第四章电力市场环境下的电力系统稳态分析

第四章电力市场环境下的电力系统稳态分析4.1概述20世纪80年代以来，世界范围内开始了电力工业改革的浪潮，其主要目的是打破垄断，开放电网，形成自由竞争的电力市场。根据微观经济学中市场的理论，可以将电力市场定义为相互作用、使电能交换成为可能的买方和卖方集合。应该指出，电力市场中的商品除电能外还包括各种辅助服务。辅助服务：输送电能、提供备用、无功补偿及电压调节等主要用来保证电力系统运行的可靠性及电能质量。现在世界上已提出了多种电力工业改革方案，并在不同的国家实践。电力市场和其他市场相比的待殊之处：电能的生产和消费是同时完成电力市场的显著标志：输电系统的存在。输电服务由于其规模效益，具有天然垄断的性质。各国市场化的共同特点：“厂网分开”。由政府对输电部分进行适当的管制，保证电网开放，为发电和配售电创造一个公平的竞争环境。对输电部分处理的不同，形成了各国电力市场结构的特色。电力市场的主要组成部分如图所示：市场的供给主体：发电厂商(G)、发电市场(PM)；市场的需求主体：用户(D)、零售商®；电力市场的输电部分包括5个部分：输电设备所有者(Transmissionowner，TO)独立系统调度机构(IndependentSystemOperator，ISO)辅助服务商家(AncillaryService，AS)电能交易机构(PowerExchange，PX)交易协调商家(SchedulerCoordinator，SC)1、输电设备所有者（TO）电网开放的前提：输电设备的所有者对输电系统的用户(包括发电厂商及电能用户)在准入和运用输电设备方面应平等对待，避免歧视。应建立一个独立控制机构ISO来调度输电系统并提供输电服务，而输电设备的维修责任仍归输电设备所有者。2．独立系统调度机构(ISO)ISO调度输电网络并对所有输电用户提供服务。对ISO的基本要求：•不从电力市场中赢利。•ISO必须与电力市场的主体发电厂商及用户脱离。ISO的职责和权力在不同的市场模式中主要有：(1)制定运行规划／运行方式。(2)实施调度。(3)对电力系统进行控制与监测(4)在线电网安全分析。(5)市场行政管理。3.电能交易机构（PX）PX的基本功能：在未来市场对电能的供求双方提供一个交易的场所。作为电供需双方竞争的POOL，形成市场出清价(MarketClearPrice，MCP)。MCP就成为实现未来市场结算的依据。市场的周期：1小时到几个月。最常见的形式：一天前的市场，为每个运行日的前一天进行电能交易。根据市场的设计，一天前的市场可辅以较长周期的市场或小时前的市场。小时前的市场为运行前1到2个小时的电能交易提供可能。以上三部分：TO、ISO及PX给电力市场的交易提供一个平台，不能从交易中赢利。4.辅助服务商家（AS）功能：为电力系统可靠运行提供所需的服务，主要是为输电系统安全可靠运行提供有功备用及无功电源。根据市场结构，辅助服务商家可以在PX或ISO进行交易。辅助服务可以是以捆绑方式提供，也可分别按菜单提供。调节备用、旋转备用和补充运行备用(非旋转备用)等辅助服务可以由用户自己提供。5.交易协调商家（SC）SC：把电能供需方的计划结合在一起的一个中间商，但不必遵守PX的规则。•有些市场模式中要求把电能协调限制在中央POOL之中而不允许其他SC进行操作，例如英格兰电力市场就是这样。•有些电力市场模式中可能不存在中央POOL或管制的交易机构，电能协调是用一种分散方式进行。在很多新的电力市场结构中，SC是一个重要组成部分。以上五个电力市场的组成部分在某些电力市场中不一定出现。在某些情况下可能会少一两个组成部分。在另一些情况下，两个或几个组成部分可能合为一个复合的组成部分。但其相应的职能是不可缺少的。例如挪威将ISO和TO结合，英格兰将ISO、TO和PX结合成为NGC(国家电网公司)。起初美国加利福尼亚州的电力市场结构式是将以上五个部分全部分开，FERC(联邦能源管理委员会)在2000年的OrderNo．2000中要求各地区成立PX、IS0和TO结合的RTO(地区输电机构)。电力市场的出现给电力系统研究提出了很多新的课题，包括经济方面的课题和技术方面的课题。经济方面：电价理论和交易机制是电力市场研究的核心。国外电力市场的理论研究起源于20世纪80年代末期学者对实时电价的研究，从理论上证明了实时电价对合理配置资源的有效性。电价理论的研究分为两个部分，即电能成本分析(电价预测)和电力市场中的电价形成机制。电能成本分析：电价预测的基础，对于电力市场的宏观控制、优化电力资源配置有决定性的影响。电价的形成：最终要通过市场机制。从理想市场运行来看，电力市场的出清电价应与电力系统电能的边际成本相对应。电力交易的形式：可采取双边合同和竞价上网。一般电力市场都包含这两种形式的交易。但是电力市场以何种形式为主，或这两种形式各占多大份额，应该根据具体情况进行分析。电力市场理论的一个难点：竞价上网的方式和竞价策略，有很强的随机性和实时性要求。该问题不仅与电力市场的经济效益有关，而且直接影响电力系统的安全性和可靠性。对一个发电厂商来说，竞价决策和其运行优化有密切关系，其竞争目标是要获取最大利润。发电厂商如何制定最优竞价策略，以及PX如何模拟和选择发电厂商以使电力用户的电能费用最小化的问题将涉及到随机优化的模型和算法。技术方面：围绕电力市场环境下保证电力系统安全运行的问题。垄断环境下：整个电力系统的发电、输电、配电是统一管理和统一调度的，运行方式安排相对比较简单，系统运行的安全可靠容易得到保证。电力市场环境下：电力交易瞬息万变，电力调度既要保证公平竞争，又要保证安全运行，这就给电力系统分析提出了新的挑战。例如，在电力市场条件下由于系统潮流可能与预测的很不一样，可能导致输电阻塞、电压崩溃及不稳定等问题。输电阻塞：是电力市场条件下系统运行的一个重要现象。从市场经济学的观点来看，双边交易员能体现市场自由竞争的效益，但这种交易模式会给电力系统的统一调度带来困难。最突出的问题：电力网络某些部分可能趋于功率极限，使电力系统运行承受很大的风险，即，电力市场环境下的输电阻塞问题。电力市场环境下电力系统安全运行的关键:缓解电力网络的阻塞。措施：•在运行中如发现输电阻塞，用技术和经济的手段去迅速消除它.•要求用强有力的在线分析软件去发现隐患：需要频繁应用最优潮流软件以维持系统的安全、经济运行；发展快速评估系统各部分可用输电容量的算法。可用输电容量：指电力网络可进一步增加电力交换的容量。是电力市场运营的一个很重要的概念。电力市场情况下：潮流分析不但要给出各支路的功率，为了确定输电费用和处理输电阻塞问题，往往还要求给出各发电厂或电力用户的功率在各支路的功率中所占的份额。即潮流追踪问题。本章内容：讨论在电力市场环境下电力系统稳态分析方面的几个新进展，包括最优潮流及其在节点电价和输电阻塞处理方面的应用，潮流追踪和可用传输能力问题。这些模型和算法反映了电力市场环境下电力调度对决策支持系统的新要求。由于这是一个快速发展的领域，本章的内容还很不成熟，希望今后能不断完善。一、最优潮流问题（OPF-OptimalPowerFlow）概述常规潮流计算：通过一次潮流计算得到电力系统的一个运行状态。可以归结为：针对一定的扰动变量p(负荷情况），根据给定的控制变量u（发电机的有功出力、无功出力或节点电压模值等），求出相应的状态变量x（节点电压模值及角度）。常规潮流计算的结果,满足潮流方程式或者变量间的等式约束条件4.2电力系统最优潮流。(1)常规潮流计算决定的运行状态，可能由于某些状态或作为u、x函数的其它变量超出它们的运行限值，因而在技术上是不可行的。实际常用的方法：调整某些控制变量的给定值，重新进行基本潮流计算，这样反复进行，直到所有的约束条件都满足为止。这样便得到一个技术上可行的潮流解。常规潮流计算存在两种问题(2)对某一种负荷情况，理论上存在众多的、技术上都能满足要求的可行潮流解。这里每一个可行潮流解，对应于系统的一个特定的运行方式，具有相应总体的经济上或技术上的性能指标（如系统总的燃料消耗量、系统总的网损等）。最优潮流问题：为了优化系统的运行，从所有可行潮流解中挑选出上述性能指标中最佳的一个方案。（1）基本潮流计算时，控制变量u事先给定；最优潮流的u则是待优选的变量，在最优潮流模型中必然有一个作为u优选准则的目标函数。（2）最优潮流计算除满足潮流方程这一等式约束条件外，还必须满足与运行限制有关的大量不等式约束条件。（3）基本潮流计算是求解非线性代数方程组；最优潮流计算从数学上讲，是一个非线性规划问题，需要采用最优化方法来求解。（4）基本潮流计算完成的只是一种计算功能，即从给定的u求出相应的x；最优潮流计算是根据特定目标函数并满足相应约束条件的情况下，自动优选控制变量，具有指导系统进行优化调整的决策功能。最优潮流与基本潮流计算的区别建立在严格数学基础上的最优潮流模型，首先是由法国学者Carpentier于20世纪60年代提出的。经典经济调度方法：基于协调方程式，具有方法简单、计算速度快、适宜于实时应用等优点，但协调方程式在处理节点电压越界及线路过负荷等安全约束的问题上却显得无能为力。最优潮流：以数学规划问题作为基本模式的，在约束条件的处理上具有很强的能力，使电力系统对于经济性、安全性及电能质量三方面的要求得到完美统一。针对不同的应用，最优潮流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，以及不同的约束条件。最优潮流与经济调度的区别最优潮流的定义就是当系统的结构参数及负荷情况给定时，通过控制变量的优选，找到的能满足所有指定的约束条件，并使系统的性能指标或目标函数达到最优的潮流分布—带约束的优化问题。前提条件：（1）各火电（核电）投运机组已知（不解决机组开停问题）；（2）各水电机组出力已定（由水库经济调度决定）；（3）电力网结构确定（不考虑电力网重构问题）。x最优潮流算法中的变量状态变量x控制变量u变量—调度人员可以调整、控制的变量—通过潮流计算确定常用的控制变量有：（1）平衡节点以外的发电机的有功出力；（2）所有发电机（包括平衡节点）及可调无功补偿设备的无功出力或相应节点的电压幅值；（3）带负荷调压变压器/移相器的变比。状态变量由需经潮流计算才能求得的变量组成。常见的有：(1)除平衡节点外，其它所有节点的电压相角；(2)除发电机节点以及具有可调无功补偿设备节点之外，其它所有节点的电压幅值。当采用发电机节点及具有可调无功补偿设备节点的无功出力作为控制变量时，相应的节点电压幅值就要改作为状态变量。x最优潮流的数学模型最优潮流问题的研究，除提出采用不同的目标函数和约束条件而构成不同应用范围的最优潮流模型之外，更大量的是从改善收敛性能、提高计算速度等目的出发，提出最优潮流计算的各种模型和求解算法。最优潮流有各式各样的目标函数，最常用的形式有以下两种：(1)系统运行成本最小。该目标函数一般表示为火电机组燃料费用最小，不考虑机组启动、停机等费用。其中机组成本耗费曲线是模型的关键问题，它不仅影响解的最优性，还制约求解方法的选取。通常机组燃料费用函数常用其有功出力的多项式表示，最高阶一般不大于3。若阶数大于3，目标函数将呈现非凸性，造成OPF收敛困难。(2)有功传输损耗最小。无功优化潮流通常以有功传输损耗最小为目标函数，它在减少系统有功损耗的同时，还能改善电压质量。电力系统调度运行研究中常用的最优潮流一般以系统运行成本最小为目标，其数学模型如下：目标函数：至今已提出的求解最优潮流的模型和方法很多，归纳起来有非线性规划法、二次规划法、线性规划法、混合规划法以及近年出现的内点算法和人工智能方法等，现在分别叙述如下。最优潮流的算法1．非线性规划法(Non-LinearProgramming，NLP)目标或约束函数呈现非线性特性，其约束条件可由等式或不等式约束组成。分为无约束非线性规划和有约束非线性规划。有约束非线性规划方法的基本思想是利用拉格朗日乘子法或罚函数法建立增广目标函数，使有约束非线性规划问题先转化为无约