区域电力系统最优备用容量模型与算法

第29卷第1期中国电机工程学报Vol.29No.1Jan.5,2009142009年1月5日ProceedingsoftheCSEE©2009Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号：0258-8013(2009)01-0014-07中图分类号：TM73文献标志码：A学科分类号：470⋅40区域电力系统最优备用容量模型与算法吴杰康1，史美娟1，陈国通2，张宏亮3(1．广西大学电气工程学院，广西壮族自治区南宁市530004；2．广西电网公司梧州供电局，广西壮族自治区梧州市543002；3．广西方元电力股份有限公司，广西壮族自治区南宁市530028)ImmuneGeneticAlgorithmsforModelingOptimalReserveCapacityofInterconnectedRegionalPowerSystemsWUJie-kang1,SHIMei-juan1,CHENGuo-tong2,ZHANGHong-liang3(1.SchoolofElectricalEngineering,GuangxiUniveristy,Nanning530004,GuangxiZhuangAutonomousRegion,China;2.WuzhouPowerSupplyBureauofGuangxiPowerGridCompany,Wuzhou543002,GuangxiZhuangAutonomousRegion,China;3.GuangxiFangyuanElectricCo.Ltd.,Nanning530028,GuangxiZhuangAutonomousRegion,China)ABSTRACT:Thispaperpresentedmodelingoptimalreserveofinterconnectedregionalpowersystemsbasedonimmunegeneticalgorithms,placedemphasisonderivativerealpowerincrementequationofthetielinesandderivativetheconnectedexpressionbetweenoffsetfrequencyandoptimalreservecapacity.Accordingtothecomplexcharacteristicsoftheproblem,theadaptiveimmunegeneticalgorithm(AIGA)isusedtocalculatetheoptimalreservecapacity,takingintosufficientaccountoffsetfrequency,loadfluctuationandsecurityreliabilityconstraintsoftheregionalinterconnectedpowersystem.Theproposedmethodhasbeenvalidatedonthreeindependentpowersystemsandregionalinterconnectedpowersystems.Theresultsoftheindependentpowersystemsshowthatwiththedevelopmentofinstalledcapacity,andscaleoftransmissionanddistributionofpowersystem,theoptimalreservecapacityoccupyingthebiggestloadratioreducesgraduallyby0.395%~9.366%.Theresultsofregionalinterconnectedpowersystemshowthatwhentheregionalpowersystemsareinterconnected,theoptimalreservecapacitycanreducetosomeextent.Thereservecapacityofregionalinterconnectedpowersystemcanreduceby1.034%~1.858%comparedtoeachindependentpowersystemreservecapacity.KEYWORDS:regionalpowersystems;optimalreservecapacity;immunegeneticalgorithms基金项目：国家自然科学基金项目(50767001)；国家863高技术基金项目(2007AA04Z100)；广西自然科学基金项目(桂科自0640028)；广西高校百名中青年学科带头人资助计划项目(RC20060808002)；广西壮族自治区研究生教育创新计划项目(20070808M32)。ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(50767001);TheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentofChina(863Program)(2007AA04Z100)．摘要：建立实现备用容量昀小的区域互联电力系统昀优备用容量数学模型，推算多区域互联电力系统的联络线功率增量方程，以及区域互联电力系统频率偏差与区域备用容量的关系表达式。针对问题的具体特点，运用自适应免疫遗传算法对该模型进行求解，充分考虑频率偏差、负荷的随机波动以及区域互联系统运行的各种可靠安全约束，分别对独立的电力系统以及通过交直流联络线互联组成的区域电力系统进行仿真计算，可得到一天中24个时段的弹性备用容量。独立电力系统的算例表明：随着电力系统规模的扩大以及装机容量的逐步增大，昀优备用容量占昀大负荷的比例会逐步减小，可以减小0.395%~9.366%。对区域互联系统的算例表明：当区域系统互联时可以在一定程度上减小区域系统的备用容量，互联区域系统比各个独立系统的备用容量要减少1.036%~1.858%，节约了互联区域电力系统的成本，在一定程度上提高了区域互联系统运行的经济性。实例计算结果验证了所提模型的合理性、所提方法的可行性。关键词：区域电力系统；昀优备用容量；免疫遗传算法0引言随着我国经济的快速发展，用电负荷持续增长，装机容量相对不足，全国范围内出现了不同程度的电力不足现象。电力不足制约了各地经济的发展，造成了巨大的经济损失和不良的社会影响，同时由于系统充裕度水平的下降，影响了区域互联电力系统的安全稳定运行。因此确保区域互联电力系统保持充足且合理的备用容量是十分必要的[1-2]。在电力系统昀优备用方面，已经有许多研究成果，主要有：通过成本—效益分析来优化运行备用,从而获第1期吴杰康等：区域电力系统昀优备用容量模型与算法15得弹性运行备用容量，基于发电系统的可靠性评估，提出了运行备用市场的出清模型，可以同时确定昀优运行备用容量和运行备用市场[3-5]。考虑线路约束、线路和发电机的故障率、市场价格、竞价策略、负荷和旋转备用的类型等约束条件，利用人工神经网络(artificialneuralnetwork，ANN)来预测旋转备用被调用的概率[6]。DohertyR等人考虑不确定的风能，提出了一个对电力系统中的备用需求进行量化的数学模型，此模型考虑了发电机故障率、负荷和风能的预测。对爱尔兰电力系统的仿真结果表明：随着风能容量的增加，系统必须同时增加总的备用容量，否则系统的可靠性会降低[7]。对大型的电力系统来说，有效的控制旋转备用可以使成本降低，提出运用备用概率评估与机组组合函数相结合的方法来实现昀优旋转备用[8]。根据对电能成本的分析，可以确定系统效益昀好的开机台数的原则，同时建立以火电机组燃料费用昀小的旋转备用的优化分配调度模型，对旋转备用边际机会成本进行分析，确定旋转备用的价格，对旋转备用的效益进行近似的评估[9]。但是，利用这种方法在进行备用成本分析时，认为机组运行费用主要是由燃料费用组成，没有考虑发电机组的启停费用，这一点需要进一步的研究。电力供给不确定性(假设机组运行不受功率变化速度的限制)、电力需求不确定性、输电元件故障的随机性等都对电力系统备用有较大的影响[10-18]。发电机组的容量和发电机组的可用率，对电力系统备用也有很大的影响，在不同的电力市场模式中备用容量分配有不同的计算方法[19]。备用的调度，对昀优备用容量也产生影响[20]。区域电力系统的互联也影响昀优备用容量[21]。目前，在区域电力系统中关于备用容量的研究还处于探索阶段，主要是建立单目标多约束数学模型比较偏重经济性的考虑，不能兼顾区域系统运行的可靠性，不能满足系统安全可靠性要求，只能满足系统运行的经济性。本文从系统调频特点出发，充分考虑频率偏差、负荷的随机波动以及区域互联系统运行的各种可靠安全约束，分别对独立的电力系统以及通过交直流联络线互联组成的区域电力系统昀优备用容量进行分析。1最优备用容量模型整个电力系统是由多个子系统通过联络线连接起来的互联系统，各子系统及其控制中心构成了一个控制区域，每个控制区域的用户负荷由本区域的电源及从其它控制区域交换的电力来满足。图1为由3个子电力系统组成的一个区域互联电力系统，子系统1、子系统2、子系统3分别通过交直流联络线互联。假定子系统s(s=1,2,3)的负荷变化量分别为∆Ds，子系统s由频率调整得到的发电机功率增量为∆PG,s，子系统s的频率特性系数为Ks，联络线交换功率增量分别为∆P12、∆P23、∆P31，子系统s频率在额定值附近的偏移量为∆fs。设由子系统1流向子系统2、子系统2流向子系统3、子系统1流向子系统3的潮流为正，则子系统的功率平衡方程为：112G,13111DPPPKf∆+∆−∆−∆=−∆(1)223G,21222DPPPKf∆+∆−∆−∆=−∆(2)331G,32333DPPPKf∆+∆−∆−∆=−∆(3)123T1,2T1,3T2,3图1三区域互联电力系统Fig.1Regionalinterconnectedpowersystem若子系统s(s=1,2,3)备用容量系数可以定义为系统备用容量与总开机出力(包括厂用电及其网损)的比值,G,/RsssaRP=(4)式中：aR,s为子系统s备用容量系数；PG,s为子系统s在t(t=1,2,…,24)时段发电功率；Rs为子系统s在t时段备用容量。从而可得下式,1,2,3,1G1,.2G2,.3G3,,()GGGGReqReqReqDeqDPPPPfaKaKaKK∆−∆∆=−+++(5)式中：,1,2,3,DeqDeqDeqDeqKKKK=++；1DD∆=∆+23DD∆+∆；GG,1G,2G,3PPPP∆=∆+∆+∆；KGs,eq为子系统s的发电机等值频率调节系数；KDs,eq为子系统s的负荷等值频率调节系数。设研究周期为T，将T分为24个子时段，以区域电力系统的昀小备用容量建立弹性数学模型，有123123minssssSsSsSRRRRRRR∈∈∈=++=++∑∑∑(6)式中Ss为子系统s的集合。子系统s在t时段备用容量为,instan,tenminsstsRRR=+(7)16中国电机工程学报第29卷,tenmin,10ssspRP=×(8)式中：Rs,instant为子系统s在t时段的瞬时响应备用；Rs,tenmin为子系统s在t时段的10min旋转备用及其10min非旋转备用；Ps,sp为子系统s在t时段的10min旋转备用以及10min非旋转备用机组调节速率。对区域互联电力系统，子系统s采用24h负荷模型。假设子系统s在某一时段t的预测负荷为Ds,t，则实际负荷Ds,real,t可以表示为Ds,t和∆Ds,t之和：,real,,,stststDDD=+∆(9)目标函数的约束条件包括各个子系统的各种约束条件、联络线的传输容量约束以及区域系统频率偏差约束。各种约束条件包括：1）系统功率平衡方程。G,G,,los