电力市场环境下输电网规划建模及求解方法研究.pdf

华中科技大学博士学位论文电力市场环境下输电网规划建模及求解方法研究姓名：谢敏申请学位级别：博士专业：电力系统及其自动化指导教师：段献忠;陈金富20051101 -I-摘摘摘摘 要要要要 本文对电力市场环境下的输电网规划模型及其求解方法开展了研究其内容涉及到不同市场模式下计及阻塞管理的启发式输电网规划方法以及任意规模单目标动静态输电网规划建模及优化求解和多目标输电网规划的建模及优化求解等 在计及阻塞管理的启发式输电网规划方面论文以 POOL 交易模式为大环境首先针对单一买方市场和双拍卖市场两种市场模式下的阻塞管理特点 建立了模糊阻塞调度模型并根据最大隶属度原则采用极大熵方法进行求解随后结合阻塞调度模型分别针对单一买方市场和双拍卖市场两种市场模式提出新的灵敏度指标进行启发式输电网规划较好体现了输电网扩建投资相对阻塞消除的有效性 在单目标输电网规划建模及优化求解方面 论文首次将序优化理论引入到输电网规划领域 分别开展对输电网静态规划与动态规划的研究 建立了综合考虑发电厂商输电网所有者以及用户等市场成员利益需求的单目标静态优化模型 并采用序优化进行求解确保以足够高的概率求解到足够好的解同时使最终规划结果的优劣程度得以量化在单目标静态规划的基础上论文进一步建立了适应市场环境需要的动态规划模型并将序优化拓展到单目标动态规划领域在彻底避免维数灾和组合爆炸的前提下以足够高的概率求解到足够好的动态优化解具有相当的工程应用价值 在多目标输电网规划建模及优化求解方面 论文将序优化理论的分支向量序优化理论引入到输电网规划领域 分别开展了对多目标输电网静态规划与动态规划的研究建立了分别考虑发电厂商输电网所有者以及用户利益需求的多目标静态规划模型并采用向量序优化求解在多目标静态规划的基础上论文进一步建立了多目标动态规划模型并将向量序优化拓展到该领域以求取足够好的全局非劣解 最后 论文以美国加州 ISO 提出的输电网经济评估 TEAM 框架为具体应用背景介绍了分别反映市场各成员利益的四个 TEAM 指标随后针对发电厂商采用线性函数报价和常数报价两种形式分别提出了快速计算该四个经济指标的新算法在此基础上建立了以 TEAM 指标为优化子目标的多目标输电网静态规划模型充分考虑了用户发电厂商输电网所有者以及全社会的经济利益并采用向量序优化求取 -II-足够好的解算例结果表明TEAM 指标的快速计算方法不仅大大减少计算量且具有较好的精确度 采用向量序优化对多目标输电网规划进行求解确实能以足够高的概率求解到足够好的解 关键词电力市场单目标输电网规划多目标输电网规划静态规划动态规划启发式方法序优化向量序优化 -III-Abstract This thesis concentrates on the transmission expansion planning modeling and its solution method.It covers the following major contents:the heuristic transmission planning method considering congestion management under different power market modes,single-objective static transmission planning method,single-objective dynamic transmission planning method,multi-objective static transmission planning method and multi-objective dynamic transmission planning method.After overview of transmission planning modeling and solution methods in Chapter 1,the heuristic planning method considering the optimal congestion management is proposed in Chapter 2.POOL is taken as the basic background.Fuzzy congestion management models are built for the single-buyer and bi-auction transaction modes respectively.Then sensitivity indexes are defined to trade off between the economic investment and relief of network congestion.Chapter 3 introduces the ordinal optimization theory to solve the single-objective static transmission expansion planning.The model considering the benefit of market participants is built.Ordinal optimization is used to slove it.The ordinal optimization can guarantee to get good enough planning schemes with high probability.And at the same time,it can also quantify the goodness of the final solution.Then in Chapter 4,multi-objective static transmission planning method is investigated.Three sub-objectives considering the benefit of producers,transmission owners and customers are used to set up the multi-objective planning model.Vector ordinal optimization is introduced to solve it.It can also guarantee to get the good enough non-inferior solutions with high probability,and quatify the goodness of the final solutions.In Chapter 5,dynamic transmission planning is investigated.The single-objective dynamic transmission planning model and multi-objective dynamic transmission planning model are both built,based on Chapter 3 and Chapter 4.The ordinal optimization and vector ordinal optimization are both extended to solve them respectively.-IV-Then Chapter 6 introduces the framework of TEAM(Transmission Economic Assessment Methodology)proposed by California ISO.Taking the framework of TEAM as practical background,an improved method is developed to make quick and accurate evaluation to the TEAM indexes.These indexes are then used as sub-objectives to multi-objective transmission expansion planning.Vector ordinal optimization provides the global non-inferior solution.Finally,Chapter 7 draws conclusion for the whole thesis.And future work in the field of transmission planning under electric power market is presented.Key words:Electric power market;Single-objective transmission expansion planning;Multi-objective transmission expansion planning;Static planning;Dynamic planning;Heuristic planning method;Ordinal optimization;Vector ordinal optimization.独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知除文中已经标明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名谢敏 2005 年 11 月 10 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保 密 在 年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名谢敏 指导教师签名段献忠 2005 年 11 月 10 日 2005 年 11 月 10 日-1-1 绪论本章阐述了输电网规划方法的研究背景及其重要意义在对输电网规划建模及其求解方法研究现状综述的基础上指出该领域研究工作存在和急需解决的问题并对本文的主要内容作了简单介绍1.1 问题的提出随着国民经济的发展和社会生产的进步人们对电力系统的依赖性越发加深的生活日益离不开对电力系统供电可靠性的要求也日益提高合理的输电网结构合理是电力系统安全与经济运行的基础因此输电网的优化规划对电力系统安全可靠运行乃至整个国民经济的发展和人民生活质量的提高都具有举足轻重的作用1输电网规划是以长期负荷预测和电源规划为基础确定何时何地扩建多少输电容量的过程以满足在安全经济传输电能的同时能够灵活适应系统运行方式的多种变化并有利于电网的进一步发展等要求输电网规划是一个复杂的优化问题通常在得到可行搜寻到合理的输电网规划方案后还需要对方案进行正常潮流N-1潮流短路以及稳定等计算和校验计算量非常大过程十分复杂对于输电网动态规划而言还需要考虑规划期各年份之间输电网扩建状况的过渡情况发电机输电线路变压器等一次设备建设期使用年限的配合以及不同发电厂建设次序要求等约束都是动态规划必须考虑的因素从这个方面来说输电网规划还是一个多时段复杂优化问题随着电力电子技术的迅速发展许多电子控制设备在电力系统中得到了广泛应用2-6其对电力系统的潮流分布电压稳定等方面都带来重大影响电力系统的运行方式更加复杂构建合理优化的输电网结构必须考虑电子控制设备的影响此外环境问题的日益突出和众多不确定因素的影响也使得输电网扩建不仅需要满足一定的环保要求而且能在未来多变的环境下仍具有较好的安全经济性能因此输电网规划是一个多变量多约束多时段的复杂优化问题具有高维非线性混和整数优化的特点电力市场的兴起为输电网规划带来了许多新特点建立电力市场的主要目的是通-2-过在电力工业中引入竞争来打破电力系统的垄断优化资源组合提高电力系统的运行效率使电力工业充满活力竞争的引入使电力系统的规划运行面临前所未有的挑战输电网规划不仅需要计及电源规划所带来的更多不确定性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输电网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本文侧重对电力市场环境下的输电网规划模型及其求解方法进行研究通过建立适应市场竞争环境的输电网规划模型对输电网规划依据及其指导原则进行深入探讨对规划模型求解方法的研究能使建立的输电网规划模型得以彻底实现并满足工程实际的需要以下将从传统角度以及电力市场环境两个方面对输电网规划的研究现状进行具体介绍1.2 输电网规划的研究现状输电网规划是一个古老的研究课题早在 20 世纪 50 年代人们就开展了这方面的研究电力工业解除管制之前由于输电网扩建大多由国家投资因此输电网规划通常最优先考虑系统的安全稳定性而对电网投资的经济性考虑不够从而造成输电网过度投资输电容量冗余极大浪费了国家资源使电力工业缺乏应有的活力输电网规划的建模及其求解方法成为这个时期输电网规划领域的主要研究内容并涌现了大量研究成果以下首先对输电网规划模型进行归类接着对其求解方法的发展历程进行阶段划分并给出具体介绍1.2.1 输电网规划建模 如何建立以及建立怎样的输电网规划模型是开展输电网规划的决策依据和指导原则不同的输电网规划模型可得到侧重点不同的输电网规划方案在认真归纳各种输电网规划模型特点的基础上我们对其进行了分类(1)静态规划模型与动态规划模型根据是否考虑多个时段及各时段之间输电网扩建状态的过渡情况输电网规划模-3-型可分为静态规划模型和动态规划模型两种7静态规划模型设计的是未来某一规划水平年的输电网结构问题而不考虑不同规划年之间电网结构如何过渡动态规划模型则是针对整个规划期内的所有年份形成输电网扩建状态的最优转移路径因此静态输电网规划侧重于输电网在规划水平年的状态而动态规划模型则侧重于输电网结构在整个规划期内逐个时间段的变化过程从这个意义上来说静态规划模型可视为动态规划模型在某一个时间断面的处理情况实际应用中两种规划模型可相互结合即首先采用静态规划模型形成规划水平年的目标网架然后在固定目标输电网的情况下采用动态规划模型形成各时段输电网扩建状态这种方法在工程中应用较多它能够确保输电网结构尽可能向目标网架靠近避免了盲目投资论文将在后续章节对此进行探讨(2)单目标规划模型与多目标规划模型根据目标函数的不同输电网规划模型又可分为单目标规划模型和多目标规划模型只具有一个目标函数并根据该目标函数进行输电网扩建的模型为单目标模型而具有两个及以上目标函数的规划模型为多目标规划模型单目标输电网规划模型通常从全社会角度出发以总社会效益最大或系统总成本费用主要包括系统输电网投资建设费用发电费用电网运行费用及其他维护费用等最少作为搜寻最优输电网扩建方案的唯一尺度而多目标规划模型通常将单目标优化模型目标函数中的相关项单项列出作为优化子目标进行建模常用的优化子目标主要包括经济费用和可靠性要求两方面即希望求解的规划方案能在经济性和可靠性方面寻求到最优平衡点电力工业解除管制前基于全社会利益的单目标输电网规划模型应用较多而随着电力市场的发展多目标规划模型日益成为综合考虑和权衡多方面因素开展规划工作的有效工具本文将在后续章节中对两种类型的模型进行详细探讨(3)确定型规划模型与不确定型规划模型不确定因素是电力系统规划所固有的复杂因素随着电力系统的发展和日益复杂输电网规划正面临越来越多不确定因素的影响包括负荷预测电源规划国家政策变化社会经济发展等根据是否考虑不确定因素的影响输电网规划模型可分-4-为确定型模型和不确定型模型在确定型模型中输电网规划未考虑任何不确定因素或是将不确定因素进行确定化处理后再予以考虑而不确定型模型则采用显式的方式描述不确定因素并在规划模型中予以建模使求解结果在各种不确定状况下具有较强鲁棒性根据不确定因素的处理方式的不同不确定型模型可分为以下几种 随机优化模型这类模型假定输电网规划过程中的不确定因素均具有随机的性质并采用概率方法予以描述同时采用统计参数处理规划过程中已有的经验和规律通过随机潮流8计算得到潮流指标为随机规划提供相关数据由于建立随机优化模型需要大量原始数据且规划过程中的众多不确定因素并不一定都符合其随机性前提假设因此采用随机优化模型具有一定局限性目前主要是对设备故障运行状态系统负荷状态等具有随机性质的事件进行处理9 模糊优化模型这类模型采用模糊数来描述规划过程中的众多不确定因素并通过模糊规则来处理各个变量之间的关系由模糊潮流计算模拟输电网运行情况为模糊规划提供重要数据10-12模糊规划模型通常用于处理多目标优化和综合评判问题虽然能够比较方便地描述不确定因素但由于采用的模糊数形式不同其优化模型多为带约束非线性优化问题通常需要进行一定程度的转化才能进行求解 灰色规划模型这类模型采用灰色理论来描述信息不完全的不确定因素将一些不确定信息进行灰色建模然后通过信息的白化处理将灰色信息转化为确定信息进行求解1314目前灰色规划模型关于灰色信息的处理仍然缺乏严格的数学理论支持因此这类模型还有待完善在输电网规划中仍处于初步应用阶段 盲数规划模型-5-这类模型采用盲数对多种不确定信息进行建模通过盲数潮流15计算模拟电力系统运行状况并求得在不同线路盲数潮流过负荷概率值下的规划方案最终通过成本效益分析来求取最优规划方案15-17由于盲数理论可以处理同时具有随机性灰色性未确知性以及模糊性的不确定因素因此在不确定输电网规划领域具有广阔的发展前景上海交通大学的程浩忠教授1617已在输电网盲数规划建模方面取得较大进展1.2.2 输电网规划求解方法如前所述输电网规划是一个多变量多约束的复杂优化问题其求解方法随着计算机技术系统工程理论运筹学理论以及智能化技术的发展而发展大致可采用三个阶段来概括输电网规划求解方法的发展全过程(1)经验方法阶段这个阶段的输电网规划主要依据经验知识形成几个经济上和技术上都可行的待选方案然后由规划人员根据经验挑选最合适的规划方案在这个阶段中获取规划所需要的原始数据十分有限输电网规划主要依靠规划人员的主观因素因此很难保证所得方案的最优性1(2)数学优化方法阶段随着计算机技术和科学理论的迅速发展输电网规划能够获取更多有效信息其求解方法的发展进入第二阶段数学优化方法阶段这个阶段中各种数学优化方法被应用到输电网规划中如线性规划方法18-22非线性规划方法23-25分支定界整数规划2627及混合整数规划法28-33分层分解法34以及将输电网规划分解为投资子问题和运行子问题然后进行迭代求解的 Benders 分解法35-40等有的还将多种数学优化方法联合起来形成混合算法进行求解如文41就采用线性规划与非线性规划方法进行联合求解文42则将是非线性与混合整数方法相结合进行规划求解以上这些数学优化方法均以求取全局最优解为最终目标对于小规模优化问题比较方便但随着输电网规模的扩大求解问题维数的增加这些数学优化方法的计算量将呈指数级增长对于大规模优化问题采用以上数学优化方法求取全局最优解几乎是不切实际的对于多时段输电网动态规划模型常采用动态规划(dynamic programming)法进行求-6-解43-46理论上动态规划法通过寻找各个时间段间的最优状态转移路线能够找到全局最优解但其不可避免地存在维数灾和组合爆炸问题因此动态规划法从应用上来说比较适合求解小规模动态优化问题对于大规模输电网规划问题巨大的计算量限制其在实际工程中的应用47为减少计算量出现了将电网规划的动态优化过程等效于一系列的逐年静态规划过程或是通过静态规划获得水平年的目标网架然后采用倒推的方法求解形成目标网架的最优投资路径即伪动态模型(pseudodynamicmodel)48-52这种方法一定程度上减少了计算量但对最终结果是否为全局最优解缺乏严格的理论支持且无法定量评价最终解的优劣程度虽然采用以上数学优化方法求解静态及动态输电网规划问题都有各自的局限性但相对基于主观经验进行方案比较的规划方法而言这些数学优化方法的引入使输电网规划求解更加科学(3)智能优化阶段随着人工智能的发展许多智能优化方法在输电网规划中得到广泛的应用输电网规划进入智能化阶段目前输电网规划求解采用的人工智能优化算法主要包括基于专家知识和规划人员经验进行知识推理的专家系统53-55模拟生物界物竞天择适者生存的自然选择规律的遗传进化算法56-59仿生蚂蚁群通过在路径上残留化学物质以寻求最优猎食路线的蚁群算法6061通过记忆与反馈机制实现高效寻优搜索的粒子群算法6263通过温度控制模拟金属退火过程的模拟退火法6465对于模糊优化问题根据模糊规则进行优化求解的模糊算法66-68以及模拟生活现象的贪婪随机自适应搜索法69禁忌搜索法70-72等这些人工智能算法也经常同数学优化算法相结合进行规划问题的优化求解但是在大规模优化问题的计算量以及解的稳定性方面仍然存在一定局限性1.2.3 电力市场环境下的输电网规划电力市场赋予输电网规划许多新的挑战使输电网规划更加复杂国内外众多学者和研究机构均对市场环境为输电网规划带来的影响进行了探讨47,73-89目前仍处于初步阶段文4777-89对电力市场为输电网规划带来的新的挑战进行了综述总结了近年来市场环境下输电网规划方法的理论进展情况美国能源部 CERTS 部门将市-7-场环境下的输电网规划研究提上日程并具体安排了研究进度日程表90总的来说电力市场的发展为输电网规划带来的影响主要体现在以下方面 发电公司与电网公司的分离使电源建设的不确定性大大增强输电网公司在进行网络规划时不得不更加详细地考虑负荷预测和电源建设等不确定因素的影响91-99同时输电网规划又通过改变电网结构来影响发电厂商的投资策略输电网规划与电源规划二者之间的关系已由传统的后者为前者提供基础数据的单向关系变为二者相互作用互为反馈的博弈关系 电力系统的发用电主要通过电力交易来确定因此电网中的潮流流向和流量具有较大任意性网络阻塞几率大大提高输电网规划作为消除或缓解阻塞的有力措施必将通过调节网络阻塞情况来对电网公司发电公司用户等市场成员的利益产生重大影响 市场环境下各市场成员参与了输电网规划决策过程并将对输电网的扩建投资情况产生重要影响输电网规划不再是单纯的全社会效益最好的优化问题而是必须考虑各个市场参与者自身的利益的综合决策过程100101需要确立新的规划依据和指导原则 市场环境下电网公司不再享有集中管制体制下的固定投资回报收益而必须对其经营状况自负盈亏输电网投资风险增大84102-105造成输电网投资滞后并进一步威胁到电力系统的安全稳定运行总的说来以上-点体现了需要建立适应市场要求的输电网规划模型并研究或引入新的求解方法使其得以具体实现的迫切性而第点则反映了市场环境下需要采用有效的输电网投资激励策略鼓励输电网投资确保系统安全稳定运行的要求这两方面构成了电力市场环境下输电网规划研究的重要内容由于输电网规划建模及其求解方法可为输电网投资激励策略实现提供有效的研究手段和实现工具且是本文的主要研究内容因此以下将重点介绍市场环境下输电网规划建模及其求解方法的研究现状及其计算机实现情况之后还将对输电网投资激励策略方面的研究现状进行简单介绍作为对将来研究工作抛砖引玉之用(1)规划建模与求解方法前两小节1.2.1 和 1.2.2介绍的输电网规划模型及其求解方法的发展现状具有-8-普遍的意义即使在电力市场环境中输电网规划建模及其求解方法仍具有以上特点且更加复杂电力工业解除管制后在电力系统中引入竞争形成电力市场发电公司电网公司用户ISO以及市场监管集团等成为电力市场的主要参与者输电网规划建模需要考虑更多因素其求解十分复杂众多学者和研究机构已着手这方面的研究并已取得一定程度的进展目前这方面的研究内容主要集中在规划建模方面即确定适合市场环境的目标函数及相关约束条件以确立输电网规划的指导准则和决策依据集中管制情况下输电网规划通常以总费用(包括投资费用生产运行费用)最小化或全社会效益最大化为目标函数因此评价输电网规划方案的优劣通过比较总费用或全社会效益的大小即可解除管制后各电力市场成员都以最大化自身利益为唯一追求目标全社会效益与市场成员自身的利益存在冲突此外输电网投资的经济性与电网运行的安全性之间也一直存在权衡关系如果仍采用管制情况下的优化目标来决定输电网规划方案必然无法适应市场环境的需要迫切需要制定适合市场竞争的输电网规划决策准则美国加州 ISO 对此进行了探索 建立了输电项目经济评估 Transmission EconomicAssessment Methodology,TEAM的基本框架分别从用户发电厂商电网所有者以及全社会的角度出发制定了用户所得净效益net Customer Surplus发电厂商所得净效益(net Producer Surplus,)阻塞净盈利(net Congestion Revenue)以及全社会净效益(net Total social Surplus)100101 等四个经济指标本文第六章对 TEAM 框架进行了详细的介绍此外文88-90 和106-108均将风险因素作为输电网规划决策的准则之一而文109则考虑了发电装机及负荷变化等不确定因素并采用场景分析决策方法基于 min-max regression 原则选取具有最好鲁棒性和最小风险的输电网规划方案文66从电网公司的角度建立了以投资费用电能传输效率盈利情况输电网阻塞情况以及环境保护等为优化子目标的多目标输电网规划模型并采用模糊集理论将多目标优化模型转化为单目标模型进行求解文110-113则提出分布式框架采用博弈论描述市场环境下市场成员的策略性竞争情况并将其应用到输电网规划问题中文114-118则对市场环境下考虑多种不确定因素和风险因素的输电网规划方法进行了探讨-9-由于市场环境下的输电网规划模型十分复杂也有部分研究人员对其求解方法进行了研究如文119就采用基于灵敏度指标的启发式方法和伪动态规划方法相结合对市场环境下的输电网动态规划复杂模型进行求解但是市场环境下输电网规划如何建模以及针对如此复杂的规划模型采用何种优化算法进行求解仍然是输电网规划领域的难点问题(2)输电网规划软件系统的研制由上可见市场环境下的输电网规划建模及其求解不仅过程复杂且需要搜集大量原始数据包括负荷电源和电网的基本参数和运行数据以及电力市场的交易数据迫切需要采用计算机技术予以实现从而可以大大提高规划人员的工作效率降低劳动强度集中管制情况下的规划软件不再适应市场竞争的要求47120需要研制出适应市场环境的新一代输电网规划软件系统该软件系统需要具备以下几个基本特征 能够提供投资风险情况的有效分析 能够提供市场各成员的成本效益分析 能够有效融合系统安全稳定性分析模块 具有友好的人机交互界面和良好的可扩展平台 是涉及电力系统分析计算市场经济分析等众多领域的大规模集成系统文47对目前世界上最流行的优化建模工具求解工具箱以及编程语音进行了详细介绍并给出了相应下载网址电力系统分析综合程序(PSASP)这一大型电力系统分析软件包是电力系统规划运行科研的重要工具文121介绍了在其基础上开发用户程序接口的设计思想文122介绍了大型基于统一数据平台的电网规划软件CAPS该软件与负荷预测电源规划软件集成于统一的数据平台上基于图形化直观操作并采用 C/S 模式支持多用户协同工作以上这些软件侧重于集中管制情况下的规划为开发适应市场环境的输电网规划软件奠定了坚实的基础文123认为开发电力市场环境下的规划软件最方便的途经就是在原有规划软件上进行升级并采用面向对象的思想予以实现文124则针对 FERC(Federal Energy Regulatory Commission)提出的标准电力市场设计方案对如何在基于市场仿真程序的基础上扩展发输电规划的功能进行了探讨R.D.Cruz-Rodriguez 等119则在其文章中介绍了中期输电网规划-10-软件 HIPER其主要特色就是能够考虑市场环境下各种不确定因素如电源规划情况对输电网规划的影响并采用场景分析方法和最小风险度的方法进行决策(3)输电网投资激励策略以上两点介绍的是输电网规划建模和求解方法及其计算机实现方面的进展状况在输电网规划建模过程中通常需要进行电网投资经济性与电网运行安全性的权衡电网投资风险与投资收益的权衡这使得输电网投资成为一个十分复杂的问题目前关于输电网投资的部门责权利益分摊等问题仍然处于探索阶段市场规则为投资带来的风险使得近些年来对输电网的投资呈下降趋势如1975 年以来美国的电网投资下降了 5075从 1991 年到 1996 年挪威电网的投资也从 4 亿万元下降到了0.4 亿元为原来的十分之一125建立有效的输电网投资激励机制提上日程输电网投资是输电网规划的一个重要组成部分主要存在以下四种投资方式126电网投资资金来源主要为国家投资或公共基金的公共投资方式(publicinvestment)在政府或相关监管部门的引导下由私人对输电网进行投资的管制下私人投资方式(regulated private investment)通过完全开放输电网和市场竞争来调节输电网投资的市场驱动投资方式(market-driven investment)以及市场驱动和管制相结合的混合方式(Hybrid model of merchant transmission and regulated transmission)关于输电网投资激励策略的研究目前已取得较大进展文127对节点电价差作为输电网投资激励信号的方法提出置疑认为采用这种投资激励方法可能会进一步降低系统的整体经济性能输电权(transmission right)的提出成为输电网激励机制方面研究的主要成果之一输电权是对输电容量的一种权利它赋予其所有者使用该相应输电容量的权利或者取得与其相关的经济利益的权利物理输电权和金融输电权是两种主要形式128129物理输电权c1定义和分配了使用输电容量的权利而金融输电权是市场交易者规避价格波动风险的金融工具c2在网络阻塞时能够为其所有者获得经济补偿从而确保输电价格的长期稳定因此输电权的提出能够减少输电网投资风险激励输电网投资Hogan 于 1992 年提出了合同网络(contract network)模型130并首次提出了输电容量权的概念其主要观点是采用输电容量权来分配阻塞成本同时为市场参与者提供一个规避价格风险的工具属金融输电权1997 年他又提出了输电阻塞合同(transmission congestion contract,TCC)131此外还有 Hung-po Chao 提出的基于潮-11-流的输电权(flow-based flowgate right,FGR)以及产业界的 real-flow 输电权等等128Joskow 和 Tirole 则从经济效率的角度对金融输电权优于物理输电权进行了论证1321.2.4 存在的问题在过去的几十年间虽然输电网规划建模及其求解方法方面的研究取得了重大的发展但仍存在以下急需解决的问题(1)阻塞问题成为输电网运行需要考虑的重要问题之一输电网扩建对输电网阻塞情况产生巨大影响并将进一步影响各市场成员利益得失如何将阻塞管理模型较好地融入输电网规划过程并进行求解成为市场环境下输电网规划必须考虑的问题目前有关这方面的研究仍处于初步阶段(2)市场环境下的输电网规划建模相对集中管制形势下必需考虑更多因素发电厂商输电网所有者以及用户等作为电力市场的几大主要参与者必将对输电网的规划决策过程产生影响如何在规划模型中体现市场成员的利益需求也是急待解决的问题之一(3)维数灾和组合爆炸一直都是困扰输电网规划的主要问题尤以动态规划最为突出对任意规模的输电网规划问题进行优化求解至今仍未得到彻底解决电力市场的引入使其求解变得难上加难如何避免维数灾问题较好实现对任意规模输电网规划模型的求解以符合工程实际的需要成为当前研究的另一大焦点问题1.3 本文所做的工作及章节安排本文以电力市场环境下的输电网规划建模及其求解方法为主要研究内容通过考虑市场竞争为输电网的经济运行及安全稳定性带来的挑战采用相应的优化方法进行输电网静态规划和动态规划的求解论文的主要研究内容及其相关章节的安排如下第二章以 POOL 市场模式为大环境并分别定义了单一买方市场方式和双拍卖市场方式下启发式输电网规划的灵敏度指标以表征待建线路对消除阻塞的功效相对于其投资的对比关系从而实现对输电网规划快速有效的启发式求解在考虑阻塞管理的过程中针对单一买方市场方式和双拍卖市场方式分别建立了最优阻塞调度模型并进一步引入模糊数来描述输电线路最大输送功率的软约束形式以及发电厂商-12-策略性报价等不确定因素的影响随后基于最大隶属度原则和极大熵原理通过定义凝聚函数将带约束的非线性模糊阻塞管理模型转化为无约束优化模型进行求解第三章通过引入序优化理论来求解任意规模的单目标输电网规划问题建立的规划模型综合考虑了输电网所有者发电厂商以及用户的利益以输电网扩建工程投资扩建后系统购电费用以及新电网在各种预想事故情况下的负荷损失费用期望值三者之和作为目标函数采用的序优化求解方法能够求解任意大规模复杂优化问题且能确保以足够高的概率求解到足够好的解较好地满足了工程实际的需要第四章通过引入向量序优化理论来求解任意规模的多目标输电网规划问题以输电网所有者发电厂商以及用户三个市场成员自身利益最大化作为优化的基本原则建立了以输电网扩建工程投资费用最小电网扩建后系统发电费用最小以及扩建后的新电网在各种预想事故情况下的负荷损失费用期望值最小为优化子目标的多目标优化模型并应用向量序优化理论以足够高的概率求解到足够好的解避免了将多目标通过加权求和转化为单目标优化问题进行求解使各子目标的优化信息得到充分利用第五章在第三章和第四章的基础上进一步对输电网动态规划领域进行了探讨分别采用序优化和向量序优化求解单目标输电网动态规划模型和多目标输电网动态规划模型并以足够高的概率求解到足够好的优化解第六章以美国加州 ISO 提出的输电项目经济评估 TEAM 框架为应用实例根据TEAM 指标相对于系统负荷变化所具有的近似分段线性变化的特征定义了关键负荷点的概念并针对发电厂商采用线性发电费用函数和二次发电费用函数两种情况分别采用改进单纯形方法和起作用集的方法进行关键负荷点集合的求取以达到对TEAM 指标足够准确的快速计算并以四个 TEAM 指标为优化子目标函数进行多目标规划采用向量序优化理论以足够高的概率求解到足够好的解论文最后一章即第七章对全文所做的工作进行了总结并展望了下一步要开展的研究工作第二章到第六章构成了本文的主要研究内容第二章采用的启发式输电网规划方法虽然能够实现对规划方案的快速求解但是无法定量评估最终采用的输电网规划方案的优劣程度这也是常规启发式规划方法的固有局限性为了能够对解的优劣程度给出定量评估第三章引入了序优化理论对单目标输电网规划进行求解不仅能确保以足够高的概率求解到足够好的解且能以概率来定量评价最终解的优劣程度论文第四章进一步对多目标输电网规划模型及其向量序优化求解方法进行了研究并于第五章中将序优化和向量序优化推广应用到输电网动态规划领域在前四章的基础上第六章给出了一个应用实例-13-2 计及阻塞管理的启发式输电网规划方法本章以 P O O L交易模式为大环境分别针对双拍卖方式和单一买方市场两种交易方式下阻塞管理的特点通过衡量待建线路投资相对于阻塞消除功效之间的对比关系提出新的灵敏度指标进行启发式规划规划过程中引入模糊理论来描述和处理线路潮流软约束等众多不确定因素建立了模糊阻塞调度模型并基于最大隶属度原则和