计及暂态稳定的输电阻塞管理

邓新财 李 胜

(1.三峡大学电气信息学院,湖北宜昌 443002;2.攀枝花展宏电力勘测设计有限公司,四川攀枝花 617067)

电力工业正在由传统的垄断管制型向竞争监管型转变,输电网络将逐步开放,通过市场竞争的手段来实现资源合理配置,降低成本,提高效率,合理规划,促进电力工业长期持续稳定发展[1].电力市场与其它商品市场不同,主要表现在:电能的生产与消费是同时完成的;电能从生产者到消费者的输送是通过结构复杂的输电系统进行的,其传输过程要遵守基尔霍夫定律,同时要满足多种物理约束,传输路径十分复杂,且人为控制手段相当有限.在引入竞争、优化资源配置的同时,也出现了输电阻塞问题,这在较大程度上制约了电力市场的经济效率[2].

电网中有若干台发电机组和若干条主要线路,每条线路上的有功潮流(输电功率和方向)取决于电网运行结构、各发电机组的出力和各负荷的需求.电网每条线路上有功潮流的绝对值有一个安全限值,限值还具有一定的相对安全裕度(即在应急情况下潮流绝对值可以超过限值的百分比上限).如果各机组的出力分配计划使某些线路上的有功潮流的绝对值超出其动态稳定限值或热稳定性限值,或者节点电压超出稳定运行限制,而不能完成预计的输电计划,则称这种状态为输电阻塞.

电力市场下的阻塞管理模式有静态阻塞管理与动态阻塞管理.近年来,对静态阻塞管理的研究已经取得了丰硕的成果[3-4].当系统面临暂态稳定问题时,为保证系统的稳定,应对其进行计及暂态稳定的阻塞管理[5-7].

1 计及暂态稳定的阻塞管理模型

在电力市场环境下,系统需要统一协调考虑运行的安全性和经济性.在安全性方面,动态阻塞管理主要考虑系统暂态过程中的功角稳定与电压稳定.在经济性方面,系统运营机构则主要考虑整个系统的运营成本.因此,计及暂态稳定的输电阻塞管理为求解一个优化模型,其目标函数为系统的经济性指标,而其约束为系统的动态稳定和运行条件.

1.1 目标函数:阻塞管理的总费用

在联营体市场模式下,以系统总的购电成本最小为目标,则目标函数为

式中 ,PGi、QGi、fPi、fQi为机组i的有功出力 、发出无功、有功成本函数与无功成本函数;N为参与市场竞争的机组总数.

1.2 暂态稳定约束

电力市场中的电网运营者为了获得更多的经济效益,必然减少对电网建设的投资、最大程度地利用现有设备,因而恶化了电力系统的运行环境.因此,维持系统的安全稳定运行显得愈加重要,系统的暂态稳定也成了不得不考虑的问题,即暂态稳定分析评价系统受到大扰动后过渡到新的稳定运行状态的能力,并对必要的预防措施和补救措施给出适当的参考方案.

本文采用多机电力系统的经典数学模型:

各发电机采用暂态电势X′q后的恒定电势E′来模拟,各负荷用恒定阻抗模型.电力系统的暂态稳定性可通过故障后发电机转子间最大相对摇摆角度来判断[6].

式中,PG为系统有功出力向量;Ts为考察时间段;δi为发电机i的转子角度;δρ为最大相对摇摆角上限.

1.3 正常运行约束

电源有功出力范围约束:

发电机、同步补偿机等无功源无功出力范围约束:

节点电压幅值范围约束:

式中,PGi,PGi.max,PGi.min分别为电源的有功出力及其上下限;分别为无功源的无功出力及其上下限;V分别为节点电压的电压值及其上下限;SG,SR,SB分别为系统所有发电机集合,所有无功电源集合,所有节点集合.

1.4 其它约束条件

由于电能本身的特殊性,其生产总量与消费总量必须实时平衡.功率平衡方程如下:

系统中线路在阻塞管理中要满足的约束为:

式中,Pload,Ploss分别为负荷有功总和与线路损耗总和为线路l(两端节点为i,j)的有功潮流及其上限;Sl为所有支路集合.

综上所述,由式(1)～(8)可构成暂态稳定约束下的输电阻塞管理优化模型.该模型满足求解非线性优化问题的Kuhn-Tucker条件[8],故可以采用标准的优化方法进行求解.

2 算例分析

算例采用IEEE 9节点简单电力系统[9],如图1所示.

图1 9节点系统单线结构图

算例中将1号发电机作为潮流计算中的平衡机.在计及暂态稳定的阻塞管理中,为简化计算,所有节点的电压幅值的上下限范围相同,且仅考虑fPi(PGi)而忽略fQi(QGi).fPi(PGi)为第i台发电机的耗能特性函数,形式如a2iP2Gi+a1iPGi+a0i,其中a2i,a1i,a0i为耗能特性参数.在模型中没有考虑到机组开停机费用.

通过计算结果表1可以看出,1,2,9节点的电压幅值达到了其上限,3个发电机的有功出力都有了一定的调整,这是由于它们的耗能特性不同及暂态稳定要求决定的.由表2可以看出,该模型在满足系统运行条件下,同时满足了暂态稳定要求,且购电成本也比一般方案少.

表1 两种方案下的购电成本

表2 潮流计算结果

3 结 语

对电力市场下计及暂态稳定约束的输电阻塞管理模型进行了研究.提出的暂态稳定约束条件下电力市场中的阻塞管理模型同时考虑了线路潮流约束与暂态稳定约束,因此可以在消除线路阻塞的同时有效地保证系统的暂态稳定性,且兼顾了系统运行的经济性.案例分析验证了所提出的阻塞管理模型在保证系统暂态稳定且兼顾系统经济运行上的有效性.

[1]张永平,焦连伟,陈寿孙等.电力市场阻塞管理综述[J].电网技术,2003(8):1-32.

[2]柯 进,管 霖.电力市场下的输电阻塞管理技术[J].电力系统自动化,2002(14):20-39.

[3]Fang R S,David A K.Transmission Congestion Management in an Electricity Market[J].IEEE Trans on Power Systems,1999,14(3):877-883.

[4]Christie R D,Wallenberg B F,Wangensteen Ivar.Transmission Management in the Deregulated Environment[J].Proceedings of the IEEE,2000,88(2):170-195.

[5]David A K.Congestion M anagement in Dynamic Security Constrained Open Power Markets[J].Computers and Electrical Engineering,2003,29(5):575-588.

[6]郭 磊,房大中.实时电力市场中暂态稳定约束下的阻塞管理模型研究[J].电网技术,2006,30(3):36-40.

[7]马 进,宋永华,卢 强等.开放电力市场环境下的动态阻塞管理[J].电力系统自动化,2004(10):23-48.

[8]Bazaraa M S,Shetty C M.Nonlinear Programming Theory and Algorithms[M].New York:John Wiley and Sons,1997:471-479.

[9]Anderson P M,Fouad A A.Power System Control and Stability[M].Ames,Iowa:The Iowa State University Press,1977.