（电机与电器专业论文）基于动态潮流的输电电能损耗分摊管理系统.pdf

基于动态潮流的输电电能损耗分摊管理系统 “t r ；s i o ne n e r 9 2l o s sa l l o c a t i o ns y s t e mbasedlb e1r a n s m l s s l o n1 6 n e r r 3 tl o s sa i i o c a t i o nb y s t e mb a s e do na d y n a m i cp o w e rf l o wa l g o r i t h m a b s t ra c t w i t ht h eg r a d u a lr e f o r mo ft h ee l e c t r i c i t ym a r k e t ，t h et r a d i t i o n a lb u s i n e s sm o d e lo f i n t e g r a t i o no ft h ep o w e rg e n e r a t i o n ，t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o ns e r v i c e sh a sb e e nb r o k e n p o w e rg r i dc o r p o r a t i o np r o 访d e st r a n s m i s s i o ns e r v i c e st ot h ep r o d u c e r s ( i n d e p e n d e n tp o w e r p l a n t sa n dp o w e rg e n e r a t i n gc o m p a n i e s ) a n du s e r s ( d i s t r i b u t i o nc o m p a n i e sa n dl a r g eu s e r s ) ， a n dc h a r g et h ec o s t a sa ni m p o r t a n tb a s i sf o rt r a n s m i s s i o np r i c i n g , t h er e s u l to fl o s s a l l o c a t i o nd i r e c ti m p a c to nt h ee c o n o m i ci n t e r e s t so fa l lt h em a r k e tm e m b e r s a l l o c a t i n g t r a n s m i s s i o nl o s s e sf a i r l ya n dr e a s o n a b l y , t h e r e f o r e ，b e c o m e sa ni s s u et h a tm a r k e tm e m b e r s g e n e r a l l yp a ya t t e n t i o nt o a n das e tt i m ep e r i o dt oa c h i e v et h et h e o r e t i c a lp o w e rl o s sa n d a l l o c a t i o ns o r w a r ei sn e c e s s a r y , i so fh i g hp r a c t i c a lv a l u e t h i sp a p e r , d e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h et r a n s m i s s i o ne n e r g yl o s s a l l o c a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e ma st h eb a c k g r o u n d ，i m p r o v e sr e s e a r c ho nt h ec a l c u l a t i o no ft h eo n l i n e t r a n s m i s s i o nl o s s a tp r e s e n t ，t h eb a s i so fa l l o c a t i o na l g o r i t h mi su s u a l l yb a s e do no f f - l i n ea n d n o r m a lp o w e rf l o wc a l c u l a t i n g ，w i t ha r t i f i c i a ls l a c kb u sa n ds e c t i o n , m a k i n gp o w e rf l o wc r n n o tt r u l yr e f l e c tt h ea c t u a lo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m i nr e s p o n s e ，w i t ht h en e e d so fo n - l i n e c a l c u l a t i o n , at r a n s m i s s i o nl o s sc a l c u l a t i o nm e t h o db a s e do nt h ed y n a m i cp o w e rf l o wi s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h em e t h o dc o n s i d e r st h ep o w e rs y s t e mo p e r a t i n ga tt h ef r e q u e n c yo f a d j u s t m e n t ，t h ee n t i r en e t w o r ko fp o w e ri m b a l a n c e 嬲s i g n e dt oa l lo ft h eg e n e r a t o r s ，t h e r e b y t h er e s u l ti sm o r ec o i n d d e n t a lw i t ht h er e a l i t y f i n a l l y i e e e 一3 0s y s t e mv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t y o f t h ea l g o r i t h m t 1 1 i sp a p e rp r o v i d e sac o m p r e h e n s i v eo v e r v i e wo f t h em a i n s t r e a mm e t h o do f t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，i na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t so fo n l i n ea l l o c a t i o n ，f o c u so n t h ew h o l el o s sc o m p o n e n t ，t ot h ep o w e r ( o rl o a d ) t h eb r a n c hf r o mt h ec u r r e n tc o n j u g a t ea sa b a s i sf o ra l l o c a t i o n a n dt h em e t h o do fs h o r t - t e r ms u b - p o i n t si su s e dt oa p p r o a c ht oc a l c d a t e t h ee n e r g yt o s sa l l o c a t i o n + f i n a l l yt h i sp a p e r , c o m b i n e d 诵t 】1m o d e mc o m p u t e rt e c h n o l o g y , u s i n gt h ea l g o r i t h m d e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h et r a n s m i s s i o ne n e r g yl o s sa l l o c a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ， d e s c r i b e di nd e t a i lt h es y s t e md a t a b a s ed e s i g na n dt h ec o r em o d u l e s f e a t u r e sa n d i m p l e m e n t a t i o n 1 1 1 es y s t e mi sc o m p o s e db ym i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 6 0a st h ed e v e l o p m e n t p l a t f 0 1 1 1 1 ，a c c e s s 2 0 0 3a st h ec o r ed a t a b a s e ，a n dm a t l a bl a n g u a g eb a s e do nd y n a m i cp o w e r f l o wa n dl o s sa l l o c a t i o na l g o r i t h m c o mc o m p o n e n t sm a k i n gm a t l a ba l g o r i t h m 大连理工大学硕士学位论文 t e c h n o l o g yt oc r e a t ed y n a m i cl i n kl i b r a r yf i l e sa n ds e a m l e s s l yi n t e g r a t i n gv i s u a lb a s i c6 0 ， t h ep r o c e s sa c h i e v e se f f i c i e n td e v e l o p m e n ta n ds t r o n gs c a l a b i l i t y k e yw o r d s ：e n e r g yl o s s ；t r a n s m i s s i o nl o s sa l l o c a t i o n ；d y n a m i cp o w e rf l o w ；f r e q u e n c y a d j u s t m e n t ；e l e c t r i c i t ym a r k e t i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 銎耋垦日期：! ! ：! ! ：竺 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士 学位论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门 或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 作者签名： 和纺 导师签名：圣皇垒鍪 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1引言 电力工业作为国民经济的基础产业，其宗旨是安全、稳定、可靠、经济地提供电能。 众所周知，长期以来现代电力工业处于垄断经营状态。因此，电力工业都作为公共事业 进行管制经营，在克服市场机制失灵的同时，也获取了电力生产规模经济、范围经济和 关联经济效应带来的丰厚回报。然而垄断导致电力工业本身缺乏内在的发展动力，生产 经营效率不高，并且阻碍了技术进步乃至社会生产力的提高，从这种意义上说，电力工 业市场化改革是电力工业发展必然的、主动的选择【i 】。 随着电力系统的市场化改革，输电网的自然垄断性逐渐被打破，市场竞争的开放性 要求形成开放、高效的输电系统。输电网络作为连接发电方和用户方( 包括在大用户和 配电公司) 的中间机构，不仅保证安全、可靠的电力传输，更成为一个转运服务的实体【2 j ， 逐渐由统一或联合调度的角色变成电力交换的工具和市场。 输电价格成为市场中决定资源分配和系统扩建、促进整个电力市场的运营效率的有 效经济信号。然而，要建立一种适合不同市场结构的输电费用分配方案，也就是输电定 价方案是很难的。迄今为止，没有一种公认的输电定价方法，每个国家、每种重组形式， 都选择适合自己网络特点的定价方法。 过去，电网的损耗是由电力公司制订各用户的峰谷和不同季节的网损调整因子来向 各用户分摊电能损耗。在电力市场环境下，为了体现公平性，需要详细的依据各用户的 不同电压等级、不同位置来公平、合理地分摊网损。 在传统的电力系统中，潮流计算方法能够通过系统的结构、参数及系统当前的运行 方式和负荷状态计算出系统各个母线电压和各个支路流过的功率。在电力市场环境下， 仅仅知道每条支路流过的功率是不够的。比如，在某个电力系统中，各电厂的上网电价 一般不会相同，欲知某个负荷的供电成本，需要了解这个负荷是由哪些电厂供给功率的； 为了确定运行的成本，需要知道转运功率流经的线路，实现对该转运业务的成本追溯， 精确地计算出转运成本。这都说明确定各电源在某支路内流经的功率和产生的损耗是非 常必要的。 本章首先介绍电力市场中的输电服务，然后对输电费用分摊方案的研究现状进行评 述，最后介绍本论文的主要工作及课题背景。 基于动态潮流的输电电能损耗分摊管理系统 1 1 1 电力市场中的输电服务 在传统的垂直垄断条件下，电力公司统一作发电、输电、配电服务。由电力公司来 保证系统供需平衡，保证电能质量，保证电网安全可靠运行，而且还要尽可能优化规划 建设和运行管理，提高经济效益。电力公司将总成本按照电量向用户分摊，电价由国家 及各级政府监管，相对来说比较固定。 而电力市场化改革就是要将电力生产的发、输、配、售各个环节分开，并在发电和 售电环节引入竞争。从整体上划分，电力市场的开放分为垄断、发电竞争、批发竞争和 零售竞争四个渐进的阶段。目前，我国的电力市场还处在发电竞争试点阶段，实行“厂 网分开，竞价上网。在经过“厂网分开，竞价上网”发电竞争模式后，电力市场必将 过渡到发、输、配电相分离，开放输电市场，即形成批发竞争的模式。在此模式下，不 但发电企业要根据公平竞争的规则竞价上网，而且允许大的电力用户直接从发电企业购 买低价的电力，通过同一电网或互联电网予以输送。1 9 9 2 年美国颁布的能源政策法案提 出了输电网开放的概念【3 】，其目的是为发电市场提供一个规范而公平的竞争环境。在竞 争的电力市场环境下，输电网的功能和角色都发生了重大的变化；输电网公用化并且作 为电力商品的载体进入商业化运营，随着输电网的开放，越来越多的用户( 包括发电厂 和负荷) 要求输电网为它们提供公正、平等的输电服务。 输电服务是指将电能从电能的生产者( 独立发电厂和发电公司) 安全、优质、经济地 输送到电能的使用者( 配电公司和大用户) 的全过程。因此要明确地定义输电服务、用户 使用输电系统的权利以及相应的服务成本，并将其服务平等地提供给任何市场参与者以 及科学合理的分摊其成本【4 匍。在电力工业引入竞争的改革中，输电对于促进电力市场 的竞争，支持可靠性管理和市场交易等有更加重要的作用。 为了建立公平竞争、开放有序、健康发展的电力市场，既要充分借鉴国内外现有的 电力市场实践经验与教训，同时还要结合我国电力市场的客观环境，输电系统开放所引 起的问题已成为电力系统商业化运营中的基本问题，是电力市场顺利实施迫切需要解决 的关键性问题【7 。9 】。广义的讲，输电问题中主要包括输电阻塞管理、输电定价和输电损 耗分摊等，需要指出的是，电力作为商品的特殊性是从技术层面上影响输电问题的主要 原因。 1 1 2 输电损耗分摊的目的和意义 电力市场建立后，公平竞争将成为电力市场最重要和基本的原则【1 0 1 。在输电开放的 市场框架下，需解决的是如何将输电损耗在输电用户( 电能的生产方和使用方) 中分摊， 大连理工大学硕士学位论文 即输电损耗分摊问题1 1 。它是电力市场中的基本理论问题之一。虽然在电力市场交易 过程中，输电网的损耗只占全部成本很小的一部分，一般来讲输电系统功率损耗占整个 输送容量的2 - 5 i 屹】，但是它对于提高输电定价有效性以及引导输电用户合理利用输电 资源具有重要作用，合理的输电损耗分摊可以提高市场效率。此外，输电损耗分摊结果 不仅直接影响各输电责任主体的经济利益，更关系到电力市场的健康发展。因此保证输 电损耗分摊的公平性对减少用户争议、维护市场稳定是十分重要的。 由于输电损耗与输电功率之间的非线性关系，如何公平、合理地在用户间分摊损耗 成为一个难题，无论从提高整个电力系统的经济效率来说，还是从对不同电网用户的公 平开放来说，都有重大的意义。不同的计算和分摊方法会造成在电网用户间分摊比例很 大的差异，如何进行统一的精确计算和公平的分摊，成为电网用户普遍关注的问题。同 时，不同的网损分摊方案，也会对电力系统的经济运行发生影响。英国电力市场的运行 实践表明，不同的网损分摊方案可能对交易电价的影响高达1 0 1 3 】。 在我国发电侧区域电力市场中，按照市场规则，所有独立发电公司的竞价机组在交 易中心竞价上网，用电实施单一购买，售电价格由国家统- n 定，不能变动。如按照各 竞价机组的发电报价直接交易，则存在如下问题【l 】： 公平性：发电机散布在电力网络中，位置各不相同，所以每个发电机输出功率所引 起的功率损耗是不一样的。而发电厂输出功率的计量点是在发电机的出口，这就意味着 根据实际发电报价进行交易没有考虑各发电机输出功率所引起的功率损耗的差异，即认 为各发电机输出功率所引起的功率损耗是相同的，这对引起系统功率损耗小的发电机而 言是不公平的。 经济性：一般而言，坑口电站发电成本较低，但其远离负荷中心，引起输电功率损 耗较大。若直接根据发电报价进行交易，则可能会造成较多远距离电厂中标，可能会造 成输电损耗增加的费用大于购电费用的节省，从而降低系统整体运行的经济性。 因此，有必要在交易前对发电报价进行网损修正【1 4 】，在保证各电厂公平竞价的同时， 兼顾系统整体运行的经济性。由文献 1 5 】可知网损修正问题的本质是损耗分摊问题。 1 2 输电损耗分摊方法及研究现状 1 2 1 平均网损分摊法 平均网损分摊法也叫“邮票法 0 6 - 1 7 】，这种方法是根据电能用户的功率大小按比例 将网损分摊给用户，该方法算法简单，不考虑输电网的结构、输电线路的距离和输送功 率的收发点位置，故称为“邮票法。该方法在全网范围内按相同的网损系数进行分配。 网损系数： 一3 一 基于动态潮流的输电电能损耗分摊管理系统 a = r 咄p ， ( 1 1 ) 式中，i 为节点号，s i 只为第1 个节点的有功出力或有功负荷，p 妇为全网网损。 则节点i 的有功出力或有功负荷应该分摊的网损量为： e = 另x a ( 1 2 ) 显然，平均网损分摊法直接、透明，分摊的网损量相对稳定，有利于维持电力交易 的同一性和流畅性。电网公司可以通过事前计算、实时计算、事后计算或三者之间的组 合来完全收回输电网损成本。 虽然有不少文献在这种分摊方法的基础上进行了一些改进，例如在确定网损系数 时，综合考虑电网中的电能质量、传输阻塞等因素，但是平均网损分摊方法不能提供电 刚短期和长期经济运行的经济学信号，缺乏强有力的电力市场的经济激励机输电损耗分 摊理论与应用研究制，而且由于不能避免用户间的交叉补贴，还常常受到无法获益的用 户的抱怨，所以这种方法正面临逐步淘汰的命运。 1 2 2 边际网损系数法 边际网损系数法【1 7 , 1 8 】被大多数电力市场所采用，边际网损系数法是一种灵敏度方 法，即根据节点注入功率的单位变化引起全网网损变化量的大小对各节点上负荷或发电 机进行网损的分摊。这种分摊方法能反映各节点造成全网网损的微增成本信息，从而能 够提供很好的经济信号，通过市场的手段促使潮流向网损减少的方向流动，达到优化潮 流，提高经济效益以及指导用户投资决策的目的，而且同时考虑到了有功和无功对网络 损耗的影响。 系统的总的有功损耗公式为 1几几 = 吉q v 2 + 呼一2 v y jc o s o ( 1 3 ) f f i lj 式中，n 为系统节点数；v i ，v j ，分别为对应节点i ，j 的电压幅值；劬为节点i 、j 相位角差；g i j 为节点i 、j 之间的电导；p h 为全系统总网损。对式( 1 3 ) 求偏导，得 1 昵馏l a g = q i v , 一v jc o s o , a ( 1 4 ) j - t ， 昵缁a e , = q m s i n e u ( 1 5 ) 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 式中，h ，日为系统状态变量，它们由系统各节点注入有功、无功功率决定可表示 为v , c p j ，q ) ，e , ( p j ，q ) ， 一= j ，z 即，_ = j ，z 砂。平衡节点和p v 节点除外，因为平 衡节点的电压幅值、相角和p v 节点的电压幅值不受其它节点注入功率的影响，保持不 变。又因为 以馏a v , = ( 幔弼嵋木a p a v , + 蛆嘴a q 木a q a v , ) ( 1 - 6 ) j = 1 a r 游a s , = ( 部k 嵋奉a p a o , + 理蛸a q 掌a q l 7 a e , ) ( 1 7 ) j ；1 其中，由于平衡节点用于提供全网网损，对于平衡节点a a b = 0 ， 辨螂a q , ，即不对其收取网损费用。对于p v 节点，由于它注入的无功功率q i 是用来 调节电压的，所以也不应对其无功功率收取网损费用，即a q = 0 a 将式( 1 4 ) 、( 1 5 ) 、( 1 6 ) 和( 1 7 ) 整理成矩阵形式得 至幺 a r a 瓦箝 以 职筛 a q l a r 咐 他 昵蝣 a q a r 噶 a 吃 哦咄 a u a r 泔 a k ( 1 8 ) 注意到式( 1 + 8 ) 左边是j a c c o b i 阵的转置，则可以解出a r 蛸a p , 、a q , 。根据 各节点a r 嘣a p , 和a a q , 分配网损，记a a p , 和a 只淄ia q , 为七b 和七。口，令： 口= ( a la p , 丰毋+ 昵螂，a q ，车q ) ( 1 9 ) ，1 1 各节点的边际网损系数为和k ： k = 口木k 。8 ( 1 1 0 ) 一5 一 盈姆盟蛆堡暇 _堡鸭； 丝鹚 监僻豫一姒 盟叱 一 一 亟鸭盟嘶 亟弧 穗一螅盟姒 豫一粥 生r 旦k 愫一嵋 昵一识识一姒 监叱 + 一 一 _ ： 足一靠堡u 堡k 堡魄丝姒 堡嘶 蛆一螅盟姒 丝叱 基于动态潮流的输电电能损耗分摊管理系统 k = 口木k 。q ( 1 11 ) 各节点应承担的网损： ( ，) = k p , 木只木q ( 1 1 2 ) 1 2 3 损耗增量法 损耗增量法可以分为两类：基于潮流的损耗增量方法和合计分摊法。 ( 1 ) 基于潮流的损耗增量方法 基于潮流的损耗增量方法【1 7 】是一种典型的基于潮流的损耗增量方法，是针对双边交 易( 尤其是转运交易) 提出的，这种方法是根据每个交易用户的功率总量对系统损耗的影 响来确定其应承担的输电损耗。这种方法将所有的交易功率按一定的顺序累加到系统 中，根据每个交易合同追加后对整个系统功率的影响程度来确定每个交易合同应分摊的 网损。 以有功功率损耗为例，设系统在某运行时段存在n 个双边交易，输电损耗微增法的 分摊步骤如下： 进行两种方式的潮流计算，其中一次不考虑所有交易，称为基本方式；另一次 则包含所有交易，称为实际运行方式。上述两种情况下的潮流计算显然不同，它们之间 的差别就反映了所有交易对系统的影响。 对任一交易n ( n = l ，2 ，n ) 进行两种方式下的潮流计算，方式1 只加入双边交易 1 1 ，它与基本方式之间的差别反映了该交易的边际影响；方式2 则包含除交易n 以外的 所有交易，它与实际运行方式的差别决定了交易n 的增量影响。 为了综合考虑不同的交易加入次序对最终损耗分摊结果的影响，取交易n 对系 统的边际影响和增量影响的平均值作为该交易对系统功率损耗的最终影响。 应用上述步骤将系统输电损耗分摊到每个交易n 。 基于潮流的损耗增量法采用的是“边际和“增量”的思想来确定各个双边交易对 网络功率损耗的影响，物理意义清晰，但存在以下缺点： 功率加入次序：显然每笔交易功率的加入次序不同对最终的损耗分摊结果有影 响，从而导致分摊结果不唯一。 各交易功率之间的交叉耦合作用：因为交易之间的交互作用产生了损耗交叉项， 单个双边贸易累加到系统中所引起的网损变化量之和并不等于所有双边贸易同时加入 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 到系统中引起的网损变化。所以这种方法没有考虑到所有交易同时作用时的交叉耦合作 用。 反向潮流：所谓“反向潮流 是指某一交易在系统中某些线路上所引起的潮流 与线路实际潮流方向相反，该交易的存在实际上减小了系统总的输电损耗，电网公司应 该对该交易进行补偿，但这对电网公司又是难以接受的。所以现有的一般处理方法是不 考虑该交易对系统损耗的影响，对其不收取损耗分摊费用，从系统经济运行的角度出发， 对引起反向潮流的交易，不考虑其对减小系统总损耗所做的贡献并不合理。 输电损耗微增法直观上非常适合于双边交易，而且与平衡节点的选取无关。但是由 于各交易的网损分摊量对所设定的交易顺序很敏感，对同时发生的几笔交易，就会出现 交易排序的问题。对产生反向潮流的交易功率不收网损分摊费用甚至给予补偿，这对电 网公司来说也难以接受。 ( 2 ) 合计分摊法 合计分摊法【1 9 】的提出是为了避免交易估计法中遇到的交易次序的问题。这种方法的 思想是对每个交易，考虑如下两种状态的折中：一是该交易是系统中唯一一个交易的状 态；另一个是该交易是系统中最后一个交易的状态。合计分摊法的计算过程如下： s 1 ：进行两次模拟损耗计算，其中，一次基于基准状态( 无交易状态) ，另一次基于 运行状态( 包含所有交易) ，以确定两种状态下各自系统损耗。 s 2 ：对于每个交易纠，t ，进行如下几步计算： 计算下列两种状态下的潮流： 状态l ：只包含交易t ； 状态2 ：包含除去t 的所有交易。 从这些潮流计算中得到各项交易的边际损耗和增量损耗。 将网损分摊到每个交易。 1 2 4 潮流追踪法 潮流追踪法【2 0 】是利用节点功率的比例分配原则，追踪发电厂发出的功率或者电力用 户吸收的功率流经哪些线路，并按照一定规则计算承担这些线路上损耗的份额。自问世 以来，受到了广泛的关注，演变成损耗分摊方法的一个门类，衍生出许多具体的算法： ( 1 ) 按跟踪的方向或对象分类：逆流跟踪和顺流跟踪。 顺流跟踪【2 1 】用于计算发电机对线路潮流的贡献，通过顺流跟踪，可以把全网的输电 网损分摊到发电方。而逆流跟踪【2 1 1 用于计算各发电机实际供应那些负荷及各线路实际为 那些负荷服务，因此，逆流跟踪可以对用电方进行网损分摊。 一7 一 基于动态潮流的输电电能损耗分摊管理系统 ( 2 ) 按所跟踪的量分类：电流跟踪、有功功率跟踪和复功率跟踪。 电流跟踪【2 2 4 】方法是通过研究网络中支路电流的组成及其对网络损耗的影响来进 行全网网损的分摊。在忽略无功潮流影响的情况下，认为“利用份额 采用电流比值与 采用功率比值等价，各出线分摊节点网损按电流幅值进行分摊；或考虑线路上各电流分 量的耦合，引入耦合网损系数，使所分摊的网损不仅包括自身电流分量所产生的部分， 而且还包括和此线路上的其他电流分量耦合而成的交叉网损部分。 有功功率跟踪【2 0 】忽略了有功和无功的联动的影响，直接对有功潮流和无功潮流进行 解祸，而不考虑节点无功对有功功率损耗影响，按照有功功率比例共享的原则，进行有 功跟踪和网损分摊。这种解祸的方法，使计算大为简化。 复功率跟踪1 2 0 作为对有功功率跟踪方法的一种改进而提出的。具体所采用的跟踪方 法也不一样。文献 2 5 1 利用复功率跟踪，按照复功率按比例共享的原则，得到某一特定 的发电机或负荷复功率在所有线路上的潮流所占的比例进行网损的分摊。而文献 2 6 1 是 利用电气路径的等值解耦的方法进行复功率的跟踪，然后按照各用户的复功率比或复合 电流的共扼比进行网损分摊。 ( 3 ) 按潮流模型分类：有功潮流跟踪模型和有功、无功潮流联合跟踪模型。 有功功率潮流模型【2 3 】基于潮流解的基础之上，不考虑节点的无功功率对线路有功损 耗的影响，将有功潮流和无功潮流进行解耦。所以在此模型中，网络上只有有功功率流 动。为保持线路首末两端的功率一致，一般将线路的有功功率损耗平均地移至线路的两 端，从而使线路等效为一无损线路。显然采用这种模型进行潮流跟踪和网损的分摊，计 算简单、直观，但计算的结果会有一定的误差。 有功、无功潮流联合跟踪模型不但减少由于上面模型的简化所引起的误差，还可以 对输电线路上的无功功率进行跟踪，从而可以为无功功率的传输费用的收取提供依据。 1 2 5 全电能损耗分量法 该方法将焦点放在电能损耗上而不是功率损耗上，因为网损分摊的最终目的是为了 向用户收取电能费用，所以输电费用中的网损及其分摊应基于电能损耗即网损电量进 行。电费的计算以电量为依据，网损的承担也是依据电量核算，发电、供电、售电、用 电的计算、结算分析均是基于电量进行的。至于网损电量的获取，通常可以采取测量和 计算两种方法。全电能损耗分摊法【2 8 , 3 6 , 3 7 】用到全损耗功率分量的定义，把电源在支路中 引起的电流分量共轭值与支路电压降的乘积称为该电源对支路的全损耗功率分量。通过 分段积分求和的方法对某电源在某支路上的全电能损耗分量做数值计算来求得该电源 应该分摊的支路网损电量，最终求得该电源对所有支路应分摊的网损电量。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 已经提出的大部分网损计算和分摊方法都是稳态离线模型，而运行中的电网，网损 电量是由负荷大小、潮流分布等因素决定而随时间变化的。因此静态的功率损耗不能准 确地反映真实的损耗。而且电费的计算通常还按一天中负荷随时间变化而分成的尖峰、 高峰、腰荷、低谷4 个不同时间阶段进行，因不同时段电价不同。四个阶段的范围还随 着季节的不同而改变。所以，用一个固定的功率损耗作为网损分摊的依据显然不够准确。 全电能损耗分量法考虑了分时段计算网损电量，更为精确。虽然没有明确提出交叉项的 处理，但是却在计算全损耗功率分量时包含了交叉项的处理，避免了网损分摊中对交叉 项的粗略处理。全电能损耗分量法所用到的全损耗功率分量弥补了功率不能叠加的缺 点，因为全损耗功率分量是满足叠加原理的。 1 3 本文的研究背景和主要工作 本文依托于辽宁省博士启动基金项目( 2 0 0 6 1 0 5 9 ) 。 论文在对前人研究成果认真总结基础上，根据输电损耗分摊问题自身的特点并且结 合我国电力市场的实际情况，选择了全电能损耗分量法为输电损耗分摊系统的分摊核心 算法。潮流计算是电力系统分析的基础，考虑到电能损耗的在线分摊计算，本文重点研 究了考虑频率调整的潮流算法来更近似地的计算出分摊结果。最后利用以上算法开发了 基于动态潮流的输电损耗分摊系统软件。论文具体分为以下五章： 第一章：简要介绍了电力市场输电服务的目的和意义，讨论了国内外各种输电损耗 分摊的典型方法及其技术特点。 第二章：详细研究了频率调整对网损计算的影响，建立了考虑调频的潮流计算模型， 并给出了理论分析和i e e e 3 0 节点算例分析。 第三章：研究在线电能损耗分摊算法，主要研究全电能损耗分量法，并给出了 i e e e 3 0 节点算例分析。 第四章：重点介绍了输电损耗分摊系统的功能框架及其部分技术，并给出了简单算 例分析。 第五章：总结与研究展望。总结本文的工作，指出存在的缺陷，并对进一步的研究 工作提出了建议。 基于动态潮流的输电电能损耗分摊管理系统 2 基于动态潮流的网损分析 2 1引言 潮流计算是电力系统分析最基本的工作。几十年来，大量文献提出了许多种潮流算 法。一般地，常规潮流如牛顿拉夫逊法、快速解耦法等算法截取某一时间断面进行计 算，其前提是假设系统中功率绝对平衡，全部发电机的输出功率正好等于所有负荷功率 与网损之和，并且选取系统中的某一节点作为平衡节点，全网的不平衡功率完全由平衡 节点上的机组吸收。 然而，实际的电力系统是一个动态的系统，各处的负荷时刻都在发生变化，为了达 到供需平衡，系统中发电机的有功输出总体上跟随负荷的变化而变化。所以这些机组都 具有能力根据其自身的调节特性去改变其向系统注入的有功和无功，同样系统负荷也会 根据其自身的调节特性去改变其消耗的功率。 通常情况下，系统的负荷是随机变化的，使得系统中存在着不平衡( 有功) 功率，导 致系统频率发生变化。这时电网的频率调整机制开始动作，各发电机组的调速系统进行 全网的一次调频，响应时间为1 0 3 0 s 2 9 ：随后调度员指挥部分发电机组参与二次调频， 响应时间比一次调频要慢，大约1 2 m i n 。而实时网损的计算步长一般为1 5 m i n 或更少， 相比之下调频的过程就不能被忽略掉。 另外，常规潮流计算的平衡节点要平衡掉全网的功率缺额，这样做不但会使平衡节 点注入功率经常出现大于额定功率或向系统注入负功率，还会因为这种不合实际的功率 流动而使得网损的计算值不符合实际值。 按照这个指导思想，在潮流计算中假设系统中所有发电机节点都具有功率调节能 力，当系统中出现负荷波动，所有发电机节点都进行一次调频，共同承担出现的功率扰 动，然后对部分发电机节点进行二次调频。从而使计算出的网损值更加接近于实际。 2 2 电力系统频率调整 频率调整( 以下简称调频) 问题，曾经是电网运行备受关注的课题。电网频率的稳定 性和准确性，是供电质量的重要指标。电网频率的变动和偏差，对用户和原动机的影响 和危害是众所周知的。如何保证电网频率的稳定和准确，是调频问题研究的主要内容。 同时，调频过程又是电力生产过程中调整能量平衡的过程。系统的频率主要由系统 的有功来决定，而频率的波动往往伴随的就是系统的有功不平衡。通过调频，调动各种 蓄能和热力系统的能量供应，实现发电和用电的能量平衡，和实现电负荷的合理分配。 大连理工大学硕士学位论文 调频问题包含了三个命题，即自然调频，一次调频和二次调频。 自然调频过程是自然完成的，不需任何调整手段；一次调频则是依靠原动机调速系 统自动完成的，对系统当中变动幅度小、周期短的负荷变动引起的频率偏移的调整。不 需要人为干预。自然调频和一次调频，构成电网调频特性。 电网频率的准确性，靠二次调频来保证。二次调频是一个人工干预的过程，通过手 动或自动方式，改变调速系统的给定值，将电网的负荷变化最终转移到由预先指定的调 频机组来承担，消除一次调频过程留下的频率偏差，使电网频率回到额定值。二次调频 的能量支持，在火力发电厂中，需靠相应调整锅炉燃料获得。 2 2 1 电力系统负荷与发电机的频率静态调节特性 假定： 忽略负荷变化的电磁过程和电网中各机组间功角变化过程； 将电网中所有机组的转子和负载的旋转惯量看作是刚性地联系在一起，构成一 个等效大转子，各原动机主动力矩和负载阻力矩同时作用在电网等效转子上； 忽略原动机和负载自平衡能力的影响，相对调速系统静特性而言，这些自平衡 能力对静态调频特性影响很小： 涉及电网的参数，相对量以电网额定容量为基准，涉及各机组的参数，相对量 以机组的额定功率为基准。 ( 1 ) 负荷的功率一频率特性 设p l 为负荷的输入功率，p i j d 为初始功率，f o 为额定频率，f 为系统频率，a 为各阶 系数，则有： r = a o r 。+ 包r 。 丢 + a z r 。 丢 2 + + 毛r 。 丢 n q 1 ， 令功率相对系数r 木= r r o 且频率相对系数厂爿= 厂乇则有： r 术= a o + a i 厂木+ 嘎厂2 奉+ + a ，f 几木 ( 2 2 ) 当负荷变化时，系统能够在新的频率下重新稳定，此时的负荷和频率变化如果分别 为鹋和厂，则有频率自调节系数k ； k = r 厂 ( 2 3 ) 孵觜 ( 2 4 ) 基于动态潮流的输电电能损耗分摊管理系统 ， k 木= a 1 + 2 a 2 f + 3 a 3 f , 2 + + 仃a n 口= 魄1 ( 2 5 ) 1 = i 则频率负荷的曲线关系如图1 所示： 图2 1负荷频率静态特性 f i g 2 1 t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fl o a da n df r e q u e n c y i i 一乏 屯 良 f 图2 2 负荷频率静态特性近似曲线 f i g 2 2 t h ea p p r o x i m a t es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fl o a da n df r e q u e n c y 由于频率的更高次方成比例的负荷所占的比重很小，可以忽略不计，在工程应用中， 将图2 1 的频率负荷曲线关系近似为直线，其斜率即为一次调频实施曲线中的斜率值， 近似关系曲线如图2 2 所示。 ( 2 ) 发电机组的功率一频率特性 电源有功功率静态特性通常可以理解为发电机组中原动机机械功率的静态频率特 性【3 0 1 。配置了自动调速系统发电机组的静态特性曲线如图2 3 。 发电机组的功率频率特性曲线的斜率为： k = 础矿 ( 2 6 ) 大连理工大学硕士学位论文 式中，k g 是发电机组的单位调节功率，l 沁的数值表示频率发生单位变化时，发电 机组输出功率的变化量。负号表示发电机输出功率的变化和频率的变化方向相反。在实 际应用中更常用的是k a 的倒数，称为发电机组的调差系数6 。 万= 名a f 瓦p g n x1 0 0 = t f o - f , , ( 2 7 ) k 。= 去1 0 0 ( 2 8 ) 调差系数或与之对应的发电机单位调节功率是可以整定的，整定范围通常为： 汽轮发电机组：万= 3 5 哦。或k g 。= 3 3 3 2 0 水轮发电机组：跏= 2 4 或k 。= 5 0 2 5 凡 石 昂以气 图2 3 发电机组荷频率静态特性 f i g 2 3 t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so f g e n e r a t o ra n df r e q u e n c y 2 2 2 电力系统频率的一次调整 电力系统的静态特性是由发电机组的静态特性和电力负荷的静态特性共同决定的， 如图2 4 所示发电机组频率特性和负荷频率特性的交点就是系统的原始运行点，设为o 。 设在o 运行时负荷突然增加只o ，即负荷的频率特性突然上移只n ；由于发电机组的 功率不能及时随负荷变化，机组将减速，系统频率随之下降，这时发电机组的调速系统 开始作用，发电机出力增加，沿发电机组的频率特性曲线向上增加；负荷功率将因本身 的调节效应而减少。前者沿原动机的频率特性向上增加，后者沿负荷特性曲线向下减小， 经过这一衰减震荡过程，达到新的平衡点。 基于动态潮流的输电电能损耗分摊管理系统 f ，c 乓 ， 图2 4 次调频 f i g 2 4 t h ef i r s tf r e q u e a c ya d j u s t m e n t 2 2 3 电力系统频率的二次调整 电网频率的准确性，靠电网二次调频来保证。所谓频率准确性，就是使电网频率保 持等于额定值。在实践中，电网频率的允许偏差为士0 2 h z 。二次调频是一个人工干预的 过程，通常由指定的部分机组来完成，这些机组称为调频机组。通常所称某机组是否参 与调频，实质上是指参与二次调频。 二次调频过程是根据电网频率偏差，通过改变调频机组调速系统的给定值，改变调 频机组的负荷分配，将电网负荷变化转移到由调频机组来承担，使电网频率回到额定值。 调整结果，网中不参加二次调频的机组，其功率自动回到扰动前的数值。 平 平o - - 一h 卜 a n 2 ( a )( b ) 图2 5 一次调频与二次调频的关系 f i g 2 5 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef i r s ta n dt h es e c o n da d j u s u n e n t 大连理工大学硕士学位论文 二次调频通常是由网调调度来实施。电网调度人员通过人工或自动手段，控制调频 机组调速系统的给定值，完成二次调频过程。二次调频的能量支持，在火力发电厂中， 来自锅炉燃料量的改变，最终实现电网负荷变化与热力系统燃料提供的能量变化相平 衡，达到最终的调整稳态。二次调频与一次调频的关系，可用图2 5 说明。 图2 5 中，( a ) 、( b ) 为两台并列运行机组的静特性。负荷扰动前，其工作点分别为a 点和b 点，所带负荷分别为，1 和，2 ，具有共同的频率。假定电网用户负荷发生的 变化量为，电网频率相应变化为伊，两台机组功率按各自的静特性发生变化，变 化量分别为删1 和i v 2 ，且j 1 + i 2 = a n ；两台机组的工作点变化分别为a a 1 和b - - ) b l ，这个过程为一次调频