摘要：電力市場環境下，電力系統的運行方式將更加多變，發生輸電阻塞的機會大為增加。本文基于潮流組成分析原理，提出了一種適用于電力中心交易市場模式的阻塞費用分攤新方法，其依據阻塞線路的潮流組成，結合線路阻塞的嚴重程度，按比例將全網的阻塞費用分攤給各阻塞線路；并提出了引入可中斷負荷的新型輸電阻塞管理模式，對利用可中斷負荷消除阻塞的可行性及其成本計算進行了分析，提供了該阻塞管理模式下電網總的購電成本的計算方法，并從購電成本最低的角度對兩種阻塞管理模式進行了經濟比較。

　　關鍵詞：電力市場；阻塞管理；潮流組成分析；可中斷負荷

　　引言：在理想的電力市場環境下，電力系統中任意節點的發電機可以自由地向任意節點的負荷供電，從而保證市場的最大自由度。然而實際的電力市場運營中，由于電源、負荷的分布不均及隨著發電、用電規模的日益增大，使得某些輸電線路發生阻塞。傳統的阻塞管理模式下，電網公司為了消除阻塞不得不調整發電計劃，減少阻塞線路輸端那些報價低的機組的出力而增加阻塞線路受端那些報價高的機組的出力以消除阻塞。在電力市場環境中，電力用戶作為獨立的經濟實體也可以積極地參與阻塞管理，就可以利用基于需求側管理的可中斷負荷來消除阻塞，即通過電網調度部門與電力用戶協商中斷對阻塞線路受端某些負荷的供電來消除阻塞。

　　本文提供了一種新的阻塞費用分攤方法，并引入可中斷負荷的新型阻塞管理模式，提供了從發電側調整機組出力消除阻塞及利用可中斷負荷消除阻塞全網總購電成本的計算方法和可中斷負荷成本的具體計算，并對兩種不同方法全網總的購電成本進行比較，得出更經濟的阻塞消除方法，為電網調度部門的決策提供了理論依據。

　　1基于線路潮流組成分析的阻塞費用分攤

　　1.1 全網總的阻塞費用計算

　　本文采用以總的購電費用最低為目標函數的電網調度模型，在不考慮電網容量約束情況下，由經濟調度結果可以得到：總的購電費用，各發電機的有功出力，市場清算價格。進而可通過潮流計算得出每條輸電線路需承擔的輸電量，結合各條線路的容量約束，可得出發生阻塞的線路。為了保證電網的穩定運行，調度員不得不考慮電網容量約束重新調整發電計劃，此時得到的總購電費用與未考慮電網容量約束的購電費用之差即為電網的阻塞費用。

　　本文把一天分為四十八個交易時段，在不考慮網損和無功潮流，不計支路容量約束的情況下，某個交易時段內有功負荷優化分配的數學模型為：

　　min               (1)

　　(2)

　　(i=1,2,…,n)  (3)

　　式中  CM為總的購電費用；Ci(Pi)為發電機`i的成本函數；n為電網節點總數； Di和Pi為節點i的負荷功率與發電功率；Pi,m ax為節點i處發電機出力上限；M和M分別為約束（2）和（3）的拉格朗日乘子。不計支路容量約束的經濟調度結果為（CM， PM，M，M），其中PM是節點發電機的最優有功出力向量，M是市場清算價格。

　　當輸電線路有阻塞發生，則調整發電計劃，再求計及支路容量約束的經濟調度方案，保證系統的安全經濟運行，也就是解以下的最優潮流問題：

　　min                   (4)

　　s.t              (5)

　　(6)

　　(i=1,2,…,n)   (7)

　　式中，CC為總的購電費用；P和D分別為節點發電功率和負荷功率向量；B為節點導納矩陣的虛部； 為節點電壓相角向量；Lmax為支路極限傳輸功率向量； H為支路節電并聯矩陣；式（5）為直流潮流方程；式（6）為支路容量約束；C和C分別為式（6）和(7)的拉格朗日乘子向量。計及支路容量約束的經濟調度結果為（CC， PC，C，C），其中PC是計及支路容量約束的節點發電機最優有功出力向量。C是節點電價或發電邊際成本向量。C= CC - CM就是在這個交易時段內電網因阻塞而增加的阻塞費用。

　　1.2  全網阻塞費用在各阻塞線路中的分攤

　　（1）不計支路容量約束的情況下，由上文第2.1部分所述可確定某交易時段內發電機發電量和負荷的分配情況，由此可計算出不計容量約束情況下各條線路所擔負的輸電量L (Load)。

　　（2）由這條線路的實際情況可計算出該線路總的傳輸容量TC(Transmission Capacity)，留一定的傳輸裕度TM(Transmission Margin)，在此條件下，由以下公式把電網在某個交易時段內總的阻塞費用按阻塞的嚴重程度分攤給各條阻塞線路（L1,L2,…,Ln）。

　　(8)

　　(9)

　　(10)

　　1.3 阻塞線路的潮流組成分析

　　文獻[3]提出了一個快速、實用的潮流組成分析算法。潮流組成分析假定節點上各流出功率由流入功率按一定的比例分配，即功率按比例分配原則。另外, 還需要有以下的條件: (1)所研究的系統具有有限個節點,運行正常,且沒有自環流,其交流潮流的計算結果已知；(2)網絡無損(相應的損耗已等值到線路兩端或線路一端, 從而等值后的網絡中線路兩端的流入和流出功率相等且方向相同)；(3) 發電機首先供應本地負荷,剩余功率才供應其它負荷，然后按節點注入電網凈功率的正負，將它們分為發電機節點、負荷節點和聯絡節點。對第(1)個假設, 可以認為線路環流在合理的運行控制下是不存在的，如果網絡中有環流，可以通過適當的調節予以消除。對第(3)個假設，電力系統的實際運行滿足其要求。

　　該潮流組成分析方法首先根據系統的節點支路關聯矩陣確定順流組成分析的路徑, 即確定上游節點和下游節點的相對關系, 詳見文獻[3]。其次, 由潮流計算結果建立線路對節點潮流的吸取因子矩陣A:

　　=

　　其中i=1,…,N , N為系統中的節點數,j=1,…,N , N為系統中的線路數; 按順流分析順序排列。

　　然后再計算節點k 對節點i 的總流入功率的貢獻因子矩陣B (顯然P= BP,P 為節點總流入功率矢量, 按順流分析順序排列)

　　B=

　　其中　j →i 表示線路j 是與節點i 相關聯的上游路徑的支路； A ljm 對應A l 中第j 行第m 個節點的非零元, m 是線路j 的上游節點；由于B矩陣逐行計算, 因此B m k已知,A ljmB m k反映了節點i 通過線路j 的上游節點m 獲得的上游發電節點k 的相應功率，B 矩陣中節點按順流分析路徑排序。在此基礎上, 就可以得到流過線路的有功功率與發電節點的有功功率關系：

　　P=AP= ABP=KP         (13)

　　其中K為發電機對線路的貢獻因子矩陣

　　同理, 通過潮流組成逆流分析, 可以得到以下類似矩陣，就可以得到流過線路的有功功率與負荷節點的有功功率關系：

　　P=CP= CDP=KP     (14)

　　其中K為負荷對線路的汲取因子矩陣

　　1.4 計算步驟

　　綜上所述，基于阻塞線路潮流組成分析的阻塞費用分攤方法計算步驟如下：

　　第一步：據上文第2.1部分計算全網的阻塞費用

　　第二步：據上文第2.2部分提供方法將分攤給各阻塞線路得Li

　　第三步：電網公司確定確定發電側和負荷側的分攤因子U

　　第四部：據上文第2.3部分的潮流組成分析求發電機對線路的貢獻因子矩陣K和負荷對線路的汲取因子矩陣K從而可得發電機j對阻塞線路i的貢獻因子及負荷k對阻塞線路i的汲取因子

　　第五步：由以上四步可得發電機j在阻塞線路i中所分攤到的阻塞費用為：；同理可得負荷k在阻塞線路i中所分攤到的阻塞費用為：

　　2利用可中斷負荷消除阻塞

　　2.1電力市場環境下利用可中斷負荷消除阻塞的可能性

　　由于中斷負荷將影響到電力用戶的利益,因此,在傳統電力系統中,作為帶有公益性質的電力部門被要求盡可能的保證供電的連續性。然而,在電力市場環境下,追求經濟利益是電力企業的最終目標,其公益性將大大降低。這種環境下,只有對供需雙方都有利的行為才會為雙方所樂于接受。針對中斷負荷而言,從電網公司的角度來說,如果維持供電連續性的支出大于中斷負荷的支出(欲終止對負荷的供電電網公司必須在經濟上向用戶提供補償,因為用戶有權要求電網公司向其提供電能)，則電網公司樂于采取中斷負荷措施；從電力用戶的角度來說,如果電網公司向其提供的經濟補償高于其維持連續用電所能帶來的經濟利益,則其也將樂于接受中斷負荷的措施。如果電網公司愿意支付更多的賠償費用,則該用戶將會非常樂意接受中斷供電。由此可見,在電力市場環境下,不僅當系統的安全穩定性受到威脅時,而且在正常的電力調度中也存在中斷負荷的可能,因此利用可中斷負荷來消除阻塞也就成為可行的措施。

　　2.2可中斷負荷成本及具體計算

　　電力市場中，中斷對負荷的供電不能像傳統壟斷體制下的拉閘限電那么簡單，而是要對中斷負荷進行相應的補償或給與優惠電價。這就使得電網公司要對用戶的中斷成本進行分析以便給與可中斷負荷合適的補償。影響用戶中斷成本的主要因素有用戶活動與電力供應的依賴程度以及中斷方式的不同，電力公司如何設計出一種激勵合約，或者博弈規則，以促進用戶主動上報自己的真實類型，實現電力公司的效用最大化，這些問題已經在文獻[4]和[5]等中進行了研究，本文就不再做深入探討，以下用戶中斷成本函數是基于適當激勵機制下，用戶如實上報自己的真實類型情況下得出的。

　　由于本文只考慮某一個交易時段里的經濟分析，而每天的調度計劃都是前一天安排好了的,則用戶面臨相同的提前通知時間、中間持續時間、中間發生時間，并僅考慮單位時間內中斷一次的情況，則決定著用戶中斷成本的主要因素是用戶的類型和中斷的負荷數，即c=c(,x)。在此，考慮三種形式的用戶中斷成本函數：二次形、三次形、指數形。

　　二次形函數：c(,x)=+-

　　三次形函數：c(,x)=+ +-

　　指數形函數：c(,x)=

　　用二次形函數來表示用戶的中斷成本，精度令人滿意，計算較為簡單。出于電力公司掌握的數據有限，使得三次形函數無法提供比二次行函數更高的精度，而計算量比二次形函數要大，經研究表明，如果采用指數形式函數設計合約，且指數函數的形式假設是正確的，那么電力公司會獲得更大的利益。

　　3.3 引入可中斷負荷的新型阻塞管理

　　3.3.1引入可中斷負荷消除阻塞的調度模型

　　據3.1.2部分（1）~（3）經濟調度結果進行潮流計算可得出各條輸電線路需承擔的輸電量，結合各條線路的容量約束，可得出發生阻塞的線路。則可在阻塞線路負荷端進行可中斷負荷招標，電網公司設立靈活、有效的激勵機制，讓用戶如實上報自己參數類型，雙方簽訂可中斷負荷合同。

　　引入可中斷負荷消除阻塞即是求解以下的最優潮流問題：

　　min =()+c(,x)          (8)

　　s.tB=P- D：                     (9)

　　HF:                         (10)

　　0 :  (i=1,2,…,n)        (11)

　　0 x                         (12)

　　式中，為總的購電成本；c(,x)為利用的可中斷負荷成本；P和D分別為節點發電功率和負荷功率向量； 為節點電壓相角向量；Lmax為支路極限傳輸功率向量；H為支路節電并聯矩陣；X為可中斷負荷數量；式（9）為直流潮流方程；式（10）為支路容量約束；式（12）為負荷容量約束；為補償因子，由電網公司針對不同的中斷負荷靈活確定； 為式（10）的拉格朗日乘子向量。是引入可中斷負荷消除阻塞電網總的購電成本。

　　3.3.2從購電成本角度對兩種阻塞調度模型進行比較

　　4  結論

　　本文基于阻塞線路的潮流組成，提出了一種適合于電力中心交易市場模式下的輸電阻塞費用分攤方案。并將基于需求側管理的可中斷負荷引入阻塞管理中，與傳統的通過對發電側機組出力的調整消除阻塞進行比較，尋求更經濟的阻塞消除方法。與現有的各種阻塞管理進行比較，引入可中斷負荷消除阻塞加大了阻塞管理的靈活度，也進一步降低了電網因阻塞而增加的運行成本。

　　參考文獻：

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　　[2]余平，李曉明，林海源   基于潮流越限量的阻塞費用分攤方案研究[J]  電力自動化設備  2005，25(1)：89～92

　　[3]魏　萍, 倪以信, 陳　珩  基于圖論的輸電線路功率組成和發電機與負荷間功率輸送關系的快速分析[J]   中國電機工程學報  2000, 20(6)：21～25,29

　　[4]王志華，李博，李揚   電力市場下的可中斷負荷管理及其方法[J]  中國電力  2003.6（6）：14～17

　　[5]方勇，張少華，李渝曾  一種激勵相容的電力市場可中斷負荷管理合同模型[J]  電力系統自動化  2003.7（14）：23～26