CN105356450B - 一种基于动态电价的电网分区方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态电价的电网分区方法：获取一定时间维度的负荷数据；计算功率传输分布因子矩阵；逐时段利用以电网公司购电费用最小为目标的最优潮流模型计算出电网中各节点的边际电价；设定期望的分区个数并初始化每个区域为空；将K‑means聚类算法进行改进，在分区过程中考虑各节点间的邻接关系；利用改进的K‑means聚类算法对电网基于节点动态边际电价进行分区；对分区结果进行偏差分析，若最大相对偏差小于给定的限值，分区完成，否则，改变分区数重新分区；得到各分区的节点和区域电价。本发明得到的分区结果可保证区域内节点互联和节点电价损失在允许范围内，便于市场参与者进行结算。

Description

一种基于动态电价的电网分区方法

【技术领域】

本发明涉及电网供电技术和优化控制领域，具体涉及一种用于电网分区的方法。

【背景技术】

随着电力系统的规模变大，其结构也变得越来越复杂，当系统负荷增加到一定程度时，会出现线路阻塞，从而造成阻塞线路两端的节点边际价格不同。但阻塞往往只是频繁地出现在某些线路上。因此，可将电网分区管理，每个区域对应一个电价，区域内的节点有相同或相近的电价。区域电价提供了一种比节点边际电价更为简洁，比系统边际电价更为准确的电价信号。

节点边际电价随时间变化，反映的是符合需求的不断变化；同时电价随节点位置变化，反映的是网损和传输阻塞的影响；从时间和空间两方面体现了电力资源(包括发电、输电线路、网损)的稀缺程度，为电力的生产者、消费者、投资者和管理者提供电价信号，优化电力资源的配置，促进电力市场稳定发展。

现有的分区方法可以归为四类：按地理位置或行政区域划分；以阻塞线路为基础进行划分；以计算出的各种灵敏度进行划分；以节点边际电价的分布或偏差进行划分。第一类方法无法体现阻塞情况，第二类方法阻塞线路随时间变化导致分区结果也随时间频繁变化，第三类方法主要强调了灵敏度，从而会出现一个分区内节点电价相差很大的情况。第四种是一种动态分区，分区标准难以确定。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种基于动态电价的电网分区方法，在计算出一定时间维度电价的基础上，考虑节点之间的邻接关系，进而利用聚类算法实现电网的合理分区。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于动态电价的电网分区方法，包括以下步骤：

1)、设定采样时段和采样间隔，从SCADA获取负荷的有功功率及机组组合状态；

2)、计算电网的功率传输分布矩阵；

3)、利用最优潮流模型计算出电网中N个节点在T个时段的边际电价，构成矩阵LMP_N×T，每一行代表该行节点的电价向量；

4)、设定期望分区数及初始区域电价向量，向量维数为时段数T；

5)、计算各节点与各区域电价向量差的模值，基于邻接矩阵及多时段边际电价，利用聚类算法对电网中的节点进行聚类，如果与一个节点电价向量差模值最小的区域内所有点均与该节点无邻接关系，则认为该节点未能成功聚类；将该节点标示出；遍历所有节点之后，若有区域为空，则返回第4)步重新选定初始区域电价，直到所有区域不为空；

6)、对未能成功聚类的节点，利用步骤5)的方法再次将其聚类，若仍有节点聚类不成功，则将该节点与各区域电价向量差模值的最小值更新为无穷大，继续步骤5)；

7)、更新区域电价，重新分区，直到两次分区结果不再变化；

8)、对分区结果进行偏差分析，若偏差在允许范围内，则分区完成，否则，返回步骤4)在期望分区数的基础上，上下浮动改变分区数，重新分区。

进一步的，步骤2)根据已知的网络参数计算功率传输分布因子矩阵，其中，网络参数包括线路阻抗及网络关联矩阵。

进一步的，步骤3)具体包括以下步骤：

对每个采样时段，求解以电网公司购电费用最小为目标，电网供需平衡、线路传输安全、机组发电量上下界为约束的最优潮流模型，利用最优潮流模型的对偶变量及功率传输分布矩阵计算出各节点的边际电价，得到LMP_N×T，其元素LMP_nt表示第n个节点在t时段的边际电价。

进一步的，步骤4)具体包括以下步骤：

设定期望分区数K，初始化各区域为空Z{k}＝[],k＝1,2,...,K，逐时段，在所有节点电价的最大值与最小值之间随机选取一个值，构成初始区域电价向量z_k＝[z_k1,z_k2,...,z_kT],k＝1,2,...,K。

进一步的，步骤5)具体包括以下步骤：

对每个节点计算其电价向量与每个区域电价向量差的模值，存储到矩阵Dist_N×K中，矩阵的行为节点编号，列为区域编号：

Dist(n,k)＝||LMP_n-z_k||,n＝1,2,...,N；k＝1,2,...,K

其中，LMP_n表示第n个节点的边际电价向量，z_k表示第k个区域的区域电价向量；找出每一行的最小值，最小值所在的行n为对应的节点编号，所在列k就是与该节点电价向量差模值最小的区域编号；设节点间邻接矩阵为W_N×N，若该节点与区域内其他节点之间存在邻接关系，即满足sum(W(n,Z{k}))>0，则将该节点划分到这个区域，否则，将该节点标识出；遍历所有节点之后，若有区域为空，则返回第4)步重新选定初始区域电价，直到所有区域不为空。

进一步的，步骤6)具体包括以下步骤：

对步骤5)中被标识出的节点，找出与该节点电价向量差值最小的区域，若该节点与区域内其他节点之间存在邻接关系，则将该节点划分到这个区域，否则，将矩阵中该最小值更新为无穷大，保证在下次搜索的时候不被搜到，继续查找，直到将该节点划分到区域，开始寻找下一个被标识节点所属的区域。

进一步的，步骤7)具体包括以下步骤：

逐时段计算各区域所包含节点电价的均值构成区域新的电价向量：

其中Z{k}为第k个区域中的节点集合，C(Z{k})为第k个区域中的节点数，n为第k个区域中的一个节点；将各区域内节点清空，重复步骤5)～7)，直到连续两次得到的区域电价向量不再变化后进入步骤8)。

进一步的，步骤8)具体包括以下步骤：

逐时段对步骤7)划分后的每个区域，计算出区域内节点电价与区域电价的最大相对偏差；若各区域的最大相对偏差小于给定的误差限值ε，分区完成；否则，返回步骤4)在期望分区数的基础上浮动分区数。

进一步的，ε＝0.05。

一种基于动态电价的电网分区方法，包括以下步骤：

1)设定采样时段和采样间隔，从SCADA获取负荷的有功功率及机组组合状态；

2)根据已知的网络参数计算功率传输分布因子矩阵，其中，网络参数包括线路阻抗及网络关联矩阵；

3)对每个采样时段，求解以电网公司购电费用最小为目标，电网供需平衡、线路传输安全、机组发电量上下界为约束的最优潮流模型，利用最优潮流模型的对偶变量及功率传输分布矩阵计算出各节点的边际电价，得到LMP_N×T；

4)设定期望分区数K，初始化各区域为空Z{k}＝[],k＝1,2,...,K，逐时段，在所有节点电价的最大值与最小值之间随机选取一个值，构成初始区域电价向量z_k＝[z_k1,z_k2,...,z_kT],k＝1,2,...,K；

5)对每个节点计算其电价向量与每个区域电价向量差的模值，存储到矩阵Dist_N×K中，矩阵的行为节点编号，列为区域编号：

Dist(n,k)＝||LMP_n-z_k||,n＝1,2,...,N；k＝1,2,...,K

其中，LMP_n表示第n个节点的边际电价向量，z_k表示第k个区域的区域电价向量；找出每一行的最小值，最小值所在的行n为对应的节点编号，所在列k就是与该节点电价向量差模值最小的区域编号；设节点间邻接矩阵为W_N×N，若该节点与区域内其他节点之间存在邻接关系，即满足sum(W(n,Z{k}))>0，则将该节点划分到这个区域，否则，将该节点标识出；遍历所有节点之后，若有区域为空，则返回第4)步重新选定初始区域电价，直到所有区域不为空；

步骤6)对步骤5)中被标识出的节点，找出与该节点电价向量差值最小的区域，若该节点与区域内其他节点之间存在邻接关系，则将该节点划分到这个区域，否则，将矩阵中该最小值更新为无穷大，保证在下次搜索的时候不被搜到，继续查找，直到将该节点划分到区域，开始寻找下一个被标识节点所属的区域；

步骤7)逐时段计算各区域所包含节点电价的均值构成区域新的电价向量：

其中Z{k}为第k个区域中的节点集合，C(Z{k})为第k个区域中的节点数，n为第k个区域中的一个节点；将各区域内节点清空，重复步骤5)～7)，直到连续两次得到的区域电价向量不再变化后进入步骤8)；

步骤8)逐时段对步骤7)划分后的每个区域，计算出区域内节点电价与区域电价的最大相对偏差；若各区域的最大相对偏差小于给定的误差限值ε，分区完成；否则，返回步骤4)在期望分区数的基础上浮动分区数；ε＝0.05。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明是基于动态电价和节点邻接矩阵的电网静态分区方法，动态电价反映了电网中负荷及传输潮流的变化，节点间邻接矩阵反映了节点间的邻接关系，分区完成之后每个区域内节点互联且在每个时段对应一个电价，提高了分区的实时性，提供更准确的电价信息，也便于电力市场参与者进行结算；而形成的静态稳定的分区改善了现有动态分区方法，分区结果随时间频繁变化的缺点。

【附图说明】

图1为基于动态电价的电网分区方法的框图；

图2为基于动态电价的电网分区方法的方法流程图。

【具体实施方式】

以下结合附图详细说明本发明基于动态电价的电网分区方法的实施方式。

请参阅图1和图2所示，本发明一种基于动态电价的电网分区方法，包括以下步骤：

1)根据对实时性和精度的不同要求，设定不同的采样时段(1个月)和采样间隔(15min)，从SCADA获取负荷的有功功率及机组组合状态；

2)根据已知的网络参数计算功率传输分布因子矩阵，其中，网络参数包括线路阻抗及网络关联矩阵。

3)对每个采样时段，求解以电网公司购电费用最小为目标，电网供需平衡、线路传输安全、机组发电量上下界为约束的最优潮流模型，利用最优潮流模型的对偶变量及功率传输分布矩阵计算出各节点的边际电价，得到LMP_N×T，其元素LMP_nt表示第n个节点在t时段的边际电价。

4)设定期望分区数K，初始化各区域为空Z{k}＝[],k＝1,2,...,K，逐时段，在所有节点电价的最大值与最小值之间随机选取一个值，构成初始区域电价向量z_k＝[z_k1,z_k2,...,z_kT],k＝1,2,...,K。

5)对每个节点计算其电价向量与每个区域电价向量差的模值，存储到矩阵Dist_N×K中，矩阵的行为节点编号，列为区域编号：

Dist(n,k)＝||LMP_n-z_k||,n＝1,2,...,N；k＝1,2,...,K

其中，LMP_n表示第n个节点的边际电价向量，z_k表示第k个区域的区域电价向量；找出每一行的最小值，最小值所在的行n为对应的节点编号，所在列k就是与该节点电价向量差模值最小的区域编号。设节点间邻接矩阵为W_N×N，若该节点与区域内其他节点之间存在邻接关系，即满足sum(W(n,Z{k}))>0，则将该节点划分到这个区域，否则，将该节点标识出。遍历所有节点之后，若有区域为空，则返回第4)步重新选定初始区域电价，直到所有区域不为空。

步骤6)对步骤5)中被标识出的节点，找出与该节点电价向量差值最小的区域，若该节点与区域内其他节点之间存在邻接关系，则将该节点划分到这个区域，否则，将矩阵中该最小值更新为无穷大，保证在下次搜索的时候不被搜到，继续查找，直到将该节点划分到区域，开始寻找下一个被标识节点所属的区域。

步骤7)逐时段计算各区域所包含节点电价的均值构成区域新的电价向量：

其中Z{k}为第k个区域中的节点集合，C(Z{k})为第k个区域中的节点数，n为第k个区域中的一个节点；将各区域内节点清空，重复步骤5)～7)，直到连续两次得到的区域电价向量不再变化后进入步骤8)；

步骤8)逐时段对步骤7)划分后的每个区域，计算出区域内节点电价与区域电价的最大相对偏差。若各区域的最大相对偏差小于给定的误差限值ε(一般取0.05)，分区完成；否则，返回步骤4)在期望分区数的基础上浮动分区数。

Claims (10)

1.一种基于动态电价的电网分区方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、设定采样时段和采样间隔，从SCADA获取负荷的有功功率及机组组合状态；

2)、计算电网的功率传输分布矩阵；

3)、利用最优潮流模型计算出电网中N个节点在T个时段的边际电价，构成矩阵LMP_N×T，矩阵的一行代表该行节点的电价向量；

4)、设定期望分区数及初始区域电价向量，向量维数为时段数T；

5)、计算各节点与各区域电价向量差的模值，基于邻接矩阵及多时段边际电价，利用聚类算法对电网中的节点进行聚类，如果与一个节点电价向量差模值最小的区域内所有节点均与该节点无邻接关系，则认为该节点未能成功聚类；将该节点标示出；遍历所有节点之后，若有区域为空，则返回第4)步重新选定初始区域电价，直到所有区域不为空；

6)、对未能成功聚类的节点，利用步骤5)的方法再次将其聚类，若仍有节点聚类不成功，则将该节点与各区域电价向量差模值的最小值更新为无穷大，继续步骤5)；

7)、更新区域电价，重新分区，直到连续两次分区结果不再变化；

8)、对分区结果进行偏差分析，若偏差在允许范围内，则分区完成，否则，返回步骤4)在期望分区数的基础上，上下浮动改变分区数，重新分区。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态电价的电网分区方法，其特征在于，步骤2)根据已知的网络参数计算功率传输分布因子矩阵，其中，网络参数包括线路阻抗及网络关联矩阵。

3.根据权利要求1所述的一种基于动态电价的电网分区方法，其特征在于，步骤3)具体包括以下步骤：

对每个采样时段，求解以电网公司购电费用最小为目标，电网供需平衡、线路传输安全、机组发电量上下界为约束的最优潮流模型，利用最优潮流模型的对偶变量及功率传输分布矩阵计算出各节点的边际电价，得到矩阵LMP_N×T，其元素LMP_nt表示第n个节点在t时段的边际电价。

4.根据权利要求1所述的一种基于动态电价的电网分区方法，其特征在于，步骤4)具体包括以下步骤：

设定期望分区数K，初始化各区域为空Z{k}＝[],k＝1,2,...,K，逐时段，在所有节点电价的最大值与最小值之间随机选取一个值，构成初始区域电价向量z_k＝[z_k1,z_k2,...,z_kT],k＝1,2,...,K，z_kt为第k个区域在t时段的电价；其中，Z{k}为第k个区域中的节点集合。

5.根据权利要求1所述的一种基于动态电价的电网分区方法，其特征在于，步骤5)具体包括以下步骤：

对每个节点计算其电价向量与每个区域电价向量差的模值，存储到矩阵Dist_N×K中，矩阵的行为节点编号，列为区域编号：

Dist(n,k)＝||LMP_n-z_k||,n＝1,2,...,N；k＝1,2,...,K

其中，LMP_n表示第n个节点的边际电价向量，z_k表示第k个区域的区域电价向量；找出每一行的最小值，最小值所在的行n为对应的节点编号，所在列k就是与该节点电价向量差模值最小的区域编号；设节点间邻接矩阵为W_N×N，若该节点与区域内其他节点之间存在邻接关系，即满足sum(W(n,Z{k}))>0，则将该节点划分到这个区域，否则，将该节点标识出；遍历所有节点之后，若有区域为空，则返回第4)步重新选定初始区域电价，直到所有区域不为空。

6.根据权利要求1所述的一种基于动态电价的电网分区方法，其特征在于，步骤6)具体包括以下步骤：

对步骤5)中被标识出的节点，找出与该节点电价向量差值最小的区域，若该节点与区域内其他节点之间存在邻接关系，则将该节点划分到这个区域，否则，将矩阵中该最小值更新为无穷大，保证在下次搜索的时候不被搜到，继续查找，直到将该节点划分到区域，开始寻找下一个被标识节点所属的区域。

7.根据权利要求1所述的一种基于动态电价的电网分区方法，其特征在于，步骤7)具体包括以下步骤：

逐时段计算各区域所包含节点电价的均值构成区域新的电价向量：

<mrow> <msub> <mi>z</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>C</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>Z</mi> <mrow> <mo>{</mo> <mi>k</mi> <mo>}</mo> </mrow> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <munder> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>Z</mi> <mrow> <mo>{</mo> <mi>k</mi> <mo>}</mo> </mrow> </mrow> </munder> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>LMP</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>LMP</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <msub> <mi>LMP</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <mi>K</mi> </mrow>

其中Z{k}为第k个区域中的节点集合，C(Z{k})为第k个区域中的节点数，n为第k个区域中的一个节点；将各区域内节点清空，重复步骤5)～7)，直到连续两次得到的区域电价向量不再变化后进入步骤8)。

8.根据权利要求1所述的一种基于动态电价的电网分区方法，其特征在于，步骤8)具体包括以下步骤：

逐时段对步骤7)划分后的每个区域，计算出区域内节点电价与区域电价的最大相对偏差；若各区域的最大相对偏差小于给定的误差限值ε，分区完成；否则，返回步骤4)在期望分区数的基础上浮动分区数。

9.根据权利要求8所述的一种基于动态电价的电网分区方法，其特征在于，ε＝0.05。

10.一种基于动态电价的电网分区方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设定采样时段和采样间隔，从SCADA获取负荷的有功功率及机组组合状态；

2)根据已知的网络参数计算功率传输分布因子矩阵，其中，网络参数包括线路阻抗及网络关联矩阵；

3)对每个采样时段，求解以电网公司购电费用最小为目标，电网供需平衡、线路传输安全、机组发电量上下界为约束的最优潮流模型，利用最优潮流模型的对偶变量及功率传输分布矩阵计算出各节点的边际电价，得到LMP_N×T，其元素LMP_nt表示第n个节点在t时段的边际电价；

4)设定期望分区数K，初始化各区域为空Z{k}＝[],k＝1,2,...,K，逐时段，在所有节点电价的最大值与最小值之间随机选取一个值，构成初始区域电价向量z_k＝[z_k1,z_k2,...,z_kT],k＝1,2,...,K；

5)对每个节点计算其电价向量与每个区域电价向量差的模值，存储到矩阵Dist_N×K中，矩阵的行为节点编号，列为区域编号：

Dist(n,k)＝||LMP_n-z_k||,n＝1,2,...,N；k＝1,2,...,K

其中，LMP_n表示第n个节点的边际电价向量，z_k表示第k个区域的区域电价向量；找出每一行的最小值，最小值所在的行n为对应的节点编号，所在列k就是与该节点电价向量差模值最小的区域编号；设节点间邻接矩阵为W_N×N，若该节点与区域内其他节点之间存在邻接关系，即满足sum(W(n,Z{k}))>0，则将该节点划分到这个区域，否则，将该节点标识出；遍历所有节点之后，若有区域为空，则返回第4)步重新选定初始区域电价，直到所有区域不为空；

步骤6)对步骤5)中被标识出的节点，找出与该节点电价向量差值最小的区域，若该节点与区域内其他节点之间存在邻接关系，则将该节点划分到这个区域，否则，将矩阵中该最小值更新为无穷大，保证在下次搜索的时候不被搜到，继续查找，直到将该节点划分到区域，开始寻找下一个被标识节点所属的区域；

步骤7)逐时段计算各区域所包含节点电价的均值构成区域新的电价向量：

<mrow> <msub> <mi>z</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>C</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>Z</mi> <mrow> <mo>{</mo> <mi>k</mi> <mo>}</mo> </mrow> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <munder> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>Z</mi> <mrow> <mo>{</mo> <mi>k</mi> <mo>}</mo> </mrow> </mrow> </munder> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>LMP</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>LMP</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <msub> <mi>LMP</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <mi>K</mi> </mrow>

其中Z{k}为第k个区域中的节点集合，C(Z{k})为第k个区域中的节点数，n为第k个区域中的一个节点；将各区域内节点清空，重复步骤5)～7)，直到连续两次得到的区域电价向量不再变化后进入步骤8)；

步骤8)逐时段对步骤7)划分后的每个区域，计算出区域内节点电价与区域电价的最大相对偏差；若各区域的最大相对偏差小于给定的误差限值ε，分区完成；否则，返回步骤4)在期望分区数的基础上浮动分区数；ε＝0.05。