静态条件下输电能力计算及可用输电能力决策研究

摘要

电网是电力传输的载体，其输电能力直接影响发电和用电的水平，是电力系统运行中一直关注的重要指标。当其作为市场的载体时，又体现商品流动允许空间的大小及差异，显现不同的市场信号。随着市场竞争程度的不断增强，尤其是多种交易(联营、双边交易)模式共存时，现存方式、总输电能力、可用输电能力(ATC)及其裕度等概念相继出现。电网输电能力的计算和ATC的决策在维持系统运行的安全、输电阻塞的处理、正确引导市场交易的进行等方面具有特别的意义，已成为电力市场中一项十分重要而又有许多问题亟待解决的研究与实践课题。 本文在回顾、评述国内外关于输电能力问题研究状况的基础上，在电力系统运行调度层面，从更广义的角度出发，对静态条件下输电能力的计算和ATC的决策进行了全面、深入的研究，在输电能力计算算法和ATC决策机制研究方面取得相应进展，进一步清晰了电力市场环境下输电能力的概念和ATC的内涵，初步构建了适应市场经济规律的输电能力综合评价体系。 首先，就输电能力计算的算法研究，针对不同的要求，改进、提出了适应不同场景下输电能力的计算方法，并达到工程实用的效果。主要的工作和贡献体现在： (1)由输电元件传输功率特性分析，导出输电元件电压、相角和能力间的圆图规律，通过这一规律在电压假设为常数条件下，使输电元件的载流能力得到修正，进而代入直流潮流灵敏度类的直接计算，有效修正了该计算所带来的结果的冒进性，在保持其简洁、快速的同时，提高了精度，并达到在实际大电网实用的效果； (2)针对无功、电压水平对直流潮流条件下计算结果的影响，通过交流潮流，有机考虑各种静态约束条件，对反复潮流的直接计算方法在步长、约束条件的处理以及计算效率等方面进行了改进，配合直流潮流的直接法，使输电能力直接计算算法的实用化向前迈进了一步； (3)在直流潮流框架下，建立了广义输电能力的线性规划数学模型和算法。该模型可方便进行多种状况(电网、源点、受点)下的输电能力表达，如任意指定源、受点集合，各种约束条件等，体现其广义性。针对该模型，提出由初始点不可行的原对偶路径跟踪内点法进行求解，并在其中对尺度因子、屏障因子、计算步长以及稀疏规律等做了有效处理，使算法在灵活性、计算问题的规模、解算速度以及鲁棒性上有良好性能，达到实用水平； (4)针对当前研究现状，以优化数学算法和输电能力物理本质充分融合为思路，进行了交流潮流下输电能力优化算法的研究。论证、分析表明在正常情况下，决定输电能力的主部是输电元件的电压相位，输电能力最大同电网网损最小在目标上是一致的，由此将输电能力计算分成两个子问题，一是增量输电能力预测子问题，该问题可简化为无损的线性等值电路，通过线性规划进行解算；二是随输电能力主部变化，相应建立的一定有功模式下网损最小的非线性无功优化子问题，通过非线性规划的原对偶路径跟踪内点法解算该子问题，以校正无功流分布对输电能力的影响。由上述，并在给出有理论依据的步长控制规则及收敛准则后，可形成两个子问题交替求解的输电能力计算新算法。该算法实现了将输电能力反映的物理规律同数学优化手段的有机结合，适应了电力系统运行规律，简化了求解模型，使算法处理简便且概念清楚。实践表明，新模型和算法可达到与基于完整优化模型的算法一样的计算精度，且计算速度快，适应了大规模系统应用； (5)在上述算法研究的基础上，以移相控制器为例，通过附加注入功率的方式解决有FACTS设备时输电能力计算的处理，并对直流潮流下输电能力优化方法进行了扩展，表明其有效性。 其次，在输电能力计算研究的基础上，针对电力系统运行中存在的固有不确定性问题，进行了输电能力概率模拟分析，为ATC决策机制的建立铺设了基础。具体的工作和贡献主要体现在： (1)将发电机组、输电元件、负荷等元件的随机不确定性以概率表达，通过非序贯：Monte-Carlo技术与输电能力计算方法有机结合，以实现输电能力的概率模拟； (2)针对模拟过程中由发电、输电、负荷等各元件状态所构成的每一随机系统状态样本，采用以高斯消元法为核心的类似线性方程组求解的快速拓扑分析方法，进行网络拓扑结构分析，便于对模拟产生的任意状态进行处理； (3)针对每次模拟的拓扑分析结果，将不可行状态的校正和可行状态的输电能力求解在同一模型下实现，使算法处理灵活； (4)对模拟过程的任意事件进行了详尽的统计分析，使概率密度和累积概率的分布具有可信性。实践表明，本文的概率模拟算法，在计算条件选择以及不确定性的概率表达上贴近现实，在算法处理上有其灵活性，使广义输电能力的裕度达到清晰的概率量化，给出了可解析的风险分布指标，从而为市场环境下ATC的决策提供了科学依据。 再次，在上述研究的基础上，提出电网输电均匀性的新观点，以电力系统现存运行方式或调度与输电能力的紧密联系为主线，对市场环境下的ATc决策问题进行了深入研究。具体工作和贡献主要体现在： (1)定义了衡量电网输电能力均匀性分布的指标，提出均匀电网、符合经济流电网的新概念，以描述电网输电能力被利用的程度，并给出输电能力和发电调度经济性相协调的理想电网标准，在输电能力分析评判领域引入了新观点； (2)构造了发电费用与输电均匀性加权的多目标函数，通过对安全经济调度与安全均匀调度的对比分析，以及权系数变化过程中发电费用与输电均匀性的变化规律分析，揭示了系统现存发电调度与输电能力之间的依赖关系； (3)大量分析表明，利用上述概念和方法可有效识别系统在特定模式下与符合经济流电网的偏差程度。当偏差较大时，针对一定的系统负荷需求，不同的发电调度方式对进一步的输电能力构成显著影响，同时决定着不同的发电费用。因此，建议在实际电力系统的运营中，调度方式的确定应与输电能力及其分布统一、协调、折中的进行考虑； (4)进一步，将上述概念和思想在概率条件下通过经济机制加以实现，提出一种在电力市场环境下考虑现存方式的ATC概率优化决策新方法。该方法首先从经济上量化现存发电调度、切负荷及ATC间的有机联系，建立以综合效益最大化为目标的的数学模型和算法；其中计及不确定性因素的概率规律，利用模拟获得的ATC概率分布结果建立ATC收益和风险折中的决策模型，通过序列优化搜索以得到ATC的最优值。该方法扩展了电力市场环境下的调度模型，同时在概率下最优ATC的决策方法上有进展。 最后，针对目前国内用于电网输电能力分析的软件开发状况，在上述研究成果基础上，也充分吸取了已有成果，并结合国内电网实际，自主研究、开发了一套融输电能力计算和ATC决策于一体，注重工程实用性同时又具有一定理论前瞻性的电网输电能力综合评价系统，实现了对实际电网的分析和决策，由此也使本文研究的理论与实际得以结合。实践表明，该系统在对实际电网分析方面表现出良好性能，分析结果可为电网运行方式的制定提供有效参考，是一个符合电力市场特点、且能为调度人员方便使用的电网输电能力综合分析工具，具有较广泛的应用和推广价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2输电能力相关概念

1.3国内外研究现状

1.3.1输电能力计算

1.3.2可用输电能力分析与决策

1.4存在的问题

1.5本文的主要工作和成果

第二章 输电能力的计算

2.1引言

2.2直流潮流下的计算方法

2.2.1基于灵敏度的直接计算方法

2.2.2基于线性规划的优化计算方法

2.2.3计及移相器控制的计算方法

2.3交流潮流下的计算方法

2.3.1基于反复潮流的直接计算方法

2.3.2有功无功交替求解的优化计算方法

2.4算例分析

2.4.1直接计算方法的比较

2.4.2直接计算方法与优化方法的比较

2.4.3移相器提高输电能力的作用分析

2.4.4有功无功交替的优化算法分析

2.5小结

第三章 输电能力概率分布的Monte-Carlo模拟

3.1引言

3.2基于Monte-Carlo技术的系统状态模拟

3.2.1 Monte-Carlo模拟基本思路

3.2.2不确定因素建模

3.2.3随机数发生器

3.3随机状态样本的拓扑结构分析

3.4系统状态评估与输电能力求解

3.4.1系统状态评估与校正

3.4.2确定系统状态下的求解

3.5输电能力概率统计指标

3.6算例分析

3.6.1输电能力概率模拟分析

3.6.2裕度处理的有效性分析

3.7小结

第四章 均匀性思想下的可用输电能力决策

4.1引言

4.2现存调度方式与输电能力间关系分析

4.2.1问题的提出

4.2.2均匀电网定义

4.2.3数学模型和解算

4.2.4问题分析

4.3计及调度方式影响的ATC决策

4.3.1问题描述及总体解决思路

4.3.2优化模型的建立和求解

4.3.3基于风险分析的最优ATC决策

4.3.4算例分析

4.4小结

第五章 输电能力综合评价系统的开发及其应用

5.1引言

5.2电网输电能力综合评价系统的开发

5.2.1总体结构

5.2.2核心分析功能

5.2.3系统特点

5.3在实际电网中的应用

5.3.1电网规模及其输电能力现状

5.3.2实际应用情况

5.4小结

第六章 结论与展望

附录

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表和录用的学术论文(第一作者)

发表论文一

发表论文二

攻读博士学位期间参加的科研工作