浅论电力市场环境下输电阻塞管理研究

　　摘要：电力市场环境下，电力系统的运行方式将更加多变，发生输电阻塞的机会大为增加。本文基于潮流组成分析原理，提出了一种适用于电力中心交易市场模式的阻塞费用分摊新方法，其依据阻塞线路的潮流组成，结合线路阻塞的严重程度，按比例将全网的阻塞费用分摊给各阻塞线路；并提出了引入可中断负荷的新型输电阻塞管理模式，对利用可中断负荷消除阻塞的可行性及其成本计算进行了分析，提供了该阻塞管理模式下电网总的购电成本的计算方法，并从购电成本最低的角度对两种阻塞管理模式进行了经济比较。

　　关键词：电力市场；阻塞管理；潮流组成分析；可中断负荷

　　引言：在理想的电力市场环境下，电力系统中任意节点的发电机可以自由地向任意节点的负荷供电，从而保证市场的最大自由度。然而实际的电力市场运营中，由于电源、负荷的分布不均及随着发电、用电规模的日益增大，使得某些输电线路发生阻塞。传统的阻塞管理模式下，电网公司为了消除阻塞不得不调整发电计划，减少阻塞线路输端那些报价低的机组的出力而增加阻塞线路受端那些报价高的机组的出力以消除阻塞。在电力市场环境中，电力用户作为独立的经济实体也可以积极地参与阻塞管理，就可以利用基于需求侧管理的可中断负荷来消除阻塞，即通过电网调度部门与电力用户协商中断对阻塞线路受端某些负荷的供电来消除阻塞。

　　本文提供了一种新的阻塞费用分摊方法，并引入可中断负荷的新型阻塞管理模式，提供了从发电侧调整机组出力消除阻塞及利用可中断负荷消除阻塞全网总购电成本的计算方法和可中断负荷成本的具体计算，并对两种不同方法全网总的购电成本进行比较，得出更经济的阻塞消除方法，为电网调度部门的决策提供了理论依据。

　　1基于线路潮流组成分析的阻塞费用分摊

　　1.1 全网总的阻塞费用计算

　　本文采用以总的购电费用最低为目标函数的电网调度模型，在不考虑电网容量约束情况下，由经济调度结果可以得到：总的购电费用，各发电机的有功出力，市场清算价格。进而可通过潮流计算得出每条输电线路需承担的输电量，结合各条线路的容量约束，可得出发生阻塞的线路。为了保证电网的稳定运行，调度员不得不考虑电网容量约束重新调整发电计划，此时得到的总购电费用与未考虑电网容量约束的购电费用之差即为电网的阻塞费用。

　　本文把一天分为四十八个交易时段，在不考虑网损和无功潮流，不计支路容量约束的情况下，某个交易时段内有功负荷优化分配的数学模型为：

　　min               (1)

　　(2)

　　(i=1,2,…,n)  (3)

　　式中  CM为总的购电费用；Ci(Pi)为发电机`i的成本函数；n为电网节点总数； Di和Pi为节点i的负荷功率与发电功率；Pi,m ax为节点i处发电机出力上限；M和M分别为约束（2）和（3）的拉格朗日乘子。不计支路容量约束的经济调度结果为（CM， PM，M，M），其中PM是节点发电机的最优有功出力向量，M是市场清算价格。

　　当输电线路有阻塞发生，则调整发电计划，再求计及支路容量约束的经济调度方案，保证系统的安全经济运行，也就是解以下的最优潮流问题：

　　min                   (4)

　　s.t              (5)

　　(6)

　　(i=1,2,…,n)   (7)

　　式中，CC为总的购电费用；P和D分别为节点发电功率和负荷功率向量；B为节点导纳矩阵的虚部； 为节点电压相角向量；Lmax为支路极限传输功率向量； H为支路节电并联矩阵；式（5）为直流潮流方程；式（6）为支路容量约束；C和C分别为式（6）和(7)的拉格朗日乘子向量。计及支路容量约束的经济调度结果为（CC， PC，C，C），其中PC是计及支路容量约束的节点发电机最优有功出力向量。C是节点电价或发电边际成本向量。C= CC - CM就是在这个交易时段内电网因阻塞而增加的阻塞费用。

　　1.2  全网阻塞费用在各阻塞线路中的分摊

　　（1）不计支路容量约束的情况下，由上文第2.1部分所述可确定某交易时段内发电机发电量和负荷的分配情况，由此可计算出不计容量约束情况下各条线路所担负的输电量L (Load)。

　　（2）由这条线路的实际情况可计算出该线路总的传输容量TC(Transmission Capacity)，留一定的传输裕度TM(Transmission Margin)，在此条件下，由以下公式把电网在某个交易时段内总的阻塞费用按阻塞的严重程度分摊给各条阻塞线路（L1,L2,…,Ln）。

　　(8)

　　(9)

　　(10)

　　1.3 阻塞线路的潮流组成分析

　　文献[3]提出了一个快速、实用的潮流组成分析算法。潮流组成分析假定节点上各流出功率由流入功率按一定的比例分配，即功率按比例分配原则。另外, 还需要有以下的条件: (1)所研究的系统具有有限个节点,运行正常,且没有自环流,其交流潮流的计算结果已知；(2)网络无损(相应的损耗已等值到线路两端或线路一端, 从而等值后的网络中线路两端的流入和流出功率相等且方向相同)；(3) 发电机首先供应本地负荷,剩余功率才供应其它负荷，然后按节点注入电网净功率的正负，将它们分为发电机节点、负荷节点和联络节点。对第(1)个假设, 可以认为线路环流在合理的运行控制下是不存在的，如果网络中有环流，可以通过适当的调节予以消除。对第(3)个假设，电力系统的实际运行满足其要求。

　　该潮流组成分析方法首先根据系统的节点支路关联矩阵确定顺流组成分析的路径, 即确定上游节点和下游节点的相对关系, 详见文献[3]。其次, 由潮流计算结果建立线路对节点潮流的吸取因子矩阵A:

　　=

　　其中i=1,…,N , N为系统中的节点数,j=1,…,N , N为系统中的线路数; 按顺流分析顺序排列。

　　然后再计算节点k 对节点i 的总流入功率的贡献因子矩阵B (显然P= BP,P 为节点总流入功率矢量, 按顺流分析顺序排列)

　　B=

　　其中　j →i 表示线路j 是与节点i 相关联的上游路径的支路； A ljm 对应A l 中第j 行第m 个节点的非零元, m 是线路j 的上游节点；由于B矩阵逐行计算, 因此B m k已知,A ljmB m k反映了节点i 通过线路j 的上游节点m 获得的上游发电节点k 的相应功率，B 矩阵中节点按顺流分析路径排序。在此基础上, 就可以得到流过线路的有功功率与发电节点的有功功率关系：

　　P=AP= ABP=KP         (13)

　　其中K为发电机对线路的贡献因子矩阵

　　同理, 通过潮流组成逆流分析, 可以得到以下类似矩阵，就可以得到流过线路的有功功率与负荷节点的有功功率关系：

　　P=CP= CDP=KP     (14)

　　其中K为负荷对线路的汲取因子矩阵

　　1.4 计算步骤

　　综上所述，基于阻塞线路潮流组成分析的阻塞费用分摊方法计算步骤如下：

　　第一步：据上文第2.1部分计算全网的阻塞费用

　　第二步：据上文第2.2部分提供方法将分摊给各阻塞线路得Li

　　第三步：电网公司确定确定发电侧和负荷侧的分摊因子U

　　第四部：据上文第2.3部分的潮流组成分析求发电机对线路的贡献因子矩阵K和负荷对线路的汲取因子矩阵K从而可得发电机j对阻塞线路i的贡献因子及负荷k对阻塞线路i的汲取因子

　　第五步：由以上四步可得发电机j在阻塞线路i中所分摊到的阻塞费用为：；同理可得负荷k在阻塞线路i中所分摊到的阻塞费用为：

　　2利用可中断负荷消除阻塞

　　2.1电力市场环境下利用可中断负荷消除阻塞的可能性

　　由于中断负荷将影响到电力用户的利益,因此,在传统电力系统中,作为带有公益性质的电力部门被要求尽可能的保证供电的连续性。然而,在电力市场环境下,追求经济利益是电力企业的最终目标,其公益性将大大降低。这种环境下,只有对供需双方都有利的行为才会为双方所乐于接受。针对中断负荷而言,从电网公司的角度来说,如果维持供电连续性的支出大于中断负荷的支出(欲终止对负荷的供电电网公司必须在经济上向用户提供补偿,因为用户有权要求电网公司向其提供电能)，则电网公司乐于采取中断负荷措施；从电力用户的角度来说,如果电网公司向其提供的经济补偿高于其维持连续用电所能带来的经济利益,则其也将乐于接受中断负荷的措施。如果电网公司愿意支付更多的赔偿费用,则该用户将会非常乐意接受中断供电。由此可见,在电力市场环境下,不仅当系统的安全稳定性受到威胁时,而且在正常的电力调度中也存在中断负荷的可能,因此利用可中断负荷来消除阻塞也就成为可行的措施。

　　2.2可中断负荷成本及具体计算

　　电力市场中，中断对负荷的供电不能像传统垄断体制下的拉闸限电那么简单，而是要对中断负荷进行相应的补偿或给与优惠电价。这就使得电网公司要对用户的中断成本进行分析以便给与可中断负荷合适的补偿。影响用户中断成本的主要因素有用户活动与电力供应的依赖程度以及中断方式的不同，电力公司如何设计出一种激励合约，或者博弈规则，以促进用户主动上报自己的真实类型，实现电力公司的效用最大化，这些问题已经在文献[4]和[5]等中进行了研究，本文就不再做深入探讨，以下用户中断成本函数是基于适当激励机制下，用户如实上报自己的真实类型情况下得出的。

　　由于本文只考虑某一个交易时段里的经济分析，而每天的调度计划都是前一天安排好了的,则用户面临相同的提前通知时间、中间持续时间、中间发生时间，并仅考虑单位时间内中断一次的情况，则决定着用户中断成本的主要因素是用户的类型和中断的负荷数，即c=c(,x)。在此，考虑三种形式的用户中断成本函数：二次形、三次形、指数形。

　　二次形函数：c(,x)=+-

　　三次形函数：c(,x)=+ +-

　　指数形函数：c(,x)=

　　用二次形函数来表示用户的中断成本，精度令人满意，计算较为简单。出于电力公司掌握的数据有限，使得三次形函数无法提供比二次行函数更高的精度，而计算量比二次形函数要大，经研究表明，如果采用指数形式函数设计合约，且指数函数的形式假设是正确的，那么电力公司会获得更大的利益。

　　3.3 引入可中断负荷的新型阻塞管理

　　3.3.1引入可中断负荷消除阻塞的调度模型

　　据3.1.2部分（1）~（3）经济调度结果进行潮流计算可得出各条输电线路需承担的输电量，结合各条线路的容量约束，可得出发生阻塞的线路。则可在阻塞线路负荷端进行可中断负荷招标，电网公司设立灵活、有效的激励机制，让用户如实上报自己参数类型，双方签订可中断负荷合同。

　　引入可中断负荷消除阻塞即是求解以下的最优潮流问题：

　　min =()+c(,x)          (8)

　　s.tB=P- D：                     (9)

　　HF:                         (10)

　　0 :  (i=1,2,…,n)        (11)

　　0 x                         (12)

　　式中，为总的购电成本；c(,x)为利用的可中断负荷成本；P和D分别为节点发电功率和负荷功率向量； 为节点电压相角向量；Lmax为支路极限传输功率向量；H为支路节电并联矩阵；X为可中断负荷数量；式（9）为直流潮流方程；式（10）为支路容量约束；式（12）为负荷容量约束；为补偿因子，由电网公司针对不同的中断负荷灵活确定； 为式（10）的拉格朗日乘子向量。是引入可中断负荷消除阻塞电网总的购电成本。

　　3.3.2从购电成本角度对两种阻塞调度模型进行比较

　　4  结论

　　本文基于阻塞线路的潮流组成，提出了一种适合于电力中心交易市场模式下的输电阻塞费用分摊方案。并将基于需求侧管理的可中断负荷引入阻塞管理中，与传统的通过对发电侧机组出力的调整消除阻塞进行比较，寻求更经济的阻塞消除方法。与现有的各种阻塞管理进行比较，引入可中断负荷消除阻塞加大了阻塞管理的灵活度，也进一步降低了电网因阻塞而增加的运行成本。

　　参考文献：

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　　[2]余平，李晓明，林海源   基于潮流越限量的阻塞费用分摊方案研究[J]  电力自动化设备  2005，25(1)：89～92

　　[3]魏　萍, 倪以信, 陈　珩  基于图论的输电线路功率组成和发电机与负荷间功率输送关系的快速分析[J]   中国电机工程学报  2000, 20(6)：21～25,29

　　[4]王志华，李博，李扬   电力市场下的可中断负荷管理及其方法[J]  中国电力  2003.6（6）：14～17

　　[5]方勇，张少华，李渝曾  一种激励相容的电力市场可中断负荷管理合同模型[J]  电力系统自动化  2003.7（14）：23～26