市場(chǎng)環(huán)境下的電力系統(tǒng)調(diào)度相關(guān)技術(shù)探討

尹剛

摘 要：該文基于筆者多年從事電力調(diào)度的相關(guān)問題研究，首先分析了電力市場(chǎng)環(huán)境下的短期運(yùn)行安全性問題，進(jìn)而探討了電力市場(chǎng)環(huán)境下的電力系統(tǒng)調(diào)度，在此基礎(chǔ)上，探討了大型互聯(lián)電力系統(tǒng)中的阻塞管理問題和多區(qū)域阻塞管理問題，全文是筆者長期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電力市場(chǎng) 電力系統(tǒng) 調(diào)度 阻塞管理

中圖分類號(hào)：TM7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（b）-00-02

我國電力系統(tǒng)雖然在最近20年里得到了快速的發(fā)展，但電網(wǎng)依然薄弱，還存在相當(dāng)多的安全隱患。在電力體制改革的過渡時(shí)期，在市場(chǎng)參與者需要承擔(dān)的責(zé)任尚不明確的情況下，安全性風(fēng)險(xiǎn)更大，因此更要把電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性作為頭等大事來抓。電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性也是電力改革能否順利進(jìn)行的重要條件和成功與否的重要標(biāo)志。從大的方面講，電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性包括兩個(gè)方面，即短期運(yùn)行安全性和長期電力供應(yīng)的安全性。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)工業(yè)中，電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性通常指短期運(yùn)行安全性，而長期電力供應(yīng)的安全性通常沒有問題。因?yàn)殡娏居胸?zé)任通過輸配電系統(tǒng)的擴(kuò)展來保證之，而政府和監(jiān)管機(jī)構(gòu)保證電力公司能夠回收有關(guān)的成本。在電力市場(chǎng)環(huán)境下，長期電力供應(yīng)的安全性無法得到保證，因?yàn)檩旊姽竞桶l(fā)電公司都沒有能力、也沒有義務(wù)承擔(dān)這樣的責(zé)任。因而研究電力市場(chǎng)環(huán)境下電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性就需要考慮長期電力供應(yīng)的安全性。在電力市場(chǎng)環(huán)境下，對(duì)于調(diào)度機(jī)構(gòu)來講，其調(diào)度的目標(biāo)應(yīng)該為：①維持系統(tǒng)運(yùn)行的安全性；②容納盡可能多的交易；③識(shí)別合同間潛在的沖突條件。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，必須進(jìn)行可用輸電容量（ATC）的計(jì)算，且需要滿足下述要求：計(jì)算結(jié)果必須可靠，要合理計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行條件的不確定性，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。

1 電力市場(chǎng)環(huán)境下的短期運(yùn)行安全性問題

風(fēng)靡全球的電力工業(yè)改革和互聯(lián)電網(wǎng)的發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求。由于經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的約束，電力系統(tǒng)將運(yùn)行在更接近安全穩(wěn)定極限的條件下，電力工業(yè)的市場(chǎng)化運(yùn)行和新技術(shù)的采用增加了電力系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜性。電力系統(tǒng)控制中心在承擔(dān)了傳統(tǒng)的技術(shù)任務(wù)以外，還增加了很多與電力市場(chǎng)和交易有關(guān)的工作，其在運(yùn)行和控制中所擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧腿蝿?wù)變得更加復(fù)雜和繁重。電力系統(tǒng)運(yùn)行人員面對(duì)更大的壓力和更少的選擇性。

電力工業(yè)市場(chǎng)化后，電力系統(tǒng)的物理功能仍保持不變，但電力市場(chǎng)的參與者有不同的目標(biāo)和商業(yè)利益。電力工業(yè)市場(chǎng)化改革對(duì)電力系統(tǒng)的安全性與可靠性會(huì)有怎樣的影響是一個(gè)值得研究的重要問題。

圖1

1.1 降低成本的壓力

輸電系統(tǒng)開放和電力工業(yè)的市場(chǎng)化改革帶來了削減成本的壓力，包括設(shè)備、維修和人工成本。這對(duì)發(fā)電公司和輸電公司都適用。發(fā)電公司為了增加利潤，自然會(huì)盡可能降低成本。隨著基于績效的管制（Performance Based Regulation，簡稱PBR）的逐步推廣應(yīng)用，輸電公司雖然仍為嚴(yán)格管制下的機(jī)構(gòu)，但在PBR管制模式下，輸電公司的允許利潤要與其運(yùn)營效率和成本掛鉤。

1.2 潮流增加

基于報(bào)價(jià)的調(diào)度使得潮流模式頻繁發(fā)生大幅度的變化，經(jīng)常出現(xiàn)意料之外的調(diào)度模式。由于調(diào)度員對(duì)這些運(yùn)行模式不熟悉，增加了發(fā)生安全性事故的機(jī)會(huì)。輸電系統(tǒng)開放導(dǎo)致系統(tǒng)中潮流增加，即便不超過線路的額定容量，潮流增加也會(huì)引起問題。如：輸電富裕容量減少，全系統(tǒng)的安全性和可靠性降低。此外，由于相鄰系統(tǒng)間的潮流增加，系統(tǒng)的安全性和可靠性對(duì)其他系統(tǒng)的依賴性增加，鄰近系統(tǒng)發(fā)生故障對(duì)本地系統(tǒng)運(yùn)行的安全性的影響也增加了。

1.3 合作和協(xié)調(diào)關(guān)系削弱的影響

電氣上同步的系統(tǒng)，為了確保安全性和可靠性，應(yīng)作為一個(gè)整體來運(yùn)行。輸電系統(tǒng)開放和電力工業(yè)的市場(chǎng)化運(yùn)行使得系統(tǒng)的潮流增加，從安全性和可靠性的角度看，按同一個(gè)模式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行集中管理的必要性增加了，與其他電力公司合作、協(xié)調(diào)變得更加重要了；另一方面，由于發(fā)電公司之間的競爭以及發(fā)電與輸電的分離，引起了很多問題，難以按一個(gè)模式統(tǒng)一管理。

2 電力市場(chǎng)環(huán)境下的電力系統(tǒng)調(diào)度

在發(fā)電環(huán)節(jié)引入競爭后，市場(chǎng)化運(yùn)營與電力系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度的關(guān)系需要從機(jī)制上明確和理順，既要培育適應(yīng)市場(chǎng)競爭的企業(yè)主體，又要保證電網(wǎng)繼續(xù)壟斷運(yùn)行，保證滿足負(fù)荷需求情況下的電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，這是引入競爭、開展競爭的前提和基礎(chǔ)。我國國民經(jīng)濟(jì)正處于快速發(fā)展時(shí)期，需要電力在確保重大經(jīng)濟(jì)目標(biāo)方面繼續(xù)發(fā)揮基礎(chǔ)工業(yè)的重要作用，電網(wǎng)集中統(tǒng)一調(diào)度對(duì)確保系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重大意義。因此，促進(jìn)發(fā)電企業(yè)競爭和電網(wǎng)統(tǒng)一運(yùn)行和管理需要統(tǒng)籌考慮。在電力體制由計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制轉(zhuǎn)向市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制后，雖然電力系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)仍壟斷運(yùn)行，并成立相應(yīng)的電網(wǎng)公司，其原有作用不會(huì)發(fā)生很大的變化，但是調(diào)度機(jī)構(gòu)在以下兩方面的職能仍有較大的變化：①市場(chǎng)化后，調(diào)度機(jī)構(gòu)在電力系統(tǒng)中的地位發(fā)生了變化。調(diào)度機(jī)構(gòu)的公用性決定了它有必要獨(dú)立于電力交易實(shí)體，以保持中立公正的地位；②市場(chǎng)化后，調(diào)度實(shí)現(xiàn)原有功能的方法會(huì)發(fā)生重大變化。

3 大型互聯(lián)電力系統(tǒng)中的阻塞管理

前已述及，市場(chǎng)化以后，電力系統(tǒng)的運(yùn)行更接近于其運(yùn)行極限，電力交易涉及的范圍也更大。這樣，用于解決設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行約束限制的阻塞管理就成為一個(gè)非常重要的問題。阻塞管理是伴隨著電力工業(yè)的市場(chǎng)化改革而被引入的新術(shù)語，其涉及面很廣，包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)安全分析，以及預(yù)防和緊急控制。

在傳統(tǒng)的垂直一體化壟斷管理的電力系統(tǒng)的運(yùn)行中也存在阻塞問題，但可以比較方便地采用發(fā)電再調(diào)度（預(yù)防性調(diào)度或校正調(diào)度）來解決，因?yàn)楦淖儼l(fā)電機(jī)的出力不牽涉經(jīng)濟(jì)利益的分配問題。電力工業(yè)市場(chǎng)化以后，發(fā)電公司和電網(wǎng)公司分離，各個(gè)發(fā)電公司有著自己的、相互沖突的利潤最大化的目標(biāo)。由于發(fā)電再調(diào)度會(huì)影響各個(gè)發(fā)電公司的利益，阻塞管理除了要保證運(yùn)行安全性外，還必須考慮公平性，這比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的阻塞管理問題復(fù)雜得多，也困難得多。此外，由于在電力市場(chǎng)環(huán)境下，發(fā)電調(diào)度是基于發(fā)電公司的報(bào)價(jià)而非可變生產(chǎn)成本，而發(fā)電公司的報(bào)價(jià)可能隨著市場(chǎng)情況的變化（如：負(fù)荷的升降和系統(tǒng)中發(fā)電富裕容量的變化）而發(fā)生明顯的變化，系統(tǒng)的運(yùn)行模式和市場(chǎng)化改革前會(huì)有很大的不同，變化也更為頻繁。由于輸電系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃和調(diào)度模式而規(guī)劃的，在新的調(diào)度模式下，阻塞發(fā)生的機(jī)會(huì)要大得多。在電力市場(chǎng)環(huán)境下，競爭的壓力和對(duì)降低成本的關(guān)心會(huì)引起市場(chǎng)參與者之間的利益沖突。調(diào)度員傾向于采用保守的、充裕的備用容量，而參與交易的各方則希望更充分地利用區(qū)域內(nèi)部或區(qū)域之間的聯(lián)絡(luò)線的容量，備用裕度越小越好。安全分析中采用的支路容量極限大都是線路或設(shè)備的熱極限。

4 多區(qū)域阻塞管理

在由隸屬于不同控制區(qū)域的幾個(gè)子網(wǎng)絡(luò)所組成的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，可以采用兩種方式調(diào)度：一種是對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用集中調(diào)度；另一種是采用兩層調(diào)度，即在上一層設(shè)立系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)，而在下一層的每個(gè)控制區(qū)域也設(shè)立調(diào)度機(jī)構(gòu)。PJM電力市場(chǎng)采用了集中調(diào)度的方式。當(dāng)采用兩層調(diào)度機(jī)構(gòu)進(jìn)行阻塞管理時(shí)，這種方法則可稱為多區(qū)域阻塞管理。對(duì)于大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)，從實(shí)時(shí)安全分析計(jì)算和實(shí)現(xiàn)的角度看，采用多區(qū)域阻塞管理方法更為合適。

采用多區(qū)域阻塞管理時(shí)，下層的調(diào)度機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)其屬下的調(diào)度機(jī)構(gòu)的阻塞管理問題，而上層的調(diào)度機(jī)構(gòu)則負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的阻塞管理問題。主要過程為：

1）在周前和日前調(diào)度中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的阻塞管理將由上層的調(diào)度機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)。

2）對(duì)于小時(shí)前市場(chǎng)或10 min前的平衡市場(chǎng)調(diào)度，阻塞管理將由下述步驟完成：①每個(gè)下層的調(diào)度機(jī)構(gòu)完成其控制區(qū)域的阻塞管理；②如果這樣無法解決所有的阻塞問題，則由上層的調(diào)度機(jī)構(gòu)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行阻塞管理。

為了實(shí)現(xiàn)多區(qū)域阻塞管理，需要的技術(shù)支撐有：分層狀態(tài)估計(jì)、實(shí)時(shí)等值模擬和潮流分解。

4.1 分層狀態(tài)估計(jì)

對(duì)于有成千上萬個(gè)節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模電力系統(tǒng)，采用集中式狀態(tài)估計(jì)是不現(xiàn)實(shí)的。這主要不是因?yàn)閱栴}的維數(shù)太高，而是效率問題。如果采用集中式狀態(tài)估計(jì)，則需要把從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)各處的RTU獲得的原始量測(cè)（粗?jǐn)?shù)據(jù)）送到調(diào)度機(jī)構(gòu)，進(jìn)行壞數(shù)據(jù)檢測(cè)和校正，處理丟失的量測(cè)量，這樣做工作量太大。如果采用分層狀態(tài)估計(jì)，則送到上層調(diào)度機(jī)構(gòu)的是已經(jīng)校正過的和完整的數(shù)據(jù)。分層狀態(tài)估計(jì)包括兩個(gè)層次：第一層和第二層的狀態(tài)估計(jì)分別由下層和上層的調(diào)度機(jī)構(gòu)完成。在第一層的狀態(tài)估計(jì)完成以后，各個(gè)下層調(diào)度機(jī)構(gòu)將估計(jì)的狀態(tài)向量送到上層的調(diào)度機(jī)構(gòu)，之后，上層調(diào)度機(jī)構(gòu)基于由第一層狀態(tài)估計(jì)得到的邊界節(jié)點(diǎn)的估計(jì)電壓和聯(lián)絡(luò)線的功率測(cè)量，進(jìn)行第二層狀態(tài)估計(jì)。第一層狀態(tài)估計(jì)的結(jié)果可以在每5 s向上層調(diào)度機(jī)構(gòu)發(fā)送一次，更新

結(jié)果。

4.2 實(shí)時(shí)等值模擬

在多區(qū)域阻塞管理中，上層調(diào)度機(jī)構(gòu)有責(zé)任為每一個(gè)下層調(diào)度機(jī)構(gòu)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)等值模型，這可以在每5～10 min進(jìn)行一次。每一個(gè)下層調(diào)度機(jī)構(gòu)可以基于網(wǎng)絡(luò)等值模型進(jìn)行本區(qū)域的阻塞管理。靜態(tài)等值已經(jīng)比較成熟，大多數(shù)商業(yè)化的EMS軟件都具備這個(gè)功能。至于動(dòng)態(tài)等值，則還需要對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)行認(rèn)真的比較分析。

4.3 潮流分解

對(duì)于上萬個(gè)節(jié)點(diǎn)的電力系統(tǒng)，有時(shí)難以求得潮流解。這時(shí)可以采用分解技術(shù)來解決這一問題。具體過程是：對(duì)每一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行潮流計(jì)算，之后對(duì)這些子網(wǎng)絡(luò)的潮流結(jié)果進(jìn)行協(xié)調(diào)以獲得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的潮流解?？傊?，對(duì)于大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)，如果采用集中方式進(jìn)行阻塞管理，計(jì)算量會(huì)很大。如果考慮了動(dòng)態(tài)安全約束情況會(huì)尤為嚴(yán)重，實(shí)現(xiàn)起來也比較困難。采用多區(qū)域阻塞管理方法可以明顯減少計(jì)算量，對(duì)于我國將來要實(shí)現(xiàn)的國家和大區(qū)分層電力市場(chǎng)，建議采用該方法。

5 結(jié)語

大量的研究分析和國際上改革后的電力工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r表明，電力工業(yè)的市場(chǎng)化改革會(huì)對(duì)長期電力供給的安全性和可靠性產(chǎn)生負(fù)面的影響，加州發(fā)生的電力危機(jī)就是一個(gè)典型的例子。發(fā)電和輸電投資不足引起的容量短缺、進(jìn)而影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性問題，在多個(gè)國家和地區(qū)的電力市場(chǎng)已經(jīng)逐步顯現(xiàn)出來，在我國的電力工業(yè)改革中必須對(duì)此問題給予充分的重視。至于電力系統(tǒng)運(yùn)行的短期安全性，到目前為止，國際上還沒有發(fā)生過與電力市場(chǎng)化改革直接相關(guān)的嚴(yán)重的電力系統(tǒng)運(yùn)行事故。但由于改革帶來的競爭壓力所導(dǎo)致的削減成本、進(jìn)而造成的電力系統(tǒng)安全事故則已經(jīng)多次發(fā)生，必須引以

為鑒。

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