CN105162143A - 一种大区电网间最优交易容量的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大区电网间最优交易容量的确定方法，该方法首先在大区电网及电网间特高压联络线综合模型中，对特高压联络线进行安全校核，取联络线在不同约束下最大输电容量的最小值，作为安全约束下联络线输电容量限值。然后，归纳跨区电力交易中的经济指标，建立大区电网消纳区外电力的综合经济性指标式。最后，按单目标最优优化系统潮流，依据联络线输电容量限值建立基于最优潮流分布的适当邻域，求得该分布域内综合经济性指标极值，极值点对应的联络线输电容量即所求最优交易容量。本发明只需更新大区电网及其输电通道综合模型和实时电价参数，就能分析任意时段大区电网间最优交易容量，为交易计划和经济调度提供参考。

Description

一种大区电网间最优交易容量的确定方法

技术领域

本发明属于电力系统技术经济领域，涉及一种大区电网间最优交易容量的确定方法。

背景技术

随着国家电力战略“西电东送”和“北电南送”的实施，大量特高压交、直流输电线路已经建成或进入了建设日程，国家电网将在原有的相对独立的几个大区电网基础上实现经特高压网架的互联。特高压线路实现了跨区域、长距离、大功率的电能传输和交易，发挥了更大范围的电力资源优化配置功能。但是，对几个严重依赖区外电力的大区电网如华东、华北电网，合理分配区外电力、协调区外电力和区内电力交易以及发挥特高压工程的最大作用等一系列技术经济问题关系到了各方的利益；另一方面，随着我国减排计划的推进，《可再生能源电力配额考核办法》的实施，作为主要负荷中心的华中、华东、华北电网要完成各自的可再生能源电力消费任务，必须通过跨区清洁电能交易实现；因此，大区电网消纳区外电力方案作为解决方法受到了交易各方的重视。

完整的大区电网消纳区外电力方案包括大区电网交易区外电力容量和区外电力在大区电网各地区的分配方案。因此，大区电网间最优交易容量是最优消纳方案的重要组成部分。

现行的跨区电能交易流程中，大区电网间交易容量由交易双方协商确定，具有随意性，交易容量确定过程缺乏对特高压运行效率和交易经济性的分析。

大区电网间最优交易容量等于网间特高压联络线的最优输电容量，计算中的主要的限制因素为特高压联络线可用输电容量(ATC)。北美电力系统可靠性委员会定义可用输电能力(ATC)：ATC为在已成交的输电协议基础上，电网在满足各种故障安全约束条件下剩余的且将来可作为商业用途的传输容量。

目前，可用输电能力的计算方法主要有：直接潮流法、连续潮流法和最优潮流法，由于直接潮流法难以保证计算的准确性，连续潮流法计算值偏保守，因此通常采用最优潮流法。最优潮流法主要包括：在考虑各种系统安全性约束条件的前提下，将受电区域节点负荷及送电区域发电机功率作为控制变量，在使某目标函数达到最优的情况下完成计算。使用最优潮流法计算得到的可用输电能力即满足某目标函数的最优输电能力。

常见的安全性约束条件有系统物理约束、静态安全约束、暂态稳定约束。系统物理约束包括：潮流约束、发电机组出力约束、节点电压约束、线路容量约束及交易约束，为系统的正常运行约束。静态安全约束是根据给定的电网结构、参数和发电机、负荷等元件的运行条件及给定的切除方案，确定切除某些元件是否危及系统的安全，常表现为指定电网的N-1计算。暂态安全约束是指电力系统遭受如输电线路短路等大扰动时，各同步发电机是否能保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来运行状态。

对不同的电力市场，计算可用输电能力的最优潮流有不同的经济性目标函数；一般的，对于仅允许发电侧投标的单一买方市场，目标函数为购电成本最小；对于允许负荷侧投标的市场，目标函数为社会效益最大。因此，针对不同的市场形态，现有经济性分析的目标函数有购电成本最小和网损费用最低、发电成本和负荷切除量最小等。

如文献《计及发电报价的可用输电能力的计算》提出了一种在确保系统安全性约束的前提下，实现系统的每一运行点按照发电机组的报价经济的分配其有功出力的计算方法。文献《计及经济性约束的可用输电能力研究》在满足系统物理约束的前提下，负荷增长引起电力的需求在发电区域按照发电厂商的报价函数经济分配，计及了降损的效益，实现系统在每一个运行点下，购电成本的最小和网损费用最低，实现了最优输电能力的求取。文献《基于最优潮流并计及静态电压稳定性约束的区域间可用输电能力计算》基于最优潮流(OPF)方法，用原对偶内点法计算得到输电线路N-l安全约束下的区域间可用输电能力。

上述，基于经济性目标函数，利用最优潮流法计算安全约束下线路可用输电能力的方法虽然简单明晰，但是存在以下缺点：

1)电网在不同的运行水平下有不同的安全裕度要求，上述方法中虽然都计及了安全约束，但是在不同计算方法中，安全性约束条件设定具有随意性，只顾及安全约束的单一层面，忽略了对安全问题的综合性考虑。

2)不同市场环境下有不同的经济性目标，而在非完全竞争市场，不同的交易方有不同的利益关切，上述方法中的经济性目标函数只考虑到发电方或全网立场利益，缺少购电方立场的经济性目标函数；只有基于购电成本或发电成本最小的经济性函数，没有对电力交易综合经济效益的分析。

目前，随着我国减排计划的推进，《可再生能源电力配额考核办法》的实施，电力交易中的清洁能源消纳成了关注热点，清洁能源消纳纳入电力交易的经济性效益中计算，将为《可再生能源电力配额考核办法》的执行提供经济基础。

本专利的经济性目标函数中引入了碳排放强度和碳排放权的概念。

碳排放强度：指单位发电量产生的碳排放总量，随火电发电机组的不同而不同，如常规燃煤机组、燃气机组、燃油机组、碳捕集机组等。

碳排放权：碳排放权是对环境容量资源的限量使用权，是指政府确定污染物的排放总量或标准，随后进行排放权初始分配(界定产权)，由企业在排放权交易市场上自由交易排放权，即由市场确定排污权的价格，并实现资源优化配置。

发明内容

本发明的目的是针对现有大区电网间可用输电能力分析方法的不足，提出一种大区电网间最优交易容量的确定方法，考虑了清洁能源和碳排放权交易对跨区电力交易的影响，实现了对跨区电力交易容量的安全、经济综合计算，只需更新购电电网及其输电通道综合模型和实时价格参数，就能分析任意时刻大区电网消纳区外电力的最优方案，为交易计划和经济调度提供参考。

1、一种大区电网间最优交易容量的确定方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：

1.1在大区电网及电网间特高压联络线综合模型中，以N-1潮流约束、静态稳定性潮流约束为约束条件，对特高压联络线进行安全校核，得到其最大输电容量：

$\begin{array}{cc}{P}_i^{\max }=\underset{p_{gj},q_j}{max}{P}_i(p_{gj},q_j)& j\∈J\end{array}$

其中，为特高压联络线i的最大输电容量，J表示购电电网内的母线集合，p_gj和q_j分别表示母线j上的发电机有功功率注入和无功补偿装置的无功功率注入；

1.2计算大区电网消纳区外电力综合经济性指标η：

η＝P×ν×t×ε×f-P×t×(m₂-m₁)-ΔP×t×m₂

其中，P表示总购电容量，ν表示购入电能中的清洁电能比例，t表示所选定的考察时间长度，ε表示区内火电机组的平均碳排放强度，f表示当期碳排放权交易价格，m₁表示区内火电电价，m₂表示跨区购电下网关口电价，ΔP为区外购电对区内购电在大区电网内产生的网损差(ΔP＝ΔP₁-ΔP₂，

ΔP₁为区外购电方式下的大区电网内网损，ΔP₂表示不购区外电时大区电网内的最小网损)；

1.3按网损最小优化系统潮流，得到最优潮流中的联络线输电容量S；以特高压联络线最大输电容量为取值上限，建立输电容量S的邻域Ω；设置取样间隔λ，将Ω内的所有取样点代入综合经济性指标表达式中，得到一组取值序列n；

1.4采用最小二乘法，在横坐标为Ω内的所有取样点，纵坐标为取值序列n的直角坐标系中，对特高压联络线输电容量及对应的经济性表达式取值进行曲线拟合，得到特高压联络线输电容量及对应的经济性表达式取值之间关系的拟合曲线η(P)，求得η_max(P)点，η_max(P)对应的特高压联络线输电容量S'为所求最优交易容量。

步骤1.3所述的Ω范围为λ取10至200之间的一个数值。

本发明具有以下优点：

1、建立了更综合全面的经济评价指标。在购电费用和网损最小的单方面经济最优判断基础上，增加了碳排放效益和购电收益最大的综合性考量目标，摆脱了单纯考虑发电方经济效益的狭隘，经济约束更为综合全面。

2、具有较好的延伸性。当电网网架、电源负荷分布情况等运行状态条件变化时，只需更新购电电网及其输电通道综合模型和实时价格参数，仍能利用运行经验快速确定对应的安全约束条件和最优消纳方案。

3、该方法针对两个互联电网，在《可再生能源电力配额考核办法》实施期间，对有清洁能源交易需求的互联电网，能分析任意时段电网间最优交易容量。

附图说明

图1为一种大区电网间最优交易容量的确定方法流程示意图。

图2为中国电科院典型超高压配网系统模型CEPRI-36V6系统示意图。

图3为CEPRI-36V6系统算例中特高压联络线输电容量与对应综合经济指标的关系拟合曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例一

本发明提出的一种大区电网间最优交易容量的确定方法流程如图1所示，包括以下步骤：

1)选择大区电网与区外互联通道改变年份为典型年，建立购电电网及其网间联络线综合模型，包括大区电网和网间特高压联络线，其中，售电大区电网等效为发电机；对网间特高压联络线进行安全校核，以N-1潮流约束和静态稳定性潮流约束为安全约束条件，利用静态稳定性灵敏度分析法分析不同的特高压联络线潮流下系统各母线运行参数，得到系统的敏感点，分析特高压联络线的输送功率与敏感点的稳定性的相关关系，得到安全约束下特高压联络线最大输电容量；

2)分析跨区电力交易中的经济指标，将清洁能源消纳纳入电力交易的经济性效益中，建立大区电网消纳区外电力综合经济性指标式。具体包括以下步骤：

第一步，列出不同交易情况下的经济性目标函数。一般的，电力交易中，考虑社会效益最大的购电电网的经济性目标函数为： $I_{max}=\ΣE_k-\underset{r=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_r{m}_r\×t-\underset{r=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_r{m}_r\×t,$ 其中，ΣE_k表示购电电网利用电能产生的总社会经济效益，表示总购电容量，m_r表示购电成分P_r部分的电价，表示总网损，t表示所选定的考察时间长度；

当购电电网不跨区购电时，假设原计划外购的电力缺额由区内火电机组承担，此时的经济性目标函数为： $I_1^{\max }=\ΣE_k-P\×t\×m_1-{\mathrm{\ΔP}}_2\×t\×m_1,$ 其中，m₁表示区内火电电价，表示总购电容量，ΔP₂表示不购区外电时区内的最小网损；

当跨区购电时，区外清洁电能不产生碳排放，等效为同时购买了等量火电生产中产生的碳排放量，此时的经济性目标函数为： $I_2^{\max }=\ΣE_k+P\×v\×t\×\mathrm{\ϵ}\×f-P\×t\×m_2-\underset{r=1}{\overset{2}{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_r{m}_r\×t,$ 其中，ν表示购入电能中的清洁电能比例，ε表示区内火电机组的平均碳排放强度，f表示当期碳排放权交易价格，m₂表示跨区购电下网关口电价。

第二步，分析不同交易情况下的经济性目标函数，可以看出跨区购电时的目标函数与不跨区购电时的目标函数都有相同的ΣE_k项，因此在评估跨区购电方案的经济性时，可以按评估跨区购电方案相对就地购电方案的经济性进行，即分析跨区电力交易的经济性时，以与区内就地交易的经济性差值最大为目标，则综合经济性指标表达式为：

$\mathrm{\η}=I_3^{\max }=P\×v\×t\×\mathrm{\ϵ}\×f-P\×t\×(m_2-m_1)-\mathrm{\Δ}P\×t\×m_2$

3)在步骤1)的综合模型中，利用潮流分析软件计算网损最小时的最优潮流，得到特高压联络线潮流分布S。以特高压联络线最大输电容量为取值上限，建立潮流S的邻域Ω；设置取样间隔λ，将Ω内的所有取样点代入综合经济性指标表达式中，得到一组取值序列n。

4)采用最小二乘法，在横坐标为Ω内的所有取样点，纵坐标为取值序列n的直角坐标系中，对特高压联络线输电容量及对应的经济性表达式取值进行曲线拟合，得到特高压联络线输电容量及对应的经济性表达式取值之间关系的拟合曲线η(P)。求得η_max(P)点，η_max(P)对应的特高压联络线潮流S'为所求大区电网间最优交易容量。

实施例二

如图1给出的一种基于安全约束的大区电网消纳区外电力最优方案的确定方法流程图，下面以该方法在图2所示CEPRI-36V6系统中的应用为例，说明本发明方法的具体实施方法。

步骤一：对CEPRI-36V6系统适当定义，赋予系统元件特定的模型意义；在潮流分析软件PSASP中，求取不同安全约束下特高压联络线最大输送容量。

在CEPRI-36V6系统中，定义发电机3、7、8为等效的区外电网，剩余部分为受电电网，连接发电机3、7、8和输出母线3、7、8的线路为大区电网间特高压联络线，将发电机3、7、8视为一台发电机统一调节，将三条联络线视为一条输电通道，定义为输电通道π。定义发电机2、5为受电电网内可调节发电机。

按一定比例同时调节发电机3、7、8的发电量，同时分别减小等量的发电机2、5的发电量，验证不同的输电通道π潮流下系统的静态稳定性和暂态稳定性。

利用静态稳定性灵敏度分析法分析不同的输电通道π潮流下系统各母线运行参数，得到系统的敏感点为BUS19，分析输电通道π的传输功率与BUS19的稳定性的相关关系，得到BUS19静态失稳时输电通道π的传输功率为1235MW。

不同安全约束下输电通道π的最大输电能力的最小值为1235MW，因此输电通道π的最大输电能力即为1235MW。

步骤二：确定综合经济性指标式中的各经济指标值，简化经济指标式。

η＝P×ν×t×ε×f-P×t×(m₂-m₁)-ΔP×t×m₂

P表示输电通道π的潮流。

t表示所选定的考察时间长度，取单位时间1h。

ν表示发电机3、7、8所发电力中的清洁电力比例，取某跨区电力交易中清洁能源的打捆比例20％。

ε表示区内火电机组的平均碳排放强度，一般燃煤电厂碳排放强度为0.85kgCO2/(kW·h)，燃气电厂碳排放强度为0.5kgCO2/(kW·h)，取区内火电机组的平均碳排放强度为0.8kgCO2/(kW·h)。

f表示当期碳排放权交易价格；由于碳排放权价格在碳市场上随时波动，因此可以取一段时间的平均碳排放权交易价格替代，截止2014年5月30日，深圳碳市场的平均碳排放权交易价格为72.2元/吨，这里f取72.2元/吨。

m₁表示区内火电电价，取某区平水期平段燃煤发电机组脱硫标杆上网电价448.7元/(103kW·h)。

m₂表示跨区购电下网关口电价，取某特高压线路下网关口电价458.2元/(103kW·h)。

ΔP为区外购电对区内购电在大区电网内产生的网损差，且ΔP＝ΔP₁-ΔP₂。(其中，ΔP₁为区外购电方式下的区内网损，ΔP₂表示不购区外电时区内的最小网损。)

将以上取值代入经济指标式，得经济指标式简化形式(单位：元)：

η＝P×2.052×10^-3-ΔP×458.2×10^-3

步骤三：利用潮流分析软件计算网损最小时的最优潮流，得到特高压联络线π的输电功率为841MW。根据步骤一计算得到的输电通道π的最大输电容量1235MW，可以确定输电通道π安全的输电范围为[0,1235](单位：MW)，基本运行方式下网损最小时输电通道π的最优潮流为841MW，依此可设定网损最小时的邻域[(0，841)∪(841，1235)]。在此邻域内，以841为基点，取公差为168的等差数列为取样点序列(169,337,505,673,841,1009,1177)。

分别调节发电机2、5和发电机3、7、8，在满足系统有功平衡的前提下，使得输电通道π的潮流一一取得以上各值。控制发电机3、7、8出力不变，计算各运行方式下网损最小的最优潮流，求得对应的综合指标值，得到如表1所示输电通道π的功率P和综合经济指标值η的对应关系。

表1功率P和综合经济指标值η的对应关系

P(MW)	169	337	505	673	841	1009	1177
								η(元)	-3914	-2653	-2216	-1734	1725	-83	-5511

步骤四：采用最小二乘法，在横坐标为P的所有取样点，纵坐标为取值序列n的直角坐标系中，对特高压联络线输电容量及对应的经济性表达式取值进行曲线拟合，得到特高压联络线输电容量及对应的经济性表达式取值之间关系的拟合曲线:

η(P)＝-57.4-32.3P+0.08P²-4.75e^-5P³

求得η_max(P)点，η_max(P)对应的特高压联络线潮流S'为850MW，即电网的最优交易容量为850MW。

Claims (2)

1.一种大区电网间最优交易容量的确定方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：

1.1在大区电网及电网间特高压联络线综合模型中，以N-1潮流约束、静态稳定性潮流约束为约束条件，对特高压联络线进行安全校核，得到其最大输电容量：

${P_i}^{max}=\underset{p_{gj},q_j}{max}{P}_i(p_{gj},q_j),j\∈J$

其中，为特高压联络线i的最大输电容量，J表示购电电网内的母线集合，p_gj和q_j分别表示母线j上的发电机有功功率注入和无功补偿装置的无功功率注入；

1.2计算大区电网消纳区外电力综合经济性指标η：

η＝P×ν×t×ε×f-P×t×(m₂-m₁)-ΔP×t×m₂

其中，P表示总购电容量，ν表示购入电能中的清洁电能比例，t表示所选定的考察时间长度，ε表示区内火电机组的平均碳排放强度，f表示当期碳排放权交易价格，m₁表示区内火电电价，m₂表示跨区购电下网关口电价，ΔP为区外购电对区内购电在大区电网内产生的网损差，ΔP＝ΔP₁-ΔP₂，ΔP₁为区外购电方式下的大区电网内网损，ΔP₂表示不购区外电时大区电网内的最小网损；

1.3按网损最小优化系统潮流，得到最优潮流中的联络线输电容量S；以特高压联络线最大输电容量为取值上限，建立输电容量S的邻域Ω；设置取样间隔λ，将Ω内的所有取样点代入综合经济性指标表达式中，得到一组取值序列n；

1.4采用最小二乘法，在横坐标为Ω内的所有取样点，纵坐标为取值序列n的直角坐标系中，对特高压联络线输电容量及对应的经济性表达式取值进行曲线拟合，得到特高压联络线输电容量及对应的经济性表达式取值之间关系的拟合曲线η(P)，求得η_max(P)点，η_max(P)对应的特高压联络线输电容量S'为所求最优交易容量。

2.根据权利要求1所述的一种大区电网间最优交易容量的确定方法，其特征在于，步骤1.3所述的Ω范围为λ取10至200之间的一个数值。