一种考虑需求侧响应的电力系统可用输电能力计算方法

摘要

一种考虑需求侧响应的电力系统可用输电能力计算方法，包括：读取需求侧响应报价、发电机组报价和系统数据；根据需求侧响应报价和发电机组报价建立有功功率分配的双层优化模型，得到系统的初始运行状态即现有输电协议；双层优化模型包括上层模型和下层模型，上层模型包括优化目标函数和2个约束条件，下层模型包括优化目标函数和3个约束条件；采用基于最优潮流的可用输电能力计算模型，输电能力计算模型以发电区域所有发电节点的有功出力增量的最大值为目标函数，采用直流最优潮流模型包括目标函数和约束条件。本发明实现在系统初始运行点根据需求侧响应和发电机组的报价经济分配各节点的有功负荷和发电机出力，优化了电网的潮流分布，提高电网的输电能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力系统可用输电能力计算方法。特别是涉及一种考虑需求侧响应的电力系统可用输电能力计算方法。

背景技术

电力市场开放程度的提高使需求侧响应资源在电力系统中的巨大潜力逐步被认识和挖掘。通过市场价格或激励机制引导用户调整其固有电力消费模式，不仅能提高用电效率、优化用电方式，还能延缓新建电厂与线路的压力、提高电网资产利用率，因而，需求侧响应在维持电力系统的可靠、经济运行中发挥着重要作用。

随着电力系统需求侧与电网之间信息交互水平的不断提升，需求侧灵活互动负荷对可用输电能力的影响越来越受到关注。可用输电能力作为评价系统可靠性的重要指标，通过定量分析需求侧响应对电力系统可用输电能力的影响情况，可更直观反映出实施需求侧响应对电力系统可靠性的影响程度。从本质上看，需求侧响应对可用输电能力的影响主要是将电网输电能力不足的风险通过各种激励手段以用户自愿接受的方式加以回避，具体体现在以下方面：(1)需求侧响应在电力系统峰荷或故障时可作为特殊的备用容量资源，从降低发电备用留取的角度提高输电能力；(2)实施需求侧响应后会改变整个系统的潮流分布，从而对限制可用输电能力的线路容量约束产生影响；(3)电力需求的降低使输电资源不足时电力系统缺电量减少。换而言之，需求侧响应带来的电力系统负荷变化对可用输电能力计算的影响不容忽视，在发电、用电双侧开放市场环境下开展计及需求侧响应影响的可用输电能力研究具有重要的理论和现实意义。

现有技术主要侧重研究发电侧对可用输电能力的影响，均将电力系统负荷视为固定的、被动的受控终端，在分析过程中忽略需求侧对可用输电能力计算的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可有效缓解限制电网输电能力的约束，提高电力系统资源优化配置的考虑需求侧响应的电力系统可用输电能力计算方法。

本发明所采用的技术方案是：一种考虑需求侧响应的电力系统可用输电能力计算方法，包括如下步骤：

1)读取需求侧响应报价、发电机组报价和系统数据；

2)根据需求侧响应报价和发电机组报价建立有功功率分配的双层优化模型，得到系统的初始运行状态即现有输电协议；所述的双层优化模型包括上层模型和下层模型，所述的上层模型包括优化目标函数和2个约束条件，所述的下层模型包括优化目标函数和3个约束条件；

3)采用基于最优潮流的可用输电能力计算模型，输电能力计算模型以发电区域所有发电节点的有功出力增量的最大值为目标函数，采用直流最优潮流模型，其中系统无网损且各节点电压幅值相等，所述的直流最优潮流模型包括目标函数和约束条件。

步骤2)所述的上层模型的优化目标函数是以独立系统运行商支付的补偿费用与用户的购电成本之和最小为优化目标函数，确定参与需求侧响应的用户，所述优化目标函数表示为：

其中，目标函数的前一项乘积为需求侧响应补偿费用，其中的：N为所有节点的集合，ΔP_Di为节点i的需求侧响应量，ρ_i为对应节点i的需求侧响应报价，S_i为符号函数，当S_i为1时表示竞标成功，当S_i为0时表示竞标失败；后一项乘积表示用户的购电费用，其中的：π_i是由下层模型确定节点i的节点边际电价，表示节点i的负荷基态值。

步骤2)所述的上层模型的约束条件包括：

1)各节点响应量的上下限约束：

其中，ΔP_Di为节点i的需求侧响应量；为节点i的需求侧最大响应量；

2)需求侧响应后负荷平衡约束：

其中，表示节点i的负荷基态值；为节点i响应前的负荷，通过负荷预测确定；ΔP_Di为节点i的需求侧响应量。

步骤2)所述的下层模型的优化目标函数是以发电总报价最小为优化目标，按照报价经济地分配发电机组的有功出力，优化目标函数为：

其中，N为所有节点的集合；C_i为节点i的发电机的报价；表示节点i的发电机出力基态值。

步骤2)所述的下层模型的约束条件包括：

1)功率平衡约束：

其中，N为所有节点的集合；表示节点i的负荷基态值；表示节点i的发电机出力基态值；

2)发电机出力约束：

其中，为节点i的发电机最小出力；表示节点i的发电机出力基态值；为节点i的发电机最大出力；

3)线路传输容量约束：

其中，N为所有节点的集合；Limit_l为支路l的传输容量极限，GSF_l-i为节点i对支路l的发电转移因子；表示节点i的负荷基态值；表示节点i的发电机出力基态值。

步骤3)所述的最优潮流模型的目标函数为：

其中，S_G为送电区域所有发电节点的集合；P_Gi表示节点i的发电机出力；表示节点i的发电机出力基态值。

步骤3)所述的最优潮流模型的约束条件包括：

1)功率平衡约束：

其中，S_G为送电区域所有发电节点的集合；S_D为受电区域所有负荷节点的集合；P_Gi表示节点i的发电机出力，表示节点i的发电机出力基态值；P_Di表示节点i的负荷，表示节点i的负荷基态值；

2)支路传输容量约束：

其中，N为所有节点的集合；Limit_l为支路l的传输容量极限，GSF_l-i为节点i对支路l的发电转移因子；P_Di表示节点i的负荷，P_Gi表示节点i的发电机出力；

3)发电机出力约束:

其中，S_G为送电区域所有发电节点的集合；表示节点i的发电机出力基态值；P_Gi表示节点i的发电机出力；为节点i的发电机最大出力。

4)交易约束：

其中，S_D为受电区域所有负荷节点的集合；表示节点i的负荷基态值；P_Di表示节点i的负荷；表示节点i的负荷基态值；表示节点i的最大负荷。

本发明的一种考虑需求侧响应的电力系统可用输电能力计算方法，实现在系统初始运行点根据需求侧响应和发电机组的报价经济分配各节点的有功负荷和发电机出力，从而优化了电网的潮流分布，提高电网的输电能力，同时还可带来显著的经济效益。

附图说明

图1a是现有技术的可用输电能力计算流程图；

图1b是本发明的可用输电能力计算流程图；

图中：ISO是独立系统运营商；ATC是可用输电能力；DR是需求侧响应

图2是PJM-5节点系统图；

图3是未考虑和考虑需求侧响应两种场景下的节点边际电价。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种考虑需求侧响应的电力系统可用输电能力计算方法做出详细说明。

本发明的一种考虑需求侧响应的电力系统可用输电能力计算方法，如图1b所示，包括如下步骤：

1)读取需求侧响应报价、发电机组报价和系统数据；

2)根据需求侧响应报价和发电机组报价建立有功功率分配的双层优化模型，得到系统的初始运行状态即现有输电协议；所述的双层优化模型包括上层模型和下层模型，所述的上层模型包括优化目标函数和2个约束条件，所述的下层模型包括优化目标函数和3个约束条件；

3)采用基于最优潮流的可用输电能力计算模型，为了更准确地反映出电力市场环境下可用输电能力的定义，所述输电能力计算模型以发电区域所有发电节点的有功出力增量的最大值为目标函数，为简化，本模型采用直流最优潮流模型，其中系统无网损且各节点电压幅值相等，所述的直流最优潮流模型包括目标函数和约束条件。

2.根据权利要求1所述的一种考虑需求侧响应的电力系统可用输电能力计算方法，其特征在于，步骤2)所述的上层模型的优化目标函数是以独立系统运行商支付的补偿费用与用户的购电成本之和最小为优化目标函数，确定参与需求侧响应的用户，所述优化目标函数表示为：

其中，目标函数的前一项乘积为需求侧响应补偿费用，其中的：N为所有节点的集合，ΔP_Di为节点i的需求侧响应量，ρ_i为对应节点i的需求侧响应报价，S_i为符号函数，当S_i为1时表示竞标成功，当S_i为0时表示竞标失败；后一项乘积表示用户的购电费用，其中的：π_i是由下层模型确定节点i的节点边际电价，表示节点i的负荷基态值。

3.根据权利要求1所述的一种考虑需求侧响应的电力系统可用输电能力计算方法，其特征在于，步骤2)所述的上层模型的约束条件包括：

1)各节点响应量的上下限约束：

其中，ΔP_Di为节点i的需求侧响应量；为节点i的需求侧最大响应量；

2)需求侧响应后负荷平衡约束：

其中，表示节点i的负荷基态值；为节点i响应前的负荷，通过负荷预测确定；ΔP_Di为节点i的需求侧响应量。

4.根据权利要求1所述的一种考虑需求侧响应的电力系统可用输电能力计算方法，其特征在于，步骤2)所述的下层模型的优化目标函数是以发电总报价最小为优化目标，按照报价经济地分配发电机组的有功出力，优化目标函数为：

其中，N为所有节点的集合；C_i为节点i的发电机的报价；表示节点i的发电机出力基态值。

5.根据权利要求1所述的一种考虑需求侧响应的电力系统可用输电能力计算方法，其特征在于，步骤2)所述的下层模型的约束条件包括：

1)功率平衡约束：

其中，N为所有节点的集合；表示节点i的负荷基态值；表示节点i的发电机出力基态值；

2)发电机出力约束：

其中，为节点i的发电机最小出力；表示节点i的发电机出力基态值；为节点i的发电机最大出力；

3)线路传输容量约束：

其中，N为所有节点的集合；Limit_l为支路l的传输容量极限，GSF_l-i为节点i对支路l的发电转移因子；表示节点i的负荷基态值；表示节点i的发电机出力基态值。

6.根据权利要求1所述的一种考虑需求侧响应的电力系统可用输电能力计算方法，其特征在于，步骤3)所述的最优潮流模型的目标函数为：

其中，S_G为送电区域所有发电节点的集合；P_Gi表示节点i的发电机出力；表示节点i的发电机出力基态值。

7.根据权利要求1所述的一种考虑需求侧响应的电力系统可用输电能力计算方法，其特征在于，步骤3)所述的最优潮流模型的约束条件包括：

1)功率平衡约束：

其中，S_G为送电区域所有发电节点的集合；S_D为受电区域所有负荷节点的集合；P_Gi表示节点i的发电机出力，表示节点i的发电机出力基态值；P_Di表示节点i的负荷，表示节点i的负荷基态值；

2)支路传输容量约束：

其中，N为所有节点的集合；Limit_l为支路l的传输容量极限，GSF_l-i为节点i对支路l的发电转移因子；P_Di表示节点i的负荷，P_Gi表示节点i的发电机出力；

3)发电机出力约束:

其中，S_G为送电区域所有发电节点的集合；表示节点i的发电机出力基态值；P_Gi表示节点i的发电机出力；为节点i的发电机最大出力。

4)交易约束：

其中，S_D为受电区域所有负荷节点的集合；表示节点i的负荷基态值；P_Di表示节点i的负荷；表示节点i的负荷基态值；表示节点i的最大负荷。

下面结合具体的试验验证本发明方法的可行性：

以PJM-5节点系统为算例，PJM-5节点系统结构参照图2。对发电区(系统的左侧)到负荷区(系统的右侧)的可用输电能力进行分析计算。发电机的最大出力和投标报价如图1所示。系统总需求平均分配在B、C和D三个负荷节点。假设用户是理性的，能够根据缺电成本上报补偿价格，参与需求侧响应的用户所在节点及报价见表2。支路E-D和A-B的传输容量极限分别为240MW和400MW。

表1不同场景下的优化结果对比

未考虑和考虑需求侧响应两种场景下系统的经济调度和可用输电能力结果对比如表2所示，两种情况下的节点边际电价见图3：

表2未考虑需求侧响应和考虑需求侧响应时系统各发电机有功出力和区域间的可用输电能力

在未考虑需求侧响应的情况下，由于支路E-D的潮流达到了传输容量极限，所以不能将更多的电能从发电区输送到负荷区，此时发电区到负荷区间的可用输电能力为0MW。正常情况下，分配发电机有功出力过程按发电机报价由低到高排序，优先安排报价低的机组发电直到满足负荷水平。虽然位于节点E的发电机G5报价最低，但其出力的增加将加重支路E-D的阻塞，因此在调度过程中限制了发电机G5的出力。同时为了满足负荷的用电需求，位于节点A的高价机组G1和G2逆序开机，引起部分节点的节点边际电价急剧攀升，出现了价格尖峰，如图3中节点D。该节点在未考虑需求侧响应时，其节点边际电价达到31.45$/MW，高出正常电价近2倍，反映出该节点电能的稀缺性。

考虑需求侧响应后，根据本发明模型选取出节点D作为响应节点，响应量为20MW。通过合理地降低节点D的负荷，从而改变系统的潮流分布，在一定程度上减轻支路E-D的输电压力，缓解了限制最大输电能力增加的约束。此时，系统的最大输电能力由原来的714MW增加到738.947MW。同时，需求侧响应改变了终端负荷消费量，使现有输电协议由714MW减少到694MW。随着最大输电能力的增加和现有输电协议的减少，可用输电能力由0MW增加到44.947MW。与此同时，由图3可得，除节点E外其余节点的节点边际电价都较未考虑需求侧响应时明显降低，尤其是节点D的节点边际电价由31.45$/MW下降到了14$/MW。尽管节点E出现了价格反常的现象，即节点边际电价不降反升，但从全网的角度，节点边际电价的整体水平是呈下降趋势，实现了整体利益最大化。另外，计及需求侧响应后减少了报价较高的机组G1和G2的出力，使系统总运行费用由7626.025$下降到7536$，系统运行的经济性得到了提高。

综上所述，本发明的方法提高了电力系统可用输电能力，优化分配了电力系统资源，同时显著提升了电力系统运行的经济效益。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。