鄧新財(cái) 李 勝

(1.三峽大學(xué)電氣信息學(xué)院,湖北宜昌 443002;2.攀枝花展宏電力勘測(cè)設(shè)計(jì)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(jìng)爭(zhēng)監(jiān)管型轉(zhuǎn)變,輸電網(wǎng)絡(luò)將逐步開(kāi)放,通過(guò)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)資源合理配置,降低成本,提高效率,合理規(guī)劃,促進(jìn)電力工業(yè)長(zhǎng)期持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展[1].電力市場(chǎng)與其它商品市場(chǎng)不同,主要表現(xiàn)在:電能的生產(chǎn)與消費(fèi)是同時(shí)完成的;電能從生產(chǎn)者到消費(fèi)者的輸送是通過(guò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的輸電系統(tǒng)進(jìn)行的,其傳輸過(guò)程要遵守基爾霍夫定律,同時(shí)要滿足多種物理約束,傳輸路徑十分復(fù)雜,且人為控制手段相當(dāng)有限.在引入競(jìng)爭(zhēng)、優(yōu)化資源配置的同時(shí),也出現(xiàn)了輸電阻塞問(wèn)題,這在較大程度上制約了電力市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效率[2].

電網(wǎng)中有若干臺(tái)發(fā)電機(jī)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(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)、各發(fā)電機(jī)組的出力和各負(fù)荷的需求.電網(wǎng)每條線路上有功潮流的絕對(duì)值有一個(gè)安全限值,限值還具有一定的相對(duì)安全裕度(即在應(yīng)急情況下潮流絕對(duì)值可以超過(guò)限值的百分比上限).如果各機(jī)組的出力分配計(jì)劃使某些線路上的有功潮流的絕對(duì)值超出其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定限值或熱穩(wěn)定性限值,或者節(jié)點(diǎn)電壓超出穩(wěn)定運(yùn)行限制,而不能完成預(yù)計(jì)的輸電計(jì)劃,則稱這種狀態(tài)為輸電阻塞.

電力市場(chǎng)下的阻塞管理模式有靜態(tài)阻塞管理與動(dòng)態(tài)阻塞管理.近年來(lái),對(duì)靜態(tài)阻塞管理的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果[3-4].當(dāng)系統(tǒng)面臨暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題時(shí),為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定,應(yīng)對(duì)其進(jìn)行計(jì)及暫態(tài)穩(wěn)定的阻塞管理[5-7].

1 計(jì)及暫態(tài)穩(wěn)定的阻塞管理模型

在電力市場(chǎng)環(huán)境下,系統(tǒng)需要統(tǒng)一協(xié)調(diào)考慮運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性.在安全性方面,動(dòng)態(tài)阻塞管理主要考慮系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程中的功角穩(wěn)定與電壓穩(wěn)定.在經(jīng)濟(jì)性方面,系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)則主要考慮整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本.因此,計(jì)及暫態(tài)穩(wěn)定的輸電阻塞管理為求解一個(gè)優(yōu)化模型,其目標(biāo)函數(shù)為系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),而其約束為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和運(yùn)行條件.

1.1 目標(biāo)函數(shù):阻塞管理的總費(fèi)用

在聯(lián)營(yíng)體市場(chǎng)模式下,以系統(tǒng)總的購(gòu)電成本最小為目標(biāo),則目標(biāo)函數(shù)為

式中 ,PGi、QGi、fPi、fQi為機(jī)組i的有功出力 、發(fā)出無(wú)功、有功成本函數(shù)與無(wú)功成本函數(shù);N為參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)組總數(shù).

1.2 暫態(tài)穩(wěn)定約束

電力市場(chǎng)中的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者為了獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益,必然減少對(duì)電網(wǎng)建設(shè)的投資、最大程度地利用現(xiàn)有設(shè)備,因而惡化了電力系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境.因此,維持系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)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(wèn)題,即暫態(tài)穩(wěn)定分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)受到大擾動(dòng)后過(guò)渡到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力,并對(duì)必要的預(yù)防措施和補(bǔ)救措施給出適當(dāng)?shù)膮⒖挤桨?

本文采用多機(jī)電力系統(tǒng)的經(jīng)典數(shù)學(xué)模型:

各發(fā)電機(jī)采用暫態(tài)電勢(shì)X′q后的恒定電勢(shì)E′來(lái)模擬,各負(fù)荷用恒定阻抗模型.電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性可通過(guò)故障后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間最大相對(duì)搖擺角度來(lái)判斷[6].

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

1.3 正常運(yùn)行約束

電源有功出力范圍約束:

發(fā)電機(jī)、同步補(bǔ)償機(jī)等無(wú)功源無(wú)功出力范圍約束:

節(jié)點(diǎn)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(wú)功源的無(wú)功出力及其上下限;V分別為節(jié)點(diǎn)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(jī)集合,所有無(wú)功電源集合,所有節(jié)點(diǎn)集合.

1.4 其它約束條件

由于電能本身的特殊性,其生產(chǎn)總量與消費(fèi)總量必須實(shí)時(shí)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(fù)荷有功總和與線路損耗總和為線路l(兩端節(jié)點(diǎn)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(gòu)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(wèn)題的Kuhn-Tucker條件[8],故可以采用標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化方法進(jìn)行求解.

2 算例分析

算例采用IEEE 9節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)[9],如圖1所示.

圖1 9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)單線結(jié)構(gòu)圖

算例中將1號(hào)發(fā)電機(jī)作為潮流計(jì)算中的平衡機(jī).在計(jì)及暫態(tài)穩(wěn)定的阻塞管理中,為簡(jiǎn)化計(jì)算,所有節(jié)點(diǎn)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(tái)發(fā)電機(jī)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(méi)有考慮到機(jī)組開(kāi)停機(jī)費(fèi)用.

通過(guò)計(jì)算結(jié)果表1可以看出,1,2,9節(jié)點(diǎn)的電壓幅值達(dá)到了其上限,3個(gè)發(fā)電機(jī)的有功出力都有了一定的調(diào)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(yùn)行條件下,同時(shí)滿足了暫態(tài)穩(wěn)定要求,且購(gòu)電成本也比一般方案少.

表1 兩種方案下的購(gòu)電成本

表2 潮流計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)電力市場(chǎng)下計(jì)及暫態(tài)穩(wěn)定約束的輸電阻塞管理模型進(jìn)行了研究.提出的暫態(tài)穩(wěn)定約束條件下電力市場(chǎng)中的阻塞管理模型同時(shí)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(shí)有效地保證系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性,且兼顧了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性.案例分析驗(yàn)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(jīng)濟(jì)運(yùn)行上的有效性.

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