電力流向及規模優化系統設計及實現

孫英云，肖筍，宋福龍，孫珂

(1.新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京市102206; 2.國網北京經濟技術研究院，北京市100052)

0 引言

由于歷史和地理環境等原因，我國經濟發展和能源資源在地理分布上極為不均衡，中東部地區經濟較為發達，所需能源量較大，但主要能源，包括傳統能源和可再生能源均分布在經濟不發達地區，如76%的煤炭資源分布在北部和西北部、80%的水能資源分布在西南部、絕大部分陸地風能和太陽能分布在“三北”地區［1］。上述能源分布和利用之間的不平衡性就會產生能源從能源基地向負荷中心的大規模流動。通常情況下能源流動可采用直接運輸一次能源或二次能源的方式。直接運輸一次能源受到多方面的制約［2］，如石油、天然氣運輸需要完善的管道體系，而我國的石油、天然氣管道尚不夠完善;煤炭運輸需利用現有的交通線路，在運輸過程中需要消耗較多的能源，同時對交通線路造成巨大壓力［3-5］;大量清潔、可再生的一次能源，如水力資源、風能和太陽能等又缺乏有效的直接運輸手段，這就限制了一次能源直接運輸方式的發展。

電能是一種清潔、環保的二次能源，在現代社會中已經成為國家基礎能源中最主要的利用方式。能源采用電能這種二次能源進行傳輸的方式具備損耗較小、便于負荷中心使用以及運行方式靈活等特點。在我國經濟快速發展以及東西部經濟發展不平衡的前提下，在能源基地將各種能源轉化成電能通過堅強的電網進行傳輸是解決我國能源和負荷不匹配的唯一可行之路［6-8］。

電力建設具有建設時間長、投資巨大等特點。因此需要提前幾年甚至十幾年根據負荷增長和能源狀況進行電網和電源的規劃，以在投資最小的前提下滿足國民經濟增長對能源供給的需求［9-11］。

電力流向及規模優化實際上可以看成是電網規劃的初級階段，即根據未來較長時間的負荷增長和能源基地建設對全國范圍內的整體電力流向進行規劃，找出在給定目標函數下電力流向及規模的最優化方案，是電網詳細規劃的基礎，也是特高壓主網架和區域330、500、750 kV網架規劃的重要邊界條件，將為我國的特高壓建設提供重要的技術支持。

傳統的電力流向及規模優化主要由規劃設計人員根據基礎數據手工計算得出，在問題規模較大時由于計算量較大，難以保證找到最優解［12-13］。因此有必要根據電力流向及規模優化問題的特點設計并實現電力流向及規模優化系統，保證在已有條件下找到數學意義上的最優解，同時減輕工作人員的壓力。

1 系統主要功能與設計原則

1.1 系統功能需求分析

電力流向及規模優化系統的主要任務是根據能源基地和負荷中心的相關信息，以及規劃設計人員對電力流向的規劃要求，生成相應的優化模型，并調用合適的優化算法進行求解，并以圖形化的界面進行展示。

根據上述要求，電力流向及規模優化系統應包括數據管理、優化模型生成、優化計算、圖形化輸出以及用戶管理等功能模塊，各功能模塊之間的相互依賴關系如圖1所示。

圖1 電力流向優化系統功能模塊Fig.1 Functional modules of power flow optimization system

(1)數據管理。電力流向及規模優化系統中所需的數據可大致分為用戶數據、原始數據、優化模型數據、計算結果數據和圖形相關數據等部分。數據管理模塊即負責數據的管理，具體包括原始數據導入、數據修改和儲存、計算結果輸出等。

(2)優化模型生成。此模塊的主要任務是根據運行人員的需求，結合基礎數據，將電力流向及規模優化問題轉化成1個優化算法可識別的優化模型。即從1個具體的實際問題轉化為抽象的數學模型，為優化計算模塊提供數據。

(3)優化模型求解。得到優化模型之后，即可利用已有的優化算法進行求解。在本系統中，采用內點法作為具體的求解算法，內點法是一類較為成熟的非線性規劃求解算法，具備計算速度快、魯棒性強等優點［14-16］。

(4)圖形化輸出。本系統計算的最終結果是1組從能源基地到負荷中心的電力流向規模及輸電方式的數據。由于用戶對于圖形認識更為直觀，因此需要采用圖形化的界面將運算結果直觀地表示于地圖，以便于軟件使用者能夠從宏觀角度把握最終的計算結果。

(5)用戶管理。考慮到本系統可能會有多個用戶使用，而不同用戶所使用的基本數據、優化目標等都不盡相同，系統還需要用戶管理模塊。用戶管理模塊負責管理使用該系統的用戶、密碼、權限及用戶所使用的數據和計算結果等。

1.2 系統設計原則

(1)用戶友好性原則。軟件系統好壞的一個重要指標就是用戶體驗，如果主要功能和參數指標均能滿足要求的話，用戶體驗在很大程度上決定于設計細節，即是否從用戶使用的角度考慮。本系統在設計之初即引入了系統最終用戶的參與，在系統實現過程中及時聽取用戶的反饋意見，這些措施對提高用戶體驗效果均極為有效。

(2)可擴展性原則。隨著國家和社會對電力系統要求的不斷變化和技術的不斷發展，使用者將對電力流向優化系統提出了更多的要求;同時隨著對電力系統研究的不斷深入，制約電力流向的因素也有可能會發生改變。這些都會對電力流向及規模優化問題的數學模型產生影響。同時優化算法也在不斷進步，計算速度和算法魯棒性方面都在不斷提高。因此，電力流向和規模優化系統在設計時就需要考慮系統的可擴展性要求，為將來對系統的升級和擴展做好準備。

2 電力流向優化系統的特點與實現

2.1 解耦化的設計思路

本系統的解耦化設計主要包括界面與算法之間的解耦和模型與數據之間的解耦2個方面。

(1)界面與算法之間的解耦。在應用系統當中，界面是人機交互的橋梁，要求設計和開發人員充分溝通，并在設計和開發過程中引入最終使用者的參與，根據使用者的意見進行更改和完善。而算法主要負責對已有的數學模型進行求解，利用已有的數據對算法進行必要的測試。本系統將算法部分利用服務的形式加以封裝，并預先完成好服務接口的定義與實現。這樣界面和算法之間就通過良好的服務接口解耦開來，二者的開發均依賴于接口，彼此之間相互獨立。通過這種方式，不同專業的開發人員可專注于自己的開發內容，開發效率和程序質量均得到了較大的提升。

(2)模型與數據之間的解耦。電力流向及規模優化系統的核心是優化問題求解，而根據軟件使用人員所設定的優化目標不同，優化模型也不完全相同。但這些優化模型所采用的數據均來自于相同的數據來源。如果為每個數據模型單獨維護1組數據，會使數據維護壓力增大，增加軟件使用人員的工作壓力。

為此，本系統在開發過程中采用了模型與數據之間的解耦化設計思想，實現了優化模型與數據之間的分離。如果線路數據發生變化，則所有優化問題都會發生相應的變化，避免了操作人員的重復勞動，提高了工作效率。

2.2 通用的優化模型生成模式

根據優化問題的一般形式，本系統借鑒了通用代數建模系統對優化問題的一般處理方式，將優化模型分成以下幾個部分:

(1)集合。集合是用來描述優化模型代數表達的索引，在本系統中主要包括2個集合，能源基地集合和負荷中心集合。

(2)決策變量。決策變量是指優化模型用于優化的變量。根據電力流向及規模優化的特點，決策變量是指從能源基地流向負荷中心的電力流規模及線路類型。

(3)方程。包括優化模型中的目標函數和約束條件。目前本系統中目標函數有成本費用最小和電價競爭力最大2類，約束條件則主要包括能源基地裝機容量約束、負荷中心外送電力約束和線路傳輸極限約束等。

(4)集合、決策變量和方程即可組成優化模型，此模型是與數據無關的代數表達式。但如果要對其進行求解，則需要從數據庫中將相應的數據填入代數變量，再采用合適的算法進行求解。通過這種方式，本系統實現了模型和數據之間的解耦，具有良好的可擴展性。

2.3 電力流向及規模優化系統的實現

電力流向及規模優化系統實現了界面和算法之間的解耦，界面采用delphi進行開發，可方便地利用各種成熟的界面庫函數;算法采用C++開發，代碼運行效率較高，有效地保證了計算速度。

(1)系統主界面是多文檔界面，用來實現其他子窗體界面，如圖2所示。頂層的工具欄按照電力流向優化的一般步驟排列，便于引導用戶按部就班地完成電力流向優化。右上端的基本信息欄顯示了系統信息。

圖2 電力流向及規模優化系統主界面Fig.2 Major interface of power flow optimization system

(2)數據管理界面如圖3所示。在該界面中可以方便地實現對各基礎數據的增、刪、改、查等操作，并且可以選擇數據的導入方式:從文本文檔導入、從Excel電子表格導入、手動添加等。方便用戶對多種類型數據的使用，提高了用戶的工作效率。

圖3 數據管理界面Fig.3 Data management interface

(3)優化計算界面如圖4所示。通過該界面用戶可以對系統中已存在的數據，按用戶選擇的優化方法生成相應的優化模型并進行優化計算。在計算完成后系統給出相應的提示信息，提示用戶優化是否成功;如若失敗，系統則提示可能的失敗原因。如果將來用戶對優化模型方面有新的需求，也可以在不需要太多改動的情況下方便地添加到系統當中。

(4)圖形展示界面如圖5所示。系統設有結果界面，用于顯示具體的電力流向，包括起始點和具體的輸送容量。為使結果更加直觀，系統同時設有圖形展示界面。

圖5中各電力流向均為程序自動生成。用戶可根據實際情況，利用鼠標拖動等方式對生成的電力流具體走向進行編輯，編輯結果將保存至數據庫中的地理數據表，不同優化模型下均可使用，減輕了用戶的工作壓力。

(5)系統性能測試。系統內部采用內點法作為其核心優化算法，在計算速度、精度和規模上都有較大優勢。經測試，在約束條件為500維、優化變量為100個以內時，若設定收斂精度為10－6，系統經過10余次迭代即可收斂，所需時間小于3 s。由于內點法的迭代次數和問題無關［17］，因此在問題規模增大時仍有望達到較快的收斂速度。

3 結語

電力流向及規模優化問題是一類較為特殊的電力系統規劃問題，本文分析了這類問題的特點和具體需求，在此基礎上設計并實現了一套電力流向及規模優化系統。該系統采用了解耦化的設計思想，在提高了開發效率和用戶體驗的同時，為將來的升級和完善打下了良好的基礎。同時系統也采用了通用的優化模型生成方式，實現了優化模型和數據的解耦，能滿足復雜多變的業務需求。

［1］河南省電力公司.特高壓:破解電網瓶頸的鑰匙［N］.人民日報.2011-02-28.

［2］姚昕，孔慶寶.中國能源綜合運輸體系及其宏觀影響［J］.金融研究，2010(4):29-39.

［3］林伯強，姚昕.電力布局優化與能源綜合運輸體系［J］.經濟研究，2009(6):105-115.

［4］顧敬巖.公路運輸外部成本與社會成本分析［J］.公路交通科技，1999(S1):62-65.

［5］呂正昱，季令.交通運輸外部成本問題研究［J］.同濟大學學報:自然科學版，2005(7):931-936.

［6］丁偉，胡兆光.特高壓輸電經濟性比較研究［J］.電網技術，2006，30(19):7-13.

［7］熊威，張卉.變輸煤為輸電:發展跨大區遠距離輸電通道應成為首選:訪武漢大學電氣工程學院教授周文俊［J］.湖北電業，2010 (1):46-47.

［8］張曉梅，郭之中，任曉瑜.淺談特高壓輸電技術的研究與發展［J］.中國電力教育，2009(S1):232-233.

［9］劉華敏，楊麗霞，肖紅.電力工程造價的管理和控制［J］.電力建設，2002，23(3):64-66.

［10］呂偉業，陳立新.控制電力工程造價三大措施與成果［J］.電力建設，2002，23(11):77-80.

［11］丁稱長.成本目標管理及其在電力工程管理中的應用［J］.電力建設，2006，27(8):48-49.

［12］潘雄.電網優化規劃方法研究［D］.重慶:重慶大學，2002.

［13］牛輝，程浩忠，張焰，等.電網擴展規劃的可靠性和經濟性研究綜述［J］.電力系統自動化，2000，24(1):51-55.

［14］程瑩，劉明波.求解離散無功優化的非線性原—對偶內點算法［J］.電力系統自動化，2001，25(9):23-27.

［15］劉明波，程瑩，林聲宏.求解無功優化的內點線性和內點非線性規劃方法比較［J］.電力系統自動化，2002，26(1):22-26.

［16］鐘世霞，袁榮湘.內點法在電力系統中的應用述評［J］.高電壓技術，2005，(12):76-79.

［17］Nocedal J，Wright S J.Numerical optimization［M］.New York: Springer，2006:56-65.