（電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)論文）基于安全域的電力系統(tǒng)有功和無功定價及阻塞管理.pdf

a b s t r a c t e l e c 打i c 時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 夠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 鋤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 塒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 鋤d t h ec o r r e s p o n d i n ga l g o t 脅a r ed e v e i o p e d t h e 觸i cv o l t a g es t a b i l 時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 鋤i cs e c u r 時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 夠鋤dt r l a i l s i e n ts t a b i l i 饑 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 鋤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 穢o fm a 曙i n a lc o s ta n dk to p t i m a 夠c o n d i t i o n a c t i v ep o w e r 鋤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 艦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 夠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 賦研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 鋤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 諺 r e 畫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 訕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 鋤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 秈 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 時c o n s 餉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 夠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 訖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 夠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 夠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 夠c o n s 缸 a i n ta n dt r a n s i e n ts t a b i l 時c o n s 仃a i n t t h ei m p a c to fi n s 協(xié)l l e d l o c a t i o na n dc 印a c 時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 鏟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 鋤i cs e c u 衄r e g i o n s t a t i cv o i 詛g es t a b i l 時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 鋤一s h a p l e yv r a l u e w i n df a m 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特別加以標注和致謝之處外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得墨鲞盤堂或其他教育機構(gòu)的學位或證 書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意 學位論文作者簽名 每 芊銘 簽字日期 二研年 月j 日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解叁鲞盤塋有關(guān)保留 使用學位論文的規(guī)定 特授權(quán)苤壅盤鱟 可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢 索 并采用影印 縮印或掃描等復制手段保存 匯編以供查閱和借閱 同意學校 向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和磁盤 保密的學位論文在解密后適用本授權(quán)說明 學位論文作者簽名 舛色名 簽字日期 二研年 月鄉(xiāng)日 導師簽名 簽字日期 天津大學博士學位論文 1 1 引言 第一章緒論 電力工業(yè)是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)和能源產(chǎn)業(yè) 電氣化程 度是衡量一個國家現(xiàn)代化水平的一個重要標志 面對經(jīng)濟全球化趨勢和科技迅猛 發(fā)展的形勢 有一百多年歷史的 古老 電力系統(tǒng) 在其發(fā)展的進程中 正面臨 著一系列新的挑戰(zhàn) 1 電力市場化 由于投資巨大和電力運行安全的需要 歷史上多數(shù)國家的 電力工業(yè)都是以政府投資為主 采用垂直一體化的生產(chǎn)方式實行獨家經(jīng)營 但是 壟斷經(jīng)營所帶來的是電力工業(yè)投資不足 效率低下 技術(shù)創(chuàng)新能力不足以及服務 質(zhì)量下降和價格不斷攀升等問題 自2 0 世紀8 0 年代以來 英國 北歐 美國部 分地區(qū) 澳大利亞等許多國家和地區(qū)相繼放松管制 鼓勵競爭 電力行業(yè)天然壟 斷的概念已在某種程度上得到部分消除 世界電力工業(yè)體制改革浪潮開始席卷全 球 盡管各國改革的模式不同 但其根本宗旨都是打破電力行業(yè)壟斷 促進市場 競爭 實現(xiàn)資源優(yōu)化配置 降低成本和電價 從而提高本國經(jīng)濟在國際市場上的 競爭能力 然而電力市場化改革也給電力系統(tǒng)運行帶來了新問題 市場參與者之 間的競爭把系統(tǒng)運行點推向穩(wěn)定邊界 導致網(wǎng)絡(luò)阻塞 危及系統(tǒng)的安全性 由于 參與市場的目的是為了追求自身的最大利益 因此市場成員沒有提供輔助服務尤 其是無功功率的積極性 而無功不足是造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的重要原因之一 如北美 8 1 4 大停叫u 因此 在市場環(huán)境下 如何充分利用競爭機制和價格手段的激勵 作用 使市場成員積極參與維護系統(tǒng)安全性 是值得深入研究的問題 2 大電網(wǎng)互聯(lián) 跨國聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢 由于能源分布和經(jīng)濟發(fā)展的不平衡 及電網(wǎng)互聯(lián)運行的巨大效益 使大電網(wǎng)互聯(lián) 跨國聯(lián)網(wǎng)輸電的趨勢不斷發(fā)展 如 東西歐聯(lián)網(wǎng) 東南亞地區(qū)聯(lián)網(wǎng) 環(huán)日本海地區(qū)聯(lián)網(wǎng)等 在中國 隨著三峽輸電系 統(tǒng)的建成 中部將形成沿長江流域包括川渝 華中 華東電網(wǎng)在內(nèi)的三峽交直流 電力系統(tǒng) 預計總?cè)萘繉咏? 0 0 g w 與此同時 北方的華北 東北 西北 電網(wǎng)將實現(xiàn)互聯(lián) 南方電網(wǎng)將進一步加強 屆時 全國將形成北 中 南三大互 聯(lián)電網(wǎng)的格局 通過它們之間的互聯(lián) 預期2 0 2 0 年左右將基本實現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng) 互聯(lián)電力系統(tǒng)能更好地綜合利用地區(qū)上分散的各種能源 獲得廉價的電能 減 第一章緒論 少系統(tǒng)的裝機容量和投資 在故障時增加系統(tǒng)中各部分間的相互支援能力 以 提高可靠性 但隨著輸電網(wǎng)開放以及跨區(qū)域電能交易的日益增多 輸電阻塞問題 將日趨嚴重 輸電系統(tǒng)阻塞的原因是 輸電線的熱容量限制和系統(tǒng)的穩(wěn)定性限制 系統(tǒng)輸送容量的限制帶來的影響是使系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性受到威脅 使電能交 易計劃無法實現(xiàn) 影響資源的優(yōu)化配置和利用 還可能導致市場力的濫用引起電 價的扭曲 3 環(huán)境保護的嚴厲制約 隨著全球經(jīng)濟的不斷發(fā)展和民眾環(huán)境意識的增強 電力工業(yè)發(fā)展受到環(huán)保制約的程度將越來越大 發(fā)達國家的情形更為突出 新輸 電線路的建設(shè)往往因民眾的反對而不能實施 歐美國家1 0 0 0 千伏以上特高壓輸 電發(fā)展計劃之所以中止 除電力需求增長緩慢的因素之外 環(huán)保的考慮也是重要 原因 環(huán)保的制約主要表現(xiàn)在電源建設(shè)上 將來會更多地開發(fā)對環(huán)境影響較小的 電源形式 如潔凈煤燃燒發(fā)電 天然氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 核電及可再生能源發(fā) 電 在眾多可再生能源發(fā)電技術(shù)中 風力發(fā)電是目前技術(shù)最成熟 最具有規(guī)?；?開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一 據(jù)世界風能協(xié)會 g w e c 的統(tǒng)計數(shù) 據(jù)表明 目前全球有7 0 多個國家使用風能發(fā)電 風電消費占世界電力消費的 1 3 我國風能資源豐富 陸地加近海風力資源達1 5 億千瓦以上 其中陸地l o 米高度內(nèi)的風力資源為2 5 3 億千瓦 1 0 0 米高度內(nèi)的可利用風能高達7 億千瓦 風力發(fā)電發(fā)展?jié)摿薮?2 0 0 7 年底我國風電建設(shè)已突破6 0 0 萬千瓦 居世界第 五位 在建的還有4 2 0 萬千瓦 預計兩年后將突破2 0 0 0 萬千瓦 屆時中國將成 為世界最大的風力發(fā)電國家之一 大量風電并入電力系統(tǒng) 使得電源結(jié)構(gòu)和分布 發(fā)生了改變 從而對系統(tǒng)的優(yōu)化潮流 輸電阻塞和系統(tǒng)的穩(wěn)定等產(chǎn)生影響 為此 本文以電力市場環(huán)境下如何實現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行為切入點 在優(yōu)化潮流的基礎(chǔ)上 研究電力系統(tǒng)有功和無功定價 阻塞成本分攤以及風電場 并網(wǎng)對系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行的影響 1 2 電力市場概述 從電力工業(yè)發(fā)展的歷史來看 世界各地的電力部門基本都發(fā)展成了縱向一體 化的企業(yè)結(jié)構(gòu) 電力供應的主要組成部分一發(fā)電 輸電 配電和零售供應都由同 一家電力公司掌握 隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展 盡管電力工業(yè)的技術(shù)水平日臻完 善 電力工業(yè)高度壟斷經(jīng)濟的負面影響卻逐漸顯現(xiàn)出來 因此 世界各國的電力 工業(yè)掀起了市場化改革的浪潮 電力市場最重要的改革目標是為電力工業(yè)創(chuàng)造新 的管理布局 使其能為消費者提供長期的利益 天津大學博士學位論文 1 2 1 電力市場基本概念 美國經(jīng)濟學家曼昆認為1 2 j 市場是進行某種物品或勞務交易的一群買者和賣 者 買者作為一個群體決定了物品的需求 而賣者作為一個群體決定了物品的供 給 依據(jù)曼昆的市場概念 從交易對象上看 電力市場就是進行電力及相關(guān)服務 交易的一群買者和賣者 相關(guān)服務包括輸電服務 運行調(diào)度服務以及輔助服務等 國內(nèi)學者從不同角度對電力市場概念給出了定義 3 蚓 從管理學 經(jīng)濟學與行為 學的綜合角度來看 電力市場是電力的買方與賣方相互作用以決定其電價和電量 的過程 是采用經(jīng)濟手段 本著公平競爭 自愿互利的原則 對電力系統(tǒng)中發(fā)電 輸電 配電 用戶等各成員組織協(xié)調(diào)運行的管理機制和執(zhí)行系統(tǒng)的總和 電力市 場首先是一種管理機制 是采用市場手段進行管理 以優(yōu)化配置資源 電力市場又 是體現(xiàn)這種管理機制的執(zhí)行系統(tǒng) 包括交易場所 計量系統(tǒng) 計算機系統(tǒng) 通信 系統(tǒng)等 電力市場的運作主要是基于價格機制與市場供需機制的相互作用進行 并受到相關(guān)機構(gòu)的有限管制 開放性 競爭性 計劃性和協(xié)調(diào)性 是電力市場的基本特征 與傳統(tǒng)壟斷 的電力系統(tǒng)相比 電力市場的最大特征是具有開放性和競爭性 與普通商品市場 相比 電力市場則具有計劃性和協(xié)調(diào)性 電力系統(tǒng)的各成員之間是相互緊密聯(lián)系 的 任一成員的行為 均將對整個電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響 所以要求電力市場中的電 力生產(chǎn) 使用 交換具有計劃性 同時 由于電力系統(tǒng)要求隨時做到供需平衡 所以要求電力市場中的供應者之間 供應者與用戶之間相互協(xié)調(diào) 1 2 2 電力市場基本原則 建立電力市場的目的是在電力工業(yè)中引入競爭機制 從宏觀的角度看 電力 市場的基本原則與其它商品市場相同 都應遵循 公平 公正 公開 即所謂 三公 原則用 公平 是指對所有參與者一視同仁 沒有歧視和特殊保護 對發(fā)電廠實行 競價上網(wǎng) 激勵各發(fā)電廠提高生產(chǎn)效率 降低成本 增加活力 競爭結(jié)果令各方 滿意 對用戶按真實成本收費 盡量減少交叉補貼 公正 是指市場規(guī)則 如 合理的定價機制 競爭規(guī)則和監(jiān)管法規(guī)等 公開 是指對市場交易必要的信息 公開 如定價標準 網(wǎng)絡(luò)擁堵 計量 計劃變更等 這樣在電力市場下 發(fā)電商 可以根據(jù)上網(wǎng)電價 確定和調(diào)整自己的報價策略 隨時了解自己的經(jīng)濟運行狀況 用戶可以依據(jù)零售電價制定最優(yōu)用電計劃 調(diào)整用電結(jié)構(gòu) 通過電價杠桿 由電 力市場將供電和用電雙方緊密聯(lián)系起來 各自選擇理想的交易方式 實現(xiàn)經(jīng)濟互 動和具有彈性的電力調(diào)度和市場均衡模式 第一章緒論 1 2 3 電力市場中的實體 電力工業(yè)由傳統(tǒng)模式走向電力市場引發(fā)了解除或放松管制 機構(gòu)重組的復雜 過程 并衍生出許多新的實體 這些實體主要包括 堋 發(fā)電商 g e n e r a t o r g 電 網(wǎng)擁有者 g r i dc o m p a n y g c 配電商 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 電力 交易中心 p o w e re x c h a n g e p x 獨立系統(tǒng)運行員 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 計劃協(xié)調(diào)者 s c h e d u l i l l gc o o r d i n a t o r s c 發(fā)電商是發(fā)電廠的所有者 負責發(fā)電廠機組的運行和維護 發(fā)電商有權(quán)利在 電力市場中進行無歧視的交易 電網(wǎng)擁有者的主要任務是輸電規(guī)劃 電網(wǎng)運行和收取過網(wǎng)費等 配電商負責本地區(qū)配電網(wǎng)的運行并向終端用戶供電 電力市場的發(fā)展也會使 得配電商轉(zhuǎn)為一個獨立配電網(wǎng)運行機構(gòu) 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 負責向終端用戶供電 電力交易中心負責運行電力聯(lián)營體 它在供電和需求投標的基礎(chǔ)上處理電力 交易 負責運行目前市場和時前市場 在英國電力市場中 獨立系統(tǒng)運行員和電 力交易所的職能統(tǒng)一由國家電網(wǎng)公司負責1 3 j 獨立系統(tǒng)運行員保證系統(tǒng)可靠性 提供無歧視的輸電服務 輸電網(wǎng)阻塞管理 負責實時的電量市場和輔助服務 并被禁止在調(diào)度運行中獲利 有些國家的電力 市場中 獨立系統(tǒng)運行員的職能并沒有完全從輸電網(wǎng)所有者中脫離出來 計劃協(xié)調(diào)者負責安排雙邊交易 雙邊交易必須發(fā) 用平衡 并為消費者購買 和提供輔助服務 依據(jù)市場結(jié)構(gòu)的復雜程度 不同國家應用這些實體的組合方式有很大差別 1 2 4 電力市場交易模式 電力市場交易模式 是由于交易主體在電力市場交易中的參與方式 交易地 位以及交易自由度的不同 所構(gòu)成的不同市場交易形態(tài) 8 目前世界各國電力市 場的交易模式大致分為兩個基本類型 聯(lián)營體模式 p o o lm o d e l 和雙邊交易模式 b i l a t e r a lt r a d e sm o d e l 9 由兩個基本類型可以派生出p b 模式 即聯(lián)營模式與雙 邊交易模式的有機結(jié)合模式 以及多邊交易模式 1 聯(lián)營體模式 聯(lián)營體模式也被稱為 總量市場化模式 或 強制性電力庫模式 是指在 一個區(qū)域 只有一個強制市場成員參與的 集中的 競爭的市場 聯(lián)營體模式下 一切交易必須在p o o l 內(nèi)進行 在發(fā)電廠之間和用戶之間引入競爭 調(diào)度和交易為 一體 電網(wǎng)運營者作為唯一的購買者 電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)起著組織電力市場的主要作 天津大學博士學位論文 用 具有在電力市場交易中協(xié)調(diào)價格和處理確定電網(wǎng)的系統(tǒng)電價等協(xié)調(diào) 指導 指揮的職能 發(fā)電商作為市場參與者向電網(wǎng)申報報價曲線進行投標 獨立運行員 和交易中心組合體即聯(lián)營體負責集中管理輸電網(wǎng) 由其收集各參與者的投標 價 格和電量等 信息 然后按照統(tǒng)一原則評估各投標數(shù)據(jù) 并確定系統(tǒng)電價和實現(xiàn) 輸電交易 聯(lián)營體交易模式如圖1 1 所示 圖1 1 聯(lián)營體電力市場結(jié)構(gòu) 2 雙邊交易模式 雙邊交易模式則是發(fā)電商與用戶或雙方的各自代理直接簽訂電力合同 由買 賣雙方通過協(xié)商確定價格 然后遞交給交易中心 并由計劃協(xié)調(diào)者將交易內(nèi)容提 交給獨立運行員審核 該模式的結(jié)構(gòu)如圖1 2 所示 與p o o l 模式相比 雙邊交易 模式則突出電力交易雙方的交易自由度 競爭更加充分 該模式一般不單獨存在 而是與p o o l 模式共存 但前者所占份額大 四日口 圖1 2 雙邊交易電力市場結(jié)構(gòu) 3 p b 模式 這種模式綜合了上述兩種基本模式的特征 存在聯(lián)營體的同時也允許供購雙 方進行直接電力金融交易和雙邊交易 供購電的各方可以自主地而非強制地選擇 參與聯(lián)營體交易或進行其他方式的交易 這種混合模式給予了市場參與者最大的 選擇權(quán)利 他們可以在對成本 信用風險和市場風險等進行綜合評估之后 自主 選擇以何種方式購售電力 該模式下市場的自由度和靈活性得到了大大的增強 墨 寶j 寶盈 第一章緒論 因此成為國際上比較推崇的電力市場模式 4 多邊交易模式 多邊交易是雙邊交易的擴展 有兩個以上交易 多邊交易模式 10 1 也被稱為協(xié) 調(diào)多邊交易模式 在該模式中 經(jīng)濟性和可靠性被分離 電力系統(tǒng)運行人員提供 系統(tǒng)公用數(shù)據(jù)給發(fā)電商和用戶 由發(fā)電商和用戶商議確定多邊交易 以滿足系統(tǒng) 運行要求 并使得發(fā)電商和用戶利潤最大 在這一過程中 市場交易不是透明的 系統(tǒng)運行人員不能干預 所有的成本和利潤函數(shù)都是私人信息 只用于交易的協(xié) 商中 通過設(shè)計恰當?shù)男畔l(fā)布平臺 交易各方能夠在保持自己獲利最大的情況 下 使得系統(tǒng)運行在安全的范圍內(nèi) 世界各國所采用的電力市場模式多種多樣 即使在同一個國家不同的地區(qū)所 采用的電力市場模式也不盡相同 有的國家是兩種模式或幾種模式的綜合 并隨 著時間的推移而發(fā)生變化 1 3 電力市場下的最優(yōu)潮流 保證電力系統(tǒng)安全 可靠 優(yōu)質(zhì)的經(jīng)濟運行 一直是電力工作者所關(guān)注的問 題 隨著經(jīng)濟理論 控制理論 計算機技術(shù)和電力系統(tǒng)理論的結(jié)合 實現(xiàn)電力系 統(tǒng)優(yōu)化運行方法和手段日趨成熟 從初期的機組效率分配準則到等耗微增率準則 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 標志著電力系統(tǒng)優(yōu)化運行的一次飛躍 1 9 6 2 年 法國學者j c a r p e n t i e r 首次提出了最優(yōu)潮流 o p t i m a lp o w e rf l o w o p f 數(shù) 學模型f l 該模型能夠?qū)㈦娏ο到y(tǒng)的經(jīng)濟性和安全性有機地結(jié)合起來 引起了電 力工程界的廣泛關(guān)注 在隨后的幾十年里 最優(yōu)潮流獲得了很大的發(fā)展 不僅考 慮到了不同的優(yōu)化目標和不同的約束條件 而且提出了卓有成效的各種算法 其 研究領(lǐng)域和應用范圍日益擴大 成為一種不可缺少的網(wǎng)絡(luò)分析和優(yōu)化工具 電力市場化以來 系統(tǒng)運行中安全性和經(jīng)濟性的地位和關(guān)系 從傳統(tǒng)的安全 第一轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗷f(xié)調(diào)統(tǒng)一 從而給o p f 的研究帶來了許多新的挑戰(zhàn) 除了傳統(tǒng) 的優(yōu)化調(diào)度控制外 o p f 還須解決節(jié)點的實時電價 l2 1 阻塞管理1 1 引 轉(zhuǎn)運費計 算 1 4 等新問題 這使得電力市場下的最優(yōu)潮流成為研究的熱點 1 3 1 最優(yōu)潮流模型 最優(yōu)潮流在數(shù)學上是一個帶約束的優(yōu)化問題 可以描述為在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù) 以及系統(tǒng)負荷給定的條件下 確定系統(tǒng)的控制變量 滿足各種等式 不等式約束 使得描述系統(tǒng)運行效益的目標函數(shù)取極值 o p f 是一個復雜的非線性規(guī)劃問題 其數(shù)學模型為 天津大學博士學位論文 m i n s t g o 0 1 1 辦 工 甜 0 式中 為目標函數(shù) g 為等式約束條件 辦為不等式約束條件 z 為系統(tǒng)的狀態(tài)變 量 砧為控制變量 最優(yōu)潮流最常用的目標函數(shù)有兩種形式 系統(tǒng)運行成本最小和有功網(wǎng)損最 小 系統(tǒng)運行成本最小一般表示為全系統(tǒng)火電機組燃料總費用最小 不考慮機組 啟動 停機等費用 無功優(yōu)化潮流通常以有功網(wǎng)損最小為目標函數(shù) 它在減少系 統(tǒng)有功損耗的同時 可以改善電壓質(zhì)量 o p f 的等式約束條件為系統(tǒng)的基本潮流 方程 不等式約束條件主要有 發(fā)電機出力上下限 節(jié)點電壓幅值上下限 線路 傳輸功率極限 可調(diào)變壓器抽頭位置 移相器抽頭位置 并聯(lián)電抗器 電容器容 量等 控制變量是可以控制的自變量 通常包括各火電 核電 機組有功出力 各 發(fā)電機 同步補償機無功出力 或機端電壓 移相器抽頭位置 可調(diào)變壓器抽頭 位置 并聯(lián)電抗器 電容器容量 在某些緊急情況下 某些負荷的削減也可以作 為控制的手段 狀態(tài)變量是控制變量的因變量 通常包括各節(jié)點電壓和各支路功 率等 針對不同的應用 o p f 模型可以選擇不同的控制變量 狀態(tài)變量集合 不同 的目標函數(shù)和約束條件 電力市場化后 由于各個市場參與者之間的關(guān)系表現(xiàn)為 價格的聯(lián)系 所以目標函數(shù)最根本的變化是從以成本為依據(jù)轉(zhuǎn)向以價格為依據(jù) 例如使阻塞管理的費用最小 使社會總效益最大等 計及了諸如暫態(tài)穩(wěn)定 電壓 穩(wěn)定 負荷彈性 合同電量等新的約束條件 使系統(tǒng)的安全性程度得到了提高 1 3 2 最優(yōu)潮流的算法 最優(yōu)潮流模型中包含的變量數(shù)及等式和不等式約束的數(shù)目巨大 而且變量之 間存在著復雜的函數(shù)關(guān)系 這些因素使得o p f 計算躋身于大規(guī)模非線性規(guī)劃的行 列 因此從最優(yōu)潮流模型首次提出以來 提出的最優(yōu)潮流算法很多 下面僅對幾 種主要的算法進行評述 線性規(guī)劃法 l i n e a rp r o g r a m m i n g 線性規(guī)劃法是在一組線性約束條件下 尋找線性目標函數(shù)的最大值和最小值 的方法 對于o p f 問題 線性規(guī)劃方法一般將非線性方程和約束條件使用泰勒級 數(shù)近似線性化處理 或?qū)⒛繕撕瘮?shù)分段線性化 線性化后的求解可以用改進的單 純形 法 1 5 或?qū)ε季€性規(guī)劃法 1 6 由于有功潮流可以很好的精度線性化 所以線性規(guī)劃法在有功優(yōu)化中應用較 為成功1 1 7 1 將線性規(guī)劃法用于無功調(diào)度的求解有時會出現(xiàn)鋸齒現(xiàn)象1 18 1 因此文 第一章緒論 獻 1 9 提出使用控制變量約束來解決這個問題 但無功優(yōu)化問題的目標函數(shù)具有 強非線性 尤其是以網(wǎng)損最小作為目標函數(shù) 線性化后優(yōu)化效果較差 這使線性 規(guī)劃算法在無功優(yōu)化中的應用受到了限制 簡化梯度算法 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 年提出的簡化梯度算法 2 0 1 是能夠成功地求解較大 規(guī)模的o p f 問題并被廣泛采用的第一個算法 這種算法以牛頓法潮流計算為基 礎(chǔ) 利用罰函數(shù)處理越界的函數(shù)不等式約束 用拉格朗日乘子法判別是否越界 該方法直觀 簡單 容易實現(xiàn) 但是該方法步長修正因子難以賦值 罰函數(shù)處理 不當會使算法的收斂性變壞 特別是在接近最優(yōu)解時梯度基本為零 收斂很慢 為此文獻 2 1 2 4 提出了對這個算法的改進 使收斂性得到了改善 二次規(guī)劃法 q u a d r a t i cp r o g r a m m i n g 二次規(guī)劃適于求解目標函數(shù)為二次形式 約束條件為線性表達式的問題 r e i d 和h a s d o r f 于1 9 7 3 年首次提出用二次規(guī)劃法求解經(jīng)濟調(diào)度問趔2 5 j 通過引 入人工變量把費用函數(shù) 目標函數(shù) 近似為二次函數(shù) 利用泰勒級數(shù)展開 把約束 線性化 并采用線性規(guī)劃中的w o l f 算法求得最優(yōu)解 但是計算時間隨系統(tǒng)規(guī)模 的增大而明顯延長 1 9 8 2 年o p f 二次規(guī)劃法的研究取得了突破性的進展 美國 g e 公司的b u r c h e t t 和h a p p 2 6 等人通過采用增廣拉格朗日函數(shù) 將原非線性規(guī)劃 模型分解為一系列線性約束子問題求解 這些二次規(guī)劃子問題利用了h e s s i 鋤矩 陣的稀疏性 并用擬牛頓法求解 它能處理各種目標函數(shù) 且在不同初始條件下 均能得到正確解 二次規(guī)劃法的優(yōu)點是比較精確可靠 但其計算時間隨變量和約 束條件數(shù)目的增加而急劇延長 而且在求臨界可行問題時會導致不收斂 牛頓法州e w t o nm e t h o d 1 9 8 4 年臺灣學者d i s u n 等人提出的牛頓法最優(yōu)潮流算法l z7 被公認為是最 優(yōu)潮流算法研究的一次重大飛躍 這種算法采用拉格朗日乘子處理等式約束 用 罰函數(shù)處理起作用的不等式約束 進而得到增廣的目標函數(shù) 然后用牛頓尋優(yōu)方 法求解由拉格朗日梯度向量產(chǎn)生的自變量和拉格朗日乘子的增量 得到本次迭代 中變量的修正量 牛頓法充分利用了稀疏技術(shù) 使用h e s s i a n 矩陣做迭代步長 具有二階收斂性 該算法的主要難點是如何確定起作用的不等式約束集和由于迭 代矩陣的 病態(tài) 特性而導致的數(shù)值不穩(wěn)定 國內(nèi)外學者圍繞該難點的解決方法 進行了大量的研究 2 8 3 4 1 給出了不同識別起作用約束集的方案 在一定程度上克 服了牛頓法系數(shù)矩陣的病態(tài)特性 內(nèi)點法 i n t e d o rp o i n ta l g o r i m m 1 9 8 4 年 印度數(shù)學家k 啪a r l a r 提出了具有多項式時間可解性的線性規(guī)劃內(nèi) 點算法 3 5 1 隨后 許多學者對內(nèi)點算法進行了廣泛深入的研究f 3 目前內(nèi)點法 天津大學博士學位論文 主要可以分為投影尺度法 仿射尺度法 原一對偶內(nèi)點算法三類 投影尺度法在 o p f 問題中性能較差 仿射尺度法在確定初始內(nèi)點可行解比較復雜 并且在最優(yōu) 點附近收斂速度較慢 原一對偶內(nèi)點法具有很好的收斂性和魯棒性 且迭代次數(shù) 與系統(tǒng)規(guī)模關(guān)系不大 在電力系統(tǒng)的最優(yōu)潮流中被廣泛采用 但內(nèi)點法仍需要判 斷關(guān)鍵約束集 并且存在對初值較敏感的問題 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 近年來 隨著計算機和人工智能等技術(shù)的發(fā)展 不斷有新的方法出現(xiàn) 模擬 進化規(guī)劃方法 模糊集理論 模擬退火算法等人工智能方法先后用于電力系統(tǒng)最 優(yōu)潮流問題 模擬進化規(guī)劃方法 4 1 4 2 主要包括進化規(guī)劃 4 3 舶 和遺傳算法f 4 9 1 是模仿生物 進化過程所得到的一類優(yōu)化方法 屬于隨機優(yōu)化方法 擅長處理離散變量 主要 用于無功優(yōu)化 它具有全局收斂性 并行處理特性 通用性及魯棒性等優(yōu)點 模 糊集理論適合于描述不確定性以及處理不同量綱 相互沖突的多目標優(yōu)化問題 5 0 5 1 1 為解決具有可伸縮約束的多目標優(yōu)化問題提供了新途徑 文獻 5 2 把約束 條件分為硬約束和軟約束兩種 然后利用模糊集把軟約束和目標函數(shù)模糊化 得 到模糊o p f 問題 然后再對o p f 問題的目標函數(shù)進行修正 使得目標函數(shù)中所 有的控制變量都能顯性地表示出來 有利于用逐次線性規(guī)劃法求解 模擬退火算 法是一種有效的通用啟發(fā)式隨機搜索方法 文獻 5 3 在無功優(yōu)化中 以裝設(shè)無功 電源和總能量損耗所需費用之和為目標 得到一個不可微的函數(shù) 利用模擬退火 算法求解 以合適的冷卻速度解算b o k m a n 因子 根據(jù)擾動機理確定新的迭代 值 最終使得所求解以概率1 漸進地收斂于全局最優(yōu)解 但運算時間比較長 人工智能方法解決了尋找全局最優(yōu)解的問題 能精確處理問題中離散變量 但這一類方法是根據(jù)隨機性的搜索原理尋找最優(yōu)解 計算速度慢 難以適應在線 計算及電力市場的要求 1 3 3 最優(yōu)潮流在電力市場中的應用 世界范圍內(nèi)的電力工業(yè)改革將經(jīng)濟性提高到一個新的高度 給最優(yōu)潮流的研 究注入了強勁的動力 o p f 被廣泛的應用于實時電價計算 阻塞管理 可用輸電 容量計算 輔助服務定價等領(lǐng)域中1 5 4 1 實時電價計算是一個帶有網(wǎng)絡(luò)約束的電力系統(tǒng)優(yōu)化問題 與傳統(tǒng)o p f 不同 的是 它的目標函數(shù)是基于發(fā)電廠報價的市場總收益最大 而不是單純的發(fā)電成 本最小 實時電價的概念是1 9 8 8 年由s c h w e p p e 等人 提出的 它將經(jīng)濟學中 達到全社會效益最優(yōu)的邊際成本定價理論應用到電能這 特殊商品 并強調(diào)電能 的價格隨時間 空間的不同而不同 r a y 和a l v a r a d o 5 6 j 應用修正的最優(yōu)潮流研究 第一章緒論 了實時電價政策對用戶的影響 這是0 p f 應用于實時電價的首次嘗試 文獻 5 7 發(fā)展了這一模型 提出了利用o p f 求解無功實時電價的方法 并且發(fā)現(xiàn)o p f 是 一種極具潛力的實時電價計算方法 電力市場環(huán)境下 競爭機制的引入使得電網(wǎng)中的潮流加重并且潮流方式多變 輸電阻塞成為影響系統(tǒng)安全運行的首要問題 阻塞管理的目標是制定一系列規(guī) 則 有效地控制發(fā)電機和負荷 使系統(tǒng)的短期運行具有一定的安全和可靠性裕度 同時為系統(tǒng)的長期投資規(guī)劃提供有效信息 最優(yōu)潮流為阻塞管理提供了強有力的 工具 文獻 5 8 以購電費用增加最小為目標函數(shù) 用非線性內(nèi)點法最優(yōu)潮流實現(xiàn) 了阻塞調(diào)度控制 文獻 5 9 建立了基于互聯(lián)電網(wǎng)的分區(qū)o p f 分解協(xié)調(diào)模型 采用 輔助問題原理對優(yōu)化問題進行了等價分解 提出了一種用序列二次規(guī)劃的分布 式并行o p f 計算算法 使用該算法解決了跨區(qū)域輸電阻塞問題 市場環(huán)境下 電網(wǎng)公司對系統(tǒng)現(xiàn)有的輸電能力進行評估可以確保電網(wǎng)的安全 運行 減少輸電阻塞的發(fā)生 而且這些信息可以指導電網(wǎng)使用者作出合理的電能 交易決策 北美電力可靠性委員會 n e r c 于1 9 6 6 年給出了可用輸電容量 a v a i l a b l e t r 鋤s f e rc a p a b i i 劬a t c 的定義 刪 a t c 是在現(xiàn)有的輸電合同基礎(chǔ)上 實際物理 輸電網(wǎng)絡(luò)中剩余的 可用于商業(yè)使用的輸電能力 可用輸電容量可以作為優(yōu)化問 題來求解 6 1 拼 文獻 6 5 采用直流模型 考慮了各種安全約束 用線性規(guī)劃優(yōu)化 方法計算單個電源負荷母線組或輸電走廊的a t c 文獻 6 6 采用多層前饋神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)方法 求解以區(qū)域間最大輸電容量為目標函數(shù)的交流o p f 模型 電力市場中的輔助服務主要包括 熱備用 冷備用 a g c 電壓 無功支持 和黑啟動等 對i s o 而言 有兩種途徑可以獲得需要的備用支持 一是備用與能 量同時拍賣 從拍賣價格中按照機會成本補償該機組提供的備用 二是單獨建立 一個備用拍賣市場 備用服務單獨定價 兩種方法都可采用o p f 建模求解 但前 者備用出現(xiàn)在約束條件中 后者的目標函數(shù)為備用服務費用最小 文獻 6 7 討論 了旋轉(zhuǎn)備用定價問題 并將用戶因斷電而獲得的賠償費用加入到目標函數(shù)中 文 獻 6 8 6 9 提出了基于修正最優(yōu)潮流模型的一體化實時電價算法 給出了各拉格朗 日乘子所包含的輔助服務的經(jīng)濟學信息 文獻 7 0 在最優(yōu)潮流模型中引入了無功 功率的發(fā)電成本和無功補償器成本 分析了不同優(yōu)化目標及不同的約束條件對以 經(jīng)濟學為基礎(chǔ)的無功電價的影響及無功電價的特點 從研究現(xiàn)狀可以看出 市場環(huán)境下的最優(yōu)潮流應進一步研究 如何在最優(yōu) 潮流中同時考慮暫態(tài)穩(wěn)定以及電壓穩(wěn)定問題 以保證電力系統(tǒng)能安全運行 文獻 7 1 7 4 雖然研究了含暫態(tài)穩(wěn)定約束的最優(yōu)潮流 但未考慮電壓穩(wěn)定問題 如何 將綜合考慮系統(tǒng)安全約束的最優(yōu)潮流和具體的電力市場模式有機地結(jié)合起來 使 其更好地為電力市場服務 包括如何進行更有效的阻塞管理 公平合理地制訂電 天津大學博士學位論文 價 充分利用電力系統(tǒng)的物理特性和計算技術(shù) 改進最優(yōu)潮流算法 提高算法 的收斂性和計算速度 使之適用于大電力系統(tǒng) 1 4 電力市場下的實時電價 1 4 1 實時電價理論 美國麻省理工學院以f c s c h w e p p e 為首的六位學者于1 9 8 0 年提出 7 5 要改變 傳統(tǒng)的供與求模式并建立電力市場 就應像電力系統(tǒng)的電壓和頻率一樣計算和控 制電能的價格 即采用實時電價 s p o tp r i c e 它不僅隨時間變化 而且不同母線 上有不同電價 在事故情況 正常情況和安全情況的電價也不相同 s c h w e p p e 在文獻 5 5 中系統(tǒng)地提出了實時電價理論 實時電價是在考慮運行和基本投資的情況下 在給定的極短時段 o 5 h 或更短 時間 內(nèi)向用戶提供電能的邊際成本 第k 個用戶在時段t 的實時電價可表示式為 鳳 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 戶k t 為第k 個用戶在時段t 的實時電價 所 t 為邊際發(fā)電燃料成本 為 邊際發(fā)電維護成本 s 為發(fā)電質(zhì)量分量 阪 為發(fā)電收支平衡項 釓 k 為邊際 網(wǎng)損成本 1 t 為邊際網(wǎng)絡(luò)維護成本 k t 為網(wǎng)絡(luò)供電質(zhì)量分量 狐t 為網(wǎng)絡(luò) 收支平衡項 1 系統(tǒng)邊際發(fā)電運行成本五 邊際發(fā)電燃料成本所 t 和邊際發(fā)電維護成本 之和為系統(tǒng)邊際發(fā)電運行 成本 簡稱為系統(tǒng)元 計算公式為 a 皇l 魚 堡 立 魚 墾 型 1 3 a 睨 t 式中 c f 睨 c 0 分別是系統(tǒng)發(fā)電量為 時的燃料總成本和維護總成本 五與系統(tǒng)的發(fā)電量吸 機組狀況 水的可用率以及電力公司的交易等因素有關(guān) 2 發(fā)電質(zhì)量分量 發(fā)電質(zhì)量分量 s 是衡量系統(tǒng)是否具有足夠發(fā)電容量的參數(shù) 當系統(tǒng)的發(fā) 電容量非常充裕