基于拓展网络流方法的跨区跨省交易路径优化-程海花.pdf

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1、http: / / www. aeps- info. com基于拓展网络流方法的跨区跨省交易路径优化程海花1 ,郑亚先1 ,耿建1 ,吴涵2 ,汤洪海3 ,吕巧珍3( 1.中国电力科学研究院(南京) ,江苏省南京市210003; 2.河海大学能源与电气学院,江苏省南京市210098;3.国家电网电力交易中心,北京市100031)摘要:跨区跨省电量交易是实现电能资源大范围优化配置的一种重要手段。随着特高压电网的建设,电网结构日益复杂,这对跨区跨省交易的路径组织提出了挑战。文中提出将网络流理论引入中长期跨区跨省电量交易路径优化,分别建立了传统网络流优化模型和拓展网络流优化模型。模型以社会福利最大为

2、目标,考虑输电通道容量限制和多方转运的输电网损等约束。最后,采用国内简化的输电网架结构针对两种路径优化建模方法进行实例验证和比较分析,结果显示,两种方法都能完成跨省跨区交易路径优化,且扩展网络流方法更优,能够解决复杂电网结构下的路径优化问题和多种交易成份并发的问题,并能形成完整交易路径,为国内大规模跨区跨省交易的复杂路径优化提供了新的解决思路。关键词:网络流;路径优化;跨区交易;跨省交易收稿日期: 2015- 09- 06;修回日期: 2015- 11- 23。上网日期: 2016- 02- 15。国家电网公司科技项目( DZN17201300045) 。0引言中国能源资源紧缺,并且能源与需求

3、呈逆向分布,这决定了必须依托特高压电网组织大规模的跨区跨省电力交易来实现国内电力资源的优化配置。随着特高压网络的建设,电网结构逐渐由现有的链状结构变成网状结构。按照国家电网公司规划,2017年将建成“三纵三横”特高压目标网架,2020年,华北、华东和华中(简称“三华” )特高压同步电网将形成“五纵五横”主网架。随着特高压电网的建设,电网结构日益复杂,这为在全国进行大范围资源优化配置提供了物质基础,但同时也对跨区跨省交易路径优化技术提出了新的挑战。目前国内跨区跨省交易一般按年度、季度或月来组织电量交易。以全国的跨区跨省交易为例,首先各省申报各省未来某个时段的电量余缺情况和交易价格,国家电网公司统

4、筹考虑省间或区域间交易通道上的网损、检修情况等因素,按照社会福利最大原则通过人工高低匹配方式,形成交易预案。交易预案经由调度部门安全校核通过后,生成相应合同,为后续电量结算提供依据。跨区跨省交易有多种组织形式,其中较为复杂的是国家电网公司总部组织省公司或省内电厂直接参与到总部的交易平台,这种形式下路径优化问题更加突出,本文重点讨论。由于目前特高压通道还不是非常复杂,电量富裕省份与缺电省份之间的交易路径相对单一。但是随着网络结构的复杂化,以及跨省跨区大用户直购电交易的开展,购、售双方之间的交易路径会越来越复杂,可选路径越来越多。如何在多买方、多卖方参与交易的情况下,考虑多方转运及输送通道限制,在

5、多种可选的复杂路径中,为买方、卖方之间搜索定位一条最优交易路径,这是现有的人工高低匹配方式无法解决的。国内针对跨区跨省电力交易的研究主要集中在交易机制模式、可再生能源配额制、转运网损 1- 10 、交易管控分摊和联络线计划优化 11等多个方面。文献 1分析了区域共同市场与统一市场的基本特点及其区别。文献 2介绍了配额制下可再生能源的跨区跨省交易的经济性评价模型和方法。文献 3提出了跨区跨省交易穿越线损的补偿方法。文献 4和文献 5分别从市场竞价模式及安全校核机制、结算机制与市场盈余分配模型的角度探讨了国内区域电力市场设计时应遵循的原则。文献 6指出跨区跨省交易应该考虑合同电量在线路中流动时所产

6、生的网损,但该模型无法支持转运交易,难以实现电网的转运功能。文献 7总结了跨区跨省的交易类型,提出并分析了6种跨区跨省交易模式。文献 8提出了一种考虑网络约束的经纪人交易模型,将阻塞管理融入交易模型中。文献 9考虑了线921第40卷第9期 20 1 6年5月1 0日Vol. 40 No. 9 M ay 10, 2016DOI: 10. 7500/ AEPS20150906010性的输电损耗及电源位置、电气距离等非线性成本,但所用的撮合方法依然是高低匹配,且不能支持转运交易。文献 10介绍了支撑智能电网的跨区跨省交易管控技术,构建了跨区跨省交易的管控指标体系。文献 11提出了基于全网统筹的联络线

7、分层优化调度方法,首先通过全网安全约束经济调度求取理想联络线计划,然后以理想联络线计划为优化目标进行联络线计划的优化计算。基于以上分析,目前尚未见针对跨区跨省交易的复杂路径优化问题的研究。本文将网络流方法引入中长期跨区跨省交易路径优化问题,分别采用了传统网络流方法和拓展网络流方法建立跨区跨省路径优化模型,最后以算例对两种方法进行验证和对比。结果显示,扩展的网络流方法优于传统网络流方法,它不仅能够解决复杂网络下跨区跨省交易路径优化问题,还能够处理多交易成分并发下的路径优化问题。1 网络流优化建模从广义上说,网络流是通过点、边、弧等图论概念描绘特定对象与对象间的特定关系,并求解网络流量问题的总称。

8、网络流的基本理论见文献 12 。该理论已经应用在电力系统的很多方面,它不仅能模拟电源负荷的分布,而且能模拟网络拓扑和支路容量这两个关键约束,计算简单快捷,物理意义明晰 13 ,在有功经济调度 14 、水火协调调度 15- 16 、发输电协调优化 17 、系统可靠性评估 18 、备用制定 19和电力市场领域 20- 22都有广泛的应用。1 . 1 传统网络流方法首先通过合理转换,将跨区跨省的交易路径优化问题转化为图论中的网络流问题。跨区跨省交易中主要需要考虑输电通道容量、通道网损,以及购方、售方申报的电量、电价。首先考虑按照电网的拓扑结构,把各省之间的输电通道进行简化等值,输电通道对应的就是网络

9、图中的每个弧,每个输送通道的可用容量和网损,就用弧的容量参数c ij和运输费用相关参数f ij来表示,考虑到很多联络线输送通道都是双向的,针对每条输电通道都建立了两条双向弧,如图1所示。图1输电通道Fig. 1 Electric energy transmission channel把参与跨区跨省交易的购电省( G 1和G 2 ) 、需求省( L 1和L 2 )和转运省( A,既不购电也不售电)都虚拟成为网络中一个节点。各省之间的输电通道进行简化等值,形成网络图,如图2所示。G1G2L1AstL2图2简化网络图Fig. 2 Simplified network diagram传统的网络流一般是

10、研究单个发点到单个收点之间的最短路径等问题,这里考虑到跨区跨省交易中多个买方、多个卖方同时参与的情况,加入一个虚拟的售电节点s和一个虚拟的购电节点t 。假设所有的购电省都与虚拟购电节点相连,所有的售电省都与虚拟售电节点相连。把与虚拟购电节点相连的弧称为购电弧,把与虚拟售电节点相连的弧称为售电弧。组织跨区跨省交易时一般按照社会福利最大原则进行高低匹配,这里可以将其转化为购电方和售电方在去除网损的情况下价差收益最大目标,确保在去除网损电价后价格最高的购电省与报价最低的售电省达成交易。1)社会福利最大目标函数模型max Z = ( i, j )x ijb ij ( 1)b ij =- uij p j

11、 i , j s或t- p j i = sp i j = t ( 2)式中: x ij为弧( i , j )上的流量; b ij为弧( i , j )上考虑网损后的价差收益; p j为节点j的申报电价; p i为节点i的申报电价; uij为弧( i , j )的网损率。若i , j为实际节点,则uij为该输电线路的网损率,若i , j中含有虚拟节点,则b ij为申报购电价或申报售电价。2)输送通道流量约束0 x ij c ij ( 3)c ij = vijt ij i, j s或td ij i = s或j = t( 4)式中:当弧( i , j )的起点或终点不是虚拟节点时, c ij0312

12、016, 40( 9) 工程应用http: / / www. aeps- info. com等于输电线路最大输电功率vij与输电线路利用小时数t ij的乘积,当弧( i , j )的起点或终点是虚拟节点时, c ij等于虚拟起点或虚拟终点的申报电量d ij ,这样可以确保每个购电点、售电点的成交电量不会超过其申报电量。3)节点流量平衡约束nj = 1x ij - nj = 1x ji = 0 i = 2, 3, , n - 1 ( 5)该约束为节点流量平衡约束,设节点排序由s开始到t ,一共n个节点,对于除了s和t节点外的所有中间节点,流入节点的流量应等于流出节点的流量。4)通道正反向利用小时

13、数约束x ijvij +x jivji t ij i , j s或t ( 6)考虑到联络线通道不可能正反向同时输送电能,所以在联络线输送容量约束的基础上增加一个正反向利用小时数约束。对于每一输电线路,其正反向利用小时数之和应当等于该输电线路总的可利用小时数t ij 。1 . 2拓展的网络流方法传统的网络流建模方法是针对弧( i , j )上的流量x ij进行优化的。在复杂电网结构中,可能会出现不同买方、卖方之间达成的多笔交易都经过同一弧( i , j )的情况,此外对于多种交易成分并发的情况,传统网络流模型由于只能给出弧( i , j )上的一个总的流量x ij ,不能对该流量进行进一步细分,

14、所以无法解决复杂网络结构交易路径优化问题和多交易成分并发问题。本文将传统网络流模型进行拓展,优化变量x ij从原来的二维拓展为四维优化变量x odij ,每段弧上的价差收益参数b ij也扩展为四维的b odij ,其中o表示该笔交易的售电主体, d表示该笔交易的购电主体。这样当多笔交易经由同一弧( i , j )时,可以通过参数( o , d )来进行区分,从而解决同一弧段上多笔交易的拆分问题。对于多种交易成分并发,首先把同一购售电主体不同的交易成分拆分成多个不同的购、售方,形成相应的购售对( o , d ) ,这样不同交易成分流经同一弧段时,可以通过参数( o , d )来进行区分。1)拓展

15、网络流社会福利最大目标函数maxU = ( o , d) Zx odij b odij ( 7)b odij =- p o i = o , o Op d j = d , d D- uij p o其他 ( 8)式中: O为所有的售电方集合; D为所有的购电方集合; Z为所有购售对的集合。式( 8)与传统的网络流模型一致,其含义同式( 2) 。2)通道输送容量约束0 ( o , d) Zx odij c ij ( 9)c ij的定义与传统网络流模型一致,详见式( 4) ,该约束表示所有经过弧( i , j )的来自不同( o , d )对的交易流量累加后小于弧( i , j )的输送容量。3)节点

16、流量平衡约束nj = 1x odij - nj = 1x odji = 0 i T ( 10)式中: T为所有购电方和售电方的集合。该约束要求,对于所有中间节点,针对每个购售交易对( o , d )的流入电量等于流出电量。4)正反向利用小时数约束( o , d) Zx odijvij + ( o , d) Zx odjivji = t ij i , j T ( 11)该约束与传统网络流模型一致,其含义详见式( 6) 。2算例分析本文采用国内现行的输电网架构(架构图见附录A图A1) ,对省间联络线通道进行简化等值。假设在全国范围内组织跨区跨省电量交易, 12个省份参与售电, 9个省份参与购电,

17、2个省份仅仅负责转运交易,一共23个省参与交易路径优化(以下数据均为测试数据) 。各省申报的售电电量、购电电量和申报电价见附录A表A1。每个输送通道上的限额及网损率参数见附录A表A2,采用以上优化模型,利用商用的CPLEX优化求解器,采用线性规划方法进行求解。以社会福利最大为目标,网络流线性规划方法会自动搜索满足相关约束条件的交易路径,并在考虑网损之后的购售电价差最大的输电通道上尽可能多地安排交易电量,尽可能满足购售电申报需求。2. 1 传统网络流方法算例由于传统的网络流优化是针对每段弧进行优化计算,可以得到最终每两个省之间的输电电量以及每个购电省和输电省的实际达成交易电量。传统网络流模型的优

18、化结果如图3所示。图中,电量单位为M W h。传统网络流方法的部分优化结果如表1所示(详细结果见附录A表A3) 。模型总共达成了19笔交易,成交总电量为131程海花,等基于拓展网络流方法的跨区跨省交易路径优化8 602. 7 GW h,获得总收益约7. 73亿元。该模型可以优化得到每个购电方、售电方的成交电量,但是每对购售方之间的完整交易路径不能得到,由于每条弧上的输电费和网损率都可能不一致,这对后续交易输电费和网损的计算带来了困扰。图3传统网络流模型优化结果Fig. 3 Optimization results of traditional networkflow model表1传统网络流方

19、法优化结果(部分)Table 1 Optimization results of traditional networkflow method ( partial)序号送出受入路径成交电量/ ( GW h)1山西京津唐山西京津唐1 178. 82安徽江苏安徽江苏1 000. 03福建浙江福建浙江127. 34江苏上海江苏上海702. 45江苏浙江江苏浙江2 976. 02. 2拓展网络流方法算例由于拓展的网络流模型针对四维优化变量x odij进行优化计算,可以得到每个购电方和售电方之间在每条弧( i , j )上的交易电量,这样在数据整理后,可以得到每个购电方和售电方之间的全路径。拓展网络流模

20、型的优化结果如图4所示。图中,电量单位为M W h。拓展网络流方法的部分优化结果如表2所示(详细结果见附录A表A4) 。模型总共达成了17笔购电交易,总计电量为8 602. 7 GW h,获得总收益约7. 73亿元。与传统网络流模型优化结果一致。经过分析和比较,传统网络流中19个弧上的交易总电量与拓展网络流中多笔交易的总电量是一一对应的,最多的一个弧上对应了6笔交易,如附录A表A5所示。127 30013456789101112131415161719202122 + * 6M #L? G $ $ ? ? ETU 8 / # #857 6001 931 00001 000 000127 300

21、4 306 000255 000227 00000220 200418 600117 6003 380 80003 103 30053 000301 800585 000321 20034 50053 000297 600219 400321 200702 400752 200255 0002 379 8007 60023 6001 926 20012 400365 600857 600207 80094 00048 + G48 L + GN8, , 4 0 ? 23图4拓展网络流模型优化结果Fig. 4 Optimization results of expansionnetwork flo

22、w model表2拓展网络流方法优化结果(部分)Table 2 Optimization results of expansion networkflow method ( partial)序号路径成交电量/ ( GW h)1安徽江苏上海702. 42安徽江苏浙江297. 63福建浙江127. 34甘肃陕西河南207. 85甘肃陕西四川重庆湖北上海12. 4附录A表A6详细介绍了每条弧上的总流量对应的多笔交易。经过比较分析,验证了传统网络流的优化结果与拓展网络流的优化结果是完全一致的,并且拓展网络流模型能够在复杂网络下得到每个购电方和售电方之间的完整交易路径,得到的完整交易路径为该交易的输电费

23、、网损的计算提供了依据,能够解决复杂电网结构下的路径优化问题。至于多交易成分并发算例,由于篇幅有限,不再赘述。3结语本文将网络流方法引入跨区跨省的交易路径优化建模,解决了复杂网络下的跨区跨省交易路径优化问题。本文分别基于传统的网络流方法和拓展的网络流方法进行路径优化建模,并采用实际电网模型数据针对两种不同的路径优化建模方法进行模型2312016, 40( 9) 工程应用http: / / www. aeps- info. com验证和结果比对分析,结果表明,拓展网络流优化方法能够得到复杂电网结构下每个购电方和售电方之间的全路径,能够处理多交易成分并发问题,它更优于传统的网络流模型,该方法为国内

24、未来开展跨区跨省大用户直购电交易提供了强有力的技术支撑。附录见本刊网络版( http: / / www. aeps- aeps/ ch/ index. aspx) 。参考文献 1黎灿兵,康重庆,夏清,等.区域电力市场交易机制的研究 J .电网技术, 2004, 28( 7) : 34- 39.LI Canbing, KANG Chongqing, XIA Qing, et al. Study ontrading mechanism of regional electricity market J . PowerSystem Technology, 2004, 28( 7) : 34- 39.

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43、高级工程师,主要研究方向:电力系统自动化及电力市场交易运营。 E- mail:chenghaihua epri. sgcc. com. cn郑亚先( 1982 ) ,男,硕士,高级工程师,主要研究方向:电力系统自动化及电力市场交易运营。 E- mail:wuhanichina gmail. com耿建( 1970 ) ,男,教授级高级工程师,主要研究方向:电力系统自动化及电力市场交易运营。 E- mail: gengjian epri. sgcc. com. cn(编辑万志超)Path Optimization M odel of Trans- regional and Trans- prov

44、incial Electricity Trade Based onExpand Network FlowCHENG Haihua 1 , ZHENG Yaxian 1 , GEN Jian 1 , W U Han 2 , TANG Honghai 3 , LYU Qiaozhen 3( 1. China Electric Power Research Institute( Nanjing) , Nanjing 210003, China;2. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 2100

45、98, China;3. State Grid Electric Power Trading Center, Beijing 100031, China)Abstract: Trans- regional and trans- provincial electricity transactions are an important means to realizing large scope of electricenergy resources optimization configuration. W ith the development of ultra- high voltage (

46、 UHV) power grid, power gridstructure is getting increasingly complicated than ever before, posing challenges to path optimization of trans- regional andtrans- provincial electricity transactions. The network flow theory is introduced into the mid- and long- term trans- regional andtrans- provincial

47、 electricity transactions. The traditional network flow method and the expanded network flow method are putforward, respectively. The optimization model takes maximum social welfare as the objective, while considering thetransmission channel capacity and transmission loss constraints. Finally, by us

48、ing the simplified transmission structure in thecountry, two different path optimization modeling methods are verified and comparatively analyzed. The results show that theexpanded network flow method is even better in achieving path optimization in complicated grid structure and solvingconcurrent problem while forming an integral path, providing a new line of thought to optimization of complicated path forlarge- scale trans- regional and trans- p