基于可中斷負荷的阻塞管理研究

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(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入深水區，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，發電側完全開放，自由競爭，報價低的機組優先發電，使得電力公司在制定發電計劃時以購電費用最低為目標。這將導致與報價低的機組相連的某些節點或線路加大輸電阻塞的概率。在開放的電力市場環境下，如何公平公正地進行輸電網絡的阻塞調度管理，保證電網的安全穩定運行成為了國內外學者廣泛關注的問題[1-2]。

可中斷負荷應用于輸電阻塞管理已經有許多研究，文獻[3]提出了一個基于雙邊拍賣可中斷負荷用于阻塞管理的模式；文獻[4]分析建立激勵可中斷負荷積極簽約的機制；文獻[5]從用戶側出發，提出了一種考慮負荷需求彈性的阻塞管理定價方法；文獻[6]提出了以總發電成本為目標得到阻塞成本，并分給發電側和用戶側共同承擔的阻塞管理定價新方法；文獻[7]提出了允許用戶參與，利用當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 針對電力聯營體制和雙邊/多邊交易同時存在的市場環境提出了阻塞調度模型[9]；任震等討論了發生阻塞時節點的定價問題，并提出了在不同交易模式下解決傳輸阻塞的措施[10]。下面在現有理論的基礎上，提出了利用可中斷負荷(interruptible load)配合電網的潮流優化來降低阻塞線路上的負荷需求，從而有效地降低發生阻塞概率。

1 可中斷負荷

隨著20世紀60年代能源危機的出現，需求側響應的概念逐漸進入人們視野。所謂需求側響應是指把用戶側資源和發電側資源等同看待，增加電力系統負荷彈性。可中斷負荷是需求響應中的一種，已經在歐美、日本、臺灣等地區成功實施多年，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[11]從最優潮流的角度出發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，為電力公司科學地進行可中斷負荷管理提供了參考依據。

1.1 可中斷負荷管理模型有如下幾種。

(1)目標函數

(1)

(2) 負荷約束

為了保持電網的安全穩定運行，當系統出現容量短缺時，應將負荷降至系統能夠承受的范圍之內。即系統中被中斷的負荷總量應該大于或等于容量短缺量，其數學表達式為

(2)

式中，SC為系統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荷合同中通常規定了電力公司在某個時段中斷用戶的電力供應所能持續的最大時間，當第i個用戶的負荷中斷時間的累計值達到合同所規定的中斷時間上限時，電力公司必須恢復用戶i的電力供應，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，即當電力公司對用戶i的電力持續供應沒有達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 阻塞管理的數學模型

2.1 最優調度原則

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

(1) 最低競價優先并網原則。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組優先并網發電，保證發電側的公平競爭。

(2) 輸電網絡安全原則。保證電能在傳輸過程中不能超過線路的最大輸送容量，保證電力系統穩定運行。

(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造的價值最大化。

2.2 阻塞管理的目標函數

在發生輸電阻塞的情況下，將導致有些節點邊際成本上升，造成全網購電費用上漲，因此依據購電費用最小的原則，將全網購電費用最小為目標函數。

(5)

式中，n表示發電則機組數目；Ci表示第i臺發電機組發電容量；Pi表示第i臺發電機組邊際成本價格。

2.3 約束條件

(1)系統節點的有功、無功功率平衡約束

(6)

式中，Pgi、Pdi、Qgi、Qdi分別為節點i的發電機和負荷的有功功率、節點i的發電機和負荷的無功功率；ui、uj為節點i、j的電壓幅值；θij為節點i與節點j之間的相角差。

(2)支路傳輸容量約束

(7)

(3)控制變量與狀態量約束

(8)

3 基于可中斷負荷的電網輸電阻塞管理

一般情況下，電力調度員根據發電公司報價和潮流計算程序計算相關線路的潮流，分析哪些線路可能會出現輸電阻塞，重新分配線路潮流，再依據阻塞費用的分攤原則將阻塞所導致的機會成本公平合理地分攤到各線路及其用戶。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電廠取得了電力，通過長距離或繞道進行傳輸導致了電網的整體購電費用攀升，進而增加了用戶的電費負擔。與用戶簽訂可中斷負荷合同是一種有效緩解輸電阻塞的方法。當線路出現阻塞時，電力公司根據與用戶簽訂的可中斷合同切斷相應負荷，并利用最優潮流程序分析確定切負荷后的線路潮流分布是否滿足電網穩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，全網的整體購電費用也不會攀升得很高。這里提出潮流優化與可中斷負荷相結合的綜合調度方法：①調度員利用潮流仿真程序確定線路潮流；②結合可中斷合同條件確定阻塞線路所能夠中斷的負荷容量，進行初步經濟分析，確定哪些線路可以利用可中斷負荷來消除阻塞；③利用潮流程序確定通過聯合調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節點系統為例對所提出的方法進行了模擬計算，此系統包括3臺發電機、2臺變壓器及4個負載，系統總有功負荷為320 MW，總無功負荷為92 Mvar。計算所用的線路參數見表1，表1和以下各表中的中各量均為標幺值，系統容量基準值為100 MVA。

圖1 IEEE6節點系統

表1 線路參數

發電機G1、G2、G3競價上網的電價分別為30 元/MWh、35 元/MWh 和38 元/MWh。母線2、4、5、6 的負荷S2、S4、S5、S6的標幺值分別為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。

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

僅按照潮流優化程序對計及支路容量約束的傳統的調用高價電能的經濟調度方法求解，得到以此種模式消除阻塞適宜的發電策略為發電機G1發電1.8+0.15j，發電機G2發電1.3+1.1j，發電機G3發電0.208 61-0.117 79j，所導致的目標函數即電網整體構電費用為S1=107 42.68元/h，產生的阻塞成本為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最優的經濟調度方式為：切除節點S2的可中斷負荷5 MW，切除節點S5的可中斷負荷 10 MW，發電廠G1發電1.9+0.12j，發電廠G2發電1.27+1.038j，發電廠G3不發電，再次利用潮流優化程序分析，得出的結論為利用此種方法消除網絡阻塞電網的潮流分布符合穩定性的要求，確定以此進行經濟調度。結果顯示此種模式下的電網整體購電費用為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，采用潮流優化與可中斷負荷聯合調度能夠有效解決輸電阻塞問題，并使全網購電費用最優化。

表2 未考慮可中斷負荷的線路潮流

表3 考慮可中斷負荷的線路潮流

5 結 論

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

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