（电力系统及其自动化专业论文）基于pq解耦的连续潮流法atc计算.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t t h et r a n s m i s s i o ns e r v i c eo fp o w e rs y s t e mi sa d v a n c e dh i g h e rd e m a n dd u r i n gt h e c o u r s eo fp o w e ri n d u s t r yt e n d i n gt o w a r d sm a r k e t h o wt of a s ta n de x a c t l ye s t i m a t et h e t r a n s f e rc a p a b i l i t yb e t w e e na r e a si no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fe l e c t r i c i t yl o a d u n d e rt h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e mi st h eu r g e n tr e s e a r c hs u b j e c t f i r s t ，a v a i l a b l et r a n s f e rc a p a b i l h ya n dt h er e l e v a n te l e m e n ta r ei n t r o d u c e d ，a n d 叫 t h e nt h em e t h o d sb a s e do l ld e t e r m i n i s t i cm e t h o da r ed w e l l e do na n dt h e i rh d v a n t a g e a l s od e f e c ti ss u m m a r i z e d t h el i n e a rd i s t r i b u t i o nf a c t o rm e t h o dc o m p u t a t i o ns p e e di s f a s t ，b u tt h en o n l i n e a rr e l a t i o nb e t w e e nv a r i a b l e si s n tc o n s i d e r e d ，t h e r e s u l ti s n t a c c u r a t e ；t h eo p t i m a lp o w e rf l o w ( o p f ) m e t h o d s ，c o n s i d e r i n ga l lc o n s t r a i n t s ，a r e p r e c i s e ，b u ti ti st i m e c o n s u m e d ，a n dt h er e s u l t sa r et o oi d e a lt or e a l i z e t h ep r o b l e mo f p o w e rf l o we q u a t i o nd i v e r g e n c ec a nb eo v e r c o m e db yc o n t i n u a t i o np o w e rf l o wm e t h o d b a s e do nt h ea b o v em e t h o d ，t h ea t cc o m p u t a t i o no fc o n t i n u a t i o np o w e rf l o wu s i n g p qd e c o m p o s i t i o ni sp r o p o s e d t h i sm e t h o dc o n s i d e r sb u sv o l t a g e s ，l i n et h e r m a l l i m i t sa n do u t p u tl i m i t so fg e n e r a t i o n i ts t a r t sw i t hb a s ec a s e ，t a k i n gt h ec o u r s eo f p r e d i c t o r c o r r e c t o rr e p e a t e d l yu n t i la l ls p e c i f i e dc o n s t r a i n t sa r em e t a sar e s u l t ，t h e l o a dp a r a m e t e rc o r r e s p o n d i n gt ot h ef i n a ls o l u t i o ni st h er e q u i r e da t c b yc o m p a r i s o n w i t ho t h e rm e t h o d s ，t h em e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e rh a st h ea d v a n t a g eo ff a s t c o m p u t a t i o ns p e e da n dg o o dp r e c i s e s e v e r a ls y s t e m s ，i n c l u d i n gi e e e l 4 一b u s s y s t e m ，a r es i m u l a t e db yt h ep r o p o s e d m e t h o d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di sf e a s i b l e k e yw o r d s ：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 ；c o n t i n u a t i o np o w e rf l o w ；p q d e c o m p o s i t i o n ；e l e e t r i e i t ym a r k e t ；p o w e rs y s t e ms e c u r i t y ；p o w e rs y s t e ms t a b i l i t y i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 j 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 1 司南 日期：何年f ，月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以1 - _ 相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：耐年月，口 日期：膏一r 年，月，罗日 扬捞 闻桫罗 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 可用输电能力的研究背景 电力工业必须由传统的垄断管制向竞争监管型转变，解除管制，引入竞争成 为世界各国电力行业发展的总趋势。在电力市场改革中，出现了许多新的问题， 而如何准确、快速地确定电力系统区域间的可用输电能力a t c ( a v a i l a 髓et r a n s f e r c a p a b i l i t y ) 及其影响因素，使系统在满足安全性及可靠性的约束条件下，最大程 度地满足各区域的用电负荷需求，成为当今电力工业所面临的急待解决的研究课 题。传统垂直管制环境下，电网中区域间的功率交换能力比较少，电网的容量裕 度比较大，因此输电系统输电能力只是系统调度员的一个参考信息，了解系统目 前运行状态离各种安全约束的距离；而在电力市场环境下，系统运行不确定性增 大，电能交易瞬息万变，系统负荷峰值常常接近电网能够承载的最大输电容量， 支路过负荷、节点电压越限等故障更有可能发生。此时，输电系统的输电能力作 为系统的一个可靠性指标，对指导系统调度员的操作，保证整个系统的安全可靠 运行具有重要的技术价值。同时，它也是重要的市场信号，积极指导市场参与者 在电力交易过程中的各种商业行为，具有显著的经济价值。系统规划者可以利用 这一测度作为评估系统互联强度，比较不同输电系统结构优劣的指标；而系统运 行者可将其视为实时评估互联系统不同区域间可用输电能力的重要依据。 a t c 的研究早在 2 0 世纪7 0 年代就开始了，当时称为区域问功率交换能力 ( t r a n s m i s s i o ni n t e r c h a n g ec a p a b i l i t y ) ，根据美国联邦能源管制委员会f e r c ( f e d e r a le n e r g yr e g u l a t i o nc o m m i s s i o n ) 的定义，a t c 是对输电网传输能力的一 种度量标准，它反映出在已成交的传输容量基础上，输电网对市场交易还可提供 的最大传输容量。北美电力可靠性委员会n e r c o r t h a 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 ) 对此做出了进一步的解释和说明，它指出a t c 是在不同输电系统之间， 通过预定断面的传输功率的增长值。从a t c 定义可以看出，a t c 是在电力市场条 件下，衡量某一时刻输电网的特定断面对市场交易还可提供的最大传输能力，它 随时间的推移、电网结构的变化和断面的不同而改变。，它与传统概念上的功率传 输极限或最大传输容量有关，而且比它们涉及的范围更宽，不仅需要计算某一输 电线路、重要断面或母线节点的a t c ，甚至要计算同一时刻多条输电线路、多个 重要断面或多个母线节点的a t c 。此外，a t c 还融入了电力市场的特征，取决于 市场交易量的大小、交易地点及交易合同的持续时间，因此，虽然a t c 的概念本 身并不复杂，但是它涉及的方面却很广，这增加了a t c 计算的难度，同时使a t c 在电力市场中的作用更大，应用范围更广。 基于p _ q 解耦的连续潮流法a t c 计算 a t c 在实际求解时需要考虑许多因素的影响，如系统的状态、电网的整体结 构、和同的签订数量和有效时间、负荷需求预测、输电线路和发电机的检修计划 等，除此之外，它的计算还会受到许多约束的制约，如热过载能力约束、电压约 束、静态稳定约束和动态稳定约束等。从a t c 的应用过程看，由于a t c 计算上的 问题，给a t c 的使用带来了巨大的不便，甚至产生严重的后果，因此a t c 计算问 题引起了许多学者的关注和研究，并取得了一定的成果。目前a t c 计算方法分为 概率性模型和确定性模型两大种类。基于概率型的算法包括枚举法，蒙特卡罗法、 b o o t s t r a p 算法：基于确定型的算法包括最优潮流法，线性规划法，直接求解法， 分布因子法，连续潮流法，遗传算法等。 离线a t c 计算中，需要考虑数目庞大的不确定因素，若逐一地考虑不确定因 素的影响，计算时间难以满足实时系统应用的要求。一般基于概率性模型研究离 线a t c 的计算。所谓基于概率的求解方法就是利用概率理论来确定系统的输电能 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及负荷变化确定系统可能出现的运行方式。然后使用适 当的优化算法求解这些运行方式下系统的a t c ，最后分析综合各运行状态下的 a t c 值得到系统a t c 值的期望值。 在概率型算法分析输电能力中，人们首先提出了枚举法 1 】，该算法将系统状 态枚举和优化算法结合，计算a t c ，但枚举法的指数时间特性使得这类方法无法 用于大系统的a t c 研究。后来人们对枚举法进行改进，提出了m o n t ec a r l o 模拟 方法，这类算法将蒙特卡罗法和优化算法结合求解a t c ，蒙特卡罗法能方便处理 电网中数目庞大的不确定因数，且计算时问不随系统规模的增大而急剧增加，文 献【2 ，3 】分别基于直流潮流和交流潮流，结合内点法，就蒙特卡罗法计算a t c 进行 了讨论。在蒙特卡罗法中，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，但是所使用的概率分布曲线能否正确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，这些都是蒙特卡罗法需要解决的。 b o o t s t r a p 法【4 ，5 】是针对蒙特卡罗法的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，然后再如蒙特卡罗法那样使用优化算法和数理统计理论估计系统 的a t c ，但是该算法目前还不能很好处理某些网络参数的不确定性，有待进一步 改进。 综上所述，基于概率的求解方法可作为系统规划研究的有效工具，而在系统 运行中可以为运行人员提供直观的、重要及丰富的有关输电能力的信息。此方法 存在的主要问题是计算量大，且在大型互联电力系统中尤为明显，近期难以付诸 实现。 在线计算a t c 时，由于预测的时间较短，只需从大量预想事故中选择一些可 2 能是最严重的故障进行研究，这样计算量就大大减少了，因此，从实用的角度看， 在线a t c 的计算一般选择基于确定性模型的方法。所谓基于确定性模型的a t c 算 法，就是以己知的系统基准状态为基础，选择一些可能是最严重的系统故障进行 研究，然后针对所选择的每一种系统故障，应用适当的优化方法或其它方法估计 这种故障发生时系统的a t c ，然后选择最小的a t c 值作为所研究时间段内系统的 a t c 。 最早使用确定型方法计算系统区域间的输电能力，所采用的方法基于线性规 划理论，用功率传输及线路开断分布因子来求解系统区域间的最大输电能力【6 。 8 1 。虽然该方法只考虑了输电线路的热极限限制，但是该方法有较快的计算速度， 一度被认为是一种有效的系统输电能力分析工具。文献【9 】提出了把输送的有功功 率表达成系统发电量和输电网络的线性函数，即增加了发电机停运分布因子，应 用线性规划技术求解同时满足发电出力约束和输电线路负荷极限约束条件的系统 最大传输功率。文献 1 0 是对文献 9 】的补充，通过灵敏度分析，可以指出为了有 效地提高电网供电能力，应当采取的电源扩展或电网扩展的方案，从而可以用于 电网的规划设计。8 0 年代初，我国的刘肇旭和童建中应用l y a p u n o y 直接构成 l y a p u n o v 函数【l “，通过求解系统的近似不平衡点快速计算系统稳定域的算法，推 导出暂态稳定约束方程，将整个问题描述成一具有约束的非线性规划问题，从而 实现了一种可直接考虑暂态稳定约束的系统输电能力的计算方法。文献 1 2 】提出了 连续二次规划法，该算法能通过调整发电机无功出力来调整具体母线的负荷，因 而能求出最大的a t c ，但是大型非线性系统，该方法在极限点存在收敛问题。文 献【1 3 】提出了新的基于信赖域内点法的算法，由信赖域决定子问题的线性化步长， 子问题通过多步中心校正原对偶内点法进行求解，该算法具有较高的稳定性和快 速收敛性。文献【1 4 】提出了利用f b 函数进行非线性互补，将各种不等式约束转化 为等式，原来的优化问题转为非线性方程组求解，从而避免了牛顿类优化算法起 作用约束集的识别问题，提高了计算效率。文献【1 5 ，1 6 】考虑了稳定约束和动态约 束，计算结果精确，但是约束条件过多，计算量非常庞大。 上述系统输电能力的计算方法都是基于优化潮流计算的方法。在这类方法中， 一般选取区域间联络线上总的用功功率或发电机有功出力作为目标函数，将系统 的潮流方程视为等式约束条件，电压及负荷水平视为不等式约束条件，然后使用 最优化方法来求解。这类方法的主要问题是：得到的结果是一种理想的目标方案， 但是如何从现有的运行方式向这一目标过渡，或能否过渡到这一目标方案却不能 确定；此外，对一大型互联电力系统，由于该方法需要考虑的约束条件太多，计 算量将是非常庞大，而且最后潮流能否收敛还是个问题。 文献 1 7 1 中提到的分布因子法基于直流潮流，能快速求出区域间的输电能力， 但是它只能反映各变化因素与a t c 之间的线性关系，不能计及各变化因素与a t c 基于p _ q 解耦的连续潮流法a t c 计算 之间的非线性关系，更不可能考虑所有因素对a t c 的共同影响，并且牺牲了一定 的计算精度换取较快的计算速度。 作为一种求解非线性代数方程的数值方法，连续型方法早在7 0 年代就已经在 电力系统潮流方程的求解种获得尝试性的应用。由于当时的常规潮流计算方法基 本满足电力系统静态分析的要求，而连续型方法只是作为对常规潮流计算方法的 一种补充，故没有发挥其真正的价值。因该方法在电压稳定性研究方面有其独特 的优越性，至9 0 年代以来越来越引起人们的关注。虽然连续型方法在计算速度上 尚难应用于在线电力系统电压稳定性分析，但是连续型潮流计算方法因其可靠性 在电压稳定性问题的研究中也同样具有不可动摇的地位。 在研究互联电力系统区域间功率交换能力时，关键是在系统的各种约束条件 的前提下，如何快速、准确地使得潮流方程收敛，进而求出输电能力。而连续型 潮流法正是一种行之有效的工具。1 9 9 5 年美国康耐尔大学的c h i a n g 首次应用连续 型潮流方法分析在负荷及发电机有功功率变化的情况下大型电力系统的静态特 性，并考虑3 种静态约束计算区域间的功率交换能力f l 引。在该文献中只对连续型 潮流技术在系统区域间输电能力计算中的应用进行了初步探讨，其中仅考虑了正 常运行方式下系统电压和负荷水平这类静态的约束条件。尽管如此，这种方法的 优势还是得以充分的体现：首先它是根据系统的当前运行状态逐步过渡到系统的 功率传输极限点，因而所计算出的输电极限更有实际价值；此外这种方法对使用 者而言具有完全的开放性，使用者可以根据需要考虑各种约束条件，包括动态约 束条件。 文 1 9 2 3 1 以连续潮流技术为基础，对大型互联电力系统区域间功率交换能力 的分析于计算进行了系统、深入的研究。研究结果表明，连续型潮流计算方法是 求解潮流方程鞍型分叉点最为可靠的方法，它在2 个方面克服了常规潮流计算方 法的不足：通过参数化潮流方程的建立，获得了扩展的潮流方程，克服了常规 潮流方程在鞍型分叉点的病态；高效的预测一校正环节的建立，提高了解曲线 的计算效率及计算结果的可靠性。 文 1 9 】建立了描述电力系统区域间功率交换能力的数学模型。基于连续型潮流 技术，提出了计算电力系统区域问功率交换能力的方法，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： 1 2 本文研究课题的目的和意义 近年来，由于地理环境的限制及追求更高运行效益方面的考虑，现在电力系 统正逐渐向复杂化、互联化、以及能源供应中心与负荷中心相分离的方向发展， 以便能更有效地利用现有的电力设备，实现更大范围内的能源优化配置。这些发 4 硕士学位论文 展罨寸电力系统输电服务提出了更高的要求，其中之一就是如何快速准确地确定电 力系统区域间的输电能力。 a t c 反映出输电网除了已有输电协议，对电力市场还可提供的最大输电容 量。它在电力市场中的地位和作用体现在以下几个方面： 首先a t c 可以减少输电网在实时运行中发生阻塞的概率。a t c 作为系统调度 员和市场交易双方提供反映电网现有输电能力的度量标准，使系统调度员可以根 据a t c 安排交易，市场交易双方可以根据a t c 签订合同，以减少输电网阻塞的发 生。 其次a t c 可以作为输电网裁减交易，消除阻塞的标准。当系统出现阻塞后， 电网管理者可以依据a t c 与交易量的差额大小反映交易对阻塞影响程度的轻重， 裁减影响程度大的交易，以便从技术上消除阻塞。 此外，a t c 的实时发布，可使输电网的输送效率更佳，从而使交易双方获得 更大的经济利益。 a t c 对促进电力市场化改革的深入发展，保证系统在市场环境下安全可靠运 行具有重要的经济意义。 基于此，在电力市场环境下，a t c 己成为输电网重要的技术指标之一，同时 也成为电力市场买卖双方以及电网管理者共同关注的焦点。 1 3 本文的主要工作 本文综合分析了目前对于a t c 的计算方法，比较结合现有a t c 算法的优劣， 重点研究现有的连续潮流法，在此基础上提出了一种基于p q 解耦的连续潮流法 a t c 计算方法。 本文方法通过在常规潮流方程中引入负荷参数 ，即厂 ) = g ( j ) 一b = 0 来扩展 潮流方程，扩展的潮流方程可以体现潮流的净增长量，并且能消除雅克比矩阵的零 固定值，克服其在鞍型分叉点的雅克比奇异性。该方法从当前运行点出发，解上 述潮流方程，判断是否有约束条件越限情况发生，反复此过程，直到节点电压限 制、输电线路容量限制或发电机出力限制中有越限出现为止，此时求得的九即是 对应所求a t c 的负荷参数，也即是系统负荷净增长量。 具体工作如下： ( 1 ) 针对确定型( 非概率型) a t c 计算问题，在分析国内外已有模型和算法的基 础上，剖析了它们的优点，指出了它们在某些方面存在的缺陷； ( 2 ) 通过分析已有连续潮流法，指出传统的基于n r 法的连续潮流法虽能考虑 了系统的非线性因素，潮流的收敛性能好，但每次迭代过程都需要形成雅克比矩 阵，计算量很大，有待改进。 ( 3 ) 在已有连续潮流法a t c 计算的基础上，结合p q 解耦提出了一种改进的 基于p _ 。解耦的连续潮流法a t e 计算 a t c 笋法。这种算法在预测- 校正环节中运用p - q 解耦替代传统的n - r 法，以提高 算法的速度。 ( 4 ) 运用本文的方法，对包括i e e e l 4 节点系统在内的多个系统进行仿真计算 和分析，验证本文方法的有效性。 6 硕士学位论文 第2 章输电网可用输电能力的定义 2 1 电力市场的组成 8 0 年代以前，电力系统通常被看成是一个统一的整体。然而，随着社会的发 展和技术的进步，传统的自上而下、垄断式的电力系统管理模式受到了挑战。引 入竞争机制，增加活力，已经成为世界各国电力工业发展的趋势，建壹电力市场， 进行公平自由的电力贸易越来越受到人们的重视。 从2 0 世纪8 0 年代以来，在世界范围内开始了电力工业改革的浪潮，其主要 的目的是打破垄断，开放电网，形成自由竞争的电力市场。 根据微观经济学中市场的理论，可以将电力市场定义为相互作用、使电能交 换成为可能的买方和卖方的集合。现在世界上已经提出了多种电力工业改革的方 案，并在不同国家实践。电力市场和其他市场相比的特殊之处在于电能的生产和 消费是同时完成的，从而输电系统的存在是电力市场的显著标志。输电服务由于 其规模效益，一般具有天然垄断的性质，因此各国市场化的共同特点是“厂网分 开”，由政府对输电部分进行适当的管制，保证电网开放，以便为发电和配售电创 造一个公平的竞争环境。对输电部分处理的不同，形成了各国电力市场结构的特 色。 s c p x gp m 卜l rd a st 0 图2 1 电力市场的主要组成 图2 1 表示了电力市场的主要组成部分【2 ”。发电厂商g 、发电市场p m 形成 了市场的供给主体；用户d 及零售商r 构成了市场的需求主体。而电力市场的输 电部分又包括5 个部分：输电设备所有者t o ( t r a n s m i s s i o no w n e r ) 、独立系统调 度员机构i s o ( i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t o r ) 、辅助服务商家a s ( a n c i l l f i r ys e r v i c e ) 、 电能交易机构p x ( p o w e r e x c h a n g e ) 、交易协调商家s c ( s c h e d u l e r c o o r d i n a t o r ) ， 现分别简述如下： 7 基于p - o 解耦的连续潮流法a 1 c 计算 1 输电设备所有者( t o ) 电网开放的前提是输电设备的所有者对输电系统的用户( 包括发电厂商及电 能用户) 在准入和运用输电设备方面应平等对待，避免歧视。如果输电设备所有 者在发电或供电上有任何切身利益，则难以实现上述要求，因此，一般应建立一 个独立控制机构i s o 来调度输电系统并提供输电服务，而输电设备的维修责任仍 归输电设备所有者。 2 独立系统调度员机构( i s o ) i s o 调度输电网络并对所有输电用户提供服务。对i s o 的基本要求是不从电 力市场中赢利。因此，s o 必须与电力市场的主体发电厂商及用户脱离。i s o 的职 责和权力在不同的市场模式中是不相同的。 3 电髓交易机构( p x ) p x 的基本功能是在未来市场对电能的供求双方提供一个交易的场所。市场的 周期可能是1 小时到几个月。最常见的形式是一天前的市场，为每个运行同的前 一天进行电能交易。根据市场的设计，一天前的市场可辅以较长周期的市场或小 时前的市场。小时前的市场为运行前1 到2 个小时的电能交易提供可能。但是p x 的最基本的功能是作为电能供需双方竞争的场所，并形成市场出清价m c p ( m a r k e t c l e a rp r i c e ) 。然后m c p 就成为实现未来市场结算的依据。 4 辅助服务商家( a s ) a s 为电力系统可靠运行提供所需的服务，主要是为输电系统安全可靠运行提 供有功各用和无功电源。 根据市场的结构，a s 可以在p x 或i s o 进行交易。辅助服务可以是以捆绑方 式提供，也可分别按菜单提供。 5 交易协调商家( s c ) s c 是个把电能供需方的计划结合在一起的一个中间商，但不必遵守p x 的 规则。有些市场模式中要求把电能协调限制在中央p o o l 之中而不允许其它s c 进行操作，例如英格兰电力市场就是这样。在有些电力市场模式中可能不存在 p o o l 或管制的交易机构，电能协调是用一种分散方式进行。在许多新的电力市场 结构中，s c 是一个重要组成部分。 以上5 个电力市场的组成部分在某些电力市场中不一定出现，在某些情况下 可能会少两个组成部分，在另一些情况下，两个或几个组成部分可能合为一个 复合的组成部分。但是，其相应的职能是不可缺少的。例如挪威将i s o 和t o 结 合，而英格兰将i s o 、t o 和p x 结合成为n g c ( 国家电网公司) 。起视美国加刹 福尼亚州的电力市场结构式是将以上5 个部分全部分开，但是f e r c ( 联邦能源管 理委员会) 在2 0 0 0 年的o r d e rn o 2 0 0 0 中要求各地区成立p x 、i s o 和t o 结合的 r t o ( 地区输电机构) 。 r 硕士学位论文 输电网开放o t s ( o p e nt r a n s m i s s i o na c c e s s ) 是指允许除输电网所有者之外的 其它类型的公司，如电力公司、独立发电厂、批发客户以及电力市场的参与者使 用输电网的设备和输电能力进行电力批发交易。在建立电力市场的过程中，最基 本的措施就是进行输电网的开放，实现电能的自由传输。 输电网将向用户开放，从而实现电力市场的电力交易。这样的交易可以是间 接的、直接的或者两者的组合。尽管目前还没有明确的电力传输服务的公平性的 定义，但是可以看出，一个真正具有公平竞争的电力市场存在的先决条件是能否 提供公正平等的电力传输服务。因此，电力传输服务开放性问题的唯解决方法 是把输电部门从电力系统中独立出来，从而避免存在任何不公平使用输电网的现， 象。 由于独立输电公司、独立发电厂以及电力市场经纪人的出现，导致电网的规 划和运行需要各方协作，任何一方在电网规划和电网调度中都具有重要的地位。 在出现影响到各方权益的问题时，需要使用更加民主的方式做出决策，因此在电 力系统各方之间将出现新型的相互关系。目前的可靠性标准和电网运行规程也将 需要调整或进行重新定义。 电力系统机构重组以后出现权益分散，将使电网运行计划甚至电网调度不能 再有传统意义上的系统调度员进行，而需要新型的i s o 或输电网调度人员 t s o ( t r a n s m i s s i o ns y s t e mo p e r a t o r ) 。i s o 或t s o 必须做到对所有用户的操作的公 平性，以及在输电网过载等紧急情况下对各用户实施用电限制的公正性。电网规 划和运行的基本问题不再是优先解决属于本电力公司的用户的电力需求，而是要 明确地定义输电服务、用户使用输电系统的权力以及相应服务费用，电网的规划 人员和运行人员今后要解决的是如何制订新的可靠性运行规程，开发新的电网信 息系统和控制系统，以满足发电和输电市场的竞争的需要。 输电网开放之后，必须重新定义输电网的可靠性衡量标准。同时，在用户可 以自主的选择供电方的情况下，还需要考虑输电网因此而出现的大量不确定因素。 输电网开放使得电网规划变得更加复杂，尤其是对开放后的输电网可靠性评估以 及如何保证在出现转运业务以后电两的可靠性水平维持不变。 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前更加精确和更加频繁的计算，同时要及时将这些结 果公布到电力市场中去，使交易各方能够出正确的判断和计划。 这时，可用输电能力作为反映输电网对电力市场还可提供的最大传输容量， 如何准确、高效地计算输电网的这个重要指标，成为市场买卖双方，以及电网管 理者关注的焦点。 可用输电能力在电力市场中的地位何作用具体体现在以下几个方面【”j ： 首先a t c 可以减少输电网在实时运行中发生阻塞的概率。a t c 为系统调度员 9 和市场交易双方提供反映电网现有传输能力的度量标准，使系统调度员可以根据 a t c 安排交易，市场交易双方可以根据a t c 签订合同，以减少输电网阻塞的发生。 其次a r c 可以作为输电网裁减交易，消除阻塞的标准。当系统出现阻塞后， 电网管理者可以依据a t c 与交易量的差额大小反映交易对阻塞影响程度的轻重， 裁减影响程度大的交易，以便从技术上消除阻塞。 此外，通过a t c 的实时分布，可使输电网的输送效率更佳，从而使交易双方 获得更大的经济利益。 最后，a t c 还可以为电网的规划建设提供具体的信息，为提高系统的可靠件 和经济性服务。 2 2 可用输电能力的定义 1 9 9 5 年，北美电力系统可靠性委员会( 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 年文献中的定义，所谓一个系统两 区域间的功率交换能力，是指在至少满足下述约束条件下，通过两区域间的 所有输电回路，从一个区域点向另一区域点可能输送的最大功率。 ( 1 ) 在无故障发生的正常方式下，系统中所有的设备( 包括输电线路) 的负荷 及电压水平在其额定范围内。 ( 2 ) 在系统单一元件( 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，在系统调度员进行相关的 系统运行方式调整之前，这段时问内所有设备( 包括输电线) 的功率及电压水平 在给定的紧急事故条件下的额定范围内。 为了形象说明电力系统区域间功率交换能力的概念，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 c 相连接，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路组成。 t x y 是区域x 与y 问的界面潮流，当计算区域a 到r 的功率交换能力时，调 整区域a 和区域b 的电力输出( 和或电力需求) ，以便能在区域a 中出现电力过 剩，在区域b 中出现电力缺乏，这样就自然地在区域a 、b 间形成一功率交换， 持续地加大两区域间的此类调整，使区域a 和b 间的功率差不断增加，直到某一 设备或系统达到它的极限值( 如线路热限制、发电机出力限制和节点电压限制) ， 此时，从区域a 到区域b 的功率差就是这两个区域间的a t c 。 l o 和市场交易双方提供反映电网现有传输能力的度量标准，使系统调度员可以根据 a t c 安排交易，市场交易双方可以根据a t e 签订合同，以减少输电网阻塞的发生。 其次a t c 可以作为输电网裁减交易，消除阻塞的标准。当系统出现阻塞后， 电网管理者可以依据a t c 与交易量的差额大小反跌交易对阻塞影晌程度的轻重， 裁减影响程度大的交易，以便从技术上消除阻塞。 此外，通过a t c 的实时分都，可使输电网的输送效率更佳，从而使交易双方 获得更大的经济利益。 最后，a t c 还可以为电礴的规划建设提供具体的信息。为提高系统的可靠性 和经济性服务。 2 2 可用输电能力的定义 1 9 9 5 年，北美电力系统司靠性委员会m 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 年文献中的定义，所谓一个系统两 区域间的功率交换能力，是指在至少满足下述约束条件下，通过两区域间的 所有输电同路，从一个区域点向另一区域点可能输送的最大功率。 ( 1 ) 在无故障发生的正常方式下，系统中所有的设备( 包括输电线路) 的负荷 及电压水平在其额定范围内。 ( 2 ) 在系统单一元件( 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，在系统调度员进行相关的 系统运行方式调整之前，这段时间内所有设备( 包括输电线) 的功率及电压水平 在给定的紧急事故条件下的额定范围内。 为了形象说明电力系统区域间功率交换能力的概念，这里用简化的3 区域互 联系统来加以论述。 如图所示，一系统有a 、b 和c 三个区域它们之间由输电线路a 1 3 、a c 和 b c 相连接，其中a 、b 和c 三区域分剐代表三个含有发电、输电两络和负荷的 子系统，输电线路y ( x 、y 分别代表a 、b 、c ) 由一条或几条输电线路组成。 t x y 是区域x 与y 问的界面潮流，当计算区域a 到b 的功率交换能力时，调 整区域a 和区域b 的电力输出( 和或电力需求) ，以便能在区域a 中出现电力过 剩，在区域b 中出现电力缺乏，这样就自然地在区域a 、b 问形成一功率交换， 持续地加大两区域问的此类调整，使区域a 和b 间的功率差不断增加，直到某一 设备或系统达到它的极限值( 如线路热限制、发电机出力限制和节点电压限制) ， 此时，从区域a 到区域b 的功率差就是这两个区域间的a t c 。 此时，从区域a 到区域b 的功率差就是这两个区域间的a t c 。 硕士学位论文 区域b丁k 区域c 2 2 ，1 可用输电畿力 运行极 图2 2 简单互联系统示意图 t t r m 。l j a t c t t c ，c b m l e t c 时间 图2 3a t c 与各要录的关系 美国联邦能源委员会( f e r c ) 在其1 9 9 6 年的文献的8 8 8 8 8 9 文件中提出了“输 电网的所有权者计算输电系统a t c 的要求”。其后，n e r c 给出了a t c 的定义， 即a t c 是指在现有的输电合同基础上，实际物理输电网络中剩余的、可用于商业 使用的输电能力。此定义说明，电力市场环境下，电网输电能力的问题不再是原 来意义上简单的区域 l j 功率交换能力，而是基于已有的输电合同，在保证系统安 全可靠运行的条件下，区域间、或点对点间可能增加输送的最大功率1 2 6 。剐。它是 在现有的输电合同基础上，实际输电网络保留输电能力的尺度，可以概念性地表 示为 一愆= 丌一豫m 一衄m e 形 基于p 咱解耦的连续潮流法a t c 计算 式中，t t c ( t o t a l t r a n s f e r c a p a b i l i t y ) 为最大输电能力，反映了在满足系统各种安 全可靠性要求下，互联输电网上总的输电能力； t r m ( t r a n s f e rr e l i a b i l i t ym a r g i n ) 为输电可靠性裕度，反映不确定因素对互联系 统区域问输电能力的影响； c b m ( c a p a b i l i t y b e n e f i t m a r g i n ) 为容量效益裕度，反映了为了保证 e t c ( e x i s t i n gt r a n s f e rc a p a b i l i t y ) q b 不可撤销输电服务顺利执行时输电网应当保留 的输电能力； e t c 为现有输电协议( 包括零售用户服务) 占用的输电能力。根据e t c 合同的 稳定程度，可以使用诸如“可撤消”和“不可撤消”、“计划”和“预约”传输来 进一步描述输电合同1 26 1 。得到4 种输电服务用语：n r e s ( 不可撤消的预约输电服 务) 、n s c h ( 不可撤消的计划输电服务) 、r r e s ( 可撤消的预约输电服务) 、r s c h ( 可撤消的计划输电服务) 。当互联输电网络之间的输送量过大，随即干扰危及系 统运行安全时，需要削减部分输电业务。这时就引起了输电阻塞。显然，不可撤 消的输电合同的价格要低于可撤消输电合同的价格但是阻塞发生时不可撤消输电 业务被削减的风险也小于可撤消输电业务被削减的风险。 2 2 2 最大输电能力 最大输电能力的定义【2 7 】最早在n e r c 的1 9 9 5 年文件中提到过，当时称为 f c t t c ( f i r s tc o n t i n g e n c yt o t a lt r a n s f e rc a p a b i l i t y ) ，它被定义为在满足一定约束条 件下两个区域间能传输的总电能，即是f c i t c 和基准潮流的总和。其中， f c i t c ( f i r s tc o n t i n g e n c yi n r e m e n t a lt r a n s f e rc a p a b i l i t y ) 为满足以下约束条件下，除 基准潮流外输电系统还能传输的功率。 1 ) 在无故障发生的正常方式下，系统中所有的设备( 包括输电线路) 的负荷 及电压水平在其额定范围内。 2 ) 在系统单一元件( 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，在系统调度员进行相关的 系统运行方式调整之前，这段时间内所有设备( 包括输电线) 的功率及电压水平 在给定的紧急事故条件下的额定范围内。 在1 9 9 6 年的另一个文件中【2 8 】出现了几个新名词，如t r m ，c b m ，t t c ，因 此t t c 就取代了f c t t c ，但是实质上它们的含义是相同的。最大输电能力是指在 没有违反热过载、节点电压限制及系统安全限制条件下，所研究断面传输的最大 功率，即是t t c = m i n i m u mo f t h e r m a ll i m i t ，v o l t a g el i m i t ，s t a b i l i t yl i m i t 1 29 1 。 在电力系统中a t c 的求解，关键是t t c 的求解。虽然计算t t c 的方法有很多， 但目前常用的可以分为三种：考虑安全约束的最优潮流法、连续潮流法、常规潮 1 2 硕士学位论文 流法。 计算t t c 的步骤如下： ( 1 ) 定义一个基准情况。这个基准情况可以是当前的状态也可以是预测状态， 同时必须规定区域的范围，一个区域可以包括一台或更多的发电机。如果只有一 台发电机，功率输出的增加或减少很容易确定，如果不止一台发电机，在功率输 出时必须进行合理分配。 ( 2 ) 规定事故集。事故集有可能是简单中断，比如一条线路或者是_ 台发电机 的中断，也可能是复杂的多种设备中断。 ( 3 ) 确定网络响应。用计算机仿真来计算在基准情况和事故情况下发电的变化 量对输电线路潮流、系统电压水平及稳定裕度的影响。 ( 4 ) 找到最大传输量。在基准情况下可能不满足线路潮流、系统电压水平及稳 定裕度的约束范围，那么t t c 就可以认为是零或者是负值：若以基准情况满足约 束条件为前提，将基准点作为初始点，增大负荷水平，同时相应增大发电机出力， 直到某一个约束条件越限，此时的传输量就是t t c 。 2 2 3 输电可靠性裕度 输电可靠性裕度是指为了保证互联网络在一系列不确定性因素影响下安全运 行而预留的输电能力。t r m 中所考虑的不确定性因素包括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、区域问功率环流的影响。在已 安排的系统故障检修和其他已知的网络状态应在t t c 的计算中考虑，t r m 中不考 虑这些因素的影响。 t r m 的计算方法由 ( 1 ) 一确定数量的系统输电容量作为t r m l 3 0 1 ； ( 2 ) 以t t c 中的某一百分比作为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， 以最坏颈想故障条件下的电网输电能力与