（高电压与绝缘技术专业论文）基于原对偶内点法最优潮流的输电价格研究.pdf

中文摘要 摘要：随着我国电力工业改革的不断深化，继厂网分开后，输配分开将成为我国 电力工业市场化进程的必然趋势。而一个合理、稳定的输电价格是输配分开的基 础，以能保证输电网安全、稳定、公平合理地提供输电服务。 目前，国内外对输电价格做了不少研究工作，但几乎都是基于经济学的研究， 只通过对输电网络固定成本的分析得出输电价格，是在考虑利润的基础上对固定 投资的回收。本文所提出的基于内点法的最优潮流计算输电价格的方法，在固定 成本折旧的基础上，考虑电力系统实时潮流，重点分柝网损和输电阻塞，以保证 所得的输电价格充分体现电力系统潮流变化的特点，使输电网络得以安全、稳定 地运行。 本文对输电价格的结构组成进行了详细分析，参照两部制电价的结构，把输 电价格分为固定价格和变动价格两个部分，分别对上述两个分量进行独立计算。 其中，变动价格又分为有功输电价格、无功输电价格和阻塞价格三个部分，便于 计算分析。利用实时电价理论对三个部分电价分量分别进行求解，得出了输电价 格的计算模型。将输电权引入到阻塞管理中，对不同输电状态下的输电权的不同 作用进行了分析。 采用有功、无功发电成本最小为目标函数的最优潮流模型，充分考虑电力系 统的各种约束，包括发电机有功、无功出力约束，节点平衡方程，节点电压约束 和线路容量约束。并用原始对偶内点法把不等式约束改造成等式约束，引入障碍 参数，使寻优始终在可行域内进行，大大简化了计算过程。 最后，用i e e e l 4 节点系统作为算例，对输电价格模型进行计算验证。分析有、 无输电阻塞情况下的输电价格的主要结构，证明线路阻塞对输电价格的影响。并 用m a t l a b 7 0 对整个计算过程进行了编程实现。 关键词：输电价格：原对偶内点法；最优潮流；有功输电价格；无功输电价格； 阻塞价格 分类号：f 4 2 6 6 1 ；t m 7 2 8 3 a b s t r a c t ：t h ed i s c e r p t i o no ft r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o nw i l lb et h es u r ed i r e c t i o n o fo u re l e c t r i c a l i n d u s t r yr e f o r m ，a f t e rt h ed i s c e r p t i o no fp o w e rp l a n ta n dg r i d c o r p o r a t i o n ar e a s o n a b l ea n ds t e a d yt r a n s m i s s i o np r i c ei st h eb a s eo fa l lt h e s et o e n s u r et h eg r i dc o r p o r a t i o nt os u p p l ys a f e ，s t e a d ya n df a i rs e r v i c e i nr e c e n ty e a r s ，m a n yr e s e a r c hw o r k si nt r a n s m i s s i o np r i c i n gh a sb e e nd o n ei ni n s i d eo r o u t s i d e m o s to ft h e s ew o r k sa r eb a s e do ne c o n o m i c sb u tn o tp o w e rf l o w a no p f m e t h o db a s e do np r i m a l - d u a lp a t hf l o w i n gm e t h o do ft r a n s m i s s i o np r i c i n gi sp r e s e n t e d i nt h i sp a p e r t h i sm e t h o dc o n s i d e r st h er e a lt i m ep o w e rf l o ww i t h i nt h ed e p r e c i a t i o no f f i x e dc o s t ，a n de m p h a t i c a u ya n a l y z e st h et r a n s m i s s i o nl o s s e sa n dc o n g e s t i o n ，t oe n s u r e t h ep r i c ec a ni n s t r u c tt h es y s t e mr a ns a f e l ya n ds t e a d i l y n i sp a p e ra m p l ya n a l y z e st h es t r u c t u r eo ft r a n s m i s s i o np r i c e d i v i d i n gt r a n s m i s s i o n p r i c ei n t of i x e dp r i c ea n da l t e r a b l ep r i c er e f e rt ot h et w op a r tp r i c es y s t e m a l t e r a b l e p r i c ec a l lb ed i v i d e di n t oa c t i v ep o w e rt r a n s m i s s i o np r i c e ，n e g a t i v ep o w e rt r a n s m i s s i o n p r i c ea n dc o n g e s t i o np r i c et ob ec o n v e n i e n tf o rc a l c u l a t e n et h r e ep a r t sc a nb e a c c o u n t e db ys p o tp r i c et h e o r y n ct r a n s m i s s i o nr i g h ti si n d u c t e di n t ot h em a n a g e m e n t o fc o n g e s t i o na n dt h ed i f f e r e n tf u n c t i o ni s a n a l y z e du n d e rt h ed i f f e r e n tt r a n s m i s s i o n s t a t e t h i sp a p e ra d o p t st h eo p fm o d e lw h i c hm i n i m i z e st h et o t a lp l a n tc o s ta so b j e c t i v e f u n c t i o n c o n s i d e r i n gt h ev a r i o u sr e s t r i c tc o n d i t i o no fe l e c t r i c a ls y s t e m ，i n c l u d i n g c o n t r i b u t i o nr e s t r i c to fg e n e r a t o r , n o d eb a l a n c ee q u a t i o n ，n o d ev o l t a g er e s t r i c ta n dl i n e c a p a b i l i t yr e s t r i c t u s et h ep r i m a l d u a lp a t hf l o w i n gm e t h o dt oa l t e r n a t et h ei n e q u a t i o n i n t oe q u a t i o na n di n t r o d u c ei m p e d i m e n tp a r a m e t e rt oe n s u r et h eo p t i m i z a t i o ni sa l w a y s i nf e a s i b l er e g i p r e d i g e s tt h ec a l c u l a t i o n a tt h ee n do ft h ep a p e r , u s et h ei e e e 1 4s y s t e mt ov a l i d a t et h em o d e l ，p r o v et h ee f f e c t o fc o n g e s t i o nt ot h ep r i c eb ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r eo ft r a n s m i s s i o np r i c ew h e nt h e r ei s c o n g e s t i o no rn oc o n g e s t i o n m a k eap r o g r a mt oi m p l e m e n tt h ec o u r s eo fc a l c u l a t i o ni n m a t l a b7 oa tl a s t k e y w o r d s ：t r a n s m i s s i o np r i c e ；p r i m a l - d u a lp a t hf l o w i n gm e t h o d ；o p f ；a c t i v e p o w e r t r a n s m i s s i o np r i c e ；n e g a t i v ep o w e rt r a n s m i s s i o np r i c e ；c o n g e s t i o np r i c e c l a s s n o ：f 4 2 6 6 1 ：t m 7 2 8 - 3 致谢 本论文的工作是在我的导师周渝慧教授的悉心指导下完成的，周渝慧教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的锾助和影响。在此衷心感谢三年来 周老师对我的关心和指导。 周渝慧教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向周老师表示衷心的谢意。 周渝慧教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，郭金伟、付慧颖等同学对我论文研究工作给 予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 电力市场概述 电力市场概念最早由美国麻省理工学院的s c h w e p p e f c 教授于1 9 7 9 年在其论 文( 2 0 0 0 年的电力一文中提出，这个当时被认为是大胆的设想，近几年由于全 球对电力解除管制、开放经营和重构，已成为一个势不可挡的世纪性的世界潮流。 1 1 1 电力市场定义 电力市场是基于市场经济原则，为实现商品交换的电力工业组织结构、经营 管理和运行规则的综合。需要采用法律、经济等手段，本着公平竞争、资源互利 的原则，对电力系统中发电、输电、供电、用户等成员问组织协调运行的管理机 制和执行系统，这种执行系统包括交易场所、交易管理系统、计量和结算系统、 信息和通信系统等。 根据以上定义，电力市场首先是一种管理机制，这种管理机制与传统的行政 命令的机制不同，主要采用经济的手段进行管理；同时，电力市场还是体现这种 管理机制的执行系统。因此，电力市场是技术和管理并重的领域。 1 1 2 电力市场的组成 电力市场中的参与者是多元的利益主体各个独立经营的电厂、输电网、 配电商和用户，它们是相互平等的、自主的，在市场中允许买卖双方的多方选择。 电力市场的目标和约束都具有一定的柔性。 电力市场中各个参与者的特点： 电厂：激励改善经营管理，提高生产率，降低成本，增加竞争活力。 用户：从一个固定的、被动的、没有理性和协作性的受控终端转化成有理性， 具有能动性和主体性的市场参与者，对自己如何用电有自主的选择。 电网：未来的输配电网络和电网公司，在电力市场中处于枢纽地位，扮演一 个全新的角色除了保证电力系统安全、经济运行外，还将作为电力市场的经纪人。 电网是电力交易的中心，它要对所有参与者公平开放。 在电力市场的竞争中，这些多元的利益主体既有激烈的冲突和碰撞，又实现 了合作与协作。 1 1 3 电力市场的特征和基本原则 电力市场的基本特征是：开放型、竞争性、计划性和协调性。与传统的垄断 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 场具有计划性和协作性。电力系统的相互紧密联系的，任一成员的操作，均将对 电力系统产生影响。所以要求电力市场中的电力生产、使用、交换具有计划性。 同时电力系统要求随时做到供需平衡，所以要求电力市场中的供应者之间、供应 者与用户之间的相互协调。 电力市场的基本原则有四个，即公平性、公开性、扩大自由的选择权力和法 规的保障性。1 1 j ( 1 ) 公平性 建立电力市场的目的是在电力系统中引进竞争机制，一个充满竞争的电力市 场中，参与者之间都是平等的，所以电力市场最基本的原则是公平，对于发电厂， 平等的环境能够促进竞争，激励各发电厂提高生产效率，降低成本，增加活力； 对于用户，按真实的供电成本收费，尽量减少用户间交叉补贴是保证用户间平等 的根本点。但这并不意味着用户的电价是绝对一样的，由于用户用电水平和性质 的不同，对不同种类的用户收取相同的电费，反而是一种不公平。 ( 2 ) 公开性 在电力市场中，为了保证贯彻公平性这一原则，就要强调公开性，以便于监 督。电价是人们最关心的问题，必须公开发电厂的上网电价和用户的用电电价。 发电厂根据上网电价，随时了解自己发电厂的运行经营情况；用户可以依据用电 电价制定最优用电计划和用电结构，节约用电成本。 ( 3 ) 扩大参与者自由选择的权力 在普通的商品市场中，参与者可以完全自由选择，卖方可以自由选择买方， 买方可以自由选择卖方。但是由于电力供应的特殊性，在电力市场中很难满足参 与者自由选择的要求。当前世界的一种趋势是放开发电市场，而对输电市场和用 户则较少开放。电力市场必须保证输、配电系统向所有使用者公平开放，这一点 对于保证电力市场的稳定运行，扩大参与者自由选择的权力，避免网络拥有者利 用其地位垄断电力供应非常重要。 ( 4 ) 法规的保障 由于电力商品的特殊性，要求电力市场在进行供、求匹配贸易的同时负责电 网的安全和稳定运行，所以要求电力市场的运行必须有法规的保障。同时，在进 行交易时，有关电价、赔偿等问题也要法规进行规定，做到有法可依。 2 1 1 4 我国电力市场现状 当前，实现商业化运营，走向市场已成为我国电力工业改革的大趋势，其总 体目标是：打破垄断，引入竞争，提高效率，降低成本，健全电价机制，优化资 源配置，促进电力发展，构建政府监管下的政企分开、公平竞争、开放有序、健 康发展的电力市场体系。 历史上，我国曾经历大规模的电力短缺和过剩。2 0 世纪5 0 年代，电力供需平 衡：6 0 年代开始，我国经历了长期的电力短缺。至1 9 8 6 年，短缺超过了总发电量 的2 0 。1 9 9 7 年中国的电力供需再次达到平衡。到1 9 9 9 年，电力过剩约1 0 。2 0 0 2 年下半年开始，局部电网出现电力短缺，并在两年时间内迅速扩散到全国大部分 电网。到2 0 0 5 年，全国2 6 个省( 市、自治区) 经历了电力短缺，为上世纪9 0 年代 以来最为严峻的一年。截至到2 0 0 5 年底，我国的总装机容量达到了6 2 2 亿k w ， 发电量达到2 8 3 万亿千瓦时。有专家预测，如果按照目前的装机容量发展下去， 到2 0 0 7 年，我国将出现电力过剩1 0 。因此，对于我国的电力工业而言，优化资 源配置是一个亟待解决的问题。 跨网电厂国家级电力市场 两润交换 孵级窀厂卜叫网级电力市场h 卜_ j - - - - - - - - - - j l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 与网级电力市场交换 lr 匠磊而j i 耍 向区域售电奉 区域级电厂卜叫区域电力市场卜卜l 叫大月薹户 。+ 。j l 。1 。1 “。j l 。4 “。一 与区域级电力市场交换i i i 向地区售电 图1 - 1 我国初级电力市场模式 f i g 1 - 1o u rp r i m a r ye l e c t r i c a lm a r k e tm o d e l 鉴于我国电力工业的状况，1 9 9 7 年1 月，为了更好地使中国电力建设和管理 顺应市场经济规律，国家决定成立中国国家电力公司，一年后，撤销电力部，其 有关职能由国家经贸委形式，国家电力公司将对全国范围内的电力调度进行安排， 并监管跨地区电力传输。1 9 9 8 年8 月，国家电力公司推出以“政企分开，省为实 体”和“厂网分开，竟价上网”为内容的“四步走”的改革方略。2 0 0 2 年1 2 月 2 9 日，国家电力公司拆分，成立了5 家发电公司、2 家电网公司和4 家辅业集团 3 公司，自此，真正在发电端引入了竞争机制，实现了“厂网分开”。自2 0 0 4 年以 来，东北、华东区域电力市场相应投入模拟使用，南方电力市场也在积极筹备推 动中，我国初级电力市场在真正意义上形成雏形。 1 2 输电服务概述 1 2 1 输电服务的定义 输电服务是将电能从电能点固定的电能生产者那里安全、经济、优质的输送到 电能使用者的过程。随着电力市场的逐步建立，发电和供电市场的开放，我国将 以前的隶属于这个电力公司的电网经营企业的输电服务分离出来，成为独立的机 构。这一改革有利于电力市场中各市场竞争主体之间的竞争。将天然垄断的输电 网独立出来不仅有利于电网的发展、输电费用的控制，而且有利于各市场主体之 间的公平竞争。输电服务是电力市场的重要组成部分。 输电线路，配电商 发电商 电网公司 二， 、大用户 输电网络是输电服务的载体，而目前在我国，电网公司则是提供这个服务的 主体。因此，电网公司既是输电系统运营者，又是输电资产的所有者。 1 2 2 输电服务重要性 输电网络是电力交易的唯一载体，是具有成本的稀缺资源。1 4 】输电资源的最佳 利用应该与发电资源最佳配置紧密相联系，必须利用市场机制发挥输电资源的价 值，以正确的输电价格信号使输电资源参与全社会的资源优化配置。根据电力市 场的发展规律，在经过了“厂网分开，竞价上网”的发电竞争模式后，随着我国 电力工业改革的深入进行，必将过渡到发、输、配相分离，即输电网开放模式。 在这种模式下，传统的电力公司拆分重组为多家自由竞争的发电公司、负责电网 管理和供电的输电公司以及各家区域性的配电公司。在这种情况下，发电企业要 根据公平竞争上网，还要允许达的电力用户直接从发电企业购买低价的电力，通 过统一电网或互联电网予以转运该模式使网络公共化，并且作为电力商品的载 体，进入商业化运营。 4 而这种模式的前提就是输电网的独立性，输电服务对所有的市场参与者一视 同仁，公平公开地竞争。同时，输电网的独立，使得输电费用以独立的形式计入 电价，从而为电网的建设、发展积累资金，实现良性循环。因此，可以说，将发 电企业与电网相分离只是进入电力市场的莳期阶段，只有实现输、配完全分开， 才能带来电力工业体制的深刻变革并产生巨大的经济效益。 1 2 3 电力市场环境下的输电网络 为了确保电力市场中的交易能顺利实施，以及确保电力系统安全、经济、稳 定运行，根据电力系统的物理特点，对输电罔提出了以下几点要求： ( 1 ) 输电及配电系统必须对所有的市场成员开放，允许市场参与者接入输电及配 电系统； ( 2 ) 输电系统的运行必须是统一的： ( 3 ) 输电系统应该和发电公司分离，以确保输电服务的公平公正性和无利益冲突； ( 4 ) 输电系统的运行实际上就是电力系统的运行，对系统安全、稳定、经济运行 十分重要，它的任务一般包括如下主要方面；实现现货交易；进行实时电力电量 平衡：完成正常工况下的辅助服务( 包括无功电压支持、系统调峰调频、联络线 功率和传达指令等) ；以及在事故下调用备用容量，完成紧急安全控制。在电力市 场环境下，系统运行要记录大量数据以便作结算； ( 5 ) 当网络阻塞时，输电运行部门一方面要进行调节控制，缓解阻塞，另一方面 可以收取一定的阻塞电价以便提供经济信息，指导今后输电网的扩展规划； ( 6 ) 输电服务应收取输电费用以回收投资，利于输电网的良性运行和发展，输电 费用必须合理分摊，要公平、公正、公开。 1 3 研究的意义 ( 1 ) 合理的输电价格是电网公司正常运营的保证。在传统的电力工业中，电网 不是独立的经济主体，所以不存在输电定价问题。但是厂网分开后，电网作为独 立的经济主体，它不再拥有发电厂，电网公司必须依靠收取输电服务费用来保持 自身的运行。同时，厂网分开后，电网的地位也发生了重大的改变，它介于发电 和用户之间，是联系发电与用电的桥梁，是电力交易的最重要的载体。输电网必 须对所有的用户( 发电公司和配电公司或大用户) 公开、公平的开放使用。合理 的输电价格将给市场成员提供正确的经济信号，促使输电资源的优化使用。与此 同时，输电环节也反过来对发电与用电产生一定的约束和影响。输电网络的拓扑 结构与有关的输电价格往往对一个发电厂商究竟能够参与哪些用户市场的竞争有 很大的影响。 ( 2 ) 合理的输电价格是系统安全、可靠运行的保证。虽然输电价格只占整个终 端电价的一小部分，但电网的可靠、稳定运行在竞争的电力市场中占有很重要的 地位，它是发电公司和配电公司或大用户之f b j 进行电力交易的保证。铡如，当输 电网发生阻塞，就会影响电力市场的顺利进行，所以输电价格中必须包括合理的 经济信号，在发生阻塞时，能够指导所有用户最经济有效的利用电网。在竞争的 电力市场环境下，输电价格必须能够收回投资，还要促使电力市场有效的运行， 鼓励电网公司在合理的地点进行扩容，最重要的一点，输电价格的制定必须保证 公平、合理、可行。 ( 3 ) 合理的输电价格是大区联网的前提条件。我国区域电能需求分布十分不均 衡，东部经济发达，电能需求大，但却是资源匮乏地区；西北、西南地区煤炭、 风能、水能蕴藏量丰富，经济却相对落后，电能需求不大。为了满足我国经济社 会可持续发展的用电需求，提高国家能源资源优化配置能力和建设节约型社会， 必须对西部大量的电力进行远距离输送，以满足东部经济发展和环境保护的需求。 我国电网过去比较被动地跟随着电源的建设而发展，结果导致我国跨区之间 大容量输电网络规模过小，输电能力不足，现有500 千伏电网输送能力不能满 足大范围电力资源优化配置和电力市场的要求，因此亟需建设超高压、特高压输 电线路，实现大区联网，西电东送。根据国家电网公司的规划，两年内要建成两 条1 0 0 0 千伏特高压交流输变电工程，第一条预计2 0 0 7 年下半年完成。南方电网 公司则规划有一条1 0 0 0 千伏和一条8 0 0 千伏线路，第一条预计2 0 0 8 年完成。预 计到2 0 2 0 年全国特高压及跨区电网的输送容量为2 1 亿千瓦，其中8 0 0 k v 直流线 路输送容量约5 6 0 0 万千瓦，另外约1 5 亿千瓦容量由交流线路构成。 输电价格的研究无疑将成为电力市场中的一个重要课题。虽然各国的国情不 同，但是电力市场发展的基本规律有迹可寻，即发电竞争、电网开放和用户管理。 而其核心就是将输电服务从电力生产和购电( 配电) 中分离出来，单独为其定价 和签订合同。 1 4 本论文的主要工作 本文系统地阐述了输电服务定价的几种已有的方法，并在此基础上，对输电 价格的结构组成进行了详细的分解，对原有输电定价方法中偏重对固定投资的回 收进行了改进。具体做了以下工作： ( 1 )通过查阅大量国内外相关资料论文，分析现有输电定价方法的具体步骤和 适用范围，指出其局限性，与本论文采用方法进行对比。 6 ( 2 ) 对输电价格构成进行了详细的分解，分为固定价格和变动价格两大部分， 并针对两大部分的构成的不同采用了不同的计算方法。 ( 3 ) 由于变动部分与系统实时运行状态相关，并影响系统的安全稳定运行，对 这部分的网损和阻塞费用进行详细分析计算。采用了最优潮流方法，应用原对偶 内点法对潮流模型进行改造，充分考虑系统的各种约束，通过对实时电价的分解 计算，得出各部分输电价格。 ( 4 ) 对输电权在阻塞管理中的应用进行分析计算。介绍了输电权在不同输电状 态下的不同作用，并利用算例进行了分析。 ( 5 ) 最后以i e e e l 4 节点系统为算例，对本论文采用方法进行了验证，并对计算 流程编程实现。 7 兹鏖窑埋鑫堂亟堂焦i 金塞箍虫霆援基熊堡i 幺 2 输电费用基础理论 输电价格的计算，首先要了解输电费用的结构，本章对输电费用结构进行了 详细地分解。 2 1 输电费用构成 文献【3 】认为，输电费用主要由电网使用费、辅助服务费和管理服务费三部分构 成。其中电网使用费由电网使用成本、机会成本和电网扩建成本组成；辅助服务 圈2 - 1 输电费用结构圈 f i g 2 - 1t r a n s m i s s i o nc h a r g es t r u c t u r ed i a g r a m 费是由电网辅助服务所引起的费用，主要包括各种备用、事故恢复和稳定控制设 备等；管理服务费包括交易执行前调度人员进行信息的处理、分析、预测、调度 等工作，交易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，以及 其他一些对输电所提供的管理服务费用。 本文借鉴两部制电价的定价方法，将输电费用分为固定输电费用和可变输电 费用，如图2 - 1 所示。固定输电费用包括投资的还本付息费用、设备折旧费用、人 工费等；可变输电费用与系统运行中具体的电能交易相对应，包括网损和阻塞费 用。这类似于电价中的容量电价和电量电价。其中，网损根据有功网损和无功网 损又可以分为有功输电费用和无功输电费用两部分。对于各种形式的电力交换， 每单位电能所需的可变传输费用可以通过最优潮流分析的方法得到。 8 2 2 无功费用 北美电力可靠性委员会( n e r c ) 指出无功补偿服务是影响电力传输的必要服 务。英国联邦能源管理委员会( f e r c ) 在论述辅助服务时也详细阐述无功补偿服 务及其定价的必要性。在传统电力体制下，无功的生产和分配完全由系统调度员 统一安排，不存在对无功服务进行成本核算和单独计费问题。当前，电力系统的 一个全球性目标是，在保证电力服务的完整性、优质性和安全性达到合适水平的 基础上，寻求一种最低花费。在完全竞争的电力市场中，要达到次目标，无功的 电压控制及其生产必须具有高效性。因此，无功由无偿提供转向有偿服务已成为 必然趋势。 电力市场中无功功率服务可以分别在发电、输电和配电三个环节上提供。可 提供无功服务的无功源有发电机、同步调相机、s v c 静止补偿器、并联电容器组、 电抗器等。这就出现了无功生产费用。在电力输送过程中，存在无功网损，导致 输电过程中无功费用的出现。 2 2 1 发电厂的无功生产成本 长期以来，发电机的无功功率生产成本一直被认为近似于零而忽略，其中一 个主要原因是发电机的无功生产几乎不导致任何额外的燃料费用。实际上，不管 发电机是否发出无功功率都会引起无功生产备用成本。发电机组无功功率生产成 本主要有三部分组成：投资成本、机会成本、可变成本。 1 投资成本 实际上，发电机组的投资成本是以有功容量为依据计算的，以元唧为单位。 然而，发电机不仅生产有功功率p ，也生产无功功率q ，因此，用视在功率容量s 进行投资成本分析更加确切。当有功容量投资成本给定时，投资成本可以用视在 功率描述为： c s cppf(2-1) 式中，g 为视在功率容量投资成本，c ，为有功容量投资成本，p ，为发电机 的额定功率因数。因此，基于无功容量的投资成本可以定义为： c 。- c s 击t 函( 2 - 2 ， 当机组投资成本计入无功市场时，上式可用于无功投资成本分析。 2 机会成本 如图2 1 所示，发电机的有功和无功输出要受发电机的励磁电流( a b 段) 、 9 起塞窑煎塞堂亟堂僮监塞猃虫蕴出差熊堡i 金 电枢电流( b - c 段) 和欠励磁( c - d 段) 约束。假设发电机当前的有功输出为p ， 则相应的无功输出必须在q 和q ：- i 之间。可见，发电机的无功支持容量是随着 有功输出水平而变化的。 在经济运行条件下，发电机应工作在有功出力上限p 上，当系统要求发电机 增加其无功输出时，有功出力应向下调整，例如，调到p 。对于发电机的无功功 率发电成本，可以认为是一种机会成本，即无功功率的生产导致有功功率生产能 力的下降，从而影响了发电机通过生产有功功率获得的利润额。从原理上看，发 电机无功机会成本的计算比较复杂，要根据电力市场中实时的有功供需关系等信 息得出。为了简化起见，可认为无功机会成本是该发电机因输出无功功率而损失 的有功功率发电容量所对应的利润。 q 。 成| 、， 。 q 二j 1 7 图2 - 2 发电机运行极限图 f i g , 2 - 2l o a d i n gc a p a b i l i t yd i a g r a m - 1 0 0- 5 0 0 5 01 0 0 无功功率m v a r 图2 - 3 有功功率损耗曲线 f i g 2 - 3c u r v e so fa c t i v ep o w e rl o s s ”如 加 ：2 加 ” o 有功损耗、m、 3 可变成本 发电机组的无功可变成本是指发电机和升压变压器中由无功引起的有功电能 的损耗。从系统角度看，升压变压器高压侧的有功电能、无功电能、电压决定了 发电机组的特性。当机组有功输出、升压变压器高压侧电压、升压变压器档位一 定时，无功电能和有功损耗具有如图2 - 2 所示的近似二次函数关系。 对发电机组本身而言，不同的无功电能输出量在发电机内部引起的有功损耗 也不同。在电力市场中，这些有功损耗应该计算无功电能的生产成本之中，有功 损耗应按照发电机母线的边际价格计算。 本文中发电机的无功生产成本，用机会成本代替，从原理上看发电机无功机 会成本的计算比较复杂，要根据电力市场中实时的供需平衡关系等信息得出。为 了简化起见，近似用下式计算： c ( q ) - k l c 。( s ，。) 一c p ；( s ；，。一q ；) 】( 2 - 3 ) 式中，s 。为第i 台发电机的额定视在功率； q 。为第i 台发电机发出的无功功率； k 为有功发电的利润率； c 叫一口+ 峨+ c 露即 c p 口) 一口+ b s t i m + 西；傩 c ，( 属= 二虿) j a + b 4 。s - - ，2 ，：西0 2 + c ( s ；，。一q ；) 2 2 2 输电线路的无功生产成本 发电侧生产的无功往往不能满足系统对无功的需求，这就要求在输电线路上 投入无功补偿装置。输电线路的上的无功补偿装置一般有静止无功补偿器( s v c ) 、 并联电容器、电抗器等。这些无功补偿装置的成本来源于电能损失以及对设备使 用引起的设备损耗( 折旧) 。 对于分路式电抗器，其电能损失是明显的。在进行电抗器断开的操作时会出 现过电压，因此设备寿命受到影响。分路式电抗器的断路器在开关次数达到规定 之后，必须进行设备检查及其大修。因此，检修费用也是无功生产成本的一部分。 近年来，静止无功补偿装置获得了很大的发展，已广泛应用于负载的无功补 偿。其典型代表是固定电容器+ 晶闸管控制电路控制电抗器( f c 们陀r ) ，晶闸管投 切电抗器也获得了广泛应用。静止无功补偿装置的一个重要特性就是它能连续调 解补偿装置的无功补偿。这种连续调节是依靠调解t c r 中的晶闸管的触发延迟角 1 l 得以实现的。由于具有连续调节的性能且相应迅速，因此s v c 可以对无功功率进 行动态补偿，使补偿点电压接近维持不变。s v c 的能量损耗主要取决于它生产或 者消耗的无功功率，及变压器绕组的损耗、电缆的损耗、转子绕组的损耗等。 因此，在输电线路上的无功生产成本主要是无功补偿装置的电能损耗和设备 折旧。 2 3 阻塞费用与阻塞管理 电力市场下的传输阻塞是指线路容量不能满足所有交易需要，特别是发生某 种意外事故时，造成某些线路过载，影响系统的安全稳定运行。它通常是指输电 系统在正常运行或进行事故安全检查时出现的以下两种情况：1 ) 输电线路或变压 器有功潮流超过允许极限；2 ) 节点电压越限。由于阻塞的存在，会使线路潮流重 新分布，导致了阻塞费用的产生。 在线路容量远远大于输送电量的线路上，不会出现输电阻塞，阻塞费用为零； 但是当输送电量接近甚至超过线路最大传输容量时，阻塞费用会变得很大，成为 输电费用的主要组成部分。 阻塞调度是指一种考虑电网安全约束的最优经济调度。阻塞管理实质上是通 过一种出现阻塞后的阻塞成本分摊方案，使利益冲突各方都能得到正确的市场激 励来尽可能消除阻塞现象。 由于输电阻塞是由网络输电容量与输电计划之问的矛盾引起的，因此要合理 解决输电阻塞应该分两步进行： 1 ) 尽可能通过调整网络结构和控制器参数改变网络潮流，以化解阻塞，从而避免 更改发电计划以及由此引起的附加阻塞费用。此部分可以通过调节变压器分接头、 移相器、f a c t s 装置等操作完成。 2 ) 当运行优化无法满足所希望的输电计划时，以经济性为目标，合理调整各市场 参与者的输电计划，保证系统的安全可靠运行。一般意义上的阻塞管理就是指这 个步骤。 线路容量约束属于函数不等式约束， 况，需要把函数值严格限制在约束以内， 数不等式约束的优势。 因此阻塞问题是一个约束违反的典型情 采用内点法可以最大限度地发挥处理函 阻塞管理计算流程如图2 2 所示，其计算流程可简单归纳如下： 7 s t e p1 ：通过日竞价市场和双边合同市场的竞价行为得到初步的调度方案： s t e p2 ：在实时平衡市场中进行阻塞管理报价，运行牛顿拉夫逊法潮流程序， 得到初始状态量； 1 2 s t e p3 ：检查是否有线路传输功率越限，如果有，继续s t e p4 ，若无，则输出结 果显示无阻塞现象，可以正常运行； s t e p4 ：根据市场参与者的报价，运行阻塞管理程序； s t e p5 ：得到优化的阻塞管理策略，输出结果。 l 通过日竞价市场和双边合同市 场得到初始的调度方案 i 电厂和用户在平衡市场中提交 阻塞管理掇价 否匦 图2 2 阻塞管理流程框图 f i g 2 - 2f l o w c h a r tf o r t h et r a n s m i s s i o n c o n g e s t i o nm a n a g e m e n t 2 4 输电权在阻塞管理中的应用 利用输电权来进行阻塞管理是近年来阻塞管理方法中的研究热点和重要发展 趋势。输电权也称为金融输电权( f t r ，f i n a n c i a lt r a n s m i s s i o nr i i g h t ) 或者固定输 1 3 刍 电权( f i r mt r a n s m i s s i o nr i g h t ) ，它是一种事先购买的权力，赋予权利拥有者从 一个节点到另一个节点传输电能的权力。在网络发生阻塞时，拥有这种权利的人 只需要支付固定的输电费用，而不用支付由阻塞产生的阻塞费用，从而规避了阻 塞风险，使得输电价格具有长期稳定性。嗍 2 4 1 输电权原理 市场参与者基于不同节点的边际电价来支付阻塞费用。由实时电价理论可知， 当发生阻塞时不同节点的边际电价不同，在不考虑网损时阻塞费用为功率注入节 点和输出节点的边际电价之差和通过该支路的电量的乘积。设m e , 和m p 2 分别为注 入节点和输出节点的边际电价，q 为流过支路电量，则在阻塞发生时，不拥有输 电权的市场参与者需要支付的阻塞费用为： q ) c ( m p 2 一邶) 当网络没有发生阻塞时， 织和m p 2 值相等，因此没有阻塞费用；当阻塞发生 时，市场参与者就要支付阻塞费用，并且阻塞费用随着节点电价差值的增加而增 加。但如果参与者获得了输送输电量为q 的权利，则交易中心在最后结算的时候 将这部分阻塞费用返还给f t r 的拥有者，从而两者抵消，规避了阻塞带来的风险。 2 兮+ 斗。 l a p p 2 p 1 q n 0 b ) 图2 - 3 输电权原理图 f 码2 - 3p r i n c i p l ed i a g r a mo ft r a n s m i s s i o nr i g h t 下面用图2 3 来简单说明f 1 r 的基本原理。节点l 为发电节点，发电边际成 本曲线为c 。；节点2 为负荷节点，其需求曲线为g ，线路输电上限为q 一。只考 虑有功，且不计网损。 1 4 韭塞窑埋厶翌亟堂焦监塞箍曳毽强基鲤堡监 由图2 3 ( b ) 可知，发电边际成本曲线和需求曲线的交点所对应的电量大于 线路的最大输电量，所以线路发生阻塞，只能按线路最大容量q 一来输电。此时 节点l 和节点2 的电价分别为只和只，对于从节点1 到节点2 数量为q 一的交易， 发电商获得的售电收入为q 一暑，购电商需要支付的购电费用为q 。乏，交易盈 余为q ( b 一) ，也就是阻塞费用。如果购电商预先拥有从节点1 到节点2 的电量为q 一的输电权，在结算时可以获得q 。( 罡一日) 的补偿，从而抵消了支 付的阻塞费用。 尽管f i r 作为一种规避阻塞风险的工具，但是只有在指定的路径和阻塞方向 一致时( 即流出节点的边际价格大于注入节点的边际价格) ，才对f i r 的拥有者 有利。当注入节点的边际价格大于流出节点的边际价格时，f r r 的拥有者还需要 支付由于边际价格差值引起的费用。因此f i r 的拥有者在购买f t r 之前必须预测 购买是否对其有利。 2 4 2 算例及分析 如上所述，f t r 可能作为收益，也可能成为费用，在没有阻塞发生时，则没有 影响。 1 无阻塞状态 首先考虑没有发生阻塞时，在这种情况下的输电权比较简单。 如图2 4 所示，l ：为负荷节点，g 和g ：为发电机，l ：和g ，签订2 2 5 姗的合 同，和g ，签订1 3 5 m w 的合同，同时获得了从节点1 到节点2 的2 2 5 m w 的f i r 。 线路卜2 的潮流上限为2 2 5 m w ，发电机报价如表2 - 1 所示。 韭塞塞丝塞堂亟笠僮j 金塞捡虫叠且基壁垄监 表2 - i 发电机报价 t a b l e2 - 1f r i c co f g c n e r a t o r 发电机报价 里! ! ! 垄垒壁 g 2 2 0 0 元m w 某时段l ：的负荷为1 5 0 m w ，从g 。获得1 5 0 m w 的电量，价格为1 5 0 元；m w 。 由于没有超过线路i - 2 的潮流限制，因此没有发生阻塞，此时f i r 不起作用。 2 f 1 r 作为收益 当负荷l ：达到3 0 0 m w 时，线路卜2 发生潮流越限，只能传输2 2 5 h w 的容量， 其余容量需从g ：供给，由线路3 2 传输，潮流如图3 所示。 2 上i 限2 2 5 m w 1 图2 - 5 盯r 作为收益时豹嘲络图 f 咱2 5c i r c u i td i a g r a mw h e nf t r 觞b e n e f i t 此时在线路i - 2 上产生了阻塞费用，l ，需要支付阻塞费用： 线路i - 2 的阻塞费用= 2 2 5 x ( 2 0 0 - 1 5 0 ) = 1 1 2 5 0 元 线路3 2 的阻塞费用= 7 5 x ( 2 0 0 一2 0 0 ) = o 元 由于l ：获得了线路i - 2 的2 2 5 m w 的f i r ，在结算时，l ：被偿还阻塞价值， 其阻塞价值为2 2 5 ( 2 0 0 - 1 5 0 ) = 1 1 2 5 0 元，从而避免了支付1 1 2 5 0 元的阻塞费用。 此时由于l ，的f t r 的方向与线路i - 2 的潮流阻塞方向一致，都是从节点1 到 节点2 ，因此获得了补偿，这时，f i r 就是作为收益。 3 f t r 作为费用 如图2 6 所示，l 和g ，签订了2 0 m w 的购电合同，价格为2 0 0 元m w ，同 时拥有从节点2 到节点l 的2 0 m w 的f i r 。其他条件同上。但是交易时l 是从 g ，而不是g ：购电。按照l ，的原购电计划，2 0 m w 潮流从节点2 流向节点l ，可 以缓解线路卜2 上的阻塞，所以此时l ，的2 0 m w 的兀r 变成了费用，即l 。获得 2 0 x ( 1 5 0 - 2 0 0 ) = 1 0 0 0 元的补偿，也就是说l 1 要支付1 0 0 0 元的费用。此时，f 1 r 韭塞窑疆盔堂亟堂鱼监窒箍皇鼗出基驾堡论 就成为了费用。 2 一1 b l t 限2 2 5 m w 实际2 2 5 m w 图2 - 6f t r 作为收费时的阿络囤 f 硷mc r c u n d ) a g r a m w h e nf t ra s c h a r g e f t r 在不同情况下的不同作用使得它能够给出经济信号，指导潮流的分配， 从而尽量削减输电阻塞的发生和严重程度。 2 4 3 输电权的交易规则 输电权的获得方法主要有以下几种： 1 ) 长期的点对点输电用户获得此线路从输入点到输出点的输电权。 2 ) 通过输电权交易市场来进行输电权的买卖，此交易市场由调度中心或调度 中心制定机构来进行管理。 3 ) 输电权的拥有者和其他市场参与者通过双边交易直接进行输电权的买卖。 此交易不需通过交易市场。 为了保证f t r 对所有的市场参与者都公平开放，需要一个机构来组织进行输 电权的交易，而交易者在买卖输电权的时候需要提供以下信息：希望购买的输电 权最大输电量，报价，购买的线路及线路的起末点：愿意出售的