基于最优潮流的阻塞管理

1现代电力系统分析基于最优潮流的阻塞管理方法学好姓名指导老师2摘要本文介绍了在目前电力市场环境下，电网阻塞的定义、其产生的原因，以及阻塞的发生对电网带来的危害，然后介绍了基于最优潮流的电网阻塞解决办法其原理及步骤，最后列举了运用最优潮流解决电网阻塞的实例。3目录一、课题背景.......................................................................................................................4二、阻塞管理的基本理论...................................................................................................41．定义.............................................................................................................................42.原因..............................................................................................................................43.危害..............................................................................................................................54.解决方法......................................................................................................................5三、基于最优潮流的阻塞管理方法...................................................................................6四、案例分析.......................................................................................................................81.符号说明......................................................................................................................92.模型假设....................................................................................................................103.问题分析....................................................................................................................104.出力分配预案的给出................................................................................................105.题目中各因素的关系................................................................................................116.对题目中一些说法的解释........................................................................................117.模型建立与求解........................................................................................................124一、课题背景随着我国电力工业体制改革的进一步深化和发展，电力逐步走向市场化已经成为不可逆转的趋势。输电系统开放(TOA)就是为了向发电市场提一个规范、公平的竞争环境而提出的，其实质就是输电网的所有者允许卖电者(主要指电力公司、独力发电商、电力销售商等)和购电者(如供电局等)使用其输电容量互相传输电力，而且必须实现传输容量的公平分配和管理，同时通过各种辅助服务的交易和调度，保证系统的供需平衡和安全可靠。输电网开放对电力系统的结构、运行、规划等带来很大的影响。在开放的输电系统中有三个问题需要解决：输电损耗；输电定价；输电阻塞管理。输电阻塞管理是开放输电系统运行的关键问题，它关系到电力市场的运行效益和健康发展，对发电、输电的规划发展也有重要影响。虽然阻塞问题不是一个新问题，但是在电力系统市场化的进程中，由于市场的主体的变化，使这个问题的解决变得相当复杂，公平对待各个市场参与者并最大化其利益成为阻塞管理面临的重要问题。输电费用主要由4个部分组成：电能费用、机会费用、电网设备使用费用和电网扩建费用。其中的机会费用就是受电网传输容量的限制使电能的传输产生阻塞而引发的利润损失。如何进行传输拥塞管理(transmissioncongestionmanagement)，如何做到公平地对待每一个电网用户，已成为电力市场中的一个核心问题。因此输电阻塞管理就是研究建立一套合理的解除阻塞的市场运行规则，使电力市场在短期和长期两方面运行在安全范围内，同时促进电力市场的公平竞争，提高电力市场的运行效益，从而达到电力工业解除管制、建立电力市场的目的。二、阻塞管理的基本理论1．定义输电阻塞(transmissioncongestion)是指输电系统由于本身网络的容量限制，不能满足所希望输电计划的状态。它通常指输电系统在正常运行或进行事故安全检查时出现了以下几种情况：1)输电线路或变压器有功潮流超过允许极限；2)节点电压越限；3)超过输电线路的热容量限制和系统稳定性的限制。2.原因在实际的电力市场运作中，随着发电、用电市场规模的增大，功率流动的随5意性增大，而电力交易以利润最大化为导向，不可避免地出现输电费用较低的线路传输功率较大，发电成本较低的机组出力较大的情况，增加了发生阻塞的机会，特别是对于网络中原先输电能力较薄弱的区域内输电线路、变压器以及跨区域联络线来说，如果不采取任何干预措施，将会出现潮流越限的电能交易组合，形成阻塞。3.危害阻塞现象的发生将会影响到输电网络的安全与稳定运行，对输电定价和电厂竞价策略均会带来显著影响。输电阻塞的出现可以造成以下后果:无法建立新的电力交易合同;使己有的合同不可行:出现预料之外的强迫停运;局部地区的电价垄断等。4.解决方法由于输电阻塞是由网络输电容量与输电计划之问的矛盾引起的，因此要合理解决输电阻塞实际上应该分两步进行：1)尽可能通过调整网络结构和控制器参数改变网络潮流，以化解阻塞，从而避免更改发电计划及由此引起的附加阻塞费用，使发电方案最优。实际电网可以通过控制母线运行方式(拓扑结构调整)以及调节变压器抽头、移相器、操作FACTS装置，特别是串联装置等操作整合完成。2)当运行优化无法满足所希望的输电计划时，在公平竞争和资源优化的约束下，以经济性为目标，合理调整各市场参与者的输电计划，保证系统的安全可靠运行。具体可采用以下3种手段：a．基于集中优化，用最优潮流(OPF)方法或依靠独立系统运行员(IS0)控制阻塞。采用此方法时，发电者按其所在区域的价格收费，负荷按其所在区域的价格付费。OPF方法就是通过区域价格的差异来控制系统的潮流和处理阻塞问题以维持系统安全。ISO在系统阻塞时收集了区域价格差异的余额，可以将其作为合同网络权(contractnetworkright)的来源，而合同网络权是用来作为控制阻塞时价格变化的金融手段。此方法易于实施，但是价格统一确定后，市场参与者无法根据当前的价格调整交易计划，缺少市场反馈。b．利用事前市场的价格信号，在实行运行前利用阻塞限制发电机的计划发电量来延迟阻塞发生，当然，一些阻塞还是会实时产生并要通过集中控制来解决。此方法可以结合费率、定价区域和产品返销等不同的技术来处理阻塞问题。然而存在以下两个问题，即不同的输电费率将会在不同的区域的发电者之间产生竞争的优势，以及需要确定一个独立于输电所有者的共同的ISO。c．基于交易对输电系统的影响，通过允许或禁止一些双边交易的实施来控制阻塞。此方法需要ISO准确的计算出每一条输电线路和输电系统的ATC并对输电系6统进行监控，以防止潜在阻塞的发生。ISO公布的两个节点间的ATC意味着两个节点分别作为注入点和流出点时的整个系统能够输送的最大交易量，它不表示连接两个节点的界面的容量。而实际输电系统的ATC是不断变化的，并与每一条线路的可用容量相关，其计算的准确度是判断系统阻塞的关键。在电力市场环境下阻塞管理的目的主要有以下几个方面：1)在保证系统安全的前提下使发电计划得以实现；2)提供恰当的经济信号促进用户方调整自己的用电计划；3)利用经济调节的作用使传输拥挤风险降至最小。三、基于最优潮流的阻塞管理方法图3-4表示了一条发电机（厂)的有功调整竞价曲线。图中横坐标Pi表示发电机i的总有功出力，纵坐标bi表示发电厂商的调整报价。其中bi+表示要求发电机增加出力时的报价；bi-表示要求发电机削减出力的报价;bii-j表示要求削减节点i、j之间双边合同量时的报价;Pi0为初始有功出力；Pii-j为节点i、j间的双边合同量；Pimax和Pimin分别为发电机i的有功出力上下限。从图3-4中可以看出，增加出力的报价般高f削减出力的报价，而双边合同削捕量的报价是最高的。这是因为，增加机组出力比削减出力要付出更多的燃料费用。对双边告同而言，由于涉且到合同双方的经济利益，原则上应该得到充分保证，因而削躏告同量的报价最高。另外，用户也可以进行报价，其竞价曲线与发电机类似，这里只考虑削减负荷的情况(包括单独削础和政边古同的削畸)。通常情况f，削脑用户负荷的报价要高于机组出力的调整报价，这也是由经济利益决定的。阻塞管理的数学模型的目标函数为7上式中的前一项表示发电机或负荷在平衡市场中的调整费用，因为增量报价bi+与减量报价bi-是不同的（对于负荷只含bi-），因而这一项是不定的，需要在迭代计算中视Pi的值（是大于Pi0还是小于Pi0）来确定。后一项表示所有与节点i相关的双边合同的削减费用之和。需要指出的是，前式中的Pi、Pi0与图3-4中的Pi、Pi0不同，前者表示节点总出力减去双边合同量的值，即为实时平衡市场中的出力，三者的关系可以表示为阻塞管理的数学模型的约束条件包括对发电机节点（i∈N0）：对负荷节点（i∈NL）：对所有节点（i∈N）：8式中:NL为负荷总数，Qi为节点注入无功（对于发电机节点为无功出力，对负荷节点为无功负荷）；QiminQimax分别为发电机无功出力上下限约束。式（3-39）也表示负荷节点的功率情况，Pi为节点总负荷，Pi为该节点在平衡市场中的负荷（另一部分负荷通过双边合同获得）。阻塞管理的目标函数是管理费用最小，当阻塞消除后，由调度管理中心付给各市场参与者。Pi、Pii-j、Qi可以看作是优化过程的控制变量，是需要调整的；Vi、Θi为状态变量，其值由控制变量决定。调度管理中心要指定一个发电厂作为平衡节点，用以补偿网损。式(3-39)至(3-41)以及式（3-49）分别为