CN104158188B - 一种可中断负荷参与下的输电阻塞消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可中断负荷参与下的输电阻塞消除方法，该方法根据边际价值评价用户损失，构建协调机组出力调整与可中断负荷调度的直流最优潮流模型，并通过灵敏度分析方法逐步消除阻塞线路，具体步骤包括：101)根据投入产出法与部门电力需求曲线簇分析得出用户电力经济价值；102)根据用户电力经济价值与用户电力需求曲线分析可中断负荷用户K中断一定负荷时造成的经济损失；103)以阻塞造成的社会成本最小为目标，构建协调机组出力调整与可中断负荷调度的直流最优潮流模型；104)采用灵敏度方法消除阻塞线路。与现有技术相比，本发明具有可以减小输电阻塞时的社会经济损失等优点。

Description

一种可中断负荷参与下的输电阻塞消除方法

技术领域

本发明涉及一种电力负荷平衡方法，尤其是涉及一种可中断负荷参与下的输电阻塞消除方法。

背景技术

电力系统稳态运行中，线路或变压器出现过负荷的情况称为输电阻塞。当前，随输电网络的逐步开放如大用户直购电的大力推广，电能交易方式将由传统的集中决策向市场分散决策转变，这将造成功率流随意性的增大，电网阻塞问题也将变得越来越严重。输电阻塞不仅使最优的电能交易计划无法实现，影响电力资源的配置效率，同时，实时阻塞问题也必然威胁电力系统的安全稳定运行。传统的阻塞管理方法是发电机出力的再调整，虽能够保证系统运行的安全性，但将造成较大的阻塞管理成本，而大量可再生能源的并网使得可供灵活调度的发电量也相对越来越少，进一步限制了发电侧管理阻塞的实际作用。

随电力市场的发展，用户侧需求响应的作用逐渐得到认识，其中，可中断负荷能够经济、有效的解决输电阻塞问题。用户中断损失的确定是可中断负荷参与输电阻塞管理的关键，虽然对于可中断负荷参与阻塞管理已进行了广泛的研究，然而，现有研究报道都未对用户中断损失作深入分析，大都是基于用户报价的简化处理。一般而言，用户会依据其平均断电损失申报补偿价格，但虚报断电成本不仅会造成用电分配的低效，同时以固定的平均价格为补偿依据将会造成对用户的补偿偏差；此外，中断损失模型决定阻塞管理模型，简单有效的用户损失确定方法也一定程度上可以降低阻塞管理的复杂性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种建立在用户边际经济效益上的可中断负荷参与下的输电阻塞消除方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可中断负荷参与下的输电阻塞消除方法，该方法根据边际价值评价用户损失，构建协调机组出力调整与可中断负荷调度的直流最优潮流模型，并通过灵敏度分析方法逐步消除阻塞线路，具体包括步骤：

101)根据投入产出法与部门电力需求曲线簇分析得出用户电力经济价值；

102)根据用户电力经济价值与用户电力需求曲线分析可中断负荷用户i中断一定负荷时造成的经济损失V_OLL(g_i)为：

$V_{OLL}\left(g_i\right)=\frac{V_{Li}}{Q_{i0}}\×{g_i}^2$

其中：g_i为可中断负荷用户i的负荷中断量，V_Li为用户i的电力经济价值，Q_i0为用户i额定用电量；

103)以阻塞造成的社会成本最小为目标，构建协调机组出力调整与可中断负荷调度的直流最优潮流模型；

104)采用灵敏度方法消除阻塞线路。

所述步骤103)中直流最优潮流模型为：

min P^ΤHP+M^ΤP

其中：P＝[ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_NG,Δg₁,…,Δg_k]^Τ，H＝dig(a₁,…a_NG,V_L1/Q₁₀,…V_LK/Q_K0)， $M={\[2a_1{P}_1^1+b_1,...2a_{NG}{P}_{NG}^1+b_{NG},2g_1^1{V}_{L1}/Q_{10},...,2g_K^1{V}_{LK}/Q_{K0}\]}^T,$

ΔP₁,…,ΔP_NG分别为发电机机组至发电机机组NG的出力调整量，Δg₁,…,Δg_K分别为可中断负荷用户1至可中断负荷用户K的中断调整量，a₁,…,a_NG分别为发电机机组1至发电机机组NG的二次成本参数，V_L1/Q₁₀,…,V_LK/Q_K0分别为可中断负荷用户1至可中断负荷用户K的二次成本参数，分别为发电机机组1至发电机机组NG的一次成本参数，分别为可中断负荷用户1至可中断负荷用户K的一次成本参数，分别为发电机机组1至发电机机组NG的已出力量，分别为可中断负荷用户1至可中断负荷用户K的已中断量。

所述步骤104)具体包括步骤：

1041)初始化H和M⁽⁰⁾，初始化调整次数k，令k＝0；

1042)采用交流潮流计算线路潮流；

1043)判断线路是否过载，若为是，则执行步骤1044)；

1044)选择过载最严重的线路，采用灵敏度方法求解min P^ΤHP+M^ΤP，消除该阻塞线路并得到P；

1045)利用P修正机组已出力量与可中断符合用户的已中断量，得到M^(k)，令k＝k+1，并执行步骤1042)。

所述M^(k)为第k次调整后的矩阵M。

所述直流最优潮流模型的构建有以下约束条件：

A)e^ΤP＝0，

其中：e为单位列向量；

B)F_min≤F≤F_max，

其中：F为线路潮流向量，F_min和F_max分别为线路潮流的最小值和最大值；

C)P_Gmin≤P_G≤P_Gmax，

其中：P_G为总发电功率，P_Gmin和P_Gmax分别为总发电功率的最小值和最大值；

D)g_Kmin≤g_K≤g_Kmax，

其中：g_Kmin和g_Kmax分别为可中断负荷用户K的中断量的最小值和最大值。

一种用于实现上述一种可中断负荷参与下的输电阻塞消除方法的装置，该装置包括用于计算用户电力经济价值的模块、用于计算用户中断一定负荷时造成经济损失的模块、用于建立协调机组出力调整与可中断负荷调度的直流最优潮流模型的模块和用于消除阻塞线路的模块，所述用于消除阻塞线路的模块包括用于初始化k、H和M⁽⁰⁾和单元、用于计算线路潮流的单元、用于判断线路是否过载的单元、用于选择过载最严重线路的单元，采用灵敏度求解min P^ΤHP+M^ΤP，消除该阻塞线路并得到P的单元、用于利用P修正机组出力与可中断负荷用户的已中断量的单元。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)用户中断损失依据电力的边际价值评价，将所有参与可中断负荷的用户均纳入计算，进而做到了使阻塞造成的社会成本最小。

2)在得出用户中断损失的基础上，设计可中断负荷参与阻塞管理的直流最优潮流模型，能够将该模型化为典型二次规划问题，降低了阻塞管理的复杂性。

附图说明

图1为本发明用以计算部门电力经济价值的电力需求曲线簇；

图2为本发明用以计算用户中断损失的电力需求曲线；

图3为本发明主要流程图；

图4为本发明消除阻塞线路过程的流程图；

图5为本发明应用实施的IEEE14节点电力系统结构图；

图6为本发明中断损失与阻塞成本随可中断负荷用户数量变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种可中断负荷参与下的输电阻塞消除方法，该方法根据边际价值评价用户损失，构建协调机组出力调整与可中断负荷调度的直流最优潮流模型，并通过灵敏度分析方法逐步消除阻塞线路，如图3所示为主要流程图，具体包括步骤：

101)根据投入产出法与部门电力需求曲线簇分析得出用户电力经济价值；

社会生产中，电力用户可划入不同的行业或部门，投入产出表中增加值一项则表示年度某部门生产活动所创造的经济价值。假设同一部门内用户具有相同电力需求价格弹性与用电价格，将部门内所有用户的电力需求曲线在用电均衡点处作线性化处理，可以得到如图1所示该部门的“部门电力需求曲线簇”，需求曲线可以是直线，也可以是一般曲线，其计算思路一致，得到的结果也一致，因此本实施例主要以直线作为例子来说明，表示为：

$\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_0+\frac{{\mathrm{\ρ}}_0}{Q_{i0}\mathrm{\ϵ}}(Q_i-Q_{i0}),i=1,...,n,S$

其中：，ρ为电价，(ρ₀,Q_i0)为用户i的的用电平衡点，n为部门内用户的数量，S表示该部门，ε为部门电力需求价格弹性，具体为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\ΔQ}}_i/Q_{i0}}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ρ}/{\mathrm{\ρ}}_0},i=1,...,n,S$

其中，Δρ/ΔQ_i表示图1中用户i的用户电力需求曲线的斜率，特别指出，部门内所有用户的电力需求价格弹性的值相同，另外：

$Q_{S0}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{Q}_{i0}$

图1中，三角形面积和分别表示用户i与部门S在正常用电需求下每小时的用电收益B(Q_i0)和B(Q_S0)，其中部门收益为部门内所有用户收益的加总，即有：

$S_{{\mathrm{\Δ\ρ\ρ}}_{0}S}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_{{\mathrm{\Δ\ρ\ρ}}_{0}i}$

根据投入产出表，若某部门的增加值与全年电力消耗分别为N元、GkW·h，则该部门单位电力负荷的平均价值可表示为N/G元，即电力经济价值为V_L＝N/G元。由图1可知部门内用户具有相同V_L(这表明了同部门用户间的内在经济联系)，其中：

$V_L=\frac{N}{G}=\frac{S_{{\mathrm{\Δ\ρ\ρ}}_{0}S}}{Q_{S0}}=\frac{S_{{\mathrm{\Δ\ρ\ρ}}_{0}i}}{Q_0}$

V_L可以表示用户“切除全部负荷”时的单位负荷平均价值，但并不能作为用户“切除部分负荷”时的单位负荷平均价值。由经济学理论可知，每单位功率的价值是不同的，用户中断损失应基于每一单位功率的边际价值评价。

102)根据用户电力经济价值与用户电力需求曲线分析可中断负荷用户i中断一定负荷时造成的经济损失V_OLL(g_i)为：

$V_{OLL}\left(g_i\right)=\frac{V_L}{Q_{i0}}\×{g_i}^2$

其中：g_i为可中断负荷用户i的负荷中断量，V_L为用户i的电力经济价值，Q_i0为用户i额定用电量；

如图2所示，面积和S_Δabc分别为用户i正常负荷下的每小时用电收益与中断负荷时的断电损失。当阻塞发生需要中断负荷时，该用户会按照负荷的重要性大小依次切除负荷，假设用户切除负荷功率g_i，则断电造成的经济损失V_OLL(g_i)为：

$V_{OLL}\left(g_i\right)=S_{abc}=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\ρ}}_0}{\left|\mathrm{\ϵ}\right|Q_{i0}}{g_i}^2$

负荷中断部分的单位负荷平均价值V_ave(g_i)为：

$V_{ave}\left(g_i\right)=\frac{V_{OLLi}\left(g_i\right)}{g_i}=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\ρ}}_0}{\left|\mathrm{\ϵ}\right|Q_{i0}}{g}_i$

所以，V_ave(g_i)不是常量，由于边际收益递减规律，V_ave(g_i)会随负荷中断量g_i的增加而增加，若依据V_L补偿用户“切除部分负荷”时的断电损失，将会产生很大的过补偿。

借助部门电力经济价值V_L将V_OLL(g_i)货币量化：

$V_{OLL}\left(g_i\right)=\frac{S_{\mathrm{\Δ}abc}}{S_{{\mathrm{\Δ\ρ\ρ}}_{0}b}}\×V_L\×Q_{i0}=\frac{{g_i}^2}{Q_{i0}}\×\frac{N}{G}=\frac{V_L}{Q_{i0}}{g_i}^2$

可中断负荷管理主要针对用电量较大的工业用户，因为投入产出表会依据不同工业用户按其所属部门详细划分，因此根据投入产出表得到的经济数据，能够更加真实、细致的反映用户生产经营状况，进而上式能较好的评价用户因中断用电而造成的经济损式。

103)以阻塞造成的社会成本最小为目标，构建协调机组出力调整与可中断负荷调度的直流最优潮流模型；

不存在阻塞问题时，社会福利可表示为用户收益减去购电成本：

f＝B(P_D)-C(P_G)

其中：f为社会福利，B(P_D)为总用电收益，C(P_G)为总购电成本，P_D和P_G分别为总负荷和总发电功率。

发生输电阻塞时，以阻塞成本最小为优化目标，即：

$min(f^{pre}-f^{aft})=\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\ΔB}}_i+\underset{j=1}{\overset{NG}{\Σ}}{\mathrm{\ΔC}}_j$

其中：f^pre和f^aft分别为调整前后的社会福利，K为可中断用户数量，NG为发电机节点数，含平衡节点，ΔB_i为可中断负荷用户i的收益减少量(即为断电损失)，与V_OLL(g_i)的含义相同， 为可中断用户i中断负荷后的用电功率，Δg_i为可中断用户i的中断调整量，Δg_i＞0，ΔC_j为机组j的发电成本增量，ΔP_j为发电机机组j的出力调整量，为调整前的出力，若假设发电商采用线性报价形式，则购电成本可表示为二次函数C(P_G)＝(aP_G+b)P_G，a和b为报价参数。

将具体表达式代入后，可将输电阻塞管理目标化为以下形式：

min P^ΤHP+M^ΤP

上式即为直流最优潮流模型。

其中：P＝[ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_NG,Δg₁,…,Δg_k]^Τ，H＝dig(a₁,…a_NG,V_L1/Q₁₀,…V_LK/Q_K0)， $M={\[2a_1{P}_1^1+b_1,...2a_{NG}{P}_{NG}^1+b_{NG},2g_1^1{V}_{L1}/Q_{10},...,2g_K^1{V}_{LK}/Q_{K0}\]}^T,$

ΔP₁,…,ΔP_NG分别为发电机机组至发电机机组NG的出力调整量，Δg₁,…,Δg_K分别为可中断负荷用户1至可中断负荷用户K的中断调整量，a₁,…,a_NG分别为发电机机组1至发电机机组NG的二次成本参数，V_L1/Q₁₀,…,V_LK/Q_K0分别为可中断负荷用户1至可中断负荷用户K的二次成本参数，分别为发电机机组1至发电机机组NG的一次成本参数，分别为可中断负荷用户1至可中断负荷用户K的一次成本参数，一次成本参数实际上为当前所处的的边际成本与边际价值点，分别为发电机机组1至发电机机组NG的已出力量，分别为可中断负荷用户1至可中断负荷用户K的已中断量，及每次调整过程后要进行修正。

调整的最终结果应满足以下约束：

A)e^ΤP＝0，

其中：e为单位列向量；

B)F_min≤F≤F_max，

其中：F为线路潮流向量，F_min和F_max分别为线路潮流的最小值和最大值；

C)P_Gmin≤P_G≤P_Gmax，

其中：P_G为总发电功率，P_Gmin和P_Gmax分别为总发电功率的最小值和最大值；

D)g_Kmin≤g_K≤g_Kmax，

其中：g_Kmin和g_Kmax分别为可中断负荷用户K的中断量的最小值和最大值。

以上4式分别表示系统有功平衡约束(不考虑网损)、线路潮流、节点出力与负荷中断量约束。

104)消除阻塞线路。

采用直流潮流灵敏度分析方法消除过载线路。若线路正向过载即，根据节点对线路的发电转移分布因子(generation shift distribute factor，GSDF)选择最优的调整方案，以min P^ΤHP+M^ΤP为目标，调整机组出力与负荷中断量，使线路l的潮流变化量为：

$-(F_l-F_{lmax})=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{G}_{i-l}{\mathrm{\ΔP}}_i$

其中，N为节点数，G_i-l为节点i对线路l的GSDF，通过直流潮流计算，ΔP_i为节点i注入功率变化量。

同时得全局线路潮流变化，表示为：ΔF＝GRP，

其中，G为节点对线路的GSDF矩阵，R为表示机组出力调整量、负荷中断量与节点注入功率之间关系的关联矩阵。由于矩阵H对称正定，故目标函数严格凸，模型为典型二次规划问题，便于求解。

步骤104)具体如图4所示，包括步骤：

1041)初始化H和M⁽⁰⁾，初始化调整次数k，令k＝0；

1042)采用交流潮流计算线路潮流；

1043)判断线路是否过载，若为是，则执行步骤1044)；

1044)选择过载最严重的线路，采用灵敏度求解min P^ΤHP+M^ΤP，消除该阻塞线路并得到P；

1045)利用P修正机组已出力量与可中断负荷用户的已中断量，得到M^(k)，,令k＝k+1，并执行步骤1042)。

M^(k)为第k次调整后的矩阵M。

为了验证本发明的有益效果，进行了以下仿真实验：

表1

机组	节点	a(元·MW-2)	b(元·MW-1)	最大出力/MW
					1	1	0.6	18	200
2	2	0.6	20	200
					3	3	0.875	15	200
4	6	0.92	35	200
					5	8	0.567	24	200

以IEEE14节点系统为例说明本发明的有效性，如图5所示，节点有功负荷数据已于图中标出，线路相关数据可以参见清华大学出版社2007年出版的《高等电力网络分析》—张伯明，陈寿孙，严正，表1～2分别给出了发电商与可中断负荷用户经济数据：

表2

IL编号	节点	用电容量/MW	电力经济价值(元/MW·h)
				1	4	9.3	4323
2	5	7.5	1717
				3	9	7.5	1658
4	10	8.7	2528
				5	11	9.3	4323
6	13	13.3	7386
				7	14	12.1	3077

表3为系统无约束经济调度结果，以此作为阻塞消除过程的初始状态。

根据上述仿真数据，采用本发明方法消除阻塞线路，两次调整后就可以满足线路容量约束，具体调整结果如表4所示。

仅由发电侧管理输电阻塞时(即安全经济调度)的发电成本为34850元/h，有可中断负荷参与时，发电成本为33682元/h，中断损失为191.1元/h，所以可中断负荷参与阻塞管理时的社会总成本减少976.9元/h，可见可中断负荷能够大大降低阻塞管理成本。

按部门电力经济价值评价中断损失，将造成损失的夸大或过补偿，中断损失应按电力边际价值评价，两种评价方式结果对比如表5所示。

表3

线路	潮流/MW	容量/MW	线路	潮流/MW	容量/MW
						1-2	50.14	100	4-9	26.25	50
2-3	33.18	100	7-9	109.94	90
						2-4	49.48	100	9-10	30.42	50
1-5	47.54	100	6-11	30.73	50
						2-5	43.04	100	6-12	19.58	50
3-4	11.34	100	6-13	63.78	100
						4-5	-28.7	100	9-14	55.77	100
5-6	59.63	50	10-11	0.14	50
						4-7	11.87	100	12-13	19.17	50
7-8	98.07	100	13-14	29.64	50

表4

假设线路6-13的潮流约束降低为60WM，按本发明方法进行阻塞管理，结果显示可中断负荷总中断量为21.536MW，总中断损失为37057元/h，发电成本为30392元/h(无约束下的发电成本为32537元/h)，所以阻塞社会成本为34912元/h。若节点14上的可中断负荷用户7数量增多，则中断损失与阻塞成本的变化如图6所示，由此可以得出一般性结论：可中断负荷参与电力市场运行应对用户限电，避免断电，参与的用户数越多，则对每个用户限制的用电量越少，此时每个用户仅中断边际价值较小的负荷，引起的社会总损失也最小。

表5

IL用户	1	2	3	4	5	6	7
								平均价值评价/元	654	527	785	886	893	1195	1198
边际价值评价/元	10.6	21.6	49.6	35.7	19.8	14.5	38.5

Claims (3)

1.一种可中断负荷参与下的输电阻塞消除方法，其特征在于，该方法根据边际价值评价用户损失，进而构建协调机组出力调整与可中断负荷调度的直流最优潮流模型，并通过灵敏度分析方法逐步消除阻塞线路，具体包括步骤：

101)根据投入产出法与部门电力需求曲线簇分析得出用户电力经济价值；

102)根据用户电力经济价值与用户电力需求曲线分析可中断负荷用户i中断一定负荷时造成的经济损失V_OLL(g_i)为：

$V_{OLL}\left(g_i\right)=\frac{V_{Li}}{Q_{i0}}\×{g_i}^2$

其中：g_i为可中断负荷用户i的负荷中断量，V_Li为用户i的电力经济价值，Q_i0为用户i额定用电量；

103)以阻塞造成的社会成本最小为目标，构建协调机组出力调整与可中断负荷调度的直流最优潮流模型，所述直流最优潮流模型为：

minP^THP+M^TP

其中：P＝[ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_NG,Δg₁,…,Δg_k]^T，H＝dig(a₁,…a_NG,V_L1/Q₁₀,…V_LK/Q_K0)，

ΔP₁,…,ΔP_NG分别为发电机机组1至发电机机组NG的出力调整量，Δg₁,…,Δg_K分别为可中断负荷用户1至可中断负荷用户K的中断调整量，a₁,…,a_NG分别为发电机机组1至发电机机组NG的二次成本参数，V_L1/Q₁₀,…,V_LK/Q_K0分别为可中断负荷用户1至可中断负荷用户K的二次成本参数，分别为发电机机组1至发电机机组NG的一次成本参数，分别为可中断负荷用户1至可中断负荷用户K的一次成本参数，分别为发电机机组1至发电机机组NG的已出力量，分别为可中断负荷用户1至可中断负荷用户K的已中断量；

104)采用灵敏度方法消除阻塞线路。

2.根据权利要求1所述的一种可中断负荷参与下的输电阻塞消除方法，其特征在于，所述步骤104)具体包括步骤：

1041)初始化H和M⁽⁰⁾，初始化调整次数k，令k＝0；

1042)采用交流潮流计算线路潮流；

1043)判断线路是否过载，若为是，则执行步骤1044)；

1044)选择过载最严重的线路，求解minP^THP+M^TP，采用灵敏度方法消除该阻塞线路并得到P；

1045)利用P修正机组出力与可中断负荷用户的已中断量，得到M^(k)，令k＝k+1，并执行步骤1042)，所述M^(k)为第k次调整后的矩阵M。

3.根据权利要求1所述的一种可中断负荷参与下的输电阻塞消除方法，其特征在于，所述直流最优潮流模型的构建有以下约束条件：

A)e^ΤP＝0，

其中：e为单位列向量；

B)F_min≤F≤F_max，

其中：F为线路潮流向量，F_min和F_max分别为线路潮流的最小值和最大值；

C)P_Gmin≤P_G≤P_Gmax，

其中：P_G为总发电功率，P_Gmin和P_Gmax分别为总发电功率的最小值和最大值；

D)g_Kmin≤g_K≤g_Kmax，

其中：g_Kmin和g_Kmax分别为可中断负荷用户K的中断量的最小值和最大值。