（电力系统及其自动化专业论文）电力市场环境下最优潮流的模型及算法研究.pdf

硕士论文 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tm e a n so fe c o n o m i cd i s p a t c ho fm o d e mp o w e rs y s t e m ，o p t i m a lp o w e r f l o wb a s e so nm a t h e m a t i c a lo p t i m i z a t i o nt h e o r ya n dp o w e rf l o we q u a t i o n m o d e l st a k ef u l l a c c o u n to ft h ee c o n o m i ci n d i c a t o r sa n ds a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o no fr e s t r a i n t w i t hc h i n e s e e l e c t r i c i t ym a r k e tg r a d u a l l ye s t a b l i s h i n ga n dp e r f e c t i n g , o p t i m a lp o w e rf l o ws e e k st op e r f e c t c o m b i n a t i o no fe c o n o m ya n ds e c u r i t y , b u ta l s op l a y sa ni m p o r t a n tr o l e b e c a u s es e p a r a t eo p t i m i z a t i o no fn e t w o r kl o s so re l e c t r i c i t yf a r ei sn o tn e c e s s a r yt h eb e s t m o d e ，o n l yo p t i m i z i n gm u l t i p l eo b j e c t i v e sa tt h es a m et i m eh a sam o r ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eo p e ng e n e r a t i o ne l e c t r i c i t ym a r k e t ，t h et r a d i t i o n a lo p t i m a l p o w e rf l o wm o d e lh a sb e e ni m p r o v e d t a k i n gi n t oa c c o u n tt h r e eo b j e c t i v ef u n c t i o n s - t h e s m a l l e s tn e t w o r kl o s s ，t h el o w e s tf a r eo fp u r c h a s i n ga c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e r , t h ep a p e rh a s e s t a b l i s h e da m u l t i o b j e c t i v eo p t i m a lp o w e r f l o wm o d e l i na l l u s i o nt ot h ea b o v em u l t i o b je c t i v eo p t i m a lp o w e rf l o wm o d e l ，t h ep a p e ri n t r o d u c e s t h em u l t i o b j e c t i v ef u z z yo p t i m i z a t i o nt h e o r y , d e t e r m i n e st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ss u b j e c t f u n c t i o n ，a n dt r a n s l a t e sm u l t i o b je c t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e li n t os i n g l e - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n m o d e lw i t hg r e a t e s ts a t i s f a c t i o n s o r g a n i c a l l yc o m b i n i n gh 砌u n ec l o n a lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mw i t hm u t a t i v es c a l e c h a o t i co p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，t h ep a p e rf o r m e di m m u n ec l o n a lc h a o t i co p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m ，a n da p p l i e dt oo p t i m a lp o w e rf l o wc a l c u l a t i o n s t h i sa l g o r i t h mu s e st h ec l o n a l s e l e c t i o no p e r a t o ra n dt h ee x c h a n g em u t a t i o no p e r a t o rt oa c h i e v et h eo u t s t a n d i n ga n t i b o d yo f e x p a n s i o n ，h y p e r p l a s i aa n de v o l u t i o n i tu s e sa n t i b o d ya d d e do p e r a t o rt oa c h i e v et h ed i v e r s i t y o fa n t i b o d i e s ，a n dc h o o s et h eo p t i m a la n t i b o d yb yt h es u r v i v a le x p e c t a t i o nw h i c hi sc o m p o s e d o ft h ea f f i n i t yf u n c t i o na n dt h ec o n c e n t r a t i o no fa n t i b o d i e s i ta l s ot a k e st h em u t a t i v es c a l e c h a o ss e a r c hm e t h o df o rt h ed i s t u r b a n c eo ft h ea n t i b o d y t h r o u g ht h ea b o v eo p e r a t i o n ，t h e r e s u l t sn o to n l ya v o i df a l l i n gi n t ol o c a lo p t i m a ls o l u t i o na n dq u i c k l yc o n v e r g et ot h eg l o b a l o p t i m a ls o l u t i o n ，b u ta l s os p e e du pt h es e a r c hs p e e da n di m p r o v et h e i ro v e r a l lp e r f o r m a n c e i nm a t l a b 7 0s i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h ep a p e rc a r r i e do u ts i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o nb y i e e e l 4 ，3 0s t a n d a r de x a m p l e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e do p t i m a lp o w e rf l o wm o d e l c a r la c h i e v eo p t i m a le c o n o m ya n ds e c u r i t yu n d e re l e c t r i c i t ym a r k e t ，i m m u n ec l o n a lc h a o t i c o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mf o rs o l v i n go p t i m a lp o w e rf l o wm o d e li sf e a s i b l ea n de f f i c i e n t k e yw o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ，o p t i m a l f a r e ，m u l t i o b j e c t i v ef u z z yo p t i m i z a t i o n ， i l p o w e rf l o w , r e a c t i v eb i ds t r u c t u r e ，e l e c t r i c i t y i m m u n ec l o n a lc h a o t i co p t i m i z a t i o na l g o r i t h m 声明尸i 刃 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：塑 砷年易月名日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 硕七论文电力市场环境下最优潮流的模型及算法研究 1 绪论 1 1 课题的背景和研究意义 电力工业的市场化改革和我国电力体制的不断深化给电力系统最优潮流的发展带 来了机遇和挑战。最优潮流作为现代电力系统经济调度的重要手段，保证系统“安全、 优质、经济 地运行，其技术经济价值日益体现。特别是电力市场逐渐建立和完善的今 天，无论是有功实时电价的计算、无功辅助服务的定价，还是线路传输容量的评估等都 把最优潮流作为研究对象，电力市场环境下最优潮流的模型越来越复杂。任何形式的目 标函数，都可以包含表示电压、电流、功率限制的约束条件。在约束众多的情况下，最 优潮流都能将它们整合到同一价值标准下进行协调。这不仅实现了电力系统运行经济 性、安全性的基本要求，而且可以降低发电、输电成本，协调电厂与电网、电网与用户 之间的冲突。因此，电力市场环境下最优潮流的建模及算法求解就成了十分重要的研究 课题。 1 1 1 最优潮流的背景 最优潮流问题( o p t i m a lp o w e r f l o w ，o p f ) 是由经典的经济负荷调度问题演变而来 的。2 0 世纪6 0 年代，法国学者c a r p e n t i e r 将其作为一种带网络约束的经济负荷调度提 出 1 】。最优潮流作为现代电力系统经济调度的重要手段，它以数学优化理论和潮流方程 为基础，模型中充分考虑了经济性指标和安全稳定运行约束，把电力系统经济调度和潮 流计算有机地融合在一起，进行经济与安全的全面优化。 在传统的经济体制下，厂网一家，发电厂根据电网调度中心的指令增减出力，电厂 向电网调度提供其发电耗量曲线。该曲线通常由机组特性决定，一般为二次曲线。无功 的使用是无偿的，管理部门仅对功率因数不足的用户采取经济惩罚措施。网损作为电能 传输的必然损耗，是电网运行的一项考核指标。此阶段最优潮流模型的目标函数通常是 网损量最小或发电成本最小。 2 0 世纪9 0 年代起，我国电力市场逐步建立和完善起来，实现了“厂网分开，竞价 上网”，现已形成了发电侧开放的电力市场 2 - 4 。在计划经济体制下建立起来的传统最优 潮流模型已经不能适应新形势的需要。 发电侧开放的电力市场环境下，厂网分离，电能竞价上网。发电商作为拥有发电机 组的独立运营商向电网交易中心提供其电能的报价曲线。该曲线可能由于发电商各自的 发电成本和竞价策略不同而呈现多样性。电网公司在保证输电安全和质量的前提下根据 用户负荷量采购有功功率。在电力市场下，无功功率也是有生产成本的，它为有功功率 的传输起到了支撑作用，可以有效地改善电压质量，降低网损量。因此，无功功率作为 l 绪论硕二 = 论文 一种商品也是有价格的，需要电网公司进行购买。所以，电网公司追求的目标应为有功， 无功购电费用最小。电力市场对网损的处理应在保证电力系统稳定运行的同时，还要充 分体现公开、公平、公正的原则，维护各市场参与者的经济利益。因此在制定发电计划 时，有必要将系统产生的网损量考虑进去i ；5 1 。 综上所述，传统的最优潮流模型已不能满足发电侧电力市场对经济性的要求，需要 一种新的模型来进行表述。若能将最优潮流和具体的电力市场模式有机地结合起来，协 调电厂与电网、电网与用户之间的冲突，便能够更有效的解决阻塞管理问题，公平合理 地制订电价，提供信息以促进电力网络长期健康地发展，还能有效的降低电网公司的运 行经济成本，提高经济效益和网络安全性，提高对用户的服务质量【6 】。但同时，在电力 市场环境下，各种物理约束和经济约束交织在一起，最优潮流的模型将更加复杂，需要 一种更有效的算法来进行求解。 1 1 2 最优潮流的研究意义 由于各国电力工业的不断发展，特别是超高压、大容量、远距离输电的发展，各大 区电网互联己成必然发展趋势。而如何实施联络线的潮流控制、减少电能远距离传输的 损耗和降低电网公司的购电费用将成为未来互联电网所面临的问题。电力市场的逐步形 成，电力业界面临的竞争d i ：ij 吾0 ，也迫切需要具有灵活可靠的潮流控制手段。在电力工业 的市场运营环境下，为了最大限度地降低输电成本，激烈竞争的电力系统己不得不将其 运行极限研究作为提高经济效益的主要手段。最优潮流的研究成果不仅能指导系统调度 人员的操作，保证系统安全可靠运行，具有技术方面的价值；而且同时具有市场信号的 作用，能为各参与者在电力市场下的商业行为提供参考，实现各自的经济利益。 最优潮流是电力系统在满足特定运行和安全约束条件下，通过调整系统中可利用的 控制手段( 有功出力，无功出力，变压器变比，无功补偿容量) 实现预定目标最优的系 统稳定运行状态。它把电力系统经济调度和潮流计算有机结合，以潮流方程为基础，进 行经济与安全的全面优化，是一个大型的多约束非线性规划问题。利用最优潮流能将电 力系统的可靠性与电能质量量化成相应的经济指标，最终达到优化资源配置，降低发电、 输电成本，提高对用户的服务质量的目的【刀。因此最优潮流具有的技术经济意义是传统 潮流计算所无法比拟的。 2 0 世纪9 0 年代以后，电力市场的开放为最优潮流的研究和应用注入了强劲的动力。 在技术上，由于众多的新约束如爬升率、暂态稳定、电压稳定等的加入，使得最优潮流 的模型更为复杂；在内容上，除了传统的最优调度控n j i , ，还必须解决如阻塞管理、实 时电价、辅助服务市场、转运费计算等新问题；在经济上，不仅仅是要求成本最低，而 且还要合理的分配发电、输电、辅助服务等费用，同时也要求合理的分配利润。上述的 种种挑战使得最优潮流成为研究的热点。 2 硕士论文 电力市场环境下最优潮流的模型及算法研究 1 2 国内外研究现状 1 2 1 最优潮流模型的研究现状 c a r p e n t i e r 首先提出了建立在严格数学基础之上的以非线性规划法表示的电力系统 最优潮流模型。该模型以有功网损最小、发电燃料费用最小、最高电压水平等等为目标 函数，等式约束是基本潮流方程，不等式约束包括了系统允许的安全性和电能质量，另 外可调控制变量本身也有一定的容许调节范围，如有功、无功出力上下限约束、可调无 功电源出力上下限约束、可调变压器变比调节范围约束、节点电压幅值上下限约束、输 电线路中通过最大功率约束等喁j 。 二十世纪九十年代以后，最优潮流在现代电力系统中得到扩展应用。根据应用方面 的不同，将最优潮流分为以下几类： a ) 在电力市场中应用 电力市场应用领域中最主要的是实时电价的计算。文献 9 通过考虑更多辅助服务以 及电压质量，提出了一种更先进的价格模型，将实时电价分解为发电边际成本、网损补 偿费用、有功无功耦合关系和安全服务费用四个部分，对于有功来说指的是阻塞管理费 用，对于无功还应加上电压支持服务费用。另一个是输电网络管理中的应用，文献 1 0 提出了一种用以解决阻塞管理的最优潮流模型，该模型以购电费用增加最小为目标函 数，加入了电力市场中的约束条件，采用阶跃形式报价曲线，最终得到既保证电力系统 经济性又满足电力系统安全性的最优调度计划。表1 1 是o p f 在电力市场中的应用j 。 表1 1 电力市场环境下o p f 的改进模型 3 l 绪论 硕士论文 b ) 含f a c t s 元件的最优潮流 灵活交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，f a c t s ) 作为变革性的前沿 技术给传统交流输电系统注入了新的活力，为了在系统优化调度中考虑f a c t s 设备的 调节作用，需要建立含f a c t s 设备的最优潮流模型。1 9 9 8 年，文献 1 2 】首次提出了适 应于最优潮流问题的统一潮流控制器模型( u p f c ) ，该模型可以灵活模拟u p f c 的各种 运行模式，并且送端节点和受端节点都可以进行有功无功控制。文献 1 3 提出包含u p f c 的最优无功潮流的模糊模型，其中u f p c 模型采用简单的注入模型，并采用进化规划方 法求解。文献 1 4 】在电力市场最优潮流中考虑了f a c t s 设备的潮流控制和电压控制作 用，采用了基于序列二次规划的优化方法，计算结果表明了f a c t s 设备的潮流调节作 用可在电力市场下带来很好的经济效益。 c ) 安全约束的最优潮流 安全约束最优潮流模型分为故障前预防和故障后校正两类问题：预防性安全约束最 优潮流 15 】对正常状态系统进行优化，使系统在正常状态和预想故障状态下能满足安全约 束，目标函数为系统在正常状态的运行成本最小；校正性安全约束最优潮流【1 6 j 对故障后 的系统进行优化，目标是以最小的调节代价把系统调整到安全域内。在文献 1 7 】中，循 环分析方法被用于求解安全约束最优潮流问题，从而有效的提高安了安全约束最优潮流 中的安全分析速度。 d ) 电压稳定约束的最优潮流【1 8 , 1 9 】 近年来，考虑电压稳定性的最优潮流模型得到了广泛研究。由于评定电压稳定性的 指标众多，因此电压稳定约束最优潮流中采用的电压稳定指标和计算方法也多种多样。 在最优潮流中考虑电压稳定性主要有两种方式：把电压稳定指标作为目标函数，使电压 稳定性最大化；把电压稳定指标不低于阈值的电压稳定约束加入最优潮流约束集。大部 分计及电压稳定性的最优潮流采用第二种模型，即把电压稳定条件加入最优潮流的约束 集中，称为电压稳定约束最优潮流。 1 2 2 最优潮流算法的研究现状 自电力系统最优潮流问题提出以来，最优潮流的求解就逐渐成为许多学者关注的领 域。人们在这一领域已经做了大量的研究工作，有关文献和报告浩瀚如海。本小节仅从 求解最优潮流的算法进行阐述。最优潮流问题作为一个多变量，多约束的混合非线性规 划问题，其控制变量，既有连续变量( 发电机的电压和无功出力) ，又有离散变量( 有 载调压器分接头档位，补偿电容器、电抗器的投切组数) 。它不仅要求算法具有良好的 收敛性，而且要求算法具有快速的计算速度，以达到在线计算的要求。求解最优潮流的 方法归纳起来主要有：线性规划法、二次规划法、非线性规划法、人工智能方法。 4 硕士论文电力市场环境下最优潮流的模型及算法研究 a ) 线性规划法 线性规划法是用线性规划模型来近似描述最优潮流问题，由于其模型简单，易于实 现，是目前应用最广泛的算法之一，尤其对于有功优化子问题和安全校正类o p f 问题， 线性规划模型可以得到满意的结果。 b ) 二次规划法 二次规划法将目标函数用二次模型表示，将约束进行线性化处理，其精度比线性规 划要高。相对于非线性规划来说，二次规划的形式比较简单，可近似地反映电力系统的 物理特性，并且其海森矩阵是常数矩阵，一阶偏导数矩阵是线性的，这对于解最优潮流 是很有利的条件。 c ) 非线性规划法【2 0 2 3 】 从最优潮流的发展历史上来说，非线性规划法是求解这类问题最早的一类方法。非 线性模型不仅能很好的描述电网的物理模型结构，也能精确描述o p f 的数学表达形式。 非线性规划法有：简化梯度法，牛顿法，解耦法，内点法等，其中牛顿法和内点法已经 成为现在最常用的最优潮流求解方法。 1 ) 牛顿法 牛顿法是一种具有二阶收敛性的算法，在收敛性方面远比梯度法要好。但是牛顿法 在解最优潮流时须用到h e s s i a n 矩阵的逆矩阵，其存储量和计算量大，使问题变得十分 复杂，一直以来人们都在探索如何使其简化。估计起作用的不等式约束集是实施牛顿法 的关键。有不少学者对其研究，一种是将等式约束和不等式约束同样处理，并将其二次 罚函数也加入拉格朗日函数中，另一种是通过引入n c p 函数，将o p f 模型k k t 条件 的互补松弛约束转化为等式约束，并采用非光滑牛顿法求解。 2 ) 内点法 内点法是求解最优潮流问题的新一代算法，其基本思想是从内点出发，沿可行方向 求出使目标函数值下降的后继内点，再从得到的内点出发，沿可行方向迭代求出使目标 函数值下降的内点，重复搜索，得出一个由内点组成的序列，使得目标函数值严格单调 下降，求出最优值。目前主要有三类内点法：投影尺度内点法、仿射尺度内点法和原对 偶仿射尺度内点法。其中，原对偶仿射尺度内点法，简称原对偶内点法，也称路径跟踪 内点法，是拉格朗日函数、牛顿法和对数壁垒函数三者的结合，是目前研究最广泛、效 率最高的算法。 d ) 人工智能方法 2 4 4 2 】 虽然非线性规划、线性规划等方法已逐渐克服了在不等式约束处理、计算速度、收 敛性和初始点等方面的困难，但对离散变量的处理还没有完善的解决方案。近几年随着 计算机和人工智能等技术的发展，不断有新的方法出现。禁忌搜索算法、混沌优化算法、 遗传算法、模糊集理论、人工免疫算法、粒子群算法、蚁群算法和鱼群算法等人工智能 5 1 绪论 硕士论文 方法先后用于电力系统最优潮流问题。 禁忌搜索方法( t a b us e a r c h ，t s ) 是一种亚启发式随机搜索算法，它是对局部领域 搜索的一种扩展，是一种全局逐步寻优算法。t s 算法通过引入一个灵活的存储结构和相 应的禁忌准则来避免迂回搜索，并通过藐视准则来赦免一些被禁忌的优良状态，进而保 证多样化的有效探索以最终实现全局优化。 混沌优化算法( c h a o t i co p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m ，c o a ) 是近年发展起来的一种优化 算法。目前，对混沌尚没有严格的定义，一般是将确定型方程导出的具有随机性的运动 状态称为混沌，呈现混沌状态的变量称为混沌变量。混沌虽然貌似随机，但隐含着精致 的内在结构，具有遍历性、随机性、规律性，能在一定范围内按其自身规律不重复地达 到所有状态。混沌优化算法直接应用混沌变量进行搜索，搜索过程按混沌运动自身规律 和特性进行，因而获得最优解的可能性最高，能够有效跳出局部最优点，收敛到全局最 优点。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，g a ) 是基于自然选择和遗传机制的搜索算法，它 借用了生物遗传学的观点，通过自然选择、遗传、变异等作用机制，实现个体适应性的 提高，体现了自然界中“物竞天择、适者生存 进化过程。文献 2 6 】中探讨了自适应进 化规划在电力系统多目标最优潮流中应用的问题。在遗传操作等方面提出了自适应进化 策略，进一步拓展了遗传算法在最优潮流中的应用前景。文献 2 7 基于分布式母线的解 耦最优潮流问题推导出一种新的实时电价模型，并用遗传算法求解取得了不错的结果。 模糊理论是近几年成功应用于电力系统问题的新思想。它适合于描述不确定性以及 处理不同量纲、相互冲突的多目标优化问题，为解决具有可伸缩约束的多目标优化问题 提供了新途径，因此在电力系统优化中得到日益广泛的应用。 人工免疫系统( a r t i f i c i a li m m u n es y s t e m ，a i s ) 对外来抗原的识别过程是一个寻找 能够与抗原结合力最大的抗体的过程。根据免疫系统响应的作用原理，许多学者提出了 不同的人工免疫算法来解决最优潮流问题。文献【3 3 根据人或其他高等动物免疫系统的 机理而设计的，将目标函数和一部分不等式约束条件作为抗原，将搜索空间的解作为抗 体，依据抗原与抗体的结合力以及抗体之间的结合力对所求解进行评价和选择，通过抗 体之间的相互激励作用提高了最优点附近的搜索效率，通过记忆细胞对抗体的抑制作用 有效地摆脱局部最优点。 粒子群优化算法( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，p s o ) 源自对鸟群捕食行为的研究， 本质上属于迭代的随机搜索算法，具有并行处理特征，鲁棒性好，易于实现。该算法原 理上可以以较大的概率找到优化问题的全局最优解，计算效率较高，己成功地应用于求 解电力系统中各种复杂的优化问题。文献 3 6 用粒子群优化算法来求解最优潮流问题， 鉴于等式和不等式约束条件，同时采用动态调整罚函数来处理o p f 问题，使得算法能 够较快收敛，并且能够提高解的质量。文献 3 7 】在应用p s o 进行最优潮流的求解过程中， 6 硕十论文 电力市场环境下最优潮流的模型及算法研究 根据约束条件的越界量大小，动态调节罚函数，避免收敛到局部最小点。文献 3 8 提出 了一种新的基于可行保留策略和变异算子的改进粒子群优化算法来求解最优潮流问题。 避免了粒子在不可行域中的无效搜索，提高了算法的搜索效率，增强了算法的全局搜索 能力。 蚁群算法( a n tc o l o n yo p t i m i z a t i o n ，a c o ) 通过模拟自然界蚂蚁寻径的行为进行 最优解的搜索。该算法具有正反馈、分布式计算、贪婪式搜索等特点，因此被广泛的应 用于求解旅行商t s p 问题。它对组合优化等问题具有得天独厚的求解能力，文献 3 7 将 广义蚁群算法用于电力系统无功优化，建立了相应的无功优化模型和求解算法。文献 3 8 提出了一种可用于求解一般形式的非凸、非线性约束优化问题的广义蚁群算法，以用于 求解电力系统经济负荷分配问题。 人工鱼群算法( a r t i f i c i a lf i s hs w a r ma l g o r i t h m ，a f s a ) 一种基于模拟鱼群行为的 随机搜索优化算法，主要利用了鱼的觅食、聚群和追尾行为，从构造单条鱼的底层行为 做起，通过鱼群中各个体的局部寻优达到全局最优值的最优。文献 4 l 】应用人工鱼群算 法求解以发电成本最小为目标函数，并结合动态调整罚函数，将最优潮流问题转化成一 个无约束求极值问题，有效提高了a f s a 算法的全局收敛能力和计算精度。 上述方法求解最优潮流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 的算法都有各自的优缺点【4 3 一】，经典算法的不足主要是对目标函数与约束条件有一定的 限制，离散变量不好处理，并且编程复杂，难以收敛。而人工智能算法的缺点有按概率 进行操作，结果表现不稳定，易产生早熟现象，陷入局部最优解。综合以上，本文提出 的免疫克隆混沌算法利用免疫系统克隆选择的机制来实现优秀抗体的扩展、增生和进 化；用由亲和力函数和抗体浓度组成的生存期望值来抑制早熟，选出最优抗体；并采取 了变尺度混沌搜索方法对抗体进行扰动，既避免陷入局部最优解又加快了免疫克隆算法 的搜索速度，改善了其整体性能，使结果很快的收敛到全局最优解。 1 3 论文的主要工作 针对目前国内外最优潮流的模型及算法的研究现状，通过对我国电力市场环境特点 的研究，得出了以网损量最小和有功、无功购电费用最低综合协调考虑的多目标最优潮 流模型。论文还将一种新的优化算法一免疫克隆混沌算法应用于该最优潮流模型的计 算，求取该模型的全局最优解。 主要做了以下工作： 1 ) 考虑发电侧开放电力市场的特点，对传统最优潮流的模型进行了改进，得出了 以网损量最小和有功、无功购电费用最低综合协调考虑的多目标最优潮流模型。目标函 数具体包括三个部分：一是将电能传输中的网损量考虑进来，使得网损量最小；二是将 发电商竞价交易机制嵌入到最优潮流模型中，按统一市场出清价结算的有功购电费用最 7 l 绪论 硕上论文 小；三是根据典型的发电机无功报价模型，按发电机无功报价曲线计算的无功购电费用 最小。 2 ) 研究了模糊理论和多目标优化理论，对提出的多目标最优潮流模型模糊建模， 用最大满意度法将多目标问题转化为单目标非线性问题，并推导出了该模型的数学表达 式，从而方便地利用优化算法求解此单目标模型。 3 ) 将免疫克隆算法和变尺度混沌搜索方法有机地结合起来，形成了一种新的算法 一免疫克隆混沌算法。该算法引入了克隆选择算子、交换变异算子来实现优秀抗体的扩 展、增生和进化；引入抗体补充算子实现抗体的多样性；用由亲和力函数和抗体浓度组 成的生存期望值来抑制早熟，选出最优抗体；并采取了变尺度混沌搜索方法对抗体进行 扰动，既避免陷入局部最优解又加快了免疫克隆算法的搜索速度，改善了其整体性能， 使结果很快的收敛到全局最优解。并利用免疫克隆混沌算法对最优潮流问题进行具体的 程序设计，给出了算法流程和步骤。 4 ) 以i e e e l 4 、3 0 节点标准算例为试验系统，在m a t l a b 7 0 仿真软件平台上，编程 实现了免疫克隆混沌算法，进行了最优潮流计算。结果表明了综合考虑网损量、有功购 电费用和无功购电费用最低的最优潮流模型的正确性和优越性。该模型可以更好地优化 资源配置，降低网损，降低各项费用支出，提高整个系统的经济效益。论文还把免疫克 隆混沌算法与免疫遗传算法结果进行对比，可以看出前者能获得更优的计算结果，具有 较强的全局搜索能力，能有效地跳出局部最优解，避免早熟现象，稳定性能好，同时收 敛速度也有明显提高。 硕士论文 电力市场环境下最优潮流的模型及算法研究 2 电力市场环境下最优潮流的模型 电力工业的市场化改革，是在传统的垂直一体化运营方式下打破垄断，在发电、输 电、配电环节引入竞争机制。按开放程度，电力市场的运营模式可分为“垄断模式 、 “发电竞争模式”、“批发竞争模式 和“零售竞争模式”四种【4 5 】。 垄断模式一般是在一个区域内，仅有一家电力公司拥有和运营所有的发电厂和输配 电系统。发电厂之间不存在竞争，用户和配电方也没有市场选择权，输电系统不对其他 发电厂、用户和配电方开放。这种模式对应于传统的电力经营模式。发电竞争模式在发 电环节引入竞争，发电厂独立经营、竞价上网，输配电仍垄断经营，其经营者负责将电 力购入并通过输配电网络送至终端，进而出售给用户，此时用户市场尚未开放。批发竞 争模式下，配电公司或电力零售商可以通过输电系统直接向发电公司购电，即输电系统 向发电商和配电公司以及电力零售商开放，但是用户只能向所在区域配电公司或电力零 售商购电。批发竞争模式开放了输电网，在发电、输电环节引入竞争。零售竞争模式下， 所有用户可以选择发电商、配电商以及零售商，即用户拥有了市场选择权。此时，整个 电力工业的发电、输电、配电环节都引入了竞争。这种模式是电力市场改革的最终理想 模式，当前只有少数国外电力市场对大用户提供了市场选择权。 我国的电力市场正处于发电竞争模式阶段，即发电侧开放的电力市场环境。该模式 的最大特点就是引入了发电侧的竞争，而这些特点使得传统最优潮流的模型己不再适应 新环境的需要。本章针对网损量的计算、有功竞价、无功定价三个方面的内容，得出了 改进的多目标最优潮流模型。 2 1 传统的最优潮流模型 最优潮流是指在电力系统的结构参数和负荷给定的前提下满足指定的约束并使目 标函数最优的潮流分布。最优潮流被广泛的运用于电力系统的规划和运行中。 最优潮流的模型是在以下前提条件下提出的： 1 ) 各火电( 核电) 厂投入运行的机组已知，不解决机组开停问题； 2 ) 各水电机组的输出功率已定且由水库经济调度确定； 3 ) 电力网络结构确定，不受接线方式影响，不考虑网络重构问题。 最优潮流问题在数学上描述为在满足等式约束( 潮流方程) 和不等式约束( 安全限 制) 的条件下，求得一组控制变量和状态变量的值，使系统的某一指标( 目标函数) 达 到最优，是一个典型的非线性规划问题，其中主要构成包括变量集合、约束条件和目标 函数，分别介绍如下。 9 2 电力市场环境下最优潮流的模型 硕士论文 2 1 1 最优潮流的变量 在最优潮流的模型中，将所涉及的变量划分为控制变量及状态变量。 控制变量是系统中一组可以调整、控制的变量，通过对它的调整和控制可以使系统 达到我们所需求的运行状态。通常它包括： 1 ) 发电机有功输出功率和机端电压( 或无功输出功率) ； 2 ) 调相机和其它可调无功电源的控制电压( 或无功输出功率) ； 3 ) 可投切并联电容器、电抗器等的电纳； 4 ) 带载变压器的变比。 状态变量是控制变量的因变量，当控制变量确定以后，状态变量也就可以通过潮流 计算而确定下来。通常包括：各节点电压的幅值、相角和各支路的功率等。 2 1 2 最优潮流的目标函数 最优潮流的目标函数是为了某种特定的应用目的而定义的标量函数，最常用的形式 有以下两种： 1 ) 全系统运行成本最小：该目标函数一般表示为火电机组燃料费用最小，不考虑 机组启动、停机等费用。 n g m i n f = z ( ) ( 2 1 ) i = 1 式( 2 1 ) 中：n g 为发电机的总数，其中包括平衡节点的发电机组；鼻( 圪，) 为发电 机组的成本耗费特性；p g i 为发电机组f 的有功发电功率。 其中机组成本耗费曲线是模型的关键问题，它不仅影响解的最优性，还制约求解方 法的选取。通常机组燃料费用函数用其输出有功功率的多项式表示，最高阶数一般不大 于3 。若阶数大于3 ，目标函数将呈现非凸性，造成o p f 收敛困难。因此机组的成本耗 费特性通常用二次函数表示： 巧( 尼f ) = a 2 i 磁+ 口l f + 口o f ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中：a 2 f 、a l f 、a o ，为其成本耗费特性曲线参数。 2 ) 有功网损最小： m j n f = 弓，鲫 ( 2 3 ) i e l 此外，针对不同目的可选择不同的目标函数，例如：无功补偿效益最大、系统交换 功率最小，切除负荷量最小和功率调整量最小等。目标函数可统一表示为： m i n 厂= f ( “，x ) ( 2 4 ) 1 0 硕士论文电力市场环境下最优潮流的模型及算法研究 2 1 3 等式约束条件 等式约束为各节点注入有功功率和无功功率平衡约束，即潮流约束： 只= 巧( g ：f c o s o o + 岛s i n o v ) y e i q = k 巧( qs i n o y 一岛c o s 岛) j e i 可简化表示为：g = g ( u ，功 2 1 4 不等式约束条件 最优潮流不等式约束表示的是电力系统安全运行和电能质量约束， 1 ) 发电机节点电压约束： ，也，一 2 ) 发电机有功和无功出力约束： 吃，袖乞乞，一 ，袖踢，懈 3 ) 有载调压变压器变比约束： 乃，础乙s 乃，一 4 ) 可调无功电源出力约束： ，i i l i 。，一 5 ) 负荷节点电压约束： ，i l l i 。，一 可以将上述的不等式约束条件统一表示为：h ( u ，x ) o ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 一般包括： ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 综上所述，传统最优潮流的数学模型可以表示为： m i n f = f ，曲 s t g = g ( u ，x ) ( 2 1 5 ) h ( u ，x ) 0 可以看到，电力系统最优潮流计算是一个典型的多约束非线性规划问题。实际上， o p f 的不同应用主要取决于不同的目标函数、不同的控制变量和状态变量、以及不同的 约束条件的组合。针对不同的使用环境和背景，通过改变目标函数、选择不同的控制变 量、状态变量和约束条件便可使最优潮流模型适应各种不同的需要。 2 2 改进的最优潮流模型 前面指出我国的电力市场改革j 下处于发电竞争模式阶段，即发电侧丌放的电力市场 环境。 2 电力市场环境下最优潮流的模型 硕士论文 2 2 1 网损量的计算 a ) 网损分摊的方法 4 6 4 7 】 网损是有功电能在网络传输时，由于线路阻抗而产生的损耗。根据统计资料，输电 网网损量占所传输总电能的比例约为1 2 。输电网的网损较配电网低，但是由于输 送的总电能较大，因此其损耗不可忽视。在电力市场环境下，网损常通过一些计算方法 分摊给电网，用户或者发电商，称为网损分摊。 在完全开放电力市场中，电网公司的责任是提供输电设备，为电力供电方、用电方 输送电能。电网公司为了回收输电设备和提供相关输电服务所付出的成本，需要对电力 供用双方收取相关的费用，即输电费用或者过网费。输电公司只为交易双方提供输电服 务，而电能的输送必然会带来相当的电能损失，该损失如果由电网公司承担显然是不合 理的。因此在电力市场完全开放的环境下，网损的费用通过网损分摊的方法，由各发电 商或者购电商承担，或者按照一定的方法，将其计算进输电辅助服务费用中去。 但是在仅发电侧开放的电力市场中，用户侧并未开放，尚无条件建立起输电服务市 场。输配电仍然由电网公司统一经营，电网公司兼有输电运营商和购电商的双重角色， 其追求的是购电和售电价格之间利润的最大化。输电损耗作为其运行成本的一部分，应 该由其自身承担，这对于其进行高水平的运营服务和降低成本也有激励作用，同时为其 合理改造建造电网结构有促进作用。因此在发电侧开放电力市场环境下，电能的网络传 输损耗应由电网公司独自承担，而不应进行分摊。 b ) 考虑网损量的o p f 模型【4 8 】 在我国电力市场环境下，电网独自承担有功网损，用网损量表示的最优潮流模型的 目标函数为： l 石( x ) = = ( 圪一) 一m i n ( 2 1 6 ) i = l 式( 2 1 6 ) 中，表示系统网损，圪为发电机i 的有功出力，昂，为节点i 的有功 负荷。最优潮流本身在进行潮流计算的同时即可计算网损，能够得到精确的网损量。 2 2 2 有功功率的定价 电力市场中最主要的商品是有功功率，对其购买和定价方式也很多。 发电侧开放电力市场的一个重要特征就是实现了发电商竞价交易。这也是发电开放 模式与传统垄断模式的最大不同。竞价交易主要集中在日前市场，日前市场交易是指在 交易前一天，购电商和发电商通过竞价投标的方式进行交易确定购电计划。发电商提前 一天上报次日的机组可用出力及相关报价曲线，电网作为唯一购电方将根据次日的用户 负荷预测电量去进行购买，来确定最经济的购电计划并确定交易价格。通常，采用分时 1 2 硕士论文电力市场环境下最优潮流的模型及算法研究 竞价的方法，即以每半小时为一个时段，将每天分为4 8 个时段，发电商进行分时段投 标，竞争次日4 8 个时段的发电负荷。电网根据发电厂申报数据和系统负荷预测结果， 在考虑备用和发电机组位置等约束的前提下，根据全网购电成本最低的原则，确定次日 的购电计划，并得到次日各时段的电价。 a ) 竞价交易的特点 4 9 ，5 0 】 传统垄断方式下，电网依靠调度指令来安排发电厂的出力，发电厂只能听从调度的 安排，厂网之间依靠的是行政手段进行运作。但是在市场环境下，发电公司向电网提供 报价曲线，电网公司根据价格高低选择购买电能，发电商与电网公司之间的联系依靠的 是经济手段。电网公司可以由于某发电商的电价过高而拒绝购买其电能，发电商也可以 由于系统电价过低而选择停机。 传统垄断方式下，电厂与电网一体，电厂只需要向电网提供其成本耗量曲线，即发 电成本。而厂网分离后，发电商作为独立的经济实体，出售电能的目的是为了获取利润。 因此，发电商向电网公司提供的是考虑了成本并附加利润的售电价格。 发电机的成本耗量曲线往往是二次曲线，如下式所示： c = 盘尸2 + 卯+ c( 2 1 7 ) 理论上开放的发电市场应该是一个完全竞争市场，价格应该与价值相符。但是由于 电力系统具有其特殊性：例如进入发电领域需要较大的投资规模，存在很高的进入门槛； 为了兼顾效率，在一个区域内发电商的数量是有限的；输电约束和输电损耗使得区域外 的发电商难以向该区域售电。因此实际的发电市场既不是完全竞争的也不是完全垄断的 市场，而是介于两者间的垄断性竞争市场。那么部分发电商就具有了使交易计划偏离完 全竞争市场价格的能力。这些发电商可以通过策略性投标而非降低成本来成功地增加利 润，这就是市场操纵力。发电商可以在考虑电力系统运行的各种规则和限制条件的基础 上，利用电力市场的特性，通过合法的操纵市场力，合理选择报价曲线，谋求自身利益 的最大化，这便是