电力现货市场下的输配协同缓解阻塞模型与求解_黄堃.pdf

第 卷第期 年月太原理工大学学报 引文格式：黄堃，梁加本电力现货市场下的输配协同缓解阻塞模型与求解太原理工大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家重点研发计划资助（）第一作者：黄堃（），高级工程师，主要从事新能源接入与运行控制、综合能源服务、新型电力系统的研究，（）通信作者：梁加本（），工程师，从事配电自动化、综合能源服务以及配电网优化运行等工作，（）电力现货市场下的输配协同缓解阻塞模型与求解黄堃，梁加本（东南大学 电子科学与工程学院，南京 ；国电南瑞科技股份有限公司，南京 ）摘要：电力现货市场中需协调调度输电网中可控资源实现对传输阻塞的缓解。考虑配电网中含有大量分布式电源以及可响应负荷，提出了以配电网公司作为主体参与电力现货市场阻塞管理的双层优化调度模型。输电网层以阻塞调度成本最小为目标，对各配电网公司的可控负荷和常规机组协同调度。配电网层以配电网电压波动和用户响应满意度为目标，在满足配电网安全约束的前提下，对配电网中资源进行协同调度。采用 算法对上下层模型进行求解，获取最优调度策略。最后对 节点的输电网和改进的两个配电网组成的输配全局电网进行仿真，验证所提方法的有效性。关键词：阻塞管理；配电公司；现货电力市场；双层优化模型；算法中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（.，；.，.，）：，：；近年来，随着全球能源变革的不断推进，以风力发电为主的可再生能源在电网中的渗透率正在逐渐提高，高比例可再生能源接入电网所带来的强波动性使得电网阻塞现象愈发突出。随着我国电力市场化改革的深入，中长期市场交易电量不断增大，可再生能源跨区域交易比例不断提升，输电网阻塞已经成为迫切需要解决的问题。电力现货市场环境下，当输电网发生潮流阻塞时，需在短时间内调整市场中的交易计划消除阻塞，保证电网的安全运行。目前主要依靠调节常规机组的出力或切除电网负荷来实现，阻塞管理费用较高。随着大量分布式电源、电动汽车以及可控负荷接入配电网，配电网的灵活性有了显著的提高，同时针对主动配电网的研究促使配电网的可控性大大增加，通过激励配电网的可控资源参与电力现货市场的输电网阻塞管理已成为一种可能。因此研究电力现货市场下考虑配电公司参与的输电网阻塞缓解方法具有重要意义。配电公司参与下的输电网阻塞缓解问题的关键是如何确定配电公司的最优市场竞价、获得经济利益最大的阻塞管理方案，以及在确保配电网安全运行的前提下快速实现对其内部资源的最优调度。在实际运行过程中，输电网通过现货电力市场开放竞标获取阻塞管理费用最小的方案，配电公司通过协调调度其内部资源对市场激励快速做出响应。输电网与配电网之间相互独立又彼此影响，这是典型的双层规划模型。目前，该模型也在电力市场有着一定的应用。文献 提出了电力市场环境下的微电网双层经济调度模型，虽然实现了微电网最优运行，但是在优化过程中仅从调度角度出发，并未充分考虑微电网中用户参与意愿。文献 针对输电网阻塞问题，构建了基于电力现货市场下的虚拟电厂和输电网的双层模型，并采用原对偶内点法对模型进行求解，实现对输电网阻塞的缓解。由于所构建双层模型中潮流计算的非线性特征，因此在虚拟电厂模型中未涉及电网潮流，配电网的安全性难以得到保障。文献 提出了多虚拟电厂参与电力市场时的双层协调机制，建立多虚拟电厂双层优化模型。通过对多个虚拟电厂的双层协调实现经济调度。虽然得到了很好的效果，但是多个虚拟电厂模型构建过程仅考虑能量交换，对电网运行的安全性也并未涉及。因此，本文从配电网安全和用户满意度的角度出发，构建电力现货市场下输配协同的双层优化模型解决输电网阻塞问题。目前，对于双层优化模型的求解方法主要有集中式求解方法和分布式求解方法两种。集中式中求解方法首先需要对全局数据进行收集，之后通过统一求解得到问题的最优解。因此，这种方法适用于规模不太大的系统；而分布式求解方法更注重各个区域之间的协调，通过各个区域的协调得到最优解，从而保护各个区域的数据隐私，避免大规模的数据传输，给各个区域更多自主运行的空间，这种方法适用于规模较大的系统。目前，分布式求解算法主要分为基于拉格朗日松弛的方法，例如目标级联法（，）和 交 替 方 向 乘 子 法（），基 于 （）的方法，如异构分解法，分解方法三类。在上述方法中，方法能够有效解决多层级、多主体协调优化调度问题，具备较高包容性，能够很好克服传统对偶分解算法在迭代中反复震荡等问题，此外，方法不要求模型所构建的目标函数为严格凸函数，因此采用 方法对所构建的模型进行求解。为了更好解决输电网阻塞问题，本文基于输、配电网的运行现状与市场架构，提出了电力现货市场下考虑配电公司参与的输配协同双层阻塞缓解模型。输电网层以阻塞管理费用最小为目标进行优化，配电网层以用户响应满意度和电网安全为目标，通过上下层之间的交互迭代，实现电网全局资源的优化利用。此外，考虑到电力现货市场中实时交易市场对时间的要求，在配电网层模型中，采用二阶锥优化对配电网潮流进行线性化，加快模型的求解。最后采用 节点的输电网和改进的 节点和 节点配电网组成的输配全局电网进行仿真，验证了本文所提方法的有效性。电力现货市场下输电网阻塞管理架构根据文件 关于推进电力市场建设的实施意见内容，当前我国电力现货市场主要开展日前、日内、太 原 理 工 大 学 学 报第 卷实时电能交易和备用、调频等辅助服务交易，并且已经在山东、山西、广东等多个城市开展试点运行。电力现货市场的发展使得电力交易的模式和手段不断丰富，这为配电网参与市场互动奠定了很好的基础。目前，随着配电网中大量分布式电源和可控负荷的接入，使得电网的灵活性得到了极大的提高。在实际运行过程中，配电网可由数据采集与监控系统（）对数据进行把控，通过配电网调度管理系统（）进行内部资源的调度，并制定相应的竞标方案参与电力现货市场。考虑到参与阻塞市场资源的可调度性，本文所述配电公司通过 仅对配电网中的可控分布式机组和可响应负荷进行调度。如图所示，当输电网线路发生阻塞后，输电网监测装置会收集数据并上传输电网调度中心，此时，各传统电厂和配电公司向电力现货市场提供竞标信息。输电网调度中心通过对市场参与者的市场参数与运行参数进行技术确认，以输电网阻塞缓解费用最低为目标确定各市场参与者的调整方案，并将各个调整功率下发给各市场参与者。配电公司根据输电网下发的调整功率在确保用户满意度和电网安全的情况下，计算可响应用户、分布式发电机组的调整功率和单位功率响应电价，并上报电力现货市场。电力现货市场更新竞标信息。输电网调度中心根据更新的竞标信息再次确定各市场参与者的调整方案。以此往复，直到同时输电网调度中心下发的调整方案与各个配电公司得到的调整方案保持一致。此时参与输电网阻塞缓解的各个配电公司在电力现货市场完成竞标并获得授权，输电网向各参与者发送调整方案，最终解决输电网的阻塞问题。图考虑配电网公司参与的输电网阻塞缓解架构 基于输配协同的阻塞缓解模型输电网层调度模型输电网层调度模型通过所获取的电网阻塞功率，以阻塞缓解费用最小为目标，对输电网层可调度资源进行有效调度，其具体如公式（）所示：，（）式中：，为发电机组的调度费用，为配电公司的响应费用。具体如公式（）、（）所示：（，）（）（）式中：表示输电网中发电机组的数量；，和，分别表示输电网中发电机组增加和减少的功率，和，表示发电机组单位功率增加和减少的费用，为固定值。为配电公司的数量，表示配电公司的单位功率响应电价，表示配第期黄堃，等：电力现货市场下的输配协同缓解阻塞模型与求解电公司所响应的功率。考虑配电网中用户负荷上调较为困难，因此仅利用配电公司中配电网的负荷削减能力参与现货电力市场调度。约束条件如下。潮流约束（）（）（）其中，分别为除平衡节点以外其他所有节点的发电机有功功率向量、负荷有功功率向量、配电网有功功率向量、节点注入有功功率向量和节点电压相角向量。为只考虑支路电抗的节点导纳阵。为支路所流过的有功功率，和分别表示节点和节点的电压相角，为支路的电抗。发电机约束，（，），（），（，），（）式中：，分别为发电机组单位时间内向下爬坡、向上爬坡速率。，和，为变量，且满足，若发电机组上调出力，否则，.，为输电网发生阻塞时输电网中发电机组的有功出力，分别为发电机组的最小、最大发电功率。配电网响应裕度约束 ，（）式中：为配电网所能调度的最大负荷。网络安全约束 （）式中：为支路的安全裕度系数；为支路所允许流过的最大功率。功率调度约束 （，）（）式中：为发电机对支路的灵敏度因子；为配电网对线路的灵敏度因子；为输电网阻塞线路所需削减的负荷。通过对模型的求解，输电网可根据电力现货市场中各参与者的报价和可调整容量，以阻塞费用最小为目标计算得到最优的阻塞缓解方案，并将具体调整量下发到电力现货市场中的相关参与者。配电网调度模型考虑到配电公司近几年所倡导的优质服务政策，配电网调度模型以电压波动最小和用户响应满意度最大为目标，采用层次分析法 确定各目标权重，并将输电网层下发的有功功率调节量以罚函数的形式引入到目标函数中，下面以可参与市场竞标的配电网为例，对模型进行介绍。目标函数：（）其中，表示配电网中节点的电压偏差；表示配电网中节点的最大电压偏差量，表示配电网的节点个数，（）为配电网中用户的综合满意度，如公式（）所示，为输电网层下发给的配电网有功功率调节量，为配电网经过配电网层优化后所响应的有功功率量。、分别为电压偏差和综合满意度的权重，为上下层功率偏差的惩罚因子。（）（）（）（）（）（），（）（），（）（）（），（）式中：（）代表配电网中用户用电舒适满意度；（）表示配电网中用户用电成本满意度；，分别为和的权重，（）和（）的详细计算过程如公式（）和（）所示；表示配电网中，可响应用户中最大响应情况；为配电网中可响应用户数量；为用户的购电电价；为用户响应负荷的补偿电价；为配电网中可控分布式发电机的数量；，分别为配电网中用户响应前和响应后的负荷；，分别为配电网太 原 理 工 大 学 学 报第 卷中可控分布式发电机组响应前和响应后的有功出力。对于配电网其约束条件如下：潮流约束（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：（）表示配电网中以为末端节点的支路的首端节点集合；（）表示配电网中以为首端节点的支路的末端节点的集合；和 分别表示配电网中支路的有功功率和无功功率；和 分别表示节点的有功功率和无功功率；和 分 别 表 示 配 电 网中 线 路的电阻和电抗；和 为节点负荷的有功功率和无功功率，其包括该节点可响应用户负荷的有功功率和无功功率；为节点上分组投切电容器（，）的无功出力；表示配电网中节点的电压。考虑到模型求解的速度，本文采用文献 所提方法，对配电网潮流计算进行线性化。首先定义：（）（）（）（）（）令?（），?（）并替换原始潮流约束中的公式，得到线性化的潮流计算公式：（）?（）（）（）?（）（）（）（）?（）（）（）?（）之后将公式（）进行进一步松弛得到：（）（）（）（）（）再进一步等价变形，公式（）将转化为标准二阶锥形式：?（）配电网安全约束?（）（）（），（）（）（），（）其中，和 分别为配电网所允许的节点电压的最高和最低值。，为配电网节点所允许的最大视在功率，为配电网线路所允许的最大功率。分组投切电容器约束 ，（）式中：，为配电网中第节点上所连接的 的无功补偿功率；，为每组 的功率；为投运的 的组数；，为电容器的最大投运组数；表示电容器的投运状态。，表示调度前后 出力的增加量。用户满意度约束，（），（）式中：，表示配电网中用户用电舒适满意度最小值；，表示配电网中用户用电成本满意度最小值。用户补偿电价约束考虑到电网的经济性，因此补偿电价将会存在第期黄堃，等：电力现货市场下的输配协同缓解阻塞模型与求解相应约束：（）配电网发电机约束 ，（）其中，和 ，分别为配电网中分布式发电机组的最大和最小发电功率。配电网响应裕度约束 （，）（，）（）式中：，为分布式发电机组的最大发电功率；为配电网参与电力市场竞标前分布式发电机组的实际出力情况；，为用户满意度最低时对应的负荷量，当用户允许满意度下限被