市场环境下的电力系统调度相关技术探讨

尹刚

摘 要：该文基于笔者多年从事电力调度的相关问题研究，首先分析了电力市场环境下的短期运行安全性问题，进而探讨了电力市场环境下的电力系统调度，在此基础上，探讨了大型互联电力系统中的阻塞管理问题和多区域阻塞管理问题，全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值。

关键词：电力市场 电力系统 调度 阻塞管理

中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（b）-00-02

我国电力系统虽然在最近20年里得到了快速的发展，但电网依然薄弱，还存在相当多的安全隐患。在电力体制改革的过渡时期，在市场参与者需要承担的责任尚不明确的情况下，安全性风险更大，因此更要把电力系统运行的安全性作为头等大事来抓。电力系统运行的安全性也是电力改革能否顺利进行的重要条件和成功与否的重要标志。从大的方面讲，电力系统运行的安全性包括两个方面，即短期运行安全性和长期电力供应的安全性。在传统的电力系统工业中，电力系统运行的安全性通常指短期运行安全性，而长期电力供应的安全性通常没有问题。因为电力公司有责任通过输配电系统的扩展来保证之，而政府和监管机构保证电力公司能够回收有关的成本。在电力市场环境下，长期电力供应的安全性无法得到保证，因为输电公司和发电公司都没有能力、也没有义务承担这样的责任。因而研究电力市场环境下电力系统运行的安全性就需要考虑长期电力供应的安全性。在电力市场环境下，对于调度机构来讲，其调度的目标应该为：①维持系统运行的安全性；②容纳尽可能多的交易；③识别合同间潜在的冲突条件。

为了实现上述目标，必须进行可用输电容量（ATC）的计算，且需要满足下述要求：计算结果必须可靠，要合理计及系统运行条件的不确定性，以保证系统运行的灵活性。

1 电力市场环境下的短期运行安全性问题

风靡全球的电力工业改革和互联电网的发展对电力系统的可靠性和经济性提出了更高的要求。由于经济和环境的约束，电力系统将运行在更接近安全稳定极限的条件下，电力工业的市场化运行和新技术的采用增加了电力系统运行的复杂性。电力系统控制中心在承担了传统的技术任务以外，还增加了很多与电力市场和交易有关的工作，其在运行和控制中所担当的角色和任务变得更加复杂和繁重。电力系统运行人员面对更大的压力和更少的选择性。

电力工业市场化后，电力系统的物理功能仍保持不变，但电力市场的参与者有不同的目标和商业利益。电力工业市场化改革对电力系统的安全性与可靠性会有怎样的影响是一个值得研究的重要问题。

图1

1.1 降低成本的压力

输电系统开放和电力工业的市场化改革带来了削减成本的压力，包括设备、维修和人工成本。这对发电公司和输电公司都适用。发电公司为了增加利润，自然会尽可能降低成本。随着基于绩效的管制（Performance Based Regulation，简称PBR）的逐步推广应用，输电公司虽然仍为严格管制下的机构，但在PBR管制模式下，输电公司的允许利润要与其运营效率和成本挂钩。

1.2 潮流增加

基于报价的调度使得潮流模式频繁发生大幅度的变化，经常出现意料之外的调度模式。由于调度员对这些运行模式不熟悉，增加了发生安全性事故的机会。输电系统开放导致系统中潮流增加，即便不超过线路的额定容量，潮流增加也会引起问题。如：输电富裕容量减少，全系统的安全性和可靠性降低。此外，由于相邻系统间的潮流增加，系统的安全性和可靠性对其他系统的依赖性增加，邻近系统发生故障对本地系统运行的安全性的影响也增加了。

1.3 合作和协调关系削弱的影响

电气上同步的系统，为了确保安全性和可靠性，应作为一个整体来运行。输电系统开放和电力工业的市场化运行使得系统的潮流增加，从安全性和可靠性的角度看，按同一个模式对系统进行集中管理的必要性增加了，与其他电力公司合作、协调变得更加重要了；另一方面，由于发电公司之间的竞争以及发电与输电的分离，引起了很多问题，难以按一个模式统一管理。

2 电力市场环境下的电力系统调度

在发电环节引入竞争后，市场化运营与电力系统统一调度的关系需要从机制上明确和理顺，既要培育适应市场竞争的企业主体，又要保证电网继续垄断运行，保证满足负荷需求情况下的电网安全稳定运行，这是引入竞争、开展竞争的前提和基础。我国国民经济正处于快速发展时期，需要电力在确保重大经济目标方面继续发挥基础工业的重要作用，电网集中统一调度对确保系统的安全经济运行具有重大意义。因此，促进发电企业竞争和电网统一运行和管理需要统筹考虑。在电力体制由计划经济体制转向市场经济体制后，虽然电力系统调度机构仍垄断运行，并成立相应的电网公司，其原有作用不会发生很大的变化，但是调度机构在以下两方面的职能仍有较大的变化：①市场化后，调度机构在电力系统中的地位发生了变化。调度机构的公用性决定了它有必要独立于电力交易实体，以保持中立公正的地位；②市场化后，调度实现原有功能的方法会发生重大变化。

3 大型互联电力系统中的阻塞管理

前已述及，市场化以后，电力系统的运行更接近于其运行极限，电力交易涉及的范围也更大。这样，用于解决设备和系统运行约束限制的阻塞管理就成为一个非常重要的问题。阻塞管理是伴随着电力工业的市场化改革而被引入的新术语，其涉及面很广，包括静态和动态安全分析，以及预防和紧急控制。

在传统的垂直一体化垄断管理的电力系统的运行中也存在阻塞问题，但可以比较方便地采用发电再调度（预防性调度或校正调度）来解决，因为改变发电机的出力不牵涉经济利益的分配问题。电力工业市场化以后，发电公司和电网公司分离，各个发电公司有着自己的、相互冲突的利润最大化的目标。由于发电再调度会影响各个发电公司的利益，阻塞管理除了要保证运行安全性外，还必须考虑公平性，这比传统电力系统中的阻塞管理问题复杂得多，也困难得多。此外，由于在电力市场环境下，发电调度是基于发电公司的报价而非可变生产成本，而发电公司的报价可能随着市场情况的变化（如：负荷的升降和系统中发电富裕容量的变化）而发生明显的变化，系统的运行模式和市场化改革前会有很大的不同，变化也更为频繁。由于输电系统是基于传统的发电系统规划和调度模式而规划的，在新的调度模式下，阻塞发生的机会要大得多。在电力市场环境下，竞争的压力和对降低成本的关心会引起市场参与者之间的利益冲突。调度员倾向于采用保守的、充裕的备用容量，而参与交易的各方则希望更充分地利用区域内部或区域之间的联络线的容量，备用裕度越小越好。安全分析中采用的支路容量极限大都是线路或设备的热极限。

4 多区域阻塞管理

在由隶属于不同控制区域的几个子网络所组成的互联网络中，可以采用两种方式调度：一种是对整个网络采用集中调度；另一种是采用两层调度，即在上一层设立系统调度机构，而在下一层的每个控制区域也设立调度机构。PJM电力市场采用了集中调度的方式。当采用两层调度机构进行阻塞管理时，这种方法则可称为多区域阻塞管理。对于大规模互联电力系统，从实时安全分析计算和实现的角度看，采用多区域阻塞管理方法更为合适。

采用多区域阻塞管理时，下层的调度机构主要负责其属下的调度机构的阻塞管理问题，而上层的调度机构则负责整个系统的阻塞管理问题。主要过程为：

1）在周前和日前调度中，整个网络的阻塞管理将由上层的调度机构负责。

2）对于小时前市场或10 min前的平衡市场调度，阻塞管理将由下述步骤完成：①每个下层的调度机构完成其控制区域的阻塞管理；②如果这样无法解决所有的阻塞问题，则由上层的调度机构对整个网络进行阻塞管理。

为了实现多区域阻塞管理，需要的技术支撑有：分层状态估计、实时等值模拟和潮流分解。

4.1 分层状态估计

对于有成千上万个节点的大规模电力系统，采用集中式状态估计是不现实的。这主要不是因为问题的维数太高，而是效率问题。如果采用集中式状态估计，则需要把从整个网络各处的RTU获得的原始量测（粗数据）送到调度机构，进行坏数据检测和校正，处理丢失的量测量，这样做工作量太大。如果采用分层状态估计，则送到上层调度机构的是已经校正过的和完整的数据。分层状态估计包括两个层次：第一层和第二层的状态估计分别由下层和上层的调度机构完成。在第一层的状态估计完成以后，各个下层调度机构将估计的状态向量送到上层的调度机构，之后，上层调度机构基于由第一层状态估计得到的边界节点的估计电压和联络线的功率测量，进行第二层状态估计。第一层状态估计的结果可以在每5 s向上层调度机构发送一次，更新

结果。

4.2 实时等值模拟

在多区域阻塞管理中，上层调度机构有责任为每一个下层调度机构发展网络等值模型，这可以在每5～10 min进行一次。每一个下层调度机构可以基于网络等值模型进行本区域的阻塞管理。静态等值已经比较成熟，大多数商业化的EMS软件都具备这个功能。至于动态等值，则还需要对现有方法进行认真的比较分析。

4.3 潮流分解

对于上万个节点的电力系统，有时难以求得潮流解。这时可以采用分解技术来解决这一问题。具体过程是：对每一个子网络分别进行潮流计算，之后对这些子网络的潮流结果进行协调以获得整个网络的潮流解。总之，对于大规模互联电力系统，如果采用集中方式进行阻塞管理，计算量会很大。如果考虑了动态安全约束情况会尤为严重，实现起来也比较困难。采用多区域阻塞管理方法可以明显减少计算量，对于我国将来要实现的国家和大区分层电力市场，建议采用该方法。

5 结语

大量的研究分析和国际上改革后的电力工业发展状况表明，电力工业的市场化改革会对长期电力供给的安全性和可靠性产生负面的影响，加州发生的电力危机就是一个典型的例子。发电和输电投资不足引起的容量短缺、进而影响电力系统运行的可靠性和安全性问题，在多个国家和地区的电力市场已经逐步显现出来，在我国的电力工业改革中必须对此问题给予充分的重视。至于电力系统运行的短期安全性，到目前为止，国际上还没有发生过与电力市场化改革直接相关的严重的电力系统运行事故。但由于改革带来的竞争压力所导致的削减成本、进而造成的电力系统安全事故则已经多次发生，必须引以

为鉴。

参考文献

[1] 侯小力，李玉珊.电力市场环境的研究 [J].电力学报，2007（4）.

[2] 陆志平.论无人值班变电所的运行管理与故障处理[J].中国高新技术企业，2008（14）.