电力市场环境下的电力系统稳态分析

第四章电力市场环境下电力系统稳态分析4.1

概述

20世纪80年代以来，世界范围内开始了电力工业改革浪潮，其主要目标是打破垄断，开放电网，形成自由竞争电力市场。依据微观经济学中市场理论，能够将电力市场定义为相互作用、使电能交换成为可能买方和卖方集合。应该指出，电力市场中商品除电能外还包含各种辅助服务。辅助服务：输送电能、提供备用、无功赔偿及电压调整等主要用来确保电力系统运行可靠性及电能质量。

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现在世界上已提出了各种电力工业改革方案，并在不一样国家实践。电力市场和其它市场相比待殊之处：电能生产和消费是同时完成电力市场显著标志：输电系统存在。输电服务因为其规模效益，含有天然垄断性质。各国市场化共同特点：“厂网分开”。由政府对输电部分进行适当管制，确保电网开放，为发电和配售电创造一个公平竞争环境。对输电部分处理不一样，形成了各国电力市场结构特色。第2页电力市场主要组成部分如图所表示：市场供给主体：发电厂商(G)、发电市场(PM)；市场需求主体：用户(D)、零售商®；电力市场输电部分包含5个部分：输电设备全部者(Transmissionowner，TO)独立系统调度机构(IndependentSystemOperator，ISO)辅助服务商家(AncillaryService，AS)电能交易机构(PowerExchange，PX)交易协调商家(SchedulerCoordinator，SC)第3页第4页1、

输电设备全部者（TO）电网开放前提：输电设备全部者对输电系统用户(包含发电厂商及电能用户)在准入和利用输电设备方面应平等对待，防止歧视。应建立一个独立控制机构ISO来调度输电系统并提供输电服务，而输电设备维修责任仍归输电设备全部者。第5页2．独立系统调度机构(ISO)ISO调度输电网络并对全部输电用户提供服务。对ISO基本要求：不从电力市场中赢利。ISO必须与电力市场主体发电厂商及用户脱离。ISO职责和权力在不一样市场模式中主要有：(1)制订运行规划／运行方式。(2)实施调度。(3)对电力系统进行控制与监测(4)在线电网安全分析。(5)市场行政管理。第6页3.电能交易机构（PX）

PX基本功效：在未来市场对电能供求双方提供一个交易场所。作为电供需双方竞争POOL，形成市场出清价(MarketClearPrice，MCP)。MCP就成为实现未来市场结算依据。市场周期：1小时到几个月。最常见形式：一天前市场，为每个运行日前一天进行电能交易。依据市场设计，一天前市场可辅以较长周期市场或小时前市场。小时前市场为运行前1到2个小时电能交易提供可能。以上三部分：TO、ISO及PX给电力市场交易提供一个平台，不能从交易中赢利。第7页4.辅助服务商家（AS）

功效：为电力系统可靠运行提供所需服务，主要是为输电系统安全可靠运行提供有功备用及无功电源。

依据市场结构，辅助服务商家能够在PX或ISO进行交易。辅助服务能够是以捆绑方式提供，也可分别按菜单提供。调整备用、旋转备用和补充运行备用(非旋转备用)等辅助服务能够由用户自己提供。第8页5.交易协调商家（SC）

SC：把电能供需方计划结合在一起一个中间商，但无须恪守PX规则。有些市场模式中要求把电能协调限制在中央POOL之中而不允许其它SC进行操作，比如英格兰电力市场就是这么。有些电力市场模式中可能不存在中央POOL或管制交易机构，电能协调是用一个分散方式进行。在很多新电力市场结构中，SC是一个主要组成部分。第9页以上五个电力市场组成部分在一些电力市场中不一定出现。在一些情况下可能会少一两个组成部分。在另一些情况下，两个或几个组成部分可能合为一个复合组成部分。但其对应职能是不可缺乏。比如挪威将ISO和TO结合，英格兰将ISO、TO和PX结合成为NGC(国家电网企业)。起初美国加利福尼亚州电力市场结构式是将以上五个部分全部分开，FERC(联邦能源管理委员会)在OrderNo．中要求各地域成立PX、IS0和TO结合RTO(地域输电机构)。第10页

电力市场出现给电力系统研究提出了很多新课题，包含经济方面课题和技术方面课题。经济方面：电价理论和交易机制是电力市场研究关键。国外电力市场理论研究起源于20世纪80年代末期学者对实时电价研究，从理论上证实了实时电价对合理配置资源有效性。电价理论研究分为两个部分，即电能成本分析(电价预测)和电力市场中电价形成机制。电能成本分析：电价预测基础，对于电力市场宏观控制、优化电力资源配置有决定性影响。电价形成：最终要经过市场机制。从理想市场运行来看，电力市场出清电价应与电力系统电能边际成本相对应。第11页

电力交易形式：可采取双边协议和竞价上网。普通电力市场都包含这两种形式交易。不过电力市场以何种形式为主，或这两种形式各占多大份额，应该根据详细情况进行分析。电力市场理论一个难点：竞价上网方式和竞价策略，有很强随机性和实时性要求。该问题不但与电力市场经济效益相关，而且直接影响电力系统安全性和可靠性。对一个发电厂商来说，竞价决议和其运行优化有亲密关系，其竞争目标是要获取最大利润。发电厂商怎样制订最优竞价策略，以及PX怎样模拟和选择发电厂商以使电力用户电能费用最小化问题将包括到随机优化模型和算法。第12页技术方面：围绕电力市场环境下确保电力系统安全

运行问题。垄断环境下：整个电力系统发电、输电、配电是统一管理和统一调度，运行方式安排相对比较简单，系统运行安全可靠轻易得到确保。电力市场环境下：电力交易瞬息万变，电力调度既要确保公平竞争，又要确保安全运行，这就给电力系统分析提出了新挑战。比如，在电力市场条件下因为系统时尚可能与预测很不一样，可能造成输电阻塞、电压瓦解及不稳定等问题。第13页

输电阻塞：是电力市场条件下系统运行一个主要现象。从市场经济学观点来看，双边交易员能表达市场自由竞争效益，但这种交易模式会给电力系统统一调度带来困难。最突出问题：电力网络一些部分可能趋于功率极限，使电力系统运行承受很大风险，即，电力市场环境下输电阻塞问题。电力市场环境下电力系统安全运行关键:缓解电力网络阻塞。办法：在运行中如发觉输电阻塞，用技术和经济伎俩去快速消除它.要求用强有力在线分析软件去发觉隐患：需要频繁应用最优时尚软件以维持系统安全、经济运行；发展快速评定系统各部分可用输电容量算法。可用输电容量：指电力网络可深入增加电力交换容量。是电力市场运行一个很主要概念。第14页

电力市场情况下：时尚分析不但要给出各支路功率，为了确定输电费用和处理输电阻塞问题，往往还要求给出各发电厂或电力用户功率在各支路功率中所占份额。即时尚追踪问题。本章内容：讨论在电力市场环境下电力系统稳态分析方面几个新进展，包含最优时尚及其在节点电价和输电阻塞处理方面应用，时尚追踪和可用传输能力问题。这些模型和算法反应了电力市场环境下电力调度对决议支持系统新要求。因为这是一个快速发展领域，本章内容还很不成熟，希望今后能不停完善。第15页一、最优时尚问题（OPF-OptimalPowerFlow）概述常规时尚计算：经过一次时尚计算得到电力系统一个运行状态。能够归结为：针对一定扰动变量p(负荷情况），依据给定控制变量u（发电机有功出力、无功出力或节点电压模值等），求出对应状态变量x（节点电压模值及角度）。常规时尚计算结果,满足时尚方程式或者变量间等式约束条件4.2电力系统最优时尚。第16页(1)常规时尚计算决定运行状态，可能因为一些状态或作为u、x

函数其它变量超出它们运行限值，因而在技术上是不可行。实际惯用方法：调整一些控制变量给定值，重新进行基本时尚计算，这么重复进行，直到全部约束条件都满足为止。这么便得到一个技术上可行时尚解。常规时尚计算存在两种问题第17页(2)对某一个负荷情况，理论上存在众多、技术上都能满足要求可行时尚解。这里每一个可行时尚解，对应于系统一个特定运行方式，含有对应总体经济上或技术上性能指标（如系统总燃料消耗量、系统总网损等）。最优时尚问题：为了优化系统运行，从全部可行时尚解中挑选出上述性能指标中最正确一个方案。

第18页（1）基本时尚计算时，控制变量u事先给定；最优时尚u则是待优选变量，在最优时尚模型中必定有一个作为u优选准则目标函数。（2）最优时尚计算除满足时尚方程这一等式约束条件外，还必须满足与运行限制相关大量不等式约束条件。（3）基本时尚计算是求解非线性代数方程组；最优时尚计算从数学上讲，是一个非线性规划问题，需要采取最优化方法来求解。（4）基本时尚计算完成只是一个计算功效，即从给定u求出对应x；

最优时尚计算是依据特定目标函数并满足对应约束条件情况下，自动优选控制变量，含有指导系统进行优化调整决议功效。

最优时尚与基本时尚计算区分第19页

建立在严格数学基础上最优时尚模型，首先是由法国学者Carpentier于20世纪60年代提出。经典经济调度方法：基于协调方程式，含有方法简单、计算速度快、适宜于实时应用等优点，但协调方程式在处理节点电压越界及线途经负荷等安全约束问题上却显得无能为力。最优时尚：以数学规划问题作为基本模式，在约束条件处理上含有很强能力，使电力系统对于经济性、安全性及电能质量三方面要求得到完美统一。针对不一样应用，最优时尚模型能够选择不一样控制变量、状态变量集合、不一样目标函数，以及不一样约束条件。

最优时尚与经济调度区分第20页

最优时尚定义就是当系统结构参数及负荷情况给定时，经过控制变量优选，找到能满足全部指定约束条件，并使系统性能指标或目标函数到达最优时尚分布—带约束优化问题。前提条件：（1）各火电（核电）投运机组已知（不处理机组开停问题）；（2）各水电机组出力已定（由水库经济调度决定）；（3）电力网结构确定（不考虑电力网重构问题）。第21页

最优时尚算法中变量状态变量x控制变量u变量—调度人员能够调整、控制变量—经过时尚计算确定

惯用控制变量有：（1）平衡节点以外发电机有功出力；（2）全部发电机（包含平衡节点）及可调无功补偿设备无功出力或对应节点电压幅值；（3）带负荷调压变压器/移相器变比。第22页

状态变量由需经时尚计算才能求得变量组成。常见有：(1)除平衡节点外，其它全部节点电压相角；(2)除发电机节点以及含有可调无功赔偿设备节点之外，其它全部节点电压幅值。当采取发电机节点及含有可调无功赔偿设备节点无功出力作为控制变量时，对应节点电压幅值就要改作为状态变量。

第23页最优时尚数学模型最优时尚问题研究，除提出采取不一样目标函数和约束条件而组成不一样应用范围最优时尚模型之外，更大量是从改进收敛性能、提升计算速度等目标出发，提出最优时尚计算各种模型和求解算法。第24页

最优时尚有各式各样目标函数，最惯用形式有以下两种：(1)系统运行成本最小。该目标函数普通表示为火电机组燃料费用最小，不考虑机组开启、停机等费用。其中机组成本花费曲线是模型关键问题，它不但影响解最优性，还制约求解方法选取。通常机组燃料费用函数惯用其有功出力多项式表示，最高阶普通小于3。若阶数大于3，目标函数将展现非凸性，造成OPF收敛困难。第25页(2)有功传输损耗最小。无功优化时尚通常以有功传输损耗最小为目标函数，它在降低系统有功损耗同时，还能改进电压质量。

电力系统调度运行研究中惯用最优时尚普通以系统运行成本最小为目标，其数学模型以下：目标函数：第26页第27页第28页

至今已提出求解最优时尚模型和方法很多，归纳起来有非线性规划法、二次规划法、线性规划法、混合规划法以及近年出现内点算法和人工智能方法等，现在分别叙述以下。最优时尚算法第29页1．非线性规划法(Non-LinearProgramming，NLP)目标或约束函数展现非线性特征，其约束条件可由等式或不等式约束组成。分为无约束非线性规划和有约束非线性规划。有约束非线性规划方法基本思想是利用拉格朗日乘子法或罚函数法建立增广目标函数，使有约束非线性规划问题先转化为无约束非线性规划问题，利用不同数学优化方法求解。第30页非线性模型是最早OPF数学表示形式。第一个成功最优时尚算法：1968年提出简化梯度算法。算法基础：牛顿法时尚计算。独立变量取系统控制变量，用罚函数处理违约函数不等式约束，用拉格朗日乘子方法判别是否已到边界。算法特点：用罚函数处理不等式约束会产生病态条件，造成收敛性变坏；修正步长能够提升算法收敛性，在优化过程每一步均要检验收敛性，使收敛性得到一定改进。梯度法局限：优化过程存在振荡现象，影响效率。第31页

1970年研究牛顿法对于OPF收敛性能进行改进，克服了收敛振荡现象，但计算过程中海森伯矩阵求解不适合大型系统。转移罚函数法在求解约束非线性规划问题时能克服传统罚函数法海森伯矩阵病态缺点，1982年，采取简化梯度概念和拟牛顿算法优化转移罚函数，改进了算法收敛性和准确度，试验表明，与标准罚函数法相比，可节约30％计算时间。利用拟牛顿变矩阵方法求解OPF问题有以下优点：①可直接处理OPF模型中各种约束；②鲁棒性强，可起始于一个不可行解；③与同期其它算法比较，计算速度快几倍。与利用一阶信息梯度法不一样，牛顿法直接足KKT条件，不但利用了目标函数在搜索点梯度，还利用目标函数二阶导数，考虑梯度改变势，含有二阶收敛性，速度更加快。

KKT条件：把全部等式、不等式约束与f(x)写为一个式子，也叫拉格朗日函数，系数也称拉格朗日乘子，经过一些条件，能够求出最优值必要条件。第32页第33页

2．二次规划法(QuadraticProgramming，QP)仅适合用于求解目标函数为二次形式，约束条件为线性表示式。1973年首次提出用二次规划法求解经济调度问题，经过引入人工变量把费用函数(目标函数)近似为二次函数，利用泰勒级数展开把约束线性化，采取线性规划中wolfe算法求得最优解，其中算法收敛不受梯度步长和处罚因子选择影响，但计算时间将随系统规模增大而显著延长。1982年OPF二次规划法研究取得了突破性进展，将原非线性规划模型分解为一系列二次规划子问题，利用增广拉格朗日法能从不可行点找到原问题最优解，甚至在时尚方程发散情况下也能得到可行点。二次规划法优点：比较准确可靠，但其计算时间随变量和约束条件数目标增加而急剧延长，求临界可行问题时会造成不收敛。第34页3．线性规划法(LinearProgramming，LP)把整个问题分解为有功功率和无功功率两个子优化问题，或进行交替迭代求解，或者分别求解。大都采取分段线性或逐次线性化迫近非线性规划问题，利用线性规划方法求解。1968年首次提出用线性规划法求解安全约束经济调度问题，算法思想是将成本目标函数和约束条件线性化后用单纯形法求解。有两大缺点：①在不可行条件下，最终止果不是最优解；②因为计算机舍入误差影响，约束可能出现过负荷现象。1970年提出对偶线性规划技术，采取修正单纯形法求解OPF问题，与非线性规划法相比显示出非常有前途计算性能。第35页4.混合规划法对OPF问题中有功优化子问题与无功优化子问题展现不一样特性而选择两种或几个方法联合求解，比如，混合整数规划法、线性规划与二次规划混正当等。首次提出一个线性和二次规划混合优化方法用于求解经济调度问题。含有二次收敛特征二次规划和牛顿法能克服线性规划法存在缺点。不适合用于：计算中需求拉格朗日函数二次偏微分；有功优化子问题中发电费用目标函数是分段模型；，考虑机组阀点负荷时。试验证实采取不一样规划方法分立求解有功、无功问题使优化过程更灵活，非常适合于EMS中在线应用。第36页5.内点算法算法提出前提：研究一个能在可行域内部寻优方法，以克服顶点搜索法组累计算复杂性。1954年提出最早内点法，仅限于求解无约束优化问题障碍参数法。1967年分别提出基于多面体中心和变量仿射内点法。当初应用效果无法与单纯形法相比，20世纪70年代内点法发展一度陷于低潮。1984年提出线性规划一个新内点算法，含有多项式计算复杂性，在求解大规模线性规划问题时，计算速度比单纯形法快50倍以上。随即将其应用深入推广到非线性规划领域。第37页近年来，一些新变型算法相继出现，最有发展潜力是路径跟踪法(PathFollowing)，又称为跟踪中心轨迹法。该方法将对数壁垒函数与牛顿法结合起来应用到非线性规划问题，已从理论上证实含有多项式复杂性。该方法特点：收敛快速，鲁棒性强，对初值选择不敏感，在求解电力系统优化问题中已得到广泛应用。第38页6.人工智能方法非线性规划、线性规划等方法己逐步克服在不等式约束处理、计算速度、收敛性和初始点等方面困难，但在对离散变量处理上还没有完善处理方案。近几年伴随计算机和人工智能等技术发展，不停有新方法出现，模拟进化规划方法、含糊集理论、模拟退火算法等人工智能方法先后用于电力系统最优时尚问题。模拟进化规划方法：模仿生物进化过程所得到一类优化方法，进化规划和遗传算法是其中最主要方法，主要用于无功优化，擅优点理离散变量。模拟进化优化方法属于随机优化方法，原理上能够以较大概率找到优化问题全局最优解。含有全局收敛性、并行处理特征、通用性及鲁棒性等优点。第39页含糊集理论：适合于描述不确定性以及处理不一样量纲、相互冲突多目标优化问题，为处理含有可伸缩约束多目标优化问题提供了新路径。能够把约束条件分为硬约束和软约束两种，利用含糊集把软约束和目标函数含糊化，得到含糊OPF问题，再对OPF问题目标函数进行修正，使其当最优解处于非含糊区域时能等效于常规OPF问题，这种修正使得在目标函数中全部控制变量都能显性地表示出来，有利于用逐次线性规划法求解。第40页模拟退火算法：也是一个进化优化方法，一个有效通用启发式随机搜索方法。算法思想起源于冶炼工业中熔融金属退火过程。算法原理：对常规迭代寻优算法进行一点修正，允许以一定概率接收比前次解稍差解作为当前解。能够用模拟退火方法进行无功优化，理论上能够不一样时地收敛到全局最优解，但运算时间比较长。人工智能方法处理了寻找全局最优解问题，能精确处理问题中离散变量，但因为这一类方法通常属于随机搜索方法，含有计算速度慢先天缺点，难以适应在线计算及电力市场要求。第41页最优时尚问题内点法基本思绪：初始点应取在可行域内，希望寻优迭代过程一直在可行域内进行，并在可行域边界设置“障碍”使迭代点靠近边界时其目标函数值快速增大，从而确保迭代点均为可行域内点。对于大规模实际问题而言，寻找可行初始点往往十分困难。为此许多学者长久以来致力于对内点算法初始“内点”条件改进。以下介绍跟踪中心轨迹内点法只要求在寻优过程中松弛变量和拉格朗日乘子满足简单大于零或小于零条件，即可代替原来必须在可行域内求解要求，使计算过程大为简化。第42页为了便于讨论，把最优时尚模型[式(4-1)-(4-6)]简化为以下普通非线性优化模型：第43页第44页第45页把目标函数改造为障碍函数，该函数在可行域内应近似于原目标函数f(x)，而在边界时变得很大。可得到优化问题B：第46页第47页第48页第49页第50页写成矩阵形式：第51页第52页第53页第54页3.3

最优时尚在电力市场中应用

综述

最优时尚问题：在满足特定系统运行和安全约束条件下，经过调整系统中可利用控制伎俩实现预定目标最优系统稳定运行状态。特点：把电力系统经济调度和时尚计算有机地融合在一起，以时尚方程为基础，进行经济与安全(包含有功和无功)全方面优化，是一个大型多约束非线性规划问题。将可靠性与电能质量量化成对应经济指标，到达优化资源配置，降低发电、输电成本，提升对用户服务质量日标。含有传统时尚计算所无法实现技术经济意义。第55页

20世纪90年代将经济性提升到一个新高度。不论是节点实时电价与辅助服务定价、输电费用计算、网络阻塞管理、可用传输容量预计等电力市场理论和实践中主要课题，最优时尚都能够作为其理想研究工具。实时电价概念是1988年引入电力系统，它将经济学中到达全社会效益最优边际成本定价理论应用到电能这一特殊商品，并强调了电能价格随时间、空间不一样而不一样。有严密数学推导，还不能直接应用于当前工程实际中。

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伴随最优时尚技术飞速发展和日趋实用化，提出基于最优时尚实时电价理论和表示式。OPF应用于实时电价首次尝试：使用改进OPF模型中有功价格响应来分析实时电价政策作用。在模型中引入无功价格，指出OPF模型中时尚方程对应拉格朗日乘子与节点功率注入边际成本之间关系，深入证实OPF是一个极具潜力实时电价计算方法。第57页电力市场中辅助服务主要包含：AGC、热备用、冷备用、电压／无功支持和黑开启等。旋转备用定价问题模型经过将用户因断电而取得赔偿费用加入到目标函数中以表达这么一个思想：因为发电容量或传输容量不足而造成供电事故将造成社会总效益降低。基于修正最优时尚模型一体化实时电价算法，给出了各拉格朗日乘子所包含辅助服务经济学信息。经过考虑更多辅助服务以及电压质量，提出了一个更先进最优时尚价格模型，并利用内点算法求解，最终将实时电价分解为四部分：①发电边际成本(即OPF中节点功率平衡方程对应拉格朗日乘子)②网损赔偿费用；③有功、无功耦合关系；④安全服务费用，对于有功来说指是阻塞管理费用，对于无功而言还应加上无功／电压支持服务费用。AGC:AutomaticGenerationControl

第58页电力市场一个主要特征：“电网开放”挑战性新课题：怎样在市场环境下准确地计算输电费用。在实施市场化初始阶段，为了计算输电费用，提出各种模型和算法：时尚追踪法；利用OPF模型研究拍卖“输电权”机制。

输电权概念提出打破了以往研究输电费用思绪，跳出了物理意义局限，认为ISO只需确保注入节点(如发电机或电力销售商)与输出节点(电力用户)之间功率注入和输出，无需关心网络中时尚分布情况。采取基于拍卖机制优先权保险服务方式出售输电权，输电网用户必须依据所需功率事先购置“使用权”，以免在输电网发生阻塞时执行电力交易协议出现困难。

第59页在电力市场机制下，因为双边协议和多边协议日益增多，系统安全稳定运行越来越受到各方面重视，输电阻塞成了影响系统安全运行首要问题。

网络阻塞缓解办法：①阻塞线路切换；②调整变压器和调相器抽头；③使用灵活交流输电系统。这三方面都是从网络物理特征考虑。第60页在电力市场条件下，阻塞缓解研究焦点：希望利用价格伎俩进行电力交易量增加或削减，从而降低过载线路时尚功率。因为市场模型、政治体制、技术发展情况等许多因素不一样，世界各国电力市场采取了不一样阻塞管理方案，普通来说可将其划分为三大类，即交易协议削减、输电容量预留和系统再调度。依据不一样时间、不一样情况采取这三种伎俩结合是最有效方法。有文件提出一个阻塞管理OPF模型，依据发电厂和用户调整报价，能够同时调整实时平衡市场下发电机出力以及必要时削减部分短期双边协议量。有文件应用改造线性原对偶内点法求解OPF模型。目标函数是调整费用最小。第61页在电力市场环境下，为了最大程度地降低输电成本，输电网已把其传输容量极限研究作为提升经济效益主要伎俩。系统输电能力预计作用：指导系统调度人员操作，确保系统安全可靠运行，含有技术方面价值；含有市场信号作用，能为市场参加者进行决议提供参考。可用传输容量(ATC)：在一定系统运行条件下，节点与节点之间(或一个区域与另一个区域之间)全部输电路径能可靠地转移或传输功率能力量度。ATC:AvailableTransferCapability第62页可用传输容量(ATC)能够作为—个优化问题来求解：使用直流模型，考虑了各种安全约束，利用线性规划优化方法计算单个电源负荷母线组或输电走廊ATC。然而系统中无功／电压水平直接影响着传输功率提升，所以基于直流时尚模型ATC计算不够准确。采取多层前馈神经网络方法求解以区域间最大输电容量为目标函数交流OPF模型。提出“OPF十MAT(Maximum

Allowable

Transfer)”方案，经过降低运行在靠近稳定极限设备上功率来满足系统稳定约束，将降低功率在其它设备中优化配置以确保指定联络线路传输功率最大。第63页以上介绍了在电力市场环境下OPF各种应用场所。OPF在电力市场中不一样功效，主要取决于不一样目标函数，不一样控制变量、状态变量，以及不一样约束条件组合。详细比较参见表。第64页基于最优时尚阻塞管理方法

起初阻塞管理：在竞价市场和双边协议市场之外建立一个实时平衡交易市场，勉励尽可能多发电厂和电力用户参加市场竞争，帮助调度部门修订调度计划，处理传输阻塞问题。伴随电力市场中双边协议数量增加产生新问题：平衡市场中电源可能逐步难以满足阻塞管理要求。为确保系统安全运行，处理阻塞问题办法：必须依据市场竞价修正一些双边协议，调整与该协议相关发电厂出力和电力用户负荷。利用最优时尚能够依据市场报价调控实时平衡市场中发电厂出力，在必要时可经过竞价伎俩削减一些双边协议量。第65页以下介绍一个模型：市场参加者提出增减出力报价，设目标函数为调整费用最小，应用改进非线性原对偶内点法最优时尚能够有效地进行阻塞管理。

第66页第67页第68页从图中能够看出：增加出力报价普通高于削减出力报价；双边协议削减量报价是最高。原因：增加机组出力比削减出力要付出更多燃料费用。双边协议包括到协议双方经济利益，标准上应该得到充分确保，则削减协议量报价最高。用户也能够进行报价，其竞价曲线与发电机类似，只考虑削减负荷情况(包含单独削减和双边协议削减)。通常情况下，削减用户负荷报价要高于机组出力调整报价，也是由经济利益决定。第69页阻塞管理数学模型目标函数第70页第71页第72页第73页第74页第75页第76页4.4

时尚追踪问题

电力市场环境下，发电、输电和配电业务将分开经营。输电：一个特殊业务，向独立发电厂或电力批发商提供服务，或为其它电力企业提供转运服务，后者都成为输电系统用户。包括问题：定义对这些用户服务项目和确定过网费等。调度人员需了解：整个电力系统时尚分布，用户对电网输变电设备利用份额，网损应怎样分摊等等。处理这些问题是度量输电服务关键，直接影响输电费用确实定。

当前国际上采取确实定过网费方法有：只按输送电能计费邮票法；主观地要求用户时尚流向协议路径法；在假定其它输电业务都不存在情况下，计算某一特定输电用户在电网中时尚分布兆瓦-公里法等等。第77页

这些方法都难以准确量度输电用户对输变电设备实际利用情况,由此得到过网费难以到达公平合理。更主要是，这些过网费其算法不能给输电用户以正确信息，可能引发过负荷并危及电力系统运行。为此，必须能够准确分析各种运行状态下输电用户时尚分布问题——时尚追踪问题。第78页当前，已经有一些文章对时尚追踪问题进行了研究：一个有功时尚追踪方法，能够求出从某一电源到某一负荷点有功功率大小，也能够求出某一电源或某一负荷点功率占用某条输电线路份额，从而能够进行对应损耗分摊及投资回收分摊，但该方法只适应于无环网络。两条电流分解公理，处理了电路中各支路电流组成和追踪等基尔霍夫定理没有包括问题。在此基础上，提出有功时尚追踪算法并应用于网损分摊及输电设备利用份额分摊中。这种方法能够考虑环形电网，克服了前面不足。以有功时尚追踪为基础，利用边际成本法计算输电费用，包含固定成本、线损成本和阻塞成本。

第79页本节介绍有功功率追踪问题——过网费分析基础理论。归纳作为过网费时尚分析基础两条电流分解公理，据此推导分摊网损和确定输变电设备利用份额基本标准。以图论为依据，引出一个电力系统输变电设备利用份额和网损分摊问题简单、高效、通用算法。

在过网费计算中，网损分摊问题及输变电设备利用份额问题主要包括有功时尚一些量，为了简化叙述，在以下讨论中忽略无功时尚影响。

第80页电流分解公理与网损分摊标准

迄今为止电路研究都限于各电路元件总电流及其对应物理效应，未包括这些电流组成和效应分摊问题。过去电力系统时尚计算：只关心输电线路及变压器中经过总电流(功率)及对应压降及功率损耗。研究过网费问题时：不得不深入对网络中各支路电流组成及其对网络影响进行分析计算。在这种情况下，仅用基尔霍夫电路定律已经不够。为了处理这类问题，补充两条关于电流分解公理。

第81页第82页第83页第84页第85页第86页第87页第88页第89页网损分摊问题数学模型第90页第91页第92页第93页第94页输电设备利用份额问题

以下讨论用户对输电设备利用份额分析理论和算法。以两条电流分解公理为基础，建立求解输电设备利用份额数学模型。对时尚标注有向图持性进行研究，表明这类有向图上不可能存在有向回路。在此基础上开发适合任何复杂网络结构输电设备利用份额计算方法。

在电力系统给定运行方式下，经过时尚计算能够求得各输电线路及变压器中(以下统称支路)时尚。第95页要讨论问题：怎样确定用户(独立电源或电力批发商)电力在电网中各支路分布情况。依据问题性质，能够计算电源电力在电网各支路分布，或计算用户负荷电力在电网各支路分布。以下主要讨论电源电力在电网各支路分布，即确定电源对输电设备利用份额。确定负荷对输电设备利用份额模型及算法完全类似。第96页第97页第98页第99页第100页第101页第102页图论方法

第103页第104页第105页第106页第107页第108页4.5

输电系统可用传输能力

可用传输能力(ATC)

电力系统输电能力对整个系统安全可靠性有很大影响。传统垂直管制环境下，区域间输电能力仅仅是系统调度员调度时一个参考信息，了解系统当前运行状态离各种约束距离。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，支途经负荷、节点电压越限等故障更有可能发生。提出问题：怎样准确、高效地计算输电网输电能力。第109页

电网输电能力计算研究始于20世纪70年代，直到1996年美国联邦能源委员会(FERC)颁布“要求输电网拥有者计算输电网区域间可用传输能力Available

Transfer

Capability，ATC)”命令后，这方面研究才受到众多工程人员和研究学者注意。其后北美电力可靠性委员会(NERC)给出ATC定义：ATC是指在现有输电协议基础之上，实际物理输电网络中剩下、可用于商业使用传输容量。第110页说明：电力市场环境下，电网输电能力问题不再是原来意义下简单区域功率交换能力，而是基于已经有输电协议，在确保系统安全可靠运行条件下，区域间或点与点间可能增加输送最大功率。在现有输电协议基础之上，实际输电网络保留输电能力尺度，能够概念性地表示为第111页式中：TTC——最大输电能力，反应在满足系统各种安全可靠性要求下，互联络统联络线上总输电能力；TRM——输电可靠性裕度，反应不确定原因对互联络统间输电能力影响；CBM——容量效益裕度，反应为确保ETC中不可撤消输电服务顺利执行时输电网络应该保留输电能力；ETC——现有输电协议(包含零售用户服务)占用输电能力。依据ETC协议稳定程度，能够使用诸如“可撤消”和“不可撤消”、“计划”和“预约”传输来深入描述输电协议。当互联网络间输送电量过大，随机干扰危及系统运行安全时，需要削减部分输电业务。这时就引发了输电阻塞。第112页从上述ATC定义能够看出，不确定性原因对输电系统可用传输能力ATC影响很大，比如线路和发电机故障都可能造成网络输电能力急剧下降。ATC计算中关键：处理网络不确定性原因影响，高效、较准确地计算ATC，也是当前ATC研究中急需处理难题。

ATC用来评定未来一段时间(一小时、一天或更长)网络额外输电能力。ATC计算值需要按要求时间段进行更新，依据对网络输电能力预测时问长短，ATC计算分为在线ATC计算和离线ATC计算：第113页离线ATC计算时，网络不确定性原因对ATC计算准确度影响较大。预测时间越长，不确定原因对ATC影响越大。为了确保ATC计算值在商业应用可接收范围内，同时减小计算量和节约计算时间，普通采取概率性模型计算ATC。

在线ATC计算时，因为预测时间较短，只需从大量预想故障中选择一些可能是最严重故障进行研究，计算量大大减小。从实时应用角度来看，在线ATC计算时普通选择确定性模型。第114页以下就这两类ATC计算方法作简明介绍

1．基于确定性模型算法

当前基于确定性模型提出算法主要有以下几：

(1)线性规划阶段：该算法使用直流时尚模型，考虑各种安全约束条件，利用线性规划方法计算ATC。算法特点：算法基于直流时尚，忽略了电压和无功影响，不适合用于缺乏无功支持和有效电压控制重负荷系统。线性规划法伴随系统规模增大，计算时间急剧增加，不适合用于大系统ATC计算。

第115页(2)连续时尚法(CPF)

：基于连续时尚法能够跟踪时尚解轨迹特点，从一个基准时尚出发，逐步增加研究区域问送受电量，直到电压静态稳定极限，即系统临界最大时尚点。算法特点：考虑了系统电压、无功特征及其它非线性原因影响，计算结果较之线性规划法更准确。因为CPF在负荷量和发电量增加时，采取是一个公共负荷因子，忽略了发电和负荷优化分布，可能造成ATC计算值趋于保守。

第116页(3)最优时尚法(OPF)

：基于OPFATC计算是对应用CPF计算ATC改进。算法特点：OPF能够方便地处理各种系统约束及系统静态预想故障，对系统资源进行优化调度，非常适合于ATC计算。CPF和OPF计算ATC时，或包括非线性方程处理，

或包括系统资源优化调度，计算速度非常慢。第117页(4)分布因子法：又称灵敏度分析法，是针对CFF和OPF计算量过大缺点提出，它牺牲了一定计算精度来换取较快计算速度，求得近似ATC值。

(5)遗传算法：利用遗传算法能寻找全局最优解特征，试图求得最优区域间可用传输容量。其计算速度、计算精度普通要优于CFF。

(6)在线系统传输容量估测软件包(TRACE)：该软件包是EPRI组织联合一些电力企业于1996年后期开发出来，它也是第一个可用于实际系统ATC应用软件。该软件包依据能量管理系统(EMS)实时状态预计数据计算给定路径上ATC和TTC，以优化系统中电能交易。软件户内嵌预想故障快速捕捉程序含有识别紧急预想故障能力，所以非常适合在线ATC计算。EPRI组织：TheElectricPowerResearchInstituteCHINAEPRI：中国电力科学研究院第118页在线ATC计算程序运行机制如图所表示。在能量管理系统(EMS)中与以下模块进行信息交换：状态预计(SE)、安全分析(SA)、实时运行规划(COP)和网络开放实时信息系统(OASIS)。由状态预计(SE)模块中取得系统当前运行状态；由安全分析(SA)模块中取得系统预想事故集；由实时运行规划(COP)模块中取得负荷预测、发电计划和故障设备信息。所计算ATC值传送并公布到网络开放实时信息系统(OASIS)模块上。第119页为何引入网络开放实时信息系统(OASIS)？电力市场环境下，进入电力行业行竞争企业既包含以前电力企业，也有由其它行业转产到电力行业新企业。为了确保电力市场全部参加者都拥有平等使用输电设备权利和机会，需要公布相关输电网络信息。传送至OASIS主要内容：界面标识、运行日期和时间、约束设备列表、最大输电能力(TTC)及可用传输能力(ATC)。市场参加者经过公共媒体从OASIS上取得所关注系统输电信息、ATC等信息，促进发电商竞价，拓宽电力用户选择范围，有利于降低电能生产成本，提升电能供给质量。第120页2．基于概率性模型算法

离线ATC计算需考虑数目庞大不确定原因，逐一考虑不确定原因影响计算时间难以满足实时系统应用要求。普通基于概率性模型研究离线ATC

计算。

当前基于概率性模型提出算法主要有以下三种：(1)随机规划法：考虑三种不确定性原因：发电机故障、输电线路故障、负荷预测误差。前两种不确定性原因是服从两点分布随机变量，负荷预测误差是服从正态分布随机变量。

第121页计算ATC步骤：用SPR(two-stage

Stochastic

Programming

with

Recourse)算法将离散变量连续化。基于SPR计算结果，用CCP(chance

ConstrainedProgramming)处理连续变量，求得概率意义下ATC。特点：包括概率时尚计算、离散变量相连续变量处理，计算速度不够理想。

第122页(2)枚举法：该算法将系统状态校样和优化算法结累计算ATC。因为枚举法指数时间特征使这类方法无法用于大系统ATC研究。

(3)蒙特卡罗模拟法：将蒙特卡罗模拟法和优化算法结合求解ATC，是对枚举法改进。蒙特卡罗模拟法能方便地处理电网中数目庞大不确定性原因，且计算时间不随系统规模或网络连接复杂程度增加而急剧增加，所以该算法非常适合大系统离线ATC研究。第123页基于概率模型计算ATC特点：不但能够得到ATC期望值，而且依据ATC样本值能够方便地绘出ATC概率密度曲线和样本分布函数曲线，预计ATC

期望值在某一置信水平下置信区间，及某项电力交易被削减风险。ATC这些统计信息用处：能够指导电力系统运行方式安排；能够用于预测未来一段时期电力交易价格，指导电力交易商市场行为。

第124页ATC计算中关键问题：合理地处理不确定原因影响，平衡计算精度和计算时间二者间矛盾。在线ATC计算时考虑不确定原因相对较少，可采取确定性模型；离线计算ATC时因为需要考虑数量庞大不确定出因素，普通采取概率性模型。ATC计算，是电力市场研究中非常活跃领域，发展相当快，相信伴随电力市场深入发展，将会提出更好模型和算法用于ATC计算。第125页以下介绍一个计算离线ATC实用算法：该算法将蒙特卡罗模拟法和灵敏度分析法结合，求解输电网中发电机节点到负荷节点间ATC。该算法应用蒙持卡罗模拟法进行系统状态抽样，不但有效地考虑不确定性原因对ATC影响，而且还能取得大量ATC统计信息；灵敏度分析法概念简单，计算轻易，该算法应用灵敏度分析法处理ATC计算中所包括优化问题。该算法将蒙持卡罗模拟法和灵敏度分析法相结合，以较快计算速度得到合理ATC值，到达计算速度和计算精度统一。

第126页蒙特卡罗模拟法在ATC计算中应用

结合ATC计算，对蒙持卡罗模拟法作简明介。

ATC计算过程普通由四个步骤组成：①系统状态选择；②系统状态评定；③计算ATC；④统计ATC指标。第127页蒙待卡罗模拟法：是概率理论和统计方法为基础一种计算机模拟方法，用抽样方法进行状态选择，用统计方法得到ATC指标。

计算步骤：系统状态是从设备概率分布函数中抽样确定。对产生状态进行评定：对每一抽样状态进行时尚计算，判断系统是否出现故障，并依据要求进行系统状态校正，排除系统故障。在系统处于非故障状态下，计算ATC。

一个模拟序列表示一个实际样本，系统ATC指标是在积累足够数目标样本后，对每次状态预计ATC结果进行统计而得到。第128页第129页第130页第131页第132页第133页第134页普通情况下应用蒙特卡罗模拟法计算ATC流程图如图所表示。

第135页应用灵敏度分析法计算ATC

灵敏度分析法是电力系统规划决议及运行控制中惯用方法。它经过分析某项运行指标与控制变量关系来确定该变量对系统影