（电力系统及其自动化专业论文）电力市场传输管理的研究.pdf

塑壹查兰堡主堂些笙窭一 a b s t r a c t e l e c t r i c i t ym a r k e ti st h ei n e v i t a b l et r e n do f e l e c t r i c a li n d u s t r yi nd e v e l o p i n g i t r e s u l ti nt h ec h a n g eo ft h ec o n v e n t i o n a lp o w e r s y s t e mi no r g a n i z a t i o n ，a n dc a u s ea s e r i e so f n e w t e c h n i q u ep r o b l e m s t h ep a p e rf o c u so nt h r e ea s p e c t so f t r a n s m i s s i o n m a n a g e m e n t o f e l e c t r i c i t ym a r k e t ，l o s sa l l o c a t i o n ，t r a n s m i s s i o nc o s ta l l o c a t i o na n d c o n g e s t i o nm a n a g e m e n t f i r s t s e v e r a l w i d e l y u s e dl o s sa l l o c a t i o nr u l e s a r e d i s c u s s e da n dan e wm e t h o df o rl o s sa l l o c a t i o ni sp r o p o s e dt h en e wm e t h o di s b a s e do nt h e r i g o r o u s m a t h e m a t i c a ld e r i v a t i o na n df u l l yc o n c e r n e da b o u tt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e na c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e r st h e ns e v e r a lp o p u l a rt r a n s m i s s i o n p r i c i n gs c h e m e sa r ei n v e s t i g a t e d t oo v e r c o m et h ed e f i c i e n c i e so ft h et r a d i t i o n a l m e t h o d s u s i n ga c t i v ep o w e r s h a r eo f e l e m e n t s p a s s i n gp o w e rt oj u d g et h ee x t e n to f u s et ot h ed e v i c e ，an e w c o n c e p tr e g a r d i n gs h a r eo f u s a g e o f t r a n s m i s s i o nd e v i c e si s p u tf o r w a r d t h ec o n c e p ti sb a s e do nl o s ss h a r eb u tn o ta c t i v ep o w e rs h a r e c o n s i d e r i n gt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o no fp r a c t i c a lp o w e rs y s t e m ，t h en e wc o n c e p t h a se x p l i c i tp h y s i c a lm e a n i n g sa n de a s et ob ea c c e p t e db ym a r k e tm e m b e r s b a s e d o nt h ep r o p o s e dl o s sa l l o c a t i o nr u l e ，an e wc o m p l e xp o w e rf l o wt r a c i n gm e t h o di s p u tf o r w a r d ，w h i c h c a nb e u s e df o r p o w e rp o o l m o d e lt od e t e r m i n et h e c o n t r i b u t i o n so fi n d i v i d u a ll o a d s g e n e r a t o r st ob r a n c hr e a la n dr e a c t i v ep o w e rl o s s a n dm v af l o wa n dt h e nt oa l l o c a t et r a n s m i s s i o nc o s t t od e a lw i t ht h ec o s t a l l o c a t i o np r o b l e mi nc o m p o s i t em a r k e te n v i r o n m e n ti n c l u d i n gb o t hp o w e rp o o l t r a d ea n db i l a t e r a l m u l t i l a t e r a lt r a d e ，a no r i g i n a lm e t h o dc a l l e ds h a p e l yv a l u ei s i n t r o d u c e da tf i r s tt h e nt h ef l o wc h a r tf o rc o s ta l l o c a t i o nb a s e do ne m s s c a d a i s d e s i g n e d a st oc o n g e s t i o nm a n a g e m e n t ，t w oc o n g e s t i o np r i c i n gm e t h o d sa r e s t u d i e do n ei sa u m a n n s h a p l e ym e t h o da n dt h eo t h e ri sb a s e do nt h eu s a g et ot h e c o n g e s t i o nd e v i c e ，w h i c ha r ec a p a b l eo fe l i m i n a t i n gt h em e r c h a n d i s es u r p l u s a t l a s t ，t h em e t h o d sf o rc u t t i n gc o n t r a c tf o re l i m i n a t i n gt h ec o n g e s t i o ne f f e c t i v e l yi n t h eb i l a t e r a l m u l t i l a t e r a lm a r k e tm o d e la r es t u d i e d ，o b j e c t - o r i e n t e dt e c h n i q u ei s e m p l o y e d t od e s i g nt h et r a n s m i s s i o nm a n a g e m e n ts o f t w a r e k e y w o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ，t r a m s m i s s i o n l o s s e sa l l o c a t i o n ，t r a n s m i s s i o n c o s ta l l o c a t i o n ，c o n g e s t i o nm a n a g e m e n t ，o b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y 第一章绪论 1 1 电力市场的形成 第一章绪论 随着大容量、高参数、高效发电机组的出现，以及超高压交流输电技术的发 展，电力公司的规模不断扩大，电力生产的成本不断降低。在2 0 世纪早期，电 力系统充分显示了规模经济的优越性，它可以随着系统规模的扩展而提供较低的 电价和较高的系统可靠性。然而，自2 0 世纪6 0 年代以来，情况发生了变化。在 西方发达国家，电力工业的规模经济性已逐渐饱和，发电机组的效率已接近或达 到了极限，建造更大的发电机组已不能再大幅度降低成本，输电网络规模的简单 扩展( 互联除外) 也不能继续保持需求的增长。相反，电力工业高度垄断的某些负 面影响显现了出来，主要表现为非生产性成本的增加以及在电价受到管制的情况 下，政府要为此承受巨大的财政负担。为了消除这些负面影响，2 0 世纪8 0 年代 末期，一些国家开始放松对电力工业的管制( d e r e g u l a t i o n ) ，进行纵向或横向的解 捆( u n b u n d l i n g ) 【1 】，实施电力工业重组，建立竞争性的电力市场( c o m p e t i t i v e m a r k e t ) 。这里，“电力市场”是相对传统的垄断电力工业而言的，它是实现电力 工业结构重组而引入商业竞争机制后的一大类新型电力工业资产结构、经营管理 和运行管理模式的总称【l j 。从技术上讲，电力市场是应用计算机、现代化的测量 和通信等设备，以电价作为控制电力交易的杠杆，进行负荷管理、电力系统运行， 在电力生产者、电力消费者和输配电网络管理者之间实行平等、公正的等价交换 的系统之总称。 到目前为止，全球有不少国家都进行了电力工业的市场化改革。1 9 9 0 年英 国电力工业全面走向市场化并取得初步成功，引起世界许多国家的仿效，美国、 日本、澳大利业、挪威、瑞典、新西兰、印度、阿根廷、巴西、智利及东欧国家 都先后卷入了这股电力工业改革者的洪流。上述这些国家的成功经验表明，实行 电力市场，可促使电力企业从市场竞争中寻找契机，吸引投资，推进技术改造， 提高生产效率，从而弱化政府行为，减经国家的财政负担；可促使电力企业优化 资源配置，降低能耗，减少成本，节约资源；可促使电力企业深化改革，为广大 湖南大学酿士学位论文 客户提供低价、优质、高效的用电服务。除上述直接效益外，电力市场还可带来 如下几方面利益： ( 1 ) 根据国外经验，可削峰1 0 2 0 ，能有效地挖掘设备潜力，推迟新设 备投资，提高资源的有效利用率。 ( 2 1 在电力行业内部引入竞争机制后，人、财、物将形成优化结构，使电力 行业工作人员转变工作作风，提高办事效率，节约资源，降低电价，使社会各方 面受益。 ( 3 ) 使电力工业成为机会平等、环境优良、投资回报率高的良好投资场所， 广泛吸纳国内外资金，为电力工业的大发展和国民经济的腾飞创造条件。 可以说，电力市场的出现是经济规律发展的必然，是现代科学技术进步的产 物。它具有显著的外在经济性，直接受益者是参与市场的各成员，间接受益方是 全社会。电力市场的出现，必将给电力工业带来蓬勃的生机和活力，推动电力工 业的商业化和智能化运营。 进入二十一世纪以后，有些国家和地区的电力市场出现了一些问题 2 1 ，但是 只要严格遵循客观规律，建立合理的市场结构、运行规则，同时完善相关法规， 加强有效的监管和调控，就能引导电力市场的健康发展、促进生产力的进一步提 高。因此，电力市场基本理论、特别是市场运作机制的研究与完善成为当前电力 市场研究的关键和热点。 1 2 电力市场的运营模式 目前，国际上电力市场的模式多种多样，但它们大致可分为两类【1 1 ：第一类 是原来由政府垂直管理并经营电力系统的国家，其改革模式一般采取发电与电网 分开，并逐步开放电力销售市场，而调度和市场运营机构仍与电网紧密结合，如 英国、西班牙、阿根廷等国家 3 - 6 1 ；第二类是原来政府不直接管理、经营电力系 统的国家，其改革模式一般是新成立独立的系统运行及电力交易机构，各电力公 司仍可拥有电厂和电网，配电市场逐步开放，这一类国家如美国、德国、日本等。 我国从2 0 世纪8 0 年代初开始实行集资办电、多渠道筹资办电、多种形式利 用外资办电的方针，极大地调动了国内外出资者和经营者的积极性，出现了一大 批独立发电企业，缓解了严重缺电的局面；近年来，随着举世瞩目的三峡水利枢 第一章绪论 纽工程和输变电工程的顺利进展，以及话部开发、西电东送战略的实施，我国将 逐步在跨省的基础上实现全国联网。以上这些都为电力市场的发展创造了条件。 由于多年来已形成一套由国家统一管理电力系统的纵向体制，所以从整体看，我 国更接近上述第一类模式。这种模式的显著特点是调度机构、交易机构与电网公 司紧密结合，而不另设独立的调度机构。在我国实行这种模式，同时是考虑到以 下因素【l 】： ( 1 ) 合为一体，交易环节和协调环节减少，交易技术系统简化，交易成本降 低，因为这时相互之间传送数据的工作将大大减少； ( 2 ) 目前，我国电网比较薄弱，在负荷发展以后，输电、配电网络往往是发、 用电的“瓶颈”。合为一体时，网络的容量极限可以由调度随着机组排序的变化 及电网运行情况及时计算修正，这样可以尽最大可能地满足交易的需要； ( 3 ) 合为一体，无功、备用等辅助服务可以由调度统一安排，这样有助于提 高电能质量，同时降低交易执行的难度： ( 4 ) 鉴于我国在长期传统的统一调度模式下所形成的各方利益关系以及所积 累的运行经验，采用合为一体的市场机制有助于调动各方的积极性，从而更快地 推进电力市场的完善和健全。 采用电网公司与调度交易机构合为一体的市场结构如图l 一1 所示。其中， p o w e rp o o l 模式是指基于交易中心的模式，这时独立发电商发电公司卖电给电网 公司，而配电公司俑户从电网公司购电，独立发电商与配电公司之间没有直接的 买卖关系。双边多边合同( b i l a t e r a l m u l t i l a t e r a lc o n t r a c t ) 则是指独立发电商发电公 司与配电公司佣户之间直接达成协议，同意以某个价格由前者向后者提供一定的 电力；这时它们的交易不需通过电网公司，只需在交易成交以后将结果通知电网 公司以实现电力的转运。委托交易则是指发电公司由于出力限制而无法完成合同 时，委托其它发电商向某一负荷供电，并由此形成的交易。显然，这种市场结下 的市场主体应包括发电公司，独立发电商( 电源) 、配电公司佣户( 负荷) 、电网公 司及双边，多边合同主体，而电网及输电服务的使用方就包括除电网公司以外的所 有市场参与者。 我国近期( 2 0 0 0 2 0 1 0 年) 采用国家一大区省级三级电力市场结构l1 ”，其间多 采用基于交易中- 1 l , 的联营交易模式；随着省级电力市场及区域性电力市场竞争机 制的不断完善，省内和省间双边多边交易将成为市场的主要交易模式i ”。由此可 塑童查兰堡主兰垡笙茎 见，我国电力市场环境下，基于交易中心的联营交易模式和直接双边侈边交易模 式将会长期共存。 ，发电公司间委托交易- 双边多边合同p o w e rp o o l 交易 图1 1 电力市场市场结构及运营模式示意图 1 3 传输管理 在电力系统放松管制后，电力系统产权结构发生了变化，电网开始作为一个 独立的市场参与方为电网使用者提供传输服务，因此就会存在所谓的传输管理问 题【“。通常，传输管理包括以下几个主要方面降1 ：输电费用分配、损耗分摊、阻 塞管理。首先，因为电网属独立的市场主体，为了回收投资并确保适当的盈利， 电网在提供传输服务的同时，须按照一定价格对服务的使用者收费，从而使输电 费用在输电服务使用者之间进行分摊；在损耗及辅助服务单独讨论时，输电费用 主要包括还本付息、法定利润、运行维护费和扩大再生产的投资需求等固定成本 部分。其次，由于电网在提供传输服务时会产生损耗，如线路损耗、变压器损耗 等；同样，这些损耗应当由电网的使用者承担，而不同的分摊原则将会产生不同 的结果，因此便存在损耗分摊问题。再者，由于输电线路存在输电容量极限，当 某条线路输送功率达到或超过其容量极限时，就称其发生了输电阻塞( c o n g e s t i o n ) 现象；在传统的电力系统垂直管理模式下，通常采用重新安排出力( r e s c h e d u l e ) 的办法解除阻塞，在实行电力市场后，由于电网公司和发电公司成为了不同的利 益主体，因此存在如何消除阻塞及阻塞费用如何分配的问题，这正是阻塞管理需 解决的。 国际上，在电力市场初级阶段，有不少国家采用了统一的输电价格，而在 4 苎= 童堑堡 一 2 0 0 0 年以后大多实施非统一的输电服务价格体系f 4 】。在我国，随着电网商业化运 营的不断深化、电力法的公布实施，特别是三峡水电站的建设及在此基础上全国 联网问题的提出，对大区域间电力传输转送的原则、输电费用计算及输电定价的 要求越来越迫切。同时，随着辽宁、山东、上海等省市试点电力市场的顺利实施， 人们对输电系统运行的透明度提出了更高的要求。电网使用者在向电网公司缴纳 传输费用的同时会要求准确地知道自己对电网的使用程度是多少，对某个输电设 备的利用份额究竟多大；在进行损耗分摊时，用户有权知道自己对某一元件损耗 应承担的比例有多大。特别是在双7 d 多边交易模式及p o w e rp o o l 交易模式共存 的情况下，如何在传输网络的使用者之间合理的分摊网损及输电费用，日益成为 了电力行业的专家和各市场参与者共同关心的话题，同时也是近来国内外电力科 技界研究的热点。另一方面，阻塞管理是关系电网安全运行的重要方面；在电网 出现阻塞时，调度机构必须采取一定原则消除阻塞并将由此产生的阻塞费用分摊 给各市场主体。 1 4 本文主要工作 本文从传输管理的角度出发，着重讨论了传输管理的三个方面：传输费用分 配、损耗分摊及阻塞管理。主要工作概括如下： ( 1 ) 在综合分析当前支路损耗分摊原则的基础上，提出了基于严格数学推导 的损耗分摊新方法，以直接考虑有功无功的耦合影响。 ( 2 ) 给出了设备利用份额的一种新定义，以综合考虑负荷有功无功对电力设 备利用份额的影响。 ( 3 ) 基于决策论提出了输电损耗及费用分配的一体化方法，以有效处理同时 含有基于交易中心的p o w e r p o o l 模式及双边，多边交易模式的情形。 ( 4 ) 给出了有损复功率潮流网络的潮流追踪算法，弥补了传统的流追踪算法 只适用于无损同种流的缺陷，直接考虑了有功和无功对支路损耗的交叉影响。 ( 5 ) 探讨了消除销售赢余的阻塞定价方法和基于传输线路利用率的阻塞费用 分摊方法，并对双边交易模式下，如何合理地裁减合同以消除阻塞进行了讨论。 ( 6 ) 设计了一种p o w e rp o o l 和双边交易模式下的输电费用分配系统。 塑壹查兰堡主堂垡鲨壅 第二章直接考虑p - q 耦合的支路损耗分摊方法 将支路损耗合理地分摊给各电网用户是电力市场传输管理的重要内容之一。 输电系统在传送电能时会产生损耗，包括线路损耗、变压器损耗等，通常这部分 电能约占总发电量的5 - 1 0 。显然，这些损耗应当由电网的使用者承担，这就 存在如何将损耗在电网用户间合理分摊的问题。另一方面，在进行输电系统成本 分摊时往往要进行潮流追踪以得到各个用户的潮流归属，这其中需要明确的一个 基本问题就是网络损耗的分摊。如果分摊方法不清楚，就无法确定单个用户功率 在整个网络中的分布情况，也就无法合理地将系统成本分摊给电网的各个用户。 本章简述了较常见的几种损耗分摊方法，指出了它们的不足；基于严格的数 学推导，提出了直接考虑p q 耦合的支路复功率损耗分摊方法，它准确计及了 p - q 的耦合作用对损耗分摊的影响。仿真计算结果验证了该法的有效性。 2 1 损耗分摊电路模型的提出 分摊给各用户的损耗应该是网络状态( 发电、负荷或电压、相角等) 的函数。 网络状态改变后，损耗分摊的结果也应随之改变。实际应用中，往往事先选取某 一时间断面，然后针对网络在该时间断面下的运行状态求取损耗分摊的结果；当 实际的网络状态改变后，再取下一个时间断面，计算新的损耗分摊结果。所以损 耗分摊问题可以归结为，对图2 - 1 所示的电路，如何在给定的时间断面网络状态 下，将电气路径z 上的损耗分摊给受端的各个用户。 淼n 瓯2 小岛如 图2 - i 损耗分摊电路模型 6 第二章直接考虑e - q 耦合的支路损耗分摊方法 图2 1 表示经网络中任一输电元件z 向受端船个用户供电，其中元件阻抗表 示为z = ，f + 肛，两端点分别为门i ，由系统运行状态决定的端电压相量分别 为巧、珑，受端母线f 上，j 个用户的复功率负荷分别记为s r ”s r ，2 、岛。， 相应的模为s 崩1 、s 肋、s 胁。其中下标符号月代表受端( r e c e i v e r ) ，i 代表 节点编号，阿拉伯数字1 ，2 ，r 用来标示受端不同的负荷。 2 2 已有损耗分摊方法 不失一般性，先假定输电元件z 末端有两个不同的用户，其复功率负荷简记 为靠”靠1 2 ，相应的模为& ”s 。此时，在输电元件z 中产生的复功率损 耗为心。，则有： 峨= 堕型警业丝”州 瑶。+ 礞：+ 醇，。+ 鲠，：+ 2 b ，最，：+ 2 绋，。级，： = - _ 。_ _ _ _ _ - 。_ - - _ - _ _ - _ - _ 。- _ 。- - _ 。- _ _ _ - _ _ _ _ - _ 一 矿2 假定元件末端电压变化不考虑，则当负荷1 和2 单独通过元件时，产生的功率损 耗分别为： 蛾。= 学”鹏， 饵z 功 堍= 乎“制 c z - z 司 比较式( 2 - 2 1 ) 、( 2 - 2 2 ) 和( 2 - 2 3 ) ，可得： 心r f = 心：1 1 十曲2 ，2 + 必r ，( 2 2 4 ) 其中， 厶m = 兰垒壁垒掣( _ + a ) ，这里称其为附加损耗吲。 a 按电流幅值的平方比例分摊 由于损耗与流过输电元件的电流平方成正比，所以人们很自然地想到按照电 流平方比的分摊原则向每个用户分摊损耗”，1 ”。此时，用户l 和用户2 分摊的损 7 湖南大学硕士学位论文 耗分别为： z 心r i l = 峨满 l 心r i 2 = 峨纛 b 按电流幅值比分摊 ( 2 - 2 5 ) ( 2 2 6 ) 类似于前一种方法，文献【1 2 】提出按电流的幅值比分摊损耗，即 心r i l = 酯i s 瓦r i l ( 2 删 = 心i s 瓦r i l ( 2 删 c 对损耗的不同成分按不同的原则进行分摊 由式( 2 - 2 - 1 ) 一( 2 2 - 4 ) 知道，损耗表达式中包含非交叉项( s ：”鄙，2 ) 和 交叉项( 雪r ，) 两种不同成分。针对它们的不同形式，文献 9 ，1 3 提出按照不同 原则分别对其分摊的思想：非交叉项相对各用户的部分保持不变，或者说按照电 流幅值平方比对非交叉项( 如瑶。+ 讲。+ 焉：+ 讲：) 进行分摊；交叉项按照一定 原则在用户中进行分摊。依据对交叉项相应的附加损耗所采用分摊原则的不同， 又可分为下面几类： ( 1 ) 比例分配法。思想同上述b 的方法，区别在于仅对交叉项按电流比例进行分 摊，即： 鸸n = 删n + 峨，蕊s r i l 丛r i 2 = + 鸸，- i s 瓦r i l ( 2 ) 几何分配法。这时，所采用的分摊比届、卢：分别为 纠扎g 盖 ( 2 2 9 ) ( 2 2 1 0 ) ( 2 2 1 1 ) 蔓三童皇堡耋坐! ：旦塑鱼塑茎堕望堑坌丝互鲨 仍小1 0 8 孺s r 雨i 2 ( 2 - 2 - 1 2 ) 剐： 心川= 心2 ，l + 心届 ( 2 - 2 1 3 ) 心凇= 丛：j 1 + 丛2 ( 2 - 2 1 4 ) 显然，针对只有两个负荷的情况，应满足。+ ：= 2 ，因此下面的条件须成立： 0 0 1 s m s a 。2s 】0 0 ， ( 2 - 2 1 5 ) 为此，式( 2 - 2 1 1 ) 、( 2 2 1 2 ) 可进一步描述为： l = ( 1 + 1 面s r i l ) ( 2 - 2 - 1 6 ) 驯t 掣i 。s 静( 2 - 2 - 1 7 ) 其中，k 为大于2 的常数。此时，条件( 2 - 2 1 5 ) 转化为： 1 0 。s m s ms 1 0 + ( 2 - 2 1 8 ) d 按电气路径解耦的思想分摊 文献 1 4 1 采用鳃耦的思想，在对网络状态进行严格等值变换的条件下，实现 了由不同用户经由某一公用输电路径传输功率向各用户经由相互独立的输电路 径传输功率的完全等值( 如图2 - 2 所示) ，即相当于负荷均经由不同的电气路径为 其供电，这样就消除了计算中的耦合问题，每个终端用户须承担的损耗仅为其相 应电气路径的损耗。 图2 - 2 电气解耦过程示意图 推导表明，末端用户k ( k = 1 , 2 ，盯) 需承担的复功率损耗( 即电气子路径 k 上的复功率损耗) 为： 9 一乱 触t_丫_|，th3矗“ 矿i 半0 酞乒垴 骞昌 孽“鼯 n r h研丁氏 塑堕奎兰堡主堂垡堡塞 z 心r k 民t 簪 ：s m k p ( 2 - 2 1 9 ) 式中系数k ，对任意负荷k 均相同，因此，文中得出了按照复功率比或复电流共 轭比对总的线路复功率损耗进行分摊的观点。 该方法虽有新意，但方法本身存在着固有缺陷。首先，论文提出采用电气解 耦的思想处理损耗，这有悖于实际耦合的客观现实，其合理性值得怀疑；其次， 从式( 2 - 2 1 9 ) 容易算出，每个负荷承担的损耗等于本身的复功率乘上一个复系 数，是复数与复数的乘积，会出现损耗小于0 的情况，这缺乏明确的物理意义。 除了上面提到的损耗分摊方法外，文献 1 5 n 样基于“分摊”的思想处理损 耗的归属问题，其原理与前文所述各方法类似，只是将有功、无功分开处理，具 体公式此处从略。文献0 6 基于交流潮流推导了有功损耗表达式，并将其分为平 方项及4 个有功、无功乘积项，然后依据比例、平方、几何等原则将乘积项进行 分摊。文献1 1 7 】对合同环境下的损耗分摊问题进行了讨论，并基于直流潮流的假 设将损耗分解成直接与各笔合同相应的成分；因为基于了线性化假设，所以该方 法有较大固定误差。 2 3 直接考虑p q 耦合的支路复功率损耗分摊方法 不难看出，已有方法大多基于“分摊”的思想，将损耗按照一定的原则( 复 功率比、复功率模的比、复功率模的平方比、有功功率比等) 人为地分摊到各电 网用户，它们的差异之处主要是分摊比例的选取不同。显然，这些方法的一个共 同特点是缺乏严密的理论依据，因此其合理性受到怀疑。本文在文献 1 8 的基础 上，基于潮流解，运用微积分有关原理给出了基于严格数学推导的复功率损耗分 配方法，它同时考虑了有功、无功的耦合对线路损耗的影响，为进一步明确负荷 功率在线路中的分布奠定了基础，从而对提高输电系统运行的透明度，明确市场 各参与方对系统运行所应负的责任，并调动其积极性，具有重大意义。 2 3 1 复功率负荷对节点有功电流和无功电流的定义 假定图2 一l 中箭头的方向为有功潮流的实际方向，则流出节点i 的总复功率 为： 1 0 茎三兰皇壁耋壁! ：g 塑鱼盟塞堕塑堑坌丝查生 一 s ，= z s a m 设玮持和q 肼为负荷女所引起流出节点f 的有功功率和无功功率，p , n q , 为流入 节点i 的总复功率j ，的有功和无功部分，则： 只= ， q = q 一膻 定义：以节点f 的电压相位为参考，即令矿= v , z o ，则负荷k 在节点f 产生的复电 流为：j r 陆= ( 雪一蟛) + = 等一，百q r i k = a r i k + 鹏琅， ( 2 - 3 - 1 ) 称其实部口。= 等和虚部6 。膻= 一簪为负荷对节点的有功电流和无功电 流。 显然，上面定义的有功电流和无功电流与通常潮流计算中复电流的实部和虚 部是不同的，两者之间是一种坐标旋转变换的关系，对不同的节点，相应的坐标 旋转变换的关系也不相同。对全电网各节点来讲，前者不可代数相加减，而后者 则可以代数相加减，因为后者是以平衡节点电压的相位为参考。 已知负荷k 流经节点f 的复功率为雪尉肫= 膻+ j a 甜擅，则由上述定义，负 荷k 经节点i 流出支路z 的有功电流、无功电流和复电流分别为： n m 。t = p * k 0 2 - 3 2 1 b r t l k = 一q r ；【i k f y l 0 2 - 3 3 1 j 褂彘= n 褂浪+ j b 时淮 t 2 - 3 4 1 2 3 2 复功率负荷在阻抗支路中产生的复功率损耗理论 前面给出了负荷k 经节点i 在支路，中引起的有功、无功电流表达式。针对 图2 - 1 所示情况，所有负荷从节点i 吸收的总电流j 。为： 厶= jr f m = a r l & + _ ，6 r 触 k = lk = lk = l 该电流在支路，中产生的总有功损耗b 和无功损耗q 。为： 峨= ( a r l i k ) 2 + ( b r l i k ) 2 j r , = i t r t ( 2 3 - 5 ) k = lk = l k q t , = ( 口r 触) 2 + ( 6 r 触) 2l x f = ，：x j ( 2 3 6 ) 塑堕查兰堡主兰垡兰塞一 其中“为复电流t ，的模。显然，蛾的函数表达式在点d r 触、b r l i k ( 七= l ，2 ，胛) 的各偏导数存在且连续，因此在该点处全微分d ( b ) 存在，即： 峭f ) - 砉器心肌+ 争盟o b r t 。l ：m 枞 ( 2 - s - 7 ) 舯羔铂兰h ，盟o b m i k 咄杠一 令 口= 2 _ 口m ，= 2 - 6 肼 则旦o a r l i k = a ，旦o o r l i k = 卢， 将有功和无功电流d 鼬女、b 月触( 女= 1 , 2 ，n ) 分成丁等分，则第y 等分的末端 值为祟a r 触、睾6 舭( = 1 , 2 ，n ) ，称之为点y ，则损耗在该点的微分为： d 、t a p ( y ) ) = a 厶l f l r l i k + a b 肌= ( 口。a a 舶l + o a b m f l ) + ( 口o ) a a r 2 + b , c y a b r “2 ) + + ( 口川a a 尺打n + y a b 凡胁) ( 2 3 8 ) 其中：口t ，) ：2 r f 亭妻a 肼，卢，) ：2 _ 芋n 6 。舳 h = l 1 h = l 显然，n 个负荷在y 点处的增量引起的有功损耗偏微分分别为： ( 口川a c z r i i l + 川a b m i l ) ， ( 口川a 口r l i 2 + ”a b 只打2 ) ， ( 口( y 口只加+ ( ，6 肋。) 取负荷k 在y 点处所产生的电流的增量为z 等分后每等分的值，则该负荷所产生 电流增量引起的有功损耗偏微分在y 点处的值为： d ( 一尘k p r r ( f i 七y ) ，= 口o x a a r l i k + o a b r 触= 等：学( 6 1 r l i k 口尺肭+ 6 月触b 舢 ) p1 ， 月h o h = lh = l k = 1 , 2 ， ( 2 - 3 9 ) y 点处有功损耗的全微分为各负荷电流增量引起的有功损耗偏微分之和，即： 。d r a p 。( y ) ) ；nd ( 盘) ：宅孚【( 兰口。舭) ：+ ( 杰6 。触) z 】( 2 - 3 。1 0 ) t = i 1 i = lt = l 由式( 2 3 5 ) ，支路，总有功损耗在点y 处的值为： 1 2 第二章直接考虑p - q 耦合的支路损耗分摊方法 叫虬譬【( 杰) 2 + ( 窆。) 2 】 故在点y 处有功损耗的全增量( 群n ) 为： ( 峨勘：叫川) 一叫，) - 掣【( 杰c i r l t k ) z + ( 主6 柚z ( 2 - 3 1 1 ) 点y 处有功损耗磁7 的全增量和全微分之间误差e 为： e = ( 叫) 一d ( 酬) = 【( 1 2 r l i k ) 2 + ( 6 跚) 2 】 1 k = lk = l = _ 【( l k l r l i k ) 2 + ( a b 舭) 2 ( 2 3 - 1 2 ) k = lk = l 显然，误差e 为常量，且是关于p = 【( d ；眦+ 6 ；触) “2 的二阶无穷小。 k = l 比较误差e ( y 和全微分d ( 磁) 的表达式( 2 3 1 0 ) 易知：两者具有完全相同 的变化模式，只是后者变化速度是前者的2 j ，倍。另外，由式( 2 3 9 ) 、( 2 3 一i o ) 可知，负荷在y 点处的电流增量引起的有功损耗偏微分有下述关系式： d ( 础) ：善鲤芝堋酬1 女：l ，2 ，n ( 2 - 3 1 3 ) d ( 叫瑞) 类似地，应该有： e 鼢：害坠盟e ( ：击。胁塞口肼+ 6 肌宝6 。舶) ( 2 - 3 _ 1 4 ) d ( 叫；：；：) 。 拓1拓1 h = l 由式( 2 - 3 - 9 ) 和式( 2 3 - 1 4 ) 知，负荷t 在y 点处引起的有功损耗偏增量( 碟；：2 ) 应 为： ( 叫盘) = d ( 峨礁) + e 擞= _ ( d 触口m + 6 胍6 肼) 兰；( 2 3 - 1 5 ) nn 1 1 对应电流的每一等分，负荷产生的电流所引起的有功损耗偏增量( 碟盘) 之和 应为负荷k 产生的电流在支路，中引起总有功损耗的近似值。 由定积分定义，当负荷电流等分数z 趋近无穷大时，a f 、a p ( y ；) ，的极限就是 塑堕查兰堡主兰垡堡兰一一 负荷七的电流口舭+ ，6 肌在支路，中引起的有功损耗分量晶触，即： = 熙砉( 叫粉l i m 忡肼蕃n 地触荟n 痞等 = r a a r 肼口肭+ z b 肌 ) k = l ，2 ，n ( 2 3 1 6 ) 同理，可推得负荷k 的电流“鼬女+ 弘肋 在支路，中引起的无功损耗分量 q k 为： q 肌= x i ( 口r 胜口肼+ 6 枞6 肼) k = 1 ，2 ，n ( 2 - 3 1 7 ) 由以上两式易知，负荷k 在支路l 中的有功电流分量所引起的复功率损耗分 量为： 厶月砌= ( ，7 + 声f ) 口腓口肌 k = 1 ，2 ，n( 2 3 1 8 ) 负荷k 在支路，中的无功电流分量所引起的复功率损耗分量为： 心脚= ( ，f + 声f ) 6 舭6 m k = 1 , 2 ，月 ( 2 - 3 1 9 ) = i 式( 2 3 1 6 ) ( 2 3 1 9 ) 体现了一个负荷与其它负荷之间的交叉作用对支路损 耗的影响，以及有功负荷对支路无功损耗和无功负荷对支路有功损耗的交叉影 响。负荷k 在支路，末端的有功( 无功) 潮流加上它在该支路上引起的有功损耗 叫( 无功损耗q 舭) ，即得负荷k 对支路，首端潮流的贡献大小。 2 3 3 直流电路中的损耗分摊理论 在直流电路中，没有无功流动，且支路阻抗x l 为零，即x ，= q r 触= b ，f = 0 。 由式( 2 3 1 6 ) 易知，负荷k 在供电支路，中产生的损耗为： n a p r 触= r l ( a r t f k a r l i h ) ： ( 2 - 3 2 0 ) h = l 因此，支路z 中总的有功损耗为： 屹= = r l ( a r l i k 口月触) = ( 口肼) 2 ，7 ( 2 3 2 1 ) k = lk = lh = lh = t 上式正是直流电路中电阻上的损耗计算公式。考虑以上两式有： 1 4 第二章直接考虑p - q 耦台的支路损耗分摊方法 a p r 艟= 奶，当丝一 ( 2 3 - 2 2 ) 乙o r l i h h = l 即：直流电路中，负荷在支路上引起的损耗与负荷电流大小成正比。这也正说明 了前文所述按照电流大小分配损耗原则的适用范围。 从上述推导过程可以得出以下结论： 1 ) 某一负荷在支路中产生的有功或无功电流分量只与其它负荷在该支路中 的有功( 无功) 电流分量产生交叉作用，影响支路损耗的大小，而不与任何负荷在 该支路中吸收的无功( 有功) 电流分量产生交叉作用，影响支路损耗； 2 ) 在交流电路中，负荷在各支路中产生的有功( 无功) 损耗与该负荷从该支 路吸收的有功电流或有效值电流( 无功电流或有效值电流) 之间无直接正比例关 系； 3 ) 直流电路情况下，负荷在支路中产生的损耗与该负荷电流的大小成正比。 需要指出的是，上述推导过程均从负荷的角度出发，讨论了负荷对元件损耗 进而系统损耗的贡献；基于同样的原理，容易得到电源对元件损耗进而系统损耗 的贡献【”1 。 2 4 损耗分摊仿真 为便于比较，这里采用文献 1 4 1 的数据，假定线路损耗全部分摊给受端用户， 同时忽略负荷不同时末段电压的微小变化。具体数据如下：线路阻抗为 z = r t 十内= 0 0 4 + j 0 2 5 ，送端母线电压向量为咯= 1 0 7 99 e j ”8 5 7 ，受端母 线电压向量为吮= o8 6 2 l e y 4 7 7 9 ”，受端有两个用户，总负荷为 又= p r + _ ，妹= 1 4 6 99 5 1 + j o 2 2 89 8 2 ，保持不变，且具有如下两种情况： ( 1 ) 品】= 吕1 + j g l = o 5 9 38 2 4 + j o 1 6 14 8 2 ， s r 2 = 最2 + _ q r 2 = o 8 7 6 1 2 7 + j o 0 6 75 ： ( 2 ) s r l = 晶l + 鳊1 = o 5 0 36 9 4 + j o4 8 65 6 2 ， s r 2 = 斥2 十踢2 = o 9 6 6 2 5 7 一j o 2 5 75 8 0 。 因情形1 、2 下总负荷文保持不变，故两种情况下线路的总损耗相同，均为 湖南大学硕士学位论文 靠= o1 1 9 】+ j o 7 4 44 。按照不同原则计算的线路损耗分摊结果列于表2 - 1 。 表2 1 不同方法的损耗分摊结果 表中，原则a 代表电流幅值平方比分摊原则，分摊比为s 毛s ；：；b 代表电流幅值 比分摊原则，分摊比为s 。s 。：c 代表电流幅值及平方比混合分摊原则，其各 部分分摊比分别为s r 。s r ：、s ；s ：；d 代表复功率比分摊原则，分摊比为 雪。s 。：；e 代表前文所述支路功率分量分摊原则，分摊比为 最l ( & l + 2 ) + q m ( 醵l + q r 2 ) 】 足：( 斥。4 - 斥：) + 级：( q 。+ g ：) 】。 从表2 1 中数据我们不难发现，尽管两种情形下用户功率不同，但电流幅值 平方比及电流幅值比保持不变，故原则a 和b 得到的分摊结果也相同。而实际上， 随着用户功率的变化，损耗分摊的结果应有所改变才合理。这就说明分摊原则a 、 b 有其不合理的地方。原则c 可以看成a 、b 的合成，所以缺陷同样难以避免。原 则d 采用了复功率比进行损耗分摊，所以当负荷p 、q 满足一定数量关系时，会出 现负值，这在物理上无法解释，因此不合理性显而易见。对此例而言，负荷 s r l = 斥l + j q r l = 0 5 0 36 9 4 + j 0 4 8 6 5 6 2 单独作用所产生电流为o5 3 52 7 0 十 o 6 1 l1 8 1 ，但是共同作用时其所分摊损耗却为负值，显然不具备明确的物理意 义。而本文提出的原贝幢得到的结果随着用户功率的变化而变化，并且感性负荷 对应的损耗分量大于0 ，物理意义明确。同时，本文原则具备严格的数学基础， 第二章直接考虑p - q 耦合的支路损耗分摊方法 避免了损耗分摊时的“主观”因素，因而更加令人信服。 2 5 小结 本章重点讨论了较常见的几种损耗分摊方法，比较了它们的异同，指出了它 们的不足，并在此基础上提出了基于严格数学推导的复功率损耗分摊方法，它能 直接考虑有功、无功的耦合作用对线路损耗的影响，从而为准确地确定用户功率 在系统中的分布奠定了基础。 湖南大学硕士学位论文 第三章基t m v a 酒 流追踪的全电网用户输电费用分配方法 电力系统开放后，改变了原有的垂直管理模式，电网成为了独立的市场参与 方，为其他市场主体提供输电服务，这里的“服务”除了基本的提供传输路径的 服务外，还包括备用、调频、无功支持、黑启动等辅助服务。为了维持正常运营， 电网公司的固定投资和运行成本必须由输电服务的使用者进行补偿。从广义上 讲，电网公司提供传输服务所涉及的输电成本包括固定成本( 包括投资回报和折 旧费) 、运行维护成本、辅助服务成本、损耗成本以及阻塞成本。通常，运行维 护成本以固定成本百分比的形式记入；辅助服务成本、损耗成本以及阻塞成本等 因产生机理不同，须分列计算。其中，电网投资和建设的固定成本因为数额巨大， 同时关系系统安全、可靠运行而倍受关注，因此其分摊问题也成为近来国内外学 者研究的热点。本章