鄧新財 李 勝

(1.三峽大學電氣信息學院,湖北宜昌 443002;2.攀枝花展宏電力勘測設計有限公司,四川攀枝花 617067)

電力工業(yè)正在由傳統(tǒng)的壟斷管制型向競爭監(jiān)管型轉變,輸電網絡將逐步開放,通過市場競爭的手段來實現(xiàn)資源合理配置,降低成本,提高效率,合理規(guī)劃,促進電力工業(yè)長期持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展[1].電力市場與其它商品市場不同,主要表現(xiàn)在:電能的生產與消費是同時完成的;電能從生產者到消費者的輸送是通過結構復雜的輸電系統(tǒng)進行的,其傳輸過程要遵守基爾霍夫定律,同時要滿足多種物理約束,傳輸路徑十分復雜,且人為控制手段相當有限.在引入競爭、優(yōu)化資源配置的同時,也出現(xiàn)了輸電阻塞問題,這在較大程度上制約了電力市場的經濟效率[2].

電網中有若干臺發(fā)電機組和若干條主要線路,每條線路上的有功潮流(輸電功率和方向)取決于電網運行結構、各發(fā)電機組的出力和各負荷的需求.電網每條線路上有功潮流的絕對值有一個安全限值,限值還具有一定的相對安全裕度(即在應急情況下潮流絕對值可以超過限值的百分比上限).如果各機組的出力分配計劃使某些線路上的有功潮流的絕對值超出其動態(tài)穩(wěn)定限值或熱穩(wěn)定性限值,或者節(jié)點電壓超出穩(wěn)定運行限制,而不能完成預計的輸電計劃,則稱這種狀態(tài)為輸電阻塞.

電力市場下的阻塞管理模式有靜態(tài)阻塞管理與動態(tài)阻塞管理.近年來,對靜態(tài)阻塞管理的研究已經取得了豐碩的成果[3-4].當系統(tǒng)面臨暫態(tài)穩(wěn)定問題時,為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定,應對其進行計及暫態(tài)穩(wěn)定的阻塞管理[5-7].

1 計及暫態(tài)穩(wěn)定的阻塞管理模型

在電力市場環(huán)境下,系統(tǒng)需要統(tǒng)一協(xié)調考慮運行的安全性和經濟性.在安全性方面,動態(tài)阻塞管理主要考慮系統(tǒng)暫態(tài)過程中的功角穩(wěn)定與電壓穩(wěn)定.在經濟性方面,系統(tǒng)運營機構則主要考慮整個系統(tǒng)的運營成本.因此,計及暫態(tài)穩(wěn)定的輸電阻塞管理為求解一個優(yōu)化模型,其目標函數(shù)為系統(tǒng)的經濟性指標,而其約束為系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定和運行條件.

1.1 目標函數(shù):阻塞管理的總費用

在聯(lián)營體市場模式下,以系統(tǒng)總的購電成本最小為目標,則目標函數(shù)為

式中 ,PGi、QGi、fPi、fQi為機組i的有功出力 、發(fā)出無功、有功成本函數(shù)與無功成本函數(shù);N為參與市場競爭的機組總數(shù).

1.2 暫態(tài)穩(wěn)定約束

電力市場中的電網運營者為了獲得更多的經濟效益,必然減少對電網建設的投資、最大程度地利用現(xiàn)有設備,因而惡化了電力系統(tǒng)的運行環(huán)境.因此,維持系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行顯得愈加重要,系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定也成了不得不考慮的問題,即暫態(tài)穩(wěn)定分析評價系統(tǒng)受到大擾動后過渡到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力,并對必要的預防措施和補救措施給出適當?shù)膮⒖挤桨?

本文采用多機電力系統(tǒng)的經典數(shù)學模型:

各發(fā)電機采用暫態(tài)電勢X′q后的恒定電勢E′來模擬,各負荷用恒定阻抗模型.電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性可通過故障后發(fā)電機轉子間最大相對搖擺角度來判斷[6].

式中,PG為系統(tǒng)有功出力向量;Ts為考察時間段;δi為發(fā)電機i的轉子角度;δρ為最大相對搖擺角上限.

1.3 正常運行約束

電源有功出力范圍約束:

發(fā)電機、同步補償機等無功源無功出力范圍約束:

節(jié)點電壓幅值范圍約束:

式中,PGi,PGi.max,PGi.min分別為電源的有功出力及其上下限;分別為無功源的無功出力及其上下限;V分別為節(jié)點電壓的電壓值及其上下限;SG,SR,SB分別為系統(tǒng)所有發(fā)電機集合,所有無功電源集合,所有節(jié)點集合.

1.4 其它約束條件

由于電能本身的特殊性,其生產總量與消費總量必須實時平衡.功率平衡方程如下:

系統(tǒng)中線路在阻塞管理中要滿足的約束為:

式中,Pload,Ploss分別為負荷有功總和與線路損耗總和為線路l(兩端節(jié)點為i,j)的有功潮流及其上限;Sl為所有支路集合.

綜上所述,由式(1)～(8)可構成暫態(tài)穩(wěn)定約束下的輸電阻塞管理優(yōu)化模型.該模型滿足求解非線性優(yōu)化問題的Kuhn-Tucker條件[8],故可以采用標準的優(yōu)化方法進行求解.

2 算例分析

算例采用IEEE 9節(jié)點簡單電力系統(tǒng)[9],如圖1所示.

圖1 9節(jié)點系統(tǒng)單線結構圖

算例中將1號發(fā)電機作為潮流計算中的平衡機.在計及暫態(tài)穩(wěn)定的阻塞管理中,為簡化計算,所有節(jié)點的電壓幅值的上下限范圍相同,且僅考慮fPi(PGi)而忽略fQi(QGi).fPi(PGi)為第i臺發(fā)電機的耗能特性函數(shù),形式如a2iP2Gi+a1iPGi+a0i,其中a2i,a1i,a0i為耗能特性參數(shù).在模型中沒有考慮到機組開停機費用.

通過計算結果表1可以看出,1,2,9節(jié)點的電壓幅值達到了其上限,3個發(fā)電機的有功出力都有了一定的調整,這是由于它們的耗能特性不同及暫態(tài)穩(wěn)定要求決定的.由表2可以看出,該模型在滿足系統(tǒng)運行條件下,同時滿足了暫態(tài)穩(wěn)定要求,且購電成本也比一般方案少.

表1 兩種方案下的購電成本

表2 潮流計算結果

3 結 語

對電力市場下計及暫態(tài)穩(wěn)定約束的輸電阻塞管理模型進行了研究.提出的暫態(tài)穩(wěn)定約束條件下電力市場中的阻塞管理模型同時考慮了線路潮流約束與暫態(tài)穩(wěn)定約束,因此可以在消除線路阻塞的同時有效地保證系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性,且兼顧了系統(tǒng)運行的經濟性.案例分析驗證了所提出的阻塞管理模型在保證系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定且兼顧系統(tǒng)經濟運行上的有效性.

[1]張永平,焦連偉,陳壽孫等.電力市場阻塞管理綜述[J].電網技術,2003(8):1-32.

[2]柯 進,管 霖.電力市場下的輸電阻塞管理技術[J].電力系統(tǒng)自動化,2002(14):20-39.

[3]Fang R S,David A K.Transmission Congestion Management in an Electricity Market[J].IEEE Trans on Power Systems,1999,14(3):877-883.

[4]Christie R D,Wallenberg B F,Wangensteen Ivar.Transmission Management in the Deregulated Environment[J].Proceedings of the IEEE,2000,88(2):170-195.

[5]David A K.Congestion M anagement in Dynamic Security Constrained Open Power Markets[J].Computers and Electrical Engineering,2003,29(5):575-588.

[6]郭 磊,房大中.實時電力市場中暫態(tài)穩(wěn)定約束下的阻塞管理模型研究[J].電網技術,2006,30(3):36-40.

[7]馬 進,宋永華,盧 強等.開放電力市場環(huán)境下的動態(tài)阻塞管理[J].電力系統(tǒng)自動化,2004(10):23-48.

[8]Bazaraa M S,Shetty C M.Nonlinear Programming Theory and Algorithms[M].New York:John Wiley and Sons,1997:471-479.

[9]Anderson P M,Fouad A A.Power System Control and Stability[M].Ames,Iowa:The Iowa State University Press,1977.