电力系统运行规划和电力需求侧管理中应用优化理论概述

电力系统运行规划和电力需求侧管理中应用优化理论概述姚春桂（东南大学电气工程学院，江苏 南京 210096） 摘要：简要介绍了优化理论在电力系统运行与规划及电力需求侧管理中几个研究 方向的应用。包括电力系统运行规划中系统机组组合的基于安全约束的优化方 法、电力系统运行规划中应用线性规划法和遗传算法等方法处理无功规划优化问 题、通过需求侧管理使整个电力市场中的参与方的利益接近帕累托最优、运用基 于最优潮流的优化方法进行电力市场中的阻塞管理。关键字：机组组合；无功规划；需求侧管理；阻塞管理；优化理论An overview of optimization theory applied on PowerSystem Planning and Demand Side ManagementYAO chunguiAbstract: Briefly introduce the applications of optimization theory on power system planning and demand side management. Including SCUC in power system operation and planning, using linear programming and GA to solve optimization of reactive power planning, making the interests of participants in the electricity market close to Pareto optimal through demand side management, using optimization method based on optimal power flow to solve congestion management in electricity market.Key words: Unit combination; Reactive power planning; DSM; Congestion Management;Optimization theory0 引言电力系统作为一个庞大复杂的系 统，是现代社会中重要的组成部分。 随着我国经济的快速发展，能源消耗 特别是电力消耗正在快速增加。如何 节约能源，减少资源浪费是摆在电力 工作者面前的重要课题。结合本人的 导师研究领域，从发电、输电、配电 到用电各个环节出发，研究各个环节 可以改进的途径以提高用电效率，概 述电力系统运行规划和电力需求侧管 理中某些研究方向应用优化理论的进 展情况。1 电力系统运行与规划电力系统 机组组合电力系统可运行机组在一定的运 行周期例如日调度以一天为一个运行 周期内，怎样进行组合和如何安排开 停机计划，才能使得整个系统的运行 费用或燃料耗量最小，尽可能多的节 约能源，这是电力系统经济调度研究 中的一个重要方面，它带来的经济效 益也是可观的。一般根据系统负荷、 机组特性、水火电比重等情况，可以 在负荷经济分配的基础上，再提高一 些经济效益，有的可达 1%左右1。电力系统机组的状态，按照供电 可靠性、检修计划及运行条件等可分 为必运 、停役和循环三种状态。所谓 循环状态是指机组根据经济性 的要 求，或是运行状态，或是停役状态。 现在的问题是如何确定循环机组的运 行或停役状态，以达到最佳的经济效、n益。研究这类问题的计算方法很多， 常见的有优先并列顺序法、动态规划 法、整数规划法和带分枝限定的动态 规划法等。这些方法都是以减少运行 费用为目的的，考虑系统的安全性方 面不足。电力系统机组组合应在不忽 视系统可靠性的前提下制定生产成本 最小的机组组合基于安全约束的 机组组合（SCUC）5。将电网损失和相关的系统正常运 行成本最小化是 SCUC 的目的。而将 机组组合公式表达式与网络潮流约束 合并起来加以处理是 SCUC 的处理策 略。通过有功发电约束、爬坡约束、 输电潮流约束、无功发电和电压约束、 可靠性约束等约束条件寻找到满足这 些约束条件的最佳电力系统机组组 合。SCUC 求解过程中，不可能将所有 电网约束在拉格朗日目标函数中考 虑；Benders分解能解决此类问题：分 别考虑网络控制行为，使拥塞最小以 及基于传输约束的可靠性最大。 2 电力系统运行与规划电力系统 无功规划电力系统无功规划优化问题是现 代电网规划和系统运行所面临的重要 研究课题。无功规划优化以保证电力 系统的电压质量为前提，通过调整系 统中可调节的无功电源出力或发电机 机端电压、有载调压变压器分接头的 位置以及在系统薄弱节点合理补偿并 联电容器或电抗器组等手段改变系统 的潮流分布，实现系统的经济安全运 行。因此，无功规划优化是一个复杂 的非线性、非连续性约束优化问题， 其目标函数难以表达成控制变量的显 式函数。当系统规模较大时，在有限 的时间内往往无法完成对解空间的充 分搜索，因而难以求得问题的全局最 优解。无功规划优化问题的传统求解方 法有线性规划法3、非线性规划法和动态规划法等。人工智能优化算法是 处理无功规划优化问题的有效方法。 包括遗传算法 GA (Genetic Algorithm)、 模 拟 退 火 算 法 SA(Simulated Annealing)、禁忌搜索 TS(Tabu Search) 算法、粒子群优化 PSO(Particle Swarm Optimization) 算 法 、 混 沌优 化 算 法 COA(Chaos OptimizationAlgorithm)2、变尺度混沌优化算法 MSCOA(MutativeScale ChaosOptimization Algorithm )等在处理无功 规划优化问题时均具有较好的效果。3 电力市场与需求侧管理电力需 求侧管理需求是在一定时间内、在一定价 格条件下，消费者所愿意购买某种商 品的数量。电能也是一种商品，同时 也是现代社会中一种难以被替代的必 需品。但由于电能自身不宜存储且需 实施平衡等特点，通常电力市场经常 不能运行在最佳均衡点，此时会出现 能源浪费或电力供应不足等情况。因 此，需要对电力需求进行有效管理， 以达到电力市场有序均衡。电力需求侧管理的定义7：通过 提高终端用电效率和优化用电方式， 在完成同样用电功能的同时减少电量 消耗和电力需求，达到节约能源和保 护环境，实现低成本电力服务所进行 的用电管理活动。在电力需求侧管理中采用的原则 是帕累托最优原则：资源配置的任何 改变都不可能使一个人的情况变好而 又不使别人的情况变化。资源配置达 到帕累托最优表明：在技术、消费者 偏好、收入分配等条件给定时，资源 配置的效率最高，从而社会福利达到 最大。当然，帕累托最优是一种理想 化的最优情况，实际情况通常并非处 于帕累托最优状态，进行电力需求侧 管理的目标就是使实际情况接近于帕 累托最优，达到节约能源并满足电力 需求的目的。对电力市场中的各个参与方进行 成本效益分析，得到单位节约电能 成本(CCE )、避免峰荷容量成本 (CAPLC)等指标，对参与用户、电 力公司、项目实施方、社会以及非参 与者的成本效益进行计算，使得各方 的利益得到最大化。4 电力市场与需求侧管理阻塞管 理随着电力体制改革的深入和市场 化的推进，输电网络将逐步开放。在 引入竞争、优化资源配置的同时，也 出现了难以避免的输电阻塞问题，这 在较大程度上制约了市场效率的提 高。因此，设计在技术上可行、经济 上合理的阻塞管理措施以缓解或消除 阻塞，对促进电力资源的合理配置、 输电系统的发展，具有重要的理论和 现实意义。目前，阻塞管理主要有基于最优 潮流的优化方法和灵敏度方法6等。 前者通常以阻塞费用最小为目标函 数，考虑系统的各种等式和不等式约 束条件，构成非线性规划模型并采用 非线性内点法、微粒群优化法以及遗 传算法等优化算法进行求解。优化算 法考虑的约束条件比较全面，调整策 略使系统安全性和经济性较好，但在 实际运用中，需调整的设备较多，且 许多优化算法存在算法复杂性高、解 对初值的依赖性强、算法收敛性差等 不足，特别是在越限程度严重的情况 下，需先进行预校正措施才有可能得 到最优解。灵敏度方法考虑约束条件 较少，收敛性较好，以实现调整量和 调整设备最小为目标，但对大系统要 经过多次反复调整。此外，由于电力系统是典型的非 线性系统，支路潮流与系统中机组出 力有关并且之间存在非线性关系，文 献4通过建立多元非线性回归模型 以反映系统潮流与系统中所有机组出 力间的非线性关系，并用最小二乘法 进行求解。根据该模型可以获得支路 潮流越限量与机组出力调整量之间的 关系，形成等式约束条件，从而建立 以调整费用最小为目标的输电阻塞管 理优化模型。参考文献：1 熊观佐 .电力系统机组组合与开 停机计划 J. 武汉水利电力 学院学 报,1984,2:59-66.2 蒋志平，唐国庆 . 电力系统无功 规划优化的变尺度混沌优化算法 J. 继电器，2007，35(2):33-39.3 付瑾诚，肖国泉，舒隽.基于线性 规划的 Benders 分解法在无功规划中 的 应 用 J. 电 网 技 术 ， 1998,22(11):30-33.4 李春燕，俞集辉，谢开贵，等. 基 于多元非线性回归的阻塞管理优化模 型 J. 电 工 技 术 学 报 ， 2008,23(2):96-102.5 李扬.安全约束的机组组合(教学 课件)6 李扬.阻塞管理(教学课件)7 李扬 .电力需求侧管理理论及应 用(教学课件)