（电力系统及其自动化专业论文）考虑不确定性因素的atc算法研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t d u et ot h ed e r e g u l a t i o no f t h ep o w e ri n d u s t r y , t h ee m e r g e n e eo f p o w e rm a r k e t i n gh a sb r o u g h t m a n yn e wt o p i c si np o w e re n g i n e e r i n gr e s e a r c h o n eo f t h ei m p o r t a n tt o p i c si sa v a i l a b l et r a n s f e r c a p a b i l i t y ( a t c ) w h i c hi sd e f i n e d i l l sam e a s u r eo ft h ea v a i l a b l ee a p a b i l i t yi nt h ep h y s i c a l l r a n s m i s s i o nn e t w o r kf o rt r a n s f e r so fp o w e rf o rf l l t t h e i e o m m e r e i a la c t i v i t y , o v e ra n da b o v c a l r e a d yc o m m i t t e du s 嚣i no r d e rt or e f l e c tan l o l a c t u a ls t a t eo f t h eg i r da n dt h ep o w e rm a r k e t , a t cc o m p u t a t i o ns h o u l dc o n s i d e rt h et m e e r t a i n t i e si np o w e rs y s t e m w h i c h b ed i v i d e di n t o t w oc a t e g o r i e s ，t h es t o c h a s t i ca n dt h e 嘛1 1 l i sa r t i c l eh a sp r o p o s e dac o u p l eo f a t cc a l c u l a t i o n m e t h o d sc o n s i d e r i n gt h eu n c e r t a i n t yn a t u r eo f t h e g l i d f i r s t l y , a t ci sc o m p u t e dc o n s i d e r i n gn - is t a l i cs e c u r i t yc o n s l r a i n t su s i n go p t i m a lp o w e r f l o w ( o p f ) a n dm o n t ec a r l os i m u l a t i o n t h eo p fp r o b l e mi ss o l v e db yat r a c k i n gc e n t e rp a t h i n t e r i o rp o i n tm e t h o da n dt h ec o n d i t i o n so ft h es y s t e ma ms a m p l e db ym o n t ec a r l os i r e u l a t i o n 1 1 1 er e s u l t so f a t ca r ei s s u e db yi t se x p e c t a t i o nv a l u ea n di 乜p r o b a b i l i t yd e n s i t yc u r v e 憾a t c a l g o r i t h mh a sb e e nt e s t e do n5 - b u ss y s t e m s e c o n d l y , 8 1 1a t cc a l c u l a t i o na l g o r i t h mc o n s i d e r i n gr i s ki np o w e rm a r k e t i n ge n v i r o n m e n ti s p r o p o s e d f i r s tc o n t i n g e n c ys e l e c t i o ni sp e r f o r m e d a n da t cu n d e re a c hf a u l ti sc o m p u t e d t h e n t h er i s ko f e a c ha t ci se s t i m a t e da n da n a l y z e d 硼a t ci si s s u e db yi t sc o r r e s p o n d i n gr i s kv a l u e t h er e s u l t so b t a i n e df o r mi e e e - 3 0s y s t e ms h o w e dt h a tt h i sm e t h o di l l u s t r a t e dt h eu n c e r t a i n t i e s u n d e rp o w e rm a r k e t i n g l a s t l y , a t cc o m p u t a t i o nm e t h o dc o n s i d e r i n ge c o n o m i ca n de m i s s i o nd i s p a t c hi sp r o p o s e d a c c o r d i n gt oc l e a ne n e r g ya p p l i c a t i o na n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o ni np o w e rs y s t e m f u z z y p r o 掣a m m i n gt h e o r yi sa p p l i e dt oa n a l y z et h ee f f e c to na t cw i t ht h ei n t e 掣锄酣w i n dp o w e r s t o c h a s t i cp r o g r a m m i n ga n da l li m p r o v e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n 勰u s e dt os o l v eb a s ec a s e p o w e rf l o ws t o c h a s t i co p t i m a lm o d e l n 1s t a t i cs e c u r i t yc o n s l r a i n t sa i n e l u d e di na t c e a l e u l a t i o n t h em u i t so f i e e e - 3 0s y s t e ms i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h ea c t u a ls t a t eo f a t ce o u l d b eb e t t e ri n t e r p r e t e dc o n s i d e r i n gt h er a n d o m n e s so fw i n dp o w e r , l o a df l u c t u a t i o na n ds y s t e m f a t a l t s t h e s ea l g o r i t h m sh a v eb e e ni l l u s t r a t e do ns o m et e s ts y s t e m sa p p l i n gm a t l a b 6 5 1 1 ：l cl s u l t s c a n e x p r e s st h er a n d o m n e s si n a t ee a l e u l a t i o na n dt h ea c t u a ls i t u a t i o no f t h ep o w e rs y s t e mb e t t e r k e yw o r d s ：p o w e rm a r k e t ；a v a i l a b l et r a n s f e rc a p a b i l i t y ( a 1 ) ；m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ；r i s k ； e c o n o m i ca n de m i s s i o n d i s p a t c h ；s t o c h a s t i cp r o g r a m m i n g ；i m p r o v e d p a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n ；f u z z yp r o g r a m m i n g i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：刘童曲e t 期：2 9 ! 1 9 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：妄】女幽导师签名：刁童乙 日期：彬岁乒 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近百年来，电力行业在世界各国都是传统的垄断性行业。随着现代工业生产的高速发展 和能源、环境、投资各方面的改变。现代电力系统已发生了较大的变化，主要表现在：原先 分散在各个负荷中心的多个小型发电厂已逐步被单机容量越来越大而且远离负荷中心的大 型水电厂、核电厂所取代；原来的各个地方性小型电力系统也已逐步转变为远距离、大容量、 超高压的交直流输电线路所联结成跨省、区、国的复杂互联系统；负荷的高速增长使发电设 备储备量越来越少。大机组和大电网的互联已成为现代电力系统发展的必然趋势。 电力产业规模、技术的发展使电力行业传统的垂直一体化体制严重的弊端逐渐暴露出 来，其中最突出的问题在于：在这种体制下，由于没有竞争，厂商不仅缺乏尽可能降低成本、 推进技术进步的动力和压力，运营效率低下，而且为了维持其垄断地位和内部利益，时常通 过向政府寻租等方式来获得相关利益，从而造成资源浪费，导致效率损失。 二十世纪9 0 年代世界上许多国家在电力工业中引入了竞争机制，开展了电力市场。英 国于1 9 9 0 年首先重构了他们的国有电力系统，引进了竞争机制，开展了电力系统市场化运 营。其主要措施是打破传统电力工业一体化管理的模式，实现厂网分开，输电和配电分开， 发电企业竟价上网，建立独立的监管体系，强化以公平竞争和产业政策激励为目的的管制， 通过利用市场机制来配置电力资源，以降低成本，提高运营效率，改善服务，提高社会福利 水平。随后，挪威、澳大利亚、新西兰、美国等国也建立的类似的体制。目前，电力工业的 改革席卷全球，不同的国家以不同的原因推动着电力商业化的进展。 电力市场是电力系统顺应经济改革的必然发展方向，其本质是引入公平竞争机制，使电 力系统充满生机和活力，同时使电力企业和用户均受益。我国能源资源分布的不平衡性，决 定了必须在全国范围内优化电力资源配置，加快电网建设，推进全国联网。全国联网、西电 东送、南北互供，这是中国电网发展的方向l l i 。 电力市场的发展给电力系统带来了生产管理和经营观念上的变化。毫无疑问，这不仅给 电力系统带来了巨大的经济效益，同时也带来了一系列运行及技术上的难题，向人们提出的 新的挑战。例如最大输电能力的计算以及利用；面向市场的能量管理系统开发与利用；稳定 控制在电力市场中的价值；考虑动态约束的潮流；电厂生产效益与风险评估；电力质量检测 与评估等。其中最大输电能力与可用传输能力的计算就是其中一个必须解决的问题。 1 9 9 6 年4 月，联邦能源规划委员会( f e r c ) 发布了重要的第8 8 8 号和第8 8 9 号文件， 要求对一商业可行的电力市场计算其可用传输能力( a v a i l a b l e t r a n s f e r c a p a b i l i t y , 简称a t c ) ， 并且将这些信息发布在一个称之为网络开发实时信息系统( o a s i s ，o p e na c c e s ss a m e - t i m e i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 的信息平台上，目的是通过提供这样一个输电系统送电能力的市场信号 来进一步促进大型输电网络的开放使用，从而促进发电或能量市场的竟价投标。 在电力市场这个新环境下，为最大限度地利用现有输电资源，可能会使输电网络运行在 功率极限附近。因此在系统发生故障或受到扰动时可能会失去稳定。因此，如何准确地确定 电力市场下电力系统区域问的可用输电能力，使系统在满足安全稳定的前提下最大限度的满 足电力市场各方参与者的要求，成为新形势下电力系统所面临的急需解决的问题。 求解电力系统区域问的输电能力是一项非常复杂而又十分具有挑战性的工作，其困难性 反映在两方面：其一，电力系统本身是一个复杂的非线性动力系统；其二，求解输电能力时 东南大学硕士学位论文 不仅要考虑系统正常的运行方式，而且要考虑事故情况的影响；不仅要考虑系统运行本身的 不确定性，还要考虑电力市场环境等诸多不确定性因素1 2 j 。 毫无疑问，对于一个大型的互联电力系统，其区域间输送电能的能力对于整个系统的安 全性和可靠性都有着很大的影响。电力市场环境下，为了最大限度地降低成本，系统运行极 限问题已成为提高经济效益的一种手段。因此，电力市场下各方参与者都迫切需要输电网络 的输电能力信息，以指导其在电力市场下的各种商业行为。可见，向电网使用者提供准确的 a t c 的信息是十分必要的，其作用至少体现在以下几个方面：首先，电网公司可以根据现 有的输电能力对电网运行的可靠性和安全性进行评估，确保电网安全运行，并减少阻塞的发 生；其次，向市场参与者提供a t c 信息可以知道其做出合理的电能交易决策，体现“公平、 公正、公开”的市场化原则。 因此，可用传输容量是电力市场环境下一个不可缺少的元素。若a t c 的估计值过于乐 观，会导致系统运行可靠性下降，在紧急事故情况下也很难进行所有可用资源的快速协调， 对系统的安全性会带来很大的影响；若a t c 的估计值过于保守。网络现有的输电能力则不 能得到充分利用，造成资源的浪费。因此，准确、快速的发布a t c 信息对电力市场的每个 参与者都有着现实的指导意义。 1 2a t c 的基本概念 1 2 1a t c 的定义 根据北美电力系统可靠性委员会( n o r t ha m e r l e l e c t r i cr e l i a b i l i t yc o u n c i l , n e r c ) 1 9 9 5 年文献中的定义，所谓一个系统两个区域间的输电能力是指通过两区域间的所有输电 回路，从一个区域向另一个区域可能输送的最大功率，且必须满足至少下述三个约束： 1 、在无故障发生的正常方式下，系统中所有设备( 包括线路) 的负荷及电压水平在其额定 范围内； 2 、在系统中单一元件( 如输电线、发电机或变压器) 停运的故障条件下，系统能够吸收动 态功率振荡，维持系统的稳定性。 3 、当2 中描述的事故发生且系统功率振荡平息后，在调度员进行故障相关的系统运行方式 调整之前，所有设备c - g 括输电线) 的功率及电压水平应在给定的紧急事故条件下的额定范 围内h 。 为了更好的说明输电能力的概念，用简化的区域系统( 图1 1 ) 来说明。该系统由a 、 b ，c 三个区域组成，它们之间由输电线路a b ，a - c 和b - c 相连接。可以用两种方法描述 电力系统区域间的输电能力。一种是研究区域a 的净输出功率，即从区域a 流入区域b 和 区域c 的功率( z k + l c ) ；另一种方法是借用系统中某一特定界面上流过的潮流来定义， 在图1 - 1 中，区域a 与区域b 、区域a 与区域c 之间的线路一起构成一个功率流动界面， 其线路集合上流过的有功功率值( + ) 可作为区域a 与其他两个区域功率传输量的 量度。对简单的系统，两种方法是完全一样的，但对复杂的系统，二者有着不同的侧重点， 并不能完全等价。 2 第一章绪论 区域a 区域b 图i - i 区域互联系统示意图 区域c 1 9 9 6 年，北美电力系统可靠性委员会( n e r c ) 提出了有关可用输电能力的定义和解释 的报告。该报告提出了可用传输容量a t c 的概念和计算原则。a t c 是指在现有的输电合同 基础之上，实际输电网络中剩余的、还可用于商业使用的传输容量。a t c 的信息对电力市 场所有的参与者来说都是非常重要的，因此，a t c 除了作为安全信息，又可以作为引导市 场参与者进行电力交易、刺激商业竞争以充分利用现有资源的市场信息。 a t c 的地位和作用具体体现在以下几个方面：首先，a t c 可减少实时运行中输电网发 生阻塞的概率；其次，a t c 可作为负责电网安全可靠运行的调度部门裁减交易消除阻塞的 依据；第三，交易双方利用实时发布的a t c 信息可获得更大的经济利益；第四，a t c 可用 来判断系统的安全性能，如系统某区域内部有机组停运，需从其它区域汲取电能以维持区域 电力平衡，与区域间传输能力很小的系统比较，传输能力大的系统具有更强的鲁棒性和灵活 性；最后，a t c 还可为电网规划建设提供具体的信息。提高系统的可靠性和经济性服务。 而且a t c 在电力市场其它方面也有用武之地，比如在输电权定价、辅助服务定价中的应用 等。 从数学角度来说，a t c 定义为最大输电能力( t o t a lt r a n s f e rc a p a b i l i t y , t t c ) 减去传输 可靠性裕度( t r a n s f e rr e l i a b i l i t ym a r g i n , t r m ) ，减去现有合同( e x i s t i n gt r a n s m i s s i o n c o m m i t m e n t s ，e t c ) ，再减去容量效益裕度( c a p a c i t yb e n e f i tm a w 咖, c b m ) 。数学表达式如 下： 彳z = z 7 c 一7 ：r l ，一e z c c b ，( i - 1 ) t t c 是指在满足系统各种安全约束条件下，互联输电网络上可以传输的最大功率。 t r m 是指考虑了一定的系统不确定性的情况下，为确保互联网的安全所必需的输电能 力数量，可认为是预留的输电能力。 e t c 本质上包括给定条件下所有正常的输电潮流，反映了已签合同占用的输电能力； e t c 包括以下几个方面：不可撤销的预约输电服务( n r e s ) ；不可撤销的计划输电服务 ( n s c h ) ：可撤销的预约输电服务( r r e s ) ；可撤销的计划输电服务( r s c h ) 。其中n s c h 和r s c h 之和不能够超过t t c 运行水平。然而，在计划水平，各输电网拥有权者可以容许 n r e s 和r r e s 的值大于t 1 与t r m 的差。为了充分利用已有的输电设备，假设n r e s 本 身小于1 1 与t r m 的差。这样得到： ( 1 ) 不可撤消的可用传输容量 n a t c = t 1 1 ：一t r m c b m n r e s( 1 - 2 、 3 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 可撤销的可用传输容量 4 z c = 刀一口z ：r ，一c 曰 f 一 7 r e s r r e s ( 1 3 ) a 1 = t l - b - t & m c b m r s c h n s c h ( 1 - 4 ) 其中，0 a l ，0 b 0 ，将目标函数改造成障碍函数后可以得到以下的朗格朗日函数： l = f ( x ) - y r g ( x ) 一，( 一，一h 0 一矿( l ( 功+ s - - h e ) 一妻1 0 e 9 吨) 一壹l o g 婢) ( 2 - 3 ) ，逍 ， i = i 其中，为不等式约束的个数。根据最优化理论中求解等式约束问题最优解的k k t 条件可知 该问题极小值存在的必要条件是拉格朗日函数对所有变量及乘子的偏导数为0 ，对式( 3 ) 求偏导 厶- - - v f ( x ) 一v ，g ( x ) y v x h ( x x z + w ) = o = g = 0 2 能一- m = ” ( 纠) l = 一j h 2 = 0 。一。 厶= - z - p l - 1 e = o 厶* w 一矿1 e = o 其中，工= 慨( ，) ，s = d i a g ( s i ，) ，z = d i a g ( z i ，o ) ，w = d i a g ( w 1 ，w r ) 。 可以解得= _ 叫g 印2 r ，g a p = - s 7 w ，为了使收敛性更好，引入中心参数o o r 1 ，一 般取盯= 0 1 ：盯g a p ( 2 - 5 ) - - r 2 盯百 对方程组( 4 ) 线性化后写成矩阵形式为 h 瞻 印聊 砖聊 o 0 嘲 o o o o o v x x ) o o o 工 0 w 国00l r 缱 oool i 砂 0 一，0i l 缸 o o ，l i 删 ozo 忪 uo 彤i 懂 ( 2 6 ) 其中h = 【v ：厂( x ) 一v 2 , g ( x ) 一v ：而( 工) ( z + 们】 求解方程( 6 ) 得到第k 次迭代的修正量，于是最优解的一个新的近似解为 x “= 矿+ 口。缸 ，“= r + a p a l “= 矿+ a u ( ”) 矿“= 矿+ a d a y “= 矿+ a a 6 z 矿“= 矿+ a d a w 式中步长口，a 0 满足： 东南大学硕士学位论文 一o ，s 曲 甲酉- t , a , ，= 0 9 9 9 5 r a i n , a f ，r o ( q - z 2 2 基于o p f 的a t c 计算模型 ( 2 - 8 ) a t c 是一个典型的电力系统优化问题，它需要满足电力系统正常运行约束条件和电力 市场交易约束条件。同时，a t c 的求取与系统运行状态密切相关，而系统运行状态又具有 较大的不确定性和时变性，所有会改变系统运行状态的不确定性因素均会影响a t c 的值， 包括：网络拓扑、系统模型与参数、节点注入功率等。因此，a t c 属于一个非线性的、动 态的随机优化问题。 2 2 1 优化模型 最优潮流方法是将可用传输容量的计算描述为一个非线性优化问题。其中一个重要的因 素是潮流方程决定的等式约束问题，因为只有潮流约束才使其成为o p f 问题；另一个具有 变化的问题是不等式约束问题。 可片j 传输容量一般基于区域计算，区域间输电断面一般由输电线路组成，并形成一个割 集。区域间可用传输容量一般是指指定区域间输电断面的最大输电容量。在确定的系统运行 状态下，两区域间的a t c 就是指在受电区域发电机有功出力和送电区域有功负荷均不改变 时，送电区域发电机有功和受点区域有功负荷同时增加，在不违反系统约束情况下的最大输 电增量【2 0 】。 1 、日标函数 本文以发电区域总有功出力最大来表示a t c 的目标函数，可以表示为： ，= 缸( 吃) ( 2 9 ) t e a 2 、约束条件 a 、等式约束 等式约束就是潮流方程约束 吃一一k 一( q c o s 巴+ 色s i l l 岛) = o j - 1 b 、不等式约束 如一q d j k 巧瞩血岛一岛c o s 岛) = o l f f i l ( 2 1 0 ) 运行限值主要考虑发电机出力、线路容量等约束，具体为： ( 1 ) 发电机有功出力约束： 皆吃学i e a ( 2 - 1 1 ) 1 2 、”， 刚 如 吣 趣 兰墨h 咄 枷 m & 第二章静态安全约束下基于o p f 的a t c 计算 ( 2 ) 发电机无功出力约束： q 盘”q j q 笋 f a ( 3 ) 负荷有功需求约束： 皆学i b ( 4 ) 电压约束： k s 巧k f a u b ( 5 ) 线路容量约束： 吲f f 4 ，j e b 其中， 、q b 为节点i 的发电机有功、无功出力； 、q 为节点f 的负荷有功、无功需求； g f i 、皿，分别为导纳矩阵元素的实部、虚部； 以为节点f 与节点j 的相角差；y 为节点电压； 0 为线路盯的有功潮流： 一代表送电区域，b 代表受电区域； 上标b a s e 代表基态情况，上标m a x 代表上限，m i n 代表下限。 2 2 2 模型说明 ( 2 1 2 ：) ( 2 一1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 可用传输容量的计算一般都基于以下一般性假设：系统在各种运行状态下具有足够的阻 尼以保持系统安全和稳定；系统具有足够大的稳定裕度以防止干扰，同时系统在失去电压稳 定性前节点电压越限。 基于最优潮流的a t c 计算，其目标函数的选择可以有多种，如极大化发电区域总的有 功出力：极大化负荷区域负荷总量；极大化流经潮流断面的有功潮流等，这些目标函数具有 等价性口“。在本文的模型中，选取发电区域还能发出的最大有功功率作为目标函数。 在数学上，可用传输容量的计算还包括c b m 和t r a m ，由于到目前为止对t r i v i 和c b m 还没有行之有效的计算方法，所以在本文中将取1 y i 值的4 作为两种容量裕度的大小。 2 3 静态安全约束下的概率a t c 计算 根据n e r c 的规定，要求a t c 满足n - i 静态安全约束。显然，理论上将n - ! 静态安全 约束条件直接纳入优化问题的数学模型中考虑即可。然而，为了减少计算的复朵性，目前普 遍的做法是：对所有n - i 系统故障分别求各区域或者节点间的最大剩余输电容量，再对结 果做一定处理。基于确定性算法的a t c 选取基态与各故障中最小的作为该运行状态下的 a t c 发布值；而基于概率的a t c 算法中将基态和各故障下的a t c 通过概率论和数理统计的 方法进行处理，得到a t c 的期望值或概率密度曲线作为a t c 的发布结果。 因此，a t c 的计算应该同时考虑系统的两种运行状态：正常运行状态和预想事故状态 ( 一般考虑n - i 预想事故状态即可) 。在两种状态下，系统运行需满足的约束条件应包括节 点电压约束、线路热稳定约束、静态稳定约束等 2 0 l 。为了更有效的考虑网络中数目庞大的 不确定性因素对a t c 的影响，本文采用基于概率模型的a t c 计算方法。 本节将采用优化算法与蒙特卡洛算法结合的方法计算静态安全约束下的概率a t c 。优 化模型采用2 2 节中介绍的基于o p f 的模型，算法采用跟踪中心轨迹内点法。 东南大学硕士学位论文 2 3 1 蒙特卡洛模拟法在a t c 计算中的应用 蒙特卡洛模拟法是以概率论和统计方法为基础的一种计算机模拟方法，它用抽样的方法 对系统状态进行模拟抽样，用统计的方法得到a t c 指标。蒙特卡洛模拟法的计算量与系统 规模的增长呈线性关系，而且还可以方便地计入各种实际运行的控制策略，发现一些人们难 以预料的事故。此外，蒙特卡洛模型法的计算效率不依赖元件故障的阶数而是取决于故障状 态发生的概率，更适用于大型电力系统的a t c 研究脚i 。 蒙特卡洛法的基本思想是：首先建立一个概率模型或随机过程，使它的参数等于问题的 解：然后通过对模型或过程的观察或抽样实验，计算所求参数的统计特征，最终得出所求解 的近似值哗j 。 要准确的反映a t c 的值，要考虑电力系统中存在的不确定性因素，如发电机故障、负 荷波动等。 应用蒙特卡洛模拟法对发电机故障、输电线路随机故障和节点负荷的随机波动进行随机 抽样，其中发电机故障和输电线路故障服从两点分布，负荷波动服从正态分布1 2 4 - 2 6 1 。系统元 件的数学模型可具体表示为： ( 1 ) 线路运行状态模型 磊= 0 ( 2 ) 发电机运行状态模型 乞= 亿 x 尼 善 f b , x f g , x 磁 输电线斑于运行状态 输电线斑于故障状态 发电机f 处于运行状态 发电机政e 于故障状态 ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) 其中z 是服从均匀分布u ( o ，1 ) 的随机数；f b , 为线路故障率；b i 代表第f 条支路；蜀鼾为 发电机故障率；代表第f 个发电机。 ( 3 ) 负荷波动模型 负荷变量可以看作是由于天气条件或预测误差等因素导致在预测值附近波动的连续型 随机变量。根据经验，预测的误差服从正态分布。在a t c 计算模型中认为它服从参数为口， 盯的正态分布。其中是期望值，盯是均方差。数学模型为： 乞：乃一( 鸬，吖) ( 2 1 8 ) 其中乃是服从正态分布( 鸬，砰) 的随机数。 对于系统中每一个状态都有一个与其对应的事件概率。假设a t c ( x ) 是对给定状态的一 次试验，( x ) 是对应的事件概率，根据概率理论，试验结果的期望值由下式表示： e ( a t c ) = a t c ( x ) p ( 功( 2 - 1 9 ) 本文将蒙特卡洛模拟法和最优潮流法相结合，计算区域间可用传输容量，具体计算过程 包括以下几个步骤： ( 1 ) 计数器置零7 明= 0 ； ( 2 ) 对系统状态t 向进行抽样： 1 4 第二章静态安全约束下基于o p f 的a t c 计算 ( 3 ) 用跟踪中心轨迹内点法求解计算该状态下a t c 最优潮流模型； ( 4 ) j s q = y s q + l ，若j s q m ) ，那么电网公司签订的合同中的k m 必须削减，此时会有削减负荷的损失 c u = ( 七一m ) 焉 ( 3 - 5 ) 同时，相对于m ，电网公司发布k 值会从售电中多收益的量为： & 嘭= ( 七一肌) ( 愿一恐) ( 3 - 6 ) 因此电网公司的损失为： l o s t = c 域一嘭 ( 3 7 ) 发布值k 对故障m ( a t c 值为m ) 的经济损失可以写为： l o s t ：= ( k - m ) 墨一( 七一m ) ( 墨一咒) ( 3 培) 2 ) 若发布值k 小于m 故障时的a t c 值m ( k m ) ，那么电网公司从售电中减少的收益为： 东南大学硕士学位论文 & 磁= ( m - k ) x ( r , 一) ( 3 - 9 ) 同时，电网公司不必因为发布值过大而进行中断负荷的赔偿，减少的赔偿费用为： o = ( 所一七) 蜀 ( 3 1 0 ) 因此电网公司的经济损失为： 工啦= s e l l - c u 7 ( 3 一i l ) 即： l n = ( | 一所) ( e 一毛) 一( 七一功置 ( 3 - 1 2 ) 概括起来，发布k 值时若发生故障m 给电网公司带来的损失为： 碱= 臁：尝篡= m 根据风险的定义。发布值k 下发生故障m 的风险为： r 碱2 l o s t k 巴 ( 3 1 4 ) m = 1 ，2 ，p , m k 其中己为故障m 发生的相对概率，p 为故障集的个数。根据式( 3 一1 3 ) 、( 3 一1 4 ) 可以求得 发布值k 对其它p 1 个故障的经济成本及风险p 1 个。取其中风险的最大值作为发布值k 的 风险，即 删= 嗽 酬，叫，r i s p ，l ( 3 - 1 5 ) 依此类推，可以得到故障集下每个可用传输容量发布的风险值。 3 2 4 考虑风险的a t c 计算步骤和结果发布 计及风险的可用传输容量计算步骤如下： 1 ) 结合模态分析法选择合理的故障集： 2 ) 采j i j 优化模型( 1 ) 及跟踪中心轨迹内点法求取故障集下单一故障发生时相应的可用传 输容量， a t c , ，4 t c 2 ，a t c ，p 为故障集个数： 3 ) 根据故障集下各个故障发生的绝对概率计算相应的相对概率； 4 ) 根据文中介绍的风险计算方法，利用式( 3 1 3 ) 、( 3 1 4 ) 、( 3 1 5 ) 计算每个故障对应的 可用传输容量发布的风险值。 具体的计算过程见流程图3 1 。a t c 的结果发布可以以期望值和各个故障下a t c 的值 及其风险值的方式体现。 第三章计及风险的a t c 计算 图3 - 1a t c 风险计算流程图 3 3 算例分析( i e e e 3 0 节点) 本文对i e e e - 3 0 节点系统进行了仿真计算。i e e e - 3 0 节点系统图和网络拓扑结构见附录。 该系统有3 0 个节点，其中发电节点6 个，负荷节点( 包括发电机一负荷节点) 2 0 个，线路 4 l 条。将该系统划分为三个区，划分方式如附录中的图a l 所示。设电力市场模式为p o o l 模式，电网公司统一购电再向用户售出。假设购电价格为0 4 8 ，售电价格为0 5 ，赔偿价格 为0 5 2 ，单位元，度。 3 3 1 各个故障集下a t c 的计算 本文选取的故障集包括1 4 个线路故障，6 个发电机故障。首先用模态分析法按故障对系 统安全性影响的大小进行线路故障选择；由于发电机故障会对系统产生较大的影响，因此本 文计算了每个发电机故障下的可用传输容量。确定系统故障集后( 包括无故障情况) ，由前 东南大学硕士学位论文 文提出的优化模型( 2 - 1 1 ) 及跟踪中心轨迹内点算法计算各个故障情况下的可用传输容量 表3 - 1 故障集下区域问a t c 计算结果 ( 其中a t c i - 3 代表区域1 到区域3 的可用传输容量，a t c 2 - 1 代表区域2 到i 的可用传输容量。a t c 3 - 2 代表区域3 到区域2 的可用传输容量) 可以看到，系统无故障发生时，区域间可用传输容量最大。根据1 4 - 1 安全约束条件， 取每种情况下a t c 最小的值作为该区域间的可用传输容量发布值。则区域l 到区域3 的a t c 发布值为3 9 7 5 m w ，区域2 到区域1 的可用传输容量发布值为1 4 7 1 m w ，区域3 到区域2 的可用传输容量发布值为1 6 3 5 m w 。这些值都是在系统发生严重故障( 如发电机故障) 情 况下发生的，而发电机故障的相对概率很小，因此，发布故障集下a t c 最小值的方式未免 过于保守。 3 3 2 各个故障集下a t c 的风险分析 故障集下计算得到的a t c 有2 1 个( 包括无故障情况) ，根据式( 3 1 3 ) 、( 3 1 4 ) 、( 3 1 5 ) 计算得到每个a t c 发布的风险值。假设此时需发布区域1 到区域3 的可用传输容量，各个 故障下区域l 到区域3 a t c 的风险计算过程如下。 以发布线路故障6 - 1 0 时计算得到的a t c 风险为例。若此时将5 7 3 8 m w 作为a t c 发布 值，那么系统发生其他故障时，发布该值付出的经济代价的计算参见公式( 3 1 3 ) ，得到 5 7 3 8 m w 相对于各个故障下的a t c 损失如表3 - 2 中的第三列所示。然后根据式( 3 1 4 ) ，得 第三章计及风险的a t c 计算 到发布a t c 为5 7 3 8 m w 时相对于其他故障的风险值，如表3 - 2 中的第四列所示。表中，风 险值7 0 5 9 1 由式子1 5 2 6 6 x 0 0 4 6 2 4 = 7 0 5 9 1 得到；风险值5 4 2 5 4 由 1 1 7 3 3 0 0 4 6 2 4 = 5 4 2 5 4 得到：依次类推，可以得到表3 - 2 的第四列数据。然后选取第四 列风险值中的最大值2 4 2 3 4 万元作为发布5 7 3 8 m w 的风险值。 表3 - 2 发布a t e 为5 7 3 8 m w 风险计算 故障情况 相对故障损失风险 1 2 - 1 60 0 4 6 2 41 5 2 6 6 7 0 5 9 1 1 - 2 2 4 1 知1 2 1 2 一1 5 1 0 2 2 1 8 1 9 2 - 5 4 6 1 0 - 2 l 2 2 - 2 4 2 7 _ 2 9 8 - 2 8 g l g 2 g 1 3 g 2 2 g 2 3 g 2 7 无故障 o 0 4 6 2 4 o 0 4 6 2 4 o 0 4 8 1 7 0 0 7 5 1 5 0 0 4 2 3 9 0 0 4 4 3 2 0 0 4 6 2 4 0 0 6 3 5 8 0 0 5 2 0 2 o 0 6 3 5 8 o 0 6 9 8 6 0 0 6 3 5 8 o 7 7 o 0 0 7 7 0 0 0 7 7 0 0 0 7 7 0 7 7 o 0 0 7 7 o 1 8 6 9 1 1 7 3 3 9 1 7 7 2 8 1 5 3 2 2 4 8 4 7 7 9 4 1 4 2 7 4 5 5 1 1 9 1 6 2 6 l 1 7 6 8 9 3 6 1 0 3 7 1 9 9 7 5 5 8 7 4 8 5 跎 7 1 3 4 2 7 8 7 7 3 6 7 5 8 8 6 4 1 8 4 8 6 6 1 7 1 0 5 5 5 4 2 5 4 4 2 4 0 2 3 5 0 7 5 2 4 2 3 4 2 2 0 6 0 6 3 2 6 2 5 4 8 7 1 0 3 3 9 0 9 2 0 1 2 2 9 5 4 4 9 9 3 7 3 5 5 2 2 3 7 4 0 8 5 4 9 3 3 6 0 6 5 5 5 2 0 2 4 9 4 2 2 6 6 1 6 9 5 1 9 7 1 8 根据表3 - 2 所示的方法，可以得到发布每个故障下a t c 值的风险，计算过程与发布 5 7 3 8 m w 时的方法类似。不再赘述，得到的计算结果见表3 3 。 表3 - 3 区域1 到区域3 的a t c 风险结果 东南大学硕上学位论文 可以看到，该故障集下a t c 最小值为3 9 7 5 m w ，风险值为3 6 1 9 3 万元；a t c 最大值 为7 8 4 8 m w ，但是风险值也最大，为9 3 9 9 4 m w 。而风险值最小时对应的a t c 为5 6 3 2 m w 计算结果说明电力市场环境下，可用传输容鼍不是发布的越小越好。可用传输容量的发 布不能仅仅考虑物理因素，还要考虑到市场因素对决策的影响。如果发布的a t c 值过小， 电网还能利用的容量没有充分利用到，因为a t c 值最小情况的故障发生概率通常是很低的， 这不仅是资源的浪费，同时也是一种经济损失；如果发布的a r c 值过大，那么发生更严重 的故障时，赔偿的损失也越大。因此，可用根据人们对风险的接受能力发布一个合理的a t c 值，使人们在市场交易中做出更合理的决策。 若希望风险越小越好，那么发布风险最小时2 0 7 3 万元对应的5 6 3 2 m w 较为合理。也 可以根据各个状态的相对概率及其对应的a t c 值和风险值，算出可用传输容量的期望值为 6 9 8 6 m w ，对应的风险值为6 6 4 0 5 7 万元。 3 4 本章小结 本节从经济角度考虑了可用传输容量发布的问题，用风险分析的方法给出了可用传输容 量的发布方法。已有算法大部分都只是从物理角度计算了运行断面的功率传输极限，而忽略 了电力市场的作用。而考虑 q - i 静态约束计算得到的可用传输容量计算往往只发布其中的 最小值，这种发布方式过于保守，电网资源不能得到合理运用。 本节从电力系统故障发生的概率及其带来的经济损失角度出发，提出了根据风险大小发 布可用传输容餐的方法。该方法发布的可用传输容量考虑了电力市场这一因素，反映了市场 环境下电网可用传输容量的不确定性。从仿真结果可以看出，用本文提出的方法发布的可用 传输容量值更多的反应了市场信息，具有一定的参考价值。 第四章清洁能源的使用对a t c 的影响 第四章清洁能源的使用对a t c 的影响 目前，世界能源市场上发展最为迅速的已不再是石油、煤炭等传统能源，各种新型、高 效的能源系统不断出现。它们将比传统能源系统更经济、更灵活。2 1 世纪将要发生的能源 革命，将以科技创新为动力，降低长期处于主导地位的传统能源的竞争力，而让位于现代能 源太刚能、风能、生物质能等可再生能源。 伴随着产业运营机制的改革和科技进步，新建的发电厂都是效率高、成本低的。由于环 境保护力度的加强，火电厂的成本提高，促使可再生能源发电市场得以发展 3 7 1 。 4 1 引言 随着我国电力工业的迅速发展，网络结构将逐渐复杂，输、配、供电负荷的变