（电力系统及其自动化专业论文）基于最优潮流的电力系统无功定价研究.pdf

a b s t r a c t r e s e a r c h0 fr e a c t i v ep o w e r p r i c i n gi np o w e rs y s t e mb a s e d0 n o p t i m a lp o w e rf l o w a b s t r a c t d e v e l o p i n ga na c c u r a t ea n df e a s i b l em e t h o df o rr e a c t i v ep o w e rp r i c i n gi sg e t t i n g m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c i t ym a r k e t sa s r e a c t i v ep o w e rs e r v i c ei sav e r yi m p o r t a n ta n c i l l a r ys e r v i c e h o w e v e r , a st h er e s e a r c h h a s n o tr e c e i v e ds i g n i f i c a n ta t t e n t i o nu n t i lr e c e n t l y ，t h et h e o r yo ni t i ss t i l ln o tw e l i d e f i n e d t h e p a p e rp r e s e n t st h ep r e l i m i n a r ya n a l y s i sa n d r e s e a r c ha b o u tt h er e a c t i v e p o w e rc o s t i n ga n dp r i c i n gi nt h ee l e c t r i c i t ym a r k e t s t h i s p a d e rf i r s t c o n c l u d e se l e c t r i c i t ym a r k e t sa n da n c i l l a r ys e r v i c e s ，a n d i n t r o d u c e st h er e s e a r c hm e a n i n ga n ds i t u a t i o ni nr e a c t i v ep o w e rp r i c i n g s e c o n d l y ，t h er e a c t i v ep o w e rs e r v i c e ，i t sp r o c u r e m e n t ，t h es i t u a t i o ni nt h e r e a c t i v ep o w e rm a r k e ta b r o a d a n di t sp r o d u c t i o nc o s ti sd i s c u s s e di nt h i sp a d e lt h e r e a c t i v ep o w e rp r i c i n gs t r u c t m e s i n s i d ea n do u t s i d et h ec o u n t r yi sr e v i e w e da n d s u m m a r i z e d an o d a ls p o tp r i c i n gm o d e lb a s e do i lo p fi sp r o p o s e d 1 1 1 ep r o p o s e d m o d e li n c l u d e st h er e a c t i v ep o w e rp r o d u c t i o nc o s to fg e n e r a t o r sa n dt h ei n v e s t m e n t c o s to fc a p a c i t o r si n t ot h ec o n s t r a i n e dc o n d i t i o n s t h ee x p e c t e dr e a c t i v ep o w e rp r i c e c a nn o to n l yc o v e rm o s tp r o d u c t i o nc o s to fr e a c t i v ep o w e rb u tp r o v i d ee n o u g h e c o n o m i ci n f o r m a t i o n t h e n ，t h em e t h o d st os o l v e0 p fa r ed i s c u s s e d m o d e mi n t e r i o rp o i n tm e t h o d d u et oi t sg o o dc a l c u l a t i o np e r f o r m a n c ei sc h o s e nt oi m p l e m e n tt h em o d e lp r o p o s e d i nt h i sp a p er 1 nt h ee n d a5 - b u ss y s t e ma n dt h e4 118 - b u s1 e e es t a n d a r ds y s t e m sa r eu s e di n t h es t u d i e st os h o wt h ep r o c e s so ft h em e t h o dp r o p o s e di nt h ep a p e r t h es i m u l a t i o n r e s u l t sd e m o n s t r a t et i ma c c u r a c ym a dt h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e dm e t h o d k e y w o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ；r e a c t i v ep o w e rp r i c i n g ；o p f ；m o d e r ni n t e r i o rm e t h o d 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包 括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校- j - 以 采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；( 2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资 料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 盛坌坠 型! ：! ：12 导师签名 日期 主要符号对照表 主要符号对照表 系统所有节点的集合 发电机集合 电容器组集合 调相机组集合 无功源集合 发电机的有功出力 发电机的无功出力 电容器组的无功出力 调相机的无功出力 发电机的额定视在功率 有功发电的利润率，通常在5 一1 0 之间 电容器在其设备使用期内折算的单位容量的资本成本 电容器的平均使用率，一般取2 3 分别为有功无功负荷和无功源的无功出力 节点电压幅值 联络线有功功率 系统最小旋转备用容量 发电机i 能够提供的旋转备用的最大容量百分比 目标函数 等式约束函数向量 不等式约束函数向量 不等式约束上下界向量 松弛变量向量 拉格朗日乘子向量 对角元分别为，“，z ，w 的对角阵 不等式约束方程组的梯度矩阵 &品如如七而 一_。，删埘删一一咖一洲 主要符号对照表 v h ( x ) - ，( 工) v 2 9 ( x ) v 2 h ( x ) 口 z a l ，a u ，d z ，a w s t e p f s t e p a k m a x 盯 占 g a p 等式约束方程组的梯度矩阵 等式约束方程组的雅克比矩阵 不等式约束方程组的海森矩阵 等式约束方程组的海森矩阵 扰动因子 单位向量 迭代修正量 原始步长 对偶步长 最大迭代次数 中心参数 计算精度 互补间隙 v i i 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 电力市场概述 电力市场概念最早由美国麻省理工大学s c h w e p p efc 教授于1 9 7 9 年在其 论文 2 0 0 0 年的电力一文中提出。这个当时被认为是大胆的设想，近几年由 于全球对电力解除管制、开放经营和重构，己成为一个势不可挡的世纪性的世 界潮流。 电力市场的本质是在电力工业内部引进竞争机制，促进电力公司生存和发 展的良性循环。美国自1 9 9 2 年颁布“能源政策法”以来，电力企业已裁员3 5 ，且电费下降；阿根廷这样的发展中国家通过电力市场引进外资，由缺电国 变成了余电国。新中国建立后，我国的电力工业取得了巨大的发展，但在计划 经济体制下，始终没有解决电力资金匮乏、电力严重不足的局面。近1 0 年来， 随着改革开放的深入发展，我国采取了开发电源、投资多元化的政策，出现了 一批独立于国家电力公司之外的电厂，电力工业的产权出现了多元化华能、 外资、合资、股份制、地方集资等等，预示着建立中国的电力市场的条件正在 形成。1 9 9 2 年国家电力部提出实现电网商业化运营“1 。2 0 0 2 年底，国家电力公 司已重组为两家电网公司和5 家发电公司，标志着我国电力市场化改革已进入 到实质性阶段。电力市场将是2 1 世纪世界电力工业发展的必然趋势。 1 1 1 电力市场的定义。1 电力市场是采用法律、经济等手段，本着公平竞争、自愿互利的原则，对 电力系统中发电、输电、供电、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。 根据以上定义，电力市场首先是一种管理机制。这种机制与传统的行政命 令的机制不同，是主要采用经济的手段进行管理。所以电力市场的基本原则是 公平竞争、自愿互利。同时，电力市场还是体现这种管理机制的执行系统，包 括贸易场所、计量系统、计算机系统、通信系统等。 第1 章绪论 i 1 2 电力市场的组成h j 电力市场中的参与者是多元的利益主体各个独立经营的电厂、输电网、 配电网和用户。它们是相互平等的、自主的，在市场中允许买卖双方的多方选 择。电力市场的目标和约束都具有一定的柔性。 电力市场中参与各方的新特点： 电厂：激励改善经营管理，提高生产率，降低成本，增加竞争活力。 用户：从一个固定的、被动的、没有理性和协作性的受控终端转化成有理 性、具有能动性和主动性的市场参与者，对自己如何用电有自主的选择。 电网：未来的输配电网络和电网公司，在电力市场中处于枢纽地位，扮演 个全新的角色，除了保证电力系统安全、经济运行外，还将作为电力市场的 经纪人。电网是电力交易中心。它要对所有参与者公平开放。在电力市场的竞 争中，这些多元的利益主体既有激烈的冲突和碰撞，又实现了合作与协作。 1 1 3 电力市场的基本特征【5 电力市场的基本特征是：开放性、竞争性、计划性和协调性。 与传统的垄断的电力系统相比，电力市场具有开放性和竞争性。与普通的 商品市场相比，电力市场具有计划性和协作性。电力系统是相互紧密联系的， 任一成员的操作，均将对电力系统产生影响。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 1 4 电力市场的基本原则【3 1 建立电力市场的目的是在电力系统中引进竞争机制。一个充满竞争的电力 市场中，参与者之间都是平等的。所以电力市场最基本的原则是公平。对于发 电厂，平等的环境能够促进竞争，激励各发电厂提高生产效率，降低成本，增 加活力。对于用户，按真实的供电成本收费，尽量减少用户间补贴是保证用户 问平等的根本点。为了保证电力市场公平竞争的原则，必须做到： ( 1 ) 电力市场要有公开性( 包括成本、定价、计量、计划等) ，以便监督； ( 2 ) 扩大自由选择权力，保证电网的开放； ( 3 ) 必须建设有关法令、规约，以便使竞争规范化。 2 第l 章绪论 1 ，1 5 建立电力市场所面临的新的问题1 4 j ( 1 ) 电价问题 电价是电力市场核心内容，也是电力市场的经济杠杆，它可以调节市场供 需矛盾，促成电力交易。影响电价的因素是多种多样的，这必然导致电力市场 中电价的多层次性，不同的供电电压等级、不同供电的可靠性分类、不同时间、 不同季节、不同容量以及不同负荷率下的电价是不同的。所以，研究电力市场 环境下的电价理论和方法将是实现电力市场商业化运营的关键。合理的电价结 构必须考虑两个方面：在供应侧能反映生产成本：在需求侧能反映负荷特性。 要保证电力市场的良性发展，必须重视并研究电价理论。 ( 2 ) 新的安全性、经济性指导原则 在传统计划经济体制下，电力企业无需为盈亏操心，不必为生存发展担忧。 电力市场的出现，对电力企业追求的目标将产生深刻的影响，同时也对电力系 统运行的安全性、经济性提出了更高的要求。过去电力系统以安全第一的思想 来指导运行、规划、设计，在新的市场环境下将受到挑战。最佳综合经济效益 成为了电力企业追求的最终目标。 ( 3 ) 新的软件硬件支持 实现电力市场商业化运营，不仅要有理论、决策作为指导，而且还要有技 术条件作为物质基础。一个现代化、自动化调度的输电网络和分布合理、容量 充足的电源系统是实现电力市场的前提条件；一个实用化、商业化的市场运营 技术决策支持系统是实现电力市场的基本条件。 1 1 6 我国电力市场的框架模式1 3 j 在发达国家建立电力市场是为了引入竞争，为近于饱和的电力工业注入新 的活力。而我国主要目的是为了引进投资，平衡能源结构，促进转运贸易，改 变某些地区电力长期短缺、而某些地区电力过剩的局面，同时降低电力成本。 鉴于我国电力工业发展的实际情况，电力体制的改革模式既不能像美国那样的 自然发展模式，也不能照搬英国的体制改革模式。为此我国采取逐步过渡的方 法，在输电、配电网不断发展、完善的同时，先开放发电市场，也为了积累史 际经验，然后等到电力工业各方面发展到一定程度，再开放输电和配电市场。 考虑我国实际上电网发展不均衡，电力市场的管理模式可以如下图所述： 3 第l 章绪论 跨网电厂广一国家级电力市场l 【。一 l 网间交换 一二一 网级电厂广_ 叫网级电力市场卜_ j f向省售电 与网级电力市场交换 【省间交换【 f i 省撕f 卜爿1 函蒜窃1 型坜_ 声 f 向地区售电 与省级电力市场交换 百i 甄厂_ 不汞雨 一地区级电力市场。一大用户 与地区级电力市场交换 小水电用户发电卜一县市级电力市场一卜叫用户 图1 1 我国初级电力市场大致模式 f i g1 1t h em o d e lo f p r i m a r ye l e c t r i c i t ym a r k e t si no u rc o u n t r y 其中国家级电力市场主要是完成全国范围内调节余额，转运贸易，事故下 各电力公司间的协调运行，总体的电源和电网规划，以便发挥全国的联网优势。 网省级电力市场主要是组织本区域内电厂的公平竞争和整个电力系统的市 场化运作，在初级电力市场中。重点是省网级的区域电力市场。 1 2 辅助服务概述1 3 】【4 】 1 2 1 辅助服务的定义和简介 一般地将辅助服务( a n c i l l a r ys e r v i c e s ) 定义为：为完成输电的主要功能一 一将电能从发电厂输送到用户，并保证安全和质量所需要采取的所有辅助措施。 随着电力市场实践的不断深入，辅助服务问题由于其重要性和技术上的复 杂性吸引了越来越多的研究者和电力公司的兴趣。其实辅助服务本身并不是新 的技术，并非由于电力市场的出现才提出了辅助服务问题，而是在传统的电力 4 第1 章绪论 系统管理运行方式下，辅助服务问题一直没有受到足够的重视。因为辅助服务 的目的是保证系统安全稳定运行和一定的供电质量，但这些因素原先不是建立 在经济分析的基础上，太多是靠指令性计划和调控来完成的，没有分开考虑电 力系统各参与者各自的经济利益，运行人员无须知道各种辅助服务的费用，以 及衡量系统安全水平和供电质量的经济尺度，对其分析也缺乏深入的研究。 辅助服务的价格与电能价格一起构成了电力市场价格体系的基础，它对于 建立完善的电力市场有重要的意义。很多学者对此进行了非常有益的探索。但 与电能价格相比，辅助服务定价的研究较晚，尚未形成系统化的理论体系。辅 助服务的定价问题难于解决的原因是： ( 1 ) 辅助服务问题的研究比较复杂。辅助服务研究的实质是研究电力系统 运行中各种控制手段对电力系统总的运行水平的影响，有其安全性、经济性的 考虑。而且对各种控制手段给予相应的经济价格，这在实际上是比较难以量化 的。还有辅助服务类型的划分并不很清晰，由于研究的角度不同，同一控制手 段可能会属于不同的辅助服务类型。 ( 2 ) 各国的国情不同，软硬件发展水平不尽相同，不可能建立像有功发电 计划那样一种各国大致相似的算法。一般都是根据自己的实际情况，制定相应 的算法和定价策略。 ( 3 ) 由于电网结构的不同，各种辅助服务在电网中起的作用也不一样。例 如，对于无功电源比较充足的电网，无功电压控制将比较容易，也不会再大量 投资设置无功新设备，无功的电价波动自然也不会很大；相反，对于无功比较 缺乏的地区，无功电源有限，无功电压调节显得比较重要。对于功率因数过低 的用户，无功电价变化幅度将较大，无功电价的算法将对电力的生产和运行消 费有很大的影响。 总之，电力系统无论采取何种经营模式，为保证其安全稳定运行和一定的 供电质量，都需要有足够的辅助服务。尤其在电力市场环境下，系统运行的复 杂化，使得辅助服务的作用更加重要。在发、输、配一体化的垄断运营模式下， 各方承担的辅助服务没有一定的界限；而电力市场中，首先是不能要求各参与 者一味无偿地提供辅助服务，划分各参与者提供辅助服务的界限，确定哪些辅 助服务为无偿服务，哪些为有偿服务；其次是辅助服务的定价问题，采取什么 样的定价机制才能客观反映各供应者的成本，保证其有合理的利润。 电网中的主要辅助服务的内容如图1 2 所示。 5 第1 章绪论 管理服务输送服务辅助服务 图1 2 电网中的辅助服务 f i g1 2a n c i l l a r ys e r v i c e si nt h ee l e c t r i c i t yn e t s 1 2 2 辅助服务的分类 辅助服务主要包括： ( 1 ) 有功频率控制( a g c ) ：实时处理负荷与发电功率的较小范围的功率 不平衡，维持系统频率，使控制区内负荷与发电功率的偏差及控制区之间的交 换功率实际值与计划值的偏差最小。 ( 2 ) 发电容量备用：包括旋转备用( 热备用) ；非旋转备用( 冷备用) 。旋 转备用指由于发电机或输电系统敌障，使负荷与发电功率发生较大不平衡量时， 1 0 m i n 内可以提供急需的发电容量( 增加或降低) ，恢复负荷跟踪服务水平；非 旋转备用一般指由峰荷火电机组2 0 3 0 m i n 内启动并达到正常发电功率的备用 容量。 ( 3 ) 无功备用和电压控制：由各种无功源( 如发电机，s v c ，并联电容器 组，调相机等) 向系统注入或从系统吸收无功功率，以维持输电系统的电压在 允许范围内。 6 第1 章绪论 ( 4 ) 恢复及黑启动：指系统出现事故情况下为恢复系统供电，电厂向电网 所能提供的电能服务。 目前，提供辅助服务的模式大致有以下几种；统一规划型、投标竞价型、 期货合同型。统一型指辅助服务必须由系统调度员统一安排，在结算时根据各 参与者对辅助服务命令执行的情况进行奖惩。投标型指各客户分别对每一种辅 助服务进行投标，市场运营人员根据其投标情况，排定优先次序，安排辅助服 务供应计划，使购买辅助服务的费用最小。双边合同型指某一辅助服务的用户 直接与供应者签定双边合同，从而得到其所需的辅助服务，而无需通过电力调 度人员或独立系统操作员( i s o ) 。采用辅助服务的类型与整个电网的管理水平 和电力市场的发展程度有关。如英国、阿根廷等采用统一型方式提供频率响应 与无功控制等服务；而美国加州电网，以投标与双边合同结合的方式提供负荷 跟踪与频率响应服务。 在电力市场的初期，可以根据各自电网的特点和现有e m s 能力、通信、计 算和控制能力、硬件水平等来制定简化的辅助服务费用算法。算法的最终实现 还需随着电力市场的发展来逐步完成。 1 3 电力市场中的无功定价 1 3 1 电力市场中无功定价研究的意义 无功功率是交流电力系统不可分割的一部分，没有无功功率的支持，有功 功率就无法传送到用户。传统电力体制下，无功的生产和分配完全由系统调度 员统一安排，不存在对无功服务进行成本核算和单独计费问题。随着全球电力 工业的市场化改革，电力服务逐步向市场化方向转变，一个竞争有序、运行良 好的电力市场，其电价必然是公平合理的，而其模型也尽量能真实可靠地反映 发电、输电、配电及用户的供用电情况尽可能兼顾各参与者的利益，无功服务 作为一项重要的辅助服务，其由无偿提供转向有偿服务已成为电力市场发展的 必然趋势，正确合理的无功服务定价也成为近年来研究的热点问题。“。 电力市场中，发电、输电、供电三方将各自成为独立的经济实体，电价的 制定要均衡三方的利益。同时，电压控制将成为系统运行突出的问题。电力市 场下的无功定价对整个系统的运行和经营具有重要意义”， ( 1 ) 首先经过无功的优化配置，可以减低电网公司的有功网损，提高电网 7 第l 章绪论 的传输效率，提高经济效益。 ( 2 ) 在电力市场中。迫于各种竞争的压力，电力系统各方为了提高运行效 益，都在挖掘自身的设备潜力，使得许多发电、输电设备接近于极限条件下运 行，这样会产生一些新的引起电网功角稳定、电压稳定、过负荷甚至系统崩溃 等问题的因素，使得系统运行的安全性受到更大的考验。而一旦发生事故，如 电压崩溃，将产生巨大的经济损失。在电力市场下系统运行的复杂性使得无功 调节成为维护系统稳定的重要手段之一。 ( 3 ) 通过无功管理可以改善电压波形，提高电能质量，也是提高输电服务 质量的有效手段。 ( 4 ) 从长期利益来看，在我国这样一个发展中国家资金不十分充足的情况 下搞电力市场，通过从经济学角度分析无功优化配置，可减少不必要的无功补 偿设备投资。 ( 5 ) 科学合理的无功服务价格可以正确地反映系统实际运行情况，更好地 划分电力市场各参与者责权利，引导市场参与各方提供无功服务的积极性，否 则由于分配不均，对电力市场会产生消极影响，甚至危害电力系统的安全。 1 3 2 无功定价的研究现状 1 3 2 1 国外的研究现状 1 9 8 8 年，s c h e w e p p e 等人将实时电价( s p o tp r i c e ) 的概念引入电力系统， 提出了有功功率的实时电价理论4 3 ，其实时电价的获得是基于经典的经济调度和 直流潮流的概念。根据微观经济学的理论，所提出的实时定价方法，可以提供 最优的价格信号，提高生产效率和产生最大的社会效益。该理论可以说是现代 电力市场理论体系的基石。现在看来，要将这一理论应用于电力市场的实践还 需要做许多修正和补充，但迄今为止它仍被认为是最为完善的电价理论体系。 尽管无功功率和大部分辅助服务的定价在该理论中未被提及，它作为那些成功 的后续研究的基础和起点，在无功定价问题的研究中占有举足轻重的地位。 随后，r a y 和a l v a r a d o 使用考虑了有功负荷的价格响应的修改的o p f 模型 来进行实时定价方法的研究”1 。这是将o p f 作为实时电价的一种计算工具的第 一次尝试，发展了基于最优潮流的实时电价理论，本身又是一个很大的进步。 1 9 9 1 年，b a u g h m a n 和s i d d i q i 将这一修改的o p f 模型引入到无功定价方法 第1 章绪论 中，第一次提出了求解无功实时电价的方法“。其最重要的贡献是发现了o p f 中对应于潮流平衡方程的拉格朗日乘子x 。，九。与有功、无功负荷的实时电价具 有相同的经济含义。从而说明了o p f 是一种极具潜力的实时电价计算方法。然 而由于其目标函数是使总的有功生产成本最小化，该模型在没有无功发电容量 越限时，发电机节点的实时无功价格为零。这意味着发电厂的无功容量越大， 越是得不到任何鼓励和奖励，而无功容量越小的发电厂或补偿设备却有可能因 容量越限而获得经济补偿。 1 9 9 5 年，印度人c h a t t o p a d h y a y 和b h a t t a c h a r y a 等人指出无功电价不但应该 覆盖运行成本，还应该包括电容器的资本投资“，为无功定价的研究注入了新 的元素。然而，仍然忽略了发电机的无功生产成本。 1 9 9 6 年，英国国家电网公司( n g c ) 的研究人员通过引入与标准的有功费 用二次曲线极其类似的无功费用曲线，首次在目标函数中考虑了发电机的无功 生产费用，并用逐次线性规划( s l p ) 的方法求解这一非线性无功优化问题“。 然而，无功功率对有功损耗的影响未被考虑，且无功成本的二次曲线如何获得 并没有被提及到。 1 9 9 7 年，美国太平洋燃气和电气公司( p g & e ) 的s h a o 和a p a p a l e x o p o u l o s 详细讨论了提供无功服务支持的经济和技术问题，提出了依据无功容量费用的 无功定价方法，一种基于无功功率调节因子( r p a f ) 的区域收费系统1 。允许 用户在一个局部的无功电力市场内通过节点电价自由地获得所需要的无功容 量，即特定的功率因数标准不再强加给用户，用户的无功费用依赖于由r p a f 所反映的实际使用的无功功率。较高的区域r p a f 意味着有更多的无功功率不 足，这个地区的用户就要偿付较高的无功电价。这对于完善无功服务的定价结 构是一次努力的尝试，但对于长距离的双边交易，会产生不公平。 1 9 9 8 年，韩国人c h o i 、r i m 等人对无功定价问题作了进一步的研究“，以 最大化社会效益取代通常的最小化生产费用作为目标函数，并将负荷的功率因 数加入到约束条件中，然而，一些测试结果中的无功边际价格变得比有功边际 价格还高，不能让人十分信服。 1 9 9 9 年，j o l ml a m o n t 和j i a nf u 第一次对无功功率的经济成本作了详细分 析，提出无功生产成本应包括发电机的无功功率显性成本( e x p l i c i tc o s t ) 和机 会成本( o p p o r t u n i t yc o s t ) 以及无功补偿装置的显性成本”。其中用代表发出的 无功容量的资本成本构成发电机的无功功率显性成本。机会成本是指根据发电 9 第l 章绪论 机运行的容量限制，由于其无功出力而损失的有功发电能力所对应的最大利润。 无功补偿装置其单位容量的显性成本近似用设备寿命期内的投资总额的折旧率 来计算。第一次将最小化总的生产成本作为无功优化调度模型的目标函数，其 测试结果显示比以往的调度模型节省更多的费用。这种方法对于无功定价模型 的完善起到了重要的作用。2 0 0 0 年，浙江大学的戴彦在他的博士论文中，将总 的有功无功生产费用的最小化作为目标函数，对无功定价问题进行了分析，并 用序y e j - 次规划( s q p ) 的算法对o p f 模型进行了求解，取得了令人满意的结 果。 1 9 9 7 年，a a e 1 k e i b 和x m a 考虑了在线应用的实用性和灵活性，将有功 无功生产的短期边际成本( s r m c ) 的计算分解为有功、无功两个子问题分别求 解，并把有功无功的s r m c 表示为不同价格构成的组合，以代表不同的物理意 义。并提出旋转备用( s p i n n i n gr e s e r v e ) 对于电力系统短期运行的可靠性和安 全性起着重要的作用，应该加入到o p f 的约束条件中，以得到更加合理的o p f 的解1 。 2 0 0 0 年，k a ix i e 和y o n g h u as o n g 提出了一个有功无功一体的最优实时电 价( i o s p ) 模型，并将实时电价作进步的推导，使之分解为不同的价格构成， 来反映系统边际成本、损耗补偿、电压支持和阻塞管理的影响。然而无功补偿 设备的投资成本没有考虑到。其i o s p 模型的实现是通过修改的基于原始对偶内 点算法的o p f 模型。结果表明此算法非常令人满意，首先对偶变量提供了有意 义的经济信息；二，由于使用松弛变量的对数障碍罚函数作为软约束，可以避 免实时电价的大幅波动( h i g h l yv o l m i l e ) ：三，该算法可以很好地处理不等式约 束1 。 目前，对于无功定价方法的研究还包括增量平均法( i n c r e m e n t a la v e r a g e a p p r o a c h ) ，通过比较交易前后两次潮流的结果，估算一次单独交易所增加的无 功损耗，对于大量的同时交易要重复估算多次取其平均值作为每次交易的无功 损耗部分。每次交易的无功功率使用量由其无功负荷和相应的无功损耗之和表 示。这种方法看起来适合仅存在双边交易的电力市场的无功定价，然而，对于 大量的同时交易十分耗时，并且不能对减轻线路负荷和电抗损耗的交易提供激 励1 。 另外还有无功潮流跟踪法( r e a c t i v ef l o wt r a c i n gm e t h o d ) ，起始于一个潮流 或状态估计的解，跟随无功潮流从一个特定的发电机节点到网络中的负荷节点， 1 0 第l 章绪论 求出发电机对无功负荷的贡献。该方法的一个特点就是能够回答每台发电机提 供给特定负荷的功率。然而由于大量并联线路的存在，使得互联网络的无功潮 流非常复杂，无功潮流跟踪变得十分困难甚至不可能。”汹1 。 1 3 2 2 国内的研究现状 我国电力市场初期模式是以单一购买为主的发电侧开放市场，囤内的研究 主要集中于发电侧无功源，即发电机的无功生产成本的分析和发电侧无功定价。 1 9 9 7 年，谢开、于尔铿等人从技术、经济的角度阐述了电力市场中无功管 理的特点，讨论了无功需求、无功生产费用和无功市场模式。并介绍了几种无 功定价方法，包括依据运行费用的实时定价和依据容量费用的无功定价方法。“。 1 9 9 9 年，上海交大的赵晋泉，侯志俭等人提出了一种基于o p f 的有功无功 一体化的实时电价模型，考虑了电厂无功支持辅助服务的定价，同时采用电网 可变成本函数，保证了电网公司的投资回收”“。 2 0 0 2 年，张粒子、李亚男等人将无功电价划分为发电市场层面的发电无功 电价、输电市场层面的无功服务电价和用电市场层面的无功销售电价。以发电 机的运行约束，即功率圆图为基础，提出了用有功发电损失的机会成本折算无 功电价的新思路“。 华南理工的吴国丙、任震，分析了无功服务的特点，强调在电力市场中必 须考虑无功成本，并从经济学角度对无功发电成本和无功输电成本进行了详细 分析“”“”。另外，四川大学的孔飘红、刘俊勇首次提出了有效无功容量( e r c ) 的概念，并建立了基于统一优化补偿的无功市场模型，强调应根据无功源对系 统安全与稳定的贡献来确定其价值，通过电压灵敏度的方法确定无功的边际价 值“”。南京工程学院的蒋志平等人提出一种将边际成本法和综合成本法结合起 来的定价方法，使无功定价既能有效回收成本，叉含有一定的经济信息”。这 些研究对于我国的电力市场无功定价都具有一定的现实意义。 1 4 本文的主要工作 通过对近二十年来发表的学术资料的研究及对现有的电力市场的分析基础 上，本文做了以下工作： 1 概述了电力市场，介绍了无功电价的研究现状： 第l 章绪论 2 讨论了无功服务的内容、性质及无功服务的获取方式，分析了各种无功 功率电源的生产成本： 3 介绍了电力市场下的定价方法及无功定价模型，在此基础上提出了新的 无功定价方法； 4 对提出的方法进行仿真计算，结果表明本方法既能涵盖大部分的无功生 产费用，又能提供足够的经济信息，有利于维护无功服务市场的正确运行。 1 2 第2 章无功功率服务 第2 章无功功率服务 无功服务是一项直接关系到电网安全运行的重要辅助服务，它与成功实现 电力市场中的电能交易息息相关。本章首先详细讨论了系统中的无功功率电源， 负荷和损耗的种类以及系统无功功率平衡的特点；然后分析了无功功率服务的 内容和建立无功功率服务市场的可行性，并介绍了一些国家的电力系统中目前 采用的获得无功功率服务的手段；最后对各种无功功率电源的生产成本进行了 分析。 2 1 无功功率平衡2 9 ”m 1 1 电网中各节点的电压水平对于系统的安全运行至关重要。电压与频率的不 同之处是全系统频率处处相同，而电压则处处不同。由于引起线路电压损耗的 主要因素是无功功率的传输，因此保持区域内发出和消耗的无功功率大致平衡， 减小区域问线路无功功率的传输量，是保证系统电压水平最有效的手段。 2 1 1 无功功率电源 无功功率电源可以分为动态无功功率源和静态无功功率源两种。动态无功 功率源是指那些可以在短时间内快速控制无功功率出力的无功源设备，包括发 电机、调相机和静止补偿器等。静态无功源则不具备动态控制出力的能力，包 括并联电容器、并联电抗器等设备。 同步发电机既是有功功率电源，又是无功功率电源。通过调节转子的励磁 电流发电机可以发出或吸收感性无功功率。发电机的无功功率的出力在运行 极限之内可以连续快速调节，同时发电机的有功功率出力极限将会受到其无功 功率出力的影响。 调相机实际上是能生产无功功率的发电机。它也具有发出或吸收感性无功 功率的能力，进相运行时的容量约为感性无功功率输出容量的5 0 。 电容器和电抗器的作用分别是发出和吸收感性无功功率。它们一般通过机 械设备成组地切换投入或退出，从而达到控制出力的目的，因此出力不能连续 调节。电容器和电抗器的反应速度在几秒到十几秒之问，是一种静态的电压控 第2 章无功功率服务 制手段。由于电容器和电抗器的出力由其所在节点的电压大小决定，因此在系 统事故时会加剧故障的影响，对系统稳定产生不利的影响。不过，电容器和电 抗器相对于发电机和调相机具有投资小、安装简单、运行成本低等优点。 静止补偿器在内部可控硅的控制下可以连续且迅速地调节其感性或容性无 功功率的出力。由于它的投资小，运行成本低，同时具各发电机和电容器的一 些优点，因此也得到了广泛的应用。 2 1 2 无功功率负荷 各种用电设备中，除相对量很小的白炽灯照明和电热设备仅消耗有功功率 之外，绝大多数都消耗感性或容性的无功功率，也即负荷功率因数不为l 。其中 消耗容性无功功率( 具有超前功率因数) 的负荷是系统中为数不多的同步电动 机，而大多数负荷都消耗感性无功功率，功率因数约为o 5 o 9 。 2 1 3 无功功率损耗 系统中的无功功率损耗主要包括线路无功功率损耗和变压器无功功率损 耗。线路无功功率损耗又分成两部分，即并联电纳和串联电抗中的无功功率损 耗。并联电纳中的无功损耗也称线路的无功充电功率，与线路电压的平方成正 比，呈容性。 2 1 4 电网中的无功功率平衡 系统中无功功率的平衡关系可以表示成 妨，一幺一9 = 0 ( 2 1 ) 其中q ；为系统无功功率电源出力总和：q l 为系统无功功率负荷总和； y a q 为系统无功功率损耗总和。应该注意的是，这三部分都可能同时包括感性 和容性无功功率，也即如将感性无功功率作为正值，则同时存在f 的和负的无 功电源出力、负荷和损耗。 在稳态运行时，系统无功功率时刻保持平衡，但维持正常的电压水平则需 要进行必要的无功功率潮流调度。当系统无功功率出现不足时，无功功率的平 衡是由于无功功率负荷本身具有的正的电压调节效应使系统电压水平下降从而 减少无功功率需求而达到的。因此，在正常运行情况下，当无功功率负荷上升 1 4 第2 章无功功率服务 时，如果这时系统无功功率电源不能及时提供足够的无功功率出力，则新的系 统无功功率平衡条件决定的电压将低于正常的电压水平。这时虽然可以采取一 些措施提高局部地区的电压水平，例如改变变压器的分接头，但这样的措施实 际上是将其它地区的无功功率调配到该缺乏无功功率的地区，也就是在一定程 度上牺牲了其它地区的电压水平来改善该地区的电压水平。 从上面的讨论可以看到，和有功功率一样，系统中也应该保证一定的无功 功率备用以满足无功功率需求的变化，从而维持正常的电压水平。否则当无功 功率负荷增大时，系统中电压质量将得不到保证。无功功率备用容量一般可取 最大无功负荷的7 8 。 2 2 电力市场中的无功功率服务 3 0 - 3 3 】 2 2 1 无功功率服务内容 电力市场中无功功率服务的内容包括满足用户和系统运行的无功功率需 求，控制系统电压水平、提供足够的无功功率事故备用、降低有功功率网络损 耗等，服务提供方式通常分为无功功率容量服务和无功功率电能服务两种。 用户的无功功率需求一般与其有功功率的需求变化一致，而系统的无功功 率需求则与线路、变压器和电缆的负载情况等等有关。无功功率服务的提供商 需要保证提供足够的无功功率满足用户和系统的需要，在系统重负荷情况下生 产足够的无功功率，而在系统轻负荷下吸收过多的系统剩余无功功率。 在系统枢纽节点上提供足够的无功功率支持可以使这些节点的电压得到较 好的控制，从而使整个系统的电压维持在安全水平，保证系统可靠运行。 系统中的无功功率服务除了需要满足无功功率的需求之外，还要提供足够 的事故备用无功功率容量( 包括容性和感性无功功率) 。一旦系统发生故障，整 个系统的无功功率需求会立即发生变化，因此必须要有足够的无功功率备用来 保证事故情况下系统的安全运行。 另外，无功功率服务也是减少网络损耗的有效手段。合理配置的无功功率 电源和电压水平可以降低网络中的有功功率损耗，从而提高整个系统的运行效 率。 电力市场中无功功率服务可以分别在发电、输电和配电三个环节上提供， 由于发电机和调相机具有动态无功补偿的能力，因此在维持电压水平和保证系 第2 章无功功率服务 统安全性方面起着十分重要的作用。对于有些效率低的发电厂，虽然在有功功 率发电市场中缺乏竞争力，但是它们也可以转成同步调相机运行，从而提供无 功功率服务。输电网可以利用安装静止补偿器和并联电容器电抗器等来提供 无功功率服务，目的是保证网络的输电能力并且在不同的负荷情况下保证系统 的电压质量。配电网则一般通过在负荷节点处安装并联电容器电抗器来改善 用户的功率因数，从而尽量减少系统为传输无功功率而付出的代价。 2 2 2 无功功率服务市场 传统电力体制下。无功的生产与分配完全由系统调度员统一安排，不存在 对无功服务进行成本核算和单独计费问题。在电力市场下，由于无功服务作为 一种辅助服务成为单独的业务，必须制定合理的无功服务价格以保证服务提供 商回收成本并获得一定利润。因此，如何获取无功服务，如何制定无功服务的 价格，建立无功服务市场是否可行等问题己经成为目前电力市场研究的几个热 点问题。 目前，无功功率服务一般通过以下的方法提供： t 强制性免费服务：为了系统的安全运行，系统对所有的发电厂强制要求 提供免费的无功功率； 2 费率( m i f r ) ：无功功率服务成本通过一定的费率从电价中回收； 3 双边合同：供需双方自由制定无功功率服务合同； 4 竞标市场：通过市场竞标机制实现无功功率服务交易。 从经济学的角度来说，通过市场竞争决定商品的价格是最大化社会效益的 最有效手段。但是，无功功率潮流有一个不同于有功功率潮流的特点，即无功 功率有较强的地域性，其传输过程中的高损耗率使得系统不应该将一个地区的 无功功率远距离传输到另一个地区。因此，无功服务自然就具有十分明显的地 区垄断特征，较难建立全网范围内公平竞争的无功服务市场。另外，对无功功 率很难做到准确计量，也增加了建立电力市场的难度。 从长远来看，建立公平竞争的地区性无功服务竟标市场是电力市场发展的 必然趋势，也是电力市场建设中非常重要的一个步骤。在如何保证市场的竞争 性上，一些可行的解决方案包括： 1 在各个地区开放安装无功补偿设备的权力，从而取消无功服务的地域性 贸易壁垒，保证所有设备商都能够在各地区安装无功补偿设备参与当地的无功 1 6 第2 章无功功率服务 服务市场竞争； 2 增加无功服务合同的期限，如要求竞标的无功服务合同必须在3 年以上， 从而让无功服务的提供商有足够时间在服务区域建立自己的无功补偿设备； 3 建立完善的市场监管机制和制定合理的无功服务价格，保证市场健康发 展。 2 2 _ 3 一些国家的无功服务市场 1 e n g l a n d & w a l e s 电力市场 英国电力市场同时有强制性和通过市场交易的无功功率服务。e n g l a n d w a l e s 电网管理条例要求大于5 0 m w 的发电机都有在0 8 5 的滞后功率因数和 0 9 5 的超前功率因数之间运行的能力。 目前英国市场中的发电机通过竞标市场和费率的方式来回收无功功率成 本。费率是英国电力市场中较早期的定价方式，包括无功功率电能费用和区域 性的无功功率容量费用。其中区域性的容量费用是根据各区域对超前和滞后的 无功功率需求来制定的。在具有多余发电容量的英国北部，无功功率容量费用 接近于零：而在缺乏无功的地方该容量费用则非常大。 无功功率服务的竞标市场是由n g c 管理的。n g c 每半年举行一次无功功率 服务竟标，内容包括无功功率电能投标和无功功率容量投标。所有的合同期限 都必须在一年以上，并以十年为单位时间长度。 英国电力市场的无功功率服务交易方式正在逐步改变，可以相信不久英国 将取消无功功率的强制服务，而代之以单一的无功功率服务市场。 2 挪威 在挪威，系统主要通过强制手段获得无功功率服务，系统可以免费使用所 有运行在o 9 2 8 滞后功率因数和o 9 8 超前功率因数的发电机的无功功率出力。 如果超出这个范围的