电力市场环境下互联电网恢复控制的优化

摘要

电力系统恢复控制是保障供电可靠性的重要手段，其任务是在大停电发生后安全、快速、经济地恢复供电。随着大电网的互联以及负荷的迅猛增长，电力系统的规模越来越庞大，局部的故障容易波及到全网引发大面积停电。同时电力工业的市场化改革使得系统的运行越来越接近其极限，也增加了大停电发生的概率。近年来，世界各地发生多起了由于自然灾害或相继故障导致的大面积停电事故，例如美加8.14大停电，2006年11月4日的西欧大停电等，对于电力系统恢复控制的研究引起了广泛的关注。 本文首先阐述现代互联电网对恢复控制的要求；比较不同的恢复控制策略，如自下至上(bottom-up)、自上至下(top-down)及混合策略；讨论其优化与协调。根据各种恢复策略涉及的技术与经济因素，讨论决策支持系统应具备的功能。指出应当统一考虑负荷经济性和系统的安全性，提出基于风险的自适应决策优化。分析市场环境对启动电源(包括黑启动)服务和恢复控制的影响，提出经济层面的优化及其与技术层面的协调。强调以量化指标反映启动电源服务的技术性能及停电风险，兼顾启动电源的经济性与可靠性。 恢复控制的模型中一般按照固定的门槛值来定性判断功率、功角、电压和频率等的稳定性。一方面，由于不能正确地反映失稳的临界条件，故无法对安全稳定性进行量化；另一方面，由于很难量化由越限造成的损失，因此安全稳定性只能作为不等式约束出现在数学模型中，而不能以经济量出现在目标函数中。本文基于EEAC，指出采用最优控制措施的费用来反映不稳定现象的经济代价，进而根据故障概率就可以计算过渡电网的原有风险和执行恢复措施所引入的风险值，并加入目标函数，从而使恢复方案的失稳风险与负荷收益具有可比性，将恢复控制问题的安去性与经济性统一在货币这个目标函数上，实现恢复控制安全性和经济性之间的协调。 恢复控制是带有极其复杂动态约束的非线性非自治混合规划问题，尚无多项式计算量的算法。一般研究自下至上(bottom-up)的恢复策略，通过启发式方法求解，包括多代理方法，人工神经网络，基于案例的专家系统，基于规则的专家系统等。一般均以负荷恢复量最大为目标函数，忽略不同负荷在停电损失上的差别。本文基于自适应、负荷停电损失、风险管理等观点以及协调优化理念，建立了统一考虑负荷恢复的收益、控制代价及恢复过程中的系统风险的恢复控制优化模型。提出2层优化框架，按“分区独立优化、协调动态分区”的方式自适应优化，克服离线预案依据的场景及措施优先顺序不变的缺点。同时将研究从bottom-up策略拓展到top-down策略和混合策略，包括各类策略内部的优化和不同策略之间的协调。基于自适应优化和风险决策的观点，设计或改进各模块的算法，其中采用蒙特卡罗仿真模拟恢复措施执行的不确定性。按大停电防御体系的信息、分析、控制三要素，设计在线决策支持系统的框架模型，阐明各功能模块间的逻辑关系，并用仿真验证了该决策支持系统的有效性。 垄断体制下，启动电源的指定、电网间的紧急功率支援、演习、执行、成本核算都发生在同一经济利益主体内，故较易协调。但在各参与方分属不同利益体的市场环境下，必须通过经济激励及惩罚等市场机制来优化资源，保持黑启动能力并组织启动电源服务。本文分析了市场环境对于系统恢复控制的影响，通过与其它辅助服务市场的比较，阐述黑启动服务市场的特点。进而，将研究范围从黑启动电源扩展到可用的启动电源，分析启动电源服务所需的各种资源及参与方的成本。基于风险观点，建立启动电源服务的优化购买模型并提出相应的求解策略与算法流程。其中综合考虑了启动电源参与方的技术性能与经济指标，所确定的服务费除补偿服务商成本外，还包含合理引导服务商改进其启动能力的市场激励信号。在此基础上，讨论启动电源服务的市场监管并建议服务费用的分摊与支付方案。通过仿真，验证算法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1论文研究背景

1.2论文研究意义

1.3恢复控制的一般概念

1.3.1故障恢复的一般步骤

1.3.2恢复控制的阶段划分

1.3.3对于恢复过程的技术要求

1.3.4对于恢复过程的经济要求

1.4恢复控制和黑启动中一般技术问题的概述

1.4.1故障恢复的组织与调度

1.4.2机组的黑启动或恢复

1.4.3系统并列或合环运行

1.4.4继电保护及安全自动装置的处理

1.4.5振荡的防御

1.4.6励磁涌流的影响

1.4.7负序电压和负序电流

1.4.8过电压的控制

1.5安全性与经济性的风险一体化理念

1.5.1确定性方法

1.5.2概率方法

1.5.3风险方法

1.5.4风险一体化决策的优势

1.6论文的研究思路及主要工作

1.6.1论文研究思路

1.6.2论文主要工作

参考文献

第二章 电力市场环境下互联电网恢复控制的评述

2.1引言

2.2恢复控制的物理描述

2.2.1黑启动机组的选择

2.2.2由正常运行机组启动远方停运机组

2.2.3负荷的恢复

2.2.4供电路径的恢复

2.2.5发电与输电充裕度和安全性的提高

2.2.6恢复控制中的电网安全约束

2.3恢复控制技术方案的优化

2.3.1数学模型

2.3.2目标函数

2.3.3约束条件

2.3.4控制手段

2.3.5不确定因素

2.3.6恢复策略

2.3.7优化方法

2.4 Bottom-up恢复策略

2.4.1可能引发的安全问题

2.4.2机组恢复次序

2.4.3最优负荷恢复步长

2.4.4最优路径组合的搜索

2.4.5问题及解决思路

2.5 Top-down恢复策略

2.6对恢复策略分类定义的讨论

2.6.1两种策略的比较

2.6.2关于分类的讨论

2.7恢复控制的自适应决策支持系统

2.8启动电源服务的经济层面

2.8.1启动电源服务机制的市场化

2.8.2经济层面与技术层面的协调优化

2.9小结

参考文献

第三章 恢复控制的风险评估

3.1引言

3.2基于扩展等面积准则(EEAC)的确定性稳定分析

3.2.1 EEAC的基本原理

3.2.2 EEAC理论的贡献

3.3电力系统紧急控制优化

3.3.1紧急控制优化模型

3.3.2寻优策略及算法

3.4基于蒙特卡罗模拟法的概率分析

3.4.1蒙特卡罗模拟法的原理

3.4.2随机变量的抽样方法

3.5恢复过程的失稳风险评估

3.5.1恢复操作的失稳风险

3.5.2过渡电网的原有风险

3.6算例仿真

3.6.1 IEEE-14节点系统

3.6.2 IEEE-39节点系统

3.6.3仿真结论

3.7小结

参考文献

第四章 互联电网恢复控制的自适应优化

4.1引言

4.2恢复控制优化的数学模型

4.2.1概念模型

4.2.2负荷收益

4.2.3新的安全风险

4.2.4模型的优点

4.3优化策略

4.3.1总则

4.3.2网架重构阶段

4.3.3改善发电与输电充裕度阶段

4.4自适应决策支持系统的框架

4.4.1决策支持系统的基本概念

4.4.2系统框架

4.5主要模块的功能及算法

4.5.1信息子系统

4.5.2分析子系统

4.5.3控制子系统

4.6优化的流程

4.6.1分区网架的重构

4.6.2分区间的协调

4.6.3发电充裕度和输电充裕度的改善

4.7算例分析

4.7.1算例1—单独的策略优化与策略间协调优化

4.7.2算例2—孤立子系统间的协调控制

4.8小结

参考文献

第五章 电力市场环境对于系统恢复的影响

5.1引言

5.2启动电源服务所需的资源

5.2.1启动电源

5.2.2可由外电源启动的机组

5.2.3输电系统

5.2.4调度控制系统

5.3市场环境对系统恢复和启动电源服务的影响

5.3.1对于调配系统恢复资源的影响

5.3.2对于电力系统恢复试验的影响

5.3.3对于恢复进程的影响

5.3.4对于调度、运行人员的影响

5.4市场环境下各参与方的权利和义务

5.4.1启动电源

5.4.2可由外电源启动的机组

5.4.3输电系统

5.4.4调度部门

5.5当前市场中的启动电源服务模式及实例分析

5.5.1服务模式

5.5.2实例分析

5.6小结

参考文献

第六章 启动电源服务的市场化

6.1引言

6.2黑启动服务市场的特点

6.3启动电源服务市场参与方的任务及成本核算

6.3.1启动电源

6.3.2可由外电源启动的机组

6.3.3调度中心

6.3.4输电系统

6.3.5其它费用

6.4服务合同

6.4.1启动电源的技术指标

6.4.2日常的任务

6.4.3服务费用

6.4.4合同期限

6.5启动电源的招标与定价机制

6.5.1对启动电源服务市场机制的要求

6.5.2启动电源服务的优化选择

6.5.3负荷恢复收益

6.5.4优化策略与算法流程

6.6费用分摊与市场监管

6.7算例分析

6.8小结

参考文献

第七章 结论与展望

附录：仿真算例系统数据

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文