数学建模优秀论文电力市场的输电阻塞管理决策研究.doc
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1、电力市场的输电阻塞管理决策研究摘要本文主要对电力市场的输电阻塞管理决策进行研究,并解决电力市场中的相关的实际问题,为电力市场的输电阻塞管理提出合适调整方案。首先,本文对现实方案得到的一些具体数据做了必要的分析,通过建立逐步回归模型和线性回归模型,确定了有功潮流关于各发电机组出力的近似表达式,并作了相应图表进行详细残差分析,证明了模型具有很高的显著性。然后,在考虑电力市场规则的同时,考虑公平地对待序内容量不能出力的部分和报价高于清算价的序外容量出力的部分,我们设计了三个模型。对于模型一,本文以保证电厂在此次交易时间内不亏损为原则,提出第一个阻塞费用计算规则。为了更公平地维护发电商和电网双方的利益
2、,本文根据保险学中的损失补偿原理设计出了模型二,这个模型中网方补偿了发电商因方案调整造成的所有损失,较公平的对待了网方和发电方。但是以上两个模型都存在一个共同的缺点就是计算较为复杂,因此制定模型三。模型三中给定电量一个固定的补偿单价,该固定的补偿单价由初始的分配方案和各机组报价决定。这样方便了计算,也使阻塞费用的计算跟段价联系起来,相对公平,使得阻塞费用计算规则更简明,更合理。之后,按照电力市场规则,根据下一时段预报的负荷值,并在考虑各机组的段容量、段价和爬坡速率的数据的条件下,建立相关数据的Excel表格,并运用Excel表格的相应运算,结合动态规划的相关知识,分步骤地对Excel表格中数据
3、进行迭代,通过查阅相应Excel表,能合理地给出下一个时段各机组的出力分配预案。本文根据输电阻塞管理原则,制订了一套阻塞管理的方案。包括:判断分配预案是否发生输电阻塞;建立线性规划模型,判断是否可以将输电阻塞消除并给出相应调整方案;建立线性规划模型,判断是否能够使每条线路上的潮流绝对值超过限值的百分比小于相对安全裕度,并给出使每条线路上潮流的绝对值超过限值的百分比尽量小的调整方案。最后我们通过上面模型,给出了具体问题的解决方案,并对各个模型进行了评估,提出了一些建议。关键词:输电阻费、逐步回归、残差分析、公平合理一、 问题重述这是一个电力市场的输电阻塞管理问题。电力从生产到使用的四大环节发电、
4、输电、配电和用电是瞬间完成的。我国电力市场初期是发电侧电力市场,采取交易与调度一体化的模式。电网公司在组织交易、调度和配送时,必须遵循电网“安全第一”的原则,同时要制订一个电力市场交易规则,按照购电费用最小的经济目标来运作。某电网有若干台发电机组和若干条主要线路,每条线路上的有功潮流(输电功率和方向)取决于电网结构和各发电机组的出力。电网每条线路上的有功潮流的绝对值有一安全限值,限值还具有一定的相对安全裕度(即在应急情况下潮流绝对值可以超过限值的百分比的上限)。如果各机组出力分配方案使某条线路上的有功潮流的绝对值超出限值,称为输电阻塞。当发生输电阻塞时,需要研究如何制订既安全又经济的调度计划,
5、这主要是市场交易调度中心的工作,其在当前时段要完成的具体操作过程简述如下:监控当前时段各机组出力分配方案的执行,调度AGC辅助服务,在此基础上给出各机组的当前出力值。作出下一个时段的负荷需求预报。根据电力市场交易规则得到下一个时段各机组出力分配预案。1) 计算当执行各机组出力分配预案时电网各主要线路上的有功潮流,判断是否会出现输电阻塞。如果不出现,接受各机组出力分配预案;否则,按照如下原则实施阻塞管理:调整各机组出力分配方案使得输电阻塞消除。2) 如果(1)做不到,还可以使用线路的安全裕度输电,以避免拉闸限电(强制减少负荷需求),但要使每条线路上潮流的绝对值超过限值的百分比尽量小。3) 当改变
6、根据电力市场交易规则得到的各机组出力分配预案时,一些通过竞价取得发电权的发电容量(称序内容量)不能出力;而一些在竞价中未取得发电权的发电容量(称序外容量)要在低于对应报价的清算价上出力。因此,发电商和网方将产生经济利益冲突,产生阻塞费用,网方在电网安全运行的保证下应当同时考虑尽量减少阻塞费用。4) 如果无论怎样分配机组出力都无法使每条线路上的潮流绝对值超过限值的百分比小于相对安全裕度,则必须在用电侧拉闸限电。根据以上的介绍,我们需要解决的问题如下:1) 设电网有8台发电机组,6条主要线路,表1和表2中的方案0给出了各机组的当前出力和各线路上对应的有功潮流值,方案132给出了围绕方案0的一些实验
7、数据,试用这些数据确定各线路上有功潮流关于各发电机组出力的近似表达式。2) 设计一种简明、合理的阻塞费用计算规则,除考虑上述电力市场规则外,还需注意:在输电阻塞发生时公平地对待序内容量不能出力的部分和报价高于清算价的序外容量出力的部分。3) 假设下一个时段预报的负荷需求是982.4MW,表3、表4和表5分别给出了各机组的段容量、段价和爬坡速率的数据,试按照电力市场规则给出下一个时段各机组的出力分配预案。4) 按照表6给出的潮流限值,检查得到的出力分配预案是否会引起输电阻塞,并在发生输电阻塞时,根据安全且经济的原则,调整各机组出力分配方案,并给出与该方案相应的阻塞费用。假设下一个时段预报的负荷需
8、求是1052.8MW,重复34的工作。二、 符号说明 第j台发电机组的出力值,且第i条主要线路的有功潮流值,且 第i条主要线路的有功潮流值与第j台发电机出力值的回归系数,且为第i条线路上的潮流值近似表达式中的常数项 根据表一和表二的数据,估计时的随机误差 设定的一个变动补偿单价 出力成本价格关于段价的函数,其中为段价 表示下一时段出力分配预案中第i个机组的出力值 表示下一时段出力分配预案调整之后,第i个机组的出力值 表示第i台机组的补偿费用 表示总的补偿费用 表示清算价 表示第i机组在出力分配预案中所有出力段的最高段价 表示第i机组在调整后所有出力段的最高段价 第时刻的负荷需求 表示下一时段第
9、i线路的潮流值 表示第i线路的安全限值 表示当前时段内第i个机组的出力值 表示第i个机组的爬坡速率 表示每一时段的段长,本题中为15分钟 表示下一时段的负荷需求值 表示第i机组的最大出力值 表示下一时段出力分配预案调整之后,第i条线路上潮流值超出限值的百分比 表示第i条线路上的相对安全裕度三、 问题分析问题一,这是一个统计回归问题。需要根据方案132给出的实验数据,确定各线路上有功潮流关于各发电机组出力的近似表达式。问题二,要求我们设计一种简明,合理的阻塞费用计算规则。阻塞费用的产生主要是由于网方调整出力分配方案,产生违约,需要进行赔偿,而需要我们做的主要是决定补偿的多少。问题三,主要是对电力
10、市场交易规则的理解,通过对段价的排序,考虑到爬坡速率的限制,从而制订出力分配预案。问题四,主要是对输电阻塞管理原则的理解,根据规则,首先确定是否发生阻塞,然后寻找方案消除阻塞,如果不能消除阻塞,则寻找方案,使每条线路上的潮流的绝对值超过限值的百分比尽量小。问题五,需要重复问题三和问题四的模型,只是负荷需求数值改变。四、 模型假设1. 各机组的出力分配预案和调整方案的下达是瞬间完成的,各机组不需要反应时间,而是立即执行。2. 出力分配预案下达后立即制定调整方案,且瞬间完成。3. 不考虑发电厂为其它电网供电。五、 模型建立与求解(一) 问题1的分析与模型建立1) 有功潮流关于各发电机组出力的近似表
11、达式模型的建立1.1 )经过对题目给的33组数据的分析,我们大致的分析了每条线路的潮流值()与各机组出力()的关系,利用表1中前5组数据发现与之间满足线性关系,即1.2 )进一步发现,任意一条线路的潮流值与任意一个机组出力均满足线性关系,即1.3 )综合上面的分析,结合模型(2)建立如下的回归模型:1.4 )为了表述方便,我们不妨设,则(3)式可表示如下:2) 模型求解直接利用matlab统计工具箱中的stepwise命令,对第一条线路进行逐步回归,所得到的stepwise plot,stepwise table,stepwise history图如下:图1根据变量的显著性进行选取,可得到如下
12、图:图2可以发现的显著性最差,移除后,通过regress命令,对变量与变量进行线性回归,得到模型结果如下:表1参数参数估计值参数置信区间110.1458109.3269 110.96470.08290.0811 0.08470.04840.0444 0.05250.05300.0517 0.05440.12000.1167 0.1232-0.0254-0.0273 -0.02340.12210.1194 0.12480.12150.1184 0.1245即第一条线路上的最终模型为:重复如上过程,得到最终各条线路关于各机组出力的近似方程如下:(二) 问题2的分析与模型建立首先我们分析阻塞费用的产
13、生:当改变根据电力市场交易规则得到的各机组出力分配预案时,一些通过竞价取得发电权的发点容量(序内容量)不能发电,即实际交易的发电量低于最初分配预案中的发电量;而一些在竞价中未取得发电权的发电容量(序外容量)要在低于对应报价的清算价上出力,即实际交易的发电量多余最初分配预案中的发电量,且交易的清算价格低于这部分出力的报价。因此,网方要为违约进行补偿。模型一:我们从工厂成本价的角度考虑,对于不同的处理段,其段价不同,则成本价不同。我们制定阻塞费用计算规则来保证发电机组的成本价格(包括生产成本和最小盈利值),当最后清算时能够满足成本价格时,设定一个变动补偿单价,为,变动越大补偿越多;当最后清算时不能
14、满足成本价格时,则有网方补满成本价格。制定如下模型:假设成本价格为出力分配的段价的某一确定函数,设为,其中v表示段价。序内容量:假设第i台机组预出力分配值为,其所有出力段的最高段价为,清算价为t,改变出力分配方案后,其出力分配值为(),当,则补偿费用为: 当,则补偿费用为:序外容量:假设第i台机组预出力分配值为,清算价为,改变出力分配方案后,其出力分配值为,此时所有出力段的最高段价为,当,则补偿费用为:当,则补偿费用为:最终的总补偿费用,即阻塞费用为此模型能够保证发电机组的成本和最小获利,但是如果按照此模型,当发电机组的出力分配方案改变时,则只能获得成本价值,对发电机组并不合理。而且,由于分类
15、情况较多,计算起来也不是很方便。模型二:对于序内容量,网方要为违约进行补偿,根据保险学的补偿原则(通过补偿,使被保险人的保险标的在经济上恢复到受损前的状态,不允许被保险人因损失而获得额外的利益),因此我们规定,补偿的单价设为清算价与序内容量的段价之差;对于序外容量,网方要对低于清算价低于对应报价的部分给出补偿,我们认为应该网方应该以按报价交易这部分容量,由于要按清算价收购序外容量部分,则补偿费用的单价为清算价与序外容量的段价之差。由此可知,要分不同情况考虑,模型如下序内容量:假设第i台机组预出力分配值为,清算价为,改变出力分配方案后,其出力分配值为(),对应调整部分的段价为,则补偿费用为:(6
16、)序外容量:假设第i台机组预出力分配值为,清算价为,改变出力分配方案后,其出力分配值为(),对应调整部分的段价为,则补偿费用为: (7)所以根据模型(6)(7)可得最后的补偿费用为:在如上模型中,我们平等对待序内容量不能出力的部分和报价高于清算价的序外容量出力的部分,认为最初的清算价即为最终的购买价格,从而从保险学的补偿规则(见上面分析部分)的角度,确定补偿费用,算起来合理,弥补了模型一中,发电机组只能获得成本价的缺陷。但是由于要考虑段价,调节出力分配方案时,较困难。模型三:我们认为,发电机组已经了解了最终的补偿规则,在报价的过程中就已经考虑了补偿费用。通过博弈理论进行报价,我们制订了如下的阻
17、塞费用计算规则:设按处理分配方案,第i台机组出力分配值为,第i台机组所有出力段的最高段价为,阻塞调整后,其所出力分配值为,则由于阻塞调整引起的该机组的补偿费用为:其中网方应支付的补偿费用,即阻塞费用为:此模型认为发电机组通过博弈的理论,进行竞价,会出现一部分机组的,即补偿价格高于其所有出力段的最高段价,从而获得利益;而一部分机组,即补偿价格低于其所有出力段的最高段价,从而减少利益。同时,不用考虑发电机组会盲目抬高价格,因为确定最初分配方案时,要根据报价从低到高选取各机组的段容量或其部分。算法很简单,也较为合理,下面的模型也暂时按此阻塞费用计算规则计算。(三) 问题3的分析与模型建立根据下一时段
18、预报的负荷需求值,以及当前时刻的出力分配预案,考虑机组的爬坡速率,我们制订了如下一个模型:假设第时段的负荷需求高于第时刻的负荷需求,则由电力市场交易规则可知,各个机组第时段的出力值不小于第时刻的出力值(因为是按段价从低到高选取各机组的段容量或其部分),所以,我们只需要将在第时段,各机组未出力的段容量部分(选取按照对应爬坡速率在15分钟内可达到的部分),按段价从低到高选取,直到他们之和等于两时段的负荷差值。假设第时段的负荷需求低于第时刻的负荷需求,则由电力市场交易规则可知,各个机组第时段的出力值不大于第时刻的出力值(因为是按段价从低到高选取各机组的段容量或其部分),所以,我们只需要将在第时段,各
19、机组出力的段容量部分(选取按照对应爬坡速率在15分钟内可达到的部分),按段价从高到低选取,直到他们之和等于两时段的负荷差值。对于当前时刻,其负荷需求为各机组出力之和,即874.1MW,而下一时刻预报的负荷需求是982.4MW,负荷增加,增加量为108.3MW,即各机组的出力增加量之和满足108.3MW即可。当前时刻,各机组出力值如下表:表2机组段123456789101700500030000402300208156200831100400300204004045551010101015001575515015150101010695010200151020010750155151010510
20、3287002002002010155注:黄色格为出力段,蓝色部分为部分出力段,其他为未出力部分各机组在15分钟内,出力的最大变化值如下,单位:MW表3机组12345678最大变化值33154819.527302127由此,我们建立如下表格:表4机组段123456789101-33003000032-15620073-180-30020284-9.5-10109.55-12-150101076-10-200151057-4.9-5-3.9或11.1107.18-70-2002007表中值表示当前出力值改变多少量后,到达原有段范围,例如其中第1机组第3段的-33表示:第一机组要在当前出力的基础上
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