（电力系统及其自动化专业论文）支持向量机在电力市场网损分摊中的应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第| i 页 a b s t r a c t w i t ht h eg r a d u a lr e f o r m a t i o no fp o w e rm a n e t , t r a n s m i s s i o no p e na c c e s sw i l lb e i n t r o d u c e da n da l lp a r t i c i p a n t si np o w e rm a r k e tc a nu s et h et r a n s m i s s i o ne q u a l l ya n d n o n d i s e r i m i n a t o r i l y t r a n s m i s s i o nl o s sa l l o c a t i o nn o to n l yi n f l u e n c e st h ee c o n o m i c b e n e f i t so fe v e r ys u b j e c to fr e s p o n s i b i l i t y , b u ta l s oh a si m p o r t a n tf u n c t i o n st og u i d e t h eu s e r s u s i n gt r a n s m i s s i o nr a t i o n a l l y a sar e s u l t , t h ep r o b l e mo f t r a n s m i s s i o nl o s s a l l o c a t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb a s i ct h e o r yo fp o w e rm a r k e t m a n yr e s e a r c h e r si nt h ew o r l da r ep a y i n ga t t e n t i o nt ot h i sp r o b l e m t h ep r i n c i p l eo f t h ec u r r e n tm e t h o d so f t r a n s m i s s i o nl o s sa l l o c a t i o ni si n t r o d u c e d a n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd e f e c t si sa n a l y z e di nt h i sp a p e r s o m ef a m i l i a rl o s s a l l o c a t i o na l g o r i t h m ss u c ha sp r or a t at e c h n i q u e s ，m a r g i n a ll o s sc o e f f i c i e n t ，l o a df l o w t r a c i n gm e t h o da n dl o s s a l l o c a t i o nb a s e do nc o o p e r a t i o ng a m et h e o r ya r e i n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l y p o i n t i n go u tt h a ti ti sh a r dt oa d v a n c ea na b s o l u t e l ye q u i t a b l e a n dr e a s o n a b l el o s sa l l o c a t i o na l g o r i t h mb e c a u s eo f t h a tt h er e l a t i o nb e t w e e nt o s sa n d p o w e r i sn o n - l i n e a r z - b u sl o s sa l l o c a t i o ni si n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l y f o rt h er e a s o nt h a tt h e l o s s e s a s s i g n e dt ot h eg e n e r a t o rb u s e sa r ea l w a y sm u c hg r e a t e rt h a nt h a to fl o a db u s e s ，s oi t i sn e c e s s a r yt or e g u l a t et h ec a l c u l a t e dl o s s am e t h o do fu s i n gp r or a t am e t h o dt o a d j u s tt h ec a l c u l a t e dl o s si si n t r o d u c e d t h es i m u l a t i o no ni e e e l 4 一b u ss y s t e ma n d t h ec o m p a r i s o n sw i t hs e v e r a lo t h e rl o s sa l l o c a t i o nm e t h o d sp r o v e dt h a ti ti saf a i ra n d r e a s o n a b l e1 0 s sa l l o c a t i o nm e t h o d t h et h e o r yo fs v mi si n t r o d u c e da n dan o v e ll o s sa l l o c a t i o np r o c e d u r ef o rs v m b a s e dz - b u sl o s sa l l o c a t i o ni sp r o p o s e d n e tl o s s e sa l l o c a t e dt oe a c hb u sb yz - b u s l o s sa l l o c a t i o nw e r eu s e da ss a m p l es e tf o r 订a i n i n gs v m w i t ht h et r a i n e ds v m m o d e l ，n e tl o s s e sc o u l db ee a s i l yc a l c u l a t e di nv a r i o u so p e r a t i o nc o n d i t i o n s at r a i n e d s v mf o rl o s sa l l o c a t i o nr e q u i r e so n l yo p e r a t i o n a ld a t at oc a l c u l a t et h el o s sa l l o c a t i o n a ta n yi n s t a n t s i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u to n5 - b u ss y s t e ma n di e e e l 4 - b u ss y s t e m , a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sa l g o r i t h mi so f v a l i d a t i o n k e yw o r d s ：s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ；p o w e rm a r k e t ；z - b u sl o s sa l l o c a t i o n ；l o s s a 1 1 0 c a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 网损分摊的研究背景及相关概念 自2 0 世纪8 0 年代以来，电力工业在全世界范围内发生着深刻的变化，各 国逐步对电力工业解除管制、开放经营和结构重组，并成为个势不可挡的世 界潮流。电力工业市场化的基本思想是：对垂直一体化经营的电力系统，逐步 地放松或解除管制、引入竞争、提高资源利用效率；其核心是：将发电、输电、 配电的主要功能分解成在商业运营方面相互独立的实体，将电力、电量、输电 服务、辅助服务等商品，尽可能精确地表示为电价，将电力系统的各种操作以 经济尺度加以衡量，在所有市场参与者之间公平、公正的分摊相关费用【1 1 。简 而言之，电力市场化改革就是通过引入市场竞争来促进电力工业的可持续发展。 英国、美国、巴西、阿根廷、澳大利亚、新西兰等国家经过多年的电力市 场化改革的实践，积累了丰富的经验，为其电力工业注入了新的活力，并激励 了世界其他各国的电力市场化发展【2 捌。我国从1 9 9 2 年开始引入电力市场的概 念，之后迅速展开了电力市场相关理论的研究和模拟电力市场的实践和探索。 1 1 1 电力市场的基本概念 市场是商品交易关系的总和。换句话说，市场是进行商品交易的场所，是 商品交易的全过程。就经济学意义而言，市场由供给和需求两个基本要素构成， 供求双方相互作用、相互协调，使市场趋于均衡。电力市场是电力的买方和卖 方相互作用以决定其电价和电量的过程 3 1 。具体来讲，电力市场是采用经济等 手段，本着公平竞争、自愿互利的原则，对电力系统中发电、输电、配电、用 户等各成员组织协调运行的管理机制和执行系统的总和。 电力市场的基本特征是开放性、竞争性、网络性和协调性。与传统的电力 系统相比，电力市场具有开放性和竞争性：与普通的商品市场相比，电力市场 具有网络性和协调性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 电力市场改革的总体目标在于打破垄断，解除管制，引入竞争，使电价形 成机制合理化，优化资源配置，提高资源利用率，促进电力工业与社会、经济、 环境的可持续协调发展。 电力市场的基本原则是：公平、公正和公开，即“三公”原则。建立电力市 场的目的是在电力工业中引入竞争机制，在一个充满公平竞争的电力市场中， 参与者之间应该是相互平等的。所以，电力市场最基本的原则是公平。 电力市场的运营模式有：垄断型运营模式、买电型运营模式、批发竞争型运 营模式和零售竞争型运营模式。电力工业可分为发电、输电、配电和供电四大 领域。以上四种运营模式是按照在发、输、配、供电这四大领域中垄断、竞争 和选择的程度的不同来划分的。 市场主体是市场存在的基础，电力市场中最基本的市场主体是发电企业和 电力用户。电力市场改革的首要任务就是将发电、输电、配售电单位分解为各 自独立的经济实体，改垂直管理关系为商业往来关系。按照各成员在电力市场 中的职能划分，市场竞争主体原则上划分为发电公司、供电公司和输电公司。 发电公司负责电能的生产；供电公司负责电能的分配；输电公司负责电能的运 输和网络安全；电力调度部门是其功能的执行机构，不仅负责系统的电能传输， 更重要的是维护系统的动态功率平衡，保障系统运行的安全性和经济性。电力 市场中的参与者是多元的利益主体各个独立经营的发电厂、输电网、配电 网和用户。它们在电力市场是相互平等的、自主的，在市场中允许买卖双方的 多方选择。 当前，电力市场中主要有两种基本交易组织模式【5 】，一种是电力库( p o w e r p o o l 又称联营体或电力联合运营中心) 模式，一种是双边交易( b i l a t e r a lc o n t r a c t ) 模式。 电力库模式的基本运作方式是：发电企业向p o o l 提交报价，p o o l 根据发电公 司的报价择优购买通常是按一定的交易算法对市场进行结清( c l e a rt h e m a r k e t ) ，确定出各发电企业的发电量，由p o o l 确定市场价格。在此交易模式下， 电力调度和电力交易合为一体，由电网运营者作为唯一的电力购买方，电网调 度机构起着组织电力市场的主要作用。发电商作为市场参与者向电网申报报价 曲线并进行投标，独立系统操作员( i s o ，i n d e p e n d e n t s y s t e m o p e r a t o r ) 和电力交 易中心( p x ，p o w e re x c h a n g e ) 的组合体( 即联营体，p 0 0 1 ) 负责集中管理电网， 由其收集各市场参与者的投标信息( 投标价格和投标电量等信息) ，然后按照统 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 一的市场原则进行评标，并确定系统电价和实现输电交易。采用这种市场交易 模式的有英国、阿根廷、澳大利亚、智利等国家。 双边交易模式则是发电公司与电力用户( 或配电公司) 直接签订电力交易合 同，由买卖双方通过协商确定价格，交易成交以后将结果通知电网公司以实现 电力的转运。因此，大多数商品的合同交易模式都可以在电力市场运用。这些 合同的要素包括交易时间，交易电量，和交易价格，等等。双边交易合同可以 是短期的，中期的，也可以是长期的，而且还可以以差价合同等多种方式出现。 由英国电力市场运营的实践来看，在电力市场运营初期，几乎超过一半的电力 交易是通过双边交易模式进行的，目前正在进行的新的电力市场改革的探索， 其中的一个重要内容就是进一步朝双边交易模式方向发展。在我国，从几个试 点的发电侧电力市场运营情况来看，提交电力市场迸行竞价交易的电量9 0 是 通过双边交易进行的，从最终的理想电力市场即发电、输电、用电全面放开的 自由电力市场规划来看，双边交易模式也是进行公平竞争、竟价上网以及自由 选择交易对象的客观需要。这种交易模式的典型代表有：美国加州、挪威、新 西兰等电力市场。 1 1 2 输电成本构成 当今世界各国电力公司和国家电力管制机构越来越关注输电系统开放接入 ( t o a ，t r a n s m i s s i o n o p e n a c c e s s ) 。输电系统开放接入是指电力市场中的所有参 与者享有同等使用输电设备的权利，同时必须遵守输电系统的物理约束条件并 履行完成输电业务合同所要求的义务。在这种新的市场环境下，完整的市场规 则和有效的定价原则对提高输电系统的可靠性、安全性和经济性有着极为重要 的意义。 输电系统一般具有自然垄断性，又由于它在电力系统中处于核心重要地位， 因此输电系统开放接入就成了电力工业市场化的主要内容之一，其最终的目的 是要引入竞争，提高效益，降低成本，改善服务，持续发展，使开放后的输电 系统能够根据竞争的市场机制，向电能的各级用户提供可利用的输电框架，达 到电力系统资源优化配置的目的。 与发电和配电系统不同，输电系统由于其自然垄断属性，它不但承担着把 电能从各个发电厂传送到各用户的输电任务，而且还需要提供一些辅助服务， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 例如自动发电控制( a g c ) 、无功电压控制、系统备用、恢复及黑启动、阻塞调 度和负荷频率控制等服务。因此，输电系统开放接入面临着一系列亟待解决的 技术问题，需要单独对其进行研究。 要研究输电系统开放接入，首先就应该明确输电成本的构成。输电费用计 算的基础是成本计算，因此承担输电交易的电网必须全面、合理地确定输电成 本。输电成本是指承担输电业务的输配电网在为电力用户提供输电服务时所花 费的成本，其组成如下式所示： c ：= c 0 。d + c k + c o i 研+ c j 。w + ( 1 - 1 ) 式( 1 - 1 ) 中g 。表示输电固定成本、c 矗表示输电损耗、c 二。表示辅助服务成 本、g 。表示输配电设备的投资回报、c o 岫表示其他管理成本，各项符号所代 表含义的详细介绍如下： 1 g ，。输电固定成本( 输配电设备的折旧) 在计算年折旧费时，首先要确定设备使用年限，一般定为3 0 年。年折旧费 的计算有两种方法：定额法和双倍余额递减法。采用定额法时，每年的折旧费 是相同的；而采用双倍余额递减法时，其折旧费随着当年账面价值的递减而逐 年递减。 2 c l 。输电损耗 输电系统在传输电能时，电网中的各个组成部分包括导线、变压器等都将 产生有功损耗而损失电量。在传统的计算方式上，电力企业采用广泛和统一的 方式来考虑电力系统输电损耗，通常将系统总损耗按一定的比例分配给系统成 员。因此，对于输电损耗计算，尤其指电能损耗计算在垂直垄断的电力体制下 得到的都是近似值。然而，随着电力工业的市场化进程和输电系统开放接入， 对输电损耗计算精度提出了更高的要求，对其计算也就更为复杂，因此就要求 市场设定一定的规则，根据市场参与者对输电损耗所承担的责任( r e s p o n s i b i l i t y ) 实现输电损耗在各市场成员中的公平分摊。 3 c ，耐。辅助服务成本 随着发电竞争的引入和输电系统开放接入的实施及新的技术，如f a c t s 等 装置的应用，增加了电网运行和控制的复杂性，因而会产生一些新的引起电网 功角稳定、电压稳定、过负荷、低频振荡、系统崩溃等的问题。因此，利用一 些辅助措施对频率和电压进行调整和控制，防止上述问题的发生就显得非常必 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 要。这些辅助服务主要包括：频率控制( 负荷跟踪) 、可靠性备用( 旋转备用和快 速启动机组) 、非旋转备用( 运行备用) 、无功备用电压控制、发电再计划再分 配、有功输电损耗补偿、事故恢复服务、稳定控制服务等。 这里要指出两点，第一是某些电力市场模式将辅助服务费用单独处理，认 为不属于输电费用的范畴。由于本文重点不在辅助服务，简要介绍辅助服务的 分类后，将不涉及辅助服务费用问题。第二，实际上，辅助服务中的有功输电 损耗补偿是为市场中各电网用户提供输电损耗补偿，所以这服务事实上己经 把成本中的第二项输电损耗成本计入总成本当中，因此，在真实结算的时候， 这两项只需取其中一项成本即可。 4 g 。输配电设备的投资回报 从经济学角度来看，这一部分成本为投资输配电设备的机会成本。输配电 设备的投资回报有两种计算方法，一种称为“堆砌方式”，根据投资的类型如贷 款、股票、自有资本，分别计算每年的利息、股息、利润，把他们加起来。就 是每年的投资回报：第二种方式是利润率方式，即对总投资乘以一定的利润率， 所得结果即为每年的投资回报。 5 c 赢。其他管理成本 这部分成本包括输电业务执行前调度人员进行信息的处理、分析、预测、 调度等工作，输电业务执行后为保证电网运行的收支平衡和适当收益进行的结 算等工作所需的成本，以及其他一些费用如行政管理费、维修费和税收等。另 外，也有些文献认为，还需将电网扩建成本计入这部分成本中，以反应在一个 长期中电网公司的收支平衡。 在实际应用中，对于以上输电成本c ，的各个组成部分，有的只部分的加以 考虑。但总的来说，输电损耗成本都是其中必不可少的一个组成部分。 1 1 3 输电损耗分摊 输电系统在执行输电业务时必然在输电过程中产生损耗( 包括线路损耗、变 压器损耗) ，这个输电损耗取决于输电系统中各支路上的电力潮流，一般占系统 总发电量的5 1 0 6 】。如何根据各项输电业务对支路潮流的影响来分配输电 损耗成本，是一个复杂的问题。电网在执行输电业务时，必须提供足够的输送 容量，承担输电损耗，同时承担输电业务对输电网运行带来的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 电力市场环境下，如何将这部分输电损耗公平、公正、准确、合理地分摊 到各发电公司和电力用户等市场参与者中去是关乎电力市场健康发展的关键问 题之一，也是电力市场中输电定价的重要内容，更是电力市场公平竞争的基本 要求。同时，由于输电系统对发电机送出的潮流提供了多种可能路径，为了市 场的公正和自身的利益，输电公司和用户需要并且有权知道在各种运行方式条 件下，用户对输电网设备的利用份额究竟是多少，输电损耗在各市场参与者中 具体是如何分摊的、需要注意哪些问题等与自己切身相关的一些市场情况。要 回答这些问题，就必须对输电损耗分摊问题作进一步的研究。近年来，对输电 损耗分摊问题的研究已成为国内外电力科技界研究的热点。 针对输电损耗分摊问题，到目前为止已提出了多种输电损耗分摊方法【7 12 1 ， 但是，到没有一个被学术界和各市场参与者广泛接受的分摊方法 1 3 】。在实际运 行过程中，有些电网公司虽然对输电损耗进行了分摊，但多数是经验分摊，理 论依据不足。因此，对于输电损耗分摊问题，提出一种公平合理、简捷直观、 能让各市场参与者广泛接受并能反映输电系统真实潮流的输电损耗分摊方法是 十分有意义的。 按目前的研究和认识水平，在进行输电损耗分摊时，首先应考虑到以下两 方面的问题： ( 1 ) 根据线性电路理论，电力系统中的功率不能采用叠加原理进行计算，又 由于输电业务之间的相互交叉影响和物理潮流路径的难以获取，因此，目前所 提出的输电损耗分摊方法都没有建立在严格的理论基础之上。任何分摊方案都 只能是基于某种原则，使电力市场中的所有参与者能够承认和接受的某种规则。 ( 2 ) 必须弄清输电损耗分摊所应注意的基本问题和应遵循的基本原则，从而 才有可能提出公平合理、简捷透明的输电损耗分摊方法，并最终确定输电损耗 的承担者及各承担者应分摊的数量。 1 2 课题的研究意义 公平竞争是电力市场最重要和最基本的原ne 1 4 1 。在输电网络开放接入的电 力市场环境下，所有的电力市场参与者( 发电方和用电方等) 都可以平等的、 无歧视的使用电网，在电力市场交易过程中输电网络损耗要占到总输电量的5 1 0 ，不同的网损分摊方案对具体的交易和用户的交易电价的影响可能高 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 达1 0 【l ”。因此，如何公平合理的确定网损分摊方案，是当前电力市场改革所 面临的重大课题。 输电损耗分摊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 源具有重要意义。网损是发电成本和用电成本的重要组成部分，网损的分摊结 果不仅直接影响各输电责任主体的经济利益，更关系到电力市场的健康发展。 因此，提出一种预测网损分摊的方法，对于指导电网用户安排发电或用电计划 以及电网的经济运行具有积极意义。 1 3 国内外研究现状 网损分摊问题受到多种因素的影响，各种分摊方法所适用的交易模式和市场 框架不尽相同。从总体上而言，目前国内外已提出的输电网损分摊方法可以分 为六类：压入法、边际类方法、增量类方法、基于损耗计算公式类方法、基于 潮流追踪类方法和基于回归估计计算的方法，下面就这几类方法的研究现状进 行简要论述和分析。 1 3 1 压入法 压入法【1 5 】包括邮票法川、合同路径法【1 0 , 1 5 , 1 6 以及兆瓦英里法【t 7 , 1 8 。邮票法 即平均网损分摊法，是将整个输电网络损耗按照输电用户的功率或者是电流的 比例进行分配。其优点是计算简单、透明，缺点是无法考虑用户在电网中的电 气位置，交叉补贴严重，无法提供经济信号。合同路径法虽然考虑了输电距离， 但是极其粗略。在其后发展的兆瓦一英里法尝试根据各交易对电网的实际使用 程度大小来分摊网损，考虑了有功潮流和线路长度对网损的综合影响，但该方 法存在损耗收支不平衡的问题。 1 3 2 边际类方法 边际类方法由于原理简单、计算快捷而成为电力系统中传统的计算网损的方 法，主要包括传统的边际类方法解析灵敏度方法和改进的边际类方法 功率摄动法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 基于灵敏度的解析法 19 是将整个网络功率损耗对输电服务用户功率的灵敏 度作为输电损耗分摊的依据。这类方法主要包括基于直流潮流的分布系数法和 边际网损系数法，一般用于联营和双( 多) 边交易的损耗分摊。基于直流潮流 的分布系数法由于其广义发电分布系数( g g d f ) 和广义负荷分布系数( g l d f ) 是基于直流潮流模型计算出来的，其计算结果不够精确；而边际网损系数法只 能反映各节点所造成的全网网损的微增成本信息并没有考虑平衡节点问题。 针对基于灵敏度的解析法存在上述计算结果与平衡节点位置的相关问题，有 学者提出了改进的边际类方法功率摄动法。但该方法加入的人为因素太多， 在某些情况下不好处理。 1 3 3 增量类方法 增量类方法是针对双边( 包括转运) 交易提出来的，也就是基于潮流的损耗 增量法 2 0 , 2 1 】。其做法是将所有的双边交易合同功率按照一定的顺序累j d n 系统 中，根据每个双边交易追加后对整个系统功率损耗的影响程度来确定每个双边 交易合同应分摊的损耗份额。这类方法虽然可以计入特定双边交易对系统的影 响，但存在以下三个固有缺陷：( 1 ) 双边交易追加次序：计算结果对双边交易 追加的次序非常敏感【2 2 1 ，而且单个双边交易累加到系统中所引起的功率损耗变 化的和并不等于所有双边交易同时加入系统中引起的损耗变化。( 逆向流) 当一 个双边交易履行后，造成某些输电元件潮流变小从而使这些元件的功率损失变 小，则称该双边交易合同功率为“逆向流”【2 3 】。“逆向流”会导致负的损耗分摊份 额的出现，即输电公司需要向该双边交易给与补偿【2 l 】，这对输电方来说是很难 接受的。( 3 ) 计算时闻与双边交易数目相关：由于每累加一项双边交易合同就 要计算一次潮流，所以这类方法的计算时间与双边交易合同的数目相关。 1 3 4 基于损耗计算公式分摊算法 基于损耗计算公式分摊算法从系统总有功损耗的计算公式出发，将所有用户 以其功率或电流形式体现在系统损耗或支路损耗表达式中，以此确定损耗分摊 份额。系统总有功损耗的计算公式有两类：一是根据系统总有功损耗等于全网 总注入有功损耗，同时采用节点注入功率( 或电流) 表示的公式；二是根据系 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 统总有功损耗等于支路有功损耗之和，采用支路电流或功率表示的公式。基于 损耗计算公式分摊算法主要包括基于节点注入功率( 或电流) 公式法【6 ，n m 2 5 1 、 基于直流潮流模型损耗公式法【2 6 1 、基于支路电流损耗公式法 2 7 - 3 3 】、基于潮流分 析法 3 4 - 3 8 】。 基于节点注入功率( 或电流) 公式法实质就是采用叠加原理进行损耗分摊的 方法。该方法将节点注入功率表示成以节点阻抗( 导纳) 矩阵和节点注入电压 ( 电流) 为自变量的函数，推导出每一交易所应分摊的损耗。 基于直流潮流模型损耗公式法引入分布系数或提出了对应每个交易的近似 损耗计算公式，然后计算相应的损耗并在交易间进行分摊。这和其他采用直流 潮流模型的方法一样，由于不考虑无功影响，计算精度会受到影响。 基于支路电流损耗公式法运用电流形式的损耗计算公式，然后用叠加定理求 解每条支路损耗表达式，以此进行损耗分摊。 基于潮流分析方法主要应用于双边交易模式中，采用潮流分解算法，将每一 个交易分解为主要分量【3 4 3 6 】( m a j o rc o m p o n e n t s ) ( 只与单个交易有关) 和相互 分量【3 4 j ( i n t e r a c t i o nc o m p o n e n t s ) ( 计及了潮流模型的非线性，并反映了各个交 易之间的相互影响) ，并依此进行损耗分摊。 1 3 5 基于潮流追踪类方法 潮流追踪p 4 5 】是以潮流计算或状态估计所得到的系统潮流分布为基础，根 据节点功率比例分配 4 1 4 2 】原则，追溯潮流走向，从而确定输电用户功率在每个 输电设备所通过功率中所占份额，以此作为输电功率损耗分摊的依据，该方法 的计算直接针对输电用户功率总量。由于其原理符合人们的常规思维，故一般 都将其作为输电损耗分摊的一个备选方案【1 9 ，笋 4 8 】。文献 4 1 , 4 2 提出了潮流追踪 法来确定线路潮流的流动情况，为按照线路的使用度来分摊损耗提供了准确的 计算方法。追踪类方法主要分为按功率追踪损耗分摊方法【3 9 叫5 】和按电流追踪损 耗分摊方法 4 9 5 1 】。 1 3 6 基于回归估计计算的方法 基于回归估计计算的网损分摊方法【5 2 1 实质上是一种网损分摊的预测办法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 它以其他网损分摊方法得到的定数量的分摊结果为样本进行训练，得到网损 分摊模型，用该模型进行网损分摊计算。文献 5 2 提出了一种以z - b u s 法的分摊 结果为训练样本，基于人工神经网络的网损分摊算法。该方法可以得到令人满 意的计算精度，但是存在模型训练时间过长、容易陷入局部极小等问题。 1 4 本论文主要内容及工作 本论文的主要内容分三部分： 一、介绍了电力市场的一些基本概念以及网损分摊的研究现状和意义，对 一些常见的网损分摊方法进行了较为详细的阐述； 二、详细介绍了z - b u s 网损分摊方法及其改进办法； 三、介绍了支持向量机的基础理论以及如何将其引入到网损分摊的应用中 的具体方法。 本论文所做的工作主要有以下几点： ( 1 ) 对当前已有的网损分摊方法进行了分类和总结，介绍了这些方法的适用 范围和优缺点。对比较常见的些网损分摊方法的进行了详细阐述； ( 2 ) 对z - b u s 法作了较为详细的介绍。针对z b u s 法存在发电机节点损耗份 额分摊过大的问题，采取比例法进行二次分摊，并用算例对改进后的z - b u s 和 其它网损分摊方法进行了比较分析。 ( 3 ) 详细介绍了支持向量机的基础知识，对于支持向量机应用当中最重要的 参数选择的问题进行了深入的研究和总结。最后将支持向量机引入到电力市场 网损分摊中，提出了一种新的网损分摊方法，结合具体算例论证了该方法的可 行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章典型网损分摊方法介绍 在这一章中，本文分别介绍了比例法、边际网损系数法、潮流追踪法和基于 合作博弈论的网损分摊方法四种分摊方法的分摊原理及各自的优缺点。 2 1 比例法 比例法实质上是一种t 邮票法”c 7 】，是最早被电力联营市场所采用的模式，西 班牙、英格兰和威尔士电力市场采用的就是这种分摊方法p 。叫。 该方法算法简单，不考虑输电网的结构、输电线路的距离和输送功率的收发 点位置，在全网范围内按相同的网损系数进行分配，即无论转运路径如何，损 耗分摊量总由转运功率量或节点注入电流的幅值决定。 网损系数为 尺：量 只 ( 2 1 ) 或者是 肚缶( 2 - 2 ) 上一i 其中，f 为节点号，只为第f 个节点的有功功率( 将网损分摊给所有发电机 和负荷时，即为发电机的有功出力和负荷的有功负荷) ，i 为第i 个节点的电流 幅值，气。为全网网损。则节点f 应该分摊的网损量为： 比。( f ) = 霉$ r ( 2 - 3 ) 或者是 圪。( f ) = r ( 2 4 ) 这种网损分摊法既直接又透明，可以通过事前计算、事后计算、实时计算或 三者之间组合来完成回收输电损耗成本。仅需在总需求与总供给之间做一简单 的比较，而且其差值相对稳定，有利于维持电力交易的同一性和流畅性。这种 分摊方法还可以减少网损分摊量的意外波动，从而降低了独立发电厂投资的风 险性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 虽然有不少文献在这种分摊方法的基础上作了一些改进，例如在确定网损系 数时，综合考虑电网中的电能质量睁5 1 ，传输拥挤 5 6 】等因素，但是平均网损分摊 法的缺陷仍然很明显。这种分摊方法不能提供电网短期和长期经济运行的经济 学信号，缺乏强有力的电力市场的经济激励机制，且由于不可避免用户之间的 交叉补贴，还常常受到无法获益的用户的抱怨，所以这种分摊方法正面临逐步 淘汰的命运【l “。 2 2 边际网损系数法 边际网损系数法实际上是灵敏度分析法的一种g s d f 法，它根据节点 注入功率的单位变化引起全网网损变化量的大小来对各节点进行网损的分摊， 并且这种方法同时考虑到了有功和无功对网络损耗的影响。 全系统总网损公式5 刁为： 己：委窆窆g ，k ：+ 哆一2 v , v jc o s ( e , 一嘭) 】( 2 - 5 ) 上i = 1 卢【 式中：行为系统节点数；k ，分别对应节点i ，的电压幅值：辞，岛分 别为节点i ，j 的电压相角；g 为节点扩之间的电导；l 为全系统总网损e 对式( 2 5 ) 求偏导，得： w a y , = 2 窆q 防巧c o s ( e , 一g ) ( 2 - 6 ) ：l a l a e , = 2 e q 巧s i n ( 只一够) ( 2 - 7 ) j = l 又，网损是各节点注入功率的函数，记为三( 只，q ) ，i = l ，2 ，n 。其中，只、 q f 分别为注入节点i 的有功功率和无功功率。所以， a l l a y , = ( 吲a p , a p , a z , + 耐a q , a q , l a z , ) ( 2 8 ) j = l a l a a , = ( a z 1 a e , a e l e e , + a l a q , a q a 谚) ( 2 9 ， ；l 将式( 2 - 8 ) 和( 2 9 ) 写成矩阵形式，有： 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 式中，= a p a q a va 矿 静a q a 口a 口 由式( 2 1 1 ) 可以看到 即 a a 口 a a 矿 为潮流方程的雅克比矩阵。 阱 a 己 舻 a l a q = ，一 觇 a 秽 觇 a 矿 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 式中蒡，等可由式( 2 - 6 ) 和( 2 - 7 ) 求得，乃= 阮。，乃：，如r = 盖和 = k ，如：，如r = 等分别为各节点的有功、无功边际网损系数矢量。平 衡节点和p 矿节点除外。平衡节点的电压幅值、相角和尸矿节点的电压幅值不受 其他节点注入功率的影响，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0 ，即厶= 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0 ，即a ，。= o j 知= 0 。 由式( 2 1 2 ) 可得节点i 所分摊的网损量为： l ( o = a p ip i - t - a d ；q i 2 - 1 3 ) 由于功率损耗实际上是电流平方的函数，完全的边际网损系数法将造成损耗 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调整，使分 塑抄望阳 堕硷丝硷 舻一耖护一阳弛一护觇一l = i i 觇一硼配一抄 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 摊的总网损等于实际总网损量。 ， 口= i 三一 ( 2 1 4 ) 厶( d 捌 式中的即上文中的总网损；工( f ) 为分摊到各个节点的网损量的总和。 扛i 所以，调整后第i 个节点所分摊的网损为： l ( i ) = a 2 p , p ，4 - q ( 2 - 1 5 ) 这种调整可以保证各节点分摊的网损之和等于总网损，但是调整后的结果会 弱化网损微增成本信息。 边际网损系数法依次考虑各电厂或负荷由于所处的电气位置和输送距离等 原因所造成的对于系统总损耗的不同影响向各节点分摊损耗。各电厂或负荷的 功率增加使系统损耗增加的幅度越大，则其对系统损耗的影响越大，所承担的 网损也应该越大：如果各电厂或负荷的功率的增加使系统损耗减少，则说明该 电厂或负荷对减少系统网损有贡献，因此其不承担网损。因此，它能反映各节 点造成全网网损的微增成本信息，从而能够提供很好酌经济信号，通过市场的 手段促使潮流向网损减少的方向流动，达到优化潮流、提高经济效益及指导用 户投资决策的目的。由于其理论研究比较成熟，边际网损系数可以通过雅可比 矩阵求取，比较方便，目前国外电力市场的网损分摊方法大多是基于边际网损 系数法。 2 3 潮流跟踪法 潮流跟踪法是随着电力市场的产生而最早被提出的评估用户使用输电网情 况的计算方法之一，总的来说是一种会计学方法。但由于被认为缺乏经济学信 号，至今未被国内外电力公司采用。该方法最大的优点是直观描述了实际潮流 的物理流向，由于其基于交流潮流，可准确反映系统的非线性，确定每个发电 机和负荷对线路潮流的影响。随着市场化的深入以及输电系统的更加开放，要求 快速而准确地确定各发电机与负荷对各输电线路的实际使用“程度”。依据“谁使 用，谁支付”的原则，按用户实际使用线路的情况，公平合理地收取费用。从国内外 最新文献可以看到，按照潮流的实际物理流向，争取“潮流网”和“金融网”的统一， 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 增加透明度等方面的研究仍为一大热点。尽管目前仍有很多争议，但潮流跟踪 法作为边际系数法的一种补充，被普遍认为是可以考虑使用的。 2 3 1 潮流追踪法的基本原理与分摊原则 跟踪潮流法的基本原理是，假定输电节点是个理想的潮流混合器【5 羽，潮流 在各个节点上按照比例共享【5 9 删的原则分布，从而计算出输电线路的功率组成 和发电机与负荷间的实际功率传输关系，根据各用户功率对各输电元件的利用 份额确定其承担的损耗。 比例共享原则： 图2 1 比例分配原则 如图2 1 所示，节点i 与4 条支路相连，、k 支路为注入流，m 、，支路为 输出流。流经节点i 的总功率为只= 4 0 + 6 0 = i o o m w ，其中4 0 由支路j i 提供， 6 0 由支路酊提供。由于电力是不可区分的，每一条输出支路的功率只取决于 节点电压差和线路阻抗。但我们假设每一输出支路的潮流构成与输入支路具有 相同的比例。即砌支路的7 0 m w 功率中有7 0 x 4 0 = 2 8 m w 由注入支路提供， 有3 0 x 6 0 = 1 8 m w 由注入支路舫提供。同理“支路的3 0 m w 功率中有3 0 x 4 0 = 1 2 m w 由注入支路j i 提供，有7 0 x 6 0 - - - - 4 2 m w 由注入支路k 提供。其实质 是认为连接点是输入功率的“混合器”，即输出支路的潮流由各输入支路的潮流 混合而成，且其比例与输入支路潮流占总输入潮流的比例相同。 尽管等比例分摊原则还没有得到证明，但是其原理基于公平的思想，容易让 人接受，特别是由于其清晰自观的思路、丰富的市场信号等特点，使该原则的 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 应用似乎己经得到共识。 2 3 2 潮流追踪法的分类 对于潮流追踪法的研究有很多分支，我们从不同的方面将其分类介绍。 2 3 2 1 按照追踪的方向分类 按照追踪的方向分，可以分为顺流跟踪和逆流跟踪两种。 顺流追踪用于计算发电机对线路潮流的贡献，逆流追踪用于计算各发电机 实际供应哪些负荷，为哪些负荷服务。追踪顺序主要取决于市场中对于网损承 担方的认定。 具体的计算方法有很多，文献【6 l 】运用拓扑网络矩阵的方法，按有功功率比 例共享的原则，形成顺流分配矩阵和逆流分配矩阵，通过矩阵求逆的方法进而 求得拓扑发电分配因子和拓扑负荷分配因子，由此得到发电机和负荷在输电线 路上的功率传输的关系。但是该方法需要进行求逆，在计算实际大系统时要消 耗大量时问，所以不能很好的满足实际系统的要求。 因此，一些文献提出基于图论的方法：文献 4 5 1 提出按照节点电压的幅值与 大小的下降方向作为顺流追踪的依据，分别对无功功率和有功功率进行追踪， 并且考虑了线路上有功、无功功率方向相同与不同两种情况。文献 6 2 】提出一种 基于图论的潮流追踪的快速计算方法，该方法不用求逆，计算速度快，但是它 首先需要将网络等效成无损网，这与系统实际的网络结构是不符的，而且图论 方法本身不能处理系统中有自环流的情况。 2 3 2 2 按照所追踪的量分类 按照追踪的量来分，可以分为电流追踪、有功功率追踪、有功无功功率联合 追踪和复功率追踪。 1 ) 电流追踪l l 叫 电流追踪方法是通过研究网络中支路电流的组成及其对网络损耗的影响来 进行全网网损的分摊。一种分摊方法认为线路功率与电流幅值的平方成正比【6 3 】， 因此节点各出线按电流幅值的平方分摊该节点的网损，这一原则是基于损耗与 电流平方成正比的物理现象，因此普遍为人们所接受：但是另一种方法证明了 “利用份额”采用电流比值与采用功率比值等价，提出各出线分摊节点网损时按 电流幅值的比例进行分摊，认为按电流幅值的平方比例分摊可能使全局网损和 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 电源分摊的网损二者的增加趋势出现矛盾的情况，即在某种运行方式下，当增 加某一转运时，该转运功率引起系统功率损耗的增加愈大，其承担的损耗反而 愈小 6 l 】：并且这种分摊将使电源对线路的“利用份额”在首末端不再保持一致。 2 ) 有功功率追踪 有功功率追踪忽略了有功和无功的联动的影响，直接对有功潮流和无功潮 流进行解耦，而不考虑节点无功对有功功率损耗的影响，按照有功功率比例共 享的原则，进行有功跟踪和网损分摊。这种解耦的方法使计算大为简化，特别 是由于实际电网中对于无功功率的处理尚不完善，因此只针对有功功率进行追 踪似乎成为人们的首选。但是事实上，各发电厂在实际的运行当中，由于电压 控制等原因，其功率因数将不可能相等。而当功率因数较差且不相等时，有功 跟踪方法在确定输电设备利用份额及分摊的网损时会引起较大的误差【b 】。而且 我们也可以从损耗方程中得知，有功功率损耗不仅与节点有功有关，而且与节 点无功有关。因此单纯的只对有功功率进行追踪与实际情况的差异是比较大的。 3 ) 有功、无功联合追踪 这种方法在跟踪有功功率的同时对无功功率进行跟踪，并考虑了节点有功 对无功损耗的影响及节点无功对有功损耗的影响，所以这种追踪方法能减少上 述方法的简化所引起的误差，而且可以对输电线路上的无功功率进行跟踪。文 献 6 4 提出了基于严格数学推导公式的潮流追踪算法，依据损耗公式对各部分损 耗进行剖解、分析，将各用户引起的有功、无功损耗严格归属，并指出应将各 用户共同引起的交叉损耗按功率比例由所有用户共同承担。这种追踪方法遇到 的困难之一是线路上的有功无功功率流动方向往往不相同，即有功无功往往不 同路。尽管文献【4 5 】提出了一种迭代的算法，但是这种方法的计算过程比较繁琐。 4 ) 复功率追踪 文献 3 9 利用复功率追踪，按照复功率等