个较成功的o p f 实用算法是d o m m e l 和t i n n e y 在1 9 6 8 年提出的简化梯度 法。随后，各国学者相继提出了如广义简化梯度法、微分注入法、拟牛顿法、二次 收敛法等各种不同的o p f 算法。直到1 9 8 4 年，台湾学者d i s u n 等人在文献【5 】中， 提出了牛顿法最优潮流算法，被公认为是o p f 算法研究方面的一次大飞跃；该算法 充分利用了电力网络的物理特征，运用稀疏解算技术，同时直接对拉格朗日函数的 k u h n t u c k e r 条件进行牛顿法迭代求解，收敛快速。但在客观上该算法存在以下两 个问题：一是方程组求解中由于迭代矩阵的“病态”特性而导致的数值不稳定性； 一是启发式预估起作用的不等式约束集不够准确。 文献 6 1 n 针对最优潮流牛顿算法实际应用中出现的两食问题：数值不稳定性和 如何快速正确的预估起作用的不等式约束集，分别作出了详尽的分析和研究，提出 了相应的处理对策：一种是改进的软惩罚方案，一种是根据电网拓扑结构的快速预 估起作用的电压不等式约束集的方案，以及试验迭代的有限次中止方案等等。这些 方案的提出和应用，显著提高了牛顿最优潮流算法的数值稳定性、收敛性和计算速 度，具有很强的实用性。 电力市场环境下，优化潮流在实用性和计算速度方面还有很多空间值得我们去 研究和探讨。文献【9 】分析了电力市场下电力系统一些新的特点，以及对优化问题产 生的新的优化目标；在此基础上，从分析最优潮流的本质特性出发，介绍了o p f 方 法在消除网络阻塞方面的研究成果，综合了过去尚未解决的问题，并针对电力市场 新体制下电力系统的特点，提出了未来最优潮流研究的方向。 文献【1 0 】提出以经济调度为基础的实时电价理论，隐含了p o o l 模式的雏形；文 献1 1 1 】又进一步改进，提出了节点电价模型，其中的阻塞管理实质上是基于集中调 度的最优潮流问题。 电力工业的市场化也促进了大区联网的进程；分布式o p f 是大型互联电力系统 优化运行的有力工具。文献 1 2 1 将边界联络线的潮流限制作为附加成本引入各区域 o p f 的目标函数：在完全信息共享的前提下，通过阻塞价格的更新来调整各区域的 交易计划；由于发展程度的限制，这种方法目前处于理论阶段。文献 1 3 1 4 n 在 o p f 模型中加入了边界变量( 包括联络线潮流和边界节点电压等) ，利用拉格朗日 松弛算法，通过乘子的更新来进行迭代计算。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 2 2 灵敏度方法【8 ，1 5 砣7 l 电力网络灵敏度分析是电力系统分析与研究中一个重要的课题，到目前为止， 已经成为电力系统趋于成熟的一个分析方法。灵敏度方法在电力系统优化设计、电 力系统的经济运行、电力系统规划以及电力系统的故障分析等方面都有重要的应用 价值 8 1 。 灵敏度方法是一种经典的线性分析方法，因其物理概念简单，能够直观表示两 个不同物理量之间的关系等特点而在电力系统中获得了广泛应用。灵敏度方法主要 通过分析某项运行指标与决策或控制变量的关系来确定该变量对系统的影响，并依 此进一步提出改善该项运行指标的措施1 1 5 j 。 自二十世纪6 0 年代末以来，国外就有一些电力工作者及学者从事电力网络灵 敏度的研究工作，并取得了较为丰富的成果【1 5 以引。文献【1 7 l 于1 9 6 8 年就已经比较系 统的阐述了灵敏度在电力系统的应用；之后，灵敏度方法在电力系统电压稳定控制、 经济调度、可靠性分析以及系统规划等方面都获得了广泛的应用。 但是，常规的灵敏度方法仅仅依赖电力网络方程的局部线性化，以系统某一时 刻功率或电压值为依据进行系统稳态分析，而不考虑电力设备对各种控制操作和扰 动的准稳态物理响应，这使得灵敏度方法无法适用于控制决策 i s , 1 9 】；为了解决灵敏 度方法存在的这些方面的缺陷，文献【2 0 】定量剖析了常规灵敏度分析在实时控制应 用中不符合电力系统实际物理响应的局限性，提出了一种准稳态灵敏度分析的新方 法。该方法根据应用的不同，将灵敏度分为有功类、无功类和经济类三类，分别给 出了准稳态灵敏度的分析方法，并全面介绍了三类灵敏度的准稳态灵敏度的计算公 式，使得灵敏度方法更加能够满足实时控制决策的要求。 文献1 2 1 1 将电路理论中计算灵敏度的增量网络法推广到电力网络中，提出了一 种基于交流模型的灵敏度分析方法改进的增量网络法，该方法能快捷的求出系 统变量对所有线路参数的灵敏度，使得灵敏度方法在电网规划领域更具实用性。 文献 2 3 】阐述了电力系统结构保持模型下，基于灵敏度的b c u ( b o u n d a r yo f s t a b i l i t yb a s e dc o n t r o l l i n gu n s t a b l ee x l u i l i b d u mp o i n tm e t h o d ，基于稳定域边界的主导 不稳定平衡点法) 方法；该方法的显著特征是当运行参量变化时，不依赖于主导不 稳定平衡点不变的假设。该方法可以快速有效的提供运行人员感兴趣的安全信息， 如运行参量变化时系统稳定裕度的灵敏度，以及受一定故障支配的临界机极限输出 功率等等。 文献【2 5 】在研究多重复杂故障对于系统静态非线性影响的连续潮流模型和工具 的基础上，提出了一种新的评估失稳故障严重程度的故障失稳裕度指标，并提出了 基于这一指标的灵敏度分析方法，给出了各种控制对于故障参数的灵敏度；同时给 出了一种基于控制灵敏度和控制类型优先级的预防控制策略。该文献提出的灵敏度 5 华北电力大学硕士学位论文 方法，是一种适合于大型实际系统的，有效的静态稳定预防控制的灵敏度方法。 文献【2 7 】给出了一种电路灵敏度分析的新方法，提出只要能建立电路的改进节 点方程，且该方程的系数矩阵可逆，就可同时求得全部响应( 节点电压、电压源中 电流) 对各参数的微分灵敏度；该法尤其适用于在电路设计时，需同时求解多个输 出对多个参数灵敏度的场合。 灵敏度方法消除输电阻塞是一种启发式方法，具有快速高效、适合实时应用的 特点；在其他方法无法完成阻塞管理任务的时候，该方法能以最小的代价获得系统 运行状态的可行解，同时保持较高的传输系统使用效率。 文献【8 】采用灵敏度分析方法构造了消除输电阻塞的数学模型，讨论了分别以发 电机的发电功率以及负荷的调整容量之总和最小为目标、以发电机的发电功率及负 荷的调整成本之总和最小为目标等两种优化目标下，消除输电阻塞的具体调整过 程。但是，求解灵敏度矩阵的时候存在速度较慢的缺点，尤其是对于多条线路同时 过载的情况，每一次调整都需要重新计算系统的雅克比矩阵和灵敏度系数，这样导 致调整速度受到了限制。基于以上缺陷，文章利用稀疏技术，对提高灵敏度方法的 计算速度提出了改进方案，提出了有选择的计算灵敏度元素的思想，这样使得计算 速度得到了显著提高，同时根据雅克比矩阵逆阵元素的分布特点，提出了先转置雅 克比矩阵再求逆的办法，这样进一步加速了雅克比矩阵逆阵的求解。 1 2 3 电力市场环境下阻塞消除方法研究成果【2 8 4 1 j 电力市场环境下，由于供需双方可以自由确定双边合同，自由竞价，导致功率 流动的随意性增大，发生阻塞的可能性大为增加，阻塞问题逐渐突出，成为一个重 要问题。阻塞的出现可能造成以下后果：无法建立新合同；使已有合同不可行；出 现预料之外的强迫停运；局部地区的电价垄断等。因此建立快速、有效的阻塞消除 机制非常必要f 2 s j 。 一般说来，在根据竞价确定运行方式时，如果预计会出现阻塞，调度管理部门 可以通过发电机逆序运行、调整备用、分配传输容量所有权以及建立阻塞价格体系 等方式来消除阻塞。如果在实时运行过程中出现阻塞，则通常采用发电机的重新调 度或切负荷来消除，这时如何迅速确定参与调整的发电厂、负荷及确定其调整量至 关重要【2 叭。 文献1 3 0 ，a 1 对比了传统模式下与市场模式下输电阻塞的不同特点，指出电力市 场环境下，输电阻塞的目标发生了变化，不再是传统管制模式下命令式的发电机出 力和负荷量调整，而是制定一系列规则，有效的控制发电机和负荷，使系统的短期 运行具有一定的安全和可靠性裕度，同时为系统的长期投资规划提供有效信息。从 短期而言，消除输电阻塞需要制定一系列公平的削减交易的计划和制定新的调整准 6 华北电力大学硕士学位论文 则，从而实现电力系统的最优安全经济调度，保证系统安全可靠运行；从长期而言， 消除输电阻塞应该通过价格信号为系统的长期健康发展提供激励。 在我国，电力工业市场化刚刚起步，随着电力市场的发展，发电、输电和配电 业务分开经营；输电成为一种特殊业务向独立发电厂或电力批发商提供服务，或为 其他电力公司提供转运服务。随着输电网的开放以及跨区域电能交易的目益增多， 特别是我国大区联网、西电东送等工程的实施，输电阻塞问题日益严重。系统输电 能力的限制使系统稳定性和安全性受到威胁，导致电能交易计划无法实现，并影响 了资源的优化配置和利用，最终限制了电力市场改革的速度。在电力市场前提下， 研究各种电力系统问题显得更加重要，也更加需要切合实际，对电力系统消除输电 阻塞的方法研究更是如此【3 2 l 。 文献 3 3 1 提出了一种新的基于增广拉格朗日松弛的区域分解最优潮流算法，将 一个大的最优潮流问题分解为多个区域子问题，并用此算法求解多区域电力市场输 电阻塞问题，可以使所有的区域市场独立调度员在得不到其他区域网络信息的情况 下，仍然可以相互协作消除网络阻塞。 在国外，从二十世纪八十年代初开始，很多国家就进行了电力工业管理体制的 改革。解除管制、引入竞争机制已经成为世界各国电力行业发展的总趋势。电力工 业的这一改革，将通过市场竞争来实现资源的优化配置，提高效率，降低发电成本， 优质服务，合理规划，并最终使用户获利，同时也促进了电力工业长期持续稳定的 发展。电力工业的市场化给电力系统阻塞调度提出了新的要求，使得阻塞调度的目 标也发生了新的变化。 文献【3 5 】分析了北欧电力市场的阻塞消除方法。北欧电力市场由挪威、瑞典、 丹麦和芬兰组成，是第一个跨国的电力市场。在这个电力市场中，不同国家采用了 不同的阻塞消除方法挪威阻塞管理主要用于现货市场，称为“市场分裂法”。一 旦预测到有阻塞，原来统一价格的电力系统就分裂为多个地域性的电能报价区，每 个区有各自的实时成交电价，区与区之间的传输容量则达到极限。对于实时运行中 的阻塞则通过回购解决。在瑞典和芬兰，由于其潮流方向主要是由北向南，因此他 们根据纬度来收取容量费用，从而影响发电机的投标，激励发电机和负荷的合理选 址；实时的阻塞也通过回购来解决。 电力市场的进一步发展，电力系统的变化开始涉及对电力用户的服务项目的定 义和确定过网费等问题，给阻塞调度的研究工作提出了新的要求【3 酗。文献【3 8 】提出 了一种新的优化类算法用于解决实时电力市场的阻塞消除问题；文章基于市场成员 的调整报价将实时阻塞消除问题描述为调整成本最小的优化问题，并将该优化问题 。转化为等价的非线性方程组，提高了计算效率。 文献【3 9 】以电力市场的效率最大化为目标，分析了网络阻塞对电力市场均衡的 影响，建立了阻塞情况下的电力市场均衡模型。该模型在形式上与无阻塞情况下的 7 华北电力大学硕士学位论文 电力市场均衡模型一致，说明了阻塞费用的产生是由于阻塞定价的不合理造成的。 文献【4 0 】从可中断负荷管理的原理出发，将可中断负荷引入阻塞调度，提出了 通过潮流优化辅以可中断负荷控制的消除阻塞的最优调度模式。 为了满足电力市场双边交易模式的运行需要，文献【4 1 】根据市场报价，同时调 整实时平衡市场下的发电机出力和削减部分短期双边合同量，提出了一种电力市场 下解决阻塞的新方法，其模型体现了如何在用户中分摊阻塞管理费用。 开放的电力市场需要输电网开放和有效的管理，引入可交易输电权、利用市场 机制解决网络阻塞问题，是阻塞管理的重要趋势和研究热点 4 2 - 4 5 1 。文献 4 6 】则引入 支付因子作为衡量交易重要程度的指标，建立了一种适合电力市场双边交易的调整 模式。 文献【4 7 1 提出了一种用分散优化方法确定阻塞电价的机制，使得每个市场参与 者都在系统运行员的协调下能追求到有利于自身的最大利益，这个方法使得电力市 场下消除阻塞的方法更具市场透明度，有利于电力工业市场化的健康发展。 文献1 4 8 提出了基于潮流的输电权定价思想，通过对发生阻塞的线路进行显性 定价来解决阻塞问题。 文献1 4 9 提出以发电机发电功率成本最小为调度优化目标，利用基于线性规划 的对偶单纯形法、松弛技术和降阶基方程技术进行求解，得出当调整发电机功率达 到上下限后，若仍有阻塞存在，则重新进行机组组合的结论。 文献【5 0 】提出了实时阻塞调度的框架；即在实时市场中，发电商和用户都可以 进行增量和减量投标；在系统可调用的资源难以解决阻塞时，也可以调整双边合同。 文章对有功和无功进行了解耦处理，有功的阻塞管理是消除支路潮流越限，无功的 阻塞管理则处理节点电压越限。 文献 5 1 1 分析了多边交易调整的公平性问题，提出了公平的调整原则：对所有 交易削减同样电量，或按同样比例削减。但前者对小交易商有失公平，而后者的削 减计划又比较保守，因此，该文献的作者提出了满足最大交易量的削减准则。 1 2 4 动态阻塞消除方法【2 ，5 撕6 1 前述消除输电阻塞的研究成果，是在系统的稳态运行前提下分析得出的，事实 上，电力系统动态安全性问题也是一个不容忽视的因素【5 2 i 。因此，很多学者在这方 面进行了研究，提出了动态阻塞的概念，以及对消除动态阻塞的方法进行了探索。 在电力市场环境下，当电力市场交易的电能无法保证系统的动态稳定，就引起了动 态阻塞，相应的消除阻塞的调度手段称为动态阻塞管理。动态阻塞管理除了要考虑 技术因素，还要考虑经济因素1 2 j 。 电力系统动态阻塞管理的主要目标是：如何将系统的动态安全约束纳入i s o 8 华北电力大学硕士学位论文 ( i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t o r ) 的优化调度；如何利用市场机制使市场成员参与动 态阻塞管理；如何衡量动态阻塞管理成本1 2 l 。 文献 5 3 1 贝| 1 是应电力市场下电力系统动态阻塞管理的需要，提出了一种电力市 场环境下的动态阻塞管理模式；在这种模式下，具有不同市场属性的市场参与者， 进入实时市场中专门设置的动态阻塞管理市场，提供动态阻塞可用的服务以及相应 的报价；当动态阻塞发生时，i s o 利用动态阻塞管理市场中可用的资源，以系统总 的动态阻塞费用最小为原则，进行动态阻塞管理；以此确保电力系统的稳定运行， 同时尽可能减小电力系统动态对电能交易方的影响。 文献【5 4 】提出了动态模式下保证系统稳定性的两种调整手段： 通过系统的控制设备，如开断支路、调节变压器分接头等进行调整； 调整系统的潮流方式，如发电机的再调整、交易计划的调整等等。 文献 5 5 】将暂态稳定性和电压稳定性等约束条件纳入o p f ，实质在于求解有稳 定性约束的o p f 。其中，由于加入了大量的约束条件，因此需要寻求有效的算法才 能取得预期良好的效果。 文献 5 6 1 以暂态能量函数和暂态能量裕度为工具，通过t e m ( t r a n s i e n te n e r g y m a r g i n ) 对控制变量的灵敏度进行阻塞调度，提出了联营体、双边和混合交易模式 下的动态阻塞管理机制。 动态阻塞管理的提出，弥补了以往阻塞管理研究仅考虑线路稳态潮流约束的缺 陷。但是目前这方面的研究还处于探索阶段，能否更充分的利用市场机制确保系统 安全，仍是值得研究和探讨的问题。 1 2 5 采用f a c t s 解决阻塞问题 f a c t s 设备可以快速改变网络参数，灵活地调节系统的潮流分布，消除输电元 件中的阻塞现象。在电力市场环境下，利用f a c t s 来解决输电网络阻塞已经成为 人们关注的问题。有关这方面的研究主要包括两方面：含有f a c t s 元件的优化分 析和计算以及f a 。c r s 的配置问题。 文献 5 7 ，5 8 1 阐述了几种考虑f a c t s 控制参数的优化潮流方法。文献 5 9 1 j 盈过逐 次线性化的方法，计算含有f a c t s 元件的最大输电能力。文献【6 0 】通过优化潮流的 方法来计算系统的最大负荷能力。这类优化分析和计算方法为采用f a c t s 进行网 络规划提供了理论基础。 文献【6 1 】研究了f a c t s 设备在缓解阻塞和减小电力交易裁减方面的作用。但该 文没有提出一种有效的方法来确定f a c t s 设备的安装地点及参数的设置。文献 【6 2 6 5 1 通过灵敏度计算确定f a c t s 设备的最佳位置，并在运行中优化f a c t s 设备 的参数。文献 6 6 ，6 7 采用遗传算法对f a c t s 设备进行配置。文献 6 8 1 勋j 通过连续型 9 华北电力大学硕士学位论文 潮流方法来确定串联f a c t s 的容量和位置，以提高系统的传输能力。这类方法从 f a c t s 对消除阻塞以及设备位置、参数等技术层面的问题进行了较为详细地探讨， 而没有深入考虑对系统运行经济性的影响，如：用于阻塞管理时f a c t s 设备的成 本回收问题以及f a c t s 设备的投入所带来的社会效益的增加等。此外，在电力市 场环境下，如何在原有的优化方法和程序资源的基础上进行考虑f a c t s 元件的优 化分析和计算以及如何有效地缓解网络的阻塞状况是值得进一步研究的问题。 1 3 本文所做的主要工作 阻塞从物理角度来说就是线路的传输功率超过了其极限值。合理的电网结构是 电力系统安全稳定运行的物质基础。改变网络的结构可以使网络中潮流的分布更趋 合理，通过合适的结构调整可以完全消除网络中的阻塞线路。基于以上理论，本文 从系统运行和网络结构角度出发，对输电阻塞问题进行了系统的、深入的研究，具 体内容如下： ( 1 ) 从电网结构入手分析网络结构合理与否对网络阻塞的影响：推导出了线 路传输功率与关联矩阵的函数关系，而关联矩阵反映了网络的拓扑结构，从而建立 了线路传输功率与网络结构之间的函数关系，为从网络结构上消除阻塞提供理了坚 实的理论基础。 ( 2 ) 直流潮流模型下输电网阻塞消除方法：在直流潮流模型的基础上推导出 了网络结构改变后对原有网络支路功率的影响系数即功率影响系数，提出了基于功 率影响系数的输电网阻塞消除方法，并说明了利用该方法消除输电阻塞形成最佳网 络的具体步骤；采用v c + + 进行编程计算，算例表明该方法具有快速性和实用性。 ( 3 ) 交流潮流模型下输电网阻塞消除方法：将交流潮流模型方程线性化，得 到线性化的潮流方程，在此基础上推导出利用原有网络的基本信息计算结构改变后 网络潮流的公式。提出了基于完全网络的输电网阻塞消除方法，并说明了利用该方 法消除输电阻塞形成最佳网络的具体步骤；采用v c + + 进行编程计算，算例表明该方 法既能满足计算精度又具有很快的计算速度。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 第二章理论基础一线路传输功率与网络结构的关系 2 1 网络结构概述 网络是指把若干元件有目的地，按一定的形式联结起来，完成特定任务的总体 l 胡i 。电力系统由电源、电力网络、负荷三部分组成。电力网络包括了输电和配电线 路、变压器和移相器、开关、并联和串联电抗器等元件，它们按一定的形式联结成 一个总体，达到传输和分配电能的目的。因此，电力网络包含了两个内容：元件及 元件之间的联结。电力网络的电气运行性能受到两个约束，即元件特性的约束和拓 扑约束( 联结关系的约束) 。网络拓扑约束反映了网络中各元件，即各支路之间的 联结关系。它与元件的特性，即各支路的参数无关，因此，当不考虑网络中各支路 的参数时，网络可以抽象成一些抽象的支路和由它们联结成的节点，节点和支路之 间的联结构成网络结构本论文所说的网络结构是广义的，指这种抽象的支路之间 的联结。将电网络看成一个整体，从全网的高度来把握各支路之间的联系和影响。 电力系统网络模型可用网络元件参数和网路元件的联结关系确定。在实际电力 系统网络计算中，我们希望有更为简单的网络模型的描述方法，即用一个既包含网 络元件参数又包含了网络元件的联结关系的矩阵来描述电力系统网络模型。节点导 纳矩阵是电力系统网络计算中使用最为广泛的网络矩阵。它描述了网络的短路参 数，它通常是稀疏矩阵，可以利用稀疏矩阵技术进行存储，因此在电网计算中得到 非常广泛的应用。本论文也是基于节点导纳矩阵来说明问题的。 2 2 节点网络方程及节点导纳矩阵 2 2 1 关联矩阵和关联矢型6 9 川l 网络的拓扑特性( 联结关系) 可以用一个图( 图是抽象支路和节点的集合，它 反映图中所包含的各支路之间的连接关系，即节点与支路之间的关系) 来形象表示， 但为了便于应用计算机，也可以用一张表一矩阵来表示。关联矩阵，表示节点与支 路的关联程度。 设有向图g 有1 1 个节点，b 条支路，且所有节点和支路均加以编号，则该有向 图的增广关联矩阵4 为一个阶( n x 6 ) 的矩阵。它的行对应于节点，列对应于支路， 其任一元素a 。定义如下： 1 1 华北电力大学硕士学位论文 f + 1 ，表示支路，与节点庆联，并且它的方向为离开节点，即正向关联 a l - 一1 ，表示支路，与节点f 关联，并且它的方向为指向节点，即负向关联 10 ，表示支路，与节点i 无关联 l 4 的每一列对应于一条支路。由于每条支路联结与两个节点，若离开一个节点， 则必指向另一个节点，因此每一列中只有两个非零元素，即+ 1 和1 。当把所有行的 元素按列相加就得到一行全为零的元素，所以4 的行不是彼此独立的，即以中的任 一行是其余各行的线性组合，必能从其它行导出。如果把4 的任一行划去，剩下的 伽一1 ) 6 阶矩阵用a 表示，则a 称为关联矩阵。 关联矩阵4 中的列矢量称为关联矢量。 2 2 2 节点网络方程和节点导纳矩阵 6 9 , 7 1 1 采用节点分析法，令连通的电力网络节点数为n ，大地作为参考节点未包括在 内，网络中有b 条支路。以节点电压d 和节点注入电流j 为物理量，网络参数采用 导纳形式，则： 网络的拓扑约束为：( k c l ) ( k v l ) 网络的支路特性约束为： 彳l b 一0 a 7 u - 以 一k 眠+ u ) 一 图2 - 1 复合支路 式中：彳为网络的节点一支路关联矩阵 a 为矩阵a 的转置 为支路电流列向量 为支路电压列向量 k 为支路导纳矩阵 把网络的支路特性约束方程( 2 3 ) 代入拓扑约束方程( 2 - 1 ) 可得： 4 瞰( c + u ) 一卜0 1 2 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 即一k + 彳ku i - , 4 1 , 一0 ( 2 - 4 ) 再把拓扑约束方程( 2 - 2 ) 代入( 2 - 4 ) 式便得到： a y b a r u - a i - a e 以 ( 2 - 5 ) 埘 引入节点注入电流的定义i l 一彳k 以为由独立电源引起的注入节点的电 流列向量。令y - a y 7 所以有： l ，u - i( 2 - 6 ) 其中y - a y e 4 7 称为网络的节点导纳矩阵 关联矩阵a 反映了网络的拓扑约束，k 反映了网络的支路特性约束，所以节点 导纳矩阵y 集中反映了网络两种约束的全部信息。加上网络的边界条件即节点注入 电流，从而构成了以节点电压u 表示的网络的数学模型。 2 3 线路传输功率与网络结构的关系分析 2 3 1 线路传输功率与网络结构的关系 s 岛一谚- g o , 一口) ( 2 - 7 ) 则联络线路传输功率矩阵为( 对角线上元素为零) ： o &氐 瓦1 s l , ：童：皇i 专扣一u 1 童n u 2 专( d 3 j o 一枷i j 。j 。：j ，。01 0u 1 坛 u 矗0 u l - 1 ) 气- 1 ) l u j ：1 一u 吒- 1 ) 2 以c ： u 瑶 u 如 。) 坛- 1 ) ， u 。i l ( ，。e u 4 k - 1 ) 吒曲 o 华北电力大学硕士学位论文 + 0y 国面& 鼬曲10 ) ，二。矽。一二棚y 函：吒川d a 却 虻。吨以y ：吨7 ：2 y 印p 毛 y 刍u 2 u 刍 y a - l j ，d ( 。矽二曲 y ：p p k苎u 0l 珐u 以l y a 1 ) ( 矗- 1 ) u ：一啪l i 。鹭挚0王曼1+”00 0 y 0 ：芘磐1 二 l| 二“、i 。0 0 。00曲吒0 一成伽l一0 h 。oo l lj 4 ” 虻墼，-+，谢00 0 0000 o j 弭。 ) ，刍【7 乒吃i + + i ” ”i l1 。：1 虻) 玑- 1 ) 。 l “广。1 僦，麻叔。卜+ p 小y 。 麻叔。i 即+ l”i 俐。 + 易 y 罐茹矗 + + + 易 y 2 1 儿o - t ) 。l “+ 皈r 1 吨。l 1 4 0 ) ，：，吨以 q 。呻 o 0 o 暇广 玑o - 1 ) 。l 。l 华北电力大学硕士学位论文 + + ( 最y 1 y _ l o 。l 式( 2 - 8 ) 可写成如下的紧凑形式 o 0 吨。 1 o f ( 2 - 8 ) 。l 专一簖吨矽二日+ ，藏z 口：= 2 置2 + + t - 吨扣气- 1 ) f 4 ) + ( 2 - 9 ) 慨k 耽矽矗+ 易2 l 藏矽乏+ + 霹一k 成。：【_ 棚) 式( 2 9 ) 中，乓一：l 0 _ 1 1 为一旋转因子，其功能为矩阵右乘旋转因子可以 将每列依次右移，为单位矩阵；易一匕址为予一旋转因子，其功能为矩阵左 乘旋转因子可以将每行依次下移。 引入符号a m l 代表取矩阵a 的对角线元素运算，符号a m 】代表取矩阵a 的非 对角元素，且只取矩阵中的上三角元素。 联络支路关联矩阵a - a a ，其中a 为对地支路关联矩阵 联络支路导纳矩阵 0 y 1 2y b 00 y y 。一a 似y a ”卜i 10 y h y 2 膏 ) ，伽帅 o00 0 因为联络支路导纳矩阵对称，故只取矩阵的上三角元素进行运算。 式( 2 - 9 ) 中： k _ a 【y 置卜a a i a y a ”坛】 ； - a t v 。1 卜a a i a y a ”科4 】 以咖脚，) - 们弦”墨钆d i a g ( a y a 丁懈 ； 口：- d i a g ( a y a 7 ) 4 门 1 0 疗厶一d ：。，d ：“- l j - d ：_ - 1 ) 0 。1 1 删 华北电力大学硕士学位论文 因此，式( 2 - 9 ) 可写成： 5i 瞒u 。i v ：l 岛+ 砭( ，。2 u a 2 五+ + 一l u 。聃l 矽：( _ 1 ) 正r ) + 幔x o b p j 备+ e i 。y b 西一：；+ + e ：“y 二囊。慷。p l b ( n 。j 邮谢” e 。 d i a g ( a y a r ) 吖】降习 卜脚丁弦i o q d i a g ( a y a 丁馏) 耻+ ，-t。laz4。7耻一1降口gk彳z疆7，1，【1。】 幽孵c d z 疆7 ，一1 t - 【1 。1 一 。1d i a g i ( a y a r ) q i c e f y 1 e r 4 划m 俐坛，僻钆咖删丁吁料 卜脚丁1 i1 1 1 0 * 智一倒广，叶 e z 4 a i a 口y a ”l 吖。1 l 。 。 1l。埘西陋gt。dz疆r)-1j，c点，y1 ( 2 1 0 ) d i a g ( a y a r ) - j 【1 。】- 【。1d i a g ( a y a r ) q 矗叫 2 3 2 网络中具体线路传输功率与网络结构的关系 线路巧的传输功率为南- 吨- 巧以 - 0 j ) ，以岛为元素( 其余元素均为零) 1 6 构造一个n x n 阶功率矩阵s 。 其中： j o 0 y o 0 0 l n 一 - c i y c 2 一c i 以1 0 ) 岛 上式中q j 华北电力大学硕士学位论文 j 0 0 玩蓐0 0 ， o 0 珥0 o o olo o 0 0l0 0 j 0 0 玑0 o 0； - 1 ；0 撑x 拜 h 月 l i j c 3 d i a g ( a r 弘7 ) 一1 j b 岛 n c 2 。j j n x 月h o o 玩慨- 0 j ) 0 j 0 0 慨一u j ) o o 0 o1o o l x 打 1 7 n x x n x 耳 o 010 o 为常量矩阵。 x ” x 1叫i h 1l o o 、；。西o；、；。h。； o o i s ，。l 羔警 地物o o 趾o o o 0 o 0 0 f：q； u l o 0 1 1 o o o 华北电力大学硕士学位论文 式中：c 3 j 常量矩阵。 ，卜。 j o 0 i u i ) 0 ，i 一白加g 【o k ) - 1j l c 4 岛一枥g m w ) 一1j h 式中： j 0； c 。a 。 为常量矩阵。 c 5 j i j ： 01 为 综上可得： 专一【c l 驯7 赐r 【c j 咖m 蚝) _ 1 ) c 4 c s c 3 d i a g ( a y b a 7 ) 一i l g c ，一d i a g ( a y b a r ) - 1 j h r ( 2 1 2 ) 即： 晦i - c , ( a y 4 7 ) c 2 c 3 d i a g ( a y 。a r ) 4 i i g g i g d i a g ( a y 7 ) 4 j 虹g d i a g i ( a y ，a 7 ) “j k ) ( 2 1 3 ) 这样就得出了网络中具体线路传输功率与网络结构的关系： 【卜g ( x ) ( 2 - 1 4 ) 2 4 算例分析 2 4 1 算例接线图及参数 系统的接线图如图2 - 2 ： l o 1 o 1 o -、；oo； 0oo 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 2 算例系统接线 图中，电源l s 和2 s 由电流源来表示，电源电流值见表2 - 1 为： 各支路导纳值见表2 - 2 ： 表2 - 1 电源数值 i 电源名电源数值 l 1 s 1 6 5 + j 0 2 l 2 s 1 5 7 + j 0 1 8 表2 - 2 支路导纳值 支路编号导纳值 l 0 7 8 j o 2 7 2 1 1 2 一j 0 2 6 3 1 一j 0 2 3 4 5 一j 1 5 5 1 6 7 一j 5 6 1 2 5 一j 3 7 5 2 4 2 计算过程及结果分析 对地支路关联矩阵a 一1 0 10000rl o o o o o l l 1 0 010 00 l 华北电力大学硕士学位论文 k 一 0 7 8 一j o 2 7 1 1 2 一j o 2 6 叫e 巧 4 _ 彳一爿- 所以联络支路导纳矩阵 1 - j o 2 3 5 一j 1 5 1 6 7 一j 5 1 2 5 一，3 7 5 0 7 8 一j o 2 7 1 1 1 2 一j o 2 6 i l j o 2 3 j 0 0 o一1o一1 0 o o o11 o 0 o11o y - a 阻。k 爿”卜 0k k 0 0k o 0 o 0 1 2 5 一，3 7 55 - j 1 5 00 1 6 7 一j 5 00o 旋转矩阵巨。墨名1 l 。，易。【。习。 嗍一h 陬 巧。a 【y 写2 】，l 0 l o 玑。一 1 0 4 7 0 + j o 3 9 1 7 0 0 1 2 5 一，3 7 5 。l 1