（电力系统及其自动化专业论文）基于实际报价结算的用灵敏度矩阵消除阻塞的算法.pdf

a b s t r a c t p o w e ri sa ni m p o r t a n tr e s o u r c eo ft h ed e v e l o p m e n to fh u m a nb e i n g i ti s n e c e s s a r yt op u s ht h ee l e c t r i c a lp o w e ri n d u s t r yt ot h em a r k e tw i t ht h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m y i no u rc o u n t r y , t h ef i r s ts t e pt oo p e nu pt h eg e n e r a t i o nm a r k e ti sc a r r y i n g o u t t h i sp a p e ri sp r e s e n t e dt os t u d yh o wt op u r c h a s ee l e c t r i c i t yf r o mp o w e rp l a n t s 、 d t hm i n i m a lc o s to i l t h ep r e m i s eo fs a t i s f y i n gs e c u r i t yc o n s t r a i n t s e l e c l t i ce n e r g y q u a l i t ya n dr i s e r s r e q u i r e m e n t s s ot h i si s s u eh a ss o m et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l m e a n i n g s t h eo b j e c t i v eo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mi st oe l i m i n a t ec o n g e s t i o n 谢t ht h e m i n i m a lc o s to fp u r c h a s i n ge l e c l r i c i t yf r o mp o w e rp l a n t s i ti sp r o p o s e dt oc l e a rb a s e d o nt h ep r a c t i c a lq u o t e dp r i c ea n dn l r k eu s eo ft h em e r i t - o r d e rm e t h o dt os o l v et h e u n i tc o m m i t m e n tp r o b l e m 1 1 1 ef e a t u r eo ft h em e r i t - o r d e rm e t h o di sf a s ta n db r i e f a f t e r w a r d s ，p o w e rd i s p a t c hi sd e t e r m i n e db ya d o p t i n ge q l l a lb i d d i n gp r i c em e t h o d c o n s i d e r i n gt h ei m p a c to f p o w e rl o s s b u tt h i sp o w e rd i s p a t c hm a yc a l l s eo v e r l o a d i n g i nl i n e so rt r a n s f o r m e r s ( i ti sc a l l e dc o n g e s t i o nu n d e rp o w e rm a r k e tc o n d i t i o n ) t 0 e u s u r eam o r es e c u r ep o w e rs y s t e m ，c o n g e s t i o nm u s t b ee l i m i n a t e d t h i sp a p e r d i s c u s s e st h et r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o nm a n a g e m e n tb a s e d + o nt h ea n a l 。y s i so ft h e s e n s i t i v i t ya n ds e v e r a la l g o r i t h m s a na i g o f i t h r ao fe l i m i n a t i n ge o a g e s t i o nb a s e do n t h ea n a l y s i so f m a t r i xo f s e n s i t i v i t yi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , 铜蟾a l g o r i t h mp r o v i d e s as o l u t i o na c c o r d i n gt oa l lt h eo v e r l o a d i n gl i n e s i t se q u a l i t yc o n s t r a i n t sa r et h e o v e r l o a d so ft h eb r a n c h e sa n dt h es u m m a t i o no ft h es e n s i t i v i t yo ft h ee l e m e n t m u l t i p l y i n gc 0 1 t c s p e n d i n ga d j u s t m e n tr e s p e c t i v e l y 。i t si n e q u a l i v c o n s t r a i n sa r et h e u p p e ra n d 。l o w e rl i m i t so f t h eu n i t s 髓ea l g o r i t h mu s 也em e t l a o ao f f i n d i n ge x t r e m e v a l u eo fl a g r a n g i a nf u n c t i o na n dt h e 删u s u n e n to fe a c hu n i tc a nb eo 埭a i n e db y s o l v i n gal i n e a re q u a t i o ns e to n l y , t h e c a l c u l a t i o ni sf a s ta n ds i m p l e n 把r e s u l t so ft h ei e e e 9s y s t e ma n dt h ei e e e 3 0s y s t 。e ms h o wt h a tt h ep r e s e n t e d a i g o f t h mi sc o r r e c ta n d e f f e c t i v e k e yw o r d s ：p o w e rm a r k e t c o n g e s t i o nm a n a g e m e n t m a t r i xo fs e n s i t i v i t y l a g r a n g i a n 丘m 。l i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘壅盘璧或其他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。 学位论文作者签名： 撞 签字日期：，旺年月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基盎蠡堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅走壁可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查 虱和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 穆德 签字日期：埘年 ，月哆目 导师签名：孝科p7 签字日期：弦f p 年f 月i 一日 第一章绪论 第一章绪论 电能是人类赖以生存和发展的最重要的二次能源，电力工业的发展是国民经 济发展的巨大动力。自从2 0 世纪8 0 年代南美洲一些国家开展电力市场化改革以 来，由于可以提高效率、降低电价，电力市场化的改革浪潮很快推广到世界上许 多国家。近几年来，我国的电力工业以国家机构改革和产业调整为契机，按照国 家推出的“厂网分开，竟价上网，打破垄断，引入竞争”的电力体制改革方案， 开始了电力市场化的进程，现已完成了电力工业的重组，成立了国家电网公司、 中国南方电网有限公司两家电网公司，中国华能集团公司、中国大唐集团公司、 中国华电集团公司、中国国电集团公司、中国电力投资集团公司五家发电集团， 以及中国电力工程顾问集团公司、中国水电工程顾问集团公司、中国水利水电建 设集团公司、中国葛洲坝集团公司四家辅业集团公司。同时为了实旌对电力企业 有效的监管，成立了国家电力监管委员会，按照垂直管理体系，向区域电网公司、 电力交易调度中心派驻代表机构。 电力市场下实行厂网分开，竟价上网的原则，如何在保证公平竞争的原则下 建立一套完善合理的竟价机制及如何有效的解决竞价过程中可能会出现的各种 问题，成为实现电力市场化改革迫切需要解决韵问题。 1 1 论文研究的内容及意义 电力工业的市场化改革是打破垄断，引入竞争，实现商业化运营。电力市场 的开放给电力工业注入了新的活力，同时也给电力系统钓研究带入了一系列新的 阉题，竟价算法及阻塞管理是其中一个重要的方面。竟价算法及箕阻塞管理作为 电力市场技术支持系统的核心，最终的目的是在满足系统安全约束和电能质量的 前提下，提高整个系统的经济性，这与原来垄断条件下的形式有所不同，许多原 来垄断经营时的技术已经不熊再适应电力市场的要求，必须进行重新的研究或对 原来的方法进行修改。 在发电侧开放的电力市场条件下，为保证参与的各电厂公平竞争，必须按照 各电厂的竞价曲线，合理分配各电厂的出力。但是根据竞价确定的各发电机组出 力很可能导致传输阻塞( 线路或变压器过负荷) 。在电力市场环境下，电力系统 的运行方式将出现更多的变化，有些运行方式在管制条件下是不可能出现的，因 此在市场条件下，发生阻塞的可能性更大。阻塞的出现可能造成以下后果：系统 第一章绪论 安全破坏：无法建立新合同；使已有合同不可行；出现预料之外的强迫停运：局 部地区的电价垄断等i l 】。为了保证系统运行的安全可靠，必须消除阻塞。 本文研究的内容，就是在发电侧开放的电力市场下，如何购买各发电厂的电 力，以及解决竞价过程中可能会出现的输电阻塞问题，在满足电网安全性和电能 质量前提下，使得整个电网购电费用最小。传统的以行政命令方式通过发电和调 度来消除阻塞的方法不能体现电力市场经济性和公平的原则，因此必须从电力市 场中所有成员的利益出发，在保证由于消除阻塞所增加的电网购电费用最低的目 标下，通过重新调整发电机出力甚至是切除负荷，达到消除阻塞的目的。因此， 本课题的研究，具有很深远的理论意义和较大的现实意义，是目前电力工业改革 所急需解决的问题。 1 2 本课题的研究现状 电力市场条件下，为了实现机组竞价上网，首先应该根据机组竞价曲线确定 上网发电机组的组合，然后在竞价成功的机组间根据各机组竟价曲线公平合理分 配负荷容量，使得总体购电费用最小。由机组报价决定的计划出力有可能造成网 络中线路或变压器的容量越限，这时应该采取有效的阻塞管理方法，消除阻塞的 同时还要使得因调整而增加的购电费用最小。 1 2 1 上网机组组合【2 】 机组组合问题是一个高维数、非凸的、离散的非线性优化问题，很难找出理 论上的最优解，但由于它能够带来显著的经济效益，人们一直在积极研究，提出 了各种方法来解决这个问题，如启发式方法f 3 】【4 】1 5 】、优先顺序法瞰7 】【8 】【9 】、动态规 划法f l o 1 1 ”、整数规划f 1 2 】和混合整数规划法、分支定界法、拉格朗日松弛法f 1 3 j 、 人工神经网络法、模拟退火算法、遗传算法14 1 【”1 等。 1 2 2 机组竞价算法 目前的研究中，发电竟价用到的主要算法有：排队法、等报价法、动态规划 法、网络流规划法、线性规划法等。它们分别适用于不同类型的撮价曲线，并适 合解决不同类型的约柬条件。电网购电费用的结算，目前主要存在着按统一边际 电价结算和按机组实际报价结算两种主要的结算方式。 1 2 2 1 排队j 去1 1 6 】f 1 7 1 排队法也称优先级法。既可以用于解决机组组合或机组开停问题，又可用于 2 第一章绪论 安全破坏；无法建立新合同；使已有合同不可行；出现预料之外的强迫停运：局 部地区的电价垄断等【l j 。为了保证系统运行的安全可靠，必须消除阻塞。 本文研究的内容，就是在发电侧开放的电力市场下，如何购买各发电厂的电 力，以及解决竞价过程中可能会出现的输电阻塞问题，在满足电网安全性和电能 质量前提下，使得整个电网购电费用最小。传统的以行政命令方式通过发电和调 度来消除阻塞的方法不能体现电力市场经济性和公平的原则，因此必须从电力市 场中所有成员的利益出发，在保证由于消除阻塞所增加的电网购电费用最低的目 标下，通过重新调整发电机出力甚至是切除负荷，达到消除阻塞的目的。因此， 本课题的研究，具有很深远的理论意义和较大的现实意义，是目前电力工业改革 所急需解决的问题。 1 2 本课题的研究现状 电力市场条件下，为了实现机组竞价上网，首先应该根据机组竞价曲线确定 上网发电机组的组合，然后在竞价成功的机组间根据各机组竞价曲线公平合理分 配负荷容量，使得总体购电费用最小。由机组报价决定的计划出力有可能造成网 络中线路或变压器的容量越限，这时应该采取有效的阻塞管理方法，消除阻塞的 同时还要使得因调整而增加的购电费用最小。 1 2 1 上网机缀组合2 l 机组组合问题是一个高维散、非凸的、离散的非线性优化问题，很难找出理 论上的最优解，但由于它能够带来显著的经济效益，人们一直在积极研究，提出 了各种方法来解决这个问题，如启发式方法f f 4 阁、优先顺序法眦7 】f 8 】嘲、动态规 划法1 10 】【】”、整数规划【1 2 l 和混合整数规划法、分支定界法、拉格朗日松弛法、 人工神经网络法、模拟退火算法、遗传算法14 】1 1 ”等。 1 2 2 机组竞价算法 目前的研究中，发电竞价用到的主要算法有：排队法、等报价法、动态规划 法、网络流规划法、线性规划法等。它们分别适用于不同类型的报价曲线，并适 合解决不同类型的约束条件。电网购电费用的结算，目前主要存在着按统一边际 电价结算和按机组实际报价结算两种主要的结算方式。 1 2 2 1 排队；去1 1 6 】 1 7 】 排队法也称优先级法。既可以用于解决机组组合或机组开停问题，又可用于 排队法也称优先级法。既可以用于解决机组组合或机组开停问题，又可用于 2 第一章绪论 解决经济功率分配的问题，同时还可以用作动态规划法机组经济组合的初始状 态。排队法可以用于各种周期包括年、月、目的计划，校正和控制以及实时调度 之中。排队法的使用条件是报价必须是分段水平线( 阶梯形) 。它把所有参与竟 价机组的报价段按从小到大的顺序排列，形成报价序列，并从前往后累加计算出 各报价段对应的功率范围。根据负荷大小，以报价低的先上网的优先顺序确定各 个机组出力，并校核电网运行约束条件，计算出购电费用。 1 2 2 2 等报价法【1 8 】 1 9 1 等微增率准则是人们用来解决机组间如何经济分配功率问题的经典方法。在 开放发电市场的条件下，如果按统一边际电价结算，等微增率准则变为等报价法； 如果按各机组实际报价结算，等微增率准则变为等报价微增率准则。等报价法的 数学本质是解一维非线性方程( 乏z 五) ，目前有以下几种解法：线性方程法、 牛顿内插法、合成曲线( 等值) 法和夹板二分法。等报价法的优点是：只要报价 曲线是不下降的，不论在斜线段、水平段或垂直段均能可靠收敛；计算速度足够 快，在自动发电控制( a g c ) 的实时经济控制中也用此算法。其缺点是只能在已运 行的机组间竞价分配发电功率，机组的启停状态需用其他算法确定；在下降报价 特性时，等报价准则不能导致购电费用最低。 1 2 2 3 动态规划法【2 0 j 动态规划法可以用来解决发电竟价中的机组组合和功率分配问题。在机组组 合模型中可以考虑时段间启动费用和启停约束，在功率分配模型中可以处理报价 曲线的下降特性。其缺点是解决机组组合问题时，状态量过多，一般采用带状区 域法或松弛法，但在不同时段发电报价变化过大时，难以找到带状区，而松弛法 又容易出现不收敛问题。目前，在解决机组组合和竞价问题时处理下降报价特性 方面，动态规划法仍是最好的方法。 1 2 2 4 网络流规划法【2 1 1 1 2 2 】 网络流规划是针对网络问题的一类特殊算法，适合解高维数、多约束的线性 和非线性优化问题，在经典的经济调度中，得到了很好的应用，同样也是电力市 场分析中最有前途的算法。其竟价过程简单直观，可用于一日前计划和- d , 时前 计划，适合做实时调整和电力拍卖。可以解决各种约束问题，特别是与时间相关 的约束和与网络相关的约束。 1 _ 2 2 5 线性规划法l 2 3 1 2 4 1 线性规划竞价算法是把目标函数和约束条件近似线性化处理后构成线性规 3 第一章绪论 划模型，通过迭代计算出调整量。其优点是快速可靠，能有效的处理网络安全约 束和时间约束，能无障碍的使用报价的下降特性。其缺点是处理网损比较麻烦， 逐次线性化会造成计算精度的流失。 1 2 3 阻塞管理的方法 当发生输电阻塞时，应首先动用调节潮流的设备，如调整变压器分接头，特 别是移相变压器分接头，或控制f a c t s 元件，特别是串联设备【2 5 1 。当阻塞比较 严重，依靠上述措施不能完全消除阻塞，只能通过调整发电机出力和削减用户负 荷等经济手段解决。目前主要有两种方法，一种是基于最优潮流计算，一种是基 于灵敏度分析。 1 2 3 1 基于最优潮流的阻塞管理方法1 2 6 j 阻塞管理的一个基本思路是在竞价市场和双边合同市场之外建立一个实时 平衡交易市场，它的职能就是鼓励尽可能多的电厂和用户参与市场竞争，协助调 度部门修订调度计划，解决传输阻塞问题。但随着现代电力市场串双边合同数量 的急剧增加，平德市场中的电源已经不能满足阻塞管理的要求。为了保证系统的 安全可靠性，有必要根据市场竟价修雁某些双边合同来解决阻塞闯题，此时需调 整相关电厂的出力年口用户的负荷。 借助于最优潮流这个工具，可以根据市场擐价调整实时平衡市场的电厂出 力，甚至在必要时可通过竟价手段削减某些双边合同量。根据市场参与者提出的 增减出力报价，设目标函数为调整费用最小，应用改进的非线性原对偶内点法最 优潮流可以有效的进行阻塞管理。 最优潮流阻塞管理的数学模型可表述如下。 目标函数：蠼优潮流阻塞管理目标函数包含两项，一项是发电机或负荷在 平衡市场中的调整费用，因为增蠡报价和减壁报价通常是不同的，所以这项是不 定的。另一项是所有双边合同的肖减费用之和。 曲喜m 找一_ ；i f ：。：) ，啊( 帮一乒嵯鼢( p , j - ) ( 1 - 1 ) 式中，6 表示发电机增加出力的报价，町表示削减出力的撤价，6 ；为节 点i ，之间双边合同的削减报价，p , j 为节点i ，之间双边合同量。蠢表示节点 总出力减去双边合同量的值，即为实时平衡市场中的出力，三者的关系可以表示 为： 第一章绪论 ( 1 - 2 ) 约束条件： 对发电机节点( f n 6 ) n n 声+ 只“一( u ? g 。+ 【，u ，( g fc o s 5 f + s i n 2 ；，) ) = 0 ( 1 - 3 ) i 酋i “ # ，j 7 q f 一( 一u ? 最+ u ，u ( 岛c o s 8 f 一岛c o s 磊) ) = 0 ( 1 _ 4 ) 目 ，t j n 0 s e 。 ；：； 0 乒p 。 口。q q ，。 对负荷节点( f n l ) u t g , ，+ u 。兰u ，( g f 。s 磊+ b as i n ) 十乒+ 羔只w ：o 锡舞 一u ? e ，+ 【，u ( g fs i n 8 f b fc o s 8 , j ) + q , = 0 j 引 t7 o 乒+ 只”只。 篇 对所有节点( f ) u ，。u u i ，。“ p q = u ：g b u p i 4 8 6q + b os i n s a ) 蔓p q m 鞋 ( 1 5 ) ( 1 - 6 ) ( 1 - 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) f l 一1 0 ) ( 1 - 1 2 1 ( 1 1 3 ) 式中， - 为负荷总数；q j 为节点注入无功；q f ，曲和q i 。为发电机无功出 力上下限约束；最，一为支路传输功率上限。 阻塞管理的目标函数是管理费用最小，当阻塞消除后，由调度管理中心将 ， 只 。f厶描 一 只 = p 吖 蚪m 只 一 ， 只 一川 + p 吖 一nn只 第一章绪论 管理费用付给市场参与者。乒，只，q 可以看作是优化过程的控制变量，是需要 调整的，u ，点为状态变量，其值由控制变量决定。 最优潮流计算可以从理论上完美的解决阻塞管理问题，针对特定的运行状 态，优化潮流方法可以提供非常好的运行方案。它可以综合利用系统中所有可以 用来调节的元件，以求获得系统总体效益最高的运行方案。然而将这种方法应用 于电力市场时，因为其计算复杂，费时以及调整因素过多，难以分清责、权、利 等问题而限制了其实时应用。 1 2 3 2 基于灵敏度分析的阻塞管理方法【2 7 】 2 8 】 长久以来，灵敏度分析就因为其物理概念简单，能够直观的表示两个不同的 物理量之间的关系的特点而在电力系统中获得了广泛的应用。它主要是通过分析 某项运行指标与决策和控制变量之间的关系来确定该量对系统的影响，从而进一 步提出改善该项运行指标的措施。 本文中采用的灵敏度是线路有功潮流相对于节点有功出力的灵敏度，也就是 所谓的g s d f ( g e n e r a t i o ns h i rd i s t r i b u t i o nf a c t o r ) ，其定义为： ， s “= 詈 ( 1 - 1 4 ) 式中，厶表示第k 条支路有功潮流，只表示节点f 的注入有功。 目前，可以用来解决阻塞问题的灵敏度分析方法主要有以下几种： l 、线路潮流对节点出力的灵敏度分析 2 、线路潮流对负荷的灵敏度分析 3 、线路潮流对线路阻抗的灵敏度分析 其中，前两种灵敏度合称为a 吼爆，它代表着线路有功潮流和节点注入功率 的相关性，也正是本文所进行阻塞管理的依据所在。第三种表瞻了线路潮流对线 路参数的灵敏度，可以作为规划系统的依据。不适合用于电力系统的实时控制和 管理，因为线路参数一般是不能实时调节的。 根据采用的电力系统潮流计算模型不同，计算g 暾捃的方法可分为直流潮 流模型下计算法和交流潮流模型下计算法。交流潮流模型能够适用于系统运行方 式变化，但计算速度慢，一般认为不能满足实时应用的需要。直流潮流模型计算 速度快，且只与网络结构有关，但缺点是不能反映无功功率的影响和系统的动态 特性，且不够糟确。 基于直流潮流模型的反映发电出力与线路潮流之间的关系的公式如下： 矗 第一章绪论 s ，= 等= ( 等一等) 产；= x q i - 扎班。( 1 - 1 5 ) 式中眈和眈分别表示线路k 的始末端的电压相角；x 。和工。表示直流潮流阻 抗矩阵中对应位置的阻抗值。 计算出发电机和负荷的灵敏度系数后，便可根据灵敏度系数来选择调整对阻 塞影响的发电出力或负荷，消除阻塞并且容易实现功率调整量最小或者调整费用 最小等目标。 阻塞管理的目标函数通常有以下两种类型： a 发电机的出力及负荷的调整容量总和最小： m i n p = ni 叱，卜宝陋， i - 1 j 一1 f l 一1 6 ) 式中，峨，为发电机节点i 的出力调整量，屹，为负荷节点，的负荷调整量。 b 发电机的出力及负荷的调攫费用总和最小： m i n f = i 叱。，i + 陋。，i ( 1 - 1 7 ) ，- 1 j = i 式中e ，为调整发电机节点i 出力的价格，e l 。，为调整负荷节点- ，负荷的价格a 阻塞调整量应满足下式； 上 = 一壤 ( 1 - 1 8 ) t = l 式中昂是过载支路的过载量，够应满足相应的上下限约束。 以发电机和负荷调整功率最小为目标函数，目前主要有基于灵敏度分析的反 向等量调整法 2 9 1 。该方法先求出所有发电厂有功出力调整对过载最严重支路有 功的灵敏度系数，然后按照灵敏度绝对值大小的降序，对于每一个灵敏度为正的 需要减出力的发电厂都为其找到一个与之配对的灵敏度为负的需要加出力的发 电厂，反之亦然；并且每一配对发电厂加减出力的值相等。根据过载量和灵敏度 系数求得需要调整出力的发电厂的调整量，最后达到消除阻塞的嗣的。 以发电机出力及负荷的调熬费用最小为目标函数，当购电费用以不同的结算 方式结算时，又有不同的解决办法。以统一边际电价结算时，可根据各机组灵敏 度的大小以及相应的报价曲线使得增加出力的各机组按照相同电价来决定所应 增加的出力。它既保证了消除过载又保证了电网的购电费用最小3 们。以实际报 价结算时，可以以过载支路的过载量和相应的发电机灵敏度与修正量的乘积为等 第一章绪论 式约束以及发电机组功率的上、下限等为不等式约束。根据计算出的灵敏度系数 的大小，分为灵敏度系数全为正，全为负，有正有负三种不同情况分别进行处理， 采用拉格朗日函数求极值的方法，各发电机修正量的求解只需解一个线性方程 组，其计算简单快捷引1 。 1 3 本文所作的主要工作 本文主要讨论了在发电侧电力市场条件下以电厂实际报价结算时，在以整个 电网购电费用最低的目标下，如何购买各发电厂的皂能以及当一条或多条支路出 现过载时，如何调整发电机组的出力，使得既消除阻塞，同时保证电网由于消除 阻塞而增加的购电费用最小。 1 ) 在市场竞争的条件下，各机组的有功功率的分配和垄断经营时不相同， 根据的是各电厂的上网报价，报份低的电厂优先上网，这榉才能有利于竞争，达 到整个社会资源的优化配置。本文对机组组合采用简单的排队法来确定，因为排 队法简单快捷，按照各发电机组实际的报价情况，结台电网运行的约束条件，计 算各种组合的电网整体购电费用，以购电费用最小为目标选择最佳钒组组合。 2 ) 由于实际的报价曲线是分段的连续曲线，而机组组合时使用的是阶梯形 报价曲线，在连续分段曲线上取一些关键点，近似处理成阶梯形。在确定机组组 合后，根据等报价法确定各组合进去的机组实际分配的出力，同时在具体分配时 考虑了网损的影响。 3 ) 按照等报价法确定的机组功率分配，很可能造成网络中某些支路的过载， 为了保证系统的安全运行，必须消除过载。本文讨论了基于灵敏度分析的消除阻 塞方法，对出现阻塞的所有支路，选择一条阻塞最严重的支路，按备机维和负荷 灵敏度大小及报价曲线，选择最适合的发电机和负荷调整出力，逐条消除阻塞的 同时使调整功率或调整费用最小。 4 ) 提出了一种在按机组实际报价结算时，以调整费用增蠹最小为目标的消 除阻塞的算法。对出现阻塞的支路，形成相应的灵敏度系数矩降，以调整赞用最 小为目标函数，整体解决过载支路的阻塞。以过载支路的过载蠢和相应的发电机 组的灵敏度系数和调整量的乘积形成等式约束，并和目标函数构成拉格朗日函 数，采用拉格朗e t 求极值的方法，通过推导得出各发电机的澜整量。整个计算过 程只需求解一个线性方程组，计算较为简单快捷。 5 ) 利用本文提出的阻塞管理算法，对i e e e9 和i e e e 系统进行了计算。_30 算例证明了本文所提算法的正确性。 第二章发电市场的竞价模式及结算方式 第二章发电市场的竞价模式及结算方式 发电市场是电力市场中最先开放的市场，也是发展较为成熟的部分。发电市 场中的运作模式分为双边合同模式( b i l a t e r a l 模式) 和交易中心集中竞价出清模式 ( p 0 0 1 ) 模式两大类。其中集中竞价又可分为分时竞价和分段竞价两种主要的竞价 模式。当前，国外电力市场普遍采用的是分时竟价的交易模式，即逐时段( 半小 时、小时) 的对负荷进行拍卖竟价。分段竞价是一种新的竟价思想，它将一持续 时间段的负荷曲线分为若干连续的负荷分段，对持续的负荷进行拍卖竟价【3 2 1 1 3 3 。 市场结算规则作为电力市场规则的重要组成部分，与市场参与者有着极其密 切的联系，直接体现着市场参与者的利益，关系到市场竞争是否能够进行。目前 存在着两种主要的结算模式，种是按各机组实际报价结算的模式，另一种是按 全网统一电价结算的模式。 2 1 分时竞价模式【3 4 】【3 5 】 分时竞价按时段( 小时、半小时) 对负荷进行拍卖，如图2 - 1 所示。 p 舢w t lt 2 t 3t 4 t s t 6 t 7 t h 图2 1 分时竞价的负荷拍卖方式 分时竟价的一般模型是： n r a i n c = 瓦( 只) ( 2 1 ) ， 1 式中：瓦是发电厂商的竞价曲线，为其出力只的凸函数( 即虿对只的导数随 只的增大而增大) ；n 为发电厂商数。只应满足： 9 第二章发电市场的竞价模式及结算方式 只= r ( 2 2 ) j = l 式( 2 2 ) 为功率平衡方程，丘为用户的总需求电力，一般只随电价p 而变化； 皖= 无( 只。，p ) ( 2 - 3 ) 式中只。是某一电价上的负荷电力。 ( r 。，) 通常也是p 的凸函数，代表 了电力需求的弹性特征。 对于式( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 的条件极值问题可建立以下拉格朗日函数： l = c + 五( r 一只) ( 2 4 ) i = 1 , 2 ，栉( 2 - 5 ) 式中拉格朗日乘子旯即等于边际价格p 。将式( 2 - 5 ) 与( 2 - 2 ) 联立求解，就可 得p m 及各发电厂商的发电出力，这就是电力市场中独立调度的优化调度模型。 当发电厂商竞价曲线使磁蔬只不连续，或无法完全满足式( 2 - 5 ) 时，以上分配负 荷的方法将退化为优先顺序法，两者本质一样。当然，以上模型在实际应用中还 必须考虑各项与电厂和系统运行的各种约束条件。 从投标方式的角度看，分时竟价有两种竟价方式：单部投标和多部投标。 单部投标的方式下，发电商只提交电能撮价，机组启停方式由发电商自己确 定，启停费用分配到电能报价中。系统不负责机组运行方式的安排，仅按照报价 采购电能，市场出清简单透明。但是，在单部投标的方式下，机组实际的运行方 式根据发电商的报价由市场竞争来决定，而报价又要依赖于机组的运行方式，这 给发电商造成了报价决策的困难。市场竞争的不确定因素，导致了发电商发电曲 线的随机性。当发电曲线剧烈渡动时，会导致发电商的机组频繁启停，造成非经 济运行；严重时，甚至会导致机组的运行方式无法满足其竟标电量。 多部投标的竟价方式下，发电商的投标包括电能报价、机组启停费用、机组 运行参数( 如最小持续运行停运时间等) 。市场出清以系统总发电赞用最小为目 标，考虑机组的启停特性和庸停费用优化机组运行。多部投标的市场出清，类似 传统管制环境下机组组合优化。这种竟价方式集中处理机组的扁停优化，发电商 可以得到可行的发电计划。这种运行方式的缺点在于： ( 1 ) 算法复杂多部投标的市场出清是一个高维、离散、非凸、非线性的优 化问题。数学上还没有有效的算法求得最优解。目前的对偶算法、动态规划等算 法都不得不引入了启发式的调整过程。 第二章发电市场的竞价模式及结算方式 ( 2 ) 市场不透明多部投标的方式下，发电商不能决定自身机组的启停方 式。机组的运行由系统根据其电能报价、开停机费用以及机组运行参数综合优化 确定。市场环境下，发电商无法得到其他厂商的报价，单纯的由市场的电能出清 价，发电商也无法确定机组是否能够中标，竟价机制缺乏透明度。 ( 3 ) 公平性多部投标的市场出清是一个复杂的优化问题，当出现退化问题 时，会产生多个优化解。市场环境下，选择哪个解直接关系到发电商的切身利益， 多解的情况下，会导致市场的公平性纠纷。 2 2 分段竞价模式【3 7 1 1 3 8 】 与分时竞价不同，分段竞价按照负荷的持续时间把负荷曲线分成若干持续 负荷分段，对各持续的负荷分段进行拍卖，如图2 2 所示。 p ，m w t tt 2t 3t 4t 5t 6t 7 t h 图2 - 2 分段竟价的负荷拍卖方式 分段持续负荷竞价，便于发电商确定机组运行方式和投栝决策。根据负荷分 段的起止肘段和持续时间，结合机组的技术约束，独立发电商可以直接确定杌组 的启停方式，对可行的运行方式，提出报价，开机费用分配到报价曲线中。机组 一旦中标，将持续运行，避免了分时竞价中机组频繁启停的问题。 持续负荷分段对应着机组的持续运行方式。独立发电商对任一个可行的负荷 分段提出一条报价曲线。按照负荷分段，独立发电商可以逐段对所有可行分段提 出报价，这等价于报出了机组所有可行的运行方式。这些投标蘸线是“互斥”的： 某个投标曲线中标，则其他投标曲线失效。例如，若莱机组在l i 段( 见图2 - 2 ) 中 标，则该机组在t 1 到t 7 时段持续运行，在该时段区间内，机组不会再度开停机， 即机组不会在l 2 ，l 3 ，i _ 4 分段再度开停机，因此对b ，l 3 ，l 4 分段的投标曲线 失效。如果机组在某段中标容量没有达到最大技术出力，则剩余容量由市场管理 员调整到下一分段负荷参与竞价。 相对多部投标的分时市场，分段竞价具有如下优点： 第二章发电市场的竞价模式及结算方式 ( 1 ) 算法简单发电商根据负荷分段可以直接确定运行方式，核算生产成 本，合理分配开机费用并提出报价：市场出清只需按照价格排队来采购电力，不 需进行复杂的机组启停优化。 f 2 ) 市场透明 市场出清仅根据报价确定中标机组。发电商通过市场出清 价，可以直接判断是否应该中标，提高了市场透明度。 ( 3 1 市场公平市场不负责机组组合优化，避免了分时竞价中多个优化解选 择时所引起的公平性纠纷。 2 3 购电费用结算方式3 9 1 1 4 0 1 1 4 1 1 1 4 2 】 电力市场中的电价应该基于电力生产的边际成本，边际成本是总费用对需求 的导数，但是现有购电费用却存在按机组实际报价结算和按统一电价结算两种模 式f 4 3 1 。 按统一边际电价结算，体现了同网同价公平竞争的原则，鼓励发电企业实行 低的报价，而结算时并不吃亏，当然竞争也有利于总体购电费用的下降，但是在 实际运行中发现，这种结算方式容易产生某些发电企业的投机行为，例如为了事 故上网，他们实行零报价，而上网后一样可以享受边际电价。而按照发电企业实 际电价结算时，则可以避免这些投机行为发生，可以体现出不同报价机组之间结 算电价的差别，同肘更有利于降低总的购电费用，其结算价格同时还能反映系统 中资源的真实成本价格，提供供电成本豹信息。因此层前国外有的电力市场( 如 美国的v g c 和加州的i s o ) 已把按统一边舔电价结算的方法改为了按实际电价 结算的方法。 按机组实际报价结算时，根据报价机组的出力范围和所申报电价曲线确定参 与电力交易的机组的出力点和电价点，各机组所得购电费用分别授各自电价进行 结算。需要注意的是在市场条件下机组的申报电价并不是其发电成本曲线，而是 发电商根据其效益预期两制定的。 按统一边际电价结算时，将机组按照申报价格从低到商排序，依次安排直到 满足负荷，结算价格为系统中满足负荷的最后一台机组的报价，所有竞价成功机 组均按此价格获得购电费用，不区分第一个被拒绝的机组和最后一个被接受的机 组。 按实际报价结算时，当所有机组的报价为连续线性或分段线性函数，且不考 虑机组运行状态变化时，交易计划的匿标函数实际上是以机组出力为自变量的二 次连续函数，电力交易问题是一个非线性规划问题。 按统一电价结算时，系统负荷水平固定，目标函数是结算电价的一次函数， 第二章发电市场的竞价模式及结算方式 可以进一步描述为追求统一结算价格最低。当机组采用线性报价曲线时，根据结 算电价的定义，机组运行状态不变化时，目标函数是机组出力的线性函数。机组 运行状态发生变化时，结算电价有可能跳变，此时目标函数变为一个非连续、非 解析的函数。 第三章上网机组组合和机组有功出力分配 第三章上网机组组合和机组有功出力分配 在发电侧电力市场条件下，机组的竞价上网发电是在满足功率、时间、电网 安全等多种约束条件下，目标使整个电网的购电费用最小的一个复杂的混合整数 规划问题，整体解决是非常困难的，目前基本采用的是机组组合和有功出力分配 分步骤解决的办法。 发电机组经济组合的目的是在一定周期内满足系统负荷、系统备用容量、发 电机组发电功率上下限、机组最短持续运行时间、最短停机时问、输电线路的功 率极限等要求情况下，考虑机组运行费用特性，使该周期内发电总费用最小。影 响发电机组开停的主要因素有两个：一是电力系统设备的状态变化，二是系统负 荷的变化。在发电侧电力市场中，报价是决定机组开停和负荷分配的主要因素 为充分发挥市场资源配置的优势，必须有效的解决机组组合优化的问题。目前， 已经提出了各种算法用于解决机组组合问题 4 喇，主要有排队法、动态规划法、 混合整数规划法、拉格朗日松弛法、遗传算法等。其中，排队法是按照报价建立 一个优先次序表，机组组合在此表基础上进行。这种方法比较简单，易于理解和 实现。 机组的有功出力分配是指在给定的机组组合方式下，在满足各种电网运行约 束条件下，合理分配各机组的出力，使系统达到最大的经济性。等微增率准则是 人们用来解决机组闽如何经济分配功率闯题的经典方法。在开放发电市场的条件 下，如果按统一边际电价结算，等微增率准则变为等报价法；如果按各机组实际 报价结算，等微增率准则交为等擐拚微增率准则。 本文以在分时竞价模式下按机组实际报价结算时，采用简单的排队法进行机 组组合，再对已组合的机组按等撮价微增率准则进行有功出力分配，在功率分配 时考虑了网损的影响。 3 1 排队法机维组含 排队法也称优先级法，既可以用于解决机组经济组合或机组开停问题，又可 以用于解决经济功率分配问题，同时还可以用作动态规划祝组组合的初始状态。 排队法的适应条件必须是分段水平线1 4 5 】。 发电机组的报价曲线一艘是多段线性曲线的形式，而排队法适用的是阶梯形 的报价曲线。在这里，选取多段线性曲线上的几个关键点，将报价曲线近似处理 第三章上网机组组台和机组有功出力分配 成图3 - 1 所示的形式。 c 。，千元( m w 哺) 。 0 2 2 o 2 0 0 1 8 0 ，1 6 o 1 4 05 01 0 0 1 5 0 2 0 02 5 0p m w 图3 - 1 阶梯形报价曲线 3 1 1 竞价数学模型 按实际报价结算时，排队法竟价目标函数为： = m i n c 。，( 只) 鼻 ( 3 - 1 ) t = l 式中，c o i ( 只) 为发电机组i 的发电费用函数( 由报价曲线巳得到) ，是发电 功率只的函数。 按统一电价结算时，排队法竟价目标函数为： r， 凡= m i n c o ，( p ) 只= m i n c 。只= r a i n c o m ( p 。+ 兄) ( 3 2 ) i l j 2 j c o 。= m a x 虹，( 只) ，g ：( 只) ， r ，c ，( 0 ) 】 ( 3 - 3 ) 式中，c 。是电网的边际成本，咒分别是总负荷和电网有功损耗。 竟价约束条件为： 1 1 功率与容量约束 鼻一=0(3-4) 只。h 曼p 。 ， p 。一岛昂舳u 晌 j 丘】 ， 昂一# 。_ - 2 岛m 。m ， l ( 3 5 ) ( 3 6 ) 式中，只。，只。，岛。，易。分别是机组功率上下限，电网向上和 向下负荷备用功率最低要求。 第三章上网机组组合和机组有功出力分配 2 ) 升降功率速度及启停时间约束 船u 。只虻磐u 一( 3 - 7 ) 【凹，f d = 只，f _ l 一只凹， d 。 式中，姐，和邶。分别为发电机i 在时段，功率的上升量和下降量； p 删一和够。分别为发电机f 在时段t 功率的上升量和下降量限值。 如果竞价单位是发电厂或发电公司，机组启停属于内部问题，报价曲线应包 含机组启停因素。而如果竞价单位是机组，则还要补充机组启停时间约束： 虬“兰mn一(3-s)a lt e # r 出硝 “ 式中，出州，和a t 咖，分别为机组i 在时段，己连续开机和停机时段数， r 。，。和a t 硝 。分别为机组i 连续开机和停机最短时段数。 3 1 。2 排队法竞价方法 为了说明排队法的具体方法，现以三个发电厂竞价为例，报价曲线数据列于 表3 1 中。其中，只为电网总负荷功率，单位为m w ；i 为发电厂序号，j = 1 ，2 ， 3 ；只为发电厂i 的发电功率，单位为m w ；c ，为发电厂 的报价，单位为o i 千元( 凹矿+ ) ；后为报价曲线的分段序号。 计算步骤如下； a 计算排队表( 表3 - 2 ) 。首先将各发电厂i 的各时段j 的报价段按从小到大 排队，得到表3 - 2 的第1 列第4 列，如果遇报价相河的段则按报价的先后次序 排列，这里假设1 号机最先报价，2 号其次，3 号最后；自上丽下累加，得到对 应报价的功率变化范围罗只。，填入第5 列：自上而下扫描第一次出现某一发 电厂号i 时，将其最小功率和最大功率累加到只，蛐和只。一中，填入第6 列和 第7 列。 掇价分段k 发电