（计算机应用技术专业论文）短期负荷预测（stlf）和可用传输能力（atc）研究.pdf

摘要 在现代电力市场环境下，电力系统的可用输电能力( a t c ：a v a i l a b l et r a n s f e r c a p a b i l i t y ) 指输电网络对电力市场还能提供的最大传输容量。它是衡量电网传输 容量，反应系统安全性和可靠性的一项重要指标。为了保证电力系统的安全运行 并且获得最大的经济效益，必须快速准确的计算a t c 并将其值公布于网络开放实 时信息系统( o a s i s ：o p e na c c e s ss a m e t i m ei n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，以便指导市 场参与者的行为。而电力系统短期负荷预测是电力部门的一项重要工作，准确地 负荷预测有助于提高系统的安全性和稳定性，能够为潮流分布计算和稳定性分析 提供原始资料。本文我们在计算a t c 之前，首先对各节点的短期负荷进行预测。 目前人们已经提出多种方法计算a t c ，有些方法已经获得较好的在线应用效果， 但是其计算速度是以精度为代价的；有些方法提高了计算精度，但又花费了大量 计算时间。 本文采用自适应模糊神经推理系统( a n f i s ：a d a p t i v en e u r a l f u z z yi n f e r e n c e s y s t e m ) 进行电力系统的短期负荷预测，a n f i s 利用神经网络来实现系统的模糊 逻辑推理，采用混合学习算法调整前提参数和结论参数，自动产生模糊规则。利 用某局网负荷数据对网络进行训练和检测，所得结果表明利用a n f i s 预测负荷更 为有效。在此基础上计算电力系统的可用输电能力( a t c ) 。本文的a t c 的计算 是基于安全域的概念，利用最大值函数( p o i n tw i s em a x i m u mf u n c t i o n ) 将所有的 约束条件整合为一个等式中，在计算过程中，我们同时考虑电力系统的稳定性问 题一一鞍节分岔问题。从而建立了计算a t c 的新的数学模型一一同时考虑安全性 与稳定性的光滑化a t c 模型。对所提出的模型采用牛顿法进行求解，该方法能快 速可靠的识别边界上的不等式约束，编程简单。采用标准的i e e e 电力测试系统 进行数值试验，结果表明新的算法具有较好的收敛性。 关键词：短期负荷预测；自适应模糊神经推理系统：电力市场； 可用输电容量 光滑函数；牛顿迭代法 a b s t r a c t i nm o d e r np o w e rm a r k e te n v i r o n m e n t ，a v a i l a b l et r a n s f e rc a p a b i l i t y ( a t c ) o f p o w e rs y s t e mi st o t a lt r a n s m i s s i o nc a p a c i t yr e m a i n i n gi nt h ep h y s i c a lt r a n s m i s s i o n n e t w o r kf o rp o w e rm a r k e t i t sa ni m p o r t a n ti n d e xo ft r a n s m i s s i o nc a p a c i t yo ft h e e l e c t r i cp o w e rs y s t e mn e t w o r k ，w h i c hi tr e f l e c tt h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fp o w e r s y s t e m s a n dp o w e rs y s t e ms h o r t t e r ml o a di o r e c a s t i n g ( s t l f ) i sa ni m p o r t a n tt a s k o fp o w e ru t i l i t i e s a n da c c u r a t el o a df o r e c a s t i n gi sh e l p f u lt ot h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t y o fp o w e rs y s t e ma sw e l la sp r o v i d i n gf o rt h eo r i g i n a li n f o r m a t i o no fl o a d f l o w c o m p u t a t i o na n ds t a b i l i t ya n a l y s i s i no r d e rt og u a r a n t e et h es e c u r i t yo p e r a t i o no f p o w e rs y s t e m sa n dg e tt h em a x i m a le c o n o m i cb e n e f i t ，i tn e e d st oc a l c u l a t ea t co f s y s t e m sq u i c k l ya n do p e n i to nap u b l i c l ya c c e s s i b l eo p e na c c e s ss a m e t i m e l n f o r m a t i o n s t e m ( o a s i s ) s o t h a ta t cv a l u ec a nd i r e c tt h ea c t i o no fm a r k e tt a k e r s w ew i l lf o r e c a s ts h o r t t e r ml o a db e f o r ew ec o m p u t et h ea v a i l a b l et r a n s f e rc a p a b i l i t y i nt h i sp a p e r n o wm u l t i m e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e dt oc a l c u l a t ea t c ，a n ds o m eo f t h e mh a v et a k e np r e f e r a b l ye f f e c ti no n l i n ea p p l i c a t i o n ，h o w e v e r ，t h e i r s v e l o c i t yi s b a s e do nd e c r e a s i n gt h e i r s p r e c i s i o n s o m eo t h e r sg a i nt h ep r e c i s i o nb u tt h e ya r e t i m e - c o n s u m i n g i nt h i sp a p e r ，t h ea p p l i c a t i o no fa d a p t i v en e u r a l f u z z yi n f e r e n c es y s t e m ( a n f i s ) m o d e lt of o r e c a s ts h o r t - t e r ml o a di s p r e s e n t e d a d a p t i v en e u r a l - f u z z yi n f e r e n c e s t e ma d j u s t st h ep a r a m e t e r so ft h ef u z z yi n f e r e n c es y s t e mw i t hh y b r i da l g o r i t h m a n dc a np r o d u c ef u z z yr u l e sa u t o m a t i c a l l y t h i sp a p e rg i v e st h es i m u l a t i o ne x a m p l eo f m o d e l i n gt ot r a i na n dc h e c kt h en e t w o r k ，t h er u l e ss h o wt h ev a l i d i t yu s i n ga n f i st o f o r e c a s ts h o r t t e r ml o a d o nt h eb a s i so fs t l fw ec a l c u l a t e a v a i l a b l et r a n s f e r c a p a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h ec a l c u l a t i o no fa t cb a s e do nt h e d e f i n i t i o no fs e c u r i t yr e g i o n ，a l lo p e r a t i n gc o n s t r a i n t sa r ei n c o r p o r a t e dd i r e c t l yb y u s i n gp o i n tw i s em a x i m u mf u n c t i o n i nc a l c u l a t i n gw ec o n s i d e rt h es a d d l e - n o d e b 伽r c a t i o np r o b l e m ，s i m u l t a n e i t y s oan e wm o d e lf o ra t cc a l c u l a t i o ni sp r o p o s e d - - - - s m o o t ha t cm o d e lb a s e do ns e c u r i t ya n ds t a b i l i t y w em a k eu s eo ft h en e w t o n m e t h o dt os o l v et h en e wm o d e l ；t h ea l g o r i t h mo fd i s s e r t a t i o nc a nf i n dt h eb o u n d a r y c o n s t r a i n t sr e l i a b l ya n dq u i c k l y i tc a ne a s i l yb ep r o g r a m m e da n du s e di np r a c t i c a l s o m es t a n d a r di e e es y s t e m sa r eu s e dt o t e s tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a sn i c ec o n v e r g e n tp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：s h o r t - t e r ml o a df o r e c a s t i n g ；a d a p t i v en e u r a l f u z z y i n f e r e n c e s y s t e m ；p o w e rm a r k e t ；a v a i l a b l e t r a n s f e rc a p a b i l i t y ；s m o o t h f u n c t i o n ； n e w t o nm e t h o d i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 y 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 弘咀 日期：2 0 0 6 年年月z 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权长沙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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：2 0 0 6 年k 月四日 日期：2 0 0 6 年年月2 _ 7 日 ， 幢丁札吖黟 名 名 签 签 者 师 作 导 1 1 概述 1 1 1 问题的提出 第1 章绪论 电力系统的主要任务是向用户不间断地提供安全、可靠和优质的电能，满足 各类负荷用户的需求。它由发电厂、输电系统、配电系统和负荷组成，它们之间 存在着复杂的相互作用，根据基尔霍夫定律，输电网中的电压、电流等相互影响， 导致电力系统安全可靠性变得异常复杂。而电力系统负荷是影响系统安全稳定运 行的重要因素，电网可用输电能力( 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 y ) 则可以给 出系统可靠性和安全性的度量。电力系统负荷预测为系统可用输电能力计算和稳 定性分析提供原始资料，对于电力系统安全可靠的运行起着十分重要的作用。 在电网互联、电力工业市场化后，系统的运行条件、稳定裕度、备用容量以 及对突发事件的应变能力与以往相比都有很大不同。市场的竞争对系统的物理稳 定性产生很大的影响，如果市场规则不能引导出充足的远期可用发电和输电容量， 市场运营不能及时保证发电和输电备用裕度，不但电力市场潜在稳定性危机，系 统的物理稳定性也很难保证。在这样的背景下，要求从实用角度对电力系统安全 输电能力做出快速准确的计算与判断、提供电网的实时状态信息，以指导市场参 与者参与市场的行为，使得系统在安全可靠性的前提下，最大限度地满足电力市 场各方面的要求，达到最高的经济效益。 1 9 9 6 年4 月，美国联邦能源委员会f e r c ( n o r t ha m e r i c a ne l e c t r i cr e l i a b i l i t y c o u n c i l ) 的8 8 9 号令i - 颁布了“要求输电网的拥有者计算输电网区域间可用传输 能力( a v a i l a b l et r a n s f e rc a p a b i l i t y ，a t c ) ”的命令，并且这些计算值应发布在网 络开放实时信息系统( o p e na c c e s ss a m e t i m ei n f o r m a t i o ns y s t e m ) 1 2 3 1 ，以提供输 电系统传送电能能力的市场信号，以进一步促进大电网的开放使用，促进发电或 能量市场的竞标。 1 9 9 6 年6 月，北美电力可靠性委员会n e r c ( a m e r i c a ne l e c t r i cr e l i a b i l i t y c o u n c i l ) 给出了a t c 的详细定义f i ：在现有的输电合同的基础之上，实际物理输 电网络中剩余的、可用于进一步商业活动的富裕传输容量。 数学上，a t c 可以表示为系统的最大输电能力( t t c ) 减去输电可靠性裕度 ( t r m ) ，减去容量效益裕度( c b m ) ，再减去现存输电协议。即 a t c = t t c t r m - c b m - e t c( 1 1 ) 式中：t t c ( t o t a lt r a n s m i s s i o nc a p a c i t y ) l s - s l 为最大输电能力，反映了在满足 系统各种安全可靠性要求下，互联系统联络线上的总的输电能力；t r m ( t r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ym a r g i n ) 1 9 1 为输电可靠性裕度，指的是预留的必要的电网 输电能力，以确保当系统运行参数在合理范围内发生变化时，整个系统能够安全 稳定的运行，反映了不确定因素对互联系统间输电能力的影响；c b m ( c a p a b i l i t y b e n e f i tm a r g i n ) 1 9 1 为容量效益裕度，为了能够从其它互联系统中获得电力来满足发 电可靠性需求而预留的输电容量裕度，是与现有输电协议( e t c ) 相关的物理量， 反映了为保证e t c 中不可撤销输电服务顺利执行时输电网络应当保留的输电能 力；e t c ( e x i s t i n gt r a n s m i s s i o nc o m m i t m e n t s ) 为现有输电协议( 包括零售用户 服务) 占用的输电能力，根据每小时电网母线负荷预测值，发电机组的发电计划 及边际费用，所有的合同交易每小时的功率值及发电机和输电线路的停电计划， 可由传统的潮流程序计算出。其中t r m 、c b m 与系统的运行状态无关，在具体 的输电系统中一般为恒定值o o l ，多是取t t c 的一个固定比例计入，所以可以暂不 考虑。 1 1 2a t c 的意义 在电力市场环境下，可用传输容量a t c 是反映输电线路可用于交易的剩余容 量的重要指标l 。随着电网大范围互联，电力电子技术、计算机和信息等技术的 采用，系统运行的不确定因素增大，电能交易瞬息万变，系统负荷峰值常常接近 电网能够承载的最大输电容量，1 系统环流增大、容量裕度降低，进而硬稳定裕度 减少，支路过负荷，节点电压越限等故障更有可能发生，因此如何快速准确地计 算出电网可用输电能力( a t c ) 已成为电力工业关注的主要问题。a r c 的地位和 作用具体体现在如下几个方面： ( 1 ) a t c 可以显示电网运行的安全与稳定裕度，减少输电网在实时运行中阻 塞发生的概率； ( 2 ) 作为负责电网安全可靠运行的调度部门裁减交易、消除阻塞的标准； ( 3 ) 指导市场参与者参与市场的行为，使得系统在安全可靠性的前提下，最 大限度地满足电力市场各方面的要求，达到最高的经济效益； ( 4 ) a t c 可以来判断系统的安全性能，如系统某区域内部有机组停运，需从 其它区域汲取电能以维持区域电力平衡，与区域间传输能力很小的系统比较，传 输能力大的系统具有更强的鲁棒性； ( 5 ) 为电网规划建设提供具体的信息，为提高系统的可靠性和经济性服务； ( 6 ) 在其它方面的作用，如输电权定价、辅助服务定价等。 2 1 1 3a t c 的应用及发展前景 a t c 问题的研究目前主要在以下两方面展开： ( 1 ) 作为系统的一项安全指标研究a t c 的计算，即在考虑系统静态约束、或 动态约束条件下，寻找合适的数学模型和优化方法，快速、精确地估计系统的a t c 。 ( 2 ) 作为一个市场信号研究a t c 在实际电力系统的运行中如何合理地运作， 当前的研究成果主要集中在a t c 的计算。 随着世界各国电力工业改革的深入，发电、输电、配电的逐步分离1 1 2 】，a t c 研究工作的进一步开展是必要的。根据当前的研究现状，a t c 的研究今后将主要 在以下几方面展开： ( 1 ) 在一个输电系统中，如何组建几个规模适当的大区域传输组织( r t o ) ， 考虑全网的交易情况，以弱化网络不确定因素对a t c 计算精度的影响，简化a t c 的计算复杂性，提高a t c 的计算精度和计算速度。 ( 2 ) 在建模和算法上，如何合理地处理网络不确定因素对a t c 的影响仍是今 后需要进一步研究的问题。电力系统的实际运行经验表明，在某些情况下满足静 态约束的系统可能在暂态过程中破坏暂态约束条件，因此在计算a t c 时，不仅需 要考虑网络的静态约束条件，也要适当考虑系统的动态约束。一般动态约束a t c 计算的难点在于如何处理所涉及的稳定约束。对此问题的解决，一种处理思想是 微分方程离散化，将稳定约束转化到静态安全约束中；另一种思想是将扩展等效 区域标准转化成稳定性标准。有关动态a t c 的研究刚刚开始，还有待进一步深入。 ( 3 ) 电力市场下，利用f a c t s 技术提高输电网络的区域间可用输电能力也是 今后一个重要的、有实际意义的研究内容。 1 2a t c 问题的研究状况和进展 a t c 侧重于用于交易的剩余容量，是对未来一段时间( 1 h 、l d 或更长) 互联 网络间额外输电能力的估计1 1 3 】，其计算值需要按要求的时间段进行更新，进行实 时计算，以准确地反映电网现有传输能力的大小。因此，a t c 计算的准确性和时 间性问题已成为a t c 计算研究工作的重点。在线a t c 计算时，由于预测时间较 短，只需从大量预想故障中选择一些可能是最严重的故障进行研究，计算量大大 减小，因此，从实时应用来看，在线a t c 计算时一般选择确定性模型。 基于确定模型的a t c 算法，就是以系统的基准状态为基础，选择一些可能是 最严重的系统故障进行研究( 即故障选择) ，然后针对所选择的每一种系统故障， 应用适当的优化方法估计这种故障发生时系统的a t c ，即故障模拟计算，最后选 择最小的a t c 值作为所研究时间段内系统的a t c 。由于a t c 的计算需同时计及 3 稳态约束和动态约束，为了分析方便，往往将两者分开考虑。 1 2 1 灵敏度分析法 灵敏度分析法又称分布因子法，实际上是利用潮流方程变量间线性关系来分 析某些变量发生变化对其他变量的影响程度。基于灵敏度分析法计算a t c ：是针 对c p f 和o p f 计算量过大的缺点提出的，它牺牲了一定的计算精度来换取较快 的计算速度，求得近似的a t c 值。一阶灵敏度方法主要通过计算a t c 的值与某 种参数的一阶函数关系来快速计算该参数对a t c 的影响。根据所用系统模型的不 同可分为直流灵敏度系数法和交流灵敏度方法。前者用到多种线性分布因子，计 算速度快，但精度不高；后者需要与其他计算a t c 的方法结合，可以满足实时 性要求的前提下，提供比较准确的解。 ( 1 ) 基于直流潮流灵敏度的a t c 计算 直流灵敏度系数法又叫线性分布因子法( l d f ：l i n e a rd i s t r i b u t i o nf a c t o r ) ， 是基于直流潮流m 1 分析实际网络响应系数的方法，假设节点电压幅值为常数， 忽略无功和电压的影响，计及支路电抗而忽略支路电阻，因而不存在线损，其模 型是线性的，计算中不需要迭代。 线性分布因子法提出了3 种分布因子：线路开断分布因子( l o d f - - l i n e o u t a g e d i s t r i b u t i o nf a c t o r ) 、功率传输分布因子( p t d f p o w e rt r a n s f e r d i s t r i b u t i o nf a c t o r ) 和发电机停运分布因子( g o d f - - g e n e r a t o ro u t a g ed i s t r i b u t i o n f a c t o r ) 。l o d f 描述了当电网中发生单条线路开断时其他线路有功潮流的变化； p t d f 描述了两区域间增加单位传输有功功率时各线路潮流变化；g o d f 描述了 某一发电机停运后，系统各线路有功潮流的变化。这些灵敏度系数只与电网的结 构有关，而与系统的运行状态无关，因此无论网络结构有多复杂，他们都可以预 先计算。这样在基准状态、单支路停运和单发电机停运下各条支路的有功潮流的 增量都与假想的功率传输增量成线性关系，在已知各条支路过负荷极限的情况下， 可以方便地计算最大的输送功率增量。 基于直流灵敏度的a t c 算法的优点：能很方便的考虑支路过负荷约束，可计 及“n 一1 ”静态安全约束，计算过程中无须迭代，计算简单，求解速度快，当市 场交易变化、电网的支路开断、发电机开断以及电力市场的其他因素改变后，可 以快速的计算出各种影响因素对a t c 的作用，从而在系统状态改变后，获得新的 特定断面的a t c ，可实时在线应用，目前应用较为广泛。缺点：该方法只与网络 拓扑结构有关，与系统运行状态无关，忽略了电压和无功的影响，计算精度差， 直流灵敏度系数只能反映某些变化因素与a t c 之间的线性关系，而不能计及它们 之间所存在的非线性关系，也不能考虑到所有因素对a t c 计算的共同影响，不适 4 用于缺乏无功支持和有效电压控制的重负荷系统；此外，随着系统规模的增大， 计算时间急剧增加，因此也不是用于大系统的a t c 计算。在实际中，该方法往往 是从某一个已有的较为准确的a t c 结果出发，计入某些因素在此基础上的微小变 化，从而快速获得新状态下的a t c 。直流灵敏度法适合与其它高精度但耗时长的 方法配合使用。 ( 2 ) 基于交流潮流灵敏度的a t c 计算 交流灵敏度方法是在速度与精确性之间的一个折衷的选择，既可以适应在线 计算的需要，同时又满足一定的计算精度。但它不是一个独立的a t c 计算方法， 需要以某种a t c 计算结果为基础。 基于交流灵敏度方法计算a t c 时首先计算出所需研究系统在基准运行点上 两区域间的a t c 值瓦和起作用的约束1 1 6 ，然后假定某参数发生较小变化，相应起 作用的约束不变，计算出a t c 值对各种可能的变化参数p 的一阶灵敏度系数z 。， 当p 发生变化肇时，新的a t c 值可由t = 7 0 + 耳p 直接得到。从而建立了a t c 对 各种参数摄动的一阶灵敏度计算的通用解析模型。进一步推导出针对不同参数摄 动时的a t c 灵敏度详细计算公式，从而在参数摄动时，很快计算新的a t c 。 交流灵敏度方法的优点：计算速度快，无需任何迭代计算，当系统中某些参 数发生变化后，可以快速计算出其对a t c 的影响，不需重新进行潮流计算，能在 系统状态发生改变的时候迅速的得到新的a t c 。满足在线应用的要求。缺点：只 能反映各变化因素与a t c 之间的线性关系，不能计及它们之间的非线性关系。当 系统参数发生较大的变化时，如线路或发电机停运，交流灵敏度法就会存在较大 的误差，甚至失败。因此，交流灵敏度法也不能独立的完成a t c 计算，它只能在 现有的准确a t c 计算结果的基础上，计算微小参数变化对a t c 的影响。相对于 直流灵敏度方法，精确性有所提高，更新计算的速度也不慢，在两者之间取得了 较好的平衡。交流灵敏度法一般与o p f 和c p f 方法配合使用【1 7 】。 1 2 2 重复潮流法( r p f ：r e p e a t e dp o w e rf l o w ) 重复潮流法又叫常规潮流法1 1 8 】，基于常规交流潮流，考虑节点电压限值约束， 支路过负荷约束以及其它可能的稳定约束。计算过程中先增加两区域间的功率交 换量，使系统设备出现过负荷或过电压，然后再用折半法削减所研究区域间的功 率的交换量，直到系统的安全约束条件处于l 临界满足状态，则所研究区域间基准 状态之上的功率交换量就是所求的a t c 。 典型的电力系统交流潮流方程可表示为： 咖，= 【舌：絮 - 0 z ， 5 取步长为a p ( a q ) ，逐步增加p ( q ) 的值，重复求解状态变量x ，检查x 是否越 界，并计算出各条支路的潮流，检验是否满足过负荷要求。若满足，继续增加步 长，直到出现某一越限时，将步长减半，重复上述过程，直到最后步长满足要求 为止。 重复潮流法的优点：原理简单，算法实现简单，可以计及系统的电压和无功 对a t c 的影响，计算结果能较好地反映实际运行状况；缺点：按给定的功率增长 模式，不考虑系统无功和电压的分布优化，可能使计算结果略为保守：另外，需 重复计算交流潮流，计算时间长，不适合在线应用。 1 2 3 连续潮流法( c p f ：c o n t i n u a t i o np o w e rf l o w ) 在2 0 世纪7 0 年代电力系统研究者尝试将连续潮流法应用于电力系统潮流方 程的求解中，当时c p f 只是作为对常规潮流计算方法的一种补充，并没有发挥其 真正的价值。9 0 年代c p f 方法因其在电压稳定性研究方面有其独特的优越性而 被广泛的应用于计算静态电压稳定的p v 曲线的功率极限点( n p ：n o s e p o i n t ) 。 连续潮流法基于连续潮流法可以跟踪潮流解轨迹的特点，从一个基准潮流出发， 逐步增加研究区域间的送、受电功率，直到电压静态稳定极限，即系统的临界潮 流点，增加的送电功率即为当前运行方式下两组节点( 群) 间的a t c 。采用连续 潮流法求解a t c 问题将系统潮流方程参数化为如下形式： ， ，a ) 一g ) 一a b 一0 ( 1 3 ) 连续潮流法计算a t c 一般分为2 类：参数化的连续潮流法和非参数化的连续 潮流法。在a t c 计算中一般采用非参数化连续潮流法1 1 9 1 ，计算中可以采用2 种求 解策略1 1 9 j ：a 、直接求解潮流算法和线型迭代法，两种情况下具有不同的计算速度 和计算精度。通过预测校正克服潮流在极限点收敛困难的问题。采用预测一校正 法( 简称p c 法) 1 2 0 2 1 求解两区域间的a t c ，通过增加一维参数化方程p ( x ，a ) = 0 避 免了潮流方程鞍型分岔点附近的奇异，属于参数化连续潮流法。预测一校正法主 要思想是：在已知z ( a ) 曲线上一点 。1 ，名。1 ) 条件下，用简单的方法获得o ，硝) 的 近似解，如0 ，a ) ( 预测过程) ，然后以该近似解为初始点，采用一些非线性方 程求解方法获得准确解，) ( 校正过程) 。p c 方法分为：方程参数化，预测环 节，校正环节，步长控制四个步骤。此外计算中还可以考虑了潮流方程鞍型分岔 导致的静态电压稳定性约束 2 h ，并计及动态约束条件的影响。为了加快运算速度， 还可以使用一些计算技巧，如每次更新雅克比矩阵时仅改动变化较大的状态变量 对应的元素，对于预想事故的处理可以采用并行算法等。 连续潮流法c p f 的优点：既可以考虑电压水平、线路及设备过负荷等静态安 6 全约束条件，也可以考虑由于潮流方程解的鞍点分叉导致的电压稳定性约束条件 以及其它动态约束条件的影响，计算结果较之线性分布因子法更精确，因此它在 a t c 的计算中得到了广泛的应用。缺点：由于c p f 在负荷量和发电量增加时，对 指定的发电机群和负荷采用了不变功率注入变化方向向量，忽略了系统无功和电 压的优化分布，可能导致a t c 的计算值趋于保守，限制了输电系统的利用率，造 成了资源的浪费；另外，c p f 方法采用跟踪曲线法，且基于潮流计算，因而迭代 次数多，且包括了重复预测和校正过程，计算时间长，无法满足在线计算要求， 虽然可以通过一些方法缩减时间，如在每次雅可比矩阵的生成过程中，只修改变 化较大的状态变量的对应元素，对于预想事故集的处理，可采用并行算法等，但 这并不能从根本上解决该方法的缺点；此外难以考虑“n 一1 ”静态安全约束，a 的步长也难合理确定。因此基于连续潮流法的a t c 计算一般用于准确度较高的离 线计算中。 1 2 4 最优潮流法( o p f ：o p t i m a lp o w e rf l o w l 电力系统最优潮流法已有4 0 多年的历史，是一种比较成熟的算法：在传统的 电力工业运行模式下，o p f 技术被用于处理实时或准实时的电力系统运行优化问 题；而在电力市场环境下，o p f 作为经典经济调度理论的发展与延伸，可将经济 性与安全性近乎完美的结合在一起，已成为一种不可缺少的网络分析和优化工具。 基于o p f 的a t c 计算是对应用c p f 计算a t c 的改进，将输电能力的计算描述为 一个非线性优化问题，根据所求对象不同，目标函数一般选取经过某一断面的总 功率最大或其功率增长值最大，或指定发电机群的发电量和指定区域的受电量最 大；将潮流方程作为等式约束，把支路过负载约束、电压约束和各种稳定约束等 作为不等式约束。基于最优潮流法a t c 计算的数学模型为： m a xa ，“) s j 9 0 ，u ) = 0 h ( x ，“) s 0 ( 1 4 ) 因此用最优潮流法计算a t c 可以采用各种优化算法，如广义梯度下降法、二 次规划法、b e n d e r s 分解法、直接内点法和人工神经网络法等。利用连续二次规划 法( s q p s e q u e n t i a lq u a d r a t i cp r o g r a m m i n g ) 1 2 2 1 求解最优潮流问题：首先建立优化问 题相应的拉格朗日函数，然后将它转变为近似的二次规划( o p ) 子问题，通过迭代， 即不断求解近似的q p 子问题，基于k u h n t u c k e r 条件，q p 子问题是通过有最优步 长搜索的q u a s i n e w t o n 法来求解的，可以证明相应的q p 子问题解序列收敛到最优 解。采用b e n d e r s 分层算法求解a t c 问题1 2 3 2 4 1 通过耦合变量分解为1 个主问题和若干 个从问题：主问题处理稳态约束，从层中每个子问题用于处理预想事故，每个子 7 问题可以单独求解，然后以约束形式插入主问题并影响主问题求解，从而进行并 行计算。为了提高运算速度，可简化原优化问题为方程组求解问题，通过引入非 线性互补问题函数f i s c h e r b u r m e i s t e r ( f b ) 1 2 5 2 6 1 ，将互补松弛条件写为： 九i 妒( 肛h ，h h 0 1 ，z 2 ) ) = 0i = 1 , 2 , a ，p 1 九一庐( 肛2 l ，h n 0 1 ，工2 ) ) = 0f 一1 , 2 ，a ，p 2 ( 1 5 ) 并采用半光滑牛顿法进行求解，避免了不等式约束的识别问题。为了提高区 域间的可用输电能力，可以通过串联f a c t s 装置1 2 ，。b 】。 最优潮流法的a t c 计算对约束的考虑的比较完善，且在一定的程度上还可以 考虑调节与控制对a t c 计算的影响。m o h a m e ds h a a b a n 提出了基于静态安全约束 的a t c ( s s c a t c ：s t a t i cs e c u r i t yc o n s t r a i n e da t c ) 算法，计算中计及静态“n i ” 约束，并采用两种求解策略：并行策略和串行策略。除此之外计算中还可以考虑 了机组因时间和设备限制而具有的爬坡约束，以使系统能正确地重新确定在紧急 控制情况下的功率分布。 最优潮流法的优点：与连续潮流法的a t c 计算相比，最优潮流法对约束条件 有更强的处理能力，理论上可以处理各种约束，还可以进行有功和无功优化，计 算效率更高，结果更准确，尤其是采用b e n d e r s 分解方法可以明显提高其计算速度。 缺点：很难考虑系统稳定性这样的动态约柬条件，所获得的结果最大运行点是一 个理想的目标方案，实际往往难以达到；o p f 计算a t c 时，或涉及非线性方程的 处理，或涉及系统资源的优化调度，需要更长的计算时间，难以满足在线要求， 在实际应用中，当对运算速度要求较高时，可以采用简化得直流潮流方程作为等 式约束；在计算前，所有网络参数必须已知，这在分散的电力市场环境中很难满 足。 1 2 5 在线系统传输容量估测软件包( t r a c e l n e r c 建议采用美国整个电网的结构克服基于区域性a t c 存在的问题“；通 过采用直流潮流模型节约a t c 计算时间，通过功率传输分布因子p t d f 反映全网中 任何交易对特定断面a t c 的影响，通过支路开断分布因子线性分布因子b o d f 反 映电网结构变化对a t c 的作用，基于此e p r i 组织联合一些电力公司于1 9 9 6 年后期 开发了计算a t c 的软件包( t r a c e ) ，是第一个可用于实际系统的a t c 应用软件。 该软件包获得实时的给定路径上的a t c 和t t c ，并发布在o a s i s 系统上。该软件 中内嵌了预想故障快速捕获程序，因此具有识别紧急预想故障的能力，因此非常 适合在线a t c 的计算。 上述方法求解a t c 在电力系统规划和运行方面都得到广泛的应用。每一种类 型的算法都有自己各自的优缺点，并不存在一种绝对优越的算法。在实际应用方 8 面，选择何种算法或算法组合，如何提高算法的计算速度以满足实时在线的要求， 特别是在当今电力市场环境下，仍然是一项具有挑战性的课题。 1 3 实际应用对a t c 计算的要求 a t c 侧重于用于交易的剩余容量，也就是说，它并不只是物理意义上的输电 能力，而是在市场下，在已成交_ 白勺传输容量的基础上，能使交易者获得最大利益 的那一部分输电容量1 2 9 。a t c 是用来衡量互联电力网络如何运行以满足商业性输 电服务要求的指标，是一个技术性和商业性的综合体。作为一种技术特性尺度， a t c 必需满足一定的原则，以平衡技术性和商业性的问题。a t c 要求准确地反映 输电网络的实际情况，同时计算又不太复杂，以避免不恰当的限制了其商业性。 如下原则指明了a t c 计算与应用的要求： ( 1 ) a t c 计算必须产生商业性的可行结果。计算得到的a t c 值必须是电力市 场可用传输容量的一个合理并且可靠的指示。 ( 2 ) a t c 计算必须考虑整个互联输电网络上随时间变化的潮流状况。另外， 必须从可靠性的观点考虑整个网络上同步传输和并行路径潮流的影响。 ( 3 ) a t c 计算必须考虑a t c 与功率注入点、穿越互联网络的传输方向和功率 流出点的关系。所有部门必须提供必要的、充足的信息用于计算a t c 。 ( 4 ) 各自区域或整个区域的合作是必要的，以形成和发布合理反映互联输电 网络a t c 的信息。 ( 5 ) a t c 计算必须遵守n e r c 、各区域、电力联合组织和个别系统的安全规划 和运行政策、标准或准则。 ( 6 ) a t c 的计算必须能容纳系统状态中合理的不确定性，并且提供运行灵活 性，以确保互联输电网络的可靠运行。 以往a t c 计算过程中所要考虑的约束条件： ( 1 ) 线路热过载能力约束 ( t h e r m a ll i m i t s ) 。它是指某一特定时间段内， 在电力线路与设施不因过热而造成永久性的损害以及符合公共安全需要的前提 下，电力线路与设施可以流过的最大电流值。 ( 2 ) 节点电压约束( v o l t a g el i m i t s ) 。系统各节点的电压变化必须保持在某 一个特定的可接受的范围内。 ( 3 ) 稳定约束( s t a b i l i t yl i m i t s ) 。在稳态的时候电力传输网络必须要在一个 安全的范围内运行。除此之外，电力网络还必须有一定的承受扰动的能力。这里 的扰动又可以分为暂态与动态两种。 9 1 4 本文的主要工作和创新点 a t c 是衡量电力系统中两点间电能传输能力的一个重要指标，是电力市场交 易过程中的一个重要指导参数。因此需要快速准确的计算a t c ，以准确的指导电 力市场，维持电力系统的安全性与稳定。电力负荷是电力市场必须的数据，负荷 预测是电力系统走向市场化必须解决的问题。a t c 为负荷用户提供电网裕度信息， 指导市场参与者的行为。为了计算a t c ，本文在以往成果的基础上，首先根据前 一阶段时间的节点负荷数据预测下一时段负荷，为a t c 计算提供必要的数据。在 此基础上深入研究a t c 的算法，并对所提出的算法进行数值试验。在a t c 的求 解过程中将所有考虑的约束条件整合为一个等式，由于其非光滑，采用光滑函数 对其进行光滑化处理，从而用牛顿法进行直接求解。 论文主要创新点是：采用自适应模糊神经推理系统( a n f i s ：a d a p t i v e n e u r a l f u z z yi n f e r e n c es y s t e m ) 进行电力系统的短期负荷预测，a n f i s 利用神经 网络来实现系统的模糊逻辑推理，采用混合学习算法调整前提参数和结论参数， 自动产生模糊规则。利用某局网负荷数据对网络进行训练和检测，并把所的结果 与传统b p 神经网络和遗传算法进行比较，表明利用a n f i s 预测负荷更为有效。 本文的a t c 的计算是基于安全域的概念，利用最大值函数( p o i n t w i s em a x i m u m f u n c t i o n ) 将所有的约束条件整合为一个等式中，在计算过程中，计及节点有功注 入功率、无功注入功率以及节点电压约束，我们同时考虑电力系统的稳定性问题 鞍节分岔问题。从而建立了计算a t c 的新的数学模型同时考虑安全性与 稳定性的光滑化a t c 模型。通过引用最大值函数，系统所有的运行约束被整合于 一个式子中，建立了包含一个半光滑方程的新的a t c 模型。这个模型有两个突出 的优点：它能方便地处理电力系统的所有稳态约束条件；通过一个方程组就可以 得到a t c 的值。基于新的a t c 模型，提出了既简单又具有鲁棒性的算法光滑牛 顿法，其中，光滑参数被作为一个独立的变量来处理。光滑牛顿法求解方程系统 无需增加计算量而同时具有经典牛顿法的所有优越性。依据新模型对双边交易 a t c 进行了实际计算，采用牛顿法进行求解，该方法能快速可靠的识别边界上的