（电力系统及其自动化专业论文）基于安全域的电力系统有功和无功定价及阻塞管理.pdf

a b s t r a c t e l e c 打i c 时m a r i e t i z a t i o n p o w e rg r i d si n t e r c o n n e c t i o na n dw i n df a n nc o n n e c t e d w l t hp o w e rs y s t e mh a v eb r o u g h tn e wc h a l l e n g e s p o w e rs y s t c m sa r eo p e i a t e dm o r e a j l dm o r ec l o s et 0t h es t a b i l i 够b o r d e r a n dt r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o ni s i n c r e a s i n g l v s e v e r e 1 1 1 e r e f o r e i ti sw o 劬r c s e a r c h i n gt h a t h o wt om a k e 伽lu s eo f t h ec o m p e t i t i o n m e c h a n l s ma n dp n c em e a n st 0s t i m u l a t em a r k e tm e m b e r sp a n i c i p a t i n g i n 廿1 e m a m t e n 锄c eo fs y s t e ms e c u r i t ya c t i v e l y i nt h i sd i s s e r 乇a t i o n a c t i v ea n d r e a c t i v ep o w e r p n c m g a i l dr e a s o n a b l ec o n g e s t i o nc o s ta l l o c a t i o n a s v e l la st h e i m p a c to fw i n df a 咖 0 np o w e r s y s t e mo p t l m a l0 p e r a t i o na r es t u d i e du s i n gs e c u 衄r c g i o nm e t h o d o l o 黟 f i r s t l y a 埘c i n gm o d e lo fr e a la n dr e a c t i v ep o w e rb a s e do ns e c u r i t yr e 西o n 锄d t h ec o r r e s p o n d i n ga l g o t 胁a r ed e v e i o p e d t h e 触i cv o l t a g es t a b i l 时r e g i o ni nt h e c u ts e tp o w e rs p a c ea n dt h ep m c t i c a ld y n 锄i cs e c u r 时r e g i o ni nt h ei n j e c t i o np o w e r s p a c ea r eu s e dt or e p r e s e n tt h ec o n s 咖i n t so fv 0 1 t a g es t a b i l i 够锄dt r l a i l s i e n ts t a b i l i 饥 i i lt h ep r o p o s e dm o d e l t l l eo b j e c t i v ef u n c t i o ni st o m i n i m i z et o t a lg e n e r a t i o nc o s t s a n dt h er e a c t l v ep o w e rp r o d u o nc o s ti sr e p r e s e n t e da st h e o p p o r t u n i 坶c o s t a l lt h e v a r i a b l e si nt h eo b j e c t i v em n c t i o na n dc o n s t i a i n t sa r ei n j e c t i o np o w e r s p a c ev a l u e so f p r e f a u l t 锄dd i 毹r e n tc o m i n g e n c yc o n s i d e r a t i o n sa r er e f l e c t e db vt h ec o n s t r a i n t e x p r e s s i o nc o e m c i e n t s t h e s em a k et h em o d e ln o to n l ym o r ec o n v e n i e n tt oc o n s i d e r t h ec o n t m g e n c ys e t b u ta l s oh a v ec o n c i s ee x p r e s s i o n sa n d c l e a rp h y s i c a lm e a n i n g i n t h ep r o p o s e da l g 硎t h m ad e c o u p l e do p t i m i z a t i o n 粕di t e r a t i o nm e t h o do fa c t i v e p o w e rp r o d u c n o nc o s ta n dr i 暑a c t i v ep o w e rp r o d u c t i o nc o s ti ss u g g e s t e d u s i n gt h e t h e o 秽o fm a 曙i n a lc o s ta n dk to p t i m a 够c o n d i t i o n a c t i v ep o w e r 锄dr e a c t i v e p o w e ra r ep r i c e dr e s p e c t l v e i y a n dt 1 1 ec o m p o n e n tp r i c e sr e i a t e dt ov a r i o u ss e c u r 耐 c o n s 舰i n t sa r ed e r i v e d t h ec o m p o n e n t so fs p o tp r i c ec a nr e f l e c tt h ei 1 1 n u e n c e so f d i f r e r e n tn o d ep o w e ri n j e c t i o n s o ne a c h m a r k e tp a 而c i p a n t sc a nb em o t i v a t e dt o k i n do fs e c u r i 够c o n s n a i n s t h e r e b yt h e c o o p e r a t ew i mt 1 1 e 缸a n s m i s s i o nn e t o r k d i s p a t c h e r sf o m a r d l yb yt h es i 赋研c e mm a i n t a i ns y s t e ms e c u r bt h r o u 曲r e a l t i m e a d j u 咖e n to f t h e i rg e n e r a t i o n 锄dc o n s 啪p t i o nb e h a v i o r s s e c o n d l y t h e c o n g e s t i o nm a n a g e m e n tm o d e lb a s e do ns e c u r i 谚 r e 画o ni s p r e s e n t e d w h i c hc o n t a i n s 蛔n s m i s s i o t ll i n em e 咖a 1s 讪i l i t yc 叻s 昀i n t 柚ds t a t i c v o l 魄es t a b i l i 妙c o n s t r a i n t 锄d 咖n s i e n ts t a b i l i t yc o n s 的i n ts i m u i t a n e o u s j v t h e c u r r e n tn e t w o r kc o n f j g u r a t i o na n d p o s t f a u l tn e 籼 0 r kc o n f j g u r a t i o na r ea 1 1c o n s i d e r e d i nt h es e c u r i 田c o n s 仃a i n t s w h i c hm a k e st h em o d e lm o r er e a s o n a b l e t h ed e r i v e ds p o t p r i c e sc o n t a j n i n gs e c u r 时c o n s 饷i n tc o m p o n e m si n l p l yt h ea l l o c a t i o no fc o n g e s t i o n c o s t f o rt h ee m e r g e n c eo fp a s s i v eo v e r 1 i m i tc o n s t r a i n t s am e t h o do fm o d i 匆i n gt h e i n t e g r a l i n i t i a lv a l u eo fa u m a n n s h a p l e yv a l u ei sp r o p o s e da n di t sr a t i o n a 够i s d i s c u s s e d t h i sm e t h o de n s u r e st h ei i l t e 野a lr c q u e s ta l o n gm em a i nd i a g o n a lo f a u m a n n s h a p l e yv a l u ef o n n u l a a n dm a k e st h ep a s s i v eo v e 卜l i n l i tc o n s t r a i n t sn o tt 0 p a r t i c i p a t ei ns h a r i n gt h ec o n g e s t i o nc o s t a n dr e a l 讫e st h er e a s o n a b l ea l l o c a t i o no f t h e c o n g e s t i o nc o s tb e t w e e nm a r k e tp a r t i c i p a n t s f i n a l l y t h ea c t i v ep o w e r 研c i n gm o d e l b a s e do ns e c u r i 够r e g i o ni s 印p l i e dt ot h e f e a s i b i l i t ys t u d yo fw m df i a r m1 0 c a t i o na n dn sc a p a c i 够t h eh o u r l ya v e r a g ed a i l y g e n e r a t i o nc u n ei su s e dt 0e x p r e s sm ew i n df a l mo p e r a t i o nc o n s t r a i n ta n dt h el o a d c h a n g e so v e rt i m ea r er e f l e c t e dt h r o u g ht h es c a l i n gf a c t o r d u et ot 1 1 ec o n s i d e r a t i o no f 1 i n em e 唧a l 虹b m 够c o n s 缸 a i n ta n dt r a n s i e n ts t a b i l 时c o n s 仃a i n t t h ei m p a c to fi n s 协l l e d l o c a t i o na n dc 印a c 时o fw i n df a m lo nm a r k e tp r i c e g e n e r a t i o nc o s ta n ds e c u r i t c o s t c a nb es t u d i e dm o r ea c c u r a t e l y t h er a t i o n a l i t yc r i t e r i o no f w i n dp o w e ri n v e s t n l e n ti s p r o p o s e da c c o f d i n g t 0t h em 姒一c e t h er e s u l t so fi m p a c t 肌a l y s i sc a nh e i pp o w e r g r i dp l a n n e r sa n dw i n dp o w e rd e v e l o p e r sa s s e s sm ei n t e g r a t i o no f w i n df a mi n t o p o w e r 铲i ds c i e n t i f i c a l l y k e yw o i m s d y n 锄i cs e c u 衄r e g i o n s t a t i cv o i 诅g es t a b i l 时r e g i o n s p o t p r i c e c o n g e s t i o nc o s t a u m 锄一s h a p l e yv r a l u e w i n df a m 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 也不包含为获得墨鲞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 每 芊铭 签字日期 二研年 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘茔有关保留 使用学位论文的规定 特授权苤壅盘鲎 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 舛色名 签字日期 二研年 月乡日 导师签名 签字日期 天津大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电力工业是国民经济和社会发展的重要的基础性产业和能源产业 电气化程 度是衡量一个国家现代化水平的一个重要标志 面对经济全球化趋势和科技迅猛 发展的形势 有一百多年历史的 古老 电力系统 在其发展的进程中 正面临 着一系列新的挑战 1 电力市场化 由于投资巨大和电力运行安全的需要 历史上多数国家的 电力工业都是以政府投资为主 采用垂直一体化的生产方式实行独家经营 但是 垄断经营所带来的是电力工业投资不足 效率低下 技术创新能力不足以及服务 质量下降和价格不断攀升等问题 自2 0 世纪8 0 年代以来 英国 北欧 美国部 分地区 澳大利亚等许多国家和地区相继放松管制 鼓励竞争 电力行业天然垄 断的概念已在某种程度上得到部分消除 世界电力工业体制改革浪潮开始席卷全 球 尽管各国改革的模式不同 但其根本宗旨都是打破电力行业垄断 促进市场 竞争 实现资源优化配置 降低成本和电价 从而提高本国经济在国际市场上的 竞争能力 然而电力市场化改革也给电力系统运行带来了新问题 市场参与者之 间的竞争把系统运行点推向稳定边界 导致网络阻塞 危及系统的安全性 由于 参与市场的目的是为了追求自身的最大利益 因此市场成员没有提供辅助服务尤 其是无功功率的积极性 而无功不足是造成系统不稳定的重要原因之一 如北美 8 1 4 大停叫u 因此 在市场环境下 如何充分利用竞争机制和价格手段的激励 作用 使市场成员积极参与维护系统安全性 是值得深入研究的问题 2 大电网互联 跨国联网发展的趋势 由于能源分布和经济发展的不平衡 及电网互联运行的巨大效益 使大电网互联 跨国联网输电的趋势不断发展 如 东西欧联网 东南亚地区联网 环日本海地区联网等 在中国 随着三峡输电系 统的建成 中部将形成沿长江流域包括川渝 华中 华东电网在内的三峡交直流 电力系统 预计总容量将会接近2 0 0 g w 与此同时 北方的华北 东北 西北 电网将实现互联 南方电网将进一步加强 届时 全国将形成北 中 南三大互 联电网的格局 通过它们之间的互联 预期2 0 2 0 年左右将基本实现全国联网 互联电力系统能更好地综合利用地区上分散的各种能源 获得廉价的电能 减 第一章绪论 少系统的装机容量和投资 在故障时增加系统中各部分间的相互支援能力 以 提高可靠性 但随着输电网开放以及跨区域电能交易的日益增多 输电阻塞问题 将日趋严重 输电系统阻塞的原因是 输电线的热容量限制和系统的稳定性限制 系统输送容量的限制带来的影响是使系统的安全性和稳定性受到威胁 使电能交 易计划无法实现 影响资源的优化配置和利用 还可能导致市场力的滥用引起电 价的扭曲 3 环境保护的严厉制约 随着全球经济的不断发展和民众环境意识的增强 电力工业发展受到环保制约的程度将越来越大 发达国家的情形更为突出 新输 电线路的建设往往因民众的反对而不能实施 欧美国家1 0 0 0 千伏以上特高压输 电发展计划之所以中止 除电力需求增长缓慢的因素之外 环保的考虑也是重要 原因 环保的制约主要表现在电源建设上 将来会更多地开发对环境影响较小的 电源形式 如洁净煤燃烧发电 天然气蒸汽联合循环发电 核电及可再生能源发 电 在众多可再生能源发电技术中 风力发电是目前技术最成熟 最具有规模化 开发条件和商业化发展前景的发电方式之一 据世界风能协会 g w e c 的统计数 据表明 目前全球有7 0 多个国家使用风能发电 风电消费占世界电力消费的 1 3 我国风能资源丰富 陆地加近海风力资源达1 5 亿千瓦以上 其中陆地l o 米高度内的风力资源为2 5 3 亿千瓦 1 0 0 米高度内的可利用风能高达7 亿千瓦 风力发电发展潜力巨大 2 0 0 7 年底我国风电建设已突破6 0 0 万千瓦 居世界第 五位 在建的还有4 2 0 万千瓦 预计两年后将突破2 0 0 0 万千瓦 届时中国将成 为世界最大的风力发电国家之一 大量风电并入电力系统 使得电源结构和分布 发生了改变 从而对系统的优化潮流 输电阻塞和系统的稳定等产生影响 为此 本文以电力市场环境下如何实现电力系统的安全经济运行为切入点 在优化潮流的基础上 研究电力系统有功和无功定价 阻塞成本分摊以及风电场 并网对系统安全经济运行的影响 1 2 电力市场概述 从电力工业发展的历史来看 世界各地的电力部门基本都发展成了纵向一体 化的企业结构 电力供应的主要组成部分一发电 输电 配电和零售供应都由同 一家电力公司掌握 随着电力系统的迅速发展 尽管电力工业的技术水平日臻完 善 电力工业高度垄断经济的负面影响却逐渐显现出来 因此 世界各国的电力 工业掀起了市场化改革的浪潮 电力市场最重要的改革目标是为电力工业创造新 的管理布局 使其能为消费者提供长期的利益 天津大学博士学位论文 1 2 1 电力市场基本概念 美国经济学家曼昆认为1 2 j 市场是进行某种物品或劳务交易的一群买者和卖 者 买者作为一个群体决定了物品的需求 而卖者作为一个群体决定了物品的供 给 依据曼昆的市场概念 从交易对象上看 电力市场就是进行电力及相关服务 交易的一群买者和卖者 相关服务包括输电服务 运行调度服务以及辅助服务等 国内学者从不同角度对电力市场概念给出了定义 3 蚓 从管理学 经济学与行为 学的综合角度来看 电力市场是电力的买方与卖方相互作用以决定其电价和电量 的过程 是采用经济手段 本着公平竞争 自愿互利的原则 对电力系统中发电 输电 配电 用户等各成员组织协调运行的管理机制和执行系统的总和 电力市 场首先是一种管理机制 是采用市场手段进行管理 以优化配置资源 电力市场又 是体现这种管理机制的执行系统 包括交易场所 计量系统 计算机系统 通信 系统等 电力市场的运作主要是基于价格机制与市场供需机制的相互作用进行 并受到相关机构的有限管制 开放性 竞争性 计划性和协调性 是电力市场的基本特征 与传统垄断 的电力系统相比 电力市场的最大特征是具有开放性和竞争性 与普通商品市场 相比 电力市场则具有计划性和协调性 电力系统的各成员之间是相互紧密联系 的 任一成员的行为 均将对整个电力系统产生影响 所以要求电力市场中的电 力生产 使用 交换具有计划性 同时 由于电力系统要求随时做到供需平衡 所以要求电力市场中的供应者之间 供应者与用户之间相互协调 1 2 2 电力市场基本原则 建立电力市场的目的是在电力工业中引入竞争机制 从宏观的角度看 电力 市场的基本原则与其它商品市场相同 都应遵循 公平 公正 公开 即所谓 三公 原则用 公平 是指对所有参与者一视同仁 没有歧视和特殊保护 对发电厂实行 竞价上网 激励各发电厂提高生产效率 降低成本 增加活力 竞争结果令各方 满意 对用户按真实成本收费 尽量减少交叉补贴 公正 是指市场规则 如 合理的定价机制 竞争规则和监管法规等 公开 是指对市场交易必要的信息 公开 如定价标准 网络拥堵 计量 计划变更等 这样在电力市场下 发电商 可以根据上网电价 确定和调整自己的报价策略 随时了解自己的经济运行状况 用户可以依据零售电价制定最优用电计划 调整用电结构 通过电价杠杆 由电 力市场将供电和用电双方紧密联系起来 各自选择理想的交易方式 实现经济互 动和具有弹性的电力调度和市场均衡模式 第一章绪论 1 2 3 电力市场中的实体 电力工业由传统模式走向电力市场引发了解除或放松管制 机构重组的复杂 过程 并衍生出许多新的实体 这些实体主要包括 堋 发电商 g e n e r a t o r g 电 网拥有者 g r i dc o m p a n y g c 配电商 d i s 仃i b u t i o ns e r v i c ep r o v i d e r d s p 电力 交易中心 p o w e re x c h a n g e p x 独立系统运行员 i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e m t o r i s o 计划协调者 s c h e d u l i l l gc o o r d i n a t o r s c 发电商是发电厂的所有者 负责发电厂机组的运行和维护 发电商有权利在 电力市场中进行无歧视的交易 电网拥有者的主要任务是输电规划 电网运行和收取过网费等 配电商负责本地区配电网的运行并向终端用户供电 电力市场的发展也会使 得配电商转为一个独立配电网运行机构 而由零售商 r e t a i ls e r v i c ep r o v i d e r r s p 负责向终端用户供电 电力交易中心负责运行电力联营体 它在供电和需求投标的基础上处理电力 交易 负责运行目前市场和时前市场 在英国电力市场中 独立系统运行员和电 力交易所的职能统一由国家电网公司负责1 3 j 独立系统运行员保证系统可靠性 提供无歧视的输电服务 输电网阻塞管理 负责实时的电量市场和辅助服务 并被禁止在调度运行中获利 有些国家的电力 市场中 独立系统运行员的职能并没有完全从输电网所有者中脱离出来 计划协调者负责安排双边交易 双边交易必须发 用平衡 并为消费者购买 和提供辅助服务 依据市场结构的复杂程度 不同国家应用这些实体的组合方式有很大差别 1 2 4 电力市场交易模式 电力市场交易模式 是由于交易主体在电力市场交易中的参与方式 交易地 位以及交易自由度的不同 所构成的不同市场交易形态 8 目前世界各国电力市 场的交易模式大致分为两个基本类型 联营体模式 p o o lm o d e l 和双边交易模式 b i l a t e r a lt r a d e sm o d e l 9 由两个基本类型可以派生出p b 模式 即联营模式与双 边交易模式的有机结合模式 以及多边交易模式 1 联营体模式 联营体模式也被称为 总量市场化模式 或 强制性电力库模式 是指在 一个区域 只有一个强制市场成员参与的 集中的 竞争的市场 联营体模式下 一切交易必须在p o o l 内进行 在发电厂之间和用户之间引入竞争 调度和交易为 一体 电网运营者作为唯一的购买者 电网调度机构起着组织电力市场的主要作 天津大学博士学位论文 用 具有在电力市场交易中协调价格和处理确定电网的系统电价等协调 指导 指挥的职能 发电商作为市场参与者向电网申报报价曲线进行投标 独立运行员 和交易中心组合体即联营体负责集中管理输电网 由其收集各参与者的投标 价 格和电量等 信息 然后按照统一原则评估各投标数据 并确定系统电价和实现 输电交易 联营体交易模式如图1 1 所示 图1 1 联营体电力市场结构 2 双边交易模式 双边交易模式则是发电商与用户或双方的各自代理直接签订电力合同 由买 卖双方通过协商确定价格 然后递交给交易中心 并由计划协调者将交易内容提 交给独立运行员审核 该模式的结构如图1 2 所示 与p o o l 模式相比 双边交易 模式则突出电力交易双方的交易自由度 竞争更加充分 该模式一般不单独存在 而是与p o o l 模式共存 但前者所占份额大 四日口 图1 2 双边交易电力市场结构 3 p b 模式 这种模式综合了上述两种基本模式的特征 存在联营体的同时也允许供购双 方进行直接电力金融交易和双边交易 供购电的各方可以自主地而非强制地选择 参与联营体交易或进行其他方式的交易 这种混合模式给予了市场参与者最大的 选择权利 他们可以在对成本 信用风险和市场风险等进行综合评估之后 自主 选择以何种方式购售电力 该模式下市场的自由度和灵活性得到了大大的增强 墨 宝j 宝盈 第一章绪论 因此成为国际上比较推崇的电力市场模式 4 多边交易模式 多边交易是双边交易的扩展 有两个以上交易 多边交易模式 10 1 也被称为协 调多边交易模式 在该模式中 经济性和可靠性被分离 电力系统运行人员提供 系统公用数据给发电商和用户 由发电商和用户商议确定多边交易 以满足系统 运行要求 并使得发电商和用户利润最大 在这一过程中 市场交易不是透明的 系统运行人员不能干预 所有的成本和利润函数都是私人信息 只用于交易的协 商中 通过设计恰当的信息发布平台 交易各方能够在保持自己获利最大的情况 下 使得系统运行在安全的范围内 世界各国所采用的电力市场模式多种多样 即使在同一个国家不同的地区所 采用的电力市场模式也不尽相同 有的国家是两种模式或几种模式的综合 并随 着时间的推移而发生变化 1 3 电力市场下的最优潮流 保证电力系统安全 可靠 优质的经济运行 一直是电力工作者所关注的问 题 随着经济理论 控制理论 计算机技术和电力系统理论的结合 实现电力系 统优化运行方法和手段日趋成熟 从初期的机组效率分配准则到等耗微增率准则 e q u a l l n c r e m e n t a lc o s tc r i t e r i a e i c c 标志着电力系统优化运行的一次飞跃 1 9 6 2 年 法国学者j c a r p e n t i e r 首次提出了最优潮流 o p t i m a lp o w e rf l o w o p f 数 学模型f l 该模型能够将电力系统的经济性和安全性有机地结合起来 引起了电 力工程界的广泛关注 在随后的几十年里 最优潮流获得了很大的发展 不仅考 虑到了不同的优化目标和不同的约束条件 而且提出了卓有成效的各种算法 其 研究领域和应用范围日益扩大 成为一种不可缺少的网络分析和优化工具 电力市场化以来 系统运行中安全性和经济性的地位和关系 从传统的安全 第一转变为相互协调统一 从而给o p f 的研究带来了许多新的挑战 除了传统 的优化调度控制外 o p f 还须解决节点的实时电价 l2 1 阻塞管理1 1 引 转运费计 算 1 4 等新问题 这使得电力市场下的最优潮流成为研究的热点 1 3 1 最优潮流模型 最优潮流在数学上是一个带约束的优化问题 可以描述为在网络结构和参数 以及系统负荷给定的条件下 确定系统的控制变量 满足各种等式 不等式约束 使得描述系统运行效益的目标函数取极值 o p f 是一个复杂的非线性规划问题 其数学模型为 天津大学博士学位论文 m i n s t g o 0 1 1 办 工 甜 0 式中 为目标函数 g 为等式约束条件 办为不等式约束条件 z 为系统的状态变 量 砧为控制变量 最优潮流最常用的目标函数有两种形式 系统运行成本最小和有功网损最 小 系统运行成本最小一般表示为全系统火电机组燃料总费用最小 不考虑机组 启动 停机等费用 无功优化潮流通常以有功网损最小为目标函数 它在减少系 统有功损耗的同时 可以改善电压质量 o p f 的等式约束条件为系统的基本潮流 方程 不等式约束条件主要有 发电机出力上下限 节点电压幅值上下限 线路 传输功率极限 可调变压器抽头位置 移相器抽头位置 并联电抗器 电容器容 量等 控制变量是可以控制的自变量 通常包括各火电 核电 机组有功出力 各 发电机 同步补偿机无功出力 或机端电压 移相器抽头位置 可调变压器抽头 位置 并联电抗器 电容器容量 在某些紧急情况下 某些负荷的削减也可以作 为控制的手段 状态变量是控制变量的因变量 通常包括各节点电压和各支路功 率等 针对不同的应用 o p f 模型可以选择不同的控制变量 状态变量集合 不同 的目标函数和约束条件 电力市场化后 由于各个市场参与者之间的关系表现为 价格的联系 所以目标函数最根本的变化是从以成本为依据转向以价格为依据 例如使阻塞管理的费用最小 使社会总效益最大等 计及了诸如暂态稳定 电压 稳定 负荷弹性 合同电量等新的约束条件 使系统的安全性程度得到了提高 1 3 2 最优潮流的算法 最优潮流模型中包含的变量数及等式和不等式约束的数目巨大 而且变量之 间存在着复杂的函数关系 这些因素使得o p f 计算跻身于大规模非线性规划的行 列 因此从最优潮流模型首次提出以来 提出的最优潮流算法很多 下面仅对几 种主要的算法进行评述 线性规划法 l i n e a rp r o g r a m m i n g 线性规划法是在一组线性约束条件下 寻找线性目标函数的最大值和最小值 的方法 对于o p f 问题 线性规划方法一般将非线性方程和约束条件使用泰勒级 数近似线性化处理 或将目标函数分段线性化 线性化后的求解可以用改进的单 纯形 法 1 5 或对偶线性规划法 1 6 由于有功潮流可以很好的精度线性化 所以线性规划法在有功优化中应用较 为成功1 1 7 1 将线性规划法用于无功调度的求解有时会出现锯齿现象1 18 1 因此文 第一章绪论 献 1 9 提出使用控制变量约束来解决这个问题 但无功优化问题的目标函数具有 强非线性 尤其是以网损最小作为目标函数 线性化后优化效果较差 这使线性 规划算法在无功优化中的应用受到了限制 简化梯度算法 d e g r a d e dg r a d i e n t d o m m e l 和t i l l n e y 于1 9 6 8 年提出的简化梯度算法 2 0 1 是能够成功地求解较大 规模的o p f 问题并被广泛采用的第一个算法 这种算法以牛顿法潮流计算为基 础 利用罚函数处理越界的函数不等式约束 用拉格朗日乘子法判别是否越界 该方法直观 简单 容易实现 但是该方法步长修正因子难以赋值 罚函数处理 不当会使算法的收敛性变坏 特别是在接近最优解时梯度基本为零 收敛很慢 为此文献 2 1 2 4 提出了对这个算法的改进 使收敛性得到了改善 二次规划法 q u a d r a t i cp r o g r a m m i n g 二次规划适于求解目标函数为二次形式 约束条件为线性表达式的问题 r e i d 和h a s d o r f 于1 9 7 3 年首次提出用二次规划法求解经济调度问趔2 5 j 通过引 入人工变量把费用函数 目标函数 近似为二次函数 利用泰勒级数展开 把约束 线性化 并采用线性规划中的w o l f 算法求得最优解 但是计算时间随系统规模 的增大而明显延长 1 9 8 2 年o p f 二次规划法的研究取得了突破性的进展 美国 g e 公司的b u r c h e t t 和h a p p 2 6 等人通过采用增广拉格朗日函数 将原非线性规划 模型分解为一系列线性约束子问题求解 这些二次规划子问题利用了h e s s i 锄矩 阵的稀疏性 并用拟牛顿法求解 它能处理各种目标函数 且在不同初始条件下 均能得到正确解 二次规划法的优点是比较精确可靠 但其计算时间随变量和约 束条件数目的增加而急剧延长 而且在求临界可行问题时会导致不收敛 牛顿法州e w t o nm e t h o d 1 9 8 4 年台湾学者d i s u n 等人提出的牛顿法最优潮流算法l z7 被公认为是最 优潮流算法研究的一次重大飞跃 这种算法采用拉格朗日乘子处理等式约束 用 罚函数处理起作用的不等式约束 进而得到增广的目标函数 然后用牛顿寻优方 法求解由拉格朗日梯度向量产生的自变量和拉格朗日乘子的增量 得到本次迭代 中变量的修正量 牛顿法充分利用了稀疏技术 使用h e s s i a n 矩阵做迭代步长 具有二阶收敛性 该算法的主要难点是如何确定起作用的不等式约束集和由于迭 代矩阵的 病态 特性而导致的数值不稳定 国内外学者围绕该难点的解决方法 进行了大量的研究 2 8 3 4 1 给出了不同识别起作用约束集的方案 在一定程度上克 服了牛顿法系数矩阵的病态特性 内点法 i n t e d o rp o i n ta l g o r i m m 1 9 8 4 年 印度数学家k 啪a r l a r 提出了具有多项式时间可解性的线性规划内 点算法 3 5 1 随后 许多学者对内点算法进行了广泛深入的研究f 3 目前内点法 天津大学博士学位论文 主要可以分为投影尺度法 仿射尺度法 原一对偶内点算法三类 投影尺度法在 o p f 问题中性能较差 仿射尺度法在确定初始内点可行解比较复杂 并且在最优 点附近收敛速度较慢 原一对偶内点法具有很好的收敛性和鲁棒性 且迭代次数 与系统规模关系不大 在电力系统的最优潮流中被广泛采用 但内点法仍需要判 断关键约束集 并且存在对初值较敏感的问题 人工智能方法 a r t i f i c a li n t e l l i g e n c e 近年来 随着计算机和人工智能等技术的发展 不断有新的方法出现 模拟 进化规划方法 模糊集理论 模拟退火算法等人工智能方法先后用于电力系统最 优潮流问题 模拟进化规划方法 4 1 4 2 主要包括进化规划 4 3 舶 和遗传算法f 4 9 1 是模仿生物 进化过程所得到的一类优化方法 属于随机优化方法 擅长处理离散变量 主要 用于无功优化 它具有全局收敛性 并行处理特性 通用性及鲁棒性等优点 模 糊集理论适合于描述不确定性以及处理不同量纲 相互冲突的多目标优化问题 5 0 5 1 1 为解决具有可伸缩约束的多目标优化问题提供了新途径 文献 5 2 把约束 条件分为硬约束和软约束两种 然后利用模糊集把软约束和目标函数模糊化 得 到模糊o p f 问题 然后再对o p f 问题的目标函数进行修正 使得目标函数中所 有的控制变量都能显性地表示出来 有利于用逐次线性规划法求解 模拟退火算 法是一种有效的通用启发式随机搜索方法 文献 5 3 在无功优化中 以装设无功 电源和总能量损耗所需费用之和为目标 得到一个不可微的函数 利用模拟退火 算法求解 以合适的冷却速度解算b o k m a n 因子 根据扰动机理确定新的迭代 值 最终使得所求解以概率1 渐进地收敛于全局最优解 但运算时间比较长 人工智能方法解决了寻找全局最优解的问题 能精确处理问题中离散变量 但这一类方法是根据随机性的搜索原理寻找最优解 计算速度慢 难以适应在线 计算及电力市场的要求 1 3 3 最优潮流在电力市场中的应用 世界范围内的电力工业改革将经济性提高到一个新的高度 给最优潮流的研 究注入了强劲的动力 o p f 被广泛的应用于实时电价计算 阻塞管理 可用输电 容量计算 辅助服务定价等领域中1 5 4 1 实时电价计算是一个带有网络约束的电力系统优化问题 与传统o p f 不同 的是 它的目标函数是基于发电厂报价的市场总收益最大 而不是单纯的发电成 本最小 实时电价的概念是1 9 8 8 年由s c h w e p p e 等人 提出的 它将经济学中 达到全社会效益最优的边际成本定价理论应用到电能这 特殊商品 并强调电能 的价格随时间 空间的不同而不同 r a y 和a l v a r a d o 5 6 j 应用修正的最优潮流研究 第一章绪论 了实时电价政策对用户的影响 这是0 p f 应用于实时电价的首次尝试 文献 5 7 发展了这一模型 提出了利用o p f 求解无功实时电价的方法 并且发现o p f 是 一种极具潜力的实时电价计算方法 电力市场环境下 竞争机制的引入使得电网中的潮流加重并且潮流方式多变 输电阻塞成为影响系统安全运行的首要问题 阻塞管理的目标是制定一系列规 则 有效地控制发电机和负荷 使系统的短期运行具有一定的安全和可靠性裕度 同时为系统的长期投资规划提供有效信息 最优潮流为阻塞管理提供了强有力的 工具 文献 5 8 以购电费用增加最小为目标函数 用非线性内点法最优潮流实现 了阻塞调度控制 文献 5 9 建立了基于互联电网的分区o p f 分解协调模型 采用 辅助问题原理对优化问题进行了等价分解 提出了一种用序列二次规划的分布 式并行o p f 计算算法 使用该算法解决了跨区域输电阻塞问题 市场环境下 电网公司对系统现有的输电能力进行评估可以确保电网的安全 运行 减少输电阻塞的发生 而且这些信息可以指导电网使用者作出合理的电能 交易决策 北美电力可靠性委员会 n e r c 于1 9 6 6 年给出了可用输电容量 a v a i l a b l e t r 锄s f e rc a p a b i i 劬a t c 的定义 删 a t c 是在现有的输电合同基础上 实际物理 输电网络中剩余的 可用于商业使用的输电能力 可用输电容量可以作为优化问 题来求解 6 1 拼 文献 6 5 采用直流模型 考虑了各种安全约束 用线性规划优化 方法计算单个电源负荷母线组或输电走廊的a t c 文献 6 6 采用多层前馈神经网 络方法 求解以区域间最大输电容量为目标函数的交流o p f 模型 电力市场中的辅助服务主要包括 热备用 冷备用 a g c 电压 无功支持 和黑启动等 对i s o 而言 有两种途径可以获得需要的备用支持 一是备用与能 量同时拍卖 从拍卖价格中按照机会成本补偿该机组提供的备用 二是单独建立 一个备用拍卖市场 备用服务单独定价 两种方法都可采用o p f 建模求解 但前 者备用出现在约束条件中 后者的目标函数为备用服务费用最小 文献 6 7 讨论 了旋转备用定价问题 并将用户因断电而获得的赔偿费用加入到目标函数中 文 献 6 8 6 9 提出了基于修正最优潮流模型的一体化实时电价算法 给出了各拉格朗 日乘子所包含的辅助服务的经济学信息 文献 7 0 在最优潮流模型中引入了无功 功率的发电成本和无功补偿器成本 分析了不同优化目标及不同的约束条件对以 经济学为基础的无功电价的影响及无功电价的特点 从研究现状可以看出 市场环境下的最优潮流应进一步研究 如何在最优 潮流中同时考虑暂态稳定以及电压稳定问题 以保证电力系统能安全运行 文献 7 1 7 4 虽然研究了含暂态稳定约束的最优潮流 但未考虑电压稳定问题 如何 将综合考虑系统安全约束的最优潮流和具体的电力市场模式有机地结合起来 使 其更好地为电力市场服务 包括如何进行更有效的阻塞管理 公平合理地制订电 天津大学博士学位论文 价 充分利用电力系统的物理特性和计算技术 改进最优潮流算法 提高算法 的收敛性和计算速度 使之适用于大电力系统 1 4 电力市场下的实时电价 1 4 1 实时电价理论 美国麻省理工学院以f c s c h w e p p e 为首的六位学者于1 9 8 0 年提出 7 5 要改变 传统的供与求模式并建立电力市场 就应像电力系统的电压和频率一样计算和控 制电能的价格 即采用实时电价 s p o tp r i c e 它不仅随时间变化 而且不同母线 上有不同电价 在事故情况 正常情况和安全情况的电价也不相同 s c h w e p p e 在文献 5 5 中系统地提出了实时电价理论 实时电价是在考虑运行和基本投资的情况下 在给定的极短时段 o 5 h 或更短 时间 内向用户提供电能的边际成本 第k 个用户在时段t 的实时电价可表示式为 凤 t2 肝 t t 7 q s t 淼 t 刁l k t 刁m k t 7 7 0 s k t 7 7 r t 1 2 式中 户k t 为第k 个用户在时段t 的实时电价 所 t 为边际发电燃料成本 为 边际发电维护成本 s 为发电质量分量 阪 为发电收支平衡项 钆 k 为边际 网损成本 1 t 为边际网络维护成本 k t 为网络供电质量分量 狐t 为网络 收支平衡项 1 系统边际发电运行成本五 边际发电燃料成本所 t 和边际发电维护成本 之和为系统边际发电运行 成本 简称为系统元 计算公式为 a 皇l 鱼 堡 立 鱼 垦 型 1 3 a 睨 t 式中 c f 睨 c 0 分别是系统发电量为 时的燃料总成本和维护总成本 五与系统的发电量吸 机组状况 水的可用率以及电力公司的交易等因素有关 2 发电质量分量 发电质量分量 s 是衡量系统是否具有足够发电容量的参数 当系统的发 电容量非常充裕