（电力系统及其自动化专业论文）计及暂态稳定约束的可用传输容量计算.pdf

华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea p p e a r a n c eo fd e r e g u l a t e dp o w e rm a r k e t ，m a r k e tp l a y e r sw i l la l w a y s d r i v eo p e r a t i n gp o i n to fp o w e rs y s t e m sc l o s e rt ot h e i rs t a b i l i t yb o u n d a r yf o rp u r s u i n g h i g h e re c o n o m i cp r o f i t s 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 , a s am e a s u r eo fa s s e s s i n g s e c u r ea n dr e l i a b l et r a n s f e rc a p a b i l i t ya c r o s st h es p e c i f i ct r a n s m i s s i o ni n t e r f a c ef o ra g i v e no p e r a t i n gc o n d i t i o n ，h a sp l a y e d a n i m p o r t a n t r o l ei np o w e rm a r k e t i np 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 yi s v i r t u a l l yas t a b i l i t yc o n s t r a i n e d o p t i m a lp o w e rf l o w ( o p f ) p r o b l e mw i t he c o n o m i co b j e c t i v e s i n c e t h el o s sa n d c o n t r o lc o s tc a u s e db yt r a n s i e n ti n s t a b i l i t ya r ee x t r e m e l yh i g h ，ac o m p u t i n gm o d e l i n t e g r a t e d w i t ht r a n s i e n t s t a b i l i t y c o n s t r a i n t ss h o u l d b ee s t a b l i s h e dt oc a l c u l a t e a v a i l a b l et r a n s f e r c a p a b i l i t ya c c u r a t e l y d i f f e r e n tf r o m c o n v e n t i o n a lo p et h i sp r o b l e m w i l lb ef o r m u l a t e da san o n l i n e a r p r o g r a m m i n gm o d e l w i t h h y b r i d c o n s t r a i n t s c o n s i s t i n go fa l g e b r a i ca n dd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s ，w h i c hi s d i f f i c u l tt os o l v e m o s t c o n v e n t i o n a la l g o r i t h m sh a v eb e e na p p l i e dt oa p p r o x i m a t e l ys o l v et h i sp r o b l e mb a s e d o nh e u r i s t i cm e t h o d 。c o n t i n u a t i o np o w e rf l o wm e t h o d ，e t c h o w e v e r , t h e s em e t h o d s m a ys a c r i f i c et h eo p e r a t i o no p t i m a l i t ya n df a i rc o m p e t i t i o no fp o w e rm a r k e tb e c a u s e t h e yd o n tb e l o n g t or e a lo p fc a l c u l a t i o n t h i s p a p e rp r o p o s e s an o v e l a l g o r i t h mf o r c a l c u l a t i o no fa v a i l a b l et r a n s f e r c a p a b i l i t yi n c o r p o r a t i n gt r a n s i e n ts t a b i l i t yc o n s t r a i n t sb a s e do na no p f m o d e l t h e i n t e g r a lo fi n s t a b i l i t yt r a j e c t o r yi nt h ec o r r e s p o n d i n gt i m ei n t e r v a li s d e f i n e da st h e t r a n s i e n ti n s t a b i l i t yc r i t e r i o n ，a n dh e n c ea v a i l a b l et r a n s f e r c a p a b i l i t yp r o b l e mw i t h t r a n s i e n t s t a b i l i t y c o n s t r a i n sc a nb ee q u i v a l e n t l yc o n v e r t e di n t oas t a n d a r do p f p r o b l e m t h e d i r e c tn o n l i n e a r p r i m a l d u a li n t e r i o r p o i n t m e t h o dw i t h q u a d r a t i c c o n v e r g e n c ec a n b ea p p l i e dt os o l v et h i s p r o b l e m w i t hr e g a r dt o t h e d i f f i c u l t y e n c o u n t e r e di nc o m p u t i n gj a c o b i a na n dh e s s i a nm a t r i c e sd u et ot h ei n t r o d u c t i o no f t r a n s i e n t s t a b i l i t y c o n s t r a i n s ，t h e r e s p e c t i v ec o m p u t i n g f o r m u l a sa r ed e d u c e d s u c c e s s f u l l y t h u s ，t h i so p fp r o b l e m c a nb es o l v a b l eb yt h ei n t e r i o r - p o i n ta l g o r i t h m i no r d e rt oi m p r o v et h es p e e da n d c o n v e r g e n c eo fo p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o n ，an e w c o n c e p t ，“t h em o s te f f e c t i v es e c t i o no ft r a n s i e n ts t a b i l i t yc o n s t r a i n t s ”，i sp r o p o s e d ， b a s e do nc u ts e ti nf u z z yt h e o r y , f o rt h ef i r s tt i m e t h ea p p l i c a t i o no ft h i sc o n c e p tt o o p t i m i z a t i o np r o c e s s w i l l r e m a r k a b l y r e d u c e c o m p u t a t i o n a l e f f o r t so f c o m p u t i n g j a c o b j a na n dh e s s j a nm a t r i c e si ne a c hi t e r a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a sb e e nv a l i d a t e do nat e s t s y s t e mo f w s c c9 一b u ss y s t e m k e y w o r d sp 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 ；t r a n s i e n ts t a b i l i t y ；o p t i m a l p o w e rf l o w ；n o n l i n e a rp r i m a l d u a li n t e r i o r - p o i n tm e t h o d ；t h em o s t e f f e c t i v es e c t i o no ft r a n s i e n ts t a b i l i t yc o n s t r a i n t s 毽 华南理工大学 学位论文原锚缝声明 本入郑重声明：所黧交的论文越本人猩导师的指导下独立避行研 究艨散褥戆磅究藏慕。除了文中将裂热鞋标洼弓l 臻酶遗容外，本论文 不包含任何其他个入或爨体已经发袭蠛撰写的成暴 乍晶。对本文的磷 究徽漤重要贾献煎个人魏集体，鹭承在文孛默鞠确方式禄骥。本人完 全意识刹本声龋的法律葳髹由本人承挺。 乍者签名：基磐隧嬲：孙。冬年5 月”西 学位论文版权使用授权书 本学缓论文终饕完全了瓣学校有关傈辫、傻薅学蹙论文菸藏定， 露惑学校德餐势舞藩家寮关部门或热梅送交论文酸震印粹耧电予舨， 龛许论文被查凝辩借阕。本入授权华南理工大学可以将本学寝论文的 全郝藏部分内容编入霄关数据摩进背检索，可以采殿影印、缤蓐f j 或懿 播等囊铡手段傈襻耪汇编本学藏论文。 僳密耀，畿年纂密器遗鬻零授毅蘩。 本学饿论文属于 苓镰密蕾。 ( 请在姒上稠瘦方蜒内封“”) 佟者签名；器嘉鹜瓣：孙螃年鼷f t 藏 导鄢签名。冽喀设溉 年翼豳 第一章绪论 第一章绪论帚一早珀t 匕 1 1 可用传输容量的研究背景 自从二十世纪八十年代初世界电力工业市场化改革拉开序幕，到二十世纪九 十年代，电力市场已在多个国家得到了更加广泛和迅速的发展，充分利用现有发 电设备和输电网络容量的要求也显得越来越迫切。为了使电力网络中的资源和设 备能够在更大的范围内得到共享使用，建立大型互联电力系统，并保证系统运行 状态在可靠性、经济性以及电能质量等方面的协调统一势在必行。 对于一个大型的互联电力系统，其区域间的输电能力对于整个系统的安全可 靠性有着很大的影响。然而，以下的三种因素导致现代电力系统的运行越来越接 近其安全运行极限： ( 1 ) 出于经济等方面的考虑，实际使用的输电系统往往有别于最初设计时的 标准( 如区域间输电水平的增加) 。 ( 2 ) 由于环保及土地使用等问题反对建设新的输电线路及设备的呼声越来 越高。 ( 3 ) 由于电力市场竞争，迫切需要利用现有的网络来输送更多的电力，以 便最大限度地降低成本。 其中，尤以第三个因素为甚，因此研究并确定互联电力系统的传输能力是电力市 场参与者提高经济效益、应对激烈竞争的重要手段之一。 在电力市场中，传输能力具有市场信号的功能。因为在这个解除管制的环境 中，需要确保电力市场参与者能够无歧视地参与电力市场的交易活动，维持公平 竞争的一个必要条件就是要开放输电网络，输电用户和输电商在追求各自利益最 大化的过程中，都需要充分考虑输电网络的传输能力。所以，电力市场中的各方 参与者迫切需要获取输电网络有关输电能力的信息，以指导其在电力市场中的各 种商业行为。通过提供这样一个输电系统输电能力的市场信号，进一步促进大型 输电网络的开放，并促进发电以及电能市场的竞标。 电力市场环境下，合理确定系统区域间的传输能力可以为系统调度员和市场 交易双方提供重要的系统运行以及市场交易的参考标准。传输能力可以为系统调 度员和市场交易双方提供反映电网现有输电能力的度量标准，使系统调度员可以 根据可用传输容量安排交易，市场交易双方可以根据可用传输容量签订合同，以 减少输电网络在实时运行中发生阻塞的概率；其次，可用传输容量可以作为输电 华赢理工大学工学硕士学垃论文 网络裁减交易、消除阻塞的标准。当系统出现阻塞后，电网管理者可以依据可用 传输容量与交易量稳差额大小反映交易对黻塞影确程度的轻重，裁减影响程度大 的交易，以便从技术上消除阻塞。褥次，实时发布最新的可用传输容量，可使输 电两豹输送效率更後，麸葡使交易双方获褥更大的经济矛i j 益。 因此，传输能力是系统规划方、系统调度员以及市场交易双方等多边共同关 注魏霾要酌鞫遂：一方瑟，要考虑输电网终魏最大传辕髓力，确绦电能在输送过 程中系统的安全可靠运行和市场交易的顺利进行；另一方丽还要兼顾自身利益， 尽胃簸逢增大对己方有裁戆交易量。在这耱薪戆邵境中，准确合穗静预满未来交 易活动可能超出现肖协议的网络传输能力，即可用传输容量( a 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 ) 憝攘当耋要兹。 1 。2 哥用传输容鬃的应用 可恩传羧容量黪盎瑷及瘟惩主要羟嚣予瞧力露场发曩、改革麴逐步涤入及双 边交易的大爨出现。美国的电力市场是目前世界上最开放的电力市场之一，其市 场中双边交易会露的跑倒棚巡大，艇之美爨独特竣瞧力系绫运行歉管理模式，困 此，可用传输容量及其相关术语作为全新的概念于1 9 9 5 年由北奖可靠性黍员会 ( n o r t h a m e r i c a r e l i a b i l i t y c o u n c i l ，n e r c ) 蓄次绘蹬全懿避定义”1 。 美国自1 9 9 2 年开始启动电力工业的市场化进程，确定了发电、输电和配电部 分分离的方钻。然聪由于美瞬的大多数电力公司不仅撼有输电网，丽且掇鸯发电 公司，并且这些公司大多是私营企娥，势必阻碍电力批发市场的公平竞争。为此， 1 9 9 6 年5 月，美国联邦能源管理委员会( f e r c ) 发布了8 8 8 号法令 3 】，对开放 菲歧视的输电服务做出了规定，要求各区域性输电网对所有发电公司同等开放， 以促进电力市场的公平交易。但是，考虑到f e r c 并不介入互联系统的运行茅n 管理， 各区域往电鹈和独立输电刚按照各翻不同的管理方式对输电两进行管理。因此在 双边交易大量出现的市场背疑下，为了更好地协调备区域电网之间的运行和管理， 并撵麓全国魄两静可靠往东乎，f e r c 又发布了8 8 9 号法令拜】，对实时信息开放 系统( o p e n a c c e s s s a m e t i m e i n f o r m a t i o ns y s t e m ，o a s i s ) 的建立做出了规定， 萁中裙确提出将各送域鹃a t c 发布在o a s l s 系统的瓣页一t ，为用户提供a t c 及 其他数据信息以保证用户获得开放的输电服务。1 9 9 6 年6 月，n e r c 提出了北美 互联系统鹃a t c 诗髯框粱帮派甏1 5 ，并要求独立输电两帮嚣域往输电网确定各舀 的a t c ，建议在遵循统一计算原则的基础上，协调备网a t c 。美国实际电网a t c 戆诗舞饔痤趱工终 6 1 囊茂震嚣。 美国电网实行分区域管理，各医域电网内的协调工作由各自的独立系统调度 晏( 1 s o ) 竞焱。f e r c 鬏定渤l s o 簸援各舀鹃区域镰奄系统，并负责诗箕各区域 2 第一章绪论 内的a t c ，以及向o a s i s 发布该时刻和未来每一时刻的a t c 值，这便构成了美 国现在的a t c o a s i s 系统 6 】。每个想进行电能交易的市场参与者和进行交易安 排的i s o 都可以进入o a s i s ，查看a t c 信息及相关信息，了解输电网该时刻和 未来某一时刻的传输能力，决定输电网络是否可以提供这项交易，或确定储备某 种传输服务。然而，美国各区域输电网络具有很强的独立自主性，因此导致目前 美国各区域电网在计算各网a t c 时，只考虑了本电网的结构和交易，没有涉及其 它区域电网结构和交易的影响。另一方面a t c 计算本身涉及的内容非常多，计算 复杂耗时巨大，因此基于区域性的a t c 与实际运行情况存在很大误差【7 1 ，a t c 的 区域协调问题日益突出。在a t c o a s i s 系统的运行过程中，各区域系统内阻塞 输电线路数明显增多，导致不得不取消区域间已经安排的输电服务，以维持系统 的安全运行。这一问题的出现使i s o 和交易者对a t c 的作用产生了怀疑，并一度 影响了a t c 应用的开展，也引起了f e r c 和n e r c 的关注。n e r c 建议a t c 计 算应该考虑全网结构，加强区域间的协调及信息共享，以解决这些问题。随着更 多专家学者的深入研究，使得a t c 作为电力系统研究的一项新课题，在电力市场 中的有效应用更加显著。 1 3 可用传输容量的基本框架 1 3 1 输电系统的功能 互连输电网络把主要的电力系统设施、发电机以及用户需求中心联系在一起。 在规划、设计以及架构的时候，它应该可靠运行在热极限、电压以及稳定极限之 内，并具备下列功能： ( 1 ) 输送电能给用户。即输电网络必须能够在较大的可变运行条件范围内， 从发电机向用户提供可靠电能传输。 ( 2 )为系统条件变化提供灵活性。传输能力应当保证输电网络运行条件和方 式的灵活性，使输电网络能够可靠地控制由于发电或输电设备故障或检 修引起的输电网负荷变化，以及系统运行状况的大变动，如超出预想的 用户需求、新设备建设的延迟等等。 ( 3 ) 减少发电机装机容量需求。利用用户需求的多样性和大范围内的发电机 可用性，相邻系统的输电互联可以共享发电机装机容量，由此减少必要 的发电机装机容量，并满足每个相连系统内发电机的可靠性需求。 ( 4 )允许系统间电力的经济交换。系统间的输电互联，以及系统内部输电设 备的耦合关系，可以允许临近系统间电力的经济交换。这种经济传输有 3 华南理工大学工学硕士学位论文 助于减少用户的整体电力成本。 1 3 2 可用传输容量的定义 根据n e r c ( n o r t h a m e r i c a n e n e r g y r e l i a b i l i t y c o u n c i l ) 在文 2 ，3 中的定义， 可用传输容量是在超出已有输电协议的基础上，实际输电网络为了进一步开展交 易活动而保留输电能力的衡量标准。在数学上，可用传输容量被定义为极限传输 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 ) 减去现有输电协议( 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 ) ，再减去传输裕度( t r a n s m i s s i o n m a r g i n ，t m ) 的结果。其 中传输裕度由输电可靠性裕度( t r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ym a r g i n ，t r m ) 和容量效 益裕度( c a p a c i t y b e n e f i tm a r g i n ，c b m ) 两部分组成。 1 3 3 可用传输容量在线计算框架 图卜1 a t c 在线计算框架 f i g 1 1 f r a m e w o r ko fo i l 一1 i n ea t cc a l c u l a t i o n a t c 是一个动态量，它与网络的运行状态密切相关，由于系统的运行状态以 及市场中交易量等诸多因素都是变化的，a t c 的计算应当按照要求的时间段进行 更新，以保证发出可信度较高的市场信号。a t c 的在线计算框架如图i - i 所示。 在一个能量管理系统( e m s ) 中，a t c 程序要求与以下模块接口：状态估计( s t a t e e s t i m a t o r ，s e ) 、安全分析( s e c u r i t ya n a l y s i s ，s a ) 、实时运行计划( c u r r e n to p e r a t i n g p l a n ，c o p ) 和o a s i s 。如图卜l 中的箭头方向所示，a t c 的信息需要从s e 获 得当前系统状态，从s a 获得预想事故集，并从c o p 得知负荷预测、发电计划和 4 第一章绪论 设备故障等信息。然后根据这些信息求解a t c 的值，发布在o a s i s 。通过o a s i s 市场参与者可以公平地接收到有关输电网的信息，这些信息一般包括界面标志、 运行日期及时问、约束设备列表及t t c 和a t c 等。 1 4 可用传输容量研究综述 1 4 1 影响传输能力计算的因素 传输能力的计算一般是基于一组特定的假定运行条件，对互联输电网络运行 状况的计算机仿真。这种仿真应当恰好地表现为系统在接近那种运行状态之前的 “离线状态”。每个仿真都应表示为一个基于多个因素反映的互联网络的运行状 况。因此，这种仿真可以看作是合理的网络性能和可用传输容量指标，它需要考 虑到下列影响传输能力的因素： ( 1 ) 计划的用户需求，基本情况的需求水平应该适于研究中的系统条件和用 户需求水平，可以用峰荷、腰荷、或者轻负荷条件来代表。 ( 2 ) 发电机配置，投运和不投运的发电机应该根据正在被仿真的系统条件进 行实际配置。 ( 3 ) 系统结构，仿真的系统条件应当代表互联系统基本情况的结构，包括任 何预知的发电机或传输设备的停运。正常情况下，仿真应该包含任何系 统运行状态的变化过程。 ( 4 ) 基本的计划输电，一般计划电力传输在建模时被视为基本系统状况，并 且为市场参与各方所认可。 ( 5 ) 系统意外事故，与独立电力系统、电力交易中心、部分地区和整个地区 的计划标准相一致，应该避免出现大量的发电机和输电系统的意外事 故，以保证计算可以识别并且分析出对功率传输影响最严重的设备停 运。在某种程度上，甚至应该恰当的考虑多重意外事故的影响。 由于互联网络状态不断地实时改变，因此网络的传输能力也是随时间变化的。 由于这个原因，传输能力计算需要针对网络运行的要求周期性地更新。另外，基 于实际网络状况，传输容量时常会高于或者低于“离线状态”研究结果。仿真对 象越接近未来，假定条件中的不确定性就越大。 1 4 2 传输能力的极限 互联输电网络可靠传输电力的能力受到下列一个或多个系统的物理以及电气 5 华南瑗工夫学工擎硕士学位论文 特性的限制： ( 1 ) 热极限，热极限确定了输电线或者电气设备由于过热而发生永久破坏或 者影响公用安全之前的特定时间内能够传导的最大电流。 ( 2 ) 电压极限，系统电压及其变化必须维持程可接受的范围内。例如，最小 的电压极限决定了可以传输的最大电能，而不致破坏电力系统或用户的 设备。大范围的系统电压麓渍会导致部分甚至全网停电。 ( 3 ) 稳定极限，输电网络必须能够承受暂态和动态过程中的扰动，这个时间 瓿凡百万分之一秒到几分钟不等，与交流互联输电系统捆连的所有发电 机应当在同一频率下保持同步运行。一旦系统中出现干扰，发电机就开 始稻对于彼既振荡，并导羧系统频率、线路受萄和系统电压的波动。对 于稳定系统来说，这种振荡必须不断减少，直到系统到达一个新的稳定 运行点，发电税裔可能失去同步，部分甚至整个曩联电力系统可缝会失 去稳定，其结果可能导致设备损坏，以及出现不可控制的大范围用户供 毫中羝。 随着网络运行条件变化，输电网络某些部分的极限条件也可能在热极限、电 压羧羧秘稳定援疆之阕转换。这些变纯更藏鼷了璐究绩徐辘力辍羧瓣复杂洼。 1 4 。3 霹罴传输容量鳇鹾究方法 魄力系统区域越可爆健毒鑫容量瓣磷究诗算是一瑗菲零复杂势舆有援战性的工 作，其研究的困难主要反映在三个方面： ( 1 ) 电力系统零身是令复杂毂非线性动力系绞，睫着系统区域阀珐攀健羧斡 增大，诸如鞍点分叉或h o p f 分叉等非线性动力系统中的典型现象都可 能嫩现，从恧破塥了系统的安全性。 ( 2 ) 计算区域间可用传输容量蒋问题时，不仅要考虑系统的雁常运行方式， 恧照要预先考虑故障情况的影响；不仅要考虑系统电压水平和线路受穆 水平等静态安全约束条件，而且嚣考虑稳定性这样的动态约束祭件。 ( 3 ) 在鳃除管制的电力市场中，可用传输容量不仅要满足经济上的可用性， 而艇要保诞系统的安全可靠运行。 电力系统区域间传输能力计算的研究最早始予7 0 年代4 9 1 ，并取褥了一定的 进展，但还采能涉及更深入的问题，尤其怒在解除管制的电力市场环境中有关可 用传输容量计算的文献和研究成果尚不多见。区域问可用传输容量的研究主要有 三方瑟的任务： ( 1 ) 可用传输容量的计算。即在特定的负荷、系统条件以及安全约束下，确 定系统飙一个区域向勇一个区域w 麓输送的最大穗率，并且该健输能力 6 第一章绪论 应当适于电力市场经济运营。 ( 2 ) 系统各种因素对功率交换能力的影响，如系统运行方式、经济调度、有 载调压变压器( u l t c ) 、静止无功补偿器( s v c ) 、自动发电控制( a g c ) 等，从而探索提高系统功率交换能力的措施。 ( 3 ) 可用传输容量作为重要的市场信号，对于电力市场运营以及系统运行的 指导作用，如输电的拥塞管理、发输电的竞标策略等。 准确计算可用传输容量可以使输电商在可靠性风险较小的前提下，接受更多 的输电服务请求。然而，计算a t c 并非是对未来传输容量问题的“单值”回答“。 a t c 的计算其实是对未来输电容量可用性的一种预测。它包括很多重要的不确定 因素，如设备故障、发电配置及负荷预测等，因此a t c 的计算必须基于一系列合 理的假设。这就需要在可靠性与经济性之间进行权衡，寻找在安全可靠的前提下 经济性较好的a t c 。如果对不确定性因素估计过大，尽管可以保证输电系统的安 全运行，但输电容量不能充分利用，一方面使输电商利益受损，另方面造成输 电网络的闲置浪费。如果对不确定性因素估计过小，不仅会影响系统的安全可靠 运行，还使得输电商运营在高风险的环境中，经济利益也会受损。因此如何高效 合理地计算a t c 是众多学者正在研究的问题。由于a t c 的计算涉及对未来短期 和长期的预测要求，对不确定因素的处理不尽相同，从方法学的角度来看，目前 a t c 的计算可以大致分为概率性求解方法和确定性求解方法。 1 4 3 1 概率性求懈方法 概率性求解方法是基于电力系统所具有的随机特征，利用概率理论来确定系 统的输电能力。一般来说，系统中的不确定性因素有系统拓扑结构变化、发电机 或线路故障、天气条件、人为因素及负荷预测等等，这些都可能对系统的实际a t c 产生重要影响。 用概率方法分析功率传输能力问题出现于二十世纪七十年代，文 1 1 提出了 第一个用于传输能力分析的概率模型。该模型基于线性化的潮流方程，并假设传 输能力是一个遵循正态分布的随机变量，且只受正态分布的发电裕量的影响，则 功率传输能力的期望值和方差就可从基于线性的网络方程直接计算出来。然而， 由于传输能力呈正态分布的假设与实际情况并不相符，因此计算结果不能令人信 服。 区别于直接计算输电能力概率分布的方法，文 1 2 提出了用于分析输电能力 概率分布特性的方法，应用大型输电网络可靠性分析技术计算某一电力传输水平 下的故障率，采用直流潮流结合线性规划校正的算法研究输电网络故障率对系统 输电能力的影响。但是，该方法在实际中仍然难以提供输电能力概率分布情况的 7 华南理工大学工学硕士学位论文 相关信息。 为了获取更真实的输电能力的概率分布特性，文 1 3 提出基于查点法的输电 能力概率分析方法，并有效地用于大型电力系统中。其基本思想是把输电能力的 计算用个复杂的优化问题来描述，然后采用基于概率的方法求解这个优化问题。 该方法把优化问题分解成两个易于处理的子问题：故障选择，其目的是找出对 输电能力影响大的故障集；故障模拟计算，即用优化潮流计算产生在每一严重 故障及每一负荷条件下的传输功率值。最后把这些计算结果集合成一个传输能力 的概率分布函数，依此确定最大传输能力。当选择故障集相对较小时，该方法是 有效的，这种情况属于典型的纯粹输电网络故障分析，然而在影响输电能力的故 障相对较多的情况下，该方法的有效性就大大降低了。 文 1 4 提出了将m o n t e c a r l o 模拟法与基于a c 模型的潮流优化计算相结合， 计算大型互联系统区域问传输能力的方法。该方法是基于系统元件，如发电机、 线路及负荷等的联合概率分布用m o n t ec a r l o 模拟法获取系统状态的样本集，建 立故障选择模型。然后针对每个所选择的系统状态，用基于直接内点算法( i n t e r i o r p o i n t a l g o r i t h m ) 求解a c 网络模型的优化潮流问题来确定输电能力，并应用于大 型互联电力系统。 文 1 5 ，1 6 则采用随机规划方法，对影响可用传输容量的主要因素建立随机 模型，例如把发电机和线路的可用程度考虑为服从二项分布的随机变量，把负荷 预测的偏差考虑成服从正态分布的随机变量，然后采取综合了两阶段随机追索规 划法( t w o s t a g e s t o c h a s t i cp r o g r a m m i n gw i t hr e c o u r s e ，s p r ) 和机会约束规划法 ( c h a n c ec o n s t r a i n e d p r o g r a m m i n g ，c c p ) 的混杂方法对可用传输容量进行评估。 综上所述，基于概率的求解方法可以作为系统规划研究的有效工具，在系统 运行中可为运行人员提供直观、重要及丰富的有关输电能力的信息。此法存在的 主要问题是计算量大，且在大型互联电力系统中尤为明显，近期难以付诸实现。 1 4 3 2 确定性求解方法 在线计算a t c 时，可以相对较少地考虑不确定因素，即仅对未来作出短期的 预测，故此可以采用确定性的可用传输容量的计算方法。这一方面的研究主要可 以分为基于连续潮流方法。1 。”1 ( c o n t i n u a t i o np o w e rf l o w ，c p f ) 和基于最优潮流 方法“”1 ( o p t i m a lp o w e rf l o w ，o p f ) 二大类。 连续型方法是一种求解非线性代数方程的数值方法，自从二十世纪七十年代 开始，在电力系统潮流方程的求解中进行尝试性的应用“。由于该方法在电压稳 定性研究方面独特的优越性，从二十世纪九十年代以来，越来越引起人们的关注 1 8 - 2 0 8 第一章绪论 文 2 1 蒋次应用连续型潮流方法分析了在负荷及发电机有功功率变化的情况 下大型电力系统的静态特性，仪考虑正常运行方式下系统电压和负荷水平这类静 态的约束条孛，然鼷根据系统豹当兹运行状态逐步过渡到系统的功率传竣极限点， 对应用连续型潮流技术计算系统区域间传输能力进行了初步探讨。 文 2 2 2 5 】鼓滚续登溺淀技术爻蒸蕃鑫，霹大鍪戛联毫力系绞送域惩铸辕能力戆 分析与计算进行了系统、深入的研究，提出计算系统区域间功率交换能力的方法。 这种方法既可以考虑诸瓤电压永平、线路及设备：i 毫负荷这样的静态安全性约束条 件，也可以考虑由于潮流方程解的鞍型分叉导致的电压稳定约束以及其它动态稳 定约柬条件的影响 既可以考虑系统的各种正常运行方式，也可以考虑各种故障 祷提熬影嫡。 然而，连续潮流方法目前主要集中于对电压稳定约束的研究，还未能应用于 更多的动态约束。舅羚，在诗葬过稷串，连续潮流方法砖予交疆熬交亿方鹈较难 选取，通常会导致保守解，忽视发电机、负荷以及电力系统控制装置的最优分配， 降低经济往。另矫，由予迭代次数很多，计算速度较慢，对未来a t c 发布静更薪 可能产生不剃影响。 可用传输容量的求解问题殿当是在满足潮流、安全稳定等系列系统条件约 寐条佟下，遗过调节系绞孛懿控制交蕨，寻求援定输电羚嚣的传输能力最大位， 因此窀在本质上应当是一个最优潮流问题，应当采用合逶的优化方法来求解该问 题。零章透过下一节综述了最後潮流法( o p f ) 在冒臻传输容爨琴 究中静应鬻。 1 4 4 最优潮流方法在可用传输容量研究中的应用 自六十年代初，法国学者c a r p e n t i e r 提出了建立在严格的数学基础之上的最 佬潦浚( o p f ) 模瀵班寒，最饶灞浚阉题逐澎残必诲多学者关注兹磷究领域，著 且取得了一系列研究成果。 簸优潮流离舔蓿韵怒在满楚特定的系绞运行j 【l 安全约束条俘下，逮过调整系 统中w 利用控制乎段实现预定髓标最优的系统稳愆运行状态。随着电网规模的日 益扩大，以及电力市场改革的深入，人们考虑的安全和经济因索也西趋复杂，最 优潮流方法戆应熙又有了耨发鼹。最忧潮滚方法撼电力系统经济调皮驷潮流计算 有机地融合在一起，以潮流方程为基础，综合考虑经济性与安全性的全面优化， 针对不同豹鏊标爨数，选择不溺兹控稍变爨窝约慕条磐，霹戳分裂形残一个大援 模多约束的非线性规划模型，并应用于求解实时电价、输电费用计算、网络拥塞 管理、可丽传输容量研究等电力市场中不裁类登鹃薪闯溅。 可用传输容擞的计冀可以精作是以一个特定输电界面的传输容爨为目标，受 到潮流、安全稳定及熟稳定等系统条件约柬的最伉潮流问题，因此，最优潮流方 9 华南理工大学工学硕士学位论文 法应瘸子可稍传输密量的研究可分为：寻找合适的求解最优潮流问题的优化方法 和建立精确的数学模型。 最优潮流方法藏用于求解可用传输容鬣的方法研究已经有了一些迸聪。许多 优化方法，如线性规划法“”、简化梯度法”等相继应用于求解此类问题。近年来， 内点法、神经两络方法”等先滋的伉张技术氇不断的弓i 入妥了这一颁域豹研 究，并取得了较好的效果。 建立基予最饶濑滚豹哥稻传输容量模戮在诗藓速瘦籁准确度上存在实用直流 模型还是交流模型的讨论，但是更多的研究则是根据1 4 2 节中指出的各种安全 终寒条箨建立合适瓣数学挨整。稻祷输容量静诗葬登矮满足系绕运 亍瓣备稀安 全稳定约束，但是当前的研究大多集中于仅考虑系统中的静态约束，例如系统的 最大受蔫量“、线路潦滚戆煞稳定极疆、电压稳定掇聚0 3 2 “3 “等终紊条俘，瑟 对对系统运行影响很大的动态约束，例如黼态稳定约束等考虑的较少。由于电力 枣场竞争黪壤孛，隽了提藏经济效蕤，系绞静运行条终登然凑遥逡稳定貔边赛， 一旦发生如暂态失稳这样的重大事敝，其造成的损失和控制费用非常大，对于输 毫褰秘辕电翅户来说郄不霹接受，毅鼗建立诗及系绞暂态稳定约寒懿可蠲转辕容 量计算模型非常必要。 习惯上，诗及鹜态稳定约束懿o p f 翊越戆求鳃主要采取庙发戏懿试探方法， 即先把可用传输容慧计算定义为不考虑暂淼稳定约束的静态非线性规划问题，在 此基础上求鼹出最饯运行点，然后翘预想事馥集对其进彳亍鼗态稳定约束熬校验。 如果暂态稳定约束自动满足，则该解即为最优解，显然这种情况怒很罕见的；否 则就必须修藤该最优艇，使它满足嚣态稳定约束。一般，这个修旋的过程是基予 工程方面的经验判断采取启发式的试探校藏方法。恩然，这种方法是费时并且难 以利用计算机计算的，而且这若非真正意义下的最优潮流计算，方面它损害了 系统逡行的经济性，弱一方面，该解的不精确性将影响a t c 在市场参与者之间的 公平分配，因此在电力市场的环境下是不合适的o “”1 。 为了准确合理魏计算可爝传输裙董，威该将暂态稳定约束计入最优潮流模型 之中。然而，除了包括一般的代数摊式和不等式约束，由于暂态稳定分析霈要离 散纯研究静辩闻段，离散步长大小的交证俊计及暂态稳定约束的簸优潮流闯题又 包括维数不确定的微分方程及不等式的约柬。因此，该问题的求解存在二大难题： ( 1 ) 伉亿过程审如秘悠理维数不确定瓣微分方程及( 不) 等式约隶，以及其 中维数不确定的变蕊。 ( 2 ) 蟊镑在饶纯过程串满是与各释系统故障域扰动辘迹交亿籀对瘦的徽分 方程约束。 簸迓有薪静文默 2 6 ，3 3 ，3 4 】讨论了遴过把该微分方程缱逶戳静差分纯为一 系列相应的代数方程组，把暂态稳定约束记入到最优潮流计算过程中，使得该o p f 1 0 第一章绪论 问题可以应用常规的优化算法进行求解。虽然这种方法解决了由于暂态稳定约束 引起的维数不确定问题，但是这种差分化过程的近似性会影响优化计算的准确性， 而且更重要的是由于把微分方程差分化，意味着在原有o p f 问题基础上，在每一 个时间步长上都必须引入大量对应的中间变量，以及相应的等式和不等式约束参 与优化计算，优化规模膨胀的非常厉害，并且可能引起计算过程中的收敛困难。 随着系统规模的扩大，以及预想事故集的增大，这种方法会给优化过程带来巨大 的计算负担和困难。 为了控制该问题优化规模的增长，文献 3 5 提出新的暂态失稳判据，用暂态 过程中摇摆曲线的失稳轨迹在对应时间段上的积分值判别暂态失稳程度，并以该 失稳程度作为暂态稳定的约束条件计入优化计算，把计及暂态稳定约束的最优潮 流问题成功的转化为一个标准的最优潮流问题，并且克服了求解过程中由于常微 分方程组差分化引发的优化规模过度膨胀问题。由于摇摆曲线轨迹是基于相应优 化过程的中间结果，在求解最优潮流问题中具有不确定性，对优化求解的收敛性 影响较大，同时，该方法仍然无法避免庞大的计算量和计算难度，如何提高计算 效率和收敛速度的问题还有待进一步研究，这也是本文的主要工作。 1 5 本文主要工作 本文主要探讨了计及暂态稳定约束的可用传输容量的计算问题，主要工作如 下： 1 给出了准确计及暂态稳定约束的可用传输容量的数学优化模型，并通过引入 新的暂态稳定判据将该模型等值变换为常规的最优潮流模型。 2 将具有二阶收敛性的直接非线性原对偶内点算法应用于求解该优化模型，并 解决了由于引入暂态稳定约束而导致其相应的雅可比矩阵和海森矩阵计算难 题。 3 基于模糊集理论的截集概念，提出了暂态稳定约束的最有效约束部分的概念， 不仅显著减少了每步迭代过程的计算量，而且大幅度提高了算法的收敛速度， 减少了迭代次数，从而大大提高算法的计算效率。 4 利用本文算法分别对美国w s c c3 机9 节点系统进行了仿真计算，验证了该 算法的正确性和有效性。 华南理工大学工学硕士学位论文 第二章计及暂态稳定约束的可用传输容量计算模型 2 1 用传输容量的定义及其计算原理 2 1 1 可用传输容量的定义 基于美国联邦管制委员会的规则制订通知( n o t i c eo fp r o p o s e dr u l e m a k i n g ， n o p r ) 的描述，可用传输容量( 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 t c ) 及其相关术 语作为全新的概念于1 9 9 5 年由北美可靠性委员会( n o r t ha m e r i c ar e l i a b i l i t y c o u n c i l ，n e r c ) 首次给出全面地定义”1 。 根据n e r c 在文 2 ，5 中的定义，可用传输能力是在超出已有输电协议的基 础上，实际输电网络为了进一步开展交易活动而保留输电能力的衡量标准。因此， a t c 是连接不同输电网络的规定界面上功率传输增量的函数，它为电力交易在现 有输电协议的基础上和输电网络制约下，是否还具有进一步的输电能力提供依据。 a t c 的计算与以下三个量密切相关： ( 1 ) 极限传输能力( t o t a lt r a n s f e rc a p a b i l i t y ，t t c ) ，是在满足所有系统安 全约束的条件下，互联电力系统中能够可靠传输的最大电能。随着输电 量的增加，输电界面上的潮流也不断增大，但界面上允许的最大潮流受 到多方面的约束，如线路的热极限约束、电压极限约束、电压崩溃约束 以及其它如暂态稳定约束等若干系统安全约束。其中，最小的约束极限 决定了输电界面的t t c 。如图2 一l 所示。 ( 2 ) 传输裕度( t r a n s m i s s i o nm a r g i n ，t m ) ，是考虑到电力系统内不确定性 而设立的输电裕度，其作用是在t t c 基础上进一步计算a t c 时，留有 一定的裕度。根据文 3 ，4 ，t m 由输电可靠性裕度( t r a n s m i s s i o n r e l i a b i l i t ym a r g i n ，t r m ) 和容量效益裕度( c a p a c i t y b e n e f