基于可中斷負(fù)荷的阻塞管理研究

， ，

(1.重慶電力公司南岸供電局，重慶 400060 ；2.重慶電力公司電力科學(xué)研究院，重慶 401123；3. 重慶科技檢測中心，重慶 401147)

0 引 言

未來中國電力市場的改革進(jìn)入深水區(qū)，輸配分離逐步形成，電力市場將更加趨于完善，輸電阻塞成為亟待解決的問題。在電力市場下，發(fā)電側(cè)完全開放，自由競爭，報價低的機(jī)組優(yōu)先發(fā)電，使得電力公司在制定發(fā)電計劃時以購電費用最低為目標(biāo)。這將導(dǎo)致與報價低的機(jī)組相連的某些節(jié)點或線路加大輸電阻塞的概率。在開放的電力市場環(huán)境下，如何公平公正地進(jìn)行輸電網(wǎng)絡(luò)的阻塞調(diào)度管理，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行成為了國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注的問題[1-2]。

可中斷負(fù)荷應(yīng)用于輸電阻塞管理已經(jīng)有許多研究，文獻(xiàn)[3]提出了一個基于雙邊拍賣可中斷負(fù)荷用于阻塞管理的模式；文獻(xiàn)[4]分析建立激勵可中斷負(fù)荷積極簽約的機(jī)制；文獻(xiàn)[5]從用戶側(cè)出發(fā)，提出了一種考慮負(fù)荷需求彈性的阻塞管理定價方法；文獻(xiàn)[6]提出了以總發(fā)電成本為目標(biāo)得到阻塞成本，并分給發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)共同承擔(dān)的阻塞管理定價新方法；文獻(xiàn)[7]提出了允許用戶參與，利用當(dāng)時電價解決阻塞問題。Thomas.W.Gedra 提出了傳輸阻塞時阻塞成本和節(jié)點電價的計算方法，并探討了采用傳輸阻塞合同(TCC)消除阻塞交易雙方收益的影響[8]；R.S.Fang和 A.K.David 針對電力聯(lián)營體制和雙邊/多邊交易同時存在的市場環(huán)境提出了阻塞調(diào)度模型[9]；任震等討論了發(fā)生阻塞時節(jié)點的定價問題，并提出了在不同交易模式下解決傳輸阻塞的措施[10]。下面在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上，提出了利用可中斷負(fù)荷(interruptible load)配合電網(wǎng)的潮流優(yōu)化來降低阻塞線路上的負(fù)荷需求，從而有效地降低發(fā)生阻塞概率。

1 可中斷負(fù)荷

隨著20世紀(jì)60年代能源危機(jī)的出現(xiàn)，需求側(cè)響應(yīng)的概念逐漸進(jìn)入人們視野。所謂需求側(cè)響應(yīng)是指把用戶側(cè)資源和發(fā)電側(cè)資源等同看待，增加電力系統(tǒng)負(fù)荷彈性。可中斷負(fù)荷是需求響應(yīng)中的一種，已經(jīng)在歐美、日本、臺灣等地區(qū)成功實施多年，電力公司通過與用戶簽訂中斷合同，采取有效激勵，緩解電力高峰期用電緊張的局面。文獻(xiàn)[11]從最優(yōu)潮流的角度出發(fā)分析了在電力市場條件下電力公司如何正確選擇 ILM 的合同類型以及如何最好地實施 ILM，為電力公司科學(xué)地進(jìn)行可中斷負(fù)荷管理提供了參考依據(jù)。

1.1 可中斷負(fù)荷管理模型有如下幾種。

(1)目標(biāo)函數(shù)

(1)

(2) 負(fù)荷約束

為了保持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)容量短缺時，應(yīng)將負(fù)荷降至系統(tǒng)能夠承受的范圍之內(nèi)。即系統(tǒng)中被中斷的負(fù)荷總量應(yīng)該大于或等于容量短缺量，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(2)

式中，SC為系統(tǒng)j時刻缺額容量。

(3)最大中斷時間約束

用戶與電力公司簽訂的可中斷負(fù)荷合同中通常規(guī)定了電力公司在某個時段中斷用戶的電力供應(yīng)所能持續(xù)的最大時間，當(dāng)?shù)趇個用戶的負(fù)荷中斷時間的累計值達(dá)到合同所規(guī)定的中斷時間上限時，電力公司必須恢復(fù)用戶i的電力供應(yīng)，即

(3)

(4)最小供電時間約束

電力公司對第i個可中斷用戶的供電時間必須足夠長以滿足該用戶的電力需求，即當(dāng)電力公司對用戶i的電力持續(xù)供應(yīng)沒有達(dá)到合同所限定的下限值時，電力公司不能中斷對用戶i的供電，即

(4)

2 阻塞管理的數(shù)學(xué)模型

2.1 最優(yōu)調(diào)度原則

在競爭的電力市場中，既要使輸電線路的安全得到保障，又要使發(fā)電側(cè)自由競爭，避免發(fā)生輸電阻塞，因此調(diào)度必須滿足以下3個原則。

(1) 最低競價優(yōu)先并網(wǎng)原則。電力公司購買電量時要保證支出最小化，從而讓報價最低的機(jī)組優(yōu)先并網(wǎng)發(fā)電，保證發(fā)電側(cè)的公平競爭。

(2) 輸電網(wǎng)絡(luò)安全原則。保證電能在傳輸過程中不能超過線路的最大輸送容量，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

(3) 社會效益最大化原則。在線路安全運行的前提下保證用戶創(chuàng)造的價值最大化。

2.2 阻塞管理的目標(biāo)函數(shù)

在發(fā)生輸電阻塞的情況下，將導(dǎo)致有些節(jié)點邊際成本上升，造成全網(wǎng)購電費用上漲，因此依據(jù)購電費用最小的原則，將全網(wǎng)購電費用最小為目標(biāo)函數(shù)。

(5)

式中，n表示發(fā)電則機(jī)組數(shù)目；Ci表示第i臺發(fā)電機(jī)組發(fā)電容量；Pi表示第i臺發(fā)電機(jī)組邊際成本價格。

2.3 約束條件

(1)系統(tǒng)節(jié)點的有功、無功功率平衡約束

(6)

式中，Pgi、Pdi、Qgi、Qdi分別為節(jié)點i的發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的有功功率、節(jié)點i的發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的無功功率；ui、uj為節(jié)點i、j的電壓幅值；θij為節(jié)點i與節(jié)點j之間的相角差。

(2)支路傳輸容量約束

(7)

(3)控制變量與狀態(tài)量約束

(8)

3 基于可中斷負(fù)荷的電網(wǎng)輸電阻塞管理

一般情況下，電力調(diào)度員根據(jù)發(fā)電公司報價和潮流計算程序計算相關(guān)線路的潮流，分析哪些線路可能會出現(xiàn)輸電阻塞，重新分配線路潮流，再依據(jù)阻塞費用的分?jǐn)傇瓌t將阻塞所導(dǎo)致的機(jī)會成本公平合理地分?jǐn)偟礁骶€路及其用戶。這種消除阻塞的方式所帶來的直接后果便是全電網(wǎng)的總體交易電價比原來明顯高出許多，因為它從邊際價格高的發(fā)電廠取得了電力，通過長距離或繞道進(jìn)行傳輸導(dǎo)致了電網(wǎng)的整體購電費用攀升，進(jìn)而增加了用戶的電費負(fù)擔(dān)。與用戶簽訂可中斷負(fù)荷合同是一種有效緩解輸電阻塞的方法。當(dāng)線路出現(xiàn)阻塞時，電力公司根據(jù)與用戶簽訂的可中斷合同切斷相應(yīng)負(fù)荷，并利用最優(yōu)潮流程序分析確定切負(fù)荷后的線路潮流分布是否滿足電網(wǎng)穩(wěn)定性及安全可靠輸電的要求，通過此種方式可以較好地緩解線路的阻塞狀況，全網(wǎng)的整體購電費用也不會攀升得很高。這里提出潮流優(yōu)化與可中斷負(fù)荷相結(jié)合的綜合調(diào)度方法：①調(diào)度員利用潮流仿真程序確定線路潮流；②結(jié)合可中斷合同條件確定阻塞線路所能夠中斷的負(fù)荷容量，進(jìn)行初步經(jīng)濟(jì)分析，確定哪些線路可以利用可中斷負(fù)荷來消除阻塞；③利用潮流程序確定通過聯(lián)合調(diào)度后的線路潮流是否符合線路安全。

4 算 例

以圖1所示的IEEE 6節(jié)點系統(tǒng)為例對所提出的方法進(jìn)行了模擬計算，此系統(tǒng)包括3臺發(fā)電機(jī)、2臺變壓器及4個負(fù)載，系統(tǒng)總有功負(fù)荷為320 MW，總無功負(fù)荷為92 Mvar。計算所用的線路參數(shù)見表1，表1和以下各表中的中各量均為標(biāo)幺值，系統(tǒng)容量基準(zhǔn)值為100 MVA。

圖1 IEEE6節(jié)點系統(tǒng)

表1 線路參數(shù)

發(fā)電機(jī)G1、G2、G3競價上網(wǎng)的電價分別為30 元/MWh、35 元/MWh 和38 元/MWh。母線2、4、5、6 的負(fù)荷S2、S4、S5、S6的標(biāo)幺值分別為0.6+0.1j、0.6+0.1j、1.0+0.4j、1.0+0.32j，所有交流支路的傳輸極限容量均為100 MW。

假定在節(jié)點2的用戶已和電力公司簽訂了可中斷負(fù)荷合同，規(guī)定電力公司如提前1小時通知用戶切負(fù)荷則賠償金額為32元/MWh，最大可中斷負(fù)量小于或等于10 MW。在節(jié)點5的用戶也和電力公司簽訂了可中斷負(fù)荷合同，規(guī)定電力公司如提前1小時通知該用戶切負(fù)荷必須付出的賠償金額為 33元/MWh，最大可中斷負(fù)荷容量小于或等于20 MW。

僅按照潮流優(yōu)化程序?qū)τ嫾爸啡萘考s束的傳統(tǒng)的調(diào)用高價電能的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法求解，得到以此種模式消除阻塞適宜的發(fā)電策略為發(fā)電機(jī)G1發(fā)電1.8+0.15j，發(fā)電機(jī)G2發(fā)電1.3+1.1j，發(fā)電機(jī)G3發(fā)電0.208 61-0.117 79j，所導(dǎo)致的目標(biāo)函數(shù)即電網(wǎng)整體構(gòu)電費用為S1=107 42.68元/h，產(chǎn)生的阻塞成本為T1=10 742.68-10 650=92.68元/h，每條支路流過的潮流如表2所示。

按照所提出的消除阻塞的方法，利用潮流程序分析得出此系統(tǒng)最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方式為：切除節(jié)點S2的可中斷負(fù)荷5 MW，切除節(jié)點S5的可中斷負(fù)荷 10 MW，發(fā)電廠G1發(fā)電1.9+0.12j，發(fā)電廠G2發(fā)電1.27+1.038j，發(fā)電廠G3不發(fā)電，再次利用潮流優(yōu)化程序分析，得出的結(jié)論為利用此種方法消除網(wǎng)絡(luò)阻塞電網(wǎng)的潮流分布符合穩(wěn)定性的要求，確定以此進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度。結(jié)果顯示此種模式下的電網(wǎng)整體購電費用為S2=10 635元/h，在這種模式下每條支路流過的潮流見表 3。

由表3可見，采用潮流優(yōu)化與可中斷負(fù)荷聯(lián)合調(diào)度能夠有效解決輸電阻塞問題，并使全網(wǎng)購電費用最優(yōu)化。

表2 未考慮可中斷負(fù)荷的線路潮流

表3 考慮可中斷負(fù)荷的線路潮流

5 結(jié) 論

提出了一種新的解決輸電阻塞思路，即將潮流優(yōu)化和可中斷負(fù)荷管理相結(jié)合的模型，將靈活性高的可中斷負(fù)荷引入輸電管理中，解決單純潮流優(yōu)化的不足。潮流優(yōu)化與可中斷負(fù)荷管理相結(jié)合，既能使全網(wǎng)的整體購電費用低于僅僅采用潮流優(yōu)化，又使電力用戶創(chuàng)造的價值增加，達(dá)到了發(fā)電商、電力公司、用戶三者的共贏。

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