專利名稱：建立不確定性環(huán)境下輸電網(wǎng)規(guī)劃模型的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種建立電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)規(guī)劃模型的方法，具體地說是建立一種不確定性環(huán)境下考慮系統(tǒng)安全風(fēng)險輸電網(wǎng)規(guī)劃模型的方法。

背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的輸電網(wǎng)規(guī)劃方法通常只在負(fù)荷預(yù)測和給定的發(fā)電規(guī)劃基礎(chǔ)上，考慮一種最可能出現(xiàn)的未來場景，確定最佳的輸電網(wǎng)規(guī)劃方案，一般把N或N-1靜態(tài)安全作為必須滿足的條件，用罰函數(shù)方式來處理靜態(tài)安全約束要求。電力工業(yè)市場化以后，發(fā)電廠和電網(wǎng)分離，電網(wǎng)規(guī)劃面臨著越來越多的不確定因素，新增發(fā)電機組和老機組的退役不再是集中式的統(tǒng)一規(guī)劃，而是取決于發(fā)電公司或投資者自己的決策。除發(fā)電廠位置與裝機容量難以準(zhǔn)確預(yù)測外，市場競價結(jié)果也會引起機組發(fā)電出力變化的不確定性等，這些因素都給輸電網(wǎng)規(guī)劃帶來了新的挑戰(zhàn)，需要新的方法和工具來進行輸電網(wǎng)規(guī)劃。
由于未來市場環(huán)境下不確定性因素的影響，采用確定性N-1約束得到的數(shù)學(xué)上嚴(yán)格的最優(yōu)方案在未來不確定環(huán)境中未必最優(yōu)，可能導(dǎo)致大量的補償投資。針對輸電網(wǎng)規(guī)劃時不確定性因素的處理，近年來相繼出現(xiàn)了一些輸電網(wǎng)規(guī)劃新方法。模糊規(guī)劃方法在進行輸電網(wǎng)規(guī)劃之前對各種數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗和語言規(guī)則等資料進行模糊化處理，對輸入輸出之間的關(guān)系通過模糊規(guī)則來描述，該方法的缺點是輸入輸出之間的模糊規(guī)則難以確定，因此得到的輸電網(wǎng)規(guī)劃方案可能與未來場景不符。文獻朱海峰，程浩忠，張焰，考慮線路被選概率的電網(wǎng)靈活規(guī)劃方法，電力系統(tǒng)自動化，2000，24(17)20-24.考慮了線路被選概率，根據(jù)電網(wǎng)可靠性要求和算出的線路被選概率，將各條待選線路按順序加入網(wǎng)架，形成一種具有較好適應(yīng)性的電網(wǎng)靈活規(guī)劃方案，該方法的缺點是最終得到的輸電網(wǎng)規(guī)劃方案難以保證最優(yōu)。文獻楊寧，文福拴.基于機會約束規(guī)劃的輸電系統(tǒng)規(guī)劃方法研究.電力系統(tǒng)自動化，2004，28(14)23-27.將機會約束規(guī)劃方法應(yīng)用于輸電網(wǎng)規(guī)劃，探索了在不確定環(huán)境中考慮靜態(tài)安全性約束的輸電網(wǎng)規(guī)劃問題，但輸電網(wǎng)規(guī)劃模型中未考慮N-1約束，得到的輸電網(wǎng)規(guī)劃方案不能滿足電力系統(tǒng)的實際運行要求。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種建立不確定性環(huán)境下輸電網(wǎng)規(guī)劃模型的方法，其可以根據(jù)輸電系統(tǒng)所處的發(fā)展階段和輸電網(wǎng)規(guī)劃者對風(fēng)險的偏好程度，指定輸電規(guī)劃風(fēng)險因子，得到的輸電網(wǎng)規(guī)劃方案在未來不確定環(huán)境下具有更好的適應(yīng)性。
本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的一種建立不確定性環(huán)境下輸電網(wǎng)規(guī)劃模型的方法，規(guī)劃模型如下 minZ＝CI(X)(1) s.t. 式(1)中，決策變量X是待選線路向量，代表了規(guī)劃方案；CI(X)為線路投資費用和運行費用；式(2)為正常運行的安全約束；式(3)為表征N-1靜態(tài)安全的輸電規(guī)劃風(fēng)險因子約束，B和Bk為節(jié)點導(dǎo)納矩陣，分別對應(yīng)于無開斷方式和支路k開斷方式，向量θ和θk分別為上述兩種方式下的節(jié)點電壓相角，Pb和Pbk為對應(yīng)的支路潮流，θb和θbk為支路兩端相角差，Bb和Bbk為各支路導(dǎo)納組成的對角陣，Pb.max為支路的熱容量極限，ξp為節(jié)點注入功率隨機向量，r為輸電規(guī)劃風(fēng)險因子，λ為給定的風(fēng)險因子閥值； 利用蒙特卡羅仿真和遺傳算法求解式(1)～(3)所描述的包含隨機變量的輸電網(wǎng)規(guī)劃模型，步驟如下 ①按各電源和負(fù)荷注入功率的概率分布函數(shù)隨機抽樣，得M個注入功率向量P； ②從所有可能的線路擴展組合中，隨機選出指定個數(shù)的染色體，組成初始種群； ③對種群中的每個染色體，進行網(wǎng)絡(luò)N-1連通性判斷；若連通，則針對M個注入功率向量中的每個P，檢驗該染色體的靜態(tài)安全約束；如果在開斷前不過負(fù)荷，則再計算檢驗靜態(tài)開斷后的靜態(tài)安全約束；若所有N-1靜態(tài)開斷計算出的輸電規(guī)劃風(fēng)險因子r≤λ，則該染色體代表一個N-1靜態(tài)開斷過負(fù)荷程度不嚴(yán)重的規(guī)劃方案； ④計算各染色體對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，對滿足輸電規(guī)劃風(fēng)險因子約束的染色體，直接取其目標(biāo)函數(shù)值作為適應(yīng)度；對其他染色體則按靜態(tài)開斷后風(fēng)險因子約束越限的，開斷前過負(fù)荷，以及不連通的分別在其適應(yīng)度上考慮程度不同的懲罰； ⑤對當(dāng)代染色體進行選擇、交叉、變異等遺傳操作，形成新一代染色體； ⑥重復(fù)步驟③～⑤，直到給定的迭代次數(shù)； ⑦以求解過程中所發(fā)現(xiàn)的最好的染色體作為輸電網(wǎng)規(guī)劃的初始方案。
所述的輸電規(guī)劃風(fēng)險因子r如下 式(4)中，qk為只有支路k故障開斷的概率，Pbk為支路k故障開斷方式對應(yīng)的支路潮流向量，Pb.max為支路的熱容量極限向量，Pr{E/F}表示在條件F成立時，事件E成立的概率，則為第k條線路故障開斷后系統(tǒng)過負(fù)荷的概率，所有N-1故障開斷的過負(fù)荷概率為由于所以r∈
，r值越大則N-1開斷過載的風(fēng)險越大，輸電網(wǎng)規(guī)劃者可以根據(jù)電網(wǎng)的發(fā)展階段和風(fēng)險偏好程度設(shè)定r值； 所述的式(4)中包含節(jié)點注入功率隨機向量ξp，采用蒙特卡羅仿真方法來計算輸電規(guī)劃風(fēng)險因子r，首先對各電源和負(fù)荷注入功率進行隨機抽樣獲得M個注入功率向量P，設(shè)第k條支路開斷后，不滿足靜態(tài)安全約束的注入功率向量數(shù)為M′，則過負(fù)荷的概率進而得到所有N-1靜態(tài)開斷的過負(fù)荷概率從而可以計算出風(fēng)險因子r。
所述的注入功率隨機向量ξp確定如下設(shè)規(guī)劃期內(nèi)節(jié)點i的新增裝機容量PG.i服從離散概率分布 式(5)表示節(jié)點i出現(xiàn)新增裝機容量PG.ik的概率值為pik，Pr{}表示事件的概率，PG.i為隨機變量，PG.ik為裝機容量，pik為概率值， 設(shè)節(jié)點i的有功負(fù)荷PD.i服從正態(tài)分布N(μi，σi2)，對已確定建設(shè)的發(fā)電廠競標(biāo)行為，可以用正態(tài)分布來模擬其發(fā)電出力競標(biāo)結(jié)果，其中μi和σi分別為負(fù)荷的期望值和標(biāo)準(zhǔn)差；節(jié)點i的有功注入功率Pi＝PG.i-PD.i，將注入功率的隨機向量記為ξp。
本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，提出輸電規(guī)劃風(fēng)險因子的概念及其計算步驟，建立了市場環(huán)境下考慮安全風(fēng)險的輸電網(wǎng)靈活規(guī)劃模型，給出了基于蒙特卡羅仿真和遺傳算法的尋優(yōu)方法，根據(jù)輸電系統(tǒng)所處的發(fā)展階段和輸電網(wǎng)規(guī)劃者對風(fēng)險的偏好程度，指定輸電規(guī)劃風(fēng)險因子，得到的輸電網(wǎng)規(guī)劃方案在未來不確定環(huán)境下具有更好的適應(yīng)性。



圖1是18節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
其中——表示已有線路，-------表示待選線路。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
采用18節(jié)點系統(tǒng)進行仿真計算，如圖1所示。該系統(tǒng)是做N安全規(guī)劃時的常用算例，待選線路有33條。由于在靜態(tài)安全的N-1準(zhǔn)則下沒有可行的規(guī)劃方案，故將線路的熱容量加倍，設(shè)置線路的故障概率為0.0002次/公里·年，設(shè)線路投資費用為80萬元/km。假設(shè)節(jié)點11、14、16、18為可能出現(xiàn)的新增電源節(jié)點，其概率分布函數(shù)服從兩點分布，系統(tǒng)原有節(jié)點負(fù)荷值與文獻王錫凡.電力系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃.北京水利電力出版社，1990.中相同，新增節(jié)點負(fù)荷預(yù)測服從正態(tài)分布，有關(guān)參數(shù)見表1和表2。
表1新增電源點數(shù)據(jù)(新增電源容量的概率分布)
注Pi(i＝0，1)為某節(jié)點出現(xiàn)新增電源容 量為gi的概率，gi單位為MW
利用所提方法分別對輸電規(guī)劃風(fēng)險因子閥值λ＝0.3、λ＝0.2，λ＝0.1、λ＝0.05和λ＝0五種情況進行了計算分析，得到的輸電網(wǎng)最優(yōu)規(guī)劃方案如表3所示。
表3規(guī)劃方案

表4輸電規(guī)劃風(fēng)險因子取不同值時規(guī)劃方案的比較
表4中列出了輸電規(guī)劃風(fēng)險因子取不同值時規(guī)劃方案的比較，隨著輸電規(guī)劃風(fēng)險因子的減小，所得規(guī)劃方案的投資費用也增大，當(dāng)λ＝0時，所有運行方式的N-1靜態(tài)安全不過載，但所需的投資費用較大。輸電網(wǎng)規(guī)劃機構(gòu)或規(guī)劃人員可以根據(jù)實際需要選擇規(guī)劃方案。
僅考慮一種未來場景的確定性N-1輸電網(wǎng)規(guī)劃方法并不能滿足未來電力系統(tǒng)的運行要求，本發(fā)明提出輸電規(guī)劃風(fēng)險因子的概念及其計算步驟，建立了市場環(huán)境下考慮安全風(fēng)險的輸電網(wǎng)靈活規(guī)劃模型，給出了基于蒙特卡羅仿真和遺傳算法的尋優(yōu)方法，根據(jù)輸電系統(tǒng)所處的發(fā)展階段和輸電網(wǎng)規(guī)劃者對風(fēng)險的偏好程度，指定輸電規(guī)劃風(fēng)險因子，得到的輸電網(wǎng)規(guī)劃方案在未來不確定環(huán)境下具有更好的適應(yīng)性。
權(quán)利要求
1.一種建立不確定性環(huán)境下輸電網(wǎng)規(guī)劃模型的方法，其特征在于，規(guī)劃模型如下
minZ＝CI(X) (1)
s.t.
式(1)中，決策變量X是待選線路向量，代表了規(guī)劃方案；CI(X)為線路投資費用和運行費用；式(2)為正常運行的安全約束；式(3)為表征N-1靜態(tài)安全的輸電規(guī)劃風(fēng)險因子約束，B和Bk為節(jié)點導(dǎo)納矩陣，分別對應(yīng)于無開斷方式和支路k開斷方式，向量θ和θk分別為上述兩種方式下的節(jié)點電壓相角，Pb和Pbk為對應(yīng)的支路潮流，θb和θbk為支路兩端相角差，Bb和Bbk為各支路導(dǎo)納組成的對角陣，Pb.max為支路的熱容量極限，ξp為節(jié)點注入功率隨機向量，r為輸電規(guī)劃風(fēng)險因子，λ為給定的風(fēng)險因子閥值；
利用蒙特卡羅仿真和遺傳算法求解式(1)～(3)所描述的包含隨機變量的輸電網(wǎng)規(guī)劃模型，步驟如下
①按各電源和負(fù)荷注入功率的概率分布函數(shù)隨機抽樣，得M個注入功率向量P；
②從所有可能的線路擴展組合中，隨機選出指定個數(shù)的染色體，組成初始種群；
③對種群中的每個染色體，進行網(wǎng)絡(luò)N-1連通性判斷；若連通，則針對M個注入功率向量中的每個P，檢驗該染色體的靜態(tài)安全約束；如果在開斷前不過負(fù)荷，則再計算檢驗靜態(tài)開斷后的靜態(tài)安全約束；若所有N-1靜態(tài)開斷計算出的輸電規(guī)劃風(fēng)險因子r≤λ，則該染色體代表一個N-1靜態(tài)開斷過負(fù)荷程度不嚴(yán)重的規(guī)劃方案；
④計算各染色體對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，對滿足輸電規(guī)劃風(fēng)險因子約束的染色體，直接取其目標(biāo)函數(shù)值作為適應(yīng)度；對其他染色體則按靜態(tài)開斷后風(fēng)險因子約束越限的，開斷前過負(fù)荷，以及不連通的分別在其適應(yīng)度上考慮程度不同的懲罰；
⑤對當(dāng)代染色體進行選擇、交叉、變異等遺傳操作，形成新一代染色體；
⑥重復(fù)步驟③～⑤，直到給定的迭代次數(shù)；
⑦以求解過程中所發(fā)現(xiàn)的最好的染色體作為輸電網(wǎng)規(guī)劃的初始方案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建立不確定性環(huán)境下輸電網(wǎng)規(guī)劃模型的方法，其特征在于所述的輸電規(guī)劃風(fēng)險因子r如下
式(4)中，qk為只有支路k故障開斷的概率，Pbk為支路k故障開斷方式對應(yīng)的支路潮流向量，Pb.max為支路的熱容量極限向量，Pr{E/F}表示在條件F成立時，事件E成立的概率，則為第k條線路故障開斷后系統(tǒng)過負(fù)荷的概率，所有N-1故障開斷的過負(fù)荷概率為由于所以r∈
，r值越大則N-1開斷過載的風(fēng)險越大，輸電網(wǎng)規(guī)劃者可以根據(jù)電網(wǎng)的發(fā)展階段和風(fēng)險偏好程度設(shè)定r值；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的建立不確定性環(huán)境下輸電網(wǎng)規(guī)劃模型的方法，其特征在于所述的式(4)中包含節(jié)點注入功率隨機向量ξp，采用蒙特卡羅仿真方法來計算輸電規(guī)劃風(fēng)險因子r，首先對各電源和負(fù)荷注入功率進行隨機抽樣獲得M個注入功率向量P，設(shè)第K條支路開斷后，不滿足靜態(tài)安全約束的注入功率向量數(shù)為M′，則過負(fù)荷的概率進而得到所有N-1靜態(tài)開斷的過負(fù)荷概率從而可以計算出風(fēng)險因子r。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的建立不確定性環(huán)境下輸電網(wǎng)規(guī)劃模型的方法，其特征在于所述的注入功率隨機向量ξp確定如下設(shè)規(guī)劃期內(nèi)節(jié)點i的新增裝機容量PG.i服從離散概率分布
式(5)表示節(jié)點i出現(xiàn)新增裝機容量PG.ik的概率值為pik，Pr{}表示事件的概率，PG.i為隨機變量，PG.ik為裝機容量，pik為概率值，
設(shè)節(jié)點i的有功負(fù)荷PD.i服從正態(tài)分布N(μi，σi2)，對已確定建設(shè)的發(fā)電廠競標(biāo)行為，可以用正態(tài)分布來模擬其發(fā)電出力競標(biāo)結(jié)果，其中μi和σi分別為負(fù)荷的期望值和標(biāo)準(zhǔn)差；節(jié)點i的有功注入功率Pi＝PG.i-PD.i，將注入功率的隨機向量記為ξp。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種建立不確定性環(huán)境下輸電網(wǎng)規(guī)劃模型的方法，本發(fā)明中提出輸電規(guī)劃風(fēng)險因子的概念及其計算步驟，建立了市場環(huán)境下考慮安全風(fēng)險的輸電網(wǎng)靈活規(guī)劃模型，給出了基于蒙特卡羅仿真和遺傳算法的尋優(yōu)方法，根據(jù)輸電系統(tǒng)所處的發(fā)展階段和輸電網(wǎng)規(guī)劃者對風(fēng)險的偏好程度，指定輸電規(guī)劃風(fēng)險因子，得到的輸電網(wǎng)規(guī)劃方案在未來不確定環(huán)境下具有更好的適應(yīng)性。
文檔編號G06F17/50GK101295875SQ20081001654
公開日2008年10月29日 申請日期2008年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月3日
發(fā)明者麻常輝, 牛新生, 賈善杰, 薛萬磊 申請人:山東電力研究院