市場環(huán)境下電力系統(tǒng)有功調(diào)度與無功優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)規(guī)律研究.pdf

1、電力商品供給與需求的平衡過程是以光速來衡量的，同時又必須遵循KCL和KVL兩個定律，以及諸多質(zhì)量和安全的要求。因此與一般普通商品相比，電力商品有其極度的復(fù)雜性和差異性。由此電力市場僅依據(jù)現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)理論而不充分結(jié)合電力系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，難以準(zhǔn)確、到位地解釋電力系統(tǒng)運(yùn)行中的市場經(jīng)濟(jì)問題，這在某種程度上阻礙或制約了電力工業(yè)改革的良性、穩(wěn)健發(fā)展。以此為出發(fā)點(diǎn)，本文結(jié)合經(jīng)濟(jì)學(xué)思想，針對電力商品生產(chǎn)、傳輸、使用各環(huán)節(jié)構(gòu)成的電力系統(tǒng)，從運(yùn)行調(diào)度(ISO

2、)層面，深入研究了計及各種制約影響所反映出的經(jīng)濟(jì)規(guī)律和市場規(guī)律，以促進(jìn)市場環(huán)境下電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度理論的發(fā)展。 在經(jīng)濟(jì)學(xué)理論基礎(chǔ)上，通過對電力商品供給、需求及其平衡規(guī)律的分析，給出了電力商品兩個屬性，即積分和微分屬性的定義，以及更苛刻條件下的一個屬性，即實(shí)時匹配屬性的定義。在此背景下，依據(jù)優(yōu)化數(shù)學(xué)理論，提出等效電力商品的概念及其表達(dá)，并給出了有數(shù)學(xué)依據(jù)并符合資源優(yōu)化配置的論證。合格的電力商品需要多種輔助手段(目前稱為輔助服務(wù))才能

3、得以實(shí)現(xiàn)和使用，輔助服務(wù)正是電力市場實(shí)施的難點(diǎn)，也是市場環(huán)境下電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度研究的焦點(diǎn)。等效電力商品將輔助服務(wù)蘊(yùn)于其中，由此提出了等效度量輔助服務(wù)的思想。為實(shí)現(xiàn)這一思想，本文建立了滿足凸規(guī)劃假設(shè)條件下的廣義優(yōu)化模型，以優(yōu)化結(jié)果的信息刻畫輔助服務(wù)的價值，體現(xiàn)等效的數(shù)學(xué)本質(zhì)，奠定了本研究的理論基礎(chǔ)。 以上述思想、理論為核心，本文研究市場環(huán)境下電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度的經(jīng)濟(jì)規(guī)律，涉及電力系統(tǒng)運(yùn)行中，有功調(diào)度問題，無功調(diào)度問題，以及有功與無功

4、聯(lián)合調(diào)度的問題。另外，針對實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度中非凸性所引起的成本回收問題，在本文思想和理論的基礎(chǔ)上，就市場機(jī)制下成本補(bǔ)償產(chǎn)生原因及補(bǔ)償機(jī)制進(jìn)行了初步探討，從而使本文的研究在體系上進(jìn)一步完整。具體主要體現(xiàn)在： 首先在直流潮流基礎(chǔ)上，對有功運(yùn)行調(diào)度問題進(jìn)行了深入研究，主要貢獻(xiàn)體現(xiàn)在四個方面： (1)就有功備用而言，設(shè)置的目的是應(yīng)對運(yùn)行中發(fā)生的不確定性因素，如發(fā)電的不確定性、輸電網(wǎng)絡(luò)的不確定性、負(fù)荷的不確定性等。通過分析這些

5、不確定性因素對電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響及后果，闡明了不確定性引起備用的因果，揭示了有功備用的機(jī)理，明確了備用的責(zé)任，提出了按影響系統(tǒng)風(fēng)險水平程度大小來分?jǐn)倐溆秘?zé)任的思想和量化表達(dá)。研究表明，按一定風(fēng)險準(zhǔn)則，備用為明確的對象而配置，備用的提供者和享用者具有明了的映射關(guān)系，對大系統(tǒng)來講又具有重疊性，參與者各負(fù)其責(zé)且相互共享備用是一定安全水平下最好的共贏局面。 (2)依據(jù)上述思想，提出一定風(fēng)險準(zhǔn)則下，計及備用的新的電力系統(tǒng)有功調(diào)度模型。該模

6、型引入具有明確對象和責(zé)任的備用約束，使備用的配置能夠剛好覆蓋預(yù)想的風(fēng)險水平，并顯現(xiàn)備用的邊際價值信號，同時明確量化備用的提供者和享用者，以及各自應(yīng)該承擔(dān)的責(zé)任。這一思想與傳統(tǒng)方法有著本質(zhì)的區(qū)別，能夠適應(yīng)市場環(huán)境下備用配置透明、清晰的需要，同時機(jī)會成本作為反映備用價值的信息，進(jìn)一步透射出等效電力商品的意義。 (3)輸電網(wǎng)絡(luò)是備用得以使用的通道，若輸電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)制約現(xiàn)象，必然會造成備用的無效。因此，當(dāng)考慮輸電網(wǎng)絡(luò)的不確定性時，備用發(fā)生

7、轉(zhuǎn)移現(xiàn)象是不可避免的。本文根據(jù)系統(tǒng)給定的風(fēng)險準(zhǔn)則，建立了計及輸電網(wǎng)絡(luò)不確定性的有功調(diào)度模型，即上述模型的擴(kuò)展。該模型對輸電網(wǎng)絡(luò)不確定性事件發(fā)生所引起的備用配置進(jìn)行了有效的修正，明確了備用配置(無輸電網(wǎng)絡(luò)制約時)轉(zhuǎn)移的機(jī)理，使備用的邊際價值信號由系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到了節(jié)點(diǎn)，出現(xiàn)了空間上的差異，進(jìn)一步完善和發(fā)展了上述模型。 (4)需求側(cè)在市場機(jī)制下成為主動者是電力市場的一個顯著特點(diǎn)，另外不確定性事件是隨機(jī)的，可見上述的研究在某種程度上尚存在保

8、守性的弱點(diǎn)。若進(jìn)一步按市場機(jī)制考慮需求側(cè)對備用的貢獻(xiàn)以及不確定性事件發(fā)生的概率，就會帶來更客觀的效益。由此，在上述研究基礎(chǔ)上，引入各種不確定性事件發(fā)生的概率，以社會效益期望最大化為目標(biāo)，建立了概率條件下的有功調(diào)度模型。該模型進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)效益與風(fēng)險的折中處理，使其更加符合市場實(shí)際，即通過引入不同預(yù)想事件發(fā)生的概率，構(gòu)成目標(biāo)的期望加權(quán)，實(shí)現(xiàn)按概率風(fēng)險水平調(diào)度有功及備用，進(jìn)而獲取社會效益的提高。 其次，在有功運(yùn)行調(diào)度研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對

9、有功調(diào)度受無功、電壓影響所反映的經(jīng)濟(jì)規(guī)律進(jìn)行了研究，主要貢獻(xiàn)體現(xiàn)在四個方面： (1)在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，無功的價值體現(xiàn)在維持正常情況或異常情況所需無功支撐的貢獻(xiàn)，以及正常情況下運(yùn)行費(fèi)用(損耗)的節(jié)約。因此，本文分別從無功供給和需求兩個角度出發(fā)，給出了無功在電力系統(tǒng)運(yùn)行中引起成本變化的數(shù)學(xué)描述。分析表明，無功的需求或供給沒有嚴(yán)格的界限，其價值由是否引起有功運(yùn)行成本變化決定，若引起有功調(diào)度成本增加，則需對其懲罰，反之則需對其進(jìn)行補(bǔ)償；

10、懲罰或補(bǔ)償?shù)挠白臃从碂o功的邊際價值信息；同時無功的需求或供給都是無條件必須完成的，否則既會影響自身利益，又會影響其他成員，這是電力系統(tǒng)特有的物理規(guī)律決定的。 (2)正常運(yùn)行狀況下，當(dāng)發(fā)電機(jī)組輸出無功而未制約其有功輸出時，無功分布引起有功調(diào)度成本增加，主要是由于無功需求或供給引導(dǎo)電壓水平變化伴隨網(wǎng)損功率的增減而產(chǎn)生的機(jī)會成本。在這種情況下，當(dāng)有功調(diào)度方式給定時，以網(wǎng)損最小為目標(biāo)進(jìn)行無功優(yōu)化，伴隨無功優(yōu)化的副產(chǎn)品(各類乘子)，給出了

11、節(jié)點(diǎn)邊際價格的快速近似修正方法。這一修正的本質(zhì)是對網(wǎng)損(包含有功分布產(chǎn)生和無功分布產(chǎn)生)引起成本增加的分配，以體現(xiàn)各參與者對損耗貢獻(xiàn)的獎懲機(jī)制，也顯現(xiàn)在實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度中對無功價值的度量。 (3)進(jìn)一步，又從數(shù)學(xué)優(yōu)化角度按無功分布與電壓水平之間牽制的疏密程度定義了三種無功優(yōu)化解的狀態(tài)，即松弛狀態(tài)、制約狀態(tài)和臨界狀態(tài)。并對這三種狀態(tài)下無功引起成本增加的變化規(guī)律進(jìn)行分析，揭示了無功支撐系統(tǒng)電壓水平所產(chǎn)生的價值。結(jié)果表明：當(dāng)處于松

12、弛狀態(tài)時，無功分布幾乎逼近電流的經(jīng)濟(jì)分布條件，此時輸電網(wǎng)上流動的無功最少，單位無功流變化引起的損耗流最小，由此其邊際價值也最小。當(dāng)處于制約狀態(tài)時，一定有節(jié)點(diǎn)電壓達(dá)到了下限，無功分布為支撐這一局面導(dǎo)致了損耗增加，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的無功邊際價值隨之增大，由此顯現(xiàn)網(wǎng)損增大的主要責(zé)任者。當(dāng)處于臨界狀態(tài)時，意味著能剛好滿足系統(tǒng)電壓水平的要求，此時無功邊際價值將陡升。按三種狀態(tài)，可以界定無功供給或需求的程度，以引導(dǎo)無功資源布局的合理性。 (4)另一

13、種情況，當(dāng)發(fā)電機(jī)組由于輸出無功而制約其有功輸出時，如輕載下可能需要某些發(fā)電機(jī)組的進(jìn)相運(yùn)行等，導(dǎo)致有功方式受到無功牽制的情況出現(xiàn)。通過完整的最優(yōu)潮流求解，對該情況下無功引起的機(jī)會成本本質(zhì)進(jìn)行了推導(dǎo)。分析表明，無功支撐作用的代價不僅包含網(wǎng)損變化引起的機(jī)會成本，同時也包含有功無功牽制所產(chǎn)生的顯著機(jī)會成本，此情況顯現(xiàn)無功和有功的當(dāng)量交換，出現(xiàn)無功實(shí)質(zhì)性的邊際價值。 最后，上述市場環(huán)境下電力系統(tǒng)調(diào)度理論的研究，均隱含一種假設(shè)，即研究對象構(gòu)

14、成的模型滿足凸規(guī)劃條件。而由于發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)固定成本的存在，如無負(fù)荷費(fèi)用、啟停費(fèi)用等，若按邊際價格清除，必然會出現(xiàn)成本補(bǔ)償問題而無法實(shí)現(xiàn)有效的市場交易。由此，從完全競爭的理論出發(fā)，分析、比較了按成本最小和按用戶付費(fèi)最小兩種目標(biāo)的調(diào)度方法，后者不存在成本補(bǔ)償問題，但不能引導(dǎo)出使社會效益發(fā)展最好的信息，前者則相反，同時反射本文思想取前者的理由。對此，本文利用了附加成本函數(shù)的概念，實(shí)現(xiàn)了成本補(bǔ)償問題的處理，并給出基本的方法和深層次問題處理的思路。