摘要：本文深入分析电力市场化变革对输电规划带来的新的特点和挑战,从建设成本COCs(costs ofconstruction),电力不足期望值EENS(expected energy not supplied)、用户停电损失COC(customer outage cost)和收益率讨论。输电扩展规划作为一个约束的多目标优化问题,是可以由启发式优化方法如遗传算法解决的。进一步从投资人的角度考虑,采用最大最小后悔值法验证各方案。在规划案例研究显示了该方法的有效性。
关键词：输电网；规划；可靠性分析
中图分类号：TM621.5文献标识码：A
1 电网规划概述
在管制的环境下,输电计划的目标,是要确保系统尽可能高的可靠性。与解除管制的环境相比,在规划过程中,相对较少的经济关注,因为规划者往往不担心如何弥补投资。规划者基于所有的现有历史数据制定出选择性的扩展规划。在规划中,可选择的规划将在不同的系统方案中测试以完成其他的目标和约束。可接受的鲁棒性规划,在所有各种设想和考虑条件下应能提供可靠的负载。规划者在所有鲁棒性规划中选择相对投资最小规划作为最终扩展规划。在解除管制的环境下,竞争创造了一个竞争的电力市场。因此,规划者需要考虑的不仅仅是系统可靠性约束还要考虑经济和金融的限制。在一个竞争的电力市场下,电力系统规划不再是一个计划,相反,它是一个扩展战略。
1.1 电力系统可靠性
可靠性作为电力商品的重要属性之一,直接影响用户在市场环境下的选择经济行为,同时也直接关系到电价的制定和输电投资者的收益状况。可靠性,可以被看作是在给客户提供满意品质的持续服务的保证程度。按可接受标准和期望数量向供电点供应电力和电能量的能力的度量,可包括充裕性和安全性两方面。充裕性指标反映在研究时间段内发输电系统在静态条件下系统容量满足负荷电力和电能量需求的程度,而安全性指标主要从系统的动态特性角度出发。充裕,是与静态条件,其中并不包括系统紊乱。安全,涉及到在系统内,系统对出现扰动的反应能力。
从目前可靠性评价技术考虑,在电网规划中一般考虑充裕性的可靠性指标。缺乏运行的发电容量,可以打破供需平衡,将导致负荷脱落,像发电系统,有限的运输能力,将导致过负荷。换一句话说,好的电力系统可靠性评估可以为最小化系统中断的可能性提高更有效的解决方案。
1.2 电力系统不确定性
Knight中定义不确定性是指随机性与不可知的概率。不确定性在电力系统规划里包括:天气、需求增长、燃料成本,建设周期,市场影响,社会环境,经济增长,其他参与者行动等。
与传统管制环境相比,解除管制的电力市场环境带来了更多随机的、非随机的以及具有模糊性的不确定性因素,对系统规划提出更高的要求。市场环境下与电网规划相关的不确定因素主要表现在以下几个方面:①与发电侧相关的不确定性;②与负荷相关的不确定性;③系统潮流的不确定性;④投资回报的不确定性;⑤其他方面的不确定性,主要包括输电环节的不确定性,市场不确定性和具有模糊特性的不确定性。
1.3 经济分析
在竞争的市场中,为保持系统足够的运行容量而投入大量资金是不可能的。在竞争的市场中,投资者不仅仅考虑投资费用,还要考虑他们能从投资中得到多少回报。因此,在市场环境下,投资回报率是一个费用重要的规划指标。
在竞争市场下,可靠性也可以通过经济核算观点计算。例如经济损失由于可靠性问题产生的不同部门客户经济损失将来列入用户赔偿函数CDF(customer damage functions),它广泛被用于计算可靠性价值。可靠性可以容易地通过供电失败惩罚费用计算。
1.4 决策分析
大部分的输电线是为长期运行寿命设计的。期间,任何意料不到的改变可能发生。一旦开始建设,投资不得不承认他们的决策超过规划水平年。错误决策的结果可能是损失惨重的。因此,投资决策是电网扩展规划中最重要的部分。
决策理论已经被用于电力部门处理不确定性,以最大限度地减少风险。当制订决策时,所有相关因素将通过概率计算量化他们,以计算入决策。一些考虑事项已经进入决策过程,其中包括成本最小化,技术风险,地方经济的考虑,以及财政,生态,及调整事宜。
2 市场环境下的扩展规划
2.1 目标函数
电力系统规划是一个复杂问题,需要解决不同的社会群体如投资者、客户、员工等的目标函数。这些目标函数是相互冲突的。多目标优化方法用于使最佳决策方案尽可能接近非劣解前沿。电网规划方法的多目标函数为
式中:CT为输电线路的建设成本;ci为单位长度单位MW的成本,$/(MW·km);li为第i根输电线路的长度Kmu;fti为交易时间t引起的输电线i上的最大潮流;ηmn为节点m到节点n的新建输电线;Lkj为由于偶然事件j导致节点k损失的负荷;Dj为由偶然事件j损失负荷的持续时间;Cj为在节点k上由偶然事件j和损失持续时间Dj造成的损失费用;fj为停电j发生的频率;EENS和COC为系统电力不足期望值和用户停电损失费用;TC为所有线路的总投资,它包括运行成本,历史容量投资,为未来扩展和相关强化的后续投资;λ为利率;n为表示某阶段t的输电线路总数;T为表示建设阶段总数。
2.2 约束条件
在电力市场环境下,需要考虑的可靠性约束条件通常包含两类:一个是确定性的可靠性准则,另一个是概率可靠性准则。概率可靠性准则通过最小化规划后系统的EENS如式(3)和式(4)所示,在确定性的可靠性准则的基础上提高系统可靠性,进一步保证系统可靠性运行;可靠性准则如正常情况为
2.3 假设
提出的输电网规划的重点是:通过充分仔细的分析,设计出合理的系统以反映实际系统的复杂性。一些为本文研究的重点如下。
2.3.1 为分析由输电线导致的不同,假设发电系统是100%可靠的,因此,在发电侧没有停电事件。
2.3.2 假设支线过负荷可以通过重新配置和负荷分配解决。
2.3.3 本文算例MRBTS的负荷持续曲线如图1所示。
图1MRBTS系统的负荷持续曲线
2.4 本方法的关键
2.4.1 可靠性分析
在市场环境下对可靠性要求更高,仅以N-1安全作为约束条件则显得不足,系统函数是由独立的系统运行员解决的。他们的目标是最小化电力供应不足期望值引起的潮流危害。因此,电力供应不足期望值(EENS),在一个完整的实用模型里是一个约束,在重构的电力系统里已经转移到独立系统运行员的目标中,电力供应不足期望值(EENS)已经是系统可靠性的指标。
2.4.2可靠性成本
在竞争的市场里,可靠性成本的评估更加重要。用户停电损失费用在负荷点ke可以用中断持续时间来计算,综合用户损失函数CCDF(composite customer damage function)是由各部分的用户损失函数的合计组成的。它表示中断损失和中断持续时间在每个特别负荷点的关系。平均失败率和平均中断时间的关系已经给出。
2.5风险分析
由于不能确保遗传算法能够找到绝对最优解和其他在规划中的不确定性,风险分析用于帮助规划者制定最终的方案。在电网规划问题中充分考虑并有效规避风险,可以提高规划方案的准确性和对未来变化情况的适应能力。同时,有效降低风险也是对输电投资的一种内在激励。
在风险投资范例中,最佳解决方案通过最大最小后悔准则方法选取。所谓后悔值是指决策者在某种自然状态下,本应选取收益最大的方案获得最大收益时,选择了其他方案而造成的机会损失的损失值。在被提议的方法中,最小化遍及未来的最大权重后悔值的规划被选择为最终规划方案。
3算例分析
选用Billinton教授设计的可靠性测试系统MRBTS-BUS5(modified roy billinton test system)作为算例,负荷、线路数据等原始数据。该系统只进行电网的扩展,不进行电源的扩展,所以本文以电网规划为例。规划结果和可靠性数据。文中根据每提高一定的可靠性,扩建费用最小的目标得到11个优化方案。
采用本文计算数学模型,分别计算各方案的电力不足期望值(EENS)、用户停电损失费用(COC)、建设成本(COST)以及收益率如表1所示。为了得到合理的结果,通常采用遗传算法来计算得到合理的方案。经遗传算法计算,在迭代50次后,得到了最优方案。方案3能够达到最低的缺电损失成本和建设成本,取得合理的收益率。
表1 各方案费用详细列表
采用最大最小后悔准则,计算各方案在不同的负荷增长情况下的效益值如表3所示。
4结语
随着电力市场化改革的深入,创造了一个解除管制电力市场,同时对系统规划带来了新的挑战。电网规划的目的是为电网公司决定一个合理优化的规划方案。从规划者的角度看,规划是一个考虑许多制约因素下,平衡多个存在冲突的目标的过程。电网规划的主要目标是尽可能经济地确保可靠的满足要求的电力供应。在本文中,新的方法是,在满足潮流和安全约束的条件下,使电力不足期望值(EENS)、投资费用最小,使效益成本最大。采用改进的遗传算法(GA)解决多目标优化问题。新的方法,一方面用最少的投资达到尽可能高的可靠性,另一方面最大化了投资效益,增加了输电公司的竞争优势。
参考文献
[1]赵凤治.输电网最优设计[M].深圳大学学报，1997-09-30.