（电力系统及其自动化专业论文）计及可中断负荷的阻塞管理方法研究.pdf

东北电力大学硕士学位论文 a b s tr a c t t h ei n n o v a t i o no fe l e c t r i cp o w e r i n d u s t r yf r o mv e r t i c a li n t e g r a t e dm o n o p o l yt o c o m p e t e dm a r k e tc r e a t e san e wd e v e l o p m e n t a lo p p o r t u n i t yf o re l e c t r i cp o w e r i n d u s t r y , w h i l e g i v e sn s et om a n yn e wp r o b l e m sa n dc h a l l e n g e ss u c ha st r a n s m i s s i o n c o n g e s t i o n t h et h e s i sa n a l y s i ss o m ek i n d so fp o w e rt r a d e ，a n dt h e n ，c o n s i d e r i n g d i f f e r e n tm o d e l so fp o w e rm a r k e t ，d i f f e r e n tc o n g e s t i o nm a n a g e m e n tm e a s u r e sa l e p r o p o s e d u n d e rm a r k e te n v i r o n m e n t m a s s i v et e c l l l l i c a l q u e s t i o n s o f c o n g e s t i o n m a n a g e m e n ta l ed e s c r i b e sa sa no p t i m a lq u e s t i o n c o n g e s t i o nm a n a g e m e n tb a s e d0 1 1 t h e g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) w i t hd i f f e r e n t i m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u e s i s d e v e l o p e d t l i sp a p e rt h o r o u g h l ys t u d i e st h ed i f f e r e n tf i t n e s sm e t h o d sa n dg e t 血c b e s t t h ee f f e c t i v e n e s sa n dp r a c t i c a l i t yo ft h ea l g o r i t h ma r ev e r i f i e db yi m p l e m e n t e d i ni e e e3 0b u ss y s t e m c o n c e p t i o no fi n t e r r u p t i b l el o a d ( i l ) i si n t r o d u c e di nd e t a i l i n t e r r u p t i b l e1 0 a d m a n a g e m e n t ，a l li m p o r t a n tp r o g r a mo fd e m a n ds i d em a n a g e m e n t ( d s m ) ，h a sd e e p i n f l u e n c e so nt h er e l i a b l ca n de c o n o m i c a lo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m s t h e 廿l e s i s d i s c u s s e st h ec o n t e n t sa n di m p l e m e n t a t i o np r o c e s s e so f t h ei n t e r r u p t i b l e1 0 a dc o n t r a c t t h cs e v e r a ib a s i sp a r t so ft h i sr e s e a r c ha l es u m m a r i z e d at r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o n m a n a g e m e n tm o d e lb a s e do ni n t e r r u p t i b l el o a da n do p t i m a lp o w e rf l o wi sp r o p o s e d 。 t h er e s u l tf r o me c o n o m i c a le f f i c i e n c ya n a l y s i so ft h ep r o p o s e dm o d ea n dt h a tf r o m c a l c u l a t i o ne x a m p l eb yi e e e3 0b u ss y s t e ma n dc o m p a r i s o nw i t ht r a d i t i o n a l a d j u s t i n ga p p r o a c hd e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e dm o d e li se f f i c i e n tt os o l v er e a l - t i m e c o n g e s t i o np r o b l e m d r a wac o n c l u s i o n ，i ne l e c t r i c i t ym a r k e te n v i r o n m e n tt h e p a r t i c i p a t i o no fi n t e r r u p t i b l el o a di nc o n g e s t i o nm a n a g e m e n tc a ne f f e c t i v e l ym i t i g a t e t h ec o n g e s t i o n k e y w o r d s ：c o n g e s t i o nm a n a g e m e n t tg e n e t i ca l g o r i t h m ：i n t e r r u p t i b l el o a d m a n a g e m e n t ；e l e c t r i cp o w e rm a r k e t ；r e a l - t i m ep o w e rm a r k e t 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报： 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名： 越渣日期：迎2 年上月_ 2 鱼日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：凝透日期：也1 年立月- 2 生日 导师签名 霉肄 日期：211 2 年王_ 月上l b 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 长期以来，由于电力产业被认为是一个具有较强垄断性的基础性产业而受 到政府的严格管制，使电力系统处于一种完全垄断状态。随着社会经济的发展 和技术水平的提高，这种电力经营模式已经制约了电力产业的发展，传统的自 上而下的垂直型管理的观念已经面临着严峻的挑战。自从2 0 世纪8 0 年代世界 上一些国家开展电力市场化改革，由于可以提高效率，降低电价，电力市场化 浪潮很快推广到世界上的许多国家。最大限度的在电力系统中引进竞争，已被 大多数国家所接受。建立电力市场，本着公平平等的原尉迸行电力自由贸易的 方式越来越受到人们的重视。我国的电力工业以国家机构改革和产业结构调整 为契机，开始了电力市场化进程。随着社会主义市场经济体制的建立，电力工 业面向市场，引进市场经济体制，已成大势所趋。经济学研究的核心是资源的 有效配置。资源是有限的，而人的需求是无限的，引入市场竞争机制。实现电 力商品化，是实现资源有效配置的重要措施。 市场环境下，缓解电力网络输电阻塞是保证电力系统安全运行的关键。无 论从缓解手段、预防策略及分析方法上都应进行研究“1 1 。 1 2 电力市场与阻塞管理 1 2 1 电力市场概述 电力市场( p o w e rm a r k e t ，或e l e c t r i c i t ym a r k e t ) 又称开放管制( d e r e g u l a t i o n ) ， 是9 0 年代初期首先在英国、挪威等国家应用的一种新型电力企业运营方式，它 是以促进电力企业间的公平竞争为基础的，其目标都是开放电力市场，引入竞 争机制，提高效率，降低成本，优化资源配置，并最终使用户获利。与过去的 垂直集中管理方式相比，可以明显降低成本，提高生产率，因此，很快推广到 了世界上许多国家。 东北电力大学硕十学位论文 电力市场是采用经济、法律、技术等手段，本着公平竞争、自愿互利的原 则，对电力系统中的发电、输电、配电、用户等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足开放性、竞争性和协调性。电力市 场运作产生的高效率，已为世界各国电力工作者所重视和肯定。 从国内的理论研究看，国内电力市场研究工作已经取得了丰硕的成果，但 是偏重于宏观、总体研究，尤其在政策环境和市场模式、电价体系以及技术支 持系统方面的研究居多，而对于交易机制以及市场环境下的调度和控制问题的 研究不够深入嗍。 随着电力市场实践的逐步深入，为了配合发电侧电力市场的运营，需要对 电力市场交易理论进行更加深入和细致的研究。不仅需要从全局、宏观的角度 去把握电力市场的运行机制，而且需要制定出简单、实用、可操作的交易规则。 电力市场发展的基本规律是发电竞争、电网开放和用户管理。他的建立打 破了电力工业传统的发电、输电和配电垂直一体化的运营格局，最终将使发电 厂、电网公司、地方供电公司成为三个独立经营，自负盈亏的经济实体，构成 电力市场的主要参与者。而作为非盈利机构的i s o ( 独立系统运营者) ，则承担 安排电力交易计划，协调整个电力市场运作，确保电网安全经济运行的职责。 发电厂作为电力产品的生产者通过竟价方式上网发电，并通过输电公司提供的 输电服务，把电能输送到地方供电公司或大型终端用户”1 。电力市场下，电力系 统的调度运行目标已经不同于传统的经济调度模式，这就对电力系统运行的管 理模式和技术支持系统都提出了新的要求。 1 2 2 阻塞管理的定义 由于输电网络在电力市场中的特殊地位，输电网络管理成为研究热点。输 电网络管理的研究集中在三个方面，分别是输电阻塞管理、输电定价以及电网 扩展规划。输电网络管理的目标是充分利用已有输电能力，通过市场手段吸引 投资改善网络状况，使网架结构逐步满足竞争的要求。 输电阻塞就是指由于线路达到热稳定、动稳定极限或节点电压达到了稳定 极限，而不能完成预计的输电计划的状态旧。它通常指输电系统在正常运行或进 行事故安全检查时，出现了以下两种情况： ( 1 ) 输电线路或变压器的潮流超过允许极限； ( 2 ) 节点电压越限。 第1 章绪论 在电力市场环境下，网络中的潮流分布主要取决于电力交易的分布。而电 力交易的原赋是以科润最大化为甚标，以价格为导商，这将使电力系统中的某 些输电价格较低的线路或某些与电能价格较低的发电机节点相连的线路承载较 重的负荷，从而大大增加了发生输电阻塞的概率吲。 在实际运行中，输电阻塞的发生将使系统的安全性和稳定性受到威胁，使 电能交易计划无法实现，也将影响到资源的优化配置和利用，还可能导致市场 力滥用，引起电价的扭曲。 可见，电力市场环境下阻塞管理是非常重要的。阻塞管理的任务是要制定 一系列规则，有效地控制发电机和负荷使系统的短期运行具有一定的安全和可 靠性裕度，同时，为系统的长期投资规划提供有效信息。从短期而言，阻塞管 理需要制定一个公平的削减交易的计划和制定新的调整准则，从而实现电力系 统的最优安全经济调度，保证系统安全可靠的运行；从长期而言，阻塞管理应 该通过价格信号为系统的长期健康发展提供激励。 如何有效地协调安全性与经济性这一对矛盾，而确保系统在满足安全性的 前提下实现系统的经济运行，已成为亟待解决的问题。 1 ，2 3 阻塞管理方法分类 目前，解决阻塞问题可以通过经济上和技术上两种途径进行“。 出于输电阻塞是由厨络输电容量与输电计划之间的矛盾引起的。因此，消 除阻塞的方法，首先可以从网络的物理特性考虑，尽可能通过调整网络结构和 控制器参数改变网络潮流，以消除阻塞，从而避免更改发电计划以及由此导致 的阻塞费用，使发电方案最优。其方法大致有三种： ( 1 ) 增加新的输电线路； ( 2 ) 调节有载调压变压器的抽头； ( 3 ) 使用柔性交流输电系统( f a c t s ) 。 当发生输电阻塞时应首先动用调节潮流的设备，但是，上述方法要受到设 备性能和资金投入以及地理环境等因素的限制。 对于长期在拥挤或由于网架结构不合理带来的拥挤。可以通过新建电厂和 新建线路来消除。在垄断工业体制下，这些方法靠调度指令来完成。但在电力 市场环境下，应通过经济的杠杆来完成，即可以通过微调电力联营中心的交易 计划、裁减电力联营中心的可中断负荷等市场调节手段来实现。在不考虑市场 东北电力大学硕卜学位论文 力的前提下，这种阻塞管理机制既体现了公平性，也鼓励了各市场成员的积极 性，为系统调度提供了更多调节手段。但当存在市场力时，这种措施可能对蓄 意抬高电价有推波助澜的作用。这时可通过签订有效的贸易合同以遏制这类行 为的发生。 当输电系统无法满足所希望的输电计划时，在公平竞争和资源优化的条件 下，以经济性为目标，建立竞争机制，利用价格手段，调节交易量的减少或增 加，从而降低过载线路的潮流。这样的方法有： ( i ) 系统再调度( 增减发电机的出力，但使系统不再运行在最佳平衡点) ； ( 2 ) 削减交易合同和输电计划； ( 3 ) 削减负荷和实行可中断负荷； ( 4 ) 基于o p f ( 优化潮流) 的实时电价节点电价( 依赖于电力市场本身的 调节作用完成) 。 阻塞管理的内涵非常广泛，处理也十分复杂，它与市场交易和系统运行的 各个方面都紧密关联。影响阻塞管理方法的因素主要有以下几个方面： ( 1 ) 电力市场的交易模式( 联营体模式、双边交易模式、混合模式) ； ( 2 ) 电力市场的交易时序( 期货交易、远期合同、现货交易、实时平衡) ； ( 3 ) 电力市场的交易范固( 单个独立市场、跨区域交易) ； ( 4 ) 阻塞管理的处理方式( 集中优化、分散优化) ； ( 5 ) 阻塞管理的目标( 全网购电成本最小、社会效益最大、阻塞调整容量 最小等等) ； ( 6 ) 电力市场的价格机制； ( 7 ) 可交易输电权的引入； ( 8 ) 电力市场中负荷需求弹性的影响( 刚性、柔性) ； ( 9 ) 需求侧管理发展及应用( 实施降压减载，f a c t s 装置的应用可中断 负荷的应用) 。 1 3 阻塞管理的研究现状 目前，国内外阻塞管理方法最主要的还是按照电力市场交易模式进行研究， 世界上现行的电力市场交易模式主要有联营交易模式( p o o lm o d e l ) 、双边交易 模式( b i l a t e r a lm o d e l ) 和两者的结合体。阻塞管理方法的确定主要依据于所采 用的电力市场的模式，各国根据不同的市场运行模式有着不同的解决方案“”。 第1 章绪论 根据电力市场交易的特点，按交易发生的顺序，把电力市场分为几个不同 的交易阶段，文献( 1l 】提出了分阶段、分躅瓤地进行阻塞管理的方法。将交易分 成远期合同交易市场、现货交易市场、实时平衡调节交易市场，同时针对各交 易阶段阻塞问题的特点，采用不同的原则和方法进行阻塞调度。 在阻塞管理优化目标方面。文献 1 2 】否定了社会福利最大化为优化目标的输 电调度模型，指出其存在的一些不足，并建立了以最大化电力市场交易量为优 化目标的输电调度模型。 电力交易按市场区域范围可分为单个独立市场和跨区域交易市场，电力市 场化改革要求开放本地市场，开展跨区交易，促进竞争。文献【1 3 】对近年来国外 提出的跨区域阻塞管理方法进行了评述，为进一步研究跨区域交易的输电服务 制定合理的跨区交易的输电价格提供参考。 实时电力市场的建立是由电力的生产和消费必须实时平衡这一特性决定 的。对于我国的电力市场改革，建立实时市场也是必然趋势。文献【1 4 】提出了一 种新的优化类算法用于解决实时电力市场的阻塞管理问题。该文方法将优化问 题转化为等价的非线性方程组，其求解利用了半光滑牛顿类算法，具有较快的 收敛速度和较强的鲁棒性等特点。对于阻塞管理的数学模型文献【1 5 1 也提出了一 种基于市场报价的阻塞管理模型。该模型考虑双边交易和实时市场的调整报价， 解决了实对平衡市场中的电源不能满足阻塞管理的问题。实时运行对系统稳定 性要求更高，基于此，文献1 6 】对电力市场中暂态稳定约束下的阻塞管理模型进 行了研究，结果表明在消除网络阻塞的同时可以确保电力系统的安全稳定运行。 电力市场下，用户作为参与者，其需求弹性对电力系统输电阻塞的解决起 着很大的作用，文献【7 】得出结论，负荷需求弹性的增大有利于缓解输电阻塞。 电力市场中，输电网开放增加了系统阻塞的可能性，而阻塞削弱了竞争机制， 减少了社会经济效益。明显高的电价将促使具有弹性的市场参与者采取裁减负 荷或停止用电等措施，从而消除或缓解整个网络电力传输阻塞“”。 文献【6 】提出了一种新型的电网输电阻塞管理模式，以全网的购电费用最小 为目标，在日前市场阻塞管理中应用可中断负荷，有效地避免了调用高价电能， 从而减小了全网的购电费用。文献【1 8 1 刹用可中断负荷能够提高需求侧弹性的特 点来考虑，通过市场供求关系确定电价可显著减轻阻塞。 可见在以往的阻塞管理方法的研究中，已经开始考虑负荷的作用，包括考 虑需求弹性影响的阻塞管理，考虑负荷参与报价的阻塞管理“”等。随着对可中 断负荷的研究不断深入，可串断负荷管理成为电力市场环境下必不可少的组成 东北电力大学硕卜学位论文 部分，同时为市场下阻塞管理方法的研究开辟新的途径。 作为电力系统需求侧管理( d s m ) 的重要组成部分，可中断负荷管理利用 用户的用电灵活性，来缓解负荷高峰时的供电紧张状况，以避免或减少昂贵的 旋转备用和满足用电需求增长而需要的发电容量投资。 可中断负荷目前的研究是为了解决系统发电容量短缺，或者增加足够的运 行备用等方面，对于系统传输容量短缺( 即发生阻塞) 的情况如何应用可中断 负荷来解决是一个值得研究的课题。 1 ，4 本文所做钓主要工作 本课题研究的是电力市场下计及可中断负荷的阻塞管理模式，在电力市场 下的阻塞管理不同于以往的垂直管制下的阻塞管理，本文详细讨论了电力市场 下不同交易模式、不同交易时序的阻塞管理方法，在考虑可中断负荷管理的特 点，提出可中断负荷参与实时平衡市场的阻塞管理，给出了数学模型及算法流 程。采用i e e e 3 0 节点系统对本文阻塞管理模式进行分析研究。本文主要做了以 下几方面工作； 1 主要阐述了论文的研究背景及意义，综述了电力系统阻塞管理的研究现 状，分析了电力市场环境下电力系统的阻塞管理所面对的挑战。提出本文研究 的主要内容。 2 总结了电力市场下的不同交易模式，以不同交易时序为主线研究相应的 阻塞管理方法及其最优调度过程。结合目前实时市场交易，对实时阻塞管理进 行了详细的设计，提出了一种简单可靠的实时阻塞管理框架。 3 根据实时阻塞管理模型的特点，介绍了一种智能型的优化算法一遗传算 法，并将其应用到了阻塞管理当中，着重对约束条件的处理作了对比分析与总 结。采用i e e e 3 0 节点系统进行阻塞管理的仿真。验证了算法的可靠性和正确性。 4 概述了可中断负荷管理方面的研究成果，对可中断负荷的成本效益及其 运营方式进行了系统的分析总结。提出了可中断负荷管理尚需研究的内容。 5 研究了一种计及可中断负荷的实时阻塞管理模式，建立了基于调整报价 及优化潮流的数学模型，并采用i e e e 3 0 节点系统进行阻塞计算，对一般情况与 紧急情况下阻塞管理结果作了详细的对比分析，结果表明本文所提方法，在有 效消除系统输电阻塞的同时，降低了实时阻塞成本，能够保证电力系统经济、 稳定的运行。 篱2 章电力市场下的阻寒管理 2 1 引言 第2 章电力市场下的阻塞管理 随着输电网开放以及跨区电能交易的日益增多，输电阻塞问题将e t 益严重。 输电系统阻塞的原因有两个：一是输电线的热容量限制，二是系统的稳定性限 制。系统输送容量的限制将带来两方面的影响：首先它使系统的安全性和稳定 性受到威胁；同时它使电能交易计划无法实现，影响资源的优化配置和利用， 还可能导致市场力的滥用，引起电价的扭曲。 阻塞管理的目标是制定一系列规则，有效地控制发电机和负荷，使系统的 短期运行具有一定的安全和可靠性裕度，同时为系统的长期投资规划提供有效 信息。从短期讲，阻塞管理是一个交易计划调整策略的制定问题。通常的措施 为发电量的转移，其思想是在安全范围内寻找与原市场交易计划尽量接近的工 作点。因此需要制定公平的交易计划削减和调整准则，从而实现电力系统的最 优安全经济调度，保证系统安全可靠运行；从长期讲，阻塞管理应该通过价格 信号为系统的长期健康发展提供激励。 阻塞管理方法从不同的角度有不同的划分。从其应用方法来说，通常可分 为两大类，一类是基于交易的另一类是非基于交易的。从交易调整的理论方 法来说，主要可分为基于o p f ( 优化潮流) 的方法和基于非o p f 的方法，在基 于o p f 的阻塞调度模型中的目标函数又和市场模式有很大的关系。从交易的调 度范围来说，可以分为单区域阻塞管理和跨区阻塞管理。 本章首先对电力市场的三秘交易模式作简单介绍，然后以电力市场混合交易 模式下不同的交易入手，分析不同的交易时段下的不同阻塞管理方法”“ 2 ，2 电力市场的不同交易模式 电力市场存在多种交易模式，如联营体交易模式、双边和多边交易模式，以 及联营体和双边混合交易模式。 东北电力大学硕十学位论文 2 2 1 联营体交易模式 在单纯联营体交易模式中，发电公司及一些电力市场大用户向市场组织者 提交下一交易时段所能提供的电力和价格曲线，组织者根据负荷预测及所有投 标，按照满足负荷要求、供需平衡且生产成本最低原则确定发电计划和交易价 格。英国旱羯鹃电力市场就是通过联营体进行龟力交易的。 2 2 2 双边交易模式 电力市场的双边交易模式是指发电商和用户直接签订购售电交易计划。由于 大量的双边交易很难保证同时可行，i s o 必须对双边交易进行校核。因此双边交 易阻塞管理的问题是如何调整和削减双边交易。不同的调整目标形成了不同的 模型。 2 2 3 联营体和双边交易混合模式 由于电力商品必须实时平衡的特点，完全双边交易模式的电力市场通常都与 其他交易模式相配合，因此联营体和双边交易混合模式是目前几乎所有电力市 场采用的交易模式。在这种混合模式下，既存在发电商和用户之间的双边长期 供电合圊。同对也设立日裁( d a y a h e a d ) 秘对前( h d u r - a h e a 6 ) 联营体模式现 货投标市场。为保证系统的安全、频率和负荷平衡，还设立了实时平衡市场 ( r e a l t i m eb a l a n c i n gm a r k e t ) 。 混合模式允许双边和联营体等多种交易存在，是它的显著优点。但多种交 易模式也使混合模式下的阻塞调度变得比较复杂。需要解决的问题包括：合同 电量和现货电量的比例；计划需调整时按何种原则调整各种类型交易；支付因 子( w i l l i n g n e s s t o p a y ) 的合理设定；实时市场辅助服务的获取问题；以及计及 辅助服务及其成本的调度目标等等。以上问题值得进一步研究。 第2 章电力市场下的5 且皋管理 2 3 阻塞管理中交易量调整的理论方法 2 3 ，1 基于0 p f 的方法 基于o p f 的阻塞管理的实质是一个最优潮流问题，它是在以经济调度为基 础的实时电价理论基础上，由节点电价模型( n o d a lp r i c i n g ) 和p o o l 交易模式发 展而来。阻塞调度又可以分为集中优化阻塞调度和分散优化阻塞调度。 基于o p f 的集中优化阻塞调度的数学模型可描述为确定一组最优控制变量 u ，以使目标函数最小。并满足等式和不等式约束： m i l l c ( x ，“) ( 2 - 1 ) s j f ( x ，l , t ) = 0 h ( x ，“) 0 式串y ( x ，锋) 的为灞流方程等式约束；h ( x ，“) 不等式约束包括发电杌出力约 束，支路潮流约束，电压约束等。 t 集中优化阻塞调度 集中优化阻塞调度的目标函数和市场模式有很大的关系，集中优化阻塞调 度的优点是：理论严格，可提供节点电价等经济信息。对于确保系统安全性， 这种基于集中优化思想的调度方式无疑具有优势。缺点是：( 1 ) 算法复杂，解 的透明性、收敛性和收敛速度问题：( 2 ) 发电商的投标策略。由于电力市场下 的最优调度与传统最优潮流最大的区别在于发电厂和用户的投标数据替代了实 际成本和效益数据，而最优潮流计算仍有意义的前提是假设投标数据反映了发 电商的真实成本以及用户的真实效益，因此发电商的投标策略可能使最优解并 菲真正最优。 2 分散优化的阻塞调度 为了使市场运作更加透明，同时充分调动市场成员参与的积极性，一些学 者提出了基于分散优化思想的阻塞调度方法。分散优化的阻塞管理更符合市场 化的分散决策原则，其优点是：对发生阻塞的线路可以进行显性定价；各交易 者可以根据阻塞线路输电价格调整交易量，以追求利润最大化，价格一交易量 迭代可收敛于最优解。其缺点是：在实际应用中需要非常复杂的市场机制，充 分的信息共享和对通信的要求很高，这在目前的技术条件下尚难以实现。尽管 东北电力大学硕十学位论文 如此，分散优化的阻塞管理方法提供了非常好的思路，决策分散化应该是未来 发展的方向。 2 3 2 基于非0 p f 的方法 基于非o p f ( 优化潮流) 方法的阻塞调度主要包含基于市场规则和灵敏度的 方法。其优点是简单、无收敛问题，但只对少量阻塞较适用。 2 4 基于不同交易阶段的阻塞管理方法 对于一般的商品市场，根据时间跨度通常只分为远期市场( f o r w a r dm a r k e t ) 和现货市场( s p o tm a r k e t ) 。现货市场是进行实物交易的市场，在此之前的市场 统称为远期市场。在电力市场中，时间跨度的划分方法并不统一。由于电力市 场中般还设有实时平衡市场( r e a l t u n eb a l a n c i n gm a r k e t ) 。因此，现货市场 通常指日前( d a y - a h e a d ) 市场。根据电力市场交易的特点，按交易周期、交易 发生的l 顷序，本文把电力市场分为几个不同的交易阶段：远期合同交易市场、 现货交易市场、实时平衡调节交易市场o “。 本节研究了各类交易市场的特点及其阻塞管理问题。针对各交易阶段阻塞 问题的特点，采用不同的原则和方法进行阻塞调度，以最大限度地保证系统的 安全可靠运行。 2 4 1 远期合约市场交易及其阻塞管理 2 4 1 1 远期合约交易远期市场的设立，目的是使电力生产者能够确定稳定 的生产计划，电力消费者能够得到稳定的电力供应。电力市场中有很大比重的 供需电量是在合同交易中确定的，约占总交易量的7 0 8 0 。稳定的供求关系 可以减弱市场参与者进行市场投机的动力，有利于稳定电力现货市场中的价格， 而稳定的电价使得电力生产者能够进行有效的系统规划，保证电力系统的稳定 发展。 远期合约的交易主体是发电公司和配电公司以及大用户。符合市场化原则 的远期双边合约的签订方式主要有两种：双边协商和竟价拍卖。双边协商方式 第2 章电力市场下的阻雍管理 是由买卖双方通过双边协商谈判而直接达成年、月、周的远期合约。竞价拍卖 方式是般票和期货交易市场所采取的形式，所有交易裔在一个中问( 协调) 机 构管理下进行交易，在同一时刻所有相同的商品按照统一的市场价格交易，市 场价格随着时间不断的变动。 系统运行员的主要职责是采取措施减轻输电系统阻塞以确保系统安全，进 行预想事故分析，负责检测系统是否有足够的备用容量，以及相关的辅助服务 等。只有系统安全受到威胁时，系统运行员才干预远期合约市场的交易。 2 4 1 2 远期合约的交易调整当远期合约威胁到系统的安全时，必须按照一 定的原刚对其进行裁减。最简单的裁减原刚是根据优先级排序的“后进先出” 原则，这种原则处理过程中，首先按照交易的时间跨度。以及是否可裁减等准 则，对合约进行优先级分类：然后利用功率传输分布因子和支路停运分布因子 计算某一交易对系统过负荷设备的影响程度，影响程度最大的合约被裁减。 考虑到不同的远期合约交易的重要性和经济性不同，引入支付因子作为交 易重要性和经济性的指标。支付因子由市场成员申报，并由i s o 根据市场规则 确定。引入支付因子体现了市场的竞争原则。当支付因子为l 时，各交易平等 对待：当某交易有优先级时( 如愿意支付更高的输电费用，或根据政策需要优 先考虑) ，支付因子取较大的值。可行性校核的目标函数为计及支付因子后的交 易调整量最小： m i n y 雠2 ( 2 - 2 ) 一 k 吒 式中 叫为交易i 的支付因子；为交易调整量( 发电机节点i 的调整量) ； g ，) 为交易的发电机集合； 优化函数相应的约束条件如下： a ) 交易平衡约束： 必= a d , v f q ，j e d p ) 式中 a d ；为交易调整量对应的负荷节点j 的调整量： d ，) 为所有交易的负荷 集合；节点f 和，属一个交易。 b ) 发电机出力约束： 栅一呓 a p 6 j s 只“一呓v f g ) 式中，只“和0 面“分别为发电机i 出力上下限；宅为发电机i 初始出力；a p a l 东北电力大学硕十学位论文 为发电机i 出力调整量： g 为所有发电机集合。 c ) 负荷变化约束： 9 7 ”一d o s q s j d 严一哕w d 式中 d ? “和d r “为负荷，调整范围的上下限；d ? 为负荷_ ，初始量；d ，为负 荷调整量。 d ) 线路潮流约束 一只一c 0 弓只一等v ，仨 三 式中 r 为支路的潮流限制，可以取热稳定和动稳定约束中的小者：芹为 支路 的初始潮流：0 为支路l 的潮流变化量； l ) 为所有线路集合。 2 ，4 2 现货交易及其阻塞管理 日前市场是提前一天，以电力联营库( p o o l ) 的形式组织交易的电力市场， 发电商可以提前一天根据机组的经济性、技术性，例如检修计划、机组开停等 组织生产。由于这种交易组织形式与电力生产的发电预调度计划紧密结合。符 合电力生产高度的计划性和组织性的技术特征，因此被大多数的电力市场所采 用。 臼前市场的交易通常是发电商提前一天上报次日的机组可用出力及价格， 系统运行员根据用户投标( 或负药预测) 确定最经济韵发电计划并确定交易价 格。以英国电力市场为例，以每半小时为一个时段，将每天分为4 8 个时段，发 电商根据负荷预测结果进行分时段投标，竟争次日4 8 个时段的发电负荷。电力 联营中心在考虑备用和发电机组位置等约束的前提下，根据全网成本最低的原 则，确定次日的发电计如，并得到次日各时段的电价。 日前市场阻塞管理的流程如下： 1 ) 市场根据所有参与者的报价形成供给曲线和需求曲线，计算市场出清价 格，这个价格没有考虑输电约束。 2 ) 如果市场交易形成的系统预调度显示，某些线路潮流超过线路容量，那么 将重新调度。 日前市场的阻塞管理就是要在投标的发电商之间重新进行电力的分配，因 而相当于求解以下优化问题： 第2 章电力市场下的m 雍管理 优化目标： r n i n f 巳( 巴) 1 l 口e gj ( 2 3 ) 其中，g 为现货交易中的发电节点集合。c 为发电商报价的投标函数。 优化计算中考虑如下约束条件： ( 1 ) 潮流约束 互一专一巧( g ；c o s 岛+ 岛s i n 巴) ：0 i e m 纬一玩一k 巧( g ；s i n a i + 色c o s 岛) = o j e i 其中，只= 名一兄，为现货交易量，上标，表示远期的合约交易，上标s 表 示现货交易。乓和乞为节点的现货交易，纬和缆为节点的无功出力和无功负 荷。 ( 2 ) 无功和电压约束： 。m 如s q 5 ，。 巧m i 。k 一 3 ) 交易量调整约束 弓曲名匕。 ( 4 ) 线路传输容量约束： 毛。s 毛s 毛，。 以上构成了现货交易中的基于报价函数的阻塞管理数学模型。 2 4 3 实时平衡调节市场的阻塞管理 电能是一种特殊的商品，保持电力平衡和系统安全是实现电力交易过程中 时时需要保证的基本前提。从保证系统安全、消除阻塞看，在实施平衡调节市 场申远期合同移现货交易都可以也应该参与调节的投标。原则上负荷方是减容 量；发电方作为合同交易也要减合同容量，而作为现货交易，则可能是增加或 减少出力。阻塞调度的目标是使重新调节的总费用最小。本节从实时平衡市场 的运行出发讨论实时阻塞的处理过程。 东北屯力大学硕t 学位论文 2 4 3 1实时平衡市场交易为了保证供需平衡、维持系统稳定，电力市场运 行部门可以在当天实酎修改发电厂发电计划，发布实时调度指令。组织实时平 衡市场，以经济手段鼓励市场成员为实时调度和控制提供尽可能大的调节空间。 实时平衡市场在实时运行前短时间内开市，各发电商申报机组的上、下可 调容量和相应报价。当调度员需要对系统进行预防性控制或者事故后恢复控制 时，就可以利用这些申报信息，确定一个最优的调节方案，对交易计划进行实 时调整。 在实际运行时，由于非计划内机组停运以及市场成员的策略决定，发电量 和电力负荷出现偏差是不可避免的。这种不可预料的偏差将导致电力不平衡。 a g c 机组会在几秒之内首先响应该偏差。为了周期性地恢复a g c 机组的基本工 作位置点，调度员必须定期采购电力。每隔一定的时间( 大约o 5 h ) ，根据全系 统是否缺电或剩余电力，交易中心还应组织实时平衡市场。通常平衡市场与备 用资源同时被作为调节的手段“1 。 实时市场运行交易管理系统流程如图2 1 所示： 应 t 匪堑 f 参数统计 j 陬点 图2 - 1 实时交易管理系统的运行流程图 _ f ；2 章电力市场下的阻塞管理 其中，超短期负荷预报( 包含超短期母线负荷预报) 。根据系统的历史数据， 考虑天气因数的影响。预报系统几分钟到凡十分钟的系统负荷和母线负荷；实 时交易管理是根据超短期负荷预报和日前计划对正在执行的发电计划进行实时 调整，在满足负荷需求的情况下，使购电成本最小：安全校核是要通过线路输 电容量限值、区域输电限值和预想事故分析等手段校核系统实时状态和预想状 态的电网安全性；阻塞管理就是在系统出现输电阻塞的情况下，给出调整发电 机组出力、启停备用机组、切除负荷等方案，以解除输电阻塞。 实时市场的调用顺序是： 1 ) 先调用a g c 机组进行快速的自动发电频率调整，维持系统负荷平衡； 2 ) 调用旋转备用机组替换a g c 机组，维持系统a g c 容量： 3 ) 组织1 5 r a i n 实时市场交易，通过在实时市场购买机组的出力，替换旋转 备用机组，维持系统的正常旋转备用。 2 ，4 3 2 实时平衡市场报价由于市场交易模式的多样化，使得系统的实时调 度面对更大的压力。实时平衡市场的设立主要是为了有紧急情况发生时确保系 统的安全性。实时市场不仅具备一定的电能交易功能，其更主要的任务是维持 系统的功率平衡和消除实时阻塞。 在实时市场中，发电商和用户都可以进行增量( i n c r e m e n l a l ) 和减量 ( d e c r e m e n t a l ) 投标。典型的调整报价曲线如图所示 桫= 厂 ，j 厂。 调整量( m w ) 图2 - 2 典型的实时市场调整报价曲线 东北电力大学磺十学位论文 2 ，4 3 3 实时阻塞管理算法传统的实时阻塞消除算法是传统的有功经济安 全校正模型的延伸，分为两类：第一类算法为基于灵敏度的启发式算法。这类 算法的特点是不存在收敛性问题，调整量较小。但考虑的约束较少，有些情况 下可能失效。第二类算法为优化类算法，其特点是可以考虑多种约束条件，有 效的协调安全性和经济性。 灵敏度类算法的主要思路是根据灵敏度大小确定杌组的调整顺序。逐步消 除不平衡量。灵敏度类算法容易实现调整量最小或者调整设备最少的目标，在 实时阻塞管理中易于操作实施。但是，从本质上讲，灵敏度类算法是启发式算 法，无法保证调整结果的最优性。在灵敏度不满足配对要求时算法会失效。 相比灵敏度类算法，优化类算法可以得到经济性更好的优化结果。数学模 型以购电成本上升最小为目标，考虑的约束条件通常包括功率平衡约束、机组 出力上下限约束和线路潮流上下限约束等。以下给出基于优化类算法的实时阻 塞管理的数学模型 实时阻塞管理的目标是以最小的成本消除阻塞，因此其目标函数可以表述 为： 上 m i n l 魄1 1 c ( a ) ( 2 4 ) i = i 约束条件包括： a 功率平衡约束 疋一九一f l ( 岛c o s 岛+ & s i n 岛) = 0 j e w i 岛一包一巧( q s i n 乞+ 岛c o s 岛) = o i e b 发电机出力约束 c 节点电压越柬 k 。j n s k s 。 d 线路潮流约束 l g 嘶n s l qs l 口。 式中 蜘= + 为节点，调整后的发电机机组出力；、为节点f 的初 嘣 鲸 一 v 1 鲂 v i 一 瞌 叫 靠岛 ，f1【 第2 市电力市场下的阻雍管理 始有功出力和有功负荷；线、统分别为节点f 的发电机无功出力和无功负荷； 、一为节点i ，j 的电压幅值；巴为节点i 。j 的电压相角差；g , j 、色和是 节点导纳矩阵的相应元素；厶为线路f ，_ ，的电流；如m 、如、g 商。、纬。、 。、一、l 向、厶一分别为发电机有功无功出力、电压幅值和线路电流的 上、下限。 在系统可调用资源难以解决阻塞时，双边合同也可以进行调整。对有功和 无功可以进行解耦处理，有功的阻塞管理是消除支路潮流越界；无功则处理节 点电压越界。 在实时市场调度中，考虑辅助服务市场刚最优调度模型可考虑西个方面的 成本，目标函数表示如下： m i n c p - - g l + c 口1 + c 的+ c 幛 = 印? + 6 西) + ( 妒矿3 ) + ( 彰- 纠) + ( 矿9 计9 ) ( 2 - 5 ) i 各项依次为p o o l 调整成本，按合同规定的运行备用采购成本，双边合同调整成 本和额外运行备用采购成本， 2 5 小结 本章以电力市场交易模式为基础，以电力市场交易时序为主线讨论了混合 交易模式下不同交易时序的阻塞管理方法。特别对市场运行的最后一道程序一 实时运行及其阻塞管理作了详细的讨论，得到了一个简单可靠的实时阻塞管理 的数学模型。得到了一个考虑合约市场、辅助服务市场等调节手段的阻塞管理 框架。 东北电力大学硕十学位论文 第3 章基于遗传算法的阻塞管理算法 3 1 引言 本章的内容主要是针对上一章的数学模型提出的一种解法。传统的优化算 法有很多种，其中应用最多的是原对偶内点法”“。原对偶内点法在解决带约束 的非线性优化问题时，要求数学模型二阶连续可导，并且在编写程序时要求提 供实际数学模型的雅克比矩阵和海森矩阵，这增加了编程的难度和程序结构的 复杂性。同时该算法的可维护性较差，修改不方便。 遗传算法g a ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 有别于传统的优化算法，它抛弃了传统 的确定寻优方向计算寻优步长，然后迭代求解的方法。遗传算法是模拟生物 在自然界环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化概率搜索算 法。它不需要导数的信息，因此编程简单，同时理论和实践都己经证明了在一 定的条件下遗传算法总是以概率1 收敛于问题的最优解。 基于遗传算法的这些优点以及实时阻塞管理优化模型、实时调整报价及其它 控制变量的不连续性等特点，采用遗传算法求解带约束的非线性优化问题，将 其函数优化的功能应用于实时阻塞管理，弼补了传统优化算法的不足。 3 2 遗传算法简介 遗传算法( g a ) 是一种建立在自然选择原理和自然遗传机制上的迭代式自 适应概率性搜索方法。它模拟自然界中生物进化发展规律。在人工系统中实现 特定目标的优化。目前，遗传算法发展迅速，已被广泛应用于解决各种问题， 例如，系统优化、机器学习、工程控制、模式识别、人工智能、故障诊断以及 计算机技术等领域，取得了良好的效果。随着遗传算法的基本原理、方法及其 应用技巧的深入研究，其应用范围也越来越广泛。早在1 8 5 9 年，英国生物学家 达尔文( c r d a r w i n ) 发表了物种起源专著，提出了以自然选择为基础的生 物进化论学说。根据达尔文的进化论，生物