CN106875026A - 一种电力市场环境下中长期输电网拓展规划的混合性规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力市场环境下中长期输电网拓展规划的混合性规划方法，包括：步骤1：设定混合性规划模型的目标函数；步骤2：设定电网运行基本约束条件；步骤3：利用N-1强制约束条件和N-2柔性约束条件检测电网；步骤4：判断是否需要特定可靠性约束条件加强输电网以满足N-1强制约束和N-2柔性约束条件；步骤5：寻求最优规划方案进行仿真计算。本发明提供的技术方案可以为输电网中长期拓展规划提供评估新的评价指标、新的目标函数、更加合理全面的可靠性和经济性约束条件，该方法具有简单、实用、全面、操作性强的特点。

Description

一种电力市场环境下中长期输电网拓展规划的混合性规划 方法

技术领域

本发明涉及一种电力***规划方法，具体涉及一种电力市场环境下中长期输电网拓展规划的混合性规划方法。

背景技术

随着我国电力改革的进一步深入和电力市场的快速发展，发电企业和电网公司都面临着新的挑战和机遇。电力市场的兴起也为输电网拓展规划带来了新特点。建立电力市场的主要目的：通过在电力工业中引入新的参与者、竞争者来打破电力***的垄断，实现优化电力工业资源组合配置，提高电力***的运行效率的目的。输电网的拓展规划不仅需要计及电网本身的不确定性因素，还需要在决策过程中充分考虑发电厂商、输电网公司、用户的利益需求，以及市场监管集团的管理职能等。因此，输电网拓展规划成为涉及金融、投资、电力工程技术等多个领域的交叉课题，变得更加复杂。

与此同时，国内外电网规划准则和方法在应对新一轮变化中已显不足。在电力工业集中管制的环境下，确定性规划准则是应用最为广泛的一种规划标准，主要的形式为将N-1、N-2作为可靠性约束条件。其优点主要有思路清晰，易于使用，对计算工具要求低；缺点有：1.只分析了故障的影响不考虑故障发生的概率，可能造成过度投资；2.不能很好地处理电网规划中的不确定因素。随着电力工业结构的重组、电力市场的不断发展与完善，概率性规划准则由于其在处理不确定因素的良好表现，也得到了迅速的发展和应用但是，概率性规划准则由于其采用了大量的统计数据，而统计数据本身的随机性会影响计算的准确性。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种电力市场环境下中长期输电网拓展规划的混合性规划方法。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种电力市场环境下中长期输电网拓展规划的混合性规划方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

步骤1：设定混合性规划模型的目标函数；(混合性规划模型是确定性规划模型和概率性规划模型的混合)；

步骤2：设定电网运行基本约束条件；

步骤3：利用N-1强制约束条件和N-2柔性约束条件检测电网；

步骤4：判断是否需要特定可靠性约束条件加强输电网以满足N-1强制约束和N-2柔性约束；

步骤5：寻求最优规划方案进行仿真计算。

进一步地，所述步骤1中，设定混合性规划模型的目标函数满足以下原则：

1)采用资本回收系数将整个设备(整个设备是指需要建设的设备的总称)的投资费用由一个时间点归算到设备寿命的每一年；

2)混合性规划模型的目标函数计算步长为一年，若有投资费用，则投资费用发生在年初，社会总效益和电能损失值在年终计算；

3)采用净现值计算规划周期内的社会总效益和投资费用；一个规划周期中社会总效益和投资费用均以规划周期开始时间为计算净现值的时间点；社会效益盈余等于社会总效益减去投资费用；

4)混合性规划模型通过不同的场景来模拟电力***不同的负荷水平，同时赋予不同场景相应的比重系数用于衡量对应负荷在一年中的持续时间和负荷情况；混合性规划模型设置多个场景来模拟电力***中各个典型的负荷水平及其持续时间，具体设置情况视具体的电网情况而定；

混合性规划模型的目标函数如下：

式中：P为特定故障发生概率；r为折现率；ω^a为场景a的比重系数；Ω_a为所有场景的集合；Ω_D为所有负荷点的集合；Ω_d为每个负荷所有区域的集合；a表示场景；Q表示发电机；d为每个负荷节点的负荷；h和b分别表示在场景a下负荷d的区域以及在场景a下发电机Q的区域；为在场景a下负荷d在其h区域中的购电价格；为在场景a下负荷d在其h区域中的负荷值；Ω_G为所有发电机组的集合；Ω_Q为发电机组所有区域的集合；为在场景a下发电机Q在其b区域中的供电价格；为在场景a下发电机Q在其b区域中的出力；为 在场景a下负荷d在其h区域中损失单位电量对应的用户可靠性费用；为在场景a下负荷d在其h区域中的损失电力；σ为资本回收系数；C_ij为在通道i-j中建设一条线路的总费用；n_ij为在通道i-j中新建的线路数量；

为计算资本回收系数σ，设新建线路最少运行的寿命为t年，因此资本回收周期为t年，寿命周期t年的折现率为r,表达式如下式(2)：

为在场景a下负荷d在其h区域中的损失电力在一年中损失的电量时，采用期望缺供电量EENS进行计算，单位为MWh/year，其数值通过负荷持续曲线计算得到，如下式(3)：

式中：LP_k-l为到达负荷节点k的最大潮流，单位为MW；LP_k为节点k最大的用电负荷，单位为MW；φ_k为负荷节点k上有效负荷持续曲线。

进一步地，所述步骤2中，电网运行基本约束条件包括：

功率约束：

直流潮流计算：

线路潮流约束：

原有线路的潮流约束

新建线路的潮流约束

发电机机组出力约束：

节点上负荷损失值的约束：

0≤L^a≤d (9)

新建线路回数的约束：

其他：

式中：Ω_a为所有场景的集合；S⁰为原网络分支节点的关联矩阵；为在场景a下通道i-j中线路通过的潮流；f^0a为在场景a下的向量和；S为新建线路的网络分支节点的关联矩阵；f^a为在场景a下通道i-j中新建线路通过的潮流，为场景a下的向量和；在场景a下通道i-j中新建每一条线路通过的潮流；g^a为在场景a下节点上发电机的出力，即的和， 为在场景a下发电机i在其b区域中的出力；L^a为在场景a节点上的电力损失，即的和，为在场景a下负荷d在其h区域中的损失电力；d^a为在场景a下节点的负荷值，即的向量和，为在场景a下负荷d在其h区域中的负荷值；γ_ij为通道i-j中一条线路的导纳； 为通道i-j中原有的线路数量；为在场景a下节点i的电压角度；为原有网络线路的集合；为通道i-j中一条线路的最大容量；为发电机组的最大功率；d为每个负荷节点的负荷；为通道i-j中线路的线路能够建设的最大条数；n_ij为非负整数；f^0a和为实数。

进一步地，所述步骤3中，N-1强制约束条件表述为：

S^0mnf^0mn+S^mnf^mn+g^mn＝d (12)

(m,n)∈ψ (20)

Eq.(4)-(11) (21)

其中，S^0mn为通道m-n中一条线路发生故障下原网络分支节点的关联矩阵；f^0mn为通道m-n中一条线路发生故障下原有线路通过的潮流；f^0mn为通道m-n中一条线路发生故障下的向量和；S^mn为新建线路的网络分支节点的关联矩阵；f^mn为通道m-n中新建线路通过的潮流；g^mn为通道m-n中一条线路发生故障下节点上发电机的出力；d为每个负荷节点的 负荷；为在通道m-n中一条线路发生故障下剩余线路通过的潮流；γ_ij为通道i-j中一条线路的导纳；为通道i-j中原有的线路数量；和为在通道m-n中一条线路发生故障下节点i和节点j的电压角度；为通道i-j中一条线路的最大容量；在通道m-n中一条线路发生故障下通道i-j中新建每一条线路通过的潮流；为发电机组的最大功率；为通道i-j中线路的线路能够建设的最大条数；n_ij为非负整数；ψ为故障集合；

N-2柔性约束条件的表述为：

S^0pqf^0pq+S^pqf^pq+g^pq+l^pq＝d,ij＝pq≠st (22)

S^0stf^0st+S^stf^st+g^st+l^st＝d,ij＝st≠pq (26)

S^0pqstf^0pqst+S^pqstf^pqst+g^pqst+l^pqst＝d,

(30)

ij＝pq＝st且

(31)

ij＝pq＝st且

且

且

0≤l^pq≤d,0≤l^st≤d,0≤l^pqst≤d (38)

(p,q)∈ψ,(s,t)∈ψ (39)

Eq.(4)-(11) (40)

其中，S^0pq为通道p-q中一条线路发生故障下原网络分支节点的关联矩阵；f^0pq为通道p-q中一条线路发生故障下原有线路通过的潮流；f^0pq为通道p-q中一条线路发生故障下的向量和；S^pq为新建线路的网络分支节点的关联矩阵；f^pq为通道p-q中新建线路通过的潮流；g^pq为通道p-q中一条线路发生故障下节点上发电机的出力；d为每个负荷节点的负荷；为在通道p-q中一条线路发生故障下剩余线路通过的潮流；和为在通道p-q中一条线路发生故障下节点i和节点j的电压角度；S^0st为通道s-t中一条线路发生故障下原网络分支节点的关联矩阵；f^ost为通道s-t中一条线路发生故障下原有线路通过的潮流；f^0st为通道s-t中一条线路发生故障下的向量和；S^st为新建线路的网络分支节点的关联矩阵；f^st为通道s-t中新建线路通过的潮流；g^st为通道s-t中一条线路发生故障下节点上发电机的出力；d为每个负荷节点的负荷；为在通道s-t中一条线路发生故障下剩余线路通过的潮流；和为在通道s-t中一条线路发生故障下节点i和节点j的电压角度；S^0pqst为通道i-j中两条线路发生故障下原网络分支节点的关联矩阵；f^0pqst为通道i-j中两条线路发生故障下原有线路通过的潮流；f^0pqst为通道i-j中两条线路发生故障下的向量和；S^pqst为新建线路的网络分支节点的关联矩阵；f^pqst为通道i-j中新建线路通过的潮流；g^pqst为通道i-j中两条线路发生故障下节点上发电机的出力；d为每个负荷节点的负荷；通道i-j中两条线路发生故障下剩余线路通过的潮流；和为在通道i-j中两条线路发生故障下节点i和节点j的电压角度；γ_ij为通道i-j中一条线路的导纳；为通道i-j中原有的线路数量；为通道i-j中一条线路的最大容量；在通道m-n中一条线路发生故障下通道i-j中新建每一条线路通过的潮流；为发电机组的最大功率；为通道i-j中线路的线路能够建设的最大条数；上标pq,st表示在通道p-q和s-t中一回线路发生了故障，pqst表示在同一通道中两回线路同时发生故障，ψ为故障集合；l^pq为通道p-q中一回线路发生故障下，电力***中每个节点损失的电力；为通道i-j中一回线路的最大容量；n_ij为通道i-j中新建的线路回数；为通道i-j中新建线路中的功率；l^st为通道s-t中一回线路发生故障下，电力***中每个节点损失的电力；为通道i-j中一回线路的最大容量；n_ij为通道i-j中新建的线路回数；为通道i-j中新建线路中的功率；l^pqst为通道i-j中两条线路发生故障下，电力***中每个节点损失的电力；g^pqst为通道i-j中两条线路发生故障下，节点上发电机的出力；为通道i-j两回线路故障时，新建线路中的功率；为通道i-j中一回线路的最大容量；n_ij为通道i-j中新建的线路回数；为通道i-j中线路没有发生故障时通过的潮流；θ_i为通道i-j中线路没有发生故障时节点i的电压角度；θ_j为通道i-j中线路没有发生故障时节点j的电压角度；为通道i-j中线路没有发生故障时通过的潮流；为通道i-j中一条线路的最大容量；为通道i-j中原有线路的回数；为通道i-j中一条线路的最大容量；n_ij为通道i-j中新建的线路回数；f_ij为通道i-j中新建线路中的功率；

模型通过N-2柔性约束条件来计算在N-2故障情况下电力***的负荷损失。其允许有损失负荷，但是允许损失负荷的大小由目标函数和其他约束条件确定，实现规划方案在N-2柔性约束条件下取得了经济性和可靠性的平衡；模型使用N-1强制性约束条件校验电网，电网在N-1故障情况下不允许出现负荷损失，保证得到的电网规划方案必然满足N-1准则。

进一步地，所述步骤4中，特定可靠性约束条件的表述如下式：

L_k＜T (41)

缺电时间期望的数值通过负荷持续曲线计算得到：

式中：L_k为节点k的缺电时间期望，单位为hours/year；T为缺电时间期望(LOLE)在特定可靠性约束中的阈值，单位为hours/year；LP_k-l为到达节点k的最大潮流，单位为MW；LP_k为节点k最大的用电负荷，单位为MW；φ_k为节点k上有效负荷持续曲线。

进一步地，所述步骤5中，混合性规划模型已对所有的约束条件进行了线性化处理，使用直流模型和最优潮流模型的方法，将输电网拓展规划问题转为混合整数线性规划问题，通过Matlab和YALMIP调用的商业软件CPLEX实现仿真计算。

本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

本发明提供一种基于电力市场环境下应用于输电网拓展规划中的混合性规划方法，属于电力***规划领域。基于确定性规划准则和概率性规划准则，提出了一种混合性规划模型，综合考虑N-1和N-2约束、经济性约束、可靠性约束、故障发生概率、可靠性成本、投资费用、期望缺供电量(EENS)以及缺电时间期望(LOLE)等，同时通过定义多个场景来模拟电力***的负荷水平，并考虑电力市场的因素，将输电网拓展规划问题转为混合整数线性规划问题。所述方法可以为输电网中长期拓展规划提供评估新的评价指标、新的目标函数、更 加合理全面的可靠性和经济性约束条件，该方法具有简单、实用、全面、操作性强的特点。

附图说明

图1是本发明提供的电力市场环境下应用于输电网中长期拓展规划的混合性规划方法流程图；

图2是本发明提供的具体实施例的江西省南部500/220kV电网示意图；

图3是本发明提供的两种规划模型对应的结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本发明提供一种基于电力市场环境下应用于输电网拓展规划中的混合性规划方法，流程图如图1所示，包括下述步骤：

步骤1：设定合理的目标函数，真实反映电网建设的要求：

在中长期输电网规划中，投资费用发生在某一个时间点，而社会效益和电量损失则发生在一个时间段上，两者之间不能直接比较。为了解决以上问题，本文采用以下解决方案：

1)采用资本回收系数(Capital Recovery Factor)将整个设备的投资费用由一个时间点归算到设备寿命的每一年。

2)混合性规划模型的目标函数计算步长为一年，且认为：如有投资费用，则投资费用发生在年初，社会总效益和电能损失值都在年终计算。

3)为了便于与传统的规划模型进行比较，本文中采用净现值的概念用于计算规划周期内的社会总效益和投资费用。一个规划周期中社会总效益和投资费用都以规划周期开始时间为计算净现值的时间点。社会效益盈余等于社会总效益减去投资费用。

4)模型通过不同的场景来模拟***不同的负荷水平，同时赋予不同场景相应的比重系数

用于衡量对应负荷的在一年(8760小时)中的持续时间和负荷情况。

目标函数表达式如下：

式中：P为特定故障发生概率；r为折现率；ω^a为场景a的比重系数；Ω_a为所有场景的集合；Ω_D为所有负荷点的集合；Ω_d为每个负荷所有区域的集合；a表示场景；Q表示发电机；d为每个负荷节点的负荷；h和b分别表示在场景a下负荷d的区域以及在场景a下发电机Q的区域；为在场景a下负荷d在其h区域中的购电价格；为在场景a下负荷d在其h区域中的负荷值；Ω_G为所有发电机组的集合；Ω_Q为发电机组所有区域的集合；为在场景a下发电机Q在其b区域中的供电价格；为在场景a下发电机Q在其b区域中的出力；为在场景a下负荷d在其h区域中损失单位电量对应的用户可靠性费用；为在场景a下负荷d在其h区域中的损失电力；σ为资本回收系数；C_ij为在通道i-j中建设一条线路的总费用；n_ij为在通道i-j中新建的线路数量；其中：

为计算资本回收系数σ，假设如下：新建线路最少运行的寿命为t年，因此资本回收周期为t年，该寿命周期中的折现率为r,表达式如下(2)：

E_k(EENS,MWh/year)为期望缺供电量，其数值可通过负荷持续曲线计算得到，见式(3)：

式中：LP_k-l(MW)为到达节点k的最大潮流；LP_k(MW)为节点k最大的用电负荷；φ_k为节点k上有效负荷持续曲线。

步骤2：设定电网运行基本约束条件

功率约束：

直流潮流计算：

线路潮流约束：

原有线路的潮流约束

新建线路的潮流约束

发电机机组出力约束：

节点上负荷损失值的约束：

0≤l^a≤d (9)

新建线路回数的约束：

其他：

式中：S⁰为原网络分支节点的关联矩阵；为在场景a下通道i-j中线路通过的潮流；f^0a为在场景a下的向量和；S为新建线路的网络分支节点的关联矩阵；f^a为在场景a下通道i-j中新建线路通过的潮流；g^a为在场景a下节点上发电机的出力，即的和；L^a为在场景a节点上的电力损失，即的和；d^a为在场景a下节点的负荷值，即的向量和；γ_ij为通道i-j中一条线路的导纳；为通道i-j中原有的线路数量；为在场景a下节点i的电压角度；为原有网络线路的集合；为通道i-j中一条线路的最大容量；为发电机组的最大功率；d为每个负荷节点的负荷；为通道i-j中线路的线路能够建设的最大条数；n_ij为非负整数；f^0a和为实数。

步骤3：电网的N-1强制约束条件和N-2柔性约束条件的表述

N-1强制性约束条件的表述为：

S^0mnf^0mn+S^mnf^mn+g^mn＝d (12)

(m,n)∈ψ (20)

Eq.(4)-(11) (21)

其中，S^0mn为通道m-n中一条线路发生故障下原网络分支节点的关联矩阵；f^0mn为通道m-n中一条线路发生故障下原有线路通过的潮流；f^0mn为通道m-n中一条线路发生故障下的向量和；S^mn为新建线路的网络分支节点的关联矩阵；f^mn为通道m-n中新建线路通过的潮流；g^mn为通道m-n中一条线路发生故障下节点上发电机的出力；d为每个负荷节点的负荷；为在通道m-n中一条线路发生故障下剩余线路通过的潮流；γ_ij为通道i-j中一条线路的导纳；为通道i-j中原有的线路数量；和为在通道m-n中一条线路发生故障下节点i和节点j的电压角度；为通道i-j中一条线路的最大容量；在通道m-n中一条线路发生故障下通道i-j中新建每一条线路通过的潮流；为发电机组的最大功率；为通道i-j中线路的线路能够建设的最大条数；n_ij为非负整数；ψ为故障集合；

N-2柔性约束条件的表述为：

S^0pqf^0pq+S^pqf^pq+g^pq+l^pq＝d,ij＝pq≠st (22)

S^0stf^0st+S^stf^st+g^st+l^st＝d,ij＝st≠pq (26)

S^0pqstf^0pqst+S^pqstf^pqst+g^pqst+l^pqst＝d,

(30)

ij＝pq＝st且

(31)

ij＝pq＝st且

且

且

0≤l^pq≤d,0≤l^st≤d,0≤l^pqst≤d (38)

(p,q)∈ψ,(s,t)∈ψ (39)

Eq.(4)-(11) (40)

其中，S^0pq为通道p-q中一条线路发生故障下原网络分支节点的关联矩阵；f^0pq为通道p-q中一条线路发生故障下原有线路通过的潮流；f^0pq为通道p-q中一条线路发生故障下的向量和；S^pq为新建线路的网络分支节点的关联矩阵；f^pq为通道p-q中新建线路通过的潮流；g^pq为通道p-q中一条线路发生故障下节点上发电机的出力；d为每个负荷节点的负荷；为在通道p-q中一条线路发生故障下剩余线路通过的潮流；θ_i ^pq和θ_j ^pq为在通道p-q中一条线路发生故障下节点i和节点j的电压角度；S^0st为通道s-t中一条线路发生故障下原网络分支节点的关联矩阵；f^ost为通道s-t中一条线路发生故障下原有线路通过的潮流；f^0st为通道s-t中一条线路发生故障下的向量和；S^st为新建线路的网络分支节点的关联矩阵；f^st为通道s-t中新建线路通过的潮流；g^st为通道s-t中一条线路发生故障下节点上发电机的出力；d为每个负荷节点的负荷；为在通道s-t中一条线路发生故障下剩余线路通过的潮流；和为在通道s-t中一条线路发生故障下节点i和节点j的电压角度；S^0pqst为通道i-j中两条线路发生故障下原网络分支节点的关联矩阵；f^0pqst为通道i-j中两条线路发生故障下原有线路通过的潮流；f^0pqst为通道i-j中两条线路发生故障下的向量和；S^pqst为新建线路的网络分支节点的关联矩阵；f^pqst为通道i-j中新建线路通过的潮流；g^pqst为通道i-j中两条线路发生故障下节点上发电机的出力；d为每个负荷节点的负荷；通道i-j中两条线路发生故障下剩余线路通过的潮流；和为在通道i-j中两条线路发生故障下节点i和节点j的电压角度；γ_ij为通道i-j中一条线路的导纳；为通道i-j中原有的线路数量；为通道i-j中一条线路的最大容量；在通道m-n中一条线路发生故障下通道i-j中新建每一条线路通过的潮流；为发电机组的最大功率；为通道i-j中线路的线路能够建设的最大条数；上标pq,st表示在通道p-q和s-t中一回线路发生了故障，pqst表示在同一通道中两回线路同时发生故障，ψ为故障集合；l^pq为通道p-q中一回线路发生故障下，电力***中每个节点损失的电力；为通道i-j中一回线路的最大容量；n_ij为通道i-j中新建的线路回数；为通道i-j中新建线路中的功率；l^st为通道s-t中一回线路发生故障下，电力***中每个节点损失的电力；为通道i-j中一回线路的最大容量；n_ij为通道i-j中新建的线路回数；为通道i-j中新建线路中的功率；l^pqst为通道i-j中两条线路发生故障下，电力***中每个节点损失的电力；g^pqst为通道i-j中两条线路发生故障下，节点上发电机的出力；为通道i-j两回线路故障时，新建线路中的功率；为通道i-j中一回线路的最大容量；n_ij为通道i-j中新建的线路回数；为通道i-j中线路没有发生故障时通过的潮流；θ_i为通道i-j中线路没有发生故障时节点i的电压角度；θ_j为通道i-j中线路没有发生故障时节点j的电压角度；为通道i-j中线路没有发生故障时通过的潮流；为通道i-j中一条线路的最大容量；为通道i-j中原有线路的回数；为通道i-j中一条线路的最大容量；n_ij为通道i-j中新建的线路回数；f_ij为通道i-j中新建线路中的功率；

注意：N-2柔性约束条件表述时，允许有损失负荷l的；而N-1强制性约束条件则不允许出现负荷损失。该约束条件保证了得到的电网规划方案必然满足N-1准则，同时在N-2柔性约束条件下取得了经济性和可靠性的平衡。

步骤4：特定可靠性约束条件的表述

约束条件如下(43):

L_k＜T (41)

式中：L_k(hours/year)为节点k的缺电时间期望；T(hours/year)为LOLE在该约束中的阈值。缺电时间期望的数值可通过负荷持续曲线计算得到，见式(44)：

该约束条件保证了电网的可靠性水平，此约束条件的阈值也需要依据国家的相关规定而制订。同时该约束条件也没有考虑故障的发生概率，只考虑故障的影响，因此，避免了某些小概率大影响事故的出现。

步骤5：仿真计算

模型所有的约束条件在寻优计算中都是平等性，寻优仿真计算的步长为一年，即得每一年 输电网拓展的最优规划方案，方案一定满足所有约束条件的。

实施例

本发明以江西省南部输电网络为研究对象，仿真计算其未来十年的中期规划方案，验证所提方法的有效性和经济性。

图2为江西省南部500/220kV电网，该测试***有22个节点和4回500kV输电线路，每条通道可建最大线路数为3回。表1列出了***中线路的相关参数。表2显示了每个发电机组的容量和负荷节点的初始负荷，注意：每个负荷都按负荷大小等分成了5个区域，同时赋予了5个购电价格；而每个发电机的出力则为一个整体区域，供电价格则为单一值。表3显示了不同场景的参数，例如：场景1的比重指数为0.4，它表示该场景代表的负荷水平的持续时间为一年(8760小时)中40％；场景1的负荷指数为0.35，其表示该场景代表的负荷水平为该负荷点在当年的最高负荷的35％。图3为***的有效负荷持续曲线，由表3所给的数据换算得到。其中，节点16、17和21只需要满足N-1准则，不需要进行N-2校验。

表1江西省南部输电网络***的线路参数

表2发电机组的容量和负荷节点的初始负荷与电价

表3不同场景的相关参数

表4江西省南部输电网络***的相关参数

通过寻优计算得到规划方案如下：在负荷年增速为3％时，混合性规划模型在规划周期内没有线路需要建设，传统规划模型在第10年需要建设一回连接节点5和节点7的线路；在负荷年增长率为6％时，混合型规划模型在第8年需要建设一回连接节点5和节点7的线路，而传统规划模型则需要在第5年建设一回连接节点5至节点7的线路，在第7年建设一回连接节点3至节点4的线路；在负荷年增速为8％时，混合性规划模型要求在第6年和第9年分别建设连接节点5至节点7、节点3至节点4的两回线路，传统规划模型要求在第3年建设一回连接节点5和节点7的线路，第5年建设一回连接节点3至节点4的线路。

表5、表6和图3显示了两个规划模型对应3％，6％和8％负荷增速的社会总效益盈余和***的严重指数。

表5两种模型对应三个负荷增速的社会总收益盈余(10⁷￥)

表6两种模型对应三个负荷增速的***的严重指数

通过以上数据的对比，我们可以发现：混合性规划模型在保证电网可靠性的前提下，合 理延后了连接节点5到7线路的建设时间，该回线路的建设可以使断面(3-4、5-6、5-7)满足N-2准则，同时从整个规划周期看，基于混合性规划模型下的电力***的可靠性水平和传统规划模型相比没有明显的变化，将潜在的故障损失控制在一个合理的范围内。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电力市场环境下中长期输电网拓展规划的混合性规划方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤1：设定混合性规划模型的目标函数；

步骤2：设定电网运行基本约束条件；

步骤3：利用N-1强制约束条件和N-2柔性约束条件检测电网；

步骤4：判断是否需要特定可靠性约束条件加强输电网以满足N-1强制约束和N-2柔性约束；

步骤5：寻求最优规划方案进行仿真计算。

2.如权利要求1所述的混合性规划方法，其特征在于，所述步骤1中，设定混合性规划模型的目标函数满足以下原则：

1)采用资本回收系数将新建线路的投资费用由一个时间点归算到线路寿命的每一年；

2)混合性规划模型的目标函数计算步长为一年，若有投资费用，则投资费用发生在年初，社会总效益和电能损失值在年终计算；

3)采用净现值计算规划周期内的社会总效益和投资费用；一个规划周期中社会总效益和投资费用均以规划周期开始时间为计算净现值的时间点；社会效益盈余等于社会总效益减去投资费用；

4)混合性规划模型通过不同的场景来模拟电力***不同的负荷水平，同时赋予不同场景相应的比重系数用于衡量对应负荷在一年中的持续时间和负荷情况；

混合性规划模型的目标函数如下：

式中：P为特定故障发生概率；r为折现率；a表示场景，ω^a为场景a的比重系数；Ω_a为所有场景的集合；Ω_D为所有负荷点的集合；Ω_d为每个负荷所有区域的集合；Q表示发电机；d为每个负荷节点的负荷；h和b分别表示在场景a下负荷d的区域以及在场景a下发电机Q的区域；为在场景a下负荷d在其h区域中的购电价格；为在场景a下负荷d在其h区域中的负荷值；Ω_G为所有发电机组的集合；Ω_Q为发电机组所有区域的集合；为在场景a下发电机Q在其b区域中的供电价格；为在场景a下发电机Q在其b区域中的出力；为在场景a下负荷d在其h区域中损失单位电量对应的用户可靠性费用；为在场景a下负荷d在其h区域中的损失电力；σ为资本回收系数；C_ij为在通道i-j中建设一条线路的总费用；n_ij为在通道i-j中新建的线路数量；

为计算资本回收系数σ，设新建线路最少运行的寿命为t年，因此资本回收周期为t年，寿命周期t年的折现率为r，表达式为：

$\mathrm{\σ}=\frac{r{(1+r)}^t}{{(1+r)}^t-1}---\left(2\right)$

为在场景a下负荷d在其h区域中的损失电力在一年中损失的电量时，采用期望缺供电量EENS进行计算，单位为MWh/year，其数值通过负荷持续曲线计算得到：

$EENS={\∫}_{{\mathrm{LP}}_k-l}^{{\mathrm{LP}}_k}{\mathrm{\φ}}_k\left(x\right)dx---\left(3\right)$

式中：LP_k-l为到达负荷节点k的最大潮流，单位为MW；LP_k为节点k最大的用电负荷，单位为MW；φ_k为负荷节点k上有效负荷持续曲线。

3.如权利要求1所述的混合性规划方法，其特征在于，所述步骤2中，电网运行基本约束条件包括：

功率约束：

$S^0{f}^{0a}+{\mathrm{Sf}}^a+g^a+L^a=d^a,\∀a\∈{\mathrm{\Ω}}_a---\left(4\right)$

直流潮流计算：

线路潮流约束：

原有线路的潮流约束

新建线路的潮流约束

发电机机组出力约束：

$0\≤g^a\≤\stackrel{\‾}{g}---\left(8\right)$

节点上负荷损失值的约束：

0≤L^a≤d (9)

新建线路回数的约束：

$0\≤n_{ij}\≤{\stackrel{\‾}{n}}_{ij}---\left(10\right)$

其他：

式中：Ω_a为所有场景的集合；S⁰为原网络分支节点的关联矩阵；为在场景a下通道i-j中线路通过的潮流；f^0a为在场景a下的向量和；S为新建线路的网络分支节点的关联矩阵；f^a为在场景a下通道i-j中新建线路通过的潮流，为场景a下的向量和；在场景a下通道i-j中新建每一条线路通过的潮流；g^a为在场景a下节点上发电机的出力，即的和，为在场景a下发电机i在其b区域中的出力；L^a为在场景a节点上的电力损失，即的和，为在场景a下负荷d在其h区域中的损失电力；d^a为在场景a下节点的负荷值，即的向量和，为在场景a下负荷d在其h区域中的负荷值；γ_ij为通道i-j中一条线路的导纳；为通道i-j中原有的线路数量；a为在场景a下节点i的电压角度；为原有网络线路的集合；为通道i-j中一条线路的最大容量；为发电机组的最大功率；d为每个负荷节点的负荷；为通道i-j中线路的线路能够建设的最大条数；n_ij为非负整数；f^0a和为实数。

4.如权利要求1所述的混合性规划方法，其特征在于，所述步骤3中，N-1强制约束条件表述为：

S^0mnf^0mn+S^mnf^mn+g^mn＝d (12)

$f_{ij}^{0mn}-{\mathrm{\γ}}_{ij}(n_{ij}^0-1)({\mathrm{\θ}}_i^{mn}-{\mathrm{\θ}}_j^{mn})=0,ij=mn---\left(13\right)$

$\left|f_{ij}^{0mn}\right|\≤(n_{ij}^0-1){\stackrel{\‾}{f}}_{ij},ij=mn---\left(14\right)$

$\left|f_{ij}^{mn}\right|\≤n_{ij}{\stackrel{\‾}{f}}_{ij},ij=mn---\left(15\right)$

$f_{ij}^0-{\mathrm{\γ}}_{ij}{n}_{ij}^0({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_j)=0,ij\≠mn---\left(16\right)$

$\left|f_{ij}^0\right|\≤n_{ij}^0{\stackrel{\‾}{f}}_{ij},ij\≠mn---\left(17\right)$

$\left|f_{ij}\right|\≤n_{ij}{\stackrel{\‾}{f}}_{ij},ij\≠mn---\left(18\right)$

$0\≤g^{mn}\≤\stackrel{\‾}{g}---\left(19\right)$

(m,n)∈ψ (20)

Eq.(4)-(11) (21)

其中，S^0mn为通道m-n中一条线路发生故障下原网络分支节点的关联矩阵；f^0mn为通道m-n中一条线路发生故障下原有线路通过的潮流；f^0mn为通道m-n中一条线路发生故障下的向量和；S^mn为新建线路的网络分支节点的关联矩阵；f^mn为通道m-n中新建线路通过的潮流；g^mn为通道m-n中一条线路发生故障下节点上发电机的出力；d为每个负荷节点的负荷；f_ij ^0mn为在通道m-n中一条线路发生故障下剩余线路通过的潮流；γ_ij为通道i-j中一条线路的导纳；为通道i-j中原有的线路数量；和为在通道m-n中一条线路发生故障下节点i和节点j的电压角度；为通道i-j中一条线路的最大容量；在通道m-n中一条线路发生故障下通道i-j中新建每一条线路通过的潮流；为发电机组的最大功率；为通道i-j中线路的线路能够建设的最大条数；n_ij为非负整数；ψ为故障集合；

N-2柔性约束条件的表述为：

$S^{0pq}{f}^{0pq}+S^{pq}{f}^{pq}+g^{pq}+l^{pq}=d,ij=pq\≠st---\left(22\right)$

$f_{ij}^{0pq}-{\mathrm{\γ}}_{ij}(n_{ij}^0-1)({\mathrm{\θ}}_i^{pq}-{\mathrm{\θ}}_j^{pq})=0,ij=pq\≠st---\left(23\right)$

$\left|f_{ij}^{0pq}\right|\≤\left(n_{ij}^0-1\right){\stackrel{\‾}{f}}_{ij},ij=pq\≠st---\left(24\right)$

$\left|f_{ij}^{pq}\right|\≤n_{ij}{\stackrel{\‾}{f}}_{ij},ij=pq\≠st---\left(25\right)$

S^0stf^0st+S^stf^st+g^st+l^st＝d,ij＝st≠pq (26)

$f_{ij}^{0st}-{\mathrm{\γ}}_{ij}(n_{ij}^0-1)({\mathrm{\θ}}_i^{st}-{\mathrm{\θ}}_j^{st})=0,ij=st\≠pq---\left(27\right)$

$\left|f_{ij}^{0st}\right|\≤(n_{ij}^0-1){\stackrel{\‾}{f}}_{ij},ij=st\≠pq---\left(28\right)$

$\left|f_{ij}^{st}\right|\≤n_{ij}{\stackrel{\‾}{f}}_{ij},ij=st\≠pq---\left(29\right)$

S^0pqstf^0pqst+S^pqstf^pqst+g^pqst+l^pqst＝d, (30)

ij＝pq＝st且

$f_{ij}^{0pqst}-{\mathrm{\γ}}_{ij}(n_{ij}^0-2)({\mathrm{\θ}}_i^{pqst}-{\mathrm{\θ}}_j^{pqst})=0,$ (31)

ij＝pq＝st且

$\left|f_{ij}^{0\mathrm{pqst}}\right|\≤(n_{ij}^0-2){\stackrel{\‾}{f}}_{ij},$ ij=pq=st且 $n_{\mathrm{ij}}^0\≥2---\left(32\right)$

$\left|f_{ij}^{\mathrm{pqst}}\right|\≤n_{ij}{\stackrel{\‾}{f}}_{ij},$ ij=pq=st且 $n_{\mathrm{ij}}^0\≥2---\left(33\right)$

$f_{ij}^0-{\mathrm{\γ}}_{ij}{n}_{ij}^0({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_j)=0,ij\≠pq\≠st---\left(34\right)$

$\left|f_{ij}^0\right|\≤n_{ij}^0{\stackrel{\‾}{f}}_{ij},ij\≠pq\≠st---\left(35\right)$

$\left|f_{ij}\right|\≤n_{ij}{\stackrel{\‾}{f}}_{ij},ij\≠pq\≠st---\left(36\right)$

$0\≤g^{pq}\≤\stackrel{\‾}{g},0\≤g^{st}\≤\stackrel{\‾}{g},0\≤g^{pqst}\≤\stackrel{\‾}{g}---\left(37\right)$

0≤l^pq≤d,0≤l^st≤d,0≤l^pqst≤d (38)

(p,q)∈ψ,(s,t)∈ψ (39)

Eq.(4)-(11) (40)

其中，S^0pq为通道p-q中一条线路发生故障下原网络分支节点的关联矩阵；为通道p-q中一条线路发生故障下原有线路通过的潮流；f^0pq为通道p-q中一条线路发生故障下的向量和；S^pq为新建线路的网络分支节点的关联矩阵；f^pq为通道p-q中新建线路通过的潮流；g^pq为通道p-q中一条线路发生故障下节点上发电机的出力；d为每个负荷节点的负荷；f_ij ^0pq为在通道p-q中一条线路发生故障下剩余线路通过的潮流；和为在通道p-q中一条线路发生故障下节点i和节点j的电压角度；S^0st为通道s-t中一条线路发生故障下原网络分支节点的关联矩阵；f^ost为通道s-t中一条线路发生故障下原有线路通过的潮流；f^0st为通道s-t中一条线路发生故障下的向量和；S^st为新建线路的网络分支节点的关联矩阵；f^st为通道s-t中新建线路通过的潮流；g^st为通道s-t中一条线路发生故障下节点上发电机的出力；d为每个负荷节点的负荷；f_ij ^0st为在通道s-t中一条线路发生故障下剩余线路通过的潮流；和为在通道s-t中一条线路发生故障下节点i和节点j的电压角度；S^0pqst为通道i-j中两条线路发生故障下原网络分支节点的关联矩阵；f^0pqst为通道i-j中两条线路发生故障下原有线路通过的潮流；f^0pqst为通道i-j中两条线路发生故障下的向量和；S^pqst为新建线路的网络分支节点的关联矩阵；f^pqst为通道i-j中新建线路通过的潮流；g^pqst为通道i-j中两条线路发生故障下节点上发电机的出力；d为每个负荷节点的负荷；f_ij ^0pqst通道i-j中两条线路发生故障下剩余线路通过的潮流；和为在通道i-j中两条线路发生故障下节点i和节点j的电压角度；γ_ij为通道i-j中一条线路的导纳；为通道i-j中原有的线路数量；为通道i-j中一条线路的最大容量；在通道m-n中一条线路发生故障下通道i-j中新建每一条线路通过的潮流；为发电机组的最大功率；为通道i-j中线路的线路能够建设的最大条数；上标pq,st表示在通道p-q和s-t中一回线路发生了故障，pqst表示在同一通道中两回线路同时发生故障，ψ为故障集合；l^pq为通道p-q中一回线路发生故障下，电力***中每个节点损失的电力；为通道i-j中一回线路的最大容量；n_ij为通道i-j中新建的线路回数；为通道i-j中新建线路中的功率；l^st为通道s-t中一回线路发生故障下，电力***中每个节点损失的电力；为通道i-j中一回线路的最大容量；n_ij为通道i-j中新建的线路回数；为通道i-j中新建线路中的功率；l^pqst为通道i-j中两条线路发生故障下，电力***中每个节点损失的电力；g^pqst为通道i-j中两条线路发生故障下，节点上发电机的出力；为通道i-j两回线路故障时，新建线路中的功率；为通道i-j中一回线路的最大容量；n_ij为通道i-j中新建的线路回数；为通道i-j中线路没有发生故障时通过的潮流；θ_i为通道i-j中线路没有发生故障时节点i的电压角度；θ_j为通道i-j中线路没有发生故障时节点j的电压角度；为通道i-j中线路没有发生故障时通过的潮流；为通道i-j中一条线路的最大容量；为通道i-j中原有线路的回数；为通道i-j中一条线路的最大容量；n_ij为通道i-j中新建的线路回数；f_ij为通道i-j中新建线路中的功率；

模型通过N-2柔性约束条件来计算在N-2故障情况下电力***的负荷损失。其允许有损失负荷，但是允许损失负荷的大小由目标函数和其他约束条件确定，实现规划方案在N-2柔性约束条件下取得了经济性和可靠性的平衡；模型使用N-1强制性约束条件校验电网，电网在N-1故障情况下不允许出现负荷损失，保证得到的电网规划方案必然满足N-1准则。

5.如权利要求1所述的混合性规划方法，其特征在于，所述步骤4中，特定可靠性约束条件的表述如下式：

L_k＜T (41)

缺电时间期望的数值通过负荷持续曲线计算得到：

${\mathrm{LOLE}}_k={\mathrm{\φ}}_k\left(x\right){|}_{x={\mathrm{LP}}_k-l}---\left(42\right)$

式中：L_k为节点k的缺电时间期望，单位为hours/year；T为缺电时间期望(LOLE)在特定可靠性约束中的阈值，单位为hours/year；LP_k-l为到达节点k的最大潮流，单位为MW；LP_k为节点k最大的用电负荷，单位为MW；φ_k为节点k上有效负荷持续曲线。

6.如权利要求1所述的混合性规划方法，其特征在于，所述步骤5中，混合性规划模型已对所有的约束条件进行了线性化处理，使用直流模型和最优潮流模型的方法，将输电网拓展规划问题转为混合整数线性规划问题，通过商业软件CPLEX实现仿真计算。