電力交易模式下的阻塞管理研究綜述

電力交易模式下的阻塞管理研究綜述

隨著輸電網(wǎng)絡(luò)開放和區(qū)域能源事務(wù)的增加，阻礙的可能性也在增加。在電力市場(chǎng)化以前,由于發(fā)、輸、配電同屬一個(gè)實(shí)體,消除阻塞只需由壟斷電力公司中的調(diào)度員向各個(gè)電廠發(fā)出調(diào)度指令,根據(jù)需要減少和調(diào)節(jié)機(jī)組出力,直至電力系統(tǒng)運(yùn)行在輸電約束之內(nèi)即可。但是,電力市場(chǎng)化之后,輸電系統(tǒng)和發(fā)電廠成為彼此獨(dú)立的經(jīng)濟(jì)實(shí)體,負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行的獨(dú)立系統(tǒng)調(diào)度員(ISO)不能直接發(fā)指令要求減少機(jī)組出力,必須平等對(duì)待各個(gè)市場(chǎng)參與者,按事先確定的削減交易計(jì)劃和調(diào)整準(zhǔn)則實(shí)行,以保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。因而阻塞管理成為近幾年研究的熱點(diǎn)。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外聯(lián)營(yíng)交易模式下的阻塞管理的研究成果。解決輸電阻塞的方法,主要是通過交易計(jì)劃的調(diào)節(jié)解決阻塞問題。阻塞管理的目標(biāo)是制定一系列規(guī)則,控制發(fā)電機(jī)和負(fù)荷,使系統(tǒng)的短期運(yùn)行具有一定的安全和可靠性裕度,同時(shí)為系統(tǒng)的長(zhǎng)期投資規(guī)劃提供有效信息。目前的阻塞管理方法主要有節(jié)點(diǎn)電價(jià)法、區(qū)域電價(jià)法和限上和限大的方法等幾種。1最優(yōu)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型節(jié)點(diǎn)電價(jià)法,即采用直流潮流為基礎(chǔ)的、計(jì)及線路約束的最優(yōu)潮流(OPF)算法,并用線性靈敏度因子幫助解決阻塞,相應(yīng)的電價(jià)機(jī)制為“節(jié)點(diǎn)電價(jià)”(nodalprice)。節(jié)點(diǎn)電價(jià)法實(shí)質(zhì)上是一個(gè)基于最優(yōu)潮流的算法。在聯(lián)營(yíng)交易模式下,各發(fā)電商和用戶向電力聯(lián)營(yíng)中心提交各自的功率/價(jià)格曲線,由電力聯(lián)營(yíng)中心根據(jù)不同的目標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)潮流計(jì)算,得到一個(gè)滿足各種約束的發(fā)電計(jì)劃。當(dāng)在約束方程中計(jì)入網(wǎng)絡(luò)安全約束(支路潮流約束)時(shí),得到的發(fā)電計(jì)劃就是經(jīng)過阻塞管理的發(fā)電計(jì)劃。只考慮有功功率時(shí)可以建立最優(yōu)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型:對(duì)于僅允許發(fā)電投標(biāo)的單一買方市場(chǎng),目標(biāo)函數(shù)可以為購電費(fèi)調(diào)整量最小和購電成本最小。而僅允許發(fā)電側(cè)投標(biāo)的單一買方市場(chǎng)只是電力市場(chǎng)發(fā)展的最初級(jí)階段,電力市場(chǎng)的最終模式將是發(fā)電和負(fù)荷側(cè)全面放開的形式。這時(shí)負(fù)荷側(cè)也允許投標(biāo),最優(yōu)潮流的目標(biāo)函數(shù)則可以為社會(huì)效益最大和市場(chǎng)交易量量最大,社會(huì)效益最大就是以最小的電能生產(chǎn)成本獲得最大的收益。市場(chǎng)交易量最大就是在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)輸電容量下,最大可能的滿足負(fù)荷用電。上述數(shù)學(xué)模型中:h(u,x)=0為潮流方程等式約束;g(u,x)≤0為不等式約束,包括發(fā)電機(jī)組、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)安全約束;u為控制變量向量,包括各個(gè)節(jié)點(diǎn)上輸入或輸出的有功功率,x為狀態(tài)變量向量;在最優(yōu)化潮流求解中,為簡(jiǎn)簡(jiǎn)化計(jì)算、提高計(jì)算速度,通常采用經(jīng)過簡(jiǎn)化的直流潮流模型對(duì)n節(jié)點(diǎn)的電力系統(tǒng),直流潮流法的數(shù)學(xué)模型,稱為節(jié)點(diǎn)注入有功功率列相量。,稱為節(jié)點(diǎn)電壓相位角列相量。,稱為節(jié)點(diǎn)電納陣,它是一個(gè)(n-1)階對(duì)稱方陣。功率傳輸分布因子PTDF2區(qū)域電價(jià)法消除輸電阻塞的最佳方法區(qū)域電價(jià)法,它是根據(jù)阻塞線路(或線路割集)進(jìn)行“市場(chǎng)分裂”,相應(yīng)的電價(jià)機(jī)制為“區(qū)域電價(jià)”(zonalprice)。節(jié)點(diǎn)電價(jià)法雖然采用了簡(jiǎn)化的直流潮流模型來提高速度,但是在(1)式的不等式約束g(u,x)≤0中把所有的線路輸電容量約束都考慮進(jìn)來,使得計(jì)算復(fù)雜、影響速度。在實(shí)際運(yùn)行中,人們發(fā)現(xiàn)輸電阻塞通常只是頻繁地、明顯地發(fā)生在某些區(qū)域之間。而在這些區(qū)域內(nèi),輸電阻塞發(fā)生的概率較小。為此,提出區(qū)域電價(jià)法來簡(jiǎn)化、替代節(jié)點(diǎn)電價(jià)法。我們用一個(gè)簡(jiǎn)單的兩區(qū)域系統(tǒng)討論,如圖1(a),假設(shè)A、B是兩個(gè)區(qū)域,它們內(nèi)部輸電阻塞發(fā)生的概率較小,但是連接AB母線的輸電線經(jīng)常出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。采用區(qū)域電價(jià)法消除AB母線間輸電線的阻塞,首先,根據(jù)阻塞的歷史數(shù)據(jù)將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分成A、B2個(gè)區(qū)域。其次,運(yùn)用2.1節(jié)中的最優(yōu)化潮流方法進(jìn)行調(diào)度,網(wǎng)絡(luò)安全約束中只考慮A、B2個(gè)區(qū)域間的輸電線,A、B區(qū)域內(nèi)的所有線路都不要考慮。最后,在上述調(diào)度的基礎(chǔ)上,再次運(yùn)用最優(yōu)化潮流方法調(diào)整區(qū)域內(nèi)各發(fā)電商和用戶的功率。這樣能較快的消除阻塞,但是在解決輸電阻塞問題時(shí)又存在另外一個(gè)缺陷,即由于阻塞影響使得從用戶收取的費(fèi)用經(jīng)常比支付給發(fā)電商的費(fèi)用大,從而產(chǎn)生了交易盈余。還是用圖1敘述交易盈余的產(chǎn)生,當(dāng)線路沒有傳輸容量限制時(shí),在電力聯(lián)營(yíng)中心,區(qū)域A、B競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的電價(jià)分別為250元/(MWh)和300元/(MWh),根據(jù)最優(yōu)化潮流計(jì)算,總負(fù)荷為300MW(100MW+200MW),以購電費(fèi)最少為目標(biāo)函數(shù),則區(qū)域A的發(fā)電出力為300MW,提供全部負(fù)荷,區(qū)域B出力為0。全網(wǎng)同價(jià),市場(chǎng)結(jié)算價(jià)格為250元/(MWh)。當(dāng)線路AB的傳輸容量為100MW,按原計(jì)劃發(fā)電,線路AB上出現(xiàn)阻塞,考慮到AB線路的約束,用區(qū)域電價(jià)法重新進(jìn)行最優(yōu)化潮流計(jì)算,調(diào)整發(fā)電計(jì)劃,區(qū)域A被迫少發(fā)100MW,區(qū)域B增發(fā)100MW。區(qū)域A的電價(jià)仍為系統(tǒng)邊際電價(jià)250元/(MWh),而區(qū)域B的電價(jià)由于發(fā)生傳輸阻塞而提高為300元/(MWh),此時(shí)電力聯(lián)營(yíng)中心的購電費(fèi)用為8萬元/h(250×200+300×100),用戶上交的電費(fèi)為8.5萬元/h(250×100+300×200),用戶上交電費(fèi)與交易中心購電費(fèi)用之差為5000元/h(85000元-80000元),這就是交易盈余。顯然,電網(wǎng)公司不能因阻塞而擁有交易盈余,因?yàn)檫@樣不利于電網(wǎng)健康發(fā)展,我們可以把交易盈余補(bǔ)償給阻塞區(qū)域即區(qū)域B的用戶。3市場(chǎng)上的阻塞管理限上和限下的方法,即聯(lián)營(yíng)在不計(jì)約束的情況下,根據(jù)負(fù)荷量按市場(chǎng)結(jié)算價(jià)格(MCP)統(tǒng)一購電、安排發(fā)電計(jì)劃后,運(yùn)行時(shí)發(fā)生阻塞,用限上方法(對(duì)未納入發(fā)電計(jì)劃的機(jī)組,按報(bào)價(jià)由低到高安排發(fā)電)和限下方法(對(duì)已納入發(fā)電計(jì)劃的機(jī)組,按報(bào)價(jià)由高到低減少發(fā)電或停發(fā))管理。節(jié)點(diǎn)電價(jià)法和區(qū)域電價(jià)法,實(shí)質(zhì)上都是尋優(yōu)算法,采用的數(shù)據(jù)是電廠自報(bào)的功率/價(jià)格曲線,其中有的電廠為了多獲利,可能會(huì)采取策略性的報(bào)價(jià),使得用一般算法不能達(dá)到最優(yōu)。而且在處理支路阻塞情況時(shí)不夠靈活。而限上和限下的方法相對(duì)來說就簡(jiǎn)單、實(shí)用些,它在英國(guó)電力市場(chǎng)也應(yīng)用了多年。該方法首先由電力聯(lián)營(yíng)中心根據(jù)每個(gè)電廠的報(bào)價(jià),從報(bào)價(jià)最低的開始累加,可得出一條“價(jià)格——發(fā)電量”曲線。再根據(jù)用電需求與電價(jià)的關(guān)系可繪出一條“價(jià)格——需求量”曲線。兩條曲線相交處即為“市場(chǎng)結(jié)算價(jià)格”(MCP)。報(bào)價(jià)低于或等于MCP的電廠一律按MCP價(jià)格上網(wǎng)售電。報(bào)價(jià)高于MCP的電廠即告競(jìng)爭(zhēng)失敗(見圖2)。這是一個(gè)時(shí)段(1h)的發(fā)電計(jì)劃,未計(jì)及網(wǎng)絡(luò)安全約束。在實(shí)際運(yùn)行中,當(dāng)出現(xiàn)傳輸阻塞時(shí),需要對(duì)未納入發(fā)電計(jì)劃的容量按報(bào)價(jià)由低到高的順序安排機(jī)組發(fā)電(限上),已納入發(fā)電計(jì)劃的容量按報(bào)價(jià)由高到低的順序安排機(jī)組停發(fā)或少發(fā)電(限下)。這種方法盡量運(yùn)用經(jīng)濟(jì)規(guī)律來管理電力市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng),公平合理,簡(jiǎn)單易行,比較適合于我國(guó)的情況。下面是各機(jī)組競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的例子各電廠某一時(shí)段申報(bào)的競(jìng)價(jià)上網(wǎng)曲線用坐標(biāo)曲線表示,如圖2所示。根據(jù)供需平衡的原則,市場(chǎng)結(jié)算價(jià)為兩曲線交點(diǎn)處的260元/MWh,報(bào)價(jià)低于260元/MWh的機(jī)組上網(wǎng)發(fā)電,即發(fā)電廠1報(bào)價(jià)為230元/MWh的機(jī)組可發(fā)電70MWh,報(bào)價(jià)為260元/MWh的機(jī)組可部分發(fā)電,發(fā)電廠2報(bào)價(jià)為250元/MWh的機(jī)組可發(fā)電50MWh,但不論報(bào)價(jià)是多少,電力聯(lián)營(yíng)中心的購電價(jià)均為260元/MWh。而發(fā)電廠2報(bào)價(jià)為300元/MWh的機(jī)組不能發(fā)電。若出現(xiàn)傳輸阻塞,調(diào)整發(fā)電計(jì)劃,按限上和限下的原則,發(fā)電廠2報(bào)價(jià)為300元/MWh的機(jī)組可能上網(wǎng)發(fā)電,而發(fā)