第4章最优潮流.

第四章最优潮流第一节概述最优潮流（OPF）是指在电力系统的结构参数和负荷给定的前提下满足指定的约束并使目标函数最优的潮流分布。其目标函数通常为发电成本最小或网损最小，等式约束为潮流功率方程，不等式约束为控制变量和状态变量的上下限值。最优潮流将安全性与经济性结合，在满足网络安全运行的前提下追求经济最优。在计划经济体制下，最优潮流最求的是网损最小或者发电成本最小；在市场经济体制下，最求的是电网购电和运行总成本最小。1.1最优潮流模型的发展与现状（1）经济负荷调度模型电力系统最优化运行是指在保证系统安全稳定运行、满足用户用电需求的前提下，如何优化地调度系统中各发电机组或发电厂的运行，从而使系统发电所需的总费用或所消耗的总燃料耗量达到最小的运筹决策问题。该问题仅局限于单纯考虑优化后的经济性，而未顾及到安全性等因素，因此被称为电力系统经济调度，只考虑发电机有功功率越界的约束。随着电力系统规模的不断扩大、运行水平的提高，经典经济调度方法在处理节点电压越界及线路过负荷等安全约束的问题上已不适应。第四章最优潮流（2）最优潮流模型最优潮流就是当系统的结构参数及负荷情况给定时，通过控制变量的选择，找到的能满足所有指定约束条件，并使系统的一个或多个性能指标达到最优时的潮流分布。这里每一个可行潮流解对应于系统的某一个特定的运行方式，具有相应总体的经济上或技术上的性能指标，比如系统总的燃料消耗量，系统总的网损等。为了优化系统的运行，就有必要从所有的可行潮流解中挑选出上述性能指标为最佳的一个方案，这就是最优潮流所要解决的问题。最优潮流是一个大规模、多约束、非线性的优化问题，最终实现优化利用现有资源、降低发电、输电成本等目标。第四章最优潮流（3）电力市场下的最优潮流模型最优潮流就是当系统的结构参数及负荷情况给定时，通过控制变量的选择，找到的能满足所有指定约束条件，并使系统的一个或多个性能指标达到最优时的潮流分布。这里每一个可行潮流解对应于系统的某一个特定的运行方式，具有相应总体的经济上或技术上的性能指标，比如系统总的燃料消耗量，系统总的网损等。为了优化系统的运行，就有必要从所有的可行潮流解中挑选出上述性能指标为最佳的一个方案，这就是最优潮流所要解决的问题。最优潮流是一个大规模、多约束、非线性的优化问题，最终实现优化利用现有资源、降低发电、输电成本等目标。第四章最优潮流（4）电力市场下的最优潮流模型随着电力市场的建立，最优潮流模型也有了相应的改进。在技术上，由于众多的新约束如爬升率、暂态稳定、电压稳定等的加入，使得电力市场环境下最优潮流模型更为复杂;在内容上，除了传统的最优调度控制外，还必须解决如阻塞管理、实时电价、转运费计算等新问题;在经济上，不仅仅是要求成本最低，而且还要合理的分配发电、输电、辅助服务等成本，同时也要求合理的分配利润。通过对最优潮流模型中的目标函数和约束条件进行修改，可以使其解决很多电力市场下的问题。改进的最优潮流模型在实时电价计算、辅助服务定价、输电费用计算、网络阻塞管理等问题中都有应用。第四章最优潮流1.2最优潮流的求解方法（1）线性规划法线性规划法是目前应用最广泛的算法之一，尤其对于有功优化问题，线性规划模型可以得到满意的结果.用这种方法求解的逐次线性规划模型及算法的精度较高、效果较好。但由于其模型是最优潮流模型的一种近似，所以计算结果存在一定的误差。此外，大量数值试验表明:它在处理如有功网损最小等目标函数的优化问题时，优化结果通常不理想。而且采用以单纯形法为基础的方法在求解时，计算时间随着问题的规模呈指数上升。第四章最优潮流（2）二次规划法二次规划法将目标函数用二次模型表示，将约束进行线性化处理，其精度比线性规划法要高。相对于非线性规划来说，二次规划的形式比较简单，可近似地反映电力系统的物理特性，但其计算时间随变量和约束条件数目的增加而急剧延长，而且在求临界可行问题时会导致不收敛，因此对大型系统的收敛性比较差。第四章最优潮流（3）非线性规划法非线性规划法能很好的描述电网的物理模型结构。非线性规划法主要有牛顿法和内点法等。（4）智能算法人工智能方法是以一定的直观基础而构造的算法，也称为启发式算法。这类算法以其独特的优点和机制为解决复杂优化问题提供了新的思路和手段，当前主要应用于传统的数学优化方法难以解决的非线性优化问题。人工智能方法主要有粒子群优化算法，免疫算法，蚁群算法，模拟退火算法，混沌算法，遗传算法。第四章最优潮流经典方法的特点电力系统最优潮流计算经典方法中的牛顿法和内点法都是基于导数的优化方法，其优点是:（1）能按照目标函数的导数信息确定搜索方向，计算速度较快;（2）算法较为成熟，解析过程清晰，结果的可信度高。其缺点是:（1）对目标函数及约束条件有一定限制，如连续、可微等，必要时需要做简化和近似处理;（2）“维数灾”问题难以解决；（3）很多情况下会陷入局部极小或接近最优解时难以收敛；（4）对离散控制变量的处理不理想。第四章最优潮流智能方法的特点智能方法的一个共同特点是不以梯度作为寻找最优解的主要信息，属于非导数优化方法。其主要优点是:（1）与导数无关性，不需要知道目标函数的导数信息，只依赖于对目标函数的重复求值运算；（2）随机性，容易跳出局部极值点，适用于非线性大规模问题求解;（3）内在并行性，它的搜索轨道有多条而非单条，提高了处理复杂优化问题的速度。其缺点是:（1）表现不稳定，算法在同一问题的不同实例计算中会有不同的效果，造成计算结果的可信度不高;（2）按概率进行操作，不能保证百分之百获得最优解，通常得到的解是与最优解很接近的次最优解;（3）算法中的某些控制参数需要凭经验人为地给出，需要一定量的试验或专家经验。第四章最优潮流第二节经典最优潮流模型一、经典最优潮流前提条件第四章最优潮流（1）各火电投入运行的机组已知，不考虑机组组合问题。（2）各水电机组的出力已定，且书库调度模型已定。（3）电力网络结构已定，不考虑网络重构问题。二、经典最优潮流中的变量第四章最优潮流在最优潮流的算法中，将所涉及的变量分成状态变量(x)和控制变量(u)两类。控制变量通常是调度人员可以调整、控制的变量；控制变量确定以后，状态变量也就可以通过潮流计算确定下来。常用的控制变量(u)有:（1）除平衡节点外，其它发电机的有功出力；（2）发电机和调相机的端电压和无功功率；（3）带负荷调压变压器的变比；常用状态变量(x)有：（1）除平衡节点外，其它所有节点的电压相角；（2）除发电机和调相机外，其它所有节点的电压幅值；三、经典最优潮流的优化目标第四章最优潮流（1）系统运行成本最小。该目标函数一般表示为火电机组然料费用最小，不考虑机组启停等费用:iGiiGiiaPaPa0122min（2）有功传输损耗最小:iLossPmin四、约束方程第四章最优潮流（1）各节点有功功率和无功功率约束:0)cossin(0)sincos(ijijijijjiDiGiijijijijjiDiGiBGVVQQBGVVPP（2）不等式约束:max,min,GiGiGiPPP发电机有功出力：max,min,GiGiGiQQQ发电机无功出力：max,min,GiGiGiVVV发电机节点电压：max,min,iiiTTT变压器可调变比：第四章最优潮流（2）不等式约束（续）:max,min,CiCiCiQQQ调相机无功出力：max,min,LiLiLiVVV负荷节点电压：max,min,LiLiLiSSS线路传输功率：五、最优潮流模型0),(0),(.),(minxuhxugstxuff第三节电力市场下的最优潮流模型一、电力市场下的交易第四章最优潮流电力市场的一个重要特征就是实现发电商竞价交易。竞价交易主要集中在日前市场，日前市场的交易模式通常采用联营体交易模式。在联营模式下，发电商提前一天上报次日的机组可用出力及相关报价曲线，电网作为唯一购电方将根据次日的用户负荷预测电量去进行购买，即确定最经济的购电计划并确定交易价格。通常，采用分时竞价的方法，即以每半小时为一个时段，将每天分为48个时段，发电商进行分时段投标，竞争次日48个时段的发电负荷。电网根据发电厂申报数据和系统负荷预测结果，在考虑备用和发电机组位置等约束的前提下，根据全网购电成本最低的原则，确定次日的购电计划，并得到次日各时段的电价。二、交易特点第四章最优潮流传统垄断方式下，电厂与电网一体，电厂只需要向电网提供其成本耗量曲线，即发电成本。而厂网分离后，发电商作为独立的经济实体，出售电能的目的是为了获取利润。因此，发电商向电网公司提供的是考虑了成本并附加利润的售电价格。发电机的成本耗量曲线往往是二次曲线。理论上开放的发电市场应该是一个完全竞争市场，价格应该与价值相符。但是由于电力系统具有其特殊性：例如进入发电领域需要较大的投资规模，存在很高的进入门槛;为了兼顾效率，在一个区域内发电商的数量是有限的;输电约束和输电损耗使得区域外的发电商难以向该区域售电。因此实际的发电市场既不是完全竞争的也不是完全垄断的市场。那么部分发电商就具有了使交易计划偏离完全竞争市场价格的能力。这些发电商可以通过策略性投标而非降低成本来成功地增加利润，这就是市场操纵力.发电商可以在考虑电力系统运行的各种规则和限制条件的基础上，利用电力市场的特性，通过合法的操纵市场力，合理选择报价曲线，谋求自身利益的最大化，这便是竞价策略。三、报价曲线第四章最优潮流发电商提供的报价曲线往往不完全按照成本变化，而是综合了发电成本和竞价策略的结果。由于竞价策略的不同报价曲线具有多样性，通常为分段报价曲线、线性折线。报价走势也不一定为单调上升，也有可能出现下降段。根据报价内容的不同，发电商在电力市场中的报价可分为单部分报价和多部分报价。单部分报价是指发电商只需要申报将来某一时段的曲线，系统调度中心不负责机组启停安排，发电商在构造报价策略时要计及所有的相关费用和机组运行约束。这种报价方法不能保证发电机组运行的可行性。多部分报价要求发电商除了申报报价曲线以外，还要申报机组爬坡速率、启停机费用和最小开停机时间等约束。这种方法可以保证电网调度中心所得到的发电调度计划在技术上是可行的，但是增加了竞价交易算法的难度。四、竞价交易结算方式第四章最优潮流竞价交易的结算方式分为两种：统一市场出清价结算(MPC)和按报价结算(PAB)。电力调度中心按照满足负荷要求的有功功率所采购的最后一笔有功功率的价格即为市场统一出清价。按市场统一出清价结算即通过竞价的方式形成市场统一的出清价，所有中标的发电容量都按此价格结算。按报价结算即中标的发电商按各自所报的价格进行结算。五、考虑竞价交易的OPF模型第四章最优潮流传统方式下，厂网一家，是同一个经济利益共同体，电网在调度电能上网时，考虑的是经济成本最优。而在电力市场环境下电网考虑的是利润的最大化，由于用户侧电价由国家管制，为固定价格，因此电网公司的目标为总购电费用最小。考虑将竟价交易融入最优潮流的模型中去，将原电厂成本耗量曲线改为发电商报价曲线，采用单部报价方法，结算方式按MCP进行，目标函数相应修改为按MCP结算的有功购电费用最小：iloadimcpPPPCFmin考虑竞价交易OPF模型的特点第四章最优潮流该模型不考虑网络约束，只是按照经济最优的原则生成购电计划。由于未考虑到网络的物理状况，该交易计划可能会导致网络的阻塞，即线路的过载，致使计划不可行。常规的做法是在竞价交易后，再对购电计划进行网络安全效验，如果发现阻塞现象，再利用物理方法(调整可整变压器分接头)或经济方法(消减合同)来消除阻塞。这将使电网总运行成本提高。为此，在竞价的同时要考虑网络阻塞问题，保证所生成购电计划的可行性，发挥OPF安全性与经济相结合的特点。六、考虑网损费用的OPF模型第四章最优潮流网损是有功电能在网络传输时，由于线路阻抗而产生的损耗。输电网网损占所传输总电能的比例约为1％-2％。在电力市场环境下，网损常通过一些计算方法分摊给用户或者发电商，称为网损分摊。在完全开放电力市场中，电网公司的责任是提供