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第3章电力市场环境下的电力系统稳态分析3.1概述从20世纪80年代以来，在世界范围内开始了电力工业改革的浪潮，其主要目的是打破垄断，开放电网，形成自由竞争的电力市场。根据微观经济学中市场的理论，可以将电力市场定义为相互作用、使电能交换成为可能的买方和卖方的集合。应该指出，电力市场中的商品除了电能以外还包括各种辅助服务。辅助服务包括输送电能、提供备用、无功补偿及电压调节等，主要用来保证电力系统运行的可靠性及电能质量。现在世界上已提出了多种电力工业改革方案，并在不同的国家实践。电力市场和其他市场相比的待殊之处在于电能的生产和消费是同时完成的，从而输电系统的存在是电力市场的显著标志[1]。输电服务由于其规模效益，一般具有天然垄断的性质。因此各国市场化的共同特点是“厂网分开”，由政府对输电部分进行适当的管制，保证电网开放，以便为发电和配售电创造一个公平的竞争环境。对输电部分处理的不同，形成了各国电力市场结构的特色。图3-1表示了电力市场的主要组成部分[1]。发电厂商(G)、发电市场(PM)形成了市场的供给主体；用户(D)及零售商(R)构成了市场的需求主体。而电力市场的输电部分又包括5个部分：输电设备所有者(Transmissionowner，TO)、独立系统调度机构(1ndependentSytemOperator，ISO)、辅助服务商家(AncillaryService，AS)、电能交易机构(PowerExchange，PX)、交易协调商家(SchedulerCoordinator，SC)，现分别简述如下。图3-1电力市场的主要组成部分1.输电设备所有者（TO）电网开放的前提是输电设备的所有者对输电系统的用户(包括发电厂商及电能用户)在准入和运用输电设备方面应平等对待，避免歧视。如果输电设备所有者在发电或供电上有任何切身利益，则难以实现上述要求，因此，一般应建立一个独立控制机构ISO来调度输电系统并提供输电服务，而输电设备的维修责任仍归输电设备所有者。2．独立系统调度机构(ISO)ISO调度输电网络并对所有输电用户提供服务。对ISO的基本要求是不从电力市场中赢利。因此，ISO必须与电力市场的主体发电厂商及用户脱离。ISO的职责和权力在不同的市场模式中很不相同，主要有：(1)制定运行规划／运行方式。(2)实施调度。(3)对电力系统进行控制与监测(4)在线电网安全分析。(5)市场行政管理。3.电能交易机构（PX）PX的基本功能是在未来市场对电能的供求双方提供一个交易的场所。市场的周期可能是1小时到几个月。最常见的形式是一天前的市场，为每个运行日的前一天进行电能交易。根据市场的设计，一天前的市场可辅以较长周期的市场或小时前的市场。小时前的市场为运行前1到2个小时的电能交易提供可能。但是，PX的最基本的功能是作为电能供需双方竞争的POOL，并形成市场出清价(MarktC1earPrice，MCP)。然后MCP就成为实现未来市场结算的依据。以上3部分：TO、ISO及PX给电力市场的交易提供一个平台，不能从交易中赢利。4.辅助服务商家（AS）AS为电力系统可靠运行提供所需的服务，主要是为输电系统安全可靠运行提供有功备用及无功电源。根据市场结构，辅助服务商家可以在PX或ISO进行交易。辅助服务可以是以捆绑方式提供，也可分别按菜单提供。调节备用、旋转备用和补充运行备用(非旋转备用)等辅助服务可以由用户自己提供。5.交易协调商家（SC）SC是一个把电能供需方的计划结合在一起的一个中间商，但不必遵守PX的规则。有些市场模式中要求把电能协调限制在中央POOL之中而不允许其他SC进行操作，例如英格兰电力市场就是这样。在有些电力市场模式中可能不存在中央POOL或管制的交易机构，电能协调是用一种分散方式进行。在很多新的电力市场结构中，SC是一个重要组成部分。以上5个电力市场的组成部分在某些电力市场中不一定出现。在某些情况下可能会少一两个组成部分。在另一些情况下，两个或几个组成部分可能合为一个复合的组成部分。但是，其相应的职能是不可缺少的。例如挪威将ISO和TO结合，而英格兰将ISO、TO和PX结合成为NGC(国家电网公司)。起初美国加利福尼亚州的电力市场结构式是将以上5个部分全部分开，但是FERC(联邦能源管理委员会)在2000年的OrderNo．2000中要求各地区成立PX、IS0和TO结合的RTO(地区输电机构)。电力市场的出现给电力系统研究提出了很多新的课题，包括经济方面的课题和技术方面的课题。在经济方面，电价理论和交易机制是电力市场研究的核心。国外电力市场的理论研究起源于20世纪80年代末期学者对实时电价的研究[2,3]，从理论上证明了实时电价对合理配置资源的有效性。电价理论的研究应分为两个部分，即电能成本分析(电价预测)和电力市场中的电价形成机制。电能成本分析是电价预测的基础，对于电力市场的宏观控制、优化电力资源配置有决定性的影响。但电价的形成最终要通过市场机制。从理想市场运行来看，电力市场的出清电价应与电力系统电能的边际成本相对应。电力交易可采取双边合同和竞价上网的形式。一般电力市场都包含这两种形式的交易。但是电力市场以何种形式为主，或这两种形式各占多大份额，应该根据具体情况进行分析。竞价上网的方式和竞价策略是电力市场理论中的一个难点，有很强的随机性和实时性要求。该问题不仅与电力市场的经济效益有关，而且直接影响电力系统的安全性和可靠性。对一个发电厂商来说，竞价决策和其运行优化有密切关系，其竞争目标是要获取最大利润。发电厂商如何制定最优竞价策略，以及PX如何模拟和选择发电厂商以使电力用户的电能费用最小化的问题将涉及到随机优化的模型和算法。在技术方面，主要围绕电力市场环境下保证电力系统安全运行的问题。在垄断环境下，整个电力系统的发电、输电、配电是统一管理和统一调度的，运行方式安排相对比较简单，系统运行的安全可靠容易得到保证。在电力市场环境下，电力交易瞬息万变，电力调度既要保证公平竞争，又要保证安全运行，这就给电力系统分析提出了新的挑战。例如，在电力市场条件下由于系统潮流可能与预测的很不一样，从而可能导致输电阻塞、电压崩溃及不稳定等问题。输电阻塞是电力市场条件下系统运行的一个重要现象。从市场经济学的观点来看，双边交易员能体现市场自由竞争的效益，但这种交易模式会给电力系统的统一调度带来困难。最突出的问题就是电力网络某些部分可能趋于功率极限，而使电力系统运行承受很大的风险，这就是电力市场环境下的输电阻塞问题。缓解电力网络的阻塞是保证电力市场环境下电力系统安全运行的关键，首先要求用强有力的在线分析软件去发现隐患；其次在运行中如发现输电阻塞，则要用技术和经济的手段去迅速消除它。为此，不但需要频繁应用最优潮流软件以维持系统的安全、经济运行，还要发展快速评估系统各部分可用输电容量的算法。可用输电容量是电力市场运营的一个很重要的概念，是指电力网络可进一步增加电力交换的容量。在电力市场情况下，潮流分析不但要给出各支路的功率，为了确定输电费用和处理输电阻塞问题，往往还要求给出各发电厂或电力用户的功率在各支路的功率中所占的份额。这样就引出了潮流追踪问题。本章将讨论在电力市场环境下电力系统稳态分析方面的几个新进展，包括最优潮流及其在节点电价和输电阻塞处理方面的应用，潮流追踪和可用传输能力问题。这些模型和算法反映了电力市场环境下电力调度对决策支持系统的新要求。由于这是一个快速发展的领域，本章的内容还很不成熟，希望今后能不断完善。3.2电力系统最优潮流电力系统最优潮流，简称OPF(OptimalPowerFlow)，是法国学者Carpentier[4]在20世纪60年代提出的。OPF问题是一个复杂的非线性规划问题，要求在满足特定的电力系统运行和安全约束条件下，通过调整系统中可利用控制手段实现预定目标最优的系统稳定运行状态。发展到今天，最优潮流应用领域已十分广泛，针对不同的应用，OPF模型可以选择不同的控制变量、状态变量集合，不同的目标函数，以及不同的约束条件。3.2.1最优潮流模型最优潮流模型是在以下前提条件下提出的：(1)各火电(核电)投入运行的机组已知(不解决机组开停问题)。(2)各水电机组的出力已定(由水库经济调度确定)。(3)电力网络结构确定(不受接线方式影响，不考虑网络重构问题)。最优潮流问题在数学上是一个带约束的优化问题，其中主要构成包括变量集合、约束条件和目标函数，现在分别介绍如下。OPF模型中，变量主要分为两大类。一类是控制变量，是可以控制的自变量，通常包括各火电(核电)机组有功出力、各发电机／同步补偿机无功出力(或机端电压)；移相器抽头位置、可调变压器抽头位置、并联电抗器／电容器容量；在某些紧急情况下，水电机组快速启动，某些负荷的卸载也可以作为控制的手段。另—类是状态变量，是控制变量的因变量，通常包括各节点电压和各支路功率等。最优潮流考虑的系统约束条件有：(1)各节点有功功率和无功功率平衡约束。(2)各发电机有功出力上下界约束。(3)各发电机／同步补偿机无功出力上下界约束(4)并联电抗器／电容器容量约束。(5)移相器抽头位置约束。(6)可调变压器抽头位置约束。(7)各节点电压幅值上下界约束。(8)各支路传输功率约束。从数学观点来看，以上约束中(1)为等式约束，其余为不等式约束；(1)、(8)为变量函数约束，若在数学模型中节点电压采用直角坐标形式，(7)也属于变量函数约束，其余都属于简单变量约束；从约束的物理持性而言，(2)一(6)称为控制变量约束(硬约束)，(7)、(8)称为状态变量约束(软约束)。最优潮流有各式各样的目标函数，最常用的形式有以下两种：(1)系统运行成本最小。该目标函数一般表示为火电机组燃料费用最小，不考虑机组启动、停机等费用。其中机组成本耗费曲线是模型的关键问题，它不仅影响解的最优性，还制约求解方法的选取。通常机组燃料费用函数常用其有功出力的多项式表示，最高阶一般不大于3。若阶数大于3，目标函数将呈现非凸性，造成OPF收敛困难。(2)有功传输损耗最小。无功优化潮流通常以有功传输损耗最小为目标函数，它在减少系统有功损耗的同时，还能改善电压质量。电力系统调度运行研究中常用的最优潮流一般以系统运行成本最小为目标，其数学模型如下：目标函数：式中：GiP为第i台发电机的有功出力；0ta、1ta、2ta为其耗量特性曲线参数。约束条件：以上模型中式(3-2)为等式约束(节电功率平衡方程)；式(3-3)-(3-6)为不等式约束，依次为电源有功出力上下界约束，无功源无功出力上下界约束，节点电压上下界约束，线路潮流约束。式中：BS为系统所有节点集合，GS为所有发电机集合，RS为所有无功源集合，lS为所有支路集合；式中：GiP、GiQ为发电机i的有功、无功出力；DiP、DiQ为节点i的有功、无功负荷；iV、i为节点i电压幅值与相角，ijij；ijG、ijB为节点导纳矩阵第i行第j列元素的实部与虚部；lP为线路l的有功潮流，设线路l两端节点为i、j。该模型采用的是节点电压极坐标的表示形式，当然也可以采用节点电压直角坐标的表示形式。3.2.2最优潮流的算法至今已提出的求解最优潮流的模型和方法很多，归纳起来有非线性规划法、二次规划法、线性规划法、混合规划法以及近年出现的内点算法和人工智能方法等，现在分别叙述如下。1．非线性规划法(Non—LinearProgramming，NLP)非线性规划问题的目标或约束函数呈现非线性特性，其约束条件可由等式或不等式约束组成。非线性规划分为无约束非线性规划和有约束非线性规划。有约束非线性规划方法的基本思想是利用拉格朗日乘子法或罚函数法建立增广目标函数，使有约束非线性规划问题先转化为无约束非线性规划问题，然后利用不同的数学优化方法求解。非线性模型是最早的OPF数学表达形式。第一个成功的最优潮流算法是Dommel和Tinney[5]于1968年提出的简化梯度算法。这种算法建立在牛顿法潮流计算基础之上，独立变量取系统的控制变量，用罚函数处理违约的函数不等式约束，用拉格朗日乘子方法判别是否已到边界。但是用罚函数处理