（电力系统及其自动化专业论文）基于改进人工鱼群算法的可用输电能力研究.pdf

东北电力大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rt r a n s f e r sb e t w e e na r e a so rs y s t e m sh a v ea s i g n i f i c a n te f f e c to nt h e r e l i a b i l i t yo fi n t e r c o n n e c t e de l e c t r i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，b e c a u s eo fe n v i r o n m e n ta n d l a n da v a i l a b i l i t yc o n s i d e r a t i o na n dt h em a x i m i z i n ge f f e c t so f e q u i p m e n t s ，t h el o a dl e ：v e l o fm o d e m p o w e rs y s t e m sh a sb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s t h ep r o b l e mo fh o wt o a s c e r t a i np o w e rs y s t e mt r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t yo fa r e a s a c c u r a t e l ya n dt h ef a c t st h a t h a v ee f f e c to ni tw i t h i nt h er e s t r i c t i o n so fs a f e t ya n dr e l i a b i l i t y , a n dh o w t om a x i m i z e t h el o a d i n go ne x i s t i n gt r a n s m i s s i o ns y s t e m sh a v eb e c o m ea l li m p o r t a n ti s s u ef o rs y s t e m r e s e a r c h e r st oc o n c e r n ， c o n s i d e r i n gs t a t es a f e t yc o n s t r a i n t s ，t h ep a p e rb u i l d sa l la v a i l a b l et r a n s f e r c a p a b i l i t y ( a t c ) m o d e lb a s e do no p t i m a lp o w e rf l o w s ( o p f ) a r t i f i c i a lf i s hs w a r m a l g o r i t h m ( a f s a ) w i t ht h ea d v a n t a g e so fd i s t r i b u t e dp a r a l l e ls e a r c h i n ga b i l i t y , s t r o n g r o b u s t n e s s ，g o o dg l o b a la s t r i n g e n c ya n de a s yi m p l e m e n te t ci se m p l o y e dt os o l v et h i s m o d e l b a s e do nt h es e a r c hc h a r a c t e r i s t i c so ff i s h s w a r m ，a r t i f i c i a lf i s h ，sv i s u a li s i m p r o v e di nw h i c ht h es u r v i v a ls t r a t e g ya n d c o m p e t i t i v es t r a t e g ya r ei n v o l v e d a n dg e t t h ep u r p o s eo f a c c e l e r a t i n gc o n v e r g e n c es p e e do f a f s a t h ev e r i f i c a t i o nr e s u l t s b yi e e e 一3 0b u ss y s t e ms h o wt h ea l g o r i t h mh a s l e s t r o n g e rg l o b a lc o n v e r g e n c ep e r f o r m a n c ea n dt h eq u i c k e rc o n v e r g e n c es p e e dc o m p a r e d w i t ht h er e s u l t sg a i n e d b yb e n d e r sd e c o m p o s i t i o na n di m p r o v e dp a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n ( i p s o ) ，a n di ti sp r o v e dt ob er a t i o n a ia n da v a i l a b l e k e y w o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ；a v a i l a b l et r a n s f e rc a p a b i l i t y ；a r t i f i c i a lf i s h s w a r ma l g o r i t h m ：n o n - s t a t i o n a r ym u l t i s t a g ea s s i g n m e n tp e n a l t y f u n c t i o n - n 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人己用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报： 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：型二i ：笠 日期：2 竺! 占年月丑日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：墨! bi ! 生一 导师签名：翔盘 e l 期：2 丝墨_ 年至, e l 坐日 e ii # i ：碰g 年l 月卫e l 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 和中国学位论文全文数据库投稿声明 研究生部： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国学位论文全文 数据库出版章程的内容愿意将本人的学位论文委托研究生部向中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国科 技信息研究所的中国学位论文全文数据库投稿，希望中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和中国学位论文全文数据库给予出版，并同意在中 国优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库以及中国学位论文全 文数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：留硕士口博士 作者签名；一錾童蔓萋! j 础 作者联系地址( 邮编) ： 作者联系电话： 指导教师签名：狗盘一一 日 期：五塑g 年 墨月2 匕日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引 言 电力系统区域间输电能力计算的研究始于2 0 世纪7 0 年代，至今已有3 0 多年的 历史，随着社会的发展和技术的进步。全球电力工业发生了深刻的变革，输电 网可用输电能力的地位和作用也随之变化。传统垂直管制环境下，区域间的输 电能力仅仅是系统调度员调度时的一个参考信息，了解系统目前运行状态与各 种约束的距离。近年来，随着电力市场的发展，传统垂直垄断型的电力系统管 理模式受到了挑战，引入竞争，增强活力，开展电力系统的商业化运营已成为 全球电力系统的发展趋势。电力系统的商业化运营形成过程是以开放和竞争的 运行机制逐步被引入电力工业为标志的。首先是从发电市场的开放开始，而后 开放输电市场，形成了批发电力市场，最后开放配电市场，即形成零售电力市 场。输电系统的开放为电力市场提供了一个公平的竞争环境，也打破了把输电 网仅仅作为电力传输的技术工具这一观念。 在电力市场环境下，需要得到一种可靠、准确显示网络现在承担传输水平 之上的可供进行电力市场交易的输电能力信息。1 9 9 5 年，美国联邦能源管理委 员会( f e d e r a le n e r g yr e g u l a t o r yc o m m i s s i o n ，f e r c ) 定义该传输水平为可用传 输能力a t c ( a v a i l a b l et r a n s f e rc a p a b i l i t y ) 。并迸一步规定：发布在开放式实 时信息系统( o p e na c c e s ss a m e t i m ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，缩写为o a s i s ) 上的 互联网络中一些特定界面的a t c 值必须每小时都进行更新。 全世界范围内的电力市场自由竞争向充分而合理地利用现有电力系统发输 电资源提出了更高要求。输电网络大规模互联使得电力资源共享成为可能，从 而在很大程度上满足了电力系统运行的灵活性、可靠性和经济性的要求。而在 实际电力系统运行中，系统运行的安全性和经济性是一对矛盾。过高估计a t c 水平会导致系统运行可靠性下降，尤其是在电力市场自由竞争的环境下，电力 系统的运行状况越发难以预计；此外，在紧急事故情况下也很难进行所有可用 东北电力大学工学碗士学位论文 资源的快速协调。另一方面，过低估计a t c 水平又意味着不能对现有网络传输能 力充分利用，结果将会造成不必要的系统建设投资。总之，在电力市场环境下， 不能精确、可靠地反映网络实际的a t c 水平，都会导致市场参与者的利润、系统 运行可靠性以及用户服务水平的严重降低。所以，a t c 既是衡量电网安全稳定运 行的重要指标，也是引导资源优化配置的关键市场信息。尤其是近年来，随着 全球环保压力的加剧，电力资源的紧张，充分利用已有的输电网络，如何准确 地确定电力系统区域间功率交换能力，使系统在满足安全可靠性的约束条件下 最大限度地满足各区域的用电负荷需求，显得异常重要。 本文所研究的基于改进人工鱼群算法的可用输电能力研究的课题，试图利 用改进人工鱼群优化算法，在已有的输电网络上，考虑静态安全约束条件，更 加合理准确地确定区域间的可用输电能力。 1 2电力市场下区域间可用输电能力研究的方法和现状 随着1 9 9 6 年北美电力可靠性委员会( n o r t ha m e r i c a ne l e c t r i cr e l i a b i l i t y c o u n c i l ，n e r c ) 有关可用输电能力报告f 2 j 的出台，电力系统开始了对a t c 计算 的研究。 在电力市场中，市场交易每时每刻都在发生，这要求输电网的a t c 数据不断 更新，实时计算，以准确反映电网现有输电能力的大小。所以，a t c 的计算是一 项十分复杂而又具有挑战性的工作，它要考虑许多因素的影响，如系统的运行 状态，电网的整体结构、负荷的需求预测等，除此之外，它的计算还应考虑许 多约束条件的限制。如电压水平，线路和设备过负荷等静态安全性约束及动态 稳定性约束。 从方法学的角度来看，现有的研究方法概括而言可分为两大类：基于概率 的求解方法和确定性的求解方法 3 1 。 a t c 用来评估未来一段时间网络的剩余输电能力。因此，a t c 的计算值需要 按要求的时间段进行更新。根据对网络输电能力预测时间的长短，a t c 的计算可 分为在线计算和离线计算。离线a t c 计算时，不确定性因素对计算的准确度影响 较大。一般预测时间越长，不确定因素对a t c 的影响越大。为了保证a t c 的计算 值在商业应用可接受的范围内，同时减小计算量和节约计算时间，一般采用基 第1 章绪论 于概率的求解方法估计a t c 。在线a t c 计算时，由于预测时间较短，只需从大量 预想故障中选择一些可能是最严重的故障进行研究，这样计算量就大大减小了。 因此，从实时应用的角度考虑，在线a t c 的计算一般选择确定性的求解方法；从 规划的角度考虑，离线a t c 的估算一般采用概率性的分析方法。 1 2 1基于概率的求解方法 所谓基于概率分析的求解方法就是利用概率理论和数理统计分析确定输电 系统的可用输电能力。基于电力系统所具有的随机特征，如随机的设备开断及 负荷变化等，通过模拟发输电设备的随机开断以及负荷变化来确定系统可能出 现的运行方式，然后使用适当的算法求解系统在这些运行方式下的a t c 值，最后 分析综合各运行方式下的a t c 值得到系统a t c 值的期望值。 基于概率模型计算a t c 时，不仅可以得到a t c 的期望值，而且根据a t c 的样 本值可以方便地绘出a t c 的概率密度曲线和样本分布函数曲线，估计a t c 的期望 值在某一置信水平下的置信区间，及某项电力交易被削减的风险。a t c 的这些统 计信息，一方面可以指导电力系统运行方式的安排：另一方面可以用于预测未 来一段时期的电力交易价格，指导电力交易商的市场行为。 目前基于概率性框架的分析方法主要有以下4 种： 1 随机规划法 文献【4 】结合随机约束方案( c h a n c ec o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n g ，c c p ) 和有源两 步随机方案( t w o s t a g es t o c h a s t i cp r o g r a m m i n g w i t hr e c o u r s e ，s p r ) ，提出一种混合 算法。该算法考虑了发电机故障、输电线路故障和负荷预测误差3 种不确定性因 素。前2 种不确定性因素是服从2 点分布的随机变量，负荷预测误差是服从正态 分布的随机变量。在计算a t c 时，首先用s p r 算法将离散变量连续化，然后基于 s p r 的计算结果，用c c p 处理连续变量，求得概率意义下a t c 。 c c p 可以解决包含随机约束的问题，它的最大优点在于转化后的确定性方程 的维数并不比原来的随机方程更大。但是，由于c c p 只能适用于连续性随机变量， 为了解决既包含连续性随机变量，又包含间断性随机变量的问题，所以引入了 s p r 。由此，将原来复杂的随机模式一步一步地转化成等价的确定性模式。该方 东北电力大学工学硕士学位论文 法涉及概率潮流的计算、离散变量和连续变量的处理，因而，计算速度不够理 想。 2 m o n t ec a r i o 模拟法 所n m o n t ec a r l o 模拟方法又称随机抽样法，其求解问题的基本思想是先建 立一个概率模型，然后通过对模型的观察或抽样试验来计算所求解的统计特征， 最后给出所求解的近似值，而解的精度可用估计值的方差来表示。该方法依赖 于大量随机选择的样本，计算量极大。 这类算法是将蒙特卡罗模拟法和优化算法结合求解a t c ，是对枚举法的改 进。蒙特卡罗模拟法能方便地处理电网中数目庞大的不确定性因素，且计算时 间不随系统规模或网络连接复杂程度的增加而急剧增加，因此该算法非常适合 大系统离线a t c 的研究。 文献【5 】提出了一种基于直流潮流模型结合m o n t ec a r l o 模拟的方法来评估 a t c 中可撤消和不可撤消部分的分界点，从而促进电力市场参与者对a t c 的最优 使用。该方法首先通过m o n t ec a r l o 模拟的方法获取系统的随机样本，然后用满 足一定约束条件的线性化的优化潮流确定a t c 中可撤消和不可撤消部分的分界 点。由于在优化过程中要执行多次可靠性评估，使用直流潮流模型和线性化程 序来分析系统的状况从而保证系统的可靠性。文献【6 提出了将m o n t ec a r l o 模拟 法与a c 优化潮流计算相结合计算大型互联系统区域间输电能力的方法。该方法 基于系统元件( 发电机、线路及负荷) 的概率分布，用m o n t ec a r l o 模拟法获取 系统状态的样本集，对所选择的每一系统状态，用基于直接的内点算法求解a c 优化潮流问题来确定输电能力。具体实现分两步：第一步是先找到一个合适的 运行点；第二步是从该运行点开始用优化方法求解最大输电能力。该方法的主 要贡献在于突破了把m o n t ec a r l o 模拟法用于大型电力系统时遇到的计算瓶颈。 然而在m o n t ec a r l o 模拟法中，系统元件运行状态的随机波动性常常用某一 已知的概率分布曲线表示。但是所使用概率分布曲线是否正确地反映了系统元 件的不确定性，以及如何处理系统元件间的相关性，这些问题都是应用m o n t e c a r l o 模拟法计算a t c 时需要回答的。对这些问题的研究或涉及十分繁琐复杂的 第1 章绪论 鲁量墨曼ii 一一一ii 1 1 l i 曼曼曼量曼曼邑量量量舅量量量量孽曼罾量量量量皇量量舅舅量e 曼曼曼曼 理论分析，或者根本无法从理论进行解释，这使得人们对应用m o n t ec a r l o 模拟 法所估计的a t c 的准确性提出了疑问。 3 b o o t s t r a p 算法 b o o t s t r a p 算法j 是针m o n t ec a r l o 模拟法的上述缺点提出的一种新的计算 机模拟算法，该算法根据所收集的最近几个交易日的节点数据，通过某种仿真 技术模拟系统可能出现的运行状态，然后再如m o n t ec a r l o 模拟法那样使用优化 算法和数理统计理论估计系统的a t c 。 显然，b o o t s t r a p 仿真算法充分利用了最近一段时间的市场信息，即系统发电 机的出力、节点负荷水平。但是，b o o t s t r a p 仿真算法作为种新兴的概率算法， 目前在a t c 计算中还不能很好地处理某些网络参数的不确定性( 如输电线的随 机故障) ，因此这类算法还有待于进一步改进。 4 枚举法 文献 8 】介绍了一种枚举法，其主要优势在于可以计算传输能力的概率分布 函数，描述传输能力的随机特性。它把问题分成三部分：故障选择，点模拟计 算和概率计算。首先，选择对输电能力影响最大的故障集。然后，对每个故障， 每个负荷预测时刻所对应的点，进行输电能力的计算。最后，用马尔科夫过程 来组合各个点，计算各点的概率和点之间的转移概率，得出传输能力的概率分 布情况。 文献【9 】运用了枚举法概率模型的枚举方式，构造枚举策略和样本计算方式， 提出了可用输电能力的一种新的概率模型。此模型首先利用短期内提前的故障 排序和负荷预测，找到对a t c 影响严重、出现可能性较大的运行方式，对这些运 行方式做传输能力的分析计算。然后，以枚举的方式，对各运行方式的出现概 率和其相应的传输能力进行概率统计分析，最终得到具有概率性质的可用输电 能力。 这类算法将系统状态枚举和优化算法结合来计算a t c ，一般都可以得到较为 理想的结果。但主要存在的问题是计算量较大，在大系统中尤为明显。 东北电力大学工学硕士学位论文 曼i 一 1 = ij i l l 量量量量蔓暑摹曼曼鼍曼 1 2 2 确定性的求解方法 所谓确定性的方法，就是针对所求问题的模型，通过严格数学计算过程， 得出精确的解。确定性模型已经从线性规划到非线性规划，从仅考虑热稳定约 束与有功功率平衡约束，到考虑电压、无功潮流等稳定约束，直到静态稳定与 暂态稳定约束，不断发展，形成了多种算法。 根据所使用方法的不同，确定性的求解方法可以划分为直流潮流方法线性 规划法( l i n e a rp r o g r a m m i n g ，l p ) 、常规潮流法重复潮流法( r e p e a t e dp o w e rf l o w ， i 冲f ) 、连续潮流方法( c o n t i n u m i o np o w e rf l o w , c p f ) 、最优潮流方法( o p t i m a l p o w e r f l o w , o p f ) 和灵敏度分析方法分布因子法( d i s t r i b u t i o nf a c t o r ) 。 1 直流潮流方法 直流潮流方法，也叫做线性分布因子法，又可称为线性规划法。该方法以 直流潮流为基础，考虑各种安全约束条件，利用线性规划进行计算，一般用到 多种线性分布因子。其优点是不需要迭代，因而计算速度快。但由于无法计及 无功潮流和电压的非线性影响，所以不适用于缺乏无功支持和有效电压控制的 重负荷系统。 文献 1 0 】在七十年代初最早使用确定性方法计算系统区域问输电能力。文中 采用直流潮流模型，基于线性规划理论，用功率传输分布因子( p t d f ) 及线路开 断分布因子( l o d f ) 来求解系统区域间的最大传输功率，并开发出一个输电能力 计算程序。虽然这种方法只考虑了输电线路的热极限限制，但由于其具有较快 的计算速度，一度被认为是一种有效的系统输电能力分析工具。此后，又有许 多完善此类方法的文献出现，又提出了发电机停运分布因子等用于功率交换能 力计算的系数。 文献【1 1 】在a t c 计算的线性模型中考虑了无功功率的影响。根据传输线路上 有功、无功的关系，找到由于功率传输引起线路有功功率变化时无功功率的变 化情况，进而修正线路的有功极限，从而能够更准确的计算a t c 。 文献【1 2 】将直流潮流法和灵敏度分析法相结合计算区域间可用输电能力，给 出了功率传输分配系数、线路停运分配系数的定义及计算公式，详细的推导了 第1 章绪 论 无线路发生停运故障情况下区域间可用输电能力的计算公式，能有效的跟踪电 网和市场的变化，得到合理的结果。 2 重复潮流方法 重复潮流计算法，也叫做交流潮流法，又可称作常规潮流法【1 3 】。这种方法 基于常规交流潮流，计算中考虑节点电压限值约束，支路过负荷约束以及其它 可能的稳定约束。其要点是逐渐增加负荷侧的负荷，同时相应增加发电侧的出 力，直到某一约束生效为止，此时通过所研究断面的有功潮流之和即为最大输 电能力t t c 。 为了加快计算速度，可以对常规交流潮流计算方法做一定的改进【1 4 1 。首先采 用线性分布因子法，逐步增加受电侧的负荷和发电侧的出力，直至有支路过负 荷为止。然后采用交流潮流计算各节点电压，检查是否有电压越限的现象发生， 如果有，则逐步减少受电侧的负荷和发电侧的出力，直到满足所有节点电压限 值约束为止。 重复潮流计算a t c 的方法原理简单，可以计及系统的电压和无功对a t c 的影 响，计算结果能较好地反映实际运行状况，但需要重复计算交流潮流，计算时 间长，不适合在线应用。 3 连续潮流方法 作为一种求解非线性代数方程的数值方法，连续性方法早在上世纪7 0 年代 就已在电力系统潮流方程的求解中获得了尝试性的应用。运用连续潮流法计算 可用输电能力时，从基态潮流出发，跟踪潮流的变化轨迹，直到电压静态稳定 极限，即系统的临界最大潮流点。 文献【1 5 】研究了系统分叉现象对a t c 的影响，主要针对考虑h o l f 分叉的动态 a t c 和考虑鞍节分叉的静态a t c 。计算结果表明：h o l f 分叉点存在于鞍节分叉点 之前，考虑h o l f 分叉约束求得的a t c 要小于考虑鞍节分叉约束求得的a t c 。文章 还研究了静止无功补偿器( s v c ) 对a t c 的作用，指出s v c 可以有效提高静态和 动态a t c 。 东北电力大学工学硕上学位论文 文献【1 6 1 8 】建立了描述电力系统区域间输电能力的数学模型。基于连续型 潮流技术，提出了计算电力系统区域间输电能力的方法，这种方法既可以考虑 诸如电压水平，线路及设备过负荷这样的静态安全性约束条件，也可以考虑由 于潮流方程解的鞍型分叉导致的电压稳定约束以及其它动态稳定约束条件的影 响；既可以考虑系统的各种正常运行方式，也可以考虑各种故障情况的影响。 文献中还研究了不同的发电机有功输出分配模式对系统区域间输电能力的影 响，并建立了计及发电机无功功率极限、有载调压变压器( u l t c ) 和s v c 对系 统区域间输电能力影响的数学模型，从而为探索提高系统区域间输电能力的措 施提供了可靠的依据。 连续潮流克服了基于直流潮流的分布因子法不能计及电压限值、无功潮流 以及电压崩溃等缺点，但它不能有效考虑发电机出力和负荷的最优分布，即系 统节点注入变化的方向向量在计算中取为定值，因而其结果具有很大的保守性， 并且计算时间长。 4 最优潮流方法 最优潮流方法就是将输电能力的计算描述为一个非线性优化问题，将系统 各类运行约束作为优化问题的约束条件处理，因此是一个最优潮流问题，然后 采用已有的优化方法求解。最优潮流可以方便地处理各种系统约束，对系统资 源进行优化调度，非常适合于a t c 的计算，而且易于借鉴最优化方法的最新成果。 目前制约其广泛应用的是优化算法的速度和鲁棒性问题。 最优潮流方法一般将可用输电能力最大化为目标函数，将潮流方程作为等 式约束，把发电机出力、支路过负载约束和电压约束以及各种稳定约束等作为 不等式约束，从而把a t c 的计算问题转化为一个纯粹的非线性规划的数学问题。 因而可以采用各种优化算法，如二次规划法【1 9 1 、内点法【2 0 1 、人工神经网络法f 2 1 1 和遗传算法1 2 副等。 文献【2 3 从系统设计及运行角度，讨论了灵活交流输电系统( f a c t s ) 装置 对提高功率交换能力的影响。提出了一种f a c t s 装置的功率注入模型，可以很 方便地模拟各种f a c t s 设备，从而建立了考虑f a c t s 设备的功率交换能力的数 学模型，即在常规最优潮流中增加相应的f a c t s 控制变量，并要相应地修改原 第1 蕈绪论 有的各约束方程。然后采用预测一校正原一对偶内点法求解这一最优化问题， 计算结果表明合理使用f a c t s 设备可以大幅度提高系统功率交换能力。 常规的最优潮流大多只考虑静态安全约束，近年来人们也开始研究考虑暂 态稳定约束的最优潮流( o t s o p fw i t ht r a n s i e n ts t a b i l i t yc o n s t r a i n t s ) 问题。文 献【2 4 】采用直接非线性主对偶内点法，以不稳定轨迹的积分作为暂态稳定程度的 准则，首先把暂态稳定约束转化为等式，并结合优化潮流方程组进行求解，由 于本方法成功解决了计算暂态稳定约束形成雅克比矩阵和海森矩阵理论上的困 难，因此新型的a t c 计算模型可以用标准的非线性主对偶内点法进行计算，并且 该方法是以二次收敛的速度收敛的。 文献 2 5 1 基于最优潮流，提出计及统一潮流控制器的可用输电能力的计算模 型，利用功率注入法，将统一潮流控制器对潮流的控制作用转移到所在线路两 侧的节点上，在不修改原有节点导纳矩阵的情况下嵌入模型，则由引入统一潮 流控制器( u p f c ) 控制参数和附加功率引起的对雅克比矩阵的修改和计算量都 很小。采用最优潮流模型，在模型中修改系统中u p f c 元件关联节点的注入功率 方程，同时考虑u p f c 元件控制变量的运行可行域。由于u p f c 元件所在支路的 潮流对算法的收敛性会产生很大的影响，极有可能导致算法不收敛。而u p f c 装 置本身的约束限制，增强了该问题的非线性，表现在计算中，会出现由该原因 引起的迭代振荡。因此算法上采用逐步二次规划法，大量研究表明该算法具有 稳定的收敛性和极强的处理不等式约束的能力，同时在加入u p f c 的优化控制 后，其传输功率可在较大范围内提高，同时节点电压和支路电流均保证在允许 范围内。 优化潮流方法的关键瓶颈在于计算速度。在实际使用中，往往只能作为离线 计算工具。当对计算速度要求较高时，可以采用简化的直流潮流方程作为等式 约束。但若要考虑n 一1 ”静态安全约束，将使问题的求解规模大大增加。文献 2 6 】 采用的b e n d e r s 分解法有效地解决了这一问题，b e n d e r s 分解法将问题分为主从两 层，主问题处理基态潮流及相应约束，而每一个预想事故则形成一个子问题 每个子问题可单独求解，其起作用的约束以b e n d e r s 害u 集的形式返回主问题，主 子问题反复迭代直至全部约束满足，从而求得最优解。 东北电力大学l = 学碗士学位论义 i i i 然而在实际应用中，传统的优化算法在求解a t c 这种大规模非线性多约束优 化问题时存在一定的缺陷；使用范围小，对函数的连续性、凹凸性等有要求； 采用单一搜索机制，很难跳出局部最优找到全局最优解，甚至会由于不收敛而 无法求解。智能算法在处理大规模复杂非线性优化问题方面性能卓越，鲁棒性 好，采用并行随机搜索策略，更能找到全局最优解，结果更符合实际情况。 1 3 本课题的主要研究内容 输电系统可用输电能力是电力市场环境下的一项电网指标，其计算的准确 性、快速性对系统的可靠运行、市场交易各方的利益分配都有重要的影响。 本文在总结了a t c 现有研究成果的基础上，建立了求解a t c 问题的数学模型， 并尝试使用近年新兴的智能算法一人工鱼群算法求解电力系统区域间可用输电 能力。本论文的主要工作如下： 1 概要地介绍了课题的研究背景和研究现状，剖析了各自的优缺点，并对 可用输电能力的定义、计算原则以及两种裕度进行系统地阐述； 2 考虑静态安全约束，建立了a t e 数学模型，并采用动态罚函数处理不等 式约束条件； 3 详细介绍了人工鱼群算法，针对该算法的不足进行改进： ( 1 ) 在鱼群觅食行为中，引入自适应步长，避免了大量的时间浪费在随机 移动中； ( 2 ) 引入生存机制和竞争机制，改善了鱼群的多样性，节省存储空间，从 而使得那些处于非全局极值点附近的人工鱼能有机会展开更广范围的搜索 4 对i e e e 一3 0 节点系统采用m a t l a b 7 1 进行编程仿真，通过与b e n d e r s 分解法 和改进粒子群优化算法计算结果的比较，验证本文所建模型与算法的可行性和 有效性。指出本文有待进一步研究的方面，并对今后的工作进行展望。 第2 章可用输电能力的基本概念 第2 章可用输电能力的基本概念 2 1 引言 传统垂直管制环境下，区域间的输电能力仅仅是系统调度员调度时的一个参 考信息，了解系统目前运行状态离各种约束的距离。而在电力市场环境下，输电 能力是所有电力市场参与者进行交易活动所必须了解的重要参数。电网中进行频 繁的输电交易，而输电网的实时状态对整个电力市场交易的进行至关重要，因此， 必须对所有输电线路的传输极限进行比以往更加频繁的计算，同时也要及时将结 果公布到电力市场中，使交易各方能够做出正确的判断和计划。这样，在引导交 易各方顺利达成交易的同时，也使电网的输电容量得到充分利用。可以这样讲， 输电能力在电力市场中不仅是电网的一个技术指标，而且还是反映电网输电容量 的市场信号，它在引导市场交易、充分利用输电容量等方面都起着积极的作用。 电力市场的发展和跨大区域电网互联在带来明显的经济效益的同时，也对电 力系统的物理及经济安全稳定性提出了严峻的挑战，不论在电力系统的稳定性方 面，还是在电力市场运行方面都不乏惨痛教训。尤其是在电力市场环境下，为了 最大限度的降低输电成本，输电网络不得不把其传输容量的极限研究作为提高经 济效益的主要手段。如何准确地计算电力市场下电力系统区域间的可用输电能力 ( a t c ) ，使系统在满足安全性和可靠性的前提下，最大限度地满足电力市场各方参 与者的要求，成为当今电力系统所面临的亟待解决的问题。 由于输电网络的开放，f e r c 在上世纪九十年代初期的一些相关规定增加了对 定量计算电力系统输电能力的强调。从一个商业化的角度来看，形成输电能力统 一定义的关键因素在于电力市场环境中，在各种系统运行条件下，给定时间内所 能购买或销售的输电能力的数量。输电网的开放强调了互联电力网络的使用，因 此，预计将来的电力功率传输会在更广泛的系统条件下增长，使输电网络的安全 运行更加复杂。为了有效地保证系统的安全性，那些计算、汇报、发布及使用这 一信息的人必须对其商业性应用的意义有一个共识。为达到这一目的，文献【2 】对 东北电力大学工学硕士学位论文 于商业性可行的电力市场建立了一个框架，用于计算互联输电网络的可用输电能 力( a t c ) ，并且也给出了a t c 的计算原则。 2 2 可用输电能力的基本概念 2 2 1 可用输电能力的定义 19 9 5 年3 月，北美电力系统可靠性委员会( n o r t ha m e d c a ne l e c t r i cr e l i a b i l 时 c o u n c i l ，n e r c ) 修订了其早期关于输电能力的文献，提供了进一步的解释和示例。 根据其1 9 9 5 年文献【2 7 j 中的定义，所谓一个系统两个区域间的输电能力，是指在满 足至少下述三个约束条件下，通过两区域间的所有输电回路，从一个区域向另一 个区域可能输送的最大功率。 1 在无故障发生的正常方式下，系统中所有设备( 包括线路) 的负荷及电压 水平在其额定范围内。 2 在系统中单一元件( 如输电线、变压器或发电机) 停运的故障条件下，系 统能够吸收动态功率振荡，维持系统的稳定性。 3 当2 中描述的事故发生且系统功率振荡平息后，在调度员进行故障相关的 系统运行方式调整之前，所有设备( 包括输电线) 的功率及电压水平应在给定的 紧急事故条件下的额定范围内。 为了形象地说明区域间输电能力的概念，这里用简化的3 区域互联系统来加以 论述。如图2 1 所示，一系统有a 、b 和c 三个区域，它们之间由输电线路a b 、a c 和b 誓相联接，其中a 、b 和c 三区域分别代表三个含有发电、输电网络和负荷的子 系统，输电线路x - - y ( x 、y 分别代表a 、b 、c ) 由一条或几条输电线组成。 t x y 表示区域x 与区域y 间的界面有功潮流。一种定义电力系统区域间的输电 能力的方法是用某一研究区域的净输出功率作为其与外部系统功率交换量的量 度，如在图2 1 中，研究区域a 的净输出功率，即从区域a 流入区域b 和区域c 的功 率( + t a c ) ，可用于描述该区域与外部系统的功率传输量。另一种定义方法则 是借用系统中某一特定界面上流过的潮流来定义，如在图2 1 中，区域a 与区域b 、 区域a 与区域c 之间的线路一起构成的线路集合即构成了一个功率流动界面，其上 第2 章可用输电能力的基本概念 图2 。1 简化的区域互联系统示意图 流动的有功功率值( t a b + t a c ) 可作为区域a 与其它两个区域功率传输量的量度。 对于图2 1 所示系统，可以看出两种定义方法是完全一样的，但对复杂的系统，二 者有着不同的侧重点，并不能完全等价。给定一种区域间的输电能力的定义方法， 在满足各种安全性约束条件下，所允许的这一功率传输量的最大值即反映了相应 区域问的最大输电能力( 1 t c ) 。它仅仅是系统调度员( s o ) 调度时所参考的一个 安全信息，用以了解系统当前运行状态与各种约束间的距离。 1 9 9 6 年，n e r c 提出了有关可用输电能力的定义和解释的报告【2 】。该报告指出， 在商业性可行的电力市场环境下，系统区域间的输电能力将不再是原来意义下的 最大输电能力( t o t a lt r a n s f e rc a p a b i l i t y , t t c ) ，而是可用输电能力( a t c ) 。a t c 指在现有的输电合同基础之上，实际输电网络中剩余的、还可用于商业使用的传 输容量，这一信息对电力市场的所有参与者来说都是非常重要的。因此，a t c 除了 作为安全信息，又可以作为引导市场参与者进行电力交易、刺激商业竞争以充分 利用现有资源的市场信息。 从数学角度讲，a t c 定义为最大输电能力( 1 1 r c ) 减去输电可靠性裕度 ( t r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y m a r g i n ，t r a m ) ，再减去现存输电协议量( e x i s t i n g t r a n s m i s s i o nc o m m i t m e n t s ，e t c ) 和容量效益裕度( c a p a c i t yb e n e f i tm a r g i n ，c b m ) ， 所以a t c 的计算公式为： a t c _ 1 广r c 一删一e t c c b m t t c 是指在满足系统各种安全约束条件下，互联输电网络上可以传输的最大功 率。t r m 指在考虑了一定的合理系统不确定性的情况下，为确保互联网的安全所 必需的输电能力数量；e t c 本质上包括在给定条件下所有正常的输电潮流，反映了 东北电j j 人学工学硕上学位论文 i 一- - ! 曼| 量| 量量一 已签合同占用的输电能力；c b m 定义为负荷供应单位储备的输电网输电能力的数 量，以确保从互联系统获得出力，满足发电可靠性要求。 a t c 是对未来一段时间( 一小时、一天或更长) n - 联网络间额外输电能力的估 计。两个区域间的a t c 提供了一种指示，即在一组指定的系统条件下，在保证电力 系统安全可靠运行的条件下，某一时间范围内从一个区域到另一个区域能够传输 的额外功率量。a t c 是一个动态量，因为它是一组可变和相互影响的参数的函数。 这些参数与网络的条件密切相关。所以a t c 的计算根据电力市场的需要，可以按小 时、日、月进行。a t c 的计算一般始终是针对两个区域进行，即一个电力出售区域 和一个电力购入区域。由于整个网络条件的影响，a t c 计算值的精确性取决于可获 得的输电网络数据的完整性和准确性。 上述术语，尤其是a t c 。构成了电力市场环境下输电系统基本的传输服务备用 体系，可用于备用传输服务、安排可撤销和不可撤销输电服务、安排区域问的紧 急传输。 2 2 2 最大输电能力( t t c ) t t c 的定义，目前国际上普遍采用北美电力可靠委员会于1 9 9 5 年给出的定义， b i t r c 是指在至少满足下述三个条件下，从一个区域向另一个区域可能输送的最大 功率。 1 在无故障发生的正常方式下，系统中所有设备( 包括线路) 的负荷及电压水 平在其额定范围内。 2 在系统中单一元件( 如输电线路、变压器、发电机等) 故障条件下，能够吸 收动态功率震荡，维持系统的稳定。 3 在系统出现( n 1 ) 故障条件下，且系统功率震荡平息后，在调度员进行相关 的运行方式调整前，所有设备的功率及电压水平应在给定的紧急事故条件下的额 定范围之内。 根据n e r c 关于a t c 的定义，输电可靠性裕度t r m 和容量效益裕度c b m 是在 a t c 的计算中是关键且必不可少的，它们的存在反映了系统输电能力的容量裕度水 平，保证了电力网络在系统运行方式发生变更时仍能安全可靠的运行。 第2 章可用输电能力的基奉概念 而事实上，准确的计算这两种裕度是非常困难的，其一是包括的因素过多，不 仅包括系统的物理不确定因素，而且包括各种意外或人为的不确定因素；二是对 不同电力系统，不同的时间跨度，它们的大小也是不同的。如何准确计算这两个 裕度是a t c 计算中的难点。 2 2 3 输电网络裕度 输电网络裕度包括两个方面，即：输电可靠性裕度和容量效益裕度。 1 输电可靠性裕度( t r m ) 删指的是输电网中预留的必要的电网输电裕度，以确保当系统运行参数在 合理范围内发生变化时，整个系统能够安全稳定的运行。 这些不确定的运行参数覆盖内容很广，可以涉及到网络设备的随机故障、并 联线路上由于功率的同步传输所产生的约束、平衡系统的发电量和负荷量所引起 的负荷变化、负荷分布和负荷预测的随机波动、区域间功率环流的影响【2 羽。任何 一个电力交易的变动都会影响整个输电网络，这使得其他输电商关注的a t c 也受之 影响。因此，从概念上来说，只要是电力系统运行中出现的运行参数的合理变化 所带来的影响都应包含于t r m 中。 一般来说，计算a t c 的时间跨度越大，所考虑运行参数变化的不确定性越大， 计算得到的t r m 值应该越大。因此，t r m 与考虑的时问断面有关，时间跨度越大 往往需要预留的t r m 越多。计算t r m 的方法主要有： ( 1 ) 某一确定数量的系统输电容量作为t r m ： ( 2 ) 以t t c 中某一百分比作为t r m ； ( 3 ) 基于系统的基准运行状态反复计算各种预想故障情况下电网的输电能力，以 最坏预想故障情况条件下的电网输电能力与t t c 的差值作为系统的t r m ； ( 4 ) 适当减小每个设备的额定值以考虑不确定因素以及误差对网络输电能力的影 响； ( 5 ) 用灵敏度分析法计算t r i v l ，如一阶导数法； ( 6 ) 基于概率模型计算a t c ，以考虑不确定因素对电网输电能力的影响【2 9 0 2 1 。 东北电力 学工学硕十学位论文 对于不确定性因素和误差的处理方法直接影响a t c 的计算精度和计算时间。一 般方法( 1 ) 、( 2 ) 对不确定因素的影响力估计过大；方