区域电力市场双边交易阻塞管理实用计算方法_张永平

区域电力市场双边交易阻塞管理实用计算方法张永平1,焦连伟1,倪以信2,文福拴2,陈寿孙1,吴复立2(1.清华大学电机系,北京市100084;2.香港大学电机电子工程学系,香港)摘要:为了实现更大范围的资源优化配置,网络互联与区域间的功率交换日益频繁,并由此产生了跨大区的输电阻塞管理问题。

针对这一问题提出了跨大区电力市场双边交易的阻塞管理数学模型和实用计算方法。

在优化目标函数中,引入了合同的“权重因子”,以反映经济上的重要性或政策要求等因素,从而区别对待各合同,并使合同的调整量最小;在约束中,同时考虑了单条联络线的热稳定或动稳定约束和联络线割集的动稳定约束。

导出了组对组(点集对点集)合同内发电功率对线路功率的转移分布因子,从而将约束转化为发电机功率增量向量的线性函数,并通过阻塞优化校正算法得到最终的可行交易集合。

改进的IEEE 30节点算例证明了该算法的正确性和有效性。

关键词:电力市场;跨大区阻塞管理;双边合同;分布因子中图分类号:TM73;F123.9收稿日期:2002-12-06;修回日期:2003-02-24。

国家重点基础研究专项经费资助项目(G 1998020305);香港政府大学研究基金(RGC )资助项目。

0　引言作为保证系统安全的重要措施,输电阻塞管理从物理意义上讲并不是一个新的课题。

在传统的电力系统运行中,调度员通过“安全校正”,即直接调度发电资源或切除负荷来消除系统可能出现的过负荷。

但在市场环境下,由于信息和决策呈现出分散化趋势,同时电能交易方式呈现多样化,传统的安全校正措施难以完全适应新的运行环境。

因此,寻求适用于市场环境下多种交易模式的阻塞调度方法成为亟待解决的重要课题。

国内外学者对各种交易模式下的输电阻塞管理进行了研究[1～3]。

为了在更大范围内实现资源的优化配置,网络互联与区域间的功率交换日益频繁。

由于各区域之间联络线容量限制的存在,由此产生了区域间的阻塞管理问题。

文献[4～7]提出了基于分布式OPF 的跨大区阻塞管理方法,由于算法的复杂性和信息交换要求高等缺点,使得其在实际应用中存在一定限制。

文献[8]提出利用基于潮流的输电权(FGR )这一经济手段来解决阻塞问题,但当存在数量巨大的输电“瓶颈”(flow gate )时,这一方法的实施无疑会非常复杂。

文献[9]分析了北欧电力市场的“市场分裂”阻塞管理方法。

北欧电力系统是辐射状网络,因此这一方法是否适用于环网,需要进一步研究。

随着我国大区联网、西电东送等工程的实施,对于大区间输电阻塞问题的研究将具有重要的现实意义。

当存在大区间电能交易时,整个电力市场将呈现分层结构。

为了便于与区域电力市场及省级电力市场协调,一般区域间的电能交易将采用远期双边交易为主、现货交易为辅的模式。

针对这一模式,本文提出了跨大区电力市场双边交易的阻塞管理模型和实用计算方法。

在此模型中,某一区域的大发电机可以和其他区域的大负荷直接签订双边合同,也可以以区域电网公司为代表签订区域间的双边合同,通过本文提出的阻塞调度算法得到最终的可行交易集合。

改进的IEEE 30节点算例证明了本文算法的正确性和有效性。

1　阻塞管理数学模型1.1　多级电力市场的协调如前所述,当区域间存在电能交易时,将引发多级电力市场的协调问题。

针对分布式OPF 计算复杂以及信息交换量大的缺点,本文提出利用交易时序来解决市场间协调的方案。

其大体思路为:区域间的电能交易以远期双边交易为主,其时间跨度分别为年、月、星期;区域内也设立远期合约市场,但在时序上落后于区域间双边交易;区域间可设立现货市场(为进一步减少信息交换量,也可不设立),在时序上落后于区域内远期双边市场,但领先于区域内现货市场。

因此,市场交易时序依次为区域间远期双边、区域内远期双边、区域间现货、区域内现货。

时序上落后的交易均在已确认交易的基础上进行。

通过时序的先后进行多级电力市场的协调,能够有18第27卷　第14期2003年7月25日 电　力　系　统　自　动　力Automation of Electric Power Systems Vol .27　N o .14July 25,2003效地减少区域间的信息交换量,并且简单易行。

本文重点研究区域间的双边电能交易,对区域内的双边交易可采用同样的方法处理。

区域间双边电能交易在远期合同市场(forw ard contract market )进行(为简单起见,本文统称其为期货交易,这与通常的商品期货概念不同)。

本文的研究重点为区域间双边交易的安全校核和阻塞调度,该研究基于直流潮流假定,以充分利用其线性特征及可叠加性,必要时可进一步进行交流潮流校验,以及基于交流灵敏度的小量调整。

1.2　阻塞管理总体计算流程对于时间跨度为年、月、星期的双边期货交易,其可行性校核均采用相同的算法。

所不同的是,下一时间跨度交易可使用的输电容量为上一时间跨度交易校核结束后的剩余容量。

对于每一个时间跨度,相应的阻塞分析和调度计算流程如图1所示,其核心部分为阻塞调度算法模块,以消除线路潮流或联络线割集潮流的越界。

图1　双边合同校核流程Fig .1　Flo w chart of bilateral contract feasibility check1.3　阻塞调度优化问题的数学模型1.3.1　合同的表示本文考虑的区域间双边期货合同有2种:点对点合同及组对组(点集对点集)合同。

点对点合同规定了某区域的某台发电机i 向另一区域某负荷j 的供电功率。

点对点合同可表示为:τ=[0　…　P ij …　-P ij …　0]T (i ) (j )式中:交易τ为N F 维向量;N F 为参加区域间期货交易的发电机和负荷总数;P ij 表示从发电机i 到负荷j 的功率流动。

组对组(点集对点集)合同一般为各区域系统调度员(SO )代表各自区域内发电机或负荷与其他区域发电机或负荷签订的双边合同。

它规定了从某区域的若干台发电机向另一区域若干个负荷的供电功率。

组对组合同可表示为:τ=[0　…　P m …　-P n …　0]T式中:非零元素表示相应节点有功率注入(正值)或析出(负值)。

非零元素代数和应为0(忽略网损)。

点对点合同可以看做是组对组合同的特殊形式。

区域间的所有期货交易(均为双边)可以表示为交易矩阵T :T =[τ1　τ2　…　τt ](1)式中:t 为发电机和负荷之间的总合同数。

参与区域间期货交易的发电机和负荷节点的总注入功率矢量可表示为:P =TU (2)式中:U =[1　…　1]T,为t 维列向量。

此总功率注入矢量用于潮流计算。

1.3.2　优化目标函数考虑到不同的双边交易重要性和经济性不同,本文引入权重因子作为交易重要性和经济性的指标,权重因子由SO 根据市场规则给定。

当权重因子为1时,各交易平等对待;当某交易有优先级时(如愿意支付更高的输电费用,或根据政策需要优先考虑),权重因子取较大的值。

可行性校验的目标函数为计及权重系数后的交易调整量最小:min∑i ∈{G P}w i ΔP 2i+∑Kk =1w k∑i ∈{G k}ΔP i ,k2(3)式中:w i 为点对点交易i 的支付因子;w k 为组对组交易k 的支付因子;ΔP i 为点对点交易调整量(发电节点i 的调整量);ΔP i ,k 为对于第k 个组对组交易,发电节点i 的功率调整量;{G P }为所有点对点交易的发电机集合;{G k }为第k 个组对组交易的发电机集合;K 为所有组对组交易的个数。

1.3.3　约束条件优化目标函数相应的约束条件如下:a .点对点交易平衡约束ΔP i =ΔD j i ∈{G P },j ∈{D P }(4)式中:ΔD j 为点对点交易调整量(负荷节点j 的调整量);{D P }为所有点对点交易的负荷集合;节点i 和j 属于同一个交易。

b .组对组交易平衡约束∑i ∈{G k}ΔP i ,k=∑j ∈{D k}ΔD j ,ki ∈{G k },j ∈{D k }, k ∈K(5)19·电力市场专栏·　张永平等　区域电力市场双边交易阻塞管理实用计算方法式中:ΔD j ,k 为第k 个组对组交易负荷节点j 的调整量;{D k }为第k 个组对组交易的负荷集合。

c .发电机出力约束P i ,m in -P G i ,0≤ΔP G i ≤P i ,max -P G i ,0 i ∈{G }(6)式中:P i ,m ax 和P i ,min 分别为发电机i 出力上、下限;P G i ,0为发电机i 初始出力;ΔP G i 为发电机i 出力调整量;{G }为所有发电机集合。

d .负荷变化约束D j ,mi n -D j ,0≤ΔD j ≤D j ,max -D j ,0 j ∈{D }(7)式中:D j ,max 和D j ,m in 分别为负荷j 调整范围的上、下限;D j ,0为负荷j 初始量;ΔD j 为负荷j 调整量;{D }为所有负荷集合。

e .线路潮流约束-P l ,ma x -P l ,0≤ΔP l ≤P l ,ma x -P l ,0 l ∈{L }(8)式中:P l ,max 为支路l 的潮流限制,可以取热稳定和动稳定约束中值小者;P l ,0为支路l 的初始潮流;ΔP l 为支路l 的潮流变化量;{L }为所有线路集合。

f .联络线割集潮流约束-P T ,max -∑l ∈TP l ,0≤∑l ∈TΔP l ≤P T ,m ax -∑l ∈TP l ,0T ∈{T c ut }(9)式中:P T ,m ax 为割集T 的潮流限制,可取为动稳定约束;∑l ∈TP l ,0为割集T 的初始潮流和;∑l ∈TΔP l 为割集T的潮流变化量;{T c ut }为所有联络线割集集合。

1.3.4　组对组合同中负荷的调整对于组对组合同,当发电机进行调整时,必须按照某种原则对合同中的负荷进行调整。

本文按照等比例原则进行调整,即:D j ,k =D j ,k ,0∑i ∈{G k}P i ,k∑i ∈{G k}P i ,k ,0 j ∈{D k }, k ∈K(10)式中:P i ,k ,0和D j ,k ,0分别为对于第k 个组对组交易,发电节点i 的初始功率和负荷节点j 的初始功率。

2　约束的计算及处理2.1　分布因子的定义及计算本文利用直流潮流假定和分布因子的概念,充分利用了其线性特征和可叠加性以加快计算速度。

a .点对点交易的分布因子对于点对点交易,定义功率传输分布因子(PTDF )为某节点对(m ,n )之间的电能传输发生单位改变时,某支路i -j 的潮流变化量,即:F PTDF ,ij ,mn =ΔP ij ΔP mn =X im -X jm -X in +X jnx i j(11)式中:ΔP mn 为节点m 和节点n 之间的电能交易变化量;ΔP ij 为支路i -j 的潮流变化量;x i j 为支路i -j 的电抗;对于直流潮流方程B θ=P ,令X =B -1,X im 为X 矩阵第i 行第m 列元素。