尹剛

摘 要：該文基于筆者多年從事電力調(diào)度的相關問題研究，首先分析了電力市場環(huán)境下的短期運行安全性問題，進而探討了電力市場環(huán)境下的電力系統(tǒng)調(diào)度，在此基礎上，探討了大型互聯(lián)電力系統(tǒng)中的阻塞管理問題和多區(qū)域阻塞管理問題，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值。

關鍵詞：電力市場 電力系統(tǒng) 調(diào)度 阻塞管理

中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-00-02

我國電力系統(tǒng)雖然在最近20年里得到了快速的發(fā)展，但電網(wǎng)依然薄弱，還存在相當多的安全隱患。在電力體制改革的過渡時期，在市場參與者需要承擔的責任尚不明確的情況下，安全性風險更大，因此更要把電力系統(tǒng)運行的安全性作為頭等大事來抓。電力系統(tǒng)運行的安全性也是電力改革能否順利進行的重要條件和成功與否的重要標志。從大的方面講，電力系統(tǒng)運行的安全性包括兩個方面，即短期運行安全性和長期電力供應的安全性。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)工業(yè)中，電力系統(tǒng)運行的安全性通常指短期運行安全性，而長期電力供應的安全性通常沒有問題。因為電力公司有責任通過輸配電系統(tǒng)的擴展來保證之，而政府和監(jiān)管機構保證電力公司能夠回收有關的成本。在電力市場環(huán)境下，長期電力供應的安全性無法得到保證，因為輸電公司和發(fā)電公司都沒有能力、也沒有義務承擔這樣的責任。因而研究電力市場環(huán)境下電力系統(tǒng)運行的安全性就需要考慮長期電力供應的安全性。在電力市場環(huán)境下，對于調(diào)度機構來講，其調(diào)度的目標應該為：①維持系統(tǒng)運行的安全性；②容納盡可能多的交易；③識別合同間潛在的沖突條件。

為了實現(xiàn)上述目標，必須進行可用輸電容量（ATC）的計算，且需要滿足下述要求：計算結果必須可靠，要合理計及系統(tǒng)運行條件的不確定性，以保證系統(tǒng)運行的靈活性。

1 電力市場環(huán)境下的短期運行安全性問題

風靡全球的電力工業(yè)改革和互聯(lián)電網(wǎng)的發(fā)展對電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性提出了更高的要求。由于經(jīng)濟和環(huán)境的約束，電力系統(tǒng)將運行在更接近安全穩(wěn)定極限的條件下，電力工業(yè)的市場化運行和新技術的采用增加了電力系統(tǒng)運行的復雜性。電力系統(tǒng)控制中心在承擔了傳統(tǒng)的技術任務以外，還增加了很多與電力市場和交易有關的工作，其在運行和控制中所擔當?shù)慕巧腿蝿兆兊酶訌碗s和繁重。電力系統(tǒng)運行人員面對更大的壓力和更少的選擇性。

電力工業(yè)市場化后，電力系統(tǒng)的物理功能仍保持不變，但電力市場的參與者有不同的目標和商業(yè)利益。電力工業(yè)市場化改革對電力系統(tǒng)的安全性與可靠性會有怎樣的影響是一個值得研究的重要問題。

圖1

1.1 降低成本的壓力

輸電系統(tǒng)開放和電力工業(yè)的市場化改革帶來了削減成本的壓力，包括設備、維修和人工成本。這對發(fā)電公司和輸電公司都適用。發(fā)電公司為了增加利潤，自然會盡可能降低成本。隨著基于績效的管制（Performance Based Regulation，簡稱PBR）的逐步推廣應用，輸電公司雖然仍為嚴格管制下的機構，但在PBR管制模式下，輸電公司的允許利潤要與其運營效率和成本掛鉤。

1.2 潮流增加

基于報價的調(diào)度使得潮流模式頻繁發(fā)生大幅度的變化，經(jīng)常出現(xiàn)意料之外的調(diào)度模式。由于調(diào)度員對這些運行模式不熟悉，增加了發(fā)生安全性事故的機會。輸電系統(tǒng)開放導致系統(tǒng)中潮流增加，即便不超過線路的額定容量，潮流增加也會引起問題。如：輸電富裕容量減少，全系統(tǒng)的安全性和可靠性降低。此外，由于相鄰系統(tǒng)間的潮流增加，系統(tǒng)的安全性和可靠性對其他系統(tǒng)的依賴性增加，鄰近系統(tǒng)發(fā)生故障對本地系統(tǒng)運行的安全性的影響也增加了。

1.3 合作和協(xié)調(diào)關系削弱的影響

電氣上同步的系統(tǒng)，為了確保安全性和可靠性，應作為一個整體來運行。輸電系統(tǒng)開放和電力工業(yè)的市場化運行使得系統(tǒng)的潮流增加，從安全性和可靠性的角度看，按同一個模式對系統(tǒng)進行集中管理的必要性增加了，與其他電力公司合作、協(xié)調(diào)變得更加重要了；另一方面，由于發(fā)電公司之間的競爭以及發(fā)電與輸電的分離，引起了很多問題，難以按一個模式統(tǒng)一管理。

2 電力市場環(huán)境下的電力系統(tǒng)調(diào)度

在發(fā)電環(huán)節(jié)引入競爭后，市場化運營與電力系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度的關系需要從機制上明確和理順，既要培育適應市場競爭的企業(yè)主體，又要保證電網(wǎng)繼續(xù)壟斷運行，保證滿足負荷需求情況下的電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，這是引入競爭、開展競爭的前提和基礎。我國國民經(jīng)濟正處于快速發(fā)展時期，需要電力在確保重大經(jīng)濟目標方面繼續(xù)發(fā)揮基礎工業(yè)的重要作用，電網(wǎng)集中統(tǒng)一調(diào)度對確保系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行具有重大意義。因此，促進發(fā)電企業(yè)競爭和電網(wǎng)統(tǒng)一運行和管理需要統(tǒng)籌考慮。在電力體制由計劃經(jīng)濟體制轉向市場經(jīng)濟體制后，雖然電力系統(tǒng)調(diào)度機構仍壟斷運行，并成立相應的電網(wǎng)公司，其原有作用不會發(fā)生很大的變化，但是調(diào)度機構在以下兩方面的職能仍有較大的變化：①市場化后，調(diào)度機構在電力系統(tǒng)中的地位發(fā)生了變化。調(diào)度機構的公用性決定了它有必要獨立于電力交易實體，以保持中立公正的地位；②市場化后，調(diào)度實現(xiàn)原有功能的方法會發(fā)生重大變化。

3 大型互聯(lián)電力系統(tǒng)中的阻塞管理

前已述及，市場化以后，電力系統(tǒng)的運行更接近于其運行極限，電力交易涉及的范圍也更大。這樣，用于解決設備和系統(tǒng)運行約束限制的阻塞管理就成為一個非常重要的問題。阻塞管理是伴隨著電力工業(yè)的市場化改革而被引入的新術語，其涉及面很廣，包括靜態(tài)和動態(tài)安全分析，以及預防和緊急控制。

在傳統(tǒng)的垂直一體化壟斷管理的電力系統(tǒng)的運行中也存在阻塞問題，但可以比較方便地采用發(fā)電再調(diào)度（預防性調(diào)度或校正調(diào)度）來解決，因為改變發(fā)電機的出力不牽涉經(jīng)濟利益的分配問題。電力工業(yè)市場化以后，發(fā)電公司和電網(wǎng)公司分離，各個發(fā)電公司有著自己的、相互沖突的利潤最大化的目標。由于發(fā)電再調(diào)度會影響各個發(fā)電公司的利益，阻塞管理除了要保證運行安全性外，還必須考慮公平性，這比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的阻塞管理問題復雜得多，也困難得多。此外，由于在電力市場環(huán)境下，發(fā)電調(diào)度是基于發(fā)電公司的報價而非可變生產(chǎn)成本，而發(fā)電公司的報價可能隨著市場情況的變化（如：負荷的升降和系統(tǒng)中發(fā)電富裕容量的變化）而發(fā)生明顯的變化，系統(tǒng)的運行模式和市場化改革前會有很大的不同，變化也更為頻繁。由于輸電系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃和調(diào)度模式而規(guī)劃的，在新的調(diào)度模式下，阻塞發(fā)生的機會要大得多。在電力市場環(huán)境下，競爭的壓力和對降低成本的關心會引起市場參與者之間的利益沖突。調(diào)度員傾向于采用保守的、充裕的備用容量，而參與交易的各方則希望更充分地利用區(qū)域內(nèi)部或區(qū)域之間的聯(lián)絡線的容量，備用裕度越小越好。安全分析中采用的支路容量極限大都是線路或設備的熱極限。

4 多區(qū)域阻塞管理

在由隸屬于不同控制區(qū)域的幾個子網(wǎng)絡所組成的互聯(lián)網(wǎng)絡中，可以采用兩種方式調(diào)度：一種是對整個網(wǎng)絡采用集中調(diào)度；另一種是采用兩層調(diào)度，即在上一層設立系統(tǒng)調(diào)度機構，而在下一層的每個控制區(qū)域也設立調(diào)度機構。PJM電力市場采用了集中調(diào)度的方式。當采用兩層調(diào)度機構進行阻塞管理時，這種方法則可稱為多區(qū)域阻塞管理。對于大規(guī)模互聯(lián)電力系統(tǒng)，從實時安全分析計算和實現(xiàn)的角度看，采用多區(qū)域阻塞管理方法更為合適。

采用多區(qū)域阻塞管理時，下層的調(diào)度機構主要負責其屬下的調(diào)度機構的阻塞管理問題，而上層的調(diào)度機構則負責整個系統(tǒng)的阻塞管理問題。主要過程為：

1）在周前和日前調(diào)度中，整個網(wǎng)絡的阻塞管理將由上層的調(diào)度機構負責。

2）對于小時前市場或10 min前的平衡市場調(diào)度，阻塞管理將由下述步驟完成：①每個下層的調(diào)度機構完成其控制區(qū)域的阻塞管理；②如果這樣無法解決所有的阻塞問題，則由上層的調(diào)度機構對整個網(wǎng)絡進行阻塞管理。

為了實現(xiàn)多區(qū)域阻塞管理，需要的技術支撐有：分層狀態(tài)估計、實時等值模擬和潮流分解。

4.1 分層狀態(tài)估計

對于有成千上萬個節(jié)點的大規(guī)模電力系統(tǒng)，采用集中式狀態(tài)估計是不現(xiàn)實的。這主要不是因為問題的維數(shù)太高，而是效率問題。如果采用集中式狀態(tài)估計，則需要把從整個網(wǎng)絡各處的RTU獲得的原始量測（粗數(shù)據(jù)）送到調(diào)度機構，進行壞數(shù)據(jù)檢測和校正，處理丟失的量測量，這樣做工作量太大。如果采用分層狀態(tài)估計，則送到上層調(diào)度機構的是已經(jīng)校正過的和完整的數(shù)據(jù)。分層狀態(tài)估計包括兩個層次：第一層和第二層的狀態(tài)估計分別由下層和上層的調(diào)度機構完成。在第一層的狀態(tài)估計完成以后，各個下層調(diào)度機構將估計的狀態(tài)向量送到上層的調(diào)度機構，之后，上層調(diào)度機構基于由第一層狀態(tài)估計得到的邊界節(jié)點的估計電壓和聯(lián)絡線的功率測量，進行第二層狀態(tài)估計。第一層狀態(tài)估計的結果可以在每5 s向上層調(diào)度機構發(fā)送一次，更新

結果。

4.2 實時等值模擬

在多區(qū)域阻塞管理中，上層調(diào)度機構有責任為每一個下層調(diào)度機構發(fā)展網(wǎng)絡等值模型，這可以在每5～10 min進行一次。每一個下層調(diào)度機構可以基于網(wǎng)絡等值模型進行本區(qū)域的阻塞管理。靜態(tài)等值已經(jīng)比較成熟，大多數(shù)商業(yè)化的EMS軟件都具備這個功能。至于動態(tài)等值，則還需要對現(xiàn)有方法進行認真的比較分析。

4.3 潮流分解

對于上萬個節(jié)點的電力系統(tǒng)，有時難以求得潮流解。這時可以采用分解技術來解決這一問題。具體過程是：對每一個子網(wǎng)絡分別進行潮流計算，之后對這些子網(wǎng)絡的潮流結果進行協(xié)調(diào)以獲得整個網(wǎng)絡的潮流解?？傊?，對于大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)，如果采用集中方式進行阻塞管理，計算量會很大。如果考慮了動態(tài)安全約束情況會尤為嚴重，實現(xiàn)起來也比較困難。采用多區(qū)域阻塞管理方法可以明顯減少計算量，對于我國將來要實現(xiàn)的國家和大區(qū)分層電力市場，建議采用該方法。

5 結語

大量的研究分析和國際上改革后的電力工業(yè)發(fā)展狀況表明，電力工業(yè)的市場化改革會對長期電力供給的安全性和可靠性產(chǎn)生負面的影響，加州發(fā)生的電力危機就是一個典型的例子。發(fā)電和輸電投資不足引起的容量短缺、進而影響電力系統(tǒng)運行的可靠性和安全性問題，在多個國家和地區(qū)的電力市場已經(jīng)逐步顯現(xiàn)出來，在我國的電力工業(yè)改革中必須對此問題給予充分的重視。至于電力系統(tǒng)運行的短期安全性，到目前為止，國際上還沒有發(fā)生過與電力市場化改革直接相關的嚴重的電力系統(tǒng)運行事故。但由于改革帶來的競爭壓力所導致的削減成本、進而造成的電力系統(tǒng)安全事故則已經(jīng)多次發(fā)生，必須引以

為鑒。

參考文獻

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