輸配協(xié)同下的輸配能量市場(chǎng)雙層出清模式

曹旭東,姜業(yè)宇,李賽龍,于 娜

(1．國(guó)家電網(wǎng)公司長(zhǎng)春市供電公司,吉林 長(zhǎng)春 131000;2．現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北電力大學(xué)),吉林 吉林 132012;3．中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130021)

0 引 言

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中,輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)均被獨(dú)立管理,通常使用等效模型將輸電網(wǎng)視為虛擬電源,而將配電網(wǎng)視為虛擬負(fù)荷。市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的組織和開(kāi)展主要集中于輸電運(yùn)營(yíng)商(Transmission System Operator,TSO)管理的集中現(xiàn)貨市場(chǎng),這種分離管理模式可能導(dǎo)致電壓波動(dòng)和可再生能源消納問(wèn)題。但隨著分布式電源(Distribution Generator DG)和可控設(shè)備在配電網(wǎng)的廣泛應(yīng)用,傳統(tǒng)的配電網(wǎng)演變?yōu)橹鲃?dòng)配電網(wǎng)[1],具有更高的可控性和靈活性。它不再僅僅扮演負(fù)荷的角色,而變成了虛擬電源,與輸電網(wǎng)緊密耦合[2]。此外,中發(fā)9號(hào)文件的發(fā)布開(kāi)放了售電側(cè)市場(chǎng)[3-4],配電運(yùn)營(yíng)商(Distribution System Operator,DSO)為分布式電源提供了交易平臺(tái)[5-7]。隨著可再生能源容量的增加,系統(tǒng)的資源調(diào)節(jié)需求也增加。因此,通過(guò)協(xié)調(diào)輸配電力市場(chǎng)的運(yùn)作,以整合資源,成為解決這一問(wèn)題的必要手段。

輸配協(xié)同電力市場(chǎng)的特點(diǎn)在于輸配電網(wǎng)的決策存在博弈,通過(guò)反復(fù)的策略調(diào)整,最終達(dá)到納什均衡,以此實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)雙方利益的最大化。在電力市場(chǎng)環(huán)境下,研究能增進(jìn)市場(chǎng)雙方利益的輸配協(xié)同機(jī)制變得至關(guān)重要。

目前國(guó)內(nèi)外已有大量文獻(xiàn)涉及輸配協(xié)同決策方法的研究。文獻(xiàn)[8]將輸電網(wǎng)在輸配邊界處進(jìn)行戴維南等值,通過(guò)調(diào)整等值參數(shù)感知配電網(wǎng)負(fù)荷變化后態(tài)勢(shì),計(jì)算速度較主從分裂方法有明顯提升。文獻(xiàn)[9]構(gòu)建輸配協(xié)同下TSO與DSO分層經(jīng)濟(jì)調(diào)控模型,采用Benders算法對(duì)模型進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[10]考慮設(shè)備與線路容量配比關(guān)系,綜合考慮系統(tǒng)供需能力、供電區(qū)域等因素,構(gòu)建了輸配協(xié)同下系統(tǒng)容量配置模型。文獻(xiàn)[11]基于改進(jìn)并行子空間算法對(duì)輸配兩級(jí)電網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。文獻(xiàn)[12]綜合考慮市場(chǎng)各方的利益,提出一種輸配電網(wǎng)分層分布式多元協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法。文獻(xiàn)[13]計(jì)及了高比例可再生能源接入輸配系統(tǒng)所帶來(lái)的影響,在輸配協(xié)同模型中融入改進(jìn)區(qū)間法以降低不確定性。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文基于輸配協(xié)同電力市場(chǎng)的特點(diǎn)提出一種輸配協(xié)同下的輸配能量市場(chǎng)雙層出清模式,構(gòu)建輸配協(xié)同下的TSO與DSO雙層優(yōu)化模型,并在決策模型中引入風(fēng)電協(xié)調(diào)價(jià)格以保證風(fēng)電消納。利用KKT條件將雙層決策模型轉(zhuǎn)換成單層決策模型。最后利用輸配耦合測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行算例分析,驗(yàn)證所提模型的合理性與經(jīng)濟(jì)性。

1 輸配電能市場(chǎng)雙層出清模式

輸電網(wǎng)TSO和配電網(wǎng)DSO作為不同的市場(chǎng)組織運(yùn)營(yíng)主體,在隨著我國(guó)電力市場(chǎng)改革的不斷深入,二者之間的聯(lián)系愈加緊密。研究輸配協(xié)同在減輕復(fù)雜大電網(wǎng)整體調(diào)度的壓力的同時(shí),也能整合輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)側(cè)的靈活調(diào)節(jié)資源,實(shí)現(xiàn)能源間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

1.1 輸配電能市場(chǎng)協(xié)同出清機(jī)制

隨著配電網(wǎng)日益主動(dòng)化、市場(chǎng)化的發(fā)展趨勢(shì),TSO與DSO互動(dòng)關(guān)系日益緊密,在電網(wǎng)的可靠、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用,TSO與DSO物理協(xié)同系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 TSO與DSO物理協(xié)同模型

配電網(wǎng)與輸電網(wǎng)通過(guò)配電變電站連接。配網(wǎng)包含靈活可控資源,DSO通過(guò)調(diào)整分布式電源和可控設(shè)備來(lái)管理配網(wǎng),確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,并為配網(wǎng)市場(chǎng)提供技術(shù)支持。DSO根據(jù)配網(wǎng)運(yùn)行情況,在市場(chǎng)發(fā)電和用電主體之間做出最優(yōu)選擇,參與TSO現(xiàn)貨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)配網(wǎng)供電不足時(shí),DSO作為用電主體購(gòu)電;當(dāng)供電超過(guò)需求時(shí),DSO作為發(fā)電主體售電。DSO根據(jù)電能供需情況與TSO互動(dòng)并做出決策,影響TSO現(xiàn)貨市場(chǎng)交易結(jié)果。DSO通過(guò)調(diào)整購(gòu)售電量影響配電市場(chǎng)交易結(jié)果,最終實(shí)現(xiàn)最優(yōu)市場(chǎng)交易結(jié)果,提升全網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

為均衡TSO與DSO不同的利益訴求,構(gòu)建基于循環(huán)迭代的TSO與DSO的協(xié)同出清模式如圖2所示。由圖2可知,TSO決策模型和DSO決策模型協(xié)調(diào)機(jī)理。在輸電側(cè),TSO考慮負(fù)荷需求和投標(biāo)信息,并以社會(huì)福利最大化為目標(biāo)進(jìn)行市場(chǎng)出清,得到中標(biāo)電量和節(jié)點(diǎn)電價(jià)。在配電側(cè),DSO考慮發(fā)電投標(biāo)信息和市場(chǎng)電價(jià),并以購(gòu)電成本最小為目標(biāo)進(jìn)行市場(chǎng)出清,獲得節(jié)點(diǎn)電價(jià)和出清電量。TSO根據(jù)DSO提供的配電變電站市場(chǎng)電價(jià)再次進(jìn)行市場(chǎng)出清,進(jìn)行循環(huán)迭代,若在連續(xù)的數(shù)次迭代中每次的電能交換和出清價(jià)格波動(dòng)控制在一定范圍內(nèi),則認(rèn)為收斂,結(jié)束迭代并按所得結(jié)果進(jìn)行出清。

圖2 TSO與DSO迭代協(xié)同出清模型

1.2 TSO出清模型

輸電市場(chǎng)TSO決策模型采用直流最優(yōu)潮流模型,目標(biāo)函數(shù)為輸電網(wǎng)社會(huì)福利最大化。

目標(biāo)函數(shù):

(1)

輸電市場(chǎng)出清模型要滿足功率平衡約束、支路傳輸容量約束、輸配交換功率約束、分布式電源運(yùn)行約束、相角約束以及平衡節(jié)點(diǎn)的設(shè)定。

節(jié)點(diǎn)功率平衡約束:

(2)

支路傳輸容量約束:

(3)

輸配交換功率約束:

(4)

常規(guī)機(jī)組出力約束:

(5)

風(fēng)力機(jī)組出力約束:

(6)

相角約束:

-π≤θn,t≤π

(7)

平衡節(jié)點(diǎn)設(shè)定:

θt,n=1=0

(8)

基于上述TSO出清模型,根據(jù)參考文獻(xiàn)[15],由供需平衡等式求解出清價(jià)格,配電網(wǎng)與輸電網(wǎng)相連接的節(jié)點(diǎn)出清電價(jià)為

(9)

1.3 DSO出清模型

配電市場(chǎng)DSO決策模型采用二階錐松弛規(guī)劃理論進(jìn)行建模[16],目標(biāo)函數(shù)為DSO購(gòu)電成本最小,目標(biāo)函數(shù)如下:

(10)

配電市場(chǎng)決策模型要滿足的約束為系統(tǒng)功率平衡約束:

(11)

分布式風(fēng)電出力約束:

(12)

支路潮流約束[17]:

(13)

運(yùn)行安全約束:

(14)

分布式電源運(yùn)行約束:

(15)

二階錐松弛約束:

(16)

2 輸配電能市場(chǎng)雙層出清流程

根據(jù)TSO與DSO協(xié)同關(guān)系,構(gòu)建了雙層決策優(yōu)化模型。上層TSO采用的直流潮流模型。下層DSO采用基于二階錐優(yōu)化理論的交流潮流模型,利用KKT方法表示下層DSO決策模型最優(yōu)性條件,將雙層決策模型轉(zhuǎn)化為帶均衡約束的數(shù)學(xué)規(guī)劃單層決策模型。

2.1 基于MPEC的DSO電能出清優(yōu)化方法

(17)

s.t.公式(2)～公式(9)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

2.2 MPEC模型線性化

由于上述帶均衡約束的數(shù)學(xué)模型中互補(bǔ)約束條件的存在,使得轉(zhuǎn)化的MPEC模型為非線性模型,需對(duì)MPEC模型進(jìn)行線性化處理。

2.2.1 約束條件線性化

對(duì)于形為0≤x⊥y≥0的互補(bǔ)約束條件,可用Big-M方法進(jìn)行如下線性化處理。

(33)

公式中:u為0-1變量;M為足夠大正數(shù)。

對(duì)非線性約束公式(23)～公式(32)進(jìn)行精確線性化處理,如公式(34)～公式(53)所示。

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

(43)

(44)

(45)

(46)

(47)

(48)

(49)

(50)

(51)

(52)

(53)

2.2.2 目標(biāo)函數(shù)線性化

(54)

結(jié)合公式(9)可得:

(55)

將公式(55)帶入目標(biāo)函數(shù)公式(17)中將其轉(zhuǎn)化為線性表達(dá)式。最終,MPEC模型轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。

2.2 模型求解流程

DSO決策等價(jià)為帶均衡約束的數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題,經(jīng)二階錐規(guī)劃的對(duì)偶規(guī)劃和對(duì)TSO優(yōu)化KKT條件的線性化等效處理,進(jìn)一步等價(jià)為混合整數(shù)二階錐規(guī)劃問(wèn)題。本文中帶有均衡約束的單層規(guī)劃問(wèn)題的求解流程如圖3所示。模型的執(zhí)行步驟如下:

圖3 迭代出清流程

1)首先輸入系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù),系統(tǒng)各時(shí)段有功負(fù)荷需求曲線和初始報(bào)價(jià)等信息;

2)TSO根據(jù)社會(huì)福利最大化進(jìn)行出清,得到各發(fā)電商中標(biāo)情況和出清電價(jià)λs,t;

3)若某一風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電未完全消納,則計(jì)算該風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電協(xié)調(diào)價(jià)格,得出該風(fēng)電場(chǎng)新一輪的風(fēng)電報(bào)價(jià),重復(fù)步驟2,直至所有風(fēng)電場(chǎng)的產(chǎn)能都被完全消納,輸出出清電價(jià)λs,t;

4)DSO根據(jù)得到的λs,t以購(gòu)電成本最小為目標(biāo)進(jìn)行決策,得到配電運(yùn)營(yíng)商從主網(wǎng)購(gòu)買的電量Ps,t;

5)將配電運(yùn)營(yíng)商從主網(wǎng)購(gòu)買的電量Ps,t反饋至輸電運(yùn)營(yíng)商,調(diào)整出清電價(jià)λs,t,配電運(yùn)營(yíng)商重新計(jì)算主網(wǎng)購(gòu)電量,進(jìn)入循環(huán)迭代;

6)若迭代過(guò)程中相鄰兩次DSO的出清電價(jià)的2范數(shù)滿足精度要求,則認(rèn)為收斂,迭代過(guò)程結(jié)束;若不收斂,則判斷是否達(dá)到最大迭代次數(shù),若達(dá)到,則輸出結(jié)果。

3 算例分析

3.1 算例描述

在本節(jié)中,采用改進(jìn)的IEEE6節(jié)點(diǎn)輸電測(cè)試系統(tǒng)、9節(jié)點(diǎn)配電測(cè)試系統(tǒng)和7節(jié)點(diǎn)配電測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成的輸配耦合測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓敿?xì)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[23],以驗(yàn)證所提輸配協(xié)同下TSO與DSO雙層優(yōu)化決策模型的合理性。

圖4 輸配協(xié)同系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?/p>

輸配電測(cè)試系統(tǒng)中除G3,G6外均為常規(guī)機(jī)組。假設(shè)配電網(wǎng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功負(fù)荷大小為有功負(fù)荷的30%。風(fēng)電場(chǎng)的最大功率輸出為30 MW。輸配耦合測(cè)試系統(tǒng)有功負(fù)荷需求如圖5所示,風(fēng)電場(chǎng)的功率預(yù)測(cè)曲線如圖6所示。各發(fā)電主體的運(yùn)行參數(shù)如表1所示,輸配網(wǎng)交換功率的上下限如表2所示,最大迭代次數(shù)為200次,σ為5%[24]。

表1 輸配電網(wǎng)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

表2 輸配電網(wǎng)連接點(diǎn)數(shù)據(jù)信息

圖5 輸配協(xié)同系統(tǒng)各時(shí)段有功負(fù)荷需求曲線

圖6 風(fēng)電功率預(yù)測(cè)曲線

3.2 輸配協(xié)同下TSO與DSO決策結(jié)果分析

依據(jù)輸配測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)信息,按照本文提出的輸配協(xié)同迭代出清模型和輸配獨(dú)立出清模型進(jìn)行市場(chǎng)出清。設(shè)計(jì)兩種場(chǎng)景。其中場(chǎng)景一輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)獨(dú)立決策,不考慮輸配電之間的博弈,配電網(wǎng)視為固定負(fù)荷;場(chǎng)景二為考慮輸配電網(wǎng)之間的博弈,輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同出清。

在場(chǎng)景一下,配電網(wǎng)在市場(chǎng)出清的有功節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià),如圖7,圖8所示。

圖7 配電網(wǎng)1各節(jié)點(diǎn)在13時(shí)段有功節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)

圖8 配電網(wǎng)2各節(jié)點(diǎn)在13時(shí)段有功節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)

由圖7、圖8可知,配網(wǎng)1市場(chǎng)的有功節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)按照先降低后增高的趨勢(shì),在節(jié)點(diǎn)5處最低,而配網(wǎng)2市場(chǎng)的有功節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)按照先增大后降低的趨勢(shì),在節(jié)點(diǎn)4處最高。這是因?yàn)殡S著潮流流動(dòng)方向的改變,遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)組的節(jié)點(diǎn)會(huì)有較高的有功節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià),而裝設(shè)發(fā)電機(jī)組的節(jié)點(diǎn)則相對(duì)較低。這是由于線路上有功功率的流動(dòng)增加了線路上的有功損耗,導(dǎo)致相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的邊際電價(jià)增加。

場(chǎng)景二下的配網(wǎng)出清節(jié)點(diǎn)電價(jià)如圖9和圖10所示。

圖10 配電網(wǎng)2各節(jié)點(diǎn)在13時(shí)段無(wú)功節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)

由圖9和圖10可知,從配電網(wǎng)1和配電網(wǎng)2各節(jié)點(diǎn)在13時(shí)段無(wú)功節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)出清結(jié)果來(lái)看,配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)無(wú)功節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)曲線與有功節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)曲線具有相同的變化趨勢(shì)。

在場(chǎng)景一的情形下,各發(fā)電機(jī)組的電量出清情況如圖11所示。

圖11 場(chǎng)景一各發(fā)電商電量出清情況

由圖11可知,在場(chǎng)景一中,由于風(fēng)電場(chǎng)的保障性收購(gòu)電量導(dǎo)致其市場(chǎng)報(bào)價(jià)不合理,存在棄風(fēng)現(xiàn)象,因此風(fēng)電出清電量較少,不利于風(fēng)電消納。在配網(wǎng)2中,常規(guī)機(jī)組G7滿足大部分負(fù)荷需求,而在配網(wǎng)1中,常規(guī)機(jī)組G4的市場(chǎng)報(bào)價(jià)最低,因此在1-6時(shí)段配網(wǎng)1負(fù)荷需求較低時(shí),僅由常規(guī)機(jī)組G4就可滿足需求,并向輸電網(wǎng)售電。當(dāng)輸電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷需求無(wú)法由配網(wǎng)滿足時(shí),輸電網(wǎng)會(huì)從配網(wǎng)進(jìn)行購(gòu)電。在輸電網(wǎng)中,常規(guī)機(jī)組G1優(yōu)先進(jìn)行市場(chǎng)出清,而輸電網(wǎng)內(nèi)的發(fā)電機(jī)組報(bào)價(jià)較高。這是由于輸配交換功率約束所限,以滿足輸電網(wǎng)自身的負(fù)荷需求。

在場(chǎng)景二的情形下進(jìn)行出清,各發(fā)電機(jī)組的電量出清情況如圖12所示。

圖12 場(chǎng)景二各發(fā)電商電量出清情況

由圖12可知在場(chǎng)景二中,引入輸配電協(xié)同決策,風(fēng)電場(chǎng)的電量可以按照風(fēng)電預(yù)測(cè)功率曲線優(yōu)先出清。在配網(wǎng)2中,風(fēng)電場(chǎng)G6是首選出清對(duì)象,只有當(dāng)配網(wǎng)2內(nèi)的負(fù)荷需求不能由G6滿足時(shí),才會(huì)啟動(dòng)常規(guī)機(jī)組G7的市場(chǎng)出清。類似地,在輸電網(wǎng)中,風(fēng)電場(chǎng)G3作為優(yōu)先出清對(duì)象,在一定程度上降低了輸電網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的電能需求,從而使得常規(guī)機(jī)組G7在3-6時(shí)段的出清電量較少。配網(wǎng)1和輸電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)組的電量出清原則與配網(wǎng)2類似。

對(duì)比場(chǎng)景一與場(chǎng)景二的風(fēng)電消納量,考慮輸配電網(wǎng)協(xié)同決策場(chǎng)景下的風(fēng)電消納量更多。在充分利用配電網(wǎng)風(fēng)電資源的同時(shí),通過(guò)采用輸配協(xié)同決策可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電價(jià)格協(xié)調(diào)機(jī)制,促進(jìn)風(fēng)電消納。

配網(wǎng)1與配網(wǎng)2在13時(shí)刻兩種場(chǎng)景下有功節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)對(duì)比如圖13、圖14所示。

圖13 配網(wǎng)1有功節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)對(duì)比

圖14 配網(wǎng)2有功節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)對(duì)比

由圖13和圖14可知,在配網(wǎng)1和配網(wǎng)2中,不同場(chǎng)景下節(jié)點(diǎn)的有功節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)變化趨勢(shì)基本一致。然而,場(chǎng)景二相比場(chǎng)景一略低,且在配網(wǎng)2中明顯偏低?？紤]輸配電雙層協(xié)同優(yōu)化決策模型的節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)更低,場(chǎng)景二由于采用輸配網(wǎng)協(xié)同決策,充分利用配網(wǎng)的分布式電源。若配電網(wǎng)中分布式電源容量稀缺,則配電網(wǎng)可選擇從主網(wǎng)進(jìn)行購(gòu)電;若主網(wǎng)出清電價(jià)較高,則配電網(wǎng)可充分利用配網(wǎng)內(nèi)分布式電源。場(chǎng)景二引入了協(xié)調(diào)輸配網(wǎng)價(jià)格模型,降低了有功市場(chǎng)出清電價(jià),并減少了線路上的功率流動(dòng)和系統(tǒng)損耗。此外,保障性收購(gòu)和部分風(fēng)電提前鎖定也導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)荷總需求減少,進(jìn)一步降低市場(chǎng)出清價(jià)格。這與商品在交易過(guò)程中的供需價(jià)值取向相一致,體現(xiàn)了本文所提決策模型的合理性。

4 結(jié) 論

本文依據(jù)TSO和DSO協(xié)同作用關(guān)系,提出了考慮輸配協(xié)同下TSO與DSO雙層決策模型。利用KKT方法將雙層決策模型轉(zhuǎn)換成單層決策模型,并對(duì)模型中非線性不等式約束和目標(biāo)函數(shù)非線性變量乘積進(jìn)行線性化處理。通過(guò)算例仿真分析,驗(yàn)證該雙層決策模型的合理性。設(shè)置輸配協(xié)同和輸配不協(xié)同的兩種電力市場(chǎng)模式,風(fēng)電場(chǎng)分別參與兩種市場(chǎng),從算例仿真結(jié)果可以得出,在輸配協(xié)同的電力市場(chǎng)交易模式下,可有效調(diào)動(dòng)輸配側(cè)靈活調(diào)節(jié)資源,提高風(fēng)電消納能力,有效降低節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)。