（电力系统及其自动化专业论文）电力市场下竞价算法及其阻塞管理.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr e f o r m si no u rc o u n t r y , p o w e rm a r k e tm u s tb ep u ti n t o p r a c t i c ei ne l e c t r i c a li n d u s t r y t h ef i r s ts t e pi so p e n i n gu pg e n e r a t i o nm a r k e t t h i s p a p e ri sp r e s e n t e d t o s t u d yh o wt op u r c h a s ee l e c t r i c i t y f r o mp o w e rp l a n t sw i t h m i n i m i z ec o s to nt h ep r e m i s eo f s 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 t r i ce n e r g yq u a l i t y a n d u s e r s r e q u i r e m e n t s 。s o t h i si s s u eh a ss o r n et h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lm e a n i n g 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 om i n i m i z et h ec o s to f p u r c h a s i n g e l e c t 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 do nt h eu n i f i e dm a r g i n a l c o s ta n dm a k eu s eo f t h em e r i t - o r d e rm e t h o dt os o l v et h eu n i tc o m m i t m e n t p r o b l e m t h ef e a t u r eo f t 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 t h er e q u i r e m e n t so f r e a lt i m e a p p l i c a t i o n c a nb eg u a r a n t e e db yt h i s m e t h o d a f t e r w a r d s ，p o w e rd i s p a t c h i s d e t e r m i n e db y a d o p t i n ge q u a lb i d d i n g p r i c em e t h o da f t e rt h ei m p a c to f p o w e rl o s si s c o n s i d e r e d b u tt h i sp o w e r d i s p a t c hm a y c a u s eo v e r l o a d i n gi nl i n e so rt r a n s f o r m e r s ( i t i 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 oe n s u r eam o r es e c u r e p o w e rs y s t e m ，c o n g e s t i o nm u s tb ee l i m i n a t e d s o t h i sp a p e rp r o p o s e dt h a tp o w e r d i s p a t c ha n dc o n g e s t i o nm a n a g e m e n t s h o u l db ec o n s i d e r e dt o g e t h e r t h em e a s u r eo f c o n g e s t i o nm a n a g e m e n t i sa sf o l l o w s ：f i r s to fa l l ，c h o o s i n gt h el i n et h a tt h e o v e r l o a d i n g i sm o s t s e r i o u s ，c o m p u t i n ge v e r yp o w e rp l a n t ss e n s i t i v i t y s e c o n d ， c h o o s i n gag e n e r a t o rw h i c hh a st h em a x i m u mp o s i t i v es e n s i t i v i t y , a n da t t h es a m e t i m ea n o t h e rg e n e r a t o rw h i c hh a sn e g a t i v es e n s i t i v i t ya n dt h ea b s o l u t ev a l u eo ft h e s e n s i t i v i t yi sm a x i m u m ，a n dt h e nc a l c u l a t i n gt h ea d j u s t m e n to fe q u a la n do p p o s i t e q u a n t i t i e si np a i r s t oe l i m i n a t et h ec o n g e s t i o na n dk e e pa c t i v ep o w e ri nb a l a n c e i tc a n n o to n l ys i m p l i f yc a l c u l a t i o nb u ta l s oc o o p e r a t ew i t hp o w e rf l o wa n a l y s i sb yu s i n g t h ef o r m u l ao f d cf l o wa n dm a t r i x b 。o f f d l fi nc a l c u l a t i n gs e n s i t i v i t y t e s ts a m p l e sh a v es h o w nt h ev a l i d i t yo f t h e p r o p o s e d m e t h o d k e yw o r d s ：p o w e r m a r k e t e q u a lb i d d i n gp r i c ec o n g e s t i o nm a n a g e m e n t 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，也不包含为获得鑫壅盘堂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：专移 签字日期：捌呜年月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘茎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、汇编以供查阅和借阅。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：季癌 签字日期：泐年月专日 导师签名： 签字e l 期： 日卅月 宋 ， 味 年李砒 第一章绪论 第一耄绪论 电能是人类赖以生存的基本能源。随着科学技术的发展和社会的进步，电力 工业已经成为国民经济中的一个非常莺要的部门，没有电力的发展就没有整个 国民经济的发展。自本世纪八十年代开始，由于可以提高效率、降低电价，世 界上很多国家都在电力行业中引入竞争机制，以增强电力工业的活力，促进电力 工业的发展。电力市场化浪潮很快就推广到世界上许多国家。电力市场的研究 也因此得到了各国电力工作者越来越多的重视，研究工作越来越深入。电力市场 作为电力工业改革、发展的趋势和方向，目前正方兴未艾、蓬勃发展。 1 1 电力市场的基本概念 市场是商品买卖的场所，电力市场顾名思义，就是电能买卖的场所。电能作 为一种商品，具有许多普通商品不具有的特殊性，因此，电力市场也具有其特 殊性。电能的生产和消费除了管理和经济方面的因素之外，还受到复杂的电磁 物理特性的制约，并且电能的生产和消费必须同时进行，还要保证用户使用电 能的安全性和可靠性，因此，电力市场是一个复杂的综合体，它囊括了电价、 电力系统运行、负荷管理、供用电合作以及通信和计算机系统的总和，是电力 经营管理与技术的综合体。 1 1 1 电力市场的提出 自本世纪八十年代开始，由于经济、政治、社会等诸多因素的作用，世界范 围内电力工业进行了一系列改革、改组、转换经营机制的活动为的就是打破 电力工业的垄断，在电力工业内部引进竞争，促进所谓的“夕阳工业”的发展。 在国外的电力市场发展过程中，发达国家以英国和美国为代表，发展中国家 以智力和阿根廷为代表。 英国在t 9 8 7 年，由当时的首相撒切尔夫人颁布了电力法( t h ee l e c t r i c i t y a c t ) ，为英国电力工业进行大规模的改革奠定了法律基础。英国电力市场的建立 是伴随着英国电力工业的私有化进行的。改革后，使得原来垄断经营的中央发 电局分为四个公司：国家电网公司、国家发电公司、国家电力公司和国家核电 公司，打破了原来垄断经营的局面，将发电和输电分开管理，充分引进了市场 竞争，所有这些都是在政府直接指导下进行的。美国的电力市场的形成具有自 第一章绪论 然发展的过程，其典型代表是佛罗里达电力联合集团( f l o r i d ae l e c t r i cp o w e r c o o r d i n a t i o ng r o u p ) 的形成过程。其发展经历了以下四个阶段：紧急功率交换 阶段一制定联合运行政策阶段一经济功率交换阶段一到现在建立了比较完善的 电力经纪入系统，从而形成了电力市场。整个过程没有政府的行政干预，是电 力市场的巨大经济效益吸引了电力企业，使他们一步一步由垄断走向竞争。1 9 9 2 年美国总统布什签署了能源政策法案( e n e r g yp o l i c ya c t ) ，将开放电网以法 律的形式确定下来。挪威和澳大利亚等国也都先后实行了电力市场，从而掀起 了改造传统垄断型电力工业的序幕。 南美的阿根廷是实行电力市场比较早的发展中国家，通过建立电力市场，在 电力工业中引进了竞争，从而吸引了大量外资，解决了本国由于建电资金不足 而缺电的局面，不仅满足了本国的用电需求，甚至达到了电力富裕的地步，同 时也提高了电网的运行水平。 1 2 我国电力市场的目前状况 我国也将逐步实行电力市场，前几年在华东电网进行了试验。它只是部分开 放发电市场，可以称为发电侧电力市场，就是长期合同和短期竟价相结合的方 式，这仍是以计划经济为主，市场经济为辅的方式，就是这种极不完善的市场， 也引起了各个电厂的收入差距，增强了电厂供电的积极性。 最近国家把中国电力进行了新组建，成立了十一家公司，即国家电网公司、 中国南方电网有限公司、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、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和中国葛洲坝 集团公司。它标志着电力工业在建立社会主义市场经济体制，加快社会主义现 代化建设的宏伟事业中，进入了一个新的发展时期。 由于电网和发电企业分开，发电企业又分为多个大集团，这无疑将引起相互 竞争的局面，为我国电力企业实行完全的电力市场仓造了条件。 1 3 论文研究的内容及意义 随着我国改革的逐步深入和发展，电力工业将逐步实行电力市场，从而打破 垄断。走向公平和竞争。市场化运营已经成为当今电力工业发展的必然趋势， 其目的就是引入竞争机制，激发电力工业的活力。电力市场发展的第一步是开 放发电市场，然后逐步开放输电市场和配电市场。竟价算法作为电力市场技术 2 第一章绪论 支持系统的核心，最终目的都是在满足系统安全约束和电能质量的条件下提高 经济性，这在电力市场条件下与原来垄断条件下的形式有所不同，许多原来的 垄断经营时的技术已经不能够再适应电力市场的要求，必须进行重新的研究或 者在原来的基础上进行修改。因此，电力工业的市场化还存在许多问题急需解 决，相对于电力工业以及整个国民经济的发展来说，电力市场的研究呈现出时 间紧，任务重的局面，而且电力工业在整个国民经济中占有举足轻重的地位， 电力工业的波动，不仅会影响到整个国民经济的发展，甚至会影响到整个社会 的稳定。因此，电力市场的研究显得更加紧迫。 电力市场的建立，相关部门的技术支持以及所肩负的任务与原来垄断经营时 有了很大的不同，调度运行部门不仅要考虑系统的安全运行，还要负责电力的 交易，这种交易又必须公平、公正、公开。那么，原来所使用的能量管理系统 和配电管理系统等技术支持系统都不再能够满足运行的需要了，其中很多的技 术方式已经有了很大的变化，因此必须加以改进或者研究新的软件系统。 本文研究的内容，就是在发电侧开放的电力市场下，作为电网公司，如何购 买各发电厂的电力，保证电网运行的安全性以及电能质量的前提下，满足用户 的需要和经济性。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课题。 1 4 本课题的研究现状 1 4 1 机组组合的研究现状嘲 电力系统经济调度的目的是在满足系统安全约束、电能质量要求的条件下尽 可能提高运行的经济性。经济调度的效益很大，其中有功优化是编制短期发电 计划首先要解决的问题。机组组合问题是一个高维数、非凸的、离散的、非线 性的优化问题，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，提出各种方法来解决这个问题，如启发式方法、优先顺 序法、动态规划法、整数规划和混合整数规划法、分支定界法、拉格朗日松弛 法、专家系统法、人工神经网络法、模拟退火算法、遗传算法等。 1 4 1 1 启发式方法 启发式方法( h e u r i s t i c m e t h o d ) 是最早使用的一类优化方法，这种方法没有严 格的理论依据，依靠直观的判断或实际调度的经验寻找最优解。启发式方法在 机组组合问题中的应用有以下两种情况。 第一章绪论 a ) 局部寻优法 其基本的思路是从一个尽可能好的初始解出发，在其邻域内寻优，通过迭代 求得最优解或次优解。局部寻优法计算速度快，所需内存少，但往往找不到最 优解。文献b 刮是有关机组组合的早期文献。文献。3 寻找和利用运行费用变化 与开停机时间改变量之间的近似关系；文献1 考虑了负荷经济分配的等微增率 准则、负荷的随机性和机组的停运率；文献“1 则把优化过程分为一个次优化过 程和一个优化过程，次优化过程使用一些调度的逻辑规则寻找可行的次优解， 而优化过程则在次优化过程所得解的基础上再优化。 b ) 优先顺序法 优先顺序法( p r i o r i t yl i s t ) 将系统可调度的机组按某种经济特性指标事先排出 顺序，根据系统负荷大小按这种顺序依次投切机组。优先顺序法提出较早，现 在仍在研究和应用之中。文献哺1 采用优先顺序法和等煤耗微增率准则考虑一个 多区域电网的经济调度问题。经典的优先顺序法在排序过程中不考虑负荷变化， 是一种静态排序策略。文献n 1 提出了种考虑负荷变化的优先顺序法，称为顺 序投入法( s e q u e n t i a lu n i tc o m m i t m e a t ) ，在调度过程中动态地考虑机组排列。文 献。1 将传统的经济指标即平均满负荷费用( a v e r a g e f u l ll o a d c o s t ) 和投入利用因 子( c o m m i t m e n tu t i l i z a t i o nf a c t 0 0 结合使用，作为排序的指标，取得了更好的效 果。文献。3 在顺序投入法中引入了一个全局决策过程，以克服这种方法有时找 不到最优解或次优解的缺陷。 优先顺序法计算速度快，占用内存少，常常找不到最优解，但能满足一般的 应用要求，优先顺序法既可单独使用，也可与动态规划法等方法结合使用。 1 ，4 1 。2 动态规划法 动态规划法( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) 是解决多阶段决策过程最优化的一种数 学方法，在枚举各种可能的状态组合的过程中，这种方法巧妙地摒弃了那些不 需要考虑的解。动态规划法要求所求解的问题具有明确的阶段性。若使用完全 状态的动态规划法，对于n 台机组的系统，若要考虑t 个时段的机组组合问题， 则总的状态数为2 n t ，当n 和t 增大时，计算量将急剧增加，形成所谓“维数 灾”。为克服这个困难，常采取一定的揞旌来限制状态的数目。首先可立即排除 那些明显不可行的组合，剩下的状态数仍然是大量的，可采用多种方法进行处 理。d p - - s c ：( d y n a m i cp r o g r a m m i n gs e q u e n t i a lc o m b i n a t i o n ) 法将动态规划法和优 4 第一章绪论 先顺序法相结合，机组只能按优先顺序开停，大大减少了状态数，但可能丢失 最优解或次优解。d p - - t c ( d y n a m i ep r o g r a m m i n g t r u n c a t e dc o m b i n a t i o n ) 法选取 优先顺序表前面一定数目的机组的开停状态组合作为各阶段的状态，状态数增 加，计算量增大，但优化效果较好。d p - - s t c ( d y n a n a i cp r o g r a m m i n gs e q u e n t i a l t r u n c a t e dc o m b i n a t i o n ) 法则先使用优先顺序法或d p - - s c 法产生一个“额定机组 组合”，以此额定组合为中心在优先顺序表中选取一定数目的机组，再使用 d p t c 法求最优解，该法计算量最大，但优化效果最好。还有其它近似方法， 多是将动态规划法和优先顺序法结合使用，总的目标是在计算量与优化效果之 间寻求折衷。 动态规划法有如下优点：a 是一种组合优化算法，对目标函数的性态没有特 殊的要求，能求得全局最优解；b 结合优先顺序法等限制状态数目后，能开发出 实用算法，因而在实际系统中取得了广泛的应用。但缺陷是：a 对于机组数较多 的电力系统，计算量太大，必须采用近似方法加以简化，这样不可避免地要丢 失最优解；b 动态规划法要求所求解的问题具有明显的阶段性，难于考虑与时间 有关的约束条件和机组爬坡速率等限制：c 。通盘考虑整个系统的问题时，使用起 来不够灵活。 1 4 1 3 混合整数规划法 混合整数规划( m i x e d - i n t e g e rp r o g r a m m i n g ) 是变量中既有整数又有非整数的 数学规划问题，根据除整数变量以外的其它变量的函数类型，又可分为线性混 合整数规划和非线性混合整数规划。这种规划问题解决起来十分困难，常用的 方法有分支定界( b r a n c ha n db o u n d ) 法、b e n d e r s 分解( b e n d e r sd e c o m p o s i t i o n ) 法、 广义b e n d e r s 分解( g e n e r a l i z e d b e n d e r s d e c o m p o s i t i o n ) 法等。分支定界法的思路是 形成一棵分支定晁树，根节点是原问题的松弛问题，例如，把整数变量用一定 区间上的连续变量来代替。其子节点也是原闻题的一系列松弛问题，可用固定 根节点问题的某些整数变量的值得到。它们有不相交的解空间，这些解空间的 并集正好是根节点的解空间。每个子节点又进一步分解为一系列解空间不相交 的子问题，这些子问题的解空间的并集是子节点的解空间，这个过程重复进行 直到树的叶节点，其解空间是所有离散变量的穷举。由于树的一个节点的解空 间是它的所有后代节点的解空间的松弛，因此在最小化问题中，它的解或解的 下界必定是它所有后代节点的解的下界。分支定界法的关键在于，在计算的过 程中，若一个节点的解( 或下界) 大于原问题已知的优化可行解，则其后代节点就 不再考虑。这样可省去不必要的计算过程。 第一章绪论 混合整数规划法的优点是：a 直接求解机组组合问题的数学模型，不需要加 入过多的限制或假设；b 从理论上来说，能找到全局最优解。其缺点是：a 方法 比较复杂，不直观，对于分支定界法，为得到比较高的效率，需要精心构思分 支策略和求下界的算法，b e n d e r s 分解法和广义b e n d e r s 分解法使用也较复杂； b 对于实际系统，直接使用计算量太大，必须对问题进行分解；c b e n d e r s 分解 法或广义b e n d e r s 分解法对目标函数的性态有一些要求。 混合整数规划法在机组组合闻题中实用化的成果不太多，但有一些理论成果 有价值，后来应用十分广泛的拉格朗日松弛法最早也是以分支定界法的形式出 现的。 1 4 1 4 拉格朗日松弛法 拉格朗日松弛( l a g r a n g i a nr e l a x a t i o n ) 法产生于7 0 年代，是解决复杂整数和 组合优化问题的一类优化算法，它建立在下述思想的基础上：许多困难的整数 规划问题可看成是由一些边界约束条件联系在一起的一系列相对容易的子问题 组成，利用这个特点，把约束条件被破坏的量和它们各自的对偶变量的乘积加 在目标函数上作为惩罚项，形成拉格朗日问题。拉格朗目问题相对容易解决， 对于最大( 小) 化问题，它的优化值是原问题优化值的上( 下) 界。 拉格朗曰松弛法在机组组合问题中应用时，把所有的约束分成两类，一类是 全系统的约束，一类是可以按单台机组分解的约束，全系统的约束可以写成惩 罚项的形式。加入目标函数，形成拉格朗日函数，拉格朗日函数可按单台机组 分解成一系列的子问题，子问题一般用动态规划法求解，对偶问题一般用次梯 度法求解。 该算法有以下优点：随着机组数的增加，计算量近似线性增长，克服了维数 障碍，且机组数目越多，算法效果越好；方法十分灵活，不但可以成功地解决 机组组合问题，也可以推广到水火电联合经济调度问题和电力交易的问题；算 法的一些因子具有实际的物理( 经济) 意义，如与系统负荷约束相关的拉格朗日乘 子即等于系统边际发电成本。但是，也有一些缺点：由于目标函数的非凸性， 用对偶法求解时，存在对偶间隙，需要根据对偶问题的优化解采取一定的措施 构造原问题的优化可行解，这是拉格朗日松弛法的一个难点；算法的迭代过程 中有可能出现振荡或奇异现象，需要采取措旅加快收敛考虑某些约束条件( 如机 组爬坡速率) 会使计算复杂化。 1 4 1 5 遗传算法 第一章绪论 遗传算法是目前广泛研究和应用的模拟自然界生物进化过程的组合优化算 法。遗传算法是一个框架性的算法，可以根据具体问题进行不同的考虑。 遗传算法的优点：对目标函数性态没有特殊要求，从理论上来说可以找到全 局最优解可以得到多个可选方案；方法比较灵活，可以考虑多种约束；适合于 并行处理。其缺点是：遗传算法本质上属于无约束优化算法，如何处理约束条 件将在很大程度上影响算法的效率，由于是随机优化算法，不能保证得到全局 最优解；计算量比较大，所需时间长。 1 4 2 竞价算法的研究现状 发电竟价n 5 儿2 73 用到的主要算法有：排队法n 0 1 ，等报价法1 ( 或等微增率法) 、 动态规划法“”、网络流规划法m 和线性规划法“4 1 等5 种，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。下面对这几种算法逐一进 行分析。 1 4 2 1 排队法 排队法1 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、日的计划，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，报价曲线如图l l 所示。 毒。 蠡。 丫 罡a j a + 口- d p ( 肌) 图1 1 阶梯形的报价曲线 制定出报价表之后，根据优先顺序，以报价低的优先上网发电为原则确定各 7 曩 第一章绪论 个发电机组的出力，这样确定的机组经济功率分配对电网来说，当按统一边际 电价结算时，虽然实际的购电费用是一样的，但是各个发电机组的利益就有很 大的不同。排队法简单快捷，按照各发电机组的实际报价情况，结合电网运行 的约束条件，计算各种组合的费用，经比较，实现发电竞价目标函数。 t 4 ，22 等报价法 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( 霉五) ，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。等报价法适 用的报价曲线如图1 2 所示，曲线表达式为c 。= a ，只b ，。 b 量c 。x i 警 七c 。l 、 r j 图1 2 斜线形的报价曲线 等发电报价法的优点：只要报价( 或微增率) 曲线是不下降的，无论在斜线 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：只躯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；下降报价特性时，等报价准则不能 导致购电费用最低。 1 4 2 3 动态规划法 动态规划法是解决多阶段决策过程最优化问题的一种方法。所谓多阶段决策 问题就是指这样一类活动过程：它可以分为若干个相互联系的阶段，在每一个 阶段上都需要作出决策，而一个阶段的决策确定以后，将会影响以后各阶段的 彳。一 一 一 一 u 一 7 一， 一 l 一 一 - 一 一 - 一 一 第一章绪论 活动及其决策，当所有阶段的决策确定以后，就完全确定了该问题的活动过程。 各个阶段所确定的决策就构成了一个决策序列，称为一个策略。一般来说，由 于每一阶段可供选择的决策往往不止一个，因此，对于整个过程，就会有许多 可供选择的策略。若对应于一个策略，可以由一个量化的指标来确定这个策略 所对应的活动过程的效果，那么，不同的策略就有各自的效果。在所有可供选 择的策略中，对应效果最好的策略称为最优策略。把一个问题划分为若干个相 互联系的阶段，选取其最优策略，这类问题就是多阶段决策问题。动态规划的 理论基础是由r b e l l m a n 提出的最优化原理。这个原理归结为一个递推关系表 达式，用它描述多阶段决策过程的状态转移。一般采用逆序方法求这类问题的 解，即从最终状态出发，逐步推算到初始状态，从而得到一个最优决策序列。 动态规划法是比较常用的竞价方法，既可以解决发电竞价中的机组组合问题 又可以解决功率分配问题。动态规划法适用的报价曲线也是阶梯形的。 动态规划法解决发电竞价问题的优点：能够针对任何形状的报价曲线，可以 包含下降段，甚至是波动起伏的特性；其缺点也是很明显的：目前功率分配采 用的是离散型动态规划，如果分割状态的步长小，则计算量过大：如果步长大， 则计算精度低。可以采用变步长过程协调这一对矛盾。 1 4 ，2 4 网络流规划法 网络流规划法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。网络流规划法在经典的经济调度中得到了很好的应用。 它最显著的特点是它能够解决其他一些竞价算法难以解决的时间类约束和网络 安全约束问题，是目前最有前途的电力市场竞价算法。它的技术关键主要有两 个，一个是降低可行解的搜索范围，另一个是解决计算潮流和实际潮流一致性 的问题。 1 4 2 5 线性规划法 线性规划竞价算法的主要优点是：快速、可靠；能有效地处理网络安全约束 可以直接解决与时间有关的约束；能无障碍地使用报价的下降特性。其缺点是 处理网损比较困难；逐次线性化会造成计算精度的损失。 1 4 3 阻塞管理算法的研究现状“”“” 由机组报价决定的计划出力安排容易引起网络中线路或区域联络线上的潮 流越限，形成调度上的阻塞，如何消除这种阻塞是电力市场技术支持系统中要 第一章绪论 解决的关键问题。阻塞管理在考虑系统联络线输送功率限制问题时的主要算法 有优化规划类算法和灵敏度分析算法。优化类规划算法首先列出一个规划模型， 包括优化目标和各种安全约束条件，然后用数学的方法求解该模型。优点是约 束条件考虑全面，调整策略的安全性和经济性好；缺点是调整的设备可能太多， 在电网调度实践中，优化算法会暴露出鲁棒性的问题，不同的初始值可能导致 不同的解，特别是在越限程度严重的情况下，需要先进行一些预校正才能得到 最优解。灵敏度分析方法是根据支路潮流( 或电流) 的越限量，推算出控制变 量应有的调整量。灵敏度类算法无需迭代，没有收敛性的问题，容易实现调整 量最小或调整设备最少的目标，便于操作实施。其不存在收敛性的问题，鲁棒 性较强。 1 5 本文的主要工作 本文主要讨论了竞价上网的一些问题，分析了从电网角度考虑了机组的有功 功率分配的问题以及阻塞管理的问题( 即解决支路功率约束的问题) 。 ( 1 ) 在竞争的条件下，机组的有功功率的分配也与垄断经营时不大相同，电网 在分配出力时，不仅要考虑到经济性，同时还要必须做到公平，这样才有利于 竞争，才能达到整个网络的最优。电网在分配机组出力时，基本依据就是电厂 的上网报价，本文对机组组合使用简单的排队法来决定，排队法简单快捷，按 照各发电机组的实际报价情况，结合电网运行的约束条件，计算各种组合的购 电费用，经比较，实现发电竞价目标函数。按电网统一边际电价结算，购电费 用最低为优化的目标。 ( 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阶梯形报价 曲线是在连续的分段曲线上，选取一些关键点，近似的处理成阶梯形。所以在 确定机组组合之后，还要根据等报价法确定各个机组实际应得的出力。当报价 曲线是一条不下降的曲线时，按统一边际电价结算，等微增率准则变为等报价 法，等报价法的优点是：只要报价曲线不下降，无论在斜线段，水平段，垂直 段均能可靠收敛，计算速度足够快。本文对网损的处理，先根据负荷要求，为 了减少迭代次数，根据经验，取网损为2 的总负荷。总负荷加上网损即为总出 力，根据总出力的值，用等报价法重新确定各机组的出力，计算此时系统中的 网损，迭代几次，直到前后两次的网损差值达到o 0 0 1m 形以下，才近似的将此 时的网损作为计算值，总出力也就等于此时的网损加上总负荷，然后重新进行 出力分配。 ( 3 ) 在阻塞管理“”方面，采用的算法是求得机组有功出力对支路有功的灵敏度 1 0 第一章绪论 矩阵，将支路潮流约束转化为机组有功功率约束，依次选择过载最严重的支路， 根据灵敏度调整发电机出力，消除过载。本文中具体的对灵敏度求法，使用了 直流潮流公式和p q 分解法中的b 阵，既能与潮流配合又减少了计算时间。在 决定了减出力机组的同时，选定等量配对的加出力机组，它既消除了过载又保 持了系统功率的平衡。 为了验证本文提出的方法，分别对个6 节点系统和i e e e 3 0 节点系统进行 了分析计算。 第二章电力市场环境下的机组组合 第二章电力市场环境下的机组组合 机组经济组合也称开停机计划，其目的是针对在指定的周期内，满足系统负 荷、备用容量、机组最小运行时间和最短开停机计划等限制，考虑机组运行费 用特性，使周期内发电总费用最小。影响机组开停的因素，一是由系统负荷变 化，二是发电设备状态的变化。在当前管制型的电力调度中心制定时，它要为 电网中每台机组制定开停机计划，所要考虑的因素很多，如安排足够的系统备 用容量，以满足未预料到的系统负荷增长和事故情况下的备用；机组发电功率 上下限的限制。这些约束在安排机组组合时必须考虑。 在发电侧电力市场的情况下，所有的电厂卖电给电力交易中心( p 0 0 1 ) ，再由 中心卖给各配电公司及大用户，配电公司零售给各终端用户。每天，各电厂要 提交一份“报价文件”，为发电机组进行次日2 4 小时的发电报价，报价应包括 机组的启停费用，微增率费用，并包括一系列的机组特性( 最短开停机时间、 爬坡速率、最小负载等) 参数，这份报价将作为确定次日的机组组合的依据。 在发电侧电力市场中，竟价是决定机组开、停和负荷分配的主要手段，为了体 现市场环境下“公平”的原则，必须有效的解决系统的机组组合问题。目前， 已经提出了各种算法用于机组组合问题，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。混合整数规划法和分支定界法无法解决“维数灾” 的问题。拉格朗日松弛法是目前比较关注的方法之，在解决网络约束方面存 在困难，且收敛性也是一个主要的问题。排队法是按照经济原则建立一个优先 次序表，机组开、停就是在此表的基础上进行的，这种方法比较简单，易于理 解和实现。 2 1 本文中采取的发电报价曲线。 本文在算例中采取的是多段线性曲线形式的机组特性。而排队法适用的报价 曲线是阶梯形的报价曲线即多段常数的报价曲线。所以在应用中，选取多段线 性曲线上的几个关键点，将报价曲线近似的处理成图2 1 所示的形式。 第二章电力市场环境下的机组组合 p ( 腓) 图2 1 阶梯形报价曲线 2 2 排队法的竟价原理 排队法“”也称优先级法。在电力竟价中，它既可以用于机组组合或机组开停 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机组组合 的初始状态。摊队法的适用条件必须是分段水平线。 2 2 1 排队竞价原理 排队法简单快捷，按各发电机组( 或各发电公司，以下同) 的实际报价情况， 结合电网运行的约束条件，计算各种组合的购电费用，经比较，实现购电费用 最小的目标函数。在结算方式方面有两种情况，即：按照各发电机组实际报价 结算；按照电网统一的边际成本结算。本文中采用按电网统一的边际成本结算。 此法可保证报价低的发电公司在经济上不吃亏，因而有利于各发电公司在竞价 中报出较低的价格，从而可降低总的购电费用。 2 ，2 1 1 目标函数 在仅开放发电市场的条件下，目标函数是购电费用最低。按市场结算规则的 不同，目标函数有两类：按照各发电机组实际报价结算，购电费用b 最低；按 电网统一的边际成本结算，购电费用最低。 建 矿i“li吖；“l。 ，h 髓 柚 博 播h 吼 吼 玑 讥 玑 札 (ib譬u喉十v苫u 第二章电力市场环境下的机组组合 ( 2 1 ) 式中： i 机组序号： g 机组总数； c 。，( 卑) 机组f 的报价盐线，是发电功率只的函数； 只第i 个发电机组( 或发电厂、发电公司) 竞价获得的发电量， 在单位时间内，即为发电功率。 凡= r a i n ( 只) = r a i n c o , , e 只= m i n c o 。( p d + r ) ( 2 2 ) f ；1i = 1 c o 。= m a x c o 。( 只) ，c o ：( 昱) ，c 口。( 尼) ( 2 - - 3 ) 式中： c o 机组的边际电价； r 电网总负荷( 竞价部分) ； 只全网有功损耗。 2 2 1 2 排队法的约束条件 ( 1 ) 电网功率平衡等式约束条件： g 只一昂= 0 t = 1 ( 2 ) 机组功率限值约束： 鼻只。( f = 1 , 2 ，g ) 只只m( f _ 1 , 2 ，g ) 式中： 只。机组功率的下限； 只。机组功率的上限； 只机组的发电功率。 ( 3 ) 电网负荷备用功率不等式约束条件： 只一p d 岛。m i g p d 一鼻。匕。 i 式中： b 。电网向上负荷备用最低要求： p d 。电网向下负荷备用最低要求。 1 4 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 只)只(e 。， mm i i 第二章电力市场环境下的机组组合 约束条件的说明： ( 1 ) 电网功率平衡的等式约束， 和能满足负荷的需求； ( 2 ) 机组的最大最小出力限制， 为发电厂有功功率调整的上下限。 要求电网中参与竞价的各发电厂的出力总 这在本论文第四章考虑支路过负荷时将作 2 2 1 3 排队法机组组合的算法流程图 图2 2 排队法机组组合流程图 2 2 1 4 排队法的基本方法 为了说明排队法的具体方法，现以三个发电厂竞价为例。假设对3 个发电厂 供一个负荷进行排队竟价，报价曲线数据列于表2 1 中。其中，p d 为电网总负 荷功率，单位为唧；幻b 发电厂序号，f = 1 ，2 ，3 ；只为发电厂f 的发电功率，单 位为m ；c o ，为发电厂f 的报价，单位为千元( m 矿 ) ：尼为报价曲线的分 段序号。1 ( 4 ) 代表1 号发电厂，在第五章的算例中，为4 节点。 a ) 计算排队表 第二章电力市场环境下的机组组合 首先，读报价数据，见表2 1 。然后，将各发电厂i 和各报价段| j 的报价值 由小到大顺序排队，每次从所有这些报价中选出一个最低的电价，将其对应的 功率值累加上前面其他各发电厂的有功功率，得到功率和只。，即对应此报价 的功率变化范围，形成表的第五列；自上而下扫描第一次出现某发电厂序号f 时，将该发电厂的最小有功功率和最大有功功率累j j 口至, j 所有发电厂最小功率之 和只，。和所有发电厂最大功率之和只，。之中，形成表2 - - 2 的第六列和第 七列。 表2 1 发电厂1 、2 和3 的报价表 报价分段 发电厂序号 l234 5 01 0 01 5 02 0 02 5 0 l ( 4 ) o 1 60 1 60 1 70 2 10 2 3 1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 2 ( 5 ) 0 1 80 1 80 2 00 2 10 2 2 5 01 0 02 0 02 5 03 0 0 3 ( 6 ) o 1 70 1 7o 1 90 2 20 2 3 表2 2 报价排队表 排队号c 。*f i 只。只 1o 1 61l1 0 05 02 5 0 20 1 7121 5 05 02 5 0 3o 1 7312 5 01 0 05 5 0 40 1 8214 0 02 0 08 5 0 5o 1 9325 0 02 0 08 5 0 6o 2 0225 5 02 0 08 5 0 70 2 1136 0 02 0 08 5 0 80 2 1236 5 02 0 08 5 0 90 2 2247 0 02 0 08 5 0 i 0o 2 2 337 5 02 0 08 5 0 1 1 0 2 3l48 0 02 0 08 5 0 1 2o 2 3348 5 02 0 08 5 0 1 6 第二章电力市场环境下的祝组组合 b ) 计算各运行组合下的b 。，昂。，k 将负荷按时间顺序f 填入表2 3 的第二列中。针对每一个时段t 的某一负荷 尸d ( f ) ，在表2 - - 2 的第五列自上而下寻找能覆盖此负荷的罗只。的功率范围，查 到对应的排队号( 表2 2 中的第一列) ，边际成本( 表2 2 中的第- 歹i ) ，填 入表2 - 3 的第三列和第四列中；并查找各发电厂f 用到的最后一段报价e 。和上 网功率只，填入表2 - - 3 的第五列至第- i y i ，计算对应的备用巳。，易。和 费用r ，填入第八列至第十列中。 表2 35 个负荷水平的竞价结果 时段b ( 0排队号c 置置只p d m d昂u 11 5 020 1 71 5 00o1 0 01 0 0 2 5 5 24 0 040 1 81 5 01 5 01 0 02 0 0 4 5 07 2 0 35 5 06o ，2 01 5 02 0 02 0 03 5 0 3 0 01 1 0 ，o 47 0 070 2 22 0 03 0 02 0 05 0 01 5 0 1 5 4 0 52 5 03o 1 71 5 00i 0 01 5 03 0 0 4 2 5 c ) 校核约束条件； 前两个约束即电网功率平衡约束和发电厂功率约束。由排队号可在表2 2 的第六列和第七列中查到各发电厂功率下限之和只，。和功率上限之和 鼻，。，由此可校验电网负荷备用约束。校验中出现不满足时，对第三个条件 可自动增i i i i i 序编号，并记下边际成本之差，机组不足时可提供给人工处理。 如果校核约束条件满足，就确定了机组组合。虽然这一步已经得出各个发电厂 的出力，但是由于没有考虑实际的网损，所以在后续的部分，还要将网损考虑 进去，作进一步的计算。 2 2 2 排队法的不同结果与公平性 在确定机组组合的过程中，我们发现，在某一个边际电价时，会有多种可行 的机组组合方式。例如p d = 6 0 0 m w 时，查表2 - - 2 排队号7 ，8 的巳，都是0 2 1 千元( m w ) ，此时可能的结果有三种，如表2 - - 4 所示。这三种结果是按如下 规则形成的，第一种是按发电厂1 ，发电厂2 ，发电厂3 顺序排队；第二种是按 发电厂2 ，发电厂3 ，发电厂1 顺序排队；第三种是