（电力系统及其自动化专业论文）基于混合连续蚁群算法的可用输电能力研究.pdf

东北电力大学颁l 学位论文 a b s t r a c t t h ed e r e g u l a t i o no fe l e c t r i c p o w e rs y s t e m sa l lo v e rt h ew o r l dp r e s e n t s a l l o p p o r t u n i t yt oc r e a t ec o m p e t i t i v em a r k e t st ot r a d ee l e c t r i c i t y , w h i c hi nt u r np r e s e n t s n e wt e c h n i c a lc h a l l e n g e st om a r k e tp a r t i c i p a n t sa n dp o w e rs y s t e mr e s e a r c h e r s i nt h i s n e we n v i r o n m e n t ，t h e s e c u r i t y a n de c o n o m i c a li s s u e so f p o w e rs y s t e m s a r e c o o r d i n a t e dt i g h t l yt h a nb e f o r e t h u s ，e v a l u a t i o no fa 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 ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti t e m st h a tm a n yr e s e a r c h e r sf a c e t h ec a l c u l a t i o no f p o w e rs y s t e ma t ci sam i x e dn o n l i n e a ro p t i m i z a t i o np r o b l e m 、i t hal a r g en u m b e ro fv a r i a b l e sa n dc o n s t r a i n s ，t h e r ea r es o m ed r a w b a c k s ，s u c ha s l o n gc o m p u t a t i o nt i m e ，p o o rr o b u s t n e s sa n de a s yt ot r i pi nl o c a lo p t i m u ms o l u t i o n u s i n gc l a s s i c a lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m st oh a n d l ei t t h em e t a - h e u r i s t i ca l g o r i t h m s h a v et h ea d v a n t a g e so ff i n d i n go u tt h eg l o b a lo p t i m a ls o l u t i o na c c u r a t e l ya n dr a p i d l y i n c l u d i n gt h ep a r a l l e ls e a r c h i n gs t r a t e g y t h i sp a p e rp r e s e n t sad e t e r m i n i s t i ca n d n o n - l i n e a rm o d e lo fa t cc o m p u t a t i o n ，w h i c hi sb a s e do nt h eh y b r i dc o n t i n u o u sa n t c o l o n yo p t i m i z a t i o n ( h c a c o ) t h ea l g o r i t h mc o m b i n e st h ep o s i t i v ef e e d b a c ko fa n t c o l o n yo p t i m i z a t i o n ( a c o ) s t r a t e g y 、析me v o l u t i o n a r ys t r a t e g yo ff l o a tg e n e t i c a l g o r i t h m ( g a ) a n di n t r o d u c e sp a t t e r ns e a r c hm e t h o da se u g e n i cs t r a t e g y i tn o to n l y o v e r c o m e st h el i m i t a t i o no fa c ow h i c hi sj u s tu s e dt od i s c r e t ep r o b l e m s ，b u ta l s o s e r i e st h ep r o b l e m so fg a ss l o w e rc o n v e r g e n c es p e e da n dp o o r e ra c c u r a c y i n h c a c o ，a n t sa r ed i v i d e da sg l o b a la n t sa n dl o c a la n t s ，l e a d i n gt h ei n d i v i d u a l so f g a s p o p u l a t i o n t od og l o b a l e x p l o r a t i o n s e a r c ha n dl o c a l e x p l o i t a t i o ns e a r c h s e p a r a t e l y , a n dd e p o s i t i n gp h e r o m o n eo nt h e mt oi n c r e a s et h e i ra t t r a c t i o no fo t h e r a n t s t h ea l g o r i t h ms c h e d u l e st h eb e h a v i o r so ft h e s et w ok i n d s o fa n t s ，a n d c o o r d i n a t e st h e i ra c t i o n sv i ap h e r o m o n e ，w h i c hw e l lb a l a n c e st h ee x p l o r a t i o na n d e x p l o i t a t i o no fa l g o r i t h m ，e n h a n c e st h eo p t i m i z a t i o ne f f i c i e n c y , g l o b a lc o n v e r g e n c e p e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t yo fr e s u l t ，m e a n w h i l e ，a c c o r d i n gt ot h ea m o u n to v e m m n i n g t h el i m i to fi n e q u a l i t yc o n s t r a i n t sd u r i n gt h ec o m p u t i n gp r o c e s s ，u s e sn o n - s t a t i o n a r y i i a b s t r a c t m u l t i - s t a g ea s s i g n m e n tp e n a l t yf u n c t i o nt os i m p l i f yt h ei n e q u a l i t yc o n s t r a i n s ，a d o p t s f o r c e ds e a r c h i n gs t r a t e g yt of u r t h e ri n c r e a s et h ec o n v e r g e n c es p e e da n dg l o b a l o p t i m i z a t i o nr e s u l t s t h ev e r i f i c a t i o nr e s u l t sb yi e e e 一3 0b u ss y s t e ms h o wt h ea l g o r i t h mh a st h e s t r o n g e r g l o b a lc o n v e r g e n c ep e r f o r m a n c e ，t h eq u i c k e rc o n v e r g e n c es p e e da n dt h e h i g h e rs t a b i l i t yo fr e s u l tc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t sg a i n e db yb e n d e r sd e c o m p o s i t i o n , g aa n di m p r o v e dp a r t i c l es w a r l r lo p t i m i z a t i o n ( i p s o ) ，a n di ti sp r o v e dt ob er a t i o n a l a n da v a i l a b l e k e y w o r d s ：g e n e t i ca l g o r i t h m ；t h eh y b r i dc o n t i n u o u sa n tc o l o n yo p t i m i z a t i o n ； 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 n tc o l o n yo p t i m i z a t i o n h i 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上己属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：墨盘丛日期：丕立q 厘年月世日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名： 导师签名：日期：z ! ! 鐾年土月竺日 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 和中国学位论文全文数据库投稿声明 研究生部： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国学位论文全文 数据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生部向中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国科 技信息研究所的中国学位论文全文数据库投稿，希望中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和中国学位论文全文数据库给予出版，并同意在中 国优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库以及中国学位论文全 文数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：曰硕士口博士 作者签名：矍焘：也 作者联系地址( 邮编) ： 作者联系电话： 指导撕签名：翅盘 日期：2 塑g 年互一月丑日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引 言 电力工业的市场化进程中，输电领域的改革要求输电网的所有权者必须向 电网的所有输电用户( 即电网的使用者) 平等地、无歧视地全面开放输电网络， 以便充分利用现有的输电网络资源，更好地支持输电服务。这就要求准确的计 算输电系统的输电能力。 输电系统输电能力的研究早在2 0 世纪7 0 年代就开始了，当时称为区域功率 交换能力，即t r a n s m i s s i o ni n t e r c h a n g ec a p a b i l i t y ，或s i m u l t a n e o u si n t e r c h a n g e t r a n s f e rc a p a b i l i t y 。传统垂直管制环境下，电网中区域间的功率交换能力比较 少，电网的容量裕度比较大，因此输电系统输电能力只是系统调度员调度时的 一个参考信息，了解系统目前运行状态离各种安全约束的距离。而电力市场的 引入使其具有了市场信号的功能，由于电力市场竞争，迫切需要利用现有的输 电网络来输送更多的电能，以最大限度的降低成本，所以激烈竞争的电力系统 已经不得不把其运行极限问题当作其提高经济效益的主要手段。电力市场下的 各方参与者都迫切需要输电网络的输电能力信息，以指导其在电力市场下的各 种商业行为。1 9 9 5 年美国联邦能源管理委员会( f e d e r a le n e r g yr e g u l a t o r y c o m m i s s i o n ，f e r c ) 将这种传输水平定义为可用传输能力( 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 ) f 2 j ，并迸一步规定，通过一个开放式查询实时信息系统( o p e n a c c e s ss a m e t i m ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，o a s i s ) 互联网络中一些指定界面的每小 时a t c 水平必须可被电力市场的参与者以及系统调度员( s y s t e mo p e r a t o r ，s o ) 查看。 a t c 作为系统的一个可靠性指标，对指导系统调度员的操作，保证整个系统 的安全可靠运行具有重要的技术价值。同时，它也是重要的市场信号，积极指 导市场参与者在电力交易过程中的各种商业行为，具有显著的经济价值。a t c 还可以作为输电网裁减交易，消除阻塞的标准。当系统出现阻塞后，电网管理 东北电力大学硕士学位论文 者可以依据a t c 与交易量的差额大小反映交易对阻塞影响程度的轻重，裁减影响 程度大的交易，以便从技术上消除阻塞。此外，通过a t c 的实时发布，提高输电 网的输送效率，从而使交易双方获得更大的经济利益。a t c 还能为电网规划建设 提供具体信息，为提高系统的可靠性和经济性服务。 目前，我国各大区域电网内部以及电网之间的联系比较薄弱，还存在相当 多的隐患。此时，及时准确地提供电网输电能力不仅对电力系统的稳定性及其 重要，也是建立健康有序的电力市场的重要保证。在我国电力市场改革之初， 已经意识到了a t c 数据的及时发电网的稳定性和电力市场安全稳定运行的意义， 并把a t c 计算看成是电力系统市场化进程的关键问题之一。因此，a t c 的研究对 我国显的尤为重要。 1 2 区域间可用输电能力研究的方法和现状 电力系统区域间可用输电能力的研究主要有2 方面任务：功率交换能力的计 算，即在某一特定的负荷及系统条件下，确定系统从一个区域向另一个区域可 能输送的最大功率；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，从而可探索提高系统功率交换能力的措施【3 j 。 电力系统区域间可用输电能力韵分析计算问题是一项非常复杂而又十分具 有挑战性的工作，其困难性反映在2 个方面：电力系统本身是个复杂的非线性动 力系统，随着系统区域间功率交换量的增大，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出现，从而破坏了系统的安全性；分析计算区 域间功率交换能力等问题时，它要考虑许多因素的影响，如系统的运行状态、 负荷的需求预测、电网的整体结构等，除此以外，它的计算还要受到许多约束 的制约，如线路热极限约束、电压稳定约束、静态稳定约束和暂态稳定约束等。 从7 0 年代到至今，电力系统区域间可用输电能力的研究已有近3 0 年的历史，虽 然研究的方法千差万别，但概括而言可分为两大类：基于概率的求解方法和确 定性的求解方法。 第1 章绪论 1 2 1 基于概率的求解方法 所谓基于概率分析的求解方法就是利用概率理论和数理统计分析确定输电 系统的可用输电能力。基于电力系统所具有的随机特征，通过模拟发输电设备 的随机开断以及负荷变化来确定系统可能出现的运行方式，然后使用适当的算 法求解系统在这些运行方式下的a t c 值，最后分析综合各运行方式下的a t c 值得 到系统a t c 值的期望值。 多年来，针对现存的a t c 数学模型，人们已经提出了多种研究方法。由于电 力系统具有随机特性，一些学术观点认为在概率框架下研究电力系统输电可传 输能力的分析计算无疑是更为精确的，因而致力于a t c 概率型算法的研究。但是， 电力系统的随机因素错综复杂，在当今数学理论的发展水平下，十分精确地求 解a t c 的概率分布并不容易实现。因此，a t c 概率性算法发展较慢，迄今为止， 概率性a t c 算法主要包括：随机规划法【4 j 、m o n t ec a r l o 法【5 j 、b o o t s t r a p 法 6 1 、马 尔可夫链法【7 】和枚举法【8 j 等。 1 随机规划法：该算法考虑了发电机故障、输电线路故障和负荷预测误差 3 种不确定性因素。前2 种不确定性因素是服从2 点分布的随机变量，负荷预测误 差是服从正态分布的随机变量。在计算a t c 时，首先用s p r ( t w o s t a g es t o c h a s t i c p r o g r a m m i n g w i t hr e c o u r s e ) 算法将离散变量连续化；然后基于s p r 的计算结果， 用c c p ( c h a n c ec o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n g ) 处理连续变量，求得概率意义下a t c 。 该方法涉及了概率潮流的计算、离散变量和连续变量的处理，计算速度不够理 想。 2 m o n t ec a r l o 仿真法：又称随机抽样法，其求解问题的基本思想是先建立 一个概率模型，然后通过对模型的观察或抽样试验来计算所求解的统计特征， 最后给出所求解的近似值，而解的精度可用估计值的方差来表示。该方法依赖 于大量随机选择的样本，计算量极大。将蒙特卡罗模拟法和优化算法结合求解 a t c ，是对枚举法的改进。蒙特卡罗模拟法能方便地处理电网中数口庞大的不确 定性因素，且计算时间不随系统规模或网络连接复杂程度的增加而急剧增加， 因此该算法非常适合大系统离线a t c 研究。需要注意的是在蒙特卡罗模拟法中， 系统元件运行状态的随机波动性常常用某一已知的概率分布曲线描述，但是所 东北电力大学硕士学位论文 使用概率分布曲线是否正确地反映了系统元件的不确定性，以及如何处理系统 元件间的相关性，这些问题都是应用蒙特卡罗模拟法计算a t c 时需要解决的。对 这些问题的研究或涉及十分繁琐复杂的理论分析，或者根本无法从理论进行解 释，这使得人们对应用蒙特卡罗模拟法所估计的a t c 的准确性提出了疑问。 3 b o o t s t r a p 算法：该算法根据所收集的最近几个交易日的节点数据，通过 某种仿真技术模拟系统可能出现的运行状态，然后再j t l m o n t ec a r l o 仿真法那样 使用优化算法和数理统计理论估计系统的a t c 。显然，b o o t s t r a p 仿真算法充分利 用了最近一段时间的市场信息，即系统发电机的出力、节点负荷水平。但是， b o o t s t r a p 仿真算法作为一种新兴的概率算法，目前在a t c 计算中还不能很好地处 理某些网络参数的不确定性( 如输电线的随机故障) ，因此这类算法还有待于进 一步改进。 4 马尔可夫链法：该方法根据系统的初始状态和可能状态之间的转移概率 预测系统未来的发展趋势，对电力系统状态进行预测，描述了电力系统状态转 移对a t c 值的影响，并采用故障枚举法对各刻的可能状态进行枚举，通过概率方 法求取a t c 的期望值。但该方法过分依赖于对未来状态的预测，只能给出一个 a t c 的估计值。 5 枚举法：其主要优势在于可以计算传输能力的概率分布函数，描述传输 能力的随机特性。它把问题分成三部分：故障选择，点模拟计算和概率计算。 首先，选择对输电能力影响最大的故障集。然后，对每个故障，每个负荷预测 时刻所对应的点，进行输电能力的计算。最后，用马尔可夫过程来组合各个点， 计算各点的概率和点之间的转移概率，得出传输能力的概率分布情况。但枚举 法的指数时间特性使得这类方法无法用于大系统的a t c 研究。 基于概率模型计算a t c 时，不仅可以得到a t c 的期望值，而且根据a t c 的 样本值可以方便地绘出a t c 的概率密度曲线和样本分布函数曲线，估计a t c 的 期望值在某一置信水平下的置信区间，及某项电力交易被削减的风险。a t c 的这 些统计信息，一方面可以指导电力系统运行方式的安排；另一方面可以用于预 测未来一段时期的电力交易价格，指导电力交易商的市场行为。但是，此法存 在的主要问题是需要系统的大量数据，计算量大，需要时间较长，且在大型互 联电力系统中尤为明显，近期难以付诸实施。 第l 章绪论 1 2 2 确定性的求解方法 a t c 确定性算法是采用优化技术或其它方法直接获得所描述问题的解，就是 以已知的系统基准状态为基础，选择出一个( 或者是一些) 可能是最严重的系 统故障进行研究( 即故障选择) ，然后针对所选择的每一种系统故障，应用适当 的优化方法估算在这种故障发生时系统的a t c ，即故障模拟计算，最后选择最小 的a t c 值作为所研究时间段内系统的a t c 。根据所使用方法的不同，确定性的求 解方法可以划分为线性分布因子法( l i n e a rp r o g r a m m i n g ，l p ) 【9 1 、重复潮流法 ( r e p e a t e dp o w e rf l o w ，r p f ) t 1 0 j 、连续潮流方法( c o m i n u a t i o np o w e rf l o w ，c p f ) 1 l 】、 灵敏度分析方法分布因子法( d i s t r i b u t i o nf a c t o r ) l l2 j 和最优潮流方法( o p t i i i l a l p o w e rf l o w ，o p f ) t 13 1 。 1 线性分布因子法也叫做直流潮流灵敏度系数法，是基于直流潮流分析实 际网络响应系数的方法。 在a t c 计算中，直流灵敏度法基于直流潮流，忽略无功电压问题，假设节 点电压幅值为常数，从而可以不去考虑电压幅值约束的问题，只需考虑线路的 热稳定极限约束。并且计及支路电抗而忽略支路电阻，因而不存在线损。另外， 由于直流潮流模型是线性的，计算中无迭代过程，速度很快，目前基于直流潮 流计算的各种算法在电力系统各个领域应用广泛。 目前，用于a t c 计算的灵敏度因子主要有支路开断分布因子l o d f ( l i n e o u t a g ed i s t r i b u t i o nf a c t o r ) 、功率传输分布因子p t d f ( p o w e rt r a n s f e rd i s t r i b u t i o n f a c t o r ) 、发电机停电分布因子g o d f ( g e n e r a t o ro u m g ed i s t r i b u t i o nf a c t o r ) 等。这 些灵敏度系数是在系统的直流模型基础上获得的，他们只跟电网的结构参数有 关，与系统的运行状态无关，因此可以预先计算。在获取系统在某时间断面下 的运行参数以及这三种灵敏度系数之后，基于直流灵敏度的a t c 计算便可以根 据参数快速求得此运行条件下特定断面的a t c 。 基于直流灵敏度的a t c 算法，其最大的优点是当市场交易变化、电网的支 路断开或发电机中断，以及电力市场的其它因素改变后，它可以快速的计算出 各种影响因素对a t c 的作用，从而在系统状态改变后，获得新的特定断面的 a t c 。线性分布因子法能很方便地考虑“- 1 静态安全约束和支路过负荷约束。 东北电力大学硕士学位论文 在计算过程中不需迭代，求解速度快，可以满足在线应用。但无法计及电压约 束和其它稳定约束，并且由于忽略电压和无功因素，在电网结构不紧密、无功 支持不充足的系统中将存在较大误差。在实际中，该方法往往是从某一个已有 的较为准确的a t c 结果出发，计入某些因素在此基础上的微小变化，从而快速 获得新状态下的a t c 。直流灵敏度法适合与其它高精度但耗时长的方法配合使 用。 2 重复潮流法又叫常规潮流法。这种方法基于常规交流潮流，计算中可以 考虑节点电压限值约束，支路过负荷约束以及其它可能的稳定约束。其要点是 按给定的功率增长模式，以某一步长逐渐增加负荷侧的负荷，同时相应增加发 电侧的出力，自到某一物理不等式约束起作用为止。 为了加快计算速度，可以对重复潮流计算做一定的改进，将支路过负荷约 束和电压约束分开考虑。首先采用线性分布因子法，逐步增加受电区的负荷和 发电区的出力，自至有支路过负荷为止。然后采用交流潮流计算求得的运行点 下各节点电压，检查是否有电压越限的现象发生，如果有，则逐步减少受电区 的负荷和发电区的出力，直到电压越限现象消失为止 r p f 计算a t c 的方法原理简单，可以计及系统的电压和无功的影响，计算 结果能较好的反映实际运行状况。但由于按给定的功率增长模式，不考虑系统 无功和电压的分布优化，这可能会使a t c 的计算结果略为保守：此外需要重复 计算系统交流潮流方程，考虑“1 静态安全约束时计算量大，不适合大系统 的在线应用。 3 连续潮流法是一种求解非线性代数方程的数值方法，它沿负荷节点的 p u 曲线逐步跟踪极限点从而得到极限点的值。该方法一般分为2 类：参数化的 连续潮流法和非参数化的连续潮流法。在a t c 计算中一般采用非参数化连续潮 流法，通过预测一校正格式克服潮流在极限点收敛困难的问题。连续潮流法还可 以很方便的计及各种约束条件的限制，因此它在a t c 的计算中得到了广泛的应 用。然而连续潮流法主要缺点在于采用跟踪曲线法，且基于潮流计算，因而迭 代次数多，计算时间长。虽然可以通过一些方法缩减时间，如在每次雅可比矩 阵的生成过程中，只修改变化较大的状态变量的对应元素；对于预想事故集的 处理采用并行算法等，但并不能从根本上解决该方法的缺点。c p f 方法对指定 第1 章绪论 的发电机群和负荷群采用了不变的功率注入变化方向向量，不考虑系统无功和 电压的分布优化，这可能会使a t c 的计算结果略为保守；同时由于包括了重复 预测和校正的过程，计算时间长，无法满足在线计算要求：另外难以考虑“n 1 静态安全约束，引入的步长也较难合理确定；而且，它并没考虑系统控制的影 响，从而所得到的a t c 结果容易趋于保守，限制了输电系统的利用率，造成了 资源的浪费。因此基于连续潮流法的a t c 计算一般用于准确度较高的离线计算 中。 4 电力网络灵敏度分析是电力系统分析与研究中一个重要的课题，到目前 为止，已经成为电力系统趋于成熟的一个分析方法。灵敏度方法在电力系统优 化设计、电力系统的经济运行、电力系统规划以及电力系统的故障分析等方面 都有重要的应用价值。在实际应用中，灵敏度方法又分为直流灵敏度法和交流 灵敏度法。 在a t c 计算中，直流灵敏度法基于直流潮流，忽略无功一电压问题，假设 节点电压恒为l ，从而可以不去考虑电压幅值约束的问题，只需考虑线路的热稳 定极限约束。目前，用于a t c 计算的灵敏度系数主要有支路开断分配系数 b o d f ( b r a n c ho u t a g ed i s t r i b u t i o nf a c t o r ) 、功率传输分配系数p t d f ( p o w e r t r a n s f e rd i s t r i b u t i o nf a c t o r ) 、发电机停电分配系数g o d f ( g e n e r a t o ro u t a g e d i s t r i b u t i o nf a c t o r ) 。这些灵敏度系数是在系统的直流模型基础上获得的，他们只 跟电网的结构参数有关，与系统的运行状态无关，因此可以预先计算。所以基 于直流灵敏度的a t c 计算可以运用这三种灵敏度系数，快速的计算出特定断面 的a t c 。 基于直流灵敏度的a t c 算法，其最大的优点是当市场交易变化、电网得支 路断开或发电机中断，以及电力市场的其他因素改变后，它可以快速的计算出 各种影响因素对a t c 的作用，从而在系统状态改变后，获得新的特定断面的 a t c 。线性分布因子法能很方便地考虑“n 1 ”静态安全约束和支路过负荷约束。 在计算过程中不需迭代，求解速度快，可以满足在线应用。但无法计及电压约 束和其它稳定约束，并且由于忽略电压和无功因素，在电网结构不紧密、无功 支持不充足的系统中将存在较大误差。在实际中，该方法往往是从某一个已有 的较为准确的a t c 结果出发，计入某些因素在此基础上的微小变化，从而快速 东北电力大学硕士学位论文 获得新状态下的a t c 。直流灵敏度法适合与其它高精度但耗时长的方法配合使 用。 直流灵敏度法计算速度快，但精度不够，而且往往因为电网环境恶劣使得 计算结果毫无意义；连续潮流方法和最优潮流方法计算时间长，无法满足电力 市场的实时需要，而且连续潮流方法计算结果往往过于保守。这些使得以上三 种方法无法很好地满足实际的应用。交流灵敏度方法是在速度与精确性之间的 一个折衷选择，既可以适应在线计算的需要，同时又满足定的计算精度。 交流灵敏度方法的最大优点，在于速度快，无需任何迭代计算，能在系统 状态发生改变的时候迅速的得到新的a t c 。当系统参数发生微小变化的时候， 一般用一阶的灵敏度即可满足精度的要求，以减少计算量。但当系统参数发生 较大的变化时，如线路或发电机停运，交流灵敏度法就会存在较大的误差。因 此，交流灵敏度法也不能独立的完成a t c 计算，它只能在现有的准确a t c 计算 结果的基础上，计算微小参数变化对a t c 的影响。相对于直流灵敏度方法，精 确性有所提高，更新计算的速度也不慢，在两者之间取得了较好的平衡。交流 灵敏度法一般与o p f 和c p f 方法配。 5 在计算a t c 时，如何计及暂态稳定约束快速计算是一个难点，文献 【1 4 1 6 有效地利用了暂态能量函数法来计及系统暂态稳定约束，得到比较好的 结果。 文献【1 4 较早的在传输裕度中考虑暂态稳定的影响，它用p e b s 方法确定系 统的暂态能量稳定边界及它们对负荷水平的灵敏度，以此来确定受暂态稳定约 束的输电能力；文献【1 4 1 5 】【1 6 】在a t c 的计算中分别应用了等面积法则、u e p 法和b c u 法，得到了较好的计算结果。 考虑暂态稳定约束是a t c 计算的实际需要，计算的速度和结果的精度是衡 量算法的两个关键指数。发展一种可行的较准确的计及暂态稳定约束的a t c 快 速计算方法是必要的。它可以与稳态约束一起考虑；也可单独计算。如何能成 功应用到实际的大系统计算中是需要进一步努力的方向。 6 在线系统传输容量估测软件包是e p r i 组织联合一些电力公司于1 9 9 6 年 后期开发出来的，它也是第一个可用于计算实际系统的t t c 应用软件。该软件 包根据能量管理系统( e m s ) 的实际状态估计数据计算给定路径上的t t c ，以 第1 苹绪论 优化系统中的电能交易。软件中内嵌的预想事故快速捕获程序具有识别预想事 故的能力，非常适合t t c 的在线计算【l 7 1 。 7 最优潮流法是将输电能力的计算描述为一个非线性优化问题。一般以可 用输电能力最大化为目标函数，将潮流方程作为等式约束，把支路过负荷约束、 节点出力约束、电压约束和各种稳定约束等作为不等式约束，从而把a t c 的计算 问题转化为一个纯粹的数学优化问题，该方法既可以考虑各种物理约束，如电 压水平、线路热极限等静态安全约束条件，又可以考虑动态稳定、暂态稳定等 约束条件等；而且，还可以对系统资源进行优化调度，兼顾安全性和经济性， 因此最优潮流技术在a t c 计算方面得到了广泛的应用。 基于最优潮流的a t c 计算方法同连续潮流法相比，对约束条件有更强的处 理能力，理论上可以处理各种约束，还可以进行有功和无功优化，计算结果更 准确。但这类方法有下述问题：较难考虑系统稳定性这样的动态安全约束；所 获得的最优运行点可能是一个理想的结果，实际运行中难以达到；需要的计算 时间长，难以满足在线要求。目前尚难应用于实际大规模电力系统中。如何提 高基于最优潮流技术a t c 模型的计算速度和精度是有待研究的热点问题之一。 在实际应用中，对于基于最优潮流技术的a t c 模型的求解，可以采用多种 传统优化算法，如内点澍1 引、二次规划法【1 9 1 、牛顿类算法【2 0 】和b e n d e r s 分解算 法【2 l 】等。这些优化算法各自都有一定的优越性和适应性，但都是采用单一搜索 机制，易陷入局部最优，不能保证a t c 计算的有效性和准确性，从而导致对电 网现有输电资源的利用不充分，造成了巨大的资源浪费；而且，这些算法鲁棒 性差，对目标函数的形式和算法初值有一定的要求；在求解a t c 这种大规模非 线性多约束优化问题方面存在一定的缺陷。近年来，基于群体迭代的人工智能 算法越来越受到关注，比如遗传算法【2 2 】、禁忌搜索算法【2 3 1 、模拟退火算法【2 4 1 、 免疫算法2 5 1 、粒子群算澍2 6 1 、人工鱼群算法【2 7 】和蚁群算法【2 8 】等。这些算法鲁棒 性较强，比基于单一搜索机制的传统算法具有更强寻优能力，而且智能算法本 身包含内在的并行搜索机制，适合处理大规模的电力系统优化问题。其中进化 算法、遗传算法和粒子群算法已经成功地被引入了a t c 的研究领域，取得了较 好的效果。本文面向工程应用，研究新的a t c 确定性算法。 东北电力人学硕上学位论文 1 3本课题的主要研究内容 输电系统可用输电能力是电力市场环境下的一项电网指标，其计算的准确 性、快速性对系统的可靠运行、市场交易各方的利益分配都有重要的影响。 本文在总结了a t c 现有研究成果的基础上，针对非线性规划法日前仍存在的问 题展开了深入研究，建立了a t c 的非线性规划模型，并尝试使用近年来新兴的 群智能进化技术蚁群算法求解，构造了适合a t c 问题特点的、混合连续蚁 群模型，提高了a t c 计算结果的准确性。主要工作如下： 1 对于a t c 确定性算法和概率算法的研究现状以及各种确定性算法的优 缺点进行了综述，并指出当前a t c 算法研究中尚待解决的问题。 2 考虑静态安全约束，通过动态罚函数处理不等式约束条件，构建了适用 于群优智能算法的a t c 数学模型。 3 对遗传算法和蚁群优化算法的机理及其优缺点进行了评述，提出使用混 合算法计算a t c 的必要性。 4 采用混合连续蚁群优化算法进行a t c 的计算。将遗传算法的种群操作与 基本蚁群算法的正反馈特性相结合，使算法能够应用于连续空间的优化问题， 并提高了单一算法的全局寻优能力和结果的稳定性，采用强制寻优策略，提高 了算法的寻优效率和收敛速度。 5 对i e e e 3 0 节点系统采用m a t l a b 7 1 进行编程仿真，验证了本论文所建模 型与算法的可行性和有效性。通过与改进粒子群算法的比较，检验了算法解决 连续空间优化问题的能力，通过与传统优化算法比较，证实了基于并行搜索策 略的混合连续蚁群算法具有更好的寻求最优解的能力，通过与遗传算法的比较， 指出了算法具有良好的稳定性，通过采用强制寻优策略前后的曲线特性进行比 较，表明了算法具有更好的全局寻优能力和持续的快速收敛能力。 第2 章可用输电能力的概念 第2 章可用输电能力的基本概念 2 1引 言 电力系统区域间功率输送能力计算的研究始于2 0 世纪7 0 年代，至今已有 3 0 多年的历史。在传统的电力工业运行模式下，它主要用于评估系统互联强度 及比较不同输电系统结构的优劣。在大型电力系统中，对于复杂的互联输电系 统和配电系统而言，其区域间的输电能力以及配电调节能力对于整个系统的安 全可靠有着很大的影响。特别是在现今电力市场不断发展的新形势下，市场又 对其赋予了重大的经济上的意义。 在新的电力市场环境下，网络中剩余的输电容量是反映输电线路( 这里的 输电线路是广义的输电线路，既包括输电网的输电线路，又包括配电网中的输 电线路) 可用于交易的剩余容量的重要指标。处于经济及市场竞争等方面的考 虑，现代电力系统的运行越来越接近其安全极限，因而系统的稳定与安全问题 越来越受到人们的关注。在市场条件下，电力系统会出现大量随机的电力交易， 这时候电网中会出现线路负荷增加、环流增大、传输容量裕度降低、稳定裕度 减少等问题。这时候，线路传输容量的计算就显得越来越重要了。a t c 侧重于 表征交易的剩余容量，它不仅可以显示电网运行的安全与稳定裕度，从而减少 阻塞发生的概率，也可以为市场参与者提供电网使用状况的详细信息，用来指 导他们参与市场的行为。也就是说，它并不只是物理意义上的输电能力，还是 在市场下，在已成交的传输容量的基础上，能使交易者获得最大利益的那一部 分输电容量。这部分容量的最大化则能够很好的给经营者带来经济利益的指标， 并且能够给电网运行管理人员提供可靠的管理方向。为了明确的了解这部分容 量，同时进一步适应输电网络市场化改革的要求，电力工业组织对输电系统的 输电能力的定义及其内涵做了准确的解释。 东北电力大学硕上学位论文 2 2可用输电能力的基本概念 2 2 1 可用输电能力的定义 1 9 9 6 年，北美电力系统可靠性委员会( n o r t ha m e r i c a ne l e c t r i cr e l i a b i l i t y c o u n c i l ，n e r c ) 第一次全面定义了可用输电能力( 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 ) 及相关术语。所谓a t c ，是指在现有的输电合同基础之上，实际物理输电 网络中剩余的、还可用于商业使用的传输容量【2 9 j 。准确及时地了解a t c 的信息 对电力市场的所有参与者来说是非常重要的。因此，a t c 除了作为安全信息，又 可以作为引导市场参与者进行电力交易、刺激商业竞争以充分利用现有资源的 市场信息。 从数学角度讲，a t c 定义为最大输电能力( 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 ) ，再减去现存输电 协议量( e x i s t i n gt r a n s m i s s i o nc o m m i t m e n t s ，e t c ) 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 ) ，所以a t c 的计算公式为： a t c = t t c t i 己m e t c c b m t t c 是指在满足系统各种安全约束条件下，互联输电网络上可以传输的最大 功率。t r m 指在考虑了一定的合理系统不确定性的情况下，为确保互联网的安 全所必需的输电能力数量；e t c 本质上包括在给定条件下所有正常的输电潮流， 反映了已签合同占用的输电能力；c b m 定义为负荷供应单位储备的输电网输电 能力的数量，以确保从互联系统获得出力，满足发电可靠性要求执行时输电网 络应当保留的输电能力。根据e t c 和c b m 合同的稳定程度，这两个量可以使用 诸如“可撤消”和“不可撤消”、“计划 和“预约”传输来进一步描述。可得 到4 种输电服务用语：n r e s ( 不可撤消的预约输电服务) 、n s c h ( 不可撤消的 计划输电服务) 、r r e s ( 可撤消的预约输电服务) 和r s c h ( 可撤消的计划输电 服务) 。 上述术语，尤其是a t c ，构成了电力市场环境下输电系统基本的传输服务备 用体系，可用于备用传输服务、安排可撤销和不可撤销输电服务、安排区域间 的紧急传输。 第2 苹日】用输电能力的概念 a t c 是一技术特性尺度，用来衡量互联输电网络如何运行以满足商业性输电 服务要求，因此它必须满足一定的原则，以平衡技术性和商业性的问题。a t c 必须准确反映输电网的实际情况，同时又不过分的复杂，以至于不能限制了商 业性。a t c 的计算和应用应满足如下的原则。 1 a t c 计算必须产生商业性的可行结果。计算得到的a t c 值必须是电力市 场可用传输容量的一个合理并且可靠的指示。 2 a t c 计算必须考虑整个互联输电网络上随时间变化的潮流状况。另外， 必须从可靠性的观点考虑整个