CN111799794A - 一种考虑输电阻塞盈余的输电网扩展规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于输电系统技术领域，公开了一种考虑输电阻塞盈余的输电网扩展规划方法，包括以下步骤：步骤1：建立节点边际成本优化模型及输电网优化配置模型；步骤2：获取输电线路参数、发电机组的发电参数、节点负荷参数及基础参数；步骤3：节点边际成本优化模型计算发电机节点i的边际成本及负荷节点j的边际成本；步骤4：输电网优化配置模型根据输电线路参数、发电机组的发电参数、节点负荷参数、其它基础参数、发电机节点i的边际成本及负荷节点j的边际成本得到电网阻塞盈余最小的最优输电线规划方案。本发明针对电力市场环境下输电线路优化配置问题，具有合理规划输电系统、最优化调度电力资源的优点。

Description

一种考虑输电阻塞盈余的输电网扩展规划方法
技术领域
本发明属于输电系统技术领域，具体为一种考虑输电阻塞盈余的输电网优化配置的方法。
背景技术
随着我国电力改革逐步深入，电厂与电网将彻底分离，分别成为独立的发电公司和具有自然垄断地位的电网公司。电网公司既是电力系统运营者又是输电资产所有者，肩负电力平衡运营、输电服务及对输电设施维护、拓展和投资的职能。因电网公司受到自然垄断性，要受到政府和其他机构的监管，随着电力市场机制的建立和完善，竞争的电力市场对电网将有新要求，电网的发展环境也会发生变化，电网规划的思路也将随之调整。电力系统中电源多分布于偏远山区，用电负荷集中在沿海地带，离电源点较远，只能通过高压输电方式传输电能。随着社会经济快速发展，城市用电量激增，而输电线路的传输容量却跟不上用电负荷的增长，若输电线路不及时扩容，输电网就会出现输电线路功率越限的现象，该现象在电力系统中称为输电阻塞。
当系统发生输电阻塞现象时，电网调度员通常操作就是关停发电机或者切除负荷，让输电线路运行在安全范围内运行。随着国家战略部署和电力市场放开，输电系统作为发电厂商与配电用户的桥梁，其重要性不言而喻。在电力市场中，发电厂与用电用户签订了中长期合约，若输电阻塞问题没得到解决，对发电厂和用户的结算电价会产生较大影响。
国内外学者对输电系统规划展开了大量研究工作，有文献综合考虑了环保、电网可靠性、系统运行时网络损耗费用、电网投资架线费用及其运行维护费用等，建立了输电网多目标规划模型。有文献基于全寿命周期理论建立了以全寿命周期成本最小和切负荷量最小的多目标输电网机会约束规划模型，该模型可为电网规划人员提供指导意见。有文献考虑到线路开断措施，建立了考虑线路开关限流的输电网双层规划模型，上层模型以输电网全寿命周期总投资成本最小为目标，下层以开断线路数量最小为目标。上述研究未考虑到电力市场交易影响，那么有团队提出了电力市场环境下输电系统多场景混合性规划模型，整合了确定性规划准则和概率性准则的相关约束和参数。也有学者提出以电力不足期望值和投资费用最小、投资收益最大为目标的多目标优化模型，所提方法可以用最少的投资达到尽可能高的可靠性，并最大化投资收益。还有学者的研究以输电网投资收益最大为上层目标，以社会成本最小为下层目标，建立了兼顾输电收益和社会成本的双层输电网规划模型。上述文献考虑电力市场交易影响不够深入，兼顾输电建设投资成本的同时如何以电力交易信号来引导输电系统规划值得深入研究。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种考虑输电阻塞盈余的输电网优化配置的方法。技术方案如下：
一种考虑输电阻塞盈余的输电网扩展规划方法，包括以下步骤：
步骤1：建立节点边际成本优化模型及输电网优化配置模型，执行步骤2；
步骤2：获取输电线路参数、发电机组的发电参数、节点负荷参数及基础参数，执行步骤3；
步骤3：节点边际成本优化模型根据输电线路参数、发电机组的发电参数及节点负荷参数计算发电机节点i的边际成本及负荷节点j的边际成本，执行步骤4；
步骤4：输电网优化配置模型根据输电线路参数、发电机组的发电参数、节点负荷参数、其它基础参数、发电机节点i的边际成本及负荷节点j的边际成本得到电网阻塞盈余最小的最优输电线规划方案。
优选的，步骤1中所述的节点边际成本优化模型是基于直流潮流模型、计及电网潮流约束、忽略输电系统网络损耗，以电力系统社会福利最大化为目标函数，目标函数其表达式为
Figure BDA0002613142440000021
所述约束条件为
Figure BDA0002613142440000022
式中，NG、NL和NK分别为发电机节点、负荷节点和支路的数量；PGi、PLi和Pk分别为发电机节点i、负荷节点j和支路k的有功功率；
Figure BDA0002613142440000023
和
Figure BDA0002613142440000024
分别为发电机节点i有功功率上下限；
Figure BDA0002613142440000025
和
Figure BDA0002613142440000026
分别为负荷节点j有功功率上下限；
Figure BDA0002613142440000027
和
Figure BDA0002613142440000028
分别为支路k有功功率上下限；fi(·)和hj(·)分别为发电机节点i的发电成本和负荷节点j的用户收益。
优选的，所述发电机节点i的发电成本函数fi(·)表示为
Figure BDA0002613142440000029
所述负荷节点j的用户收益函数hj(·)表示为
Figure BDA0002613142440000031
其中，AGi和BGi分别表示发电商i在电力市场中的交易电力报价；ALj和BLj分别表示用户j在电力市场中的交易电力报价。
所述发电机节点i的边际成本表示为
Figure BDA0002613142440000032
所述负荷节点j的边际成本表示为
Figure BDA0002613142440000033
式中，λ、αk和βk分别表示优化模型等式约束和支路潮流约束条件拉格朗日乘子；
Figure BDA0002613142440000034
表示发电机节点注入功率对输电支路潮流的灵敏度矩阵中对应元素，
Figure BDA0002613142440000035
表示负荷节点注入功率对输电支路潮流的灵敏度矩阵中对应元素。
优选的，所述步骤1中所述的输电网优化配置模型的目标函数公式为：
Figure BDA0002613142440000036
式中，δ'Gi和δ'Lj分别表示考虑系统网络损耗时发电机节点i的边际成本和负荷节点j的边际成本，PGi、PLi分别为发电机节点i、负荷节点j的有功功率，NG、NL和NK分别为发电机节点、负荷节点的数量；
所述输电网优化配置模型的约束条件为
(1)电网潮流约束需满足
Figure BDA0002613142440000037
式中，bij表示节点i和节点j之间导纳；θj表示节点j的相角；NT表示输电规划方案确定后，系统中所有支路集合；Pl和Pl'分别表示电力系统正常运行方式和N-1方式下的线路有功潮流；
(2)新建输电线路数量约束需满足
Figure BDA0002613142440000041
式中，Nmax为输电线路新建数量最大值；
(3)投资预算约束需满足
CT≤Cmax
式中，CT表示优化方案的总投资成本；Cmax表示投资者投资预算最大值。
CT可由下式计算
Figure BDA0002613142440000042
式中，η表示贴现率；m表示规划年限；cn和Ln分别表示新建输电走廊单位长度投资成本和输电线路长度。
优选的，δ'Gi和δ'Lj由下式计算：
Figure BDA0002613142440000043
式中，λ、αk和βk分别表示优化模型等式约束和支路潮流约束条件拉格朗日乘子；
Figure BDA0002613142440000044
表示发电机节点注入功率对输电支路潮流的灵敏度矩阵中对应元素，
Figure BDA0002613142440000045
表示负荷节点注入功率对输电支路潮流的灵敏度矩阵中对应元素，ωn表示节点与节点之间是否新建输电线路的二元决策变量，取值为1表示新建，取值为0表示不新建；αk和βk分别表示优化模型支路潮流约束条件拉格朗日乘子；Pn表示新建线路的有功潮流；NW表示输电走廊可利用数量。
优选的，所述输电线路参数包括输电网电压等级、变压器参数、线路长度参数及输电线成本参数；
发电机组的发电参数包括发电机机组容量、发电机成本参数；
节点负荷参数包括全年负荷曲线、负荷成本参数；
基础参数包括最大新建输电线路数量、投资预算、贴现率、规划年限、输电线路单位投资成本。
本发明针对电力市场环境下输电线路优化配置问题，从节点边际成本优化模型推导考虑网络损耗时发电机节点和负荷节点的边际成本公式，建立了以输电阻塞盈余最小为目标的输电系统配置数学模型。在电力市场环境下，所提模型为电网规划部门、电力调度部门、电力交易部门以及用电用户在电力交易过程中科学合理投资规划输电系统、最优化调度电力资源、最优化电力交易提供了新思路，考虑输电阻塞问题具有重要的实际意义。本论文还讨论了投资成本对输电网扩展规划模型产生的影响，结果可为相关人员提供技术支撑。
附图说明
图1为本发明考虑输电阻塞盈余的输电网扩展规划方法的流程图；
图2为具体实施例中中国西部某500kV/220kV电网拓扑结构图；
图3为方案2的输电线路规划结果。
具体实施方式
下面结合具体附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明基于双层规划理论建立配网中分布式储能系统优化配置数学模型。本文从储能系统运营商角度出发，全面考虑分布式储能系统在提高设备利用率获利、减小停电损失获利和政府补贴等4个收益指标构成，同时重视配网运营商的有功网损运行指标，考虑相应约束条件，以综合收益和网损灵敏度为上下层目标函数建立分布式储能系统双层优化配置模型，进行最优输电线路方案的规划。
具体步骤如下：
步骤1：建立节点边际成本优化模型，主要包括节点边际成本定义、优化模型目标函数和约束条件，所述的节点边际成本定义、优化模型目标函数和约束条件包括：
(1)节点边际成本定义。节点边际成本指在电力系统当前运行方式下，某负荷节点增加单位功率，在满足电力系统安全校核基础上发电机组增加输出功率成本。
(2)优化模型目标函数和约束条件。在电力市场中，节点边际成本的优化模型是基于直流潮流模型，计及电网潮流约束，并忽略输电系统网络损耗，以电力系统社会福利最大化为目标函数，目标函数其表达式为
Figure BDA0002613142440000051
所述约束条件为
Figure BDA0002613142440000052
式中，NG、NL和NK分别为发电机节点、负荷节点和支路的数量；PGi、PLi和Pk分别为发电机节点i、负荷节点j和支路k的有功功率；
Figure BDA0002613142440000061
和
Figure BDA0002613142440000062
分别为发电机节点i有功功率上下限；
Figure BDA0002613142440000063
和
Figure BDA0002613142440000064
分别为负荷节点j有功功率上下限；
Figure BDA0002613142440000065
和
Figure BDA0002613142440000066
分别为支路k有功功率上下限；fi(·)和hj(·)分别为发电机节点i的发电成本和负荷节点j的用户收益。
所述发电机节点i的发电成本函数fi(·)表示为
Figure BDA0002613142440000067
所述负荷节点j的用户收益函数hj(·)表示为
Figure BDA0002613142440000068
其中，AGi和BGi分别表示发电商i在电力市场中的交易电力报价；ALj和BLj分别表示用户j在电力市场中的交易电力报价。
所述发电机节点i的边际成本表示为
Figure BDA0002613142440000069
所述负荷节点j的边际成本表示为
Figure BDA00026131424400000610
式中，λ、αk和βk分别表示优化模型等式约束和支路潮流约束条件拉格朗日乘子；偏导数部分表示发电机节点或负荷节点注入功率对输电支路潮流的灵敏度矩阵中对应元素。
步骤2：建立以电网年输电阻塞盈余最小作为输电网规划模型的目标函数，来刻画输电系统规划方案的输电阻塞程度，包括输电网优化配置模型的目标函数和约束条件，所述的输电网优化配置模型的目标函数公式为：
Figure BDA00026131424400000611
式中，δ'Gi和δ'Lj分别表示考虑系统网络损耗时发电机节点i和负荷节点j的边际成本。
δ'Gi和δ'Lj由下式计算：
Figure BDA0002613142440000071
式中，ωn表示节点与节点之间是否新建输电线路的二元决策变量，取值为1表示新建，取值为0表示不新建；αk和βk分别表示优化模型支路潮流约束条件拉格朗日乘子；Pn表示新建线路的有功潮流；NW表示输电走廊可利用数量。
所述输电网优化配置模型的约束条件为
(1)电网潮流约束需满足
Figure BDA0002613142440000072
式中，bij表示节点i和节点j之间导纳；θj表示节点j的相角；NT表示输电规划方案确定后，系统中所有支路集合；Pl和Pl'分别表示电力系统正常运行方式和N-1方式下的线路有功潮流。
(2)新建输电线路数量约束需满足
Figure BDA0002613142440000073
式中，Nmax为输电线路新建数量最大值。
(3)投资预算约束需满足
CT≤Cmax
式中，CT表示优化方案的总投资成本；Cmax表示投资者投资预算最大值。
CT可由下式计算
Figure BDA0002613142440000074
式中，η表示贴现率；m表示规划年限；cn和Ln分别表示新建输电走廊单位长度投资成本和输电线路长度。
下面给出最佳实施方式
本实施例采用如图2所示配电网结构进行的，该测试系统含有21个节点和2回500kV输电线路(用连接节点6与节点11的实线、连接节点15与节点16的实线表示)。假设每条输电走廊可新建回数为4回，系统具体参数如表1所示，发电机组的出力参数如表2所示，负荷节点的负荷参数如表3所示，模型和算法参数如表4所示。
表1输电线路参数
Figure BDA0002613142440000081
Figure BDA0002613142440000091
表2发电机组出力参数及报价参数
Figure BDA0002613142440000092
表3节点负荷参数
Figure BDA0002613142440000093
表4算法参数
Figure BDA0002613142440000101
根据本发明的方法，对考虑输电阻塞盈余的输电网扩展规划模型进行两次求解，得到中国西部某500kV/220kV电网拓扑的两个输电线路规划结果如表5所示。
表5输电线路优化配置方案
Figure BDA0002613142440000102
由表5可以看出，因为方案2的投资成本高于方案1，使得该电网中输电线路获得了非常充裕的输电容量，输电阻塞盈余接近于0，方案2能有效地缓解输电阻塞，具体规划方案(用连接节点12与节点15的两根虚线、连接节点10与节点11的虚线、连接节点2与节点5的虚线表示)如图3所示。该500kV/220kV电网中，虚线区域内发电机节点均位于偏远山区，发电方式均为水力发电。在丰水期内，经常由于输电通道容量不够，不能完全履行与用电用户签订的中长期合同，使得中小型水电企业收益大幅度降低。若按方案2进行输电线路扩建后，水电企业的发电量也得到大幅度提升，保证了水电企业的收益。同时，也减轻了电网公司调度部门倒潮流和切负荷操作。
根据前文分析，对输电规划方案的主要影响因素是投资成本，本发明将分析不同投资成本对输电系统规划方案的影响分析。本发明假定除投资预算外其他参数不变，投资预算最大值Cmax由50000万元变为80000万元，最终优化结果如表6所示。
表6不同投资预算下输电线路优化结果
Figure BDA0002613142440000103
由表6可知，方案1和方案2的总投资成本差不多，但是方案1的输电盈余还是远远大于方案2。因为方案2中节点15和节点16形成的输电走廊距离只有25km(方案1中最短距离为70km)，投资成本大幅度降低，也就是说用更少的资金能多修建一条输电走廊，让输电网的容量裕度更加充裕。由此可知，投资者若投入资金越多，能保证负荷增长的同时保证输电系统不发生阻塞问题，对电网企业、发电厂商和用电用户来说都具有重要指导意义。

Claims (6)

1.一种考虑输电阻塞盈余的输电网扩展规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立节点边际成本优化模型及输电网优化配置模型，执行步骤2；
步骤2：获取输电线路参数、发电机组的发电参数、节点负荷参数及基础参数，执行步骤3；
步骤3：节点边际成本优化模型根据输电线路参数、发电机组的发电参数及节点负荷参数计算发电机节点i的边际成本及负荷节点j的边际成本，执行步骤4；
步骤4：输电网优化配置模型根据输电线路参数、发电机组的发电参数、节点负荷参数、其它基础参数、发电机节点i的边际成本及负荷节点j的边际成本得到电网阻塞盈余最小的最优输电线规划方案。
2.根据权利要求1所述的一种考虑输电阻塞盈余的输电网扩展规划方法，其特征在于，步骤1中所述的节点边际成本优化模型是基于直流潮流模型、计及电网潮流约束、忽略输电系统网络损耗，目标函数其表达式为
Figure FDA0002613142430000011
所述约束条件为
Figure FDA0002613142430000012
式中，NG、NL和NK分别为发电机节点、负荷节点和支路的数量；PGi、PLi和Pk分别为发电机节点i、负荷节点j和支路k的有功功率；
Figure FDA0002613142430000013
和
Figure FDA0002613142430000014
分别为发电机节点i有功功率上下限；
Figure FDA0002613142430000015
和
Figure FDA0002613142430000016
分别为负荷节点j有功功率上下限；
Figure FDA0002613142430000017
和
Figure FDA0002613142430000018
分别为支路k有功功率上下限；fi(·)和hj(·)分别为发电机节点i的发电成本和负荷节点j的用户收益。
3.根据权利要求2所述的一种考虑输电阻塞盈余的输电网扩展规划方法，其特征在于，所述发电机节点i的发电成本函数fi(·)表示为
Figure FDA0002613142430000019
所述负荷节点j的用户收益函数hj(·)表示为
Figure FDA00026131424300000110
其中，AGi和BGi分别表示发电商i在电力市场中的交易电力报价；ALj和BLj分别表示用户j在电力市场中的交易电力报价；
所述发电机节点i的边际成本表示为
Figure FDA0002613142430000021
所述负荷节点j的边际成本表示为
Figure FDA0002613142430000022
式中，λ、αk和βk分别表示优化模型等式约束和支路潮流约束条件拉格朗日乘子；
Figure FDA0002613142430000023
表示发电机节点注入功率对输电支路潮流的灵敏度矩阵中对应元素，
Figure FDA0002613142430000024
表示负荷节点注入功率对输电支路潮流的灵敏度矩阵中对应元素。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种考虑输电阻塞盈余的输电网扩展规划方法，其特征在于，所述步骤1中所述的输电网优化配置模型的目标函数公式为：
Figure FDA0002613142430000025
式中，δ'Gi和δ'Lj分别表示考虑系统网络损耗时发电机节点i的边际成本和负荷节点j的边际成本，PGi、PLi分别为发电机节点i、负荷节点j的有功功率，NG、NL和NK分别为发电机节点、负荷节点的数量；
所述输电网优化配置模型的约束条件为
(1)电网潮流约束需满足
Figure FDA0002613142430000026
式中，bij表示节点i和节点j之间导纳；θj表示节点j的相角；NT表示输电规划方案确定后，系统中所有支路集合；Pl和Pl'分别表示电力系统正常运行方式和N-1方式下的线路有功潮流；
(2)新建输电线路数量约束需满足
Figure FDA0002613142430000031
式中，Nmax为输电线路新建数量最大值；
(3)投资预算约束需满足
CT≤Cmax
式中，CT表示优化方案的总投资成本；Cmax表示投资者投资预算最大值；
CT可由下式计算
Figure FDA0002613142430000032
式中，η表示贴现率；m表示规划年限；cn和Ln分别表示新建输电走廊单位长度投资成本和输电线路长度。
5.根据权利要求4所述的一种考虑输电阻塞盈余的输电网扩展规划方法，其特征在于，δ'Gi和δ'Lj由下式计算：
Figure FDA0002613142430000033
式中，λ、αk和βk分别表示优化模型等式约束和支路潮流约束条件拉格朗日乘子；
Figure FDA0002613142430000034
表示发电机节点注入功率对输电支路潮流的灵敏度矩阵中对应元素，
Figure FDA0002613142430000035
表示负荷节点注入功率对输电支路潮流的灵敏度矩阵中对应元素，ωn表示节点与节点之间是否新建输电线路的二元决策变量，取值为1表示新建，取值为0表示不新建；αn和βn分别表示优化模型支路潮流约束条件拉格朗日乘子；Pn表示新建线路的有功潮流；NW表示输电走廊可利用数量。
6.根据权利要求1所述的一种考虑输电阻塞盈余的输电网扩展规划方法，其特征在于，
所述输电线路参数包括输电网电压等级、变压器参数、线路长度参数及输电线成本参数；
发电机组的发电参数包括发电机机组容量、发电机成本参数；
节点负荷参数包括全年负荷曲线、负荷成本参数；
基础参数包括最大新建输电线路数量、投资预算、贴现率、规划年限、输电线路单位投资成本。
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