CN101138140A - 管理电力传输网络中的拥塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于管理电力传输网络中的拥塞的方法和系统。该电力传输网络包括用于调整电力传输网络的传输能力的电力流控制装置(PFD)。该方法包括：确定发电单元的参考发电进度表；接着，基于该参考发电进度表、调节竞价、发电单元的实际发电进度表、传输网络中的电力流以及PFD的设定点，设立目标函数。该优化问题被求解，以最小化决策变量集合的目标函数，以及该决策变量集合被应用，进而最小化电力传输网络中的拥塞成本。

Description

管理电力传输网络中的拥塞

技术领域

本发明涉及管理电力传输网络中的电力流(power flow)，更具体而言，涉及电力传输网络中的拥塞(congestion)管理，其中所述电力传输网络包括用于将电力从发电单元传到负载的并行传输路径以及用于调整传输路径上的电力流分配的电力流控制装置。

背景技术

在过去数十年，电能消耗增长了许多倍。电能广泛应用于主要依靠电能进行操作的通信、娱乐、商业等领域。为了将电能从发电源转移到消耗源，采用配电系统或电网。这些电网还被称为电力传输网络，它们提供电能到家庭用户、商业、制造工厂等等。

由于传输大量电能，所以管理经电力传输网络传输的电力流就非常困难。在典型电力传输网络中，根据最低阻抗原理将电力流在传输到消耗电能的任何给定负载的多个路径上进行分配。这样的电力传输网络具有高动态性能，并且操作通常关系到随负载的平衡发电。响应于网络状态、负载或发电单元注入的功率的变化，备用传输路径上的电力流需要进行再分配以避免个体网络部件上的操作约束的违背。这些调整是根据电力传输网络的拓扑结构以及电力传输网络中当前电力流情形而做出的。

因为跨越多个区域的电力系统的整合，所以在电力传输网络的电力流管理方面的难题就大大增加了。在电力传输网络中不同点的价格水平和/或电力需求的变化会导致拥塞。拥塞的结果包括价格峰值(pricespike)、负载下降，以及如果这些措施仍然不管用，则会导致一个或多个区域的电力分配损失。

一种电力流管理的方法采用能量方法论的日前市场(Day-AheadMarket，简称DAM)。一种示例性能量DAM包括需求竞价和实际供给以及需求竞价和供价。到工作日前一天中午为止，市场参与方提交市场信息到独立系统操作员(ISO)。该提交到ISO的市场信息包括关于发电单元、负载服务实体(LSE)和参与方的信息。发电单元基本上提供能量和调节服务给发电单元的市场和操作特性，以在清算DAM的过程中加以考虑。LSE竞价购买DAM中的能量，而参与方进行实际供能以及需求竞价。

在操作日之前，ISO清算DAM，并且公布清算的量和价格。DAM竞价以及所提供的清算的数量和价格在财政上关联于提交这些内容的参与方。由于在竞争的多个区域中存在不同价格结构，所以在这些区域之间的潜在能量传输中就观察到瓶颈现象。这会当ISO试图通过传输超过容许的电力来平衡价格时导致拥塞。

在第二或更后续市场中还存在用于上调节和下调节竞价的规定。这些竞价标示出发电单元想要增加或减去的能量数量和价格，以偏离在忽略拥塞的前一轮中达成的协议，从而导致发出更多或更少的电。

然而，这种能量市场清算机制没有考虑以下可能性，即，通过利用所谓电力流控制装置(PFD)来最大化总传输能力同时关注对个体网络部件的操作约束，从而再分配并行电力传输路径上的电力流。

发明内容

因此，本发明目的之一是，提供一种灵活有效的方法来管理电力传输网络中的拥塞，所述电力传输网络包括用于控制电力流的电力流控制装置(PFD)。该目的通过分别根据权利要求1、4和7所述的用于管理电力传输网络中拥塞的方法、系统和计算机程序来实现，其中该电力传输网络包括发电单元和电力负载之间的并行电力传输路径以及用于调整电力流在传输路径上的分配的电力流控制装置(PFD)。根据从属权利要求，进一步的优选实施例是明显的。

根据本发明，通过充分利用在产生采用PFD获得的总体传输能力方面的灵活性的优势，来执行电力传输网络的拥塞管理。除了发电单元的实际发电进度表之外，还采用PFD的设定点作为优化问题中的其他决策变量，从而和没有采用PFD相比，和网络的各个传输能力一致的可能电力流的解的范围变得更宽。因此，可以进一步优化传输网络中的拥塞成本，也就是，当a)忽略和b)关注拥塞约束时接收和/或给付的金钱量之间的差别。

本发明包括确定至少一个发电单元的参考发电进度表，接着设立优化问题，包括一约束或边界条件集合以及表示拥塞成本的目标函数。优化问题涉及参考发电进度表、电力传输网络中的电力流、调节来自市场参与方的竞价以及实际发电进度表和PFD的设定点。该方法然后求解该优化问题，以最小化决策变量集合的目标函数以及应用该决策变量集合以最小化电力传输网络中的拥塞成本。

在本发明的优选实施例中，基于来自市场参与方也就是发电单元和电力消耗者或负载的供给和需求竞价，来决定参考发电进度表。然而，在优化问题中仅仅考虑调节来自发电单元的竞价，以使得负载不会受到优化的影响，其中该优化完全被在独立系统操作者和发电单元之间协商。换言之，需求量不会随所引起的市场结算价和拥塞成本而变，这大大简化了该过程。

在本发明优选变型中，PFD是串联电容器、相角电抗器(PAR)、串联电抗器或者灵活交流传输系统(FACTS)装置。后者包括静止无功补偿器(SVC)、晶闸管控制的串联电容器(TSCS)、相移变压器、阻抗调制器、串联补偿电容器等等。这些装置安装在传输线站，用于调整每个传输线中的电力流，从而电力能够被引导成以安全、稳定和平衡的方式在电力传输网络中的大量传输线中流动。

附图说明

下面参照附图中所示的优选示例性实施例来更加详细地说明本发明的主题，其中：

图1描述了两区电力系统的模型，

图2是根据本发明实施例的电力传输网络中拥塞管理方法的流程图，

图3示意性地描述了根据本发明实施例的电力传输网络中拥塞管理系统的基本元件；以及

图4示意性地描述了根据本发明实施例的电力传输网络中拥塞管理基本方法。

在附图标记的列表中简要列出附图中采用的附图标记及其含义。原则上，附图中相同的附图标记表示相同的部分。

具体实施方式

结合附图的详细说明仅用于说明本发明的优选实施例，而不是用于代表可实现本发明的唯一形式。应当理解的是，可以通过不同实施例来实现相同或等同的功能，这些实施例都包含在本发明的精神和范围内。

本发明提供一种用于电力传输网络中拥塞管理的方法和系统。该电力传输网络包括至少一个发电单元和至少一个电力流控制装置(PFD)。该方法包括确定发电单元的参考发电进度表，接着设立优化问题，包括目标函数和约束集合，并且基于参考发电进度表、电力传输网络中的电力流、调节竞价、实际发电进度表和PFD的设定点。该优化问题被求解，以最小化决策变量集合的目标函数，并且该决策变量集合被应用以最小化电力传输网络中的拥塞。

为了进行说明，在图1中描述了简单的两区的电力系统模型。发电单元被建模为理想的或恒定的电压源，并且两条线中每条线都被建模为纯电抗。而且，所述线其中一条安装有PFD。具有PFD的线被建模为根据其设定点u_sp而变的可变表观电抗jX1，而另一条线具有固定电抗jX2。右边的负载总线具有静止无功补偿器SVC。SVC及其相关设定点控制器被建模为可变导抗jB_svc。负载电流流过纯电阻性负载导抗pG_l，其中p仅是用于研究最大载荷能力的负载的比例因子。该系统的分析示出，通过PFD增大补偿也就是通过减小表观线电抗X₁，或通过SVC增大补偿也就是通过增大电纳B_svc，可增大最大载荷能力。

现在参照图2，图2描述了根据本发明实施例的电力传输网络中拥塞管理方法的流程图。该电力传输网络包括发电单元和PFD。该PFD用于调整电力传输网络的特性，以改变电力流在并行电传输路径上的分配。示例性PFD包括串联电容器、相角电抗器(PAR)、串联电抗器和灵活交流传输系统(FACTS)装置。灵活交流传输系统(FACTS)装置包括静止无功补偿器(SVC)、晶闸管控制的串联电容器(TSCS)、相移变压器、阻抗调制器、串联补偿电容器。

这些装置安装在传输线站，用于调整每条传输线中的电力流，从而使得电力能够被引导成以安全的、稳定的和平衡的方式在电力传输网络中的大量传输线中流动。FACTS装置改进了电力传输网络的动态性能。它们被设计成用于增强稳定性，从而使得传输设备可以负荷到接近它们最终热容量的水平。这些装置可提供无功功率来支承电压或者提供调制以阻尼衰减机电振荡。

在步骤102，确定参考发电进度表。为电传输网络产生电能的一组发电单元利用该参考发电进度表来产生电能。在步骤104，设立优化问题，其包括目标函数和约束集合。该优化问题涉及参考发电进度表、电力传输网络中的电力流、调节竞价、实际发电进度表和PFD中的至少一个设定点。实际发电进度表和PFD的设定点是目标函数的决策变量，而参考发电进度表和调节竞价是目标函数的固定参数。该目标函数基本上表示电力传输网络站的拥塞成本，并用于确定由独立系统操作员(ISO)支付给该发电单元以偏离于早前协议的参考进度表的成本。

在步骤106，求解优化问题，以最小化决策变量集合的目标函数。随后，在步骤108，该决策变量集合被应用到电力传输网络中，用以最小化拥塞成本。

图3示意性地描述了根据本发明实施例的电力传输网络中拥塞管理系统的基本元件。拥塞管理系统200包括用于为发电单元确定参考发电进度表的装置202、用于设立目标函数的装置204、用于求解优化问题的装置206、以及用于应用该决策变量集合的装置208。拥塞管理系统200的元件确实执行了上述步骤，并且优选以软件模块的形式来实现。

图4示意性地描述了根据本发明实施例的电力传输网络中拥塞管理系统的基本方法。假设单独采用发电重新调度即足以处理拥塞约束，因此不需要甩负荷。为了进行说明，图4中的箭头描述了推测的迭代过程，然而获得自我协调优化的解决方案的优选方式则充分利用了下面所述的商用解算器。

在图4中，拥塞管理模型300包括由本发明的机制采用的计算模块。拥塞管理模型300将参考发电进度表S_ref302和用于上调节和下调节的调节竞价b_reg304作为输入。通过假设没有约束的市场模型306来产生参考发电进度表S_ref302。市场模型306将多个市场参与方竞价b_m308作为输入。这种对S_ref302建模的方式与大多数能量市场结算机制一致，其中首先通过采用市场参与方提交的所有竞价而不考虑任何绑定的传输约束来建立系统价格。在本发明的实施例中，通过用于产生参考进度表的装置202来提供S_ref302。

一种示例性拥塞管理模型300包括网络模型310、拥塞管理模块312和拥塞成本计算模块314。拥塞管理模块312将参考发电进度表S_ref302和调节竞价b_reg304、以及拥塞成本c_con和电力流x_pf作为输入。拥塞成本c_con和电力流x_pf均属于和网络的相应传输能力一致的特定电力流分配，它们由实际发电进度表S_act316结合PFD的实际设定点u_sp318来限定。实际发电进度表S_act316和实际设定点u_sp318都由拥塞管理模块312提出，由网络模型310取作输入以产生电力流的解决方案x_pf320。拥塞成本计算模块314将实际发电进度表S_act316、调节竞价b_reg304、以及参考发电进度表S_ref302作为输入，并且产生拥塞成本c_con322。实际发电进度表S_act316和实际设定点u_sp318的优化最终值最后被应用到电力传输网络324上，以最小化拥塞成本。

在没有需求量弹性的情况下，拥塞成本是考虑了拥塞约束和没有考虑拥塞约束时发电成本的差值，因此用公式表示为具有拥塞的实际发电进度表S_act316和在考虑拥塞之前获得的参考发电进度表S_ref302的函数。优化问题的约束或不等式不仅通过电力流的解决方案x_pf320而且还以对设定值和进度表的物理或操作性限制的形式这样更为直接的方式来约束设定点u_sp318和实际发电进度表S_act316。优化问题总体上用以下公式表示：

min  C(x，S_act，S_ref，u)    (1)

受到：g(x，S_act，u)＝0且h(x，S_act，u)≤0的控制。

其中g函数表示等式约束条件(一个或多个)，而h函数表示不等式约束条件(一个或多个)。一个典型g函数和h函数集合会是：

$\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{p}_l=D,i\∈G$ 电力平衡

$C_i^{\min }\≤\mathrm{\Σ}{p}_i\≤C_i^{\max },i\∈G$ 容量约束条件

$f_k^{\min }\≤f_k\≤f_k^{\max },k\∈T$ 线热约束条件

其中D是总系统负载(和损耗)，G是发电单元组，T是传输线组，pi是从第i个发电单元开始的发电量且作为实际发电进度表S_act的一部分，C_i ^min是第i个发电单元的最小容量，C_i ^max是第i个发电单元的最大容量，f_k是第k条传输线上的电力流且作为电力流的解x_pf的一部分，f_k ^min是第k条传输线上的电力流的下限，以及f_k ^max是第k条传输线上的电力流的上限。这些传输约束条件是影响到单条传输线或一组传输线的转移容量的约束条件(因为发热限制、电压或其他安全约束条件(例如，n-1个偶然性))。它们通常以MW单位表示。类似的，相应约束条件应用到PFD的设定点u_sp的值。

对如上问题的自我协调的解可通过借助于用于求解线性混合整数二次方程式编程问题的所谓“CPLEX”商用优化问题解算器来获得(http：//www.ilog.com/products/cplex)。在本发明的一个实施例中，在用于设立目标函数的装置204以及用于求解优化问题的装置206中实现拥塞管理模型300。

传输约束条件会对能量市场的不同当事方产生财政性影响。通常，这些团体分成三种：ISO、发电单元和负载。根据拥塞成本计算协议，这些当事方具有和拥塞有关的收益或损失。本发明中所述的方法可以用公式表示，以最小化所有或任意一个当事方的总拥塞成本。

为了描述本发明所采用的机制，在下面对本发明的说明中给出ISO拥塞成本最小化的示例。该拥塞定价协议基于对销交易(counter-trading)机制，该对销交易机制对于本领域技术人员而言是显而易见的。利用该方法，在出现拥塞时对于消费者也就是负载不会产生财政性影响，但是ISO将向发电单元支付补偿费用，从而偏离原始参考进度表S_ref302。如上所述，在没有需求量弹性的情况下，拥塞成本在公式中作为发电调度值的函数，也就是发电单元的实际进度表S_act316和参考进度表S_ref302的差的函数。ISO需要支付的成本是用于上调节的成本和用于下调节的成本这两部分的和。

对于下调节：

$C_{\mathrm{down}}=\underset{l}{\mathrm{\Σ}}(({\mathrm{Sref}}_l-{\mathrm{Sact}}_l)*(c_{\mathrm{ref}}-c_{\mathrm{down}}))---\left(2\right)$

其中c_ref是系统清算(clearing)价格，它预先分别基于负载和发电单元的需求和供给竞价b_m308是固定的，c_down是用于下调节的价格，它基于发电单元的调节竞价b_reg304，而i是用于下调节发电单元的下标。

类似的，对于上调节：

$C_{\mathrm{up}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\left(\right(\mathrm{Sac}{t}_j-\mathrm{Sre}{f}_j)*(C_{\mathrm{up}}-C_{\mathrm{ref}}\left)\right)---\left(3\right)$

其中，c_ref是系统清算价格，它预先分别基于负载和发电单元的需求和供给竞价b_m308是固定的，c_up是用于上调节的价格，它基于发电单元的调节竞价(b_reg304)，而j是用于上调节发电单元的下标。

因此，影响到ISO的总成本是：

c_total＝c_down+c_up    (4)

在这种情况下，等式(1)中的成本函数因此用公式表示为：

C(x，S_act，S_ref，u)＝C_total    (5)

然后利用由等式5计算的拥塞成本来决定ISO支付给发电单元的成本。

如在本发明或在本发明任意部分中所述的该系统可以以计算机系统的形式实现。计算机系统的典型示例包括通用计算机、编程的微处理器、微控制器、外围集成电路元件以及能够实现构成本发明的方法的步骤的其他装置或装置结构。

该计算机系统包括计算机、输入设备和显示单元，并且可以访问因特网。该计算机包括微处理器。微处理器被连接到通信总线。计算机还包括存储器。存储器包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。计算机系统还包括存储设备。它可以是硬盘驱动器或可拆卸式存储驱动器，例如软盘驱动器、光盘驱动器等等。存储设备还可以是用于加载计算机程序或其他指令到计算机系统的其他类似装置。

该计算机系统执行存储在一个或多个存储元件中的指令集，从而处理输入数据。该存储元件还可以根据需要保持数据或其他信息。该存储元件可以采用信息源或存在于处理机中的物理存储元件的形式。

该指令集包括指示处理机执行特定任务的多种命令，所述特定任务例如是构成本发明的方法的步骤。该指令集可以采用软件程序的形式。该软件可以采用例如系统软件或应用软件之类的多种形式。而且，该软件可以采用单独程序的集合体、具有较大程序的程序模块或者程序模块一部分的形式。该软件还可以包括采用面向对象程序设计的形式的模块化程序。特别是，可以利用高级语言例如C、C++、C#和Java语言来编码半自动化转换器的模块。可以响应于用户命令或者响应于预先处理结果或者响应于另一个处理机做出的请求来由处理机处理输入数据。

虽然已经示出和说明了本发明的优选实施例，但是可以清楚看到本发明不限于仅仅这些实施例。对于本领域技术人员而言，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，多个修改、改变、变化、替代和等效都是非常清楚的。

附图标记列表

102确定参考发电进度表的步骤

104设立目标函数的步骤

106解决优化问题以最小化目标函数的步骤

108应用决策变量集用以最小化电力传输网络中的拥塞成本的步骤

200拥塞管理系统

202用于确定参考发电进度表的装置

204用于设立目标函数的装置

206用于求解优化问题的装置

208用于应用决策变量集的装置

300拥塞管理模型

302由S_ref表示的参考发电进度表

304由b_reg表示的上调节和下调节竞价

306市场模型

308由b_m表示的市场参与方

310网络模型

312拥塞管理模块

314拥塞成本计算模块

316由S_act表示的实际发电进度表

318由u表示的FACTS装置的设定点

320由x表示的电力流的解

322由c表示的拥塞成本计算模块的输出

324电力传输网络

Claims (7)

1.一种用于管理电力传输网络中的拥塞的方法，其中该电力传输网络包括发电单元和负载之间的并行电传输路径以及用于调整传输路径上的电力流分配的电力流控制装置(PFD)，该方法包括：

确定发电单元的参考发电进度表(S_ref)；

设定包括目标函数和约束集合的优化问题，并且所述优化问题基于该参考发电进度表(S_ref)、调节竞价(b_reg)、发电单元的实际发电进度表(S_act)、传输网络中的电力流(x_pf)以及PFD的设定点(u_sp)，其中该目标函数表示传输网络中的拥塞成本，以及其中实际发电进度表(S_act)和PFD的该设定点(u_sp)是决策变量，

求解该优化问题，以最小化关于该约束集合的决策变量集合的目标函数；以及

应用该决策变量集合，以最小化电力传输网络中的拥塞成本。

2.根据权利要求1所述的方法，包括

基于来自发电单元和负载的供给和需求竞价(b_m)来确定参考发电进度表(S_ref)。

3.根据权利要求1所述的方法，包括

设立专门基于来自发电单元的调节竞价(b_reg)的优化问题，并且该优化问题包括表示将由独立系统操作员(ISO)支付给发电单元的成本的目标函数。

4.一种用于管理电力传输网络中的拥塞的系统，其中该电力传输网络包括发电单元和负载之间的并行电传输路径以及用于调节传输路径上的电力流分配的电力流控制装置(PFD)，该系统包括：

用于确定发电单元的参考发电进度表(S_ref)的装置(202)；

用于设立包括目标函数和约束集合的优化问题的装置(204)，并且所述优化问题基于该参考发电进度表(S_ref)、调节竞价(b_reg)、发电单元的实际发电进度表(S_act)、传输网络中的电力流(x_pf)以及PFD的设定点(u_sp)，其中该目标函数表示传输网络中的拥塞成本，以及其中实际发电进度表(S_act)和PFD的该设定点(u_sp)是决策变量，

用于求解该优化问题以最小化关于该约束集合的决策变量集合的目标函数的装置(206)；以及

用于应用该决策变量集合以最小化电力传输网络中的拥塞成本的装置(208)。

5.根据权利要求5所述的系统，其特征在于该PFD包括至少一个串联电容器、至少一个相角电抗器(PAR)、至少一个串联电抗器以及至少一个灵活交流传输系统(FACTS)装置中的至少一个。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于它包括用于确定多个发电单元的参考发电进度表(S_ref)的装置(202)；以及用于设立基于多个发电单元的参考发电进度表(S_ref)和实际发电进度表(S_act)的优化问题的装置(204)。

7.一种用于管理电力传输网络中的拥塞的计算机程序，其中该电力传输网络包括发电单元和负载之间的并行电传输路径以及用于调节传输路径上的电力流分配的电力流控制装置(PFD)，该计算机程序包括用于实现以下目的的计算机程序代码装置：当该计算机程序加载到数字计算机的内存中时，所述计算机最小化关于约束集合的决策变量集合的目标函数，其中该目标函数和该约束集合是优化问题的一部分，其中该优化问题基于发电单元的参考发电进度表(S_ref)、调节竞价(b_reg)、发电单元的实际发电进度表(S_act)、传输网络中的电力流(x_pf)以及PFD的设定点(u_sp)，并且其中该目标函数表示传输网络中的拥塞成本，以及其中实际发电进度表(S_act)和PFD的该设定点(u_sp)是决策变量。

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