（电力系统及其自动化专业论文）市场环境下基于阻塞激励机制的输电网扩展规划.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t r e s 订u c t u r i n ga n dd e r e g u l a t o no fp o w e ri n d u s t r yh a se x p o s e dt r a n s m i s s i o np l a n n e rt on e w o b j e c t j v e sa n du n c e r t a i m i e s ，s u c ha sh o wt oh a n d l eu n c e r t a i nf a c t o r sc o n c e m i n gm ep l a n n i n go f n e wp o w e rp l a n t sa sw e l la st h ed e m a n dm a l l a g e m e n t t h e r e f o r e ，n e wc r i t er j aa n da p p r o a c h e sa r e n e e d e df o rt r a l l s m i ss i o ne x p a n s i o np l a n n i n gj nd e r e g u l a t e de n v i r o n m e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，蚰o p fb a s e dp o w e 卜p 0 0 1p r i c i n gm o d e l l sd e v e l o p e dt oa 1 1 a l y z es y s t e m c o n g e s t i o na 工1 ds o m es y s t e mc o n g e s t i o ni n d e xa r ef i r s t l yp r o p o s e dt oe v a l u a t et h er e l i a b i l 时i n 订a n s m i s s i o np l 锄i n go p t i m i z a t i o nt h e nc o n s i d e r i n gp o w e rs y s t e mu n c e r t a i m i e s ，t h ef r a m e w o r k o f n e wo p t i m a lp 】a n n j n gm o d e l sw i t ht h ec o n g e s t i o ni n d e xc o n s t r a i n ti sp r e s e n t e d e v e n t u a l l v t h e a p p l i e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ee x p a n d e dt r a n s m i s s i o ns y s t e mc a ns a t i s f yd e m a l l d sf r o mn e t w o r k u s e r sa i l dp r o v i d eaf 猷re v i r o n m e n tt 。a hm a r k e tp a r 【i c i p a n t s t h ec o n t e n tb e l o wj sa l s oi n c l u d e di n 血ed i s s e r t a t i o n ： 1 an e ws y s t e mc o n g e s t i o ni n d e xi sp r o p o s e dt oe v a l u a t es y s t e mr e l i a b i l i t yu n d e rp o w e rm a r k e t e n v i r o 衄e n t 2 an e wo p t i m a lp l a n n i n gm o d e lw i t ht h ec o n g e s t i o ni n d e xc o n s t r a i n ti sp r e s e m e dt oc o n s i d e r t h ee 爿叠c to ft r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o n c o m p a r e dw i 廿1t h et r a d i t i o n a le x p 姐s i o np l a n n i n g m o d e l ，t h en e wm o d e lc a ns i m u l a t et h es y s t e mo p t i m a lo p e r a t i o np o i n tb ys o l v i n gt h eo p 廿m a i p o w e rn o wi n 血em a r k e te v i r o n m e n t ，s ot h a tt h er e s u l t sc a np r o v i d em o r ea c c u r a t eb a s i st o m f l k ed e c i s i o nt or e l i e v es y s t e mc o n g e s t i o n a l s oc o i l s i d e r i n gt h ee a r l yc o n v e 唱e n c ee x 嘶n g p r o b l e mi nt l l es 诅n d a r dg e n e t i ca l g o r i t h m ，an e wn i c h eg e n e t i ca l g o r i t h ( n g a ) i sd e s 迪n e d b a s e do nf i 恤e s ss h 耐n gn m c t i o nb yd y n a m i c a l l ya d j u s t i n gi n d i v i d u a l ss e l e c t i n gp r o b a b i l i 吼 n g ac a ni m p r o v et h ea l g o r i t h m sc o n v e 唱e mc a p a b m t ye 髓c t i v e l y 3an e wc o “g e s “o n c o n s t r a i n e dm o d e lf o r 雠m s m i s s i o nn e x i b l ep l a i m i n gi sp r e s e n t e db a s e do n c h 锄c ec o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n g t h e nam e t h o di s p r e s e n t e df o rs o l “n gt h eo p t i m i z a t i o n p r o b l e 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t r a n s m i s s i o ns y s t e me x p a n s j o np l a n n i n gi sf l r s tp r e s e m e da 1 1 ds o l v e du s i n gt h ei i n p r o v e d n g aa n dan e wc h a n c ec o n s 仃a i n e dm o d e lf o rt h em u l t i s t a g et r a 工l s m i s s i o ns y s t e me x p a l l s i o n p l a i u l i n gi sa l s op r e s e n t e dt os o l v e 血ef l e x i b l ep l 删n gp r o b l e m 5i na c c o r d a n c ew i t ht h e 厅a l n e w o r ko fi n f b m a t i o ni n f l l s i o n an e wc o m p r e h e n s i v ee x p a n s i o n p l a n n i n ge v a l u a t i o n m o d e li sp m p o s e d ，c o m b i n e de v i d e n c e r e a s o i l i n gc e c 上1 1 1 i q u e w i t h m u l t i - s c e n a r i oa r l a l y s i st e c q u e k e y w o r d s ：p o w e rm a r k e t ；t r a l l s m i s s i o ne x p a l l s i o np l a n n i n g ；s y s t e mc o n g e s t i o nt n d e x ；n ；c h e g e n e t i ca 1 9 0 r i t h r n ：c h a n c ec o n s t r a i n e dp r o g r a r n m i n g ；s c e n a r i oa n a i y s i s ；i n f 0 丌n a t i o ni n f u s i o n t e c h n o l o g y ；e v i d e n c et h e o r y 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：童羹 日 期：耻 ：! ：! ! 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：i 釜导师签名：i 里些丝 日期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电力工业作为国民经济中的基础产业，其基本任务是为国民经济和人民生活提供“充足、 可靠、合格、廉价”的电能。随着电力系统向广泛互联方向发展以及电力企业的投资、经营、 管理逐步趋向于基于市场化的竞争经营机制，电力系统的规划、运行和管理将会对各市场主 体的经济利益产生直接的影响。合理地进行电力系统规划不仅可以获得巨大的社会效益，还 可以获得巨大的经济效益。因此，市场经济条件下对电力系统规划问题进行研究，以期最大 限度地提高社会经济环境效益，具有极其重要的现实意义。 电力系统规划是一项具有战略意义的工作，是电力工业实现快速、稳定、持续发展的重 要保障；能预见电力系统中潜在的技术和经济问题，以及系统的充裕性问题；建议可能解决 的发展方案及投资：在决策过程中需要考虑技术、经济、社会和环境等许多因素。电力系统 规划包括发展规划和运行规划两部分，其中发展规划又可分为电源规划和电网规划。电源规 划是根据电力系统负荷增长和能源开发的情况，确定合理的电源结构，制定发电机组的扩建、 退役和更新方案；电网规划则是在预测未来主要系统发展的基础上，根据现有的电网结构， 合理地选择新建或扩建线路以满足电力系统安全、可靠运行和经济性最优“oj 。本文主要研究 的是市场经济条件下的输电网扩展规划问题。 如今，引入竞争、结构重组的电力工业体制改革在世界不同的国家、不同的地区轰轰烈 烈的开展起来。电力工业的改革打破行业的垂直一体化管理体系，将发电、输电和配电三个 部分逐步从传统的电力企业一体化结构中分离出来，引入基于市场条件的竞争机制。在市场 条件下，如何进行电力系统规划将是十分重要的问题。 近十年来，随着电力市场风潮日趋全球化的同时，世界各地电力输电系统经济运行不断 发生非常严重的问题。其中以2 0 0 0 2 0 0 1 年美国发生的加卅 电力危机和2 0 0 3 年8 月1 4 日北 美东部系统发生有史以来最大规模的停电灾难最为典型。在电网互联、电力工业市场化以后， 系统的运行条件、稳定裕度、备用容量以及可靠性指标与以往相比都有很大的不同。市场的 竞争对系统的物理稳定性、安全可靠性产生很大的影响，如果市场规则不能引导出充足的远 期可用发电和输电容量，市场运营不能及时保证发输电系统的充裕度，不但电力市场潜在稳 定性危机，系统的物理稳定| 生也很难保证。尽管美国加州电力危机的根本原因在于电力供需 的不平衡，但缺乏充裕的输电容量对加剧危机的程度也起了推波助澜的作用。要从根本上彻 底解决加州电力系统存在的问题，加强其输电系统肯定是最主要的措施之一【jj 。2 0 0 3 年8 月 1 4 日发生的蔗晾全球的北美大停电事件的调查结果表明：输电网络是改革后的美国电力工业 中最薄弱的环节。跨地区的电力市场和复杂多样的交易方式对电网的安全稳定提出了更高的 挑战，电网容量的紧张加之调峰电量的不足使电网调节、应急能力进一步弱化”j 。这些灾难事 件的发生凸现了在放松管制的电力市场环境下输电投资和扩展规划的重要性。 电力工业改革中最具争议性的问题之一是输电环节的组织结构问题。尽管放松管制在电 力工业中引起了很多变化，但由于经济、技术和地理等方面的原因，输电网在电力市场中仍 然体现出自然的垄断特点，这一观点现在已得到普遍认同。这样，输电网的规划和发展仍应 受到政府或相应机构的监管。然而，由于电力市场体制的形成，传统的输电投资和规划方法 在电力市场环境下不再适用，必须发展新的方法9 j 。 电力工业改革的一个基本指导原则是尽可能地提倡自由竞争和市场定价，仅在必要时方 通过管制手段来控制自然垄断和提供适当的激励以引导市场参与者的有效率的行为”j 。在这一 东南大学博士学位论文 基本理念的指导下，基于市场的输电投资和扩展规划被认为是可能的，尽管一定范围或一定 程度的管制仍然是必要的。因此，为了符合竞争的电力市场的需要，为了使电网能满足日益 增长的电力需求以及保证电网的安全运行，必须对市场条件下的电网规划进行研究，建立合 理的新的电网规划方法。在电力市场中的电网规划主要解决系统市场化运行条件下应如何进 行新的屯网投资，如何开展输电管理，如何进行输电系统评估，如何保证市场条件下电网运 行的长期可靠性等问题。 本文围绕东南大学“9 8 5 工程”学科建设项目“电力系统新理论、新技术应用”【l ”。“1 和 国家重点基础研究发展计划“9 7 3 计划”之子课题“电力市场对电力系统运行可靠性的影响” ”l 展开，考虑了市场环境下价格因素、用户需求、电能交易等不确定因素对输电网规划的影 响，在对电网运行综合评估的基础上，着重研究了新的输电网规划模型与算法。 1 2 输电网规划方法的研究概况 1 _ 2 1 输电网规划方法的介绍 传统的电网扩展规划是在己知给定电源规划和负荷预测的基础上，根据现有的电网结构， 合理地选择新建或扩建线路以满足电力系统安全、可靠运行和经济最优。在进行输电网扩展 规划时，输电线路的长度、拓扑结构、容量分配和社会经济因素等将直接影响到系统的可靠 性和线路的承载能力。考虑以上诸多因素的电网规划显然是一个系统优化的问题。该问题具 有下列特点： 离散性：线路是按整数的回数架设的，所以规划决策的取值必须是离散的或整数的。 动态性：输电规划不仅要满足规划年限内的经济、技术等性能指标要求，而且要考虑到 网络的今后发展以及今后网络性能指标的实现问题。 非线性：市场交易计划，线路电气参数与线路功率及网损等费用的关系是非线性的。 多目标性：规划方案不仅要满足经济、技术上的要求，还必须考虑社会、政治及环境等 因素，这些因素常常是相互冲突和矛盾的。 不确定眭：电源分配、电厂报价、负荷预计、设备有效度及投资等均存在显著的不确定 性。 因此，从数学上来讲，电网规划是一个十分复杂的动态多目标不确定非线性整数规划问 题。伴随着计算机技术的飞速发展和广泛应用，以及系统工程、运筹学等科学领域的进步， 为改进电力网络规划技术提供了坚实的基础，产生了众多各具特色的规划方法。 目前，规划方法根据对规划期间处理的不同，可分为： 单阶段扩展规划 多阶段扩展规划 单阶段舰划是根据规划期开始的数据寻找规划末尾( 即水平年) 的最佳网络结构方案。 多阶段规划中，前一阶段的规划结果对后一阶段有明显影响，因此，每一扩展方案既要考虑 本阶段的要求，又要考虑整个规划期的要求。多阶段规划可采用动态规划方法也可采用静态 规划方法来实现。考虑整个规划期最优扩展方案的方法称为动态规划方法。把多阶段中每一 阶段都作为单阶段规划来优化，把上阶段优化结果作为下阶段的输入，这种处理叫做静态规 划。动态规划处理要比静态规划复杂得多，但静态规划不能给出整个规划期的最优解。 根据数学方法分类，主要可分为以下两大类： 启发式方法( h e u n s t i cm e t h o d s ) 数学优化方法( m 劬e m a t i co 口t i m i z a t i o nm e 廿1 0 d s ) ( 1 )启发式方法 启发式方法是根据给定的性能指标对所有待选线路进行灵敏度分析，然后排序，选择最 第一章绪论 能改善网络性能的一条或几条待选线路修正规划方案，逐步扩展网络直到满足系统预期要求 为止。目前出现了不少基于这类灵敏度分析的启发式电网规划方法。文献 1 介绍了两种比较 常用的启发式方法，即逐步扩展法和逐步倒推法。逐步扩展法是以减轻其它支路过负荷的多 少来衡量待选线路的作用，并据此选择最有效的线路加入系统；而逐步倒推法是首先将所有 待选线路加入系统，构成一个冗余网络，以待选线路在系统中载流量的大小来衡量其作用， 逐步去除有效性低的线路。 启发式方法h “通过使用潮流计算、灵敏度分析以及系统经济性评估等技术手段，评价各 种可行的规划方案。这类方法与传统的人工计算的规划方法类似，通常以“交互式”进行， 一部分决策功能由规划人员来完成，因而具有直观、灵活、快速的特点，便于人工参与决策 且能给出符合工程实际的较优解。但它的缺点是仍过分依赖规划人员的实际工程经验，人为 干预太多，往往会遗漏最优方案。同时，启发式方法对除经济性以外的其它众多不确定性因 素缺乏有效的手段。因此这些年来，人们更加注重数学优化方法的研究。 ( 2 )数学优化方法 数学优化方法是将电剐规划问题用数学优化模型进行描述，并用一定的优化方法进行求 解，从而获得满足系统要求的最优规划方案。这种方法由于考虑了电网规划问题的决策变量、 运行变量和目标函数等之间的相互关系，并采用优化模型进行求解，冈而在理论上更严格， 有较强的理论基础。 目前已经采用的数学规划方法有：线性规划法、非线性规划法、动态规划法、整数规划 法以及图论、网络流法等。1 9 6 0 年k n i g h t 首先采用了整数线性规划方法来研究电网扩展规划 问题，但由于当时线性规划方法本身的不完善，限制了研究工作的深入。1 9 7 0 年，k a l t e n b a c h 提出了应用线性潮流模型来研究增强网络结构的方法“。该方法首先假设线路的增长是连续 的，然后对获得的规划解舍入到整数解。同年，g a r v e r 提出了一种称之为线| 生潮流估计的规 划模型”“，该方法采用线性规划方法，选择了简化的线性交流潮流模型，以满足系统节点功 率平衡和支路潮流限值为约束条件，目标函数是使系统总负荷距最小。但这一方法只满足基 尔霍夫第一定律，不满足基尔霍夫第二定律。 1 9 7 3 年，p l 】1 1 t e l 等人提出了非线性规划模型【l “，采用非线性规划法中的梯度法解此模型， 利用伴随网络的方法求解性能指标相应于支路电纳的梯度向量，进而选择最有效线路的加入。 由于存在解的取整问题，为了保证解的可行性，只能采取循环的方法来解决，这就无法保证 解的最优| 生。1 9 7 4 年l e e 等人结合灵敏度分析和整数规划，提出了不连续求解输电线路增加 的方法【l 。该方法构造了一种最佳价格容量曲线，使得走廊的架线方式形成最优组合。同年， r n a d a m s 等人提出了用混合整数规划i j 来解决电网的规划问题。这一模型比较精确地体现 了总体最优的概念，并考虑了与输电损耗有关的费用。但是这种方法把整数规划与线陛规划 分开考虑，先确定整数变量，再与线性规划协调，这样就削弱了整个方法的最优睦。在此基 础上，一些学者又提出了改进的混合规划方法q “j ，认为电力传输费用分为两部分，一部分是 可变价格，与传输功率大小有关；另一部分是固定价格，仅与固定投资成本有关，而与传输 功率大小无关。并采用分枝定界法处理这种混合整数规划问题，能够比较精确的选择变电站 及供配电网络的结构。由于整数规划求解十分复杂，这就影响了该方法的进一步推，1 应用。 1 9 7 8 年c h 0 0 b i l l e h 提出了一种基于寻找从电网的一个节点到另一个节点的k 条最短路径算法 的扩展规划方法口“，该方法可以同时给出最优方案和若干个次优方案，但其面临着如何减少 计算负担的问题。1 9 8 5 年s h a r i f h i a 提出了一个基于混合整数规划模型“，该模型在确定最佳 电网结构的同时给出了相应的最佳发电机出力的调度计划，计及了新增线路的投资费用和与 运行相关的费用，并将直流潮流作为约束条件之一。此模型还可以推广到多阶段输电网规划。 以后提出的各种方法大都是在上述方法基础上进行的改进。 1 2 2 计及不确定因素影响的电网规划方法 经过多年的研究和发展，传统的电网规划方法已经比较成熟，对电力系统经济、合理地 东南大学博士学位论文 发展做出了较大的贡献，但随着电力市场改革的逐渐深入，多种电力运营体制在电力系统中 的引入，社会经济的迅猛发展以及日益加重的环境压力，电力系统规划正面临着越来越多的 不确定因素的影响。例如，电力市场发展所导致的合作与竞争方面的不确定性，费用因素与 经济参数的不确定性，未来系统负荷及电源信息的不确定性，现有设备和新增设备使用方面 的不确定性，环境的影响，法规及政策背景的不确定性等等。未来环境中不确定因素影响的 比重正逐渐加大，因此在电网规划中必须考虑各种不确定因素对规划结果的影响7 ，“j 。 而传统的电网规划方法一般是通过选择其中一个实现概率最大的预想环境，采用该环境 下已“确定”的规划参数，利用静态规划法求得满足该环境约束的、相对经济指标最优的确 定性方案，但这类方法缺乏必要的适应性，其数学上严格的最优规划方案对于未来的实际情 况并非最优，甚至可能导致由于未来不确定因素的影响而不得不进行大量的补偿投资，从而 降低甚至失去了最优规划的意义，给国民经济和社会发展带来巨大损失o 。这些电网规划方 法已经不能适应和满足现代电网规划的要求，因此迫切需要新的理论和方法来处理和解决如 何在未来电网预想环境不确定下获得最佳的规划决策方案。 近年来，计及不确定因素影响的电力网络规划研究已经得到了国内外学术界和工程界的 广泛关注”u ，“j 。电网规划必须计及规划中各种不确定性因素对规划结果的影响，在满足各种经 济- 性、可靠性等性能指标下，给出一个总体上最优的规划方法，即在经济性与可靠性之间寻 求一种平衡。由于在电网规划中存在着大量的不确定性困素，这些不确定性因素的多样性及 对其不同的处理方法，就产生了各种不同的扩展规划方法。目前计及不确定性的电网扩展规 划方法主要有：随机规划方法、模糊规划方法、灰色规划方法、分解方法、人工智能方法等。 同时近年来为了克服单一方法对多种不确定性因素进行有效处理的不足而将各种方法进行组 合使用，优势互补，也己成为一种重要的研究方法【j “。 ( 1 ) 随机规划方法： 随机规划方法是电力系统规划中对不确定性因素进行考虑和处理最早的方法之一【j 。它 将以往的经验和规律采用概率统计参数来表示，然后在随机环境中对未来环境和参数采用概 率方法进行处理，通过随机潮流方法得到潮流指标，为随机规划提供数据。 文献 3 4 1 基于随机最优化技术和多目标权衡决策分析等方法，对确定性等值( d e t e m i n i s t i c e q u i v a l e n t ) 、场景技术( s c e n a r i ot e c l l l l i q u e ) 和常规随机最优( s t o c h a s t i co p t 血i z a t i o n ) 等处 理不确定性规划方法的特点和优缺点进行了分析，并在常规随机方法的基础上提出了扩展随 机方法。同时讨论了电力系统规划扩展策略，根据可能的损耗( l o s s ) 或后悔值( r e g r e t ) 将扩 展随机方法转化为求解最小后悔值的多目标随机规划，从而可以求得最终的最优随机规划方 案。由于随机规划方法对不确定性因素的处理需要大量的原始数据，同时其计算量大、所费 机时较长等缺陷也限制了其被广泛地应用【j ”。为了弥补这些不足，出现了一些改进的方法， 如：采用扩展随机方法l j q ”1 阻及随机动态规划方法口等。 ( 2 ) 模糊规划方法： 模糊规划方法采用模糊集理论来描述和处理电网规划中的不确定因素，文献3 9 采用梯形 模糊数为负荷、发电机等不确定眭因素建模，然后采用模糊直流最优潮流模型求得模糊最优 潮流解，文中基于风险分析概念定义了承受风险( e x d o s u r e ) 和鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 等指标， 从而提出了加强网架的策略，同时对模糊和随机概率方法进行了比较，强调它们适合于不同 的不确定性因素和场台。文f 4 0 将模糊集理论与传统的动态规划方法相结合，提出了模糊动态 规划方法，对各种因素隶属函数的求取进行了较详细地论述，同时通过灵敏度研究得到了不 同隶属函数对最终结果的影响，并通过对算例计算证明该方法是行之有效的。此外，将模糊 集理论与专家系统、决策系统结合起来【4 “，以及利用模糊集理论改进传统规划方法的鲁棒性 和强壮性，也被证明是有效的# “。 ( 3 ) 灰色规划方法： 灰色系统理论的核心是灰色动态建模( g r e y d y n m i c m o d e l ) ，简记为：g m ，其思想是直 接将时间序列转化为微分方程，从而建立系统发展变化的动态模型”j 。文 4 5 提出了一种灰色 第一章绪论 多级决策方法，采用灰色负荷信息条件，通过情景分析和层次抽样将“灰色”信息白化处理， 从而转化为确定性规划序列，并通过对多级决策规划结果的g m ( 1 ，1 ) 建模分析，得到了电网投 资风险较小的网络扩展决策方案。文中将线性潮流估计技术和灰色系统建模分析方法相结合， 建立了评价网络方案优劣的新指标。但是灰色方法由于对灰色信息的处理不够缜密，并且缺 乏严格的数学理论支持，还有待进一步改进和完善。 ( 4 )分解方法： 对电网规划问题可采用分解方法将一个大而复杂的问题分解成多个相对简单的子问题， 然后通过求解各个小的子问题，得到最终的最优解 4 6 j ”。目前比较常用的分解方法是 d a n t z i g w j l f e 分解和b e n d e r s 分解c 文献2 4 2 6 提出采用整个b e n d e r s 分解法将规划问题分解为投资主问题和运行子问题，并 对主子问题分别建立模型，再通过交替求解协调得到整个问题的解。在应用b e n d e r s 分解法时， 问题的难点仍在于投资主问题的解决，这也是系统规划问题的难点即线路的离散性所在，因 为它将导致整个求解时间过长并有可能收敛到非全局最优解。 ( 5 )人工智能方法： 近年来，随着智能技术领域研究的飞速发展，不断涌现出了一些模拟类的智能化优化方 法，其中以遗传算法、神经网络法、模拟退火法、禁忌搜索方法等为代表。这些新颖的优化 算法为解决复杂问题提供了新的思路和手段。由于这些算法构造的直舰性与自然机理，因而 通常被称为人工智能算法”。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ) 是模仿生物进化过程的一种自适应随机搜索优化算法，因 为其独特的优越性而在电力系统的许多领域得到了较为广泛地应用【4 9 j 。遗传算法对于电网规 划中不确定性的处理是通过建立的规划模型来考虑，其自身仅是求解该规划模型的最优结果， 并不能直接描述和处理不确定性。遗传算法操作的对象是寻优参数的编码，而不是参数本身。 与传统方法相比，该算法具有多路径搜索、自组织性、自适应性、自学习性以及隐并行性等 特点，同时它对数据的要求低，基本上不要搜索空间的知识或其他辅助信息；它采用概率变 迁规则来指导搜索方向，使其具有明确的搜索方向，提高了算法的鲁棒性p ”j 。 神经网络法( a r t m c i a in e l l r a ln e t w o r k s ) 通过对生物神经网络的结构模拟来实现输电系统 优化规划，人工神经网络具有高维性、并行分布式信息处理、非线性以及自组织学习等优良 特性；其主要缺点是易于陷入局部极小值，收敛速度慢，多层网络时隐节点数目的确定具有 盲目性和经验性，新加入的样本会影响已学完的样本等9 。”“。 模拟退火算法( s i m u l a t e d a n n e a l i n g ) 根据模拟物理学中固体物质( 如金属) 的退火过程 来求解组合优化问题【5 ”。它是通过适当地控制物体的温度变化过程，实现大范围粗略搜索与 局部精确搜索相结合来寻求问题的最优解。它是局部搜索算法的扩展，理论上它能以足够高 的概率( 接近1 ) 收敛于全局最优点，所以它的计算结果较精确”“。但是为了求得全局最优解， 常常需要初始温度足够高，温度下降足够慢和终止温度足够低，实际应用中很难满足这些要 求，因而其实际求解结果不太理想。另外它搜索效率较低，缺乏正确的搜索方向，易导致收 敛早熟，同时由于它是一种随机启发式算法，计算比较费时。 禁忌搜索方法( t a b us e a r c ha l 譬o r i t h m s 【5 s ，“1 ) ，又称列表寻优法，是一种高效的用于解决 组合优化问题的启发式搜索算法，其基本思想是通过记录搜索历史，从中获得知识并利用来 指导后续的搜索方向以避开局部最优解。文 6 0 【6 1 将1 曲u 搜索法应用于输电系统最优规划领 域，比较了t a b u 搜索法与遗传算法和模拟退火法的不同之处，并通过算例证明了该方法的有 效性。t a b u 搜索法的优点是寻优速度较快，搜索效率高，特别适合求解组合优化问题。它的 主要缺点是对初始解具有较强的依赖性，可能在大范围( 超出禁忌表长) 内迂回搜索。 人工智能方法除了上面介绍的几种算法外，还有贪婪算法旧】、粗糙集【1 8 0 】、蚁群算法【1 8 1 】、 集对分析法【”2 】等。他们大多采用了大范围粗略搜索与小范围精确搜索相结合的策略，按照某 种机理，以一定的概率接收恶化解，来逃脱局部极小值的束缚，从而使得全局寻优成为可能。 优化算法流程干差万别，既有各自的优点和适用范围，也存在着一定的不足。特别是人工智 东南大学博士学位论文 能算法独特的优点和机制仍吸引着研究人员对之进行深入研究和广泛应用。 总的来说，经过近年来不懈地研究和发展，以上这些电网规划方法在处理不确定| 生因素 影响的电网规划问题上取得了一定的进展和成效7 ”但是由于电网规划中各种不确定性因素 自身的复杂性和多样性，对它们的准确描述和处理仍然是一个值得深入研究的课题。 1 3 市场经济条件下电网规划的研究现状 1 3 1 电力市场对电网规划的新要求 开放的市场环境下，系统技术参数和经济参数等不确定因素的增多，市场成员间的竞争 合作关系，经济的发展阻及环境的影响，使得输电网规划问题要复杂得多、也困难得多9 ”1 。 尽管社会效益最优仍然是电网规划所要考虑的最终目标，但是各市场参与者的直接目的是最 大化其利润收益。因此，电网投资者的投资回报将是电网规划中的决定性因素。在放松管制 的市场环境下，输电扩展除了原有的功能外，还增加了两个新的功能：扩大电力市场的范围 以促进资源优化配置和限制市场势力的实施。 由丁目前各国的电力市场仍处丁一个发展阶段，尽管已经开发了以边际输电成本、区域 电价差和合同定价等为基础的输电定价方法，但输电转运的计费还没有一个完善的解决方法， 这种情况将在很大程度上制约电网规划的顺利实施。例如，挪威电网自1 9 9 1 年实行改革以来 至1 9 9 6 年的统计数据表明，电网的投资总额减小了l o 倍( 从4 亿n o k 降到4 0 0 0 万n o k ) ， 这主要是由丁挪威电网的计费方法导致电网投资者无法获取足够的利润引起的。因此，制定 合理的输电定价体系是市场条件下电网投资回报的前提。 电力市场中电刚规划的根本目标是在保证系统可靠性的前提下满足市场的输电需求，减 少系统的输电容量限制，从而降低电厂的地区性市场支配力( m a r k e t p o w e r ) 。因为当电网达 到传输极限时，系统不能再以最低报价为优先调度原则，而只能使用靠近负荷区域的成本较 高的电厂来满足用户需求，同时负荷区域附近的电厂也可能根据电网拥挤的情况故意抬高电 力出售价格，这些情况都降低了市场的总体效益，不利于发展公正、有效的电力市场。 由于经济、技术和地理等原因，包括我国在内的大多数国家依然将输电网作为一个垄断 企业处理，输电网的运营仍然要受到政府或相应机构的严格监管，相应地，负责输电网投资 规划的主体也仅限于垄断企业。在新的形式下，需要根据电网的市场运营规则以及电力市场 运行模式，将输电系统最优化社会效益和最大化利润的局部目标统一起来。市场机制要保证 向电网的投资者提供足够的投资动力，从而使输电网在市场的环境_ 卜得咀持续有效发展，而 相对于电网的所有者和投资者来说，如何定义电网规划的目标、建立新的规划原则以及发展 新的规划模型和工具成为其主要的任务。 电力市场中的电网规划将面临很多的市场不确定因素，主要包括电源规划、负荷变化、 系统运行方式变化等未知情况，如何适应这些不确定因素，使电网具有较好的灵活性和鲁棒 性，相对于传统的电网规划来说提出了更高的耍求。 ( 1 ) 未来电源规划的不确定性 传统的电源规划是由一体化的电力企业所完成的，可以很好地与电网规划统一起来。在 市场环境下随着电厂和电网的分离，各自的规划都是相对独立的。未来电源的规划是发电公 司的决策，必然以电厂投资者的利润最大化为前提，很大程度上取决于未来市场的电价波动 情况、国家监控政策的变化、能源的价格，以及负荷的变化等因素。这些因素对电网规划来 说都是不确定的因素，但电网的运行义要适应电源的配置和负荷的变化，这会给电网规划带 来很大的困难和影响。另外，在长期电网规划中很难估计未来这么长期间内的系统电源及市 场的变化，这也增加了输电网建设的投资风险。 ( 2 ) 未来负荷变化的不确定性 6 第一章绪论 电力市场中实时电价会发生波动，甚至会发生剧烈的变化，如果考虑用户的需求弹性， 则负荷水平也会随着电价的波动而变化。另外，当用户从价格、供电质量等因素出发改变其 负荷需求时，将导致系统资源一定程度上的重新分配，这也增加了电网规划的不确定性。 ( 3 ) 系统运行方式的不确定性 在竞争的市场中，电网调度的原则是根据市场成员报价的高低而确定成交量、成交价格 和优先调度次序。由于市场中各电厂生产的目标是其利润的最大化，从各自的利益出发它们 会不断蛹整自己的竞价策略，导致市场平衡点在一定范围内不断变化。伴随着跨区供求关系 的出现，将可能产生大规模的远距离输电交易，这就要求电网有足够的区域间输电容量，所 有这些都导致系统运行方式的不确定性。 随着电力市场中潮流与交易运营方式的变化，原来的电网将会产生新的网络拥挤情况， 而不再能很好地适应竞争的市场运行，这时要建设新的输电线路来减少输电瓶颈，也可以采 用安装f a c t s 等设备或提供无功支持的方法来调整线路的潮流，以便尽可能利用现有电网的 传输容量。以上这些情况也应该在电网规划中加以考虑。 总的来说，市场条件f 输电网的投资规划具有如f 明显的特点： 1 ) 规模效应：电网投资具有典型的规模效应，在一定范围内边际投资成本会随着支路容 量的增加而下降。如果按照边际收益等于边际成本原则扩建时，最后一次投入的单位成本等 于期望的边际收益，但总收益将不足以弥补总投入，这是由于先期投入的边际成本大于后期 投入的边际成本m 。实用中被扩建线路可供选择的类型范围是有限的，如2 2 0 k v 或5 0 0 k v ， 单回线或双同线，是否分裂等，特别是容量不能连续增加，而只能阶梯式增加，这样投资者 只有等待足够长时间，使得该线路出现阻塞时，才可能回收资金，等待时间越长承担风险越 大，将来可能会面临诸如出现新的发电厂、现有机组退役、输电网重构、管理政策的改变、 未来输电设备价格下降等情况。此外规模效应还来源于不随容量增大而增大的起动成本，包 括获得许可证成本、购买输电走廊、购置杆塔等。 2 ) 正的外差因素：指投资者实施投资行为后，某些未参与投资的机构也会因此而受益， 却不必支付任何成本，也称为搭便车问题”“。这种正的外差因素的存在对电网规划有消极影 响，由于个体投资者所能预见到的收益小于整个网络将能得到的收益，因而当网络需要扩建 时，投资者预测的收益不足以促使其及时投资，结果使系统容量不足。 3 ) 负的外差因素：指某些参与者受利益驱使，通过更改网络结构，减小输电能力而使自 身受益。对于复杂的环形网络，这种负的外差因素有时不易被察觉”。 因此，市场环境下的电网规划方案必须能满足未来市场对电网容量的需求，保证电网运 行的可靠性和电能质量，并能安全和较快地回收投资。 1 3 2 市场环境下电网规划的研究 随着输电网的开放与区域电力市场的兴起，市场环境下输电系统投资和规划问题正是电 力系统的一个研究热点，其研究内容主要从以下几方面展开： ( 1 ) 输电网投资的激励机制 越来越多的资料表明，电力系统实行市场化改革以来，电网投资有明显放缓的迹象，这 主要是目前的市场机制和管理规则不足以激励投资者进行电网扩建所致”“。在文献 6 8 】提出的 电网规划激励机制下，投资者可以在阻塞成本超过线路的增量成本时及时投资，从而建立了 输电投资的动态平衡。输电投资处于动态平衡状态中，在均衡点，最后增加的单位成本将等 于线路端节点间的电价差，由转运电能而得到的收益将足以补偿线路的投资费用。而这种平 衡一旦被打破，如阻塞成本增加或线路成本下降，将会激励新的投资者对该线路进行扩展， 直到达到新的平衡点。此时基于市场的输电投资方式是竞争有效的和可行的，市场参与者受 价格信号的激励和自身利益最大化的需要而主动参与电网投资，无需管理机构的干预。 然而这种简单情况与实际的复杂系统大不相同，线路潮流的不可控、无功潮流的输送、 系统安全性约束等将导致网络外差效应的出现。而且由于明显的规模效应的影响，线路两端 东南大学博士学位论文 的期望价格差与线路的边际投资成本没有必然的联系。另一方面，简单地按线路潮流收取输 电费用的方式也不利于鼓励投资。 另外，可以利用阻塞费用或输电阻塞合同( t c c s ) 的分配来鼓励投资者。从规划角度来 看，阻塞费用或t c c 反映了某些支路的扩建价值，因为任意两节点间的电价差等于在这两点 间再额外传输单位电能时引起的社会福利的损失，或者可以理解为增加单位输电容量时，社 会福利的增加。从而可以将t c c 作为刺激投资的手段，按一定规则赋于投资者相应的t c c 后， 虽不能保证投资者能回收全部成本，但如果该投资者预计在期望时间内t c c 收益以及增加的 运行收益大于投资成本，则会激励其主动投资”。 ( 2 ) 不同市场模式下的电网规划目标 电力体制改革与结构重组打破了电力行业的垂直