电力系统输电能力理论与方法

本书系统地介绍了电力系统输电能力的一些基本理论与方法。全书共13章，主要内容包括：章为绪论，对电力系统输电能力研究的历史、现状与方法作了详细阐述；第2章介绍了输电能力的基本概念；第3章介绍本书内容所涉及的主要数学基础知识，包括非线性动力系统、概率论与数理统计、连续性方法和很优化技术；作为计算系统区域间很大输电能力的前提，第4章介绍了故障集选取和排序方法；第5章介绍了基于直流潮流的输电能力快速计算方法；第6章介绍了基于连续型方法求解输电能力的模型与算法；第7章介绍了基于优化方法的输电能力的求解模型与算法；第8章介绍了暂态稳定约束下的可用输电能力求解；第9章介绍了概率框架下的输电能力求解方法；0章介绍了计及经济性约束的可用输电能力计算；1章探讨了计及各种控制装置的可用输电能力计算。2章讨论了交直流混合输电系统输电能力的建模与计算方法，分别对含传统直流输电的交直流混合系统输电能力模型、含柔性直流输电的交直流混合系统的输电能力模型进行建模和分析。3章为大规模风电并网系统区域间可用输电能力计算，详细阐述了大规模风电场输出功率模型、含风电场的电力系统潮流分析以及风电并网系统可用输电能力的计算。全书构建了电力系统输电能力的理论体系。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.1.1 电力系统的发展历史 1
1.1.2 现代电力系统的特点与发展趋势 3
1.1.3 电力系统输电能力 6
1.2 电力系统输电能力研究的历史、现状与方法评述 8
1.2.1 基于概率的求解方法 8
1.2.2 确定性的求解方法 11
参考文献 19
第2章 电力系统输电能力的基本概念 24
2.1 引言 24
2.2 输电能力的基本概念 24
2.3 电力市场下可用输电能力的基本概念 27
2.3.1 可用输电能力的定义 27
2.3.2 可用输电能力的计算原则 28
2.4 输电能力裕度 29
2.4.1 输电可靠性裕度TRM 30
2.4.2 容量效益裕度CBM 34
2.5 可用输电能力的商业化成分 35
2.5.1 规划和预约的输电服务 35
2.5.2 输电服务的优先级 36
2.6 ATC的在线应用框架 37
2.7 发布ATC信息的OASIS 38
参考文献 39
第3章 数学理论基础 40
3.1 引言 40
3.2 非线性动力系统 40
3.2.1 非线性动力系统稳定性的基本概念 40
3.2.2 非线性动力系统运动稳定性 42
3.2.3 非线性动力系统结构稳定性 44
3.3 概率论和数理统计 48
3.3.1 概率论基础 48
3.3.2 数理统计基础 51
3.3.3 随机过程 54
3.4 连续型方法 57
3.4.1 PC连续型方法的起源 58
3.4.2 隐式定义曲线 59
3.4.3 PC连续型方法的基本思想 62
3.4.4 鞍点处病态的消除 63
3.5 很优化技术 65
3.5.1 很优化问题的分类及很优化方法的结构 65
3.5.2 Newton方法及其改进 68
3.5.3 惩罚函数法 71
3.5.4 二次规划 80
3.5.5 内点法 85
参考文献 90
第4章 基于鞍点分叉的故障排序方法 92
4.1 引言 92
4.2 基于模态分析的故障排序方法 93
4.2.1 模态分析的基本原理 93
4.2.2 方法的描述 95
4.2.3 基于模态分析的故障排序算法框图 97
4.2.4 算例分析 98
4.3 基于ΔL/ΔPij灵敏度的故障排序方法 100
4.3.1 方法的提出 100
4.3.2 基于ΔL/ΔPij灵敏度的故障排序算法框图 102
4.3.3 算例分析 103
4.4 基于鞍点分叉的故障排序新策略 103
4.5 其他的几种故障排序方法 104
4.5.1 行为指标法 104
4.5.2 二次曲线拟合法 105
4.5.3 潮流多解法 106
4.5.4 测试函数法 107
参考文献 108
第5章 基于直流潮流的输电能力快速计算方法 110
5.1 引言 110
5.2 基于网络响应法的可用功率交换能力计算 110
5.2.1 功率传输分布因子和线路开断分布因子的定义 111
5.2.2 功率传输分布因子和线路开断分布因子的数学推导 111
5.2.3 基于分布因子的ATC计算 117
5.2.4 算例分析 119
参考文献 122
第6章 基于连续型方法求解输电能力的模型与算法 123
6.1 引言 123
6.2 连续型潮流计算方法 124
6.2.1 负荷及发电机功率变化时潮流方程的描述 124
6.2.2 连续型潮流方程的求解方法 125
6.2.3 连续型潮流计算方法的有效性验证 130
6.3 基于连续型方法的系统区域间优选交换功率的模型与算法 132
6.3.1 描述输电能力数学模型的建立 132
6.3.2 输电能力的分析与计算方法 134
6.3.3 实际系统算例 137
6.4 小结 140
参考文献 141
第7章 基于优化方法求解输电能力的模型与算法 142
7.1 引言 142
7.2 很优潮流 143
7.2.1 很优潮流的发展 143
7.2.2 很优潮流的数学模型 144
7.2.3 基于很优潮流求解输电能力的数学模型 144
7.3 基于经典优化算法的输电能力求解 149
7.3.1 牛顿类方法 149
7.3.2 梯度类方法 156
7.3.3 内点法 171
7.3.4 逐步二次规划法 175
7.3.5 Benders分解算法 182
7.4 基于现代优化算法的输电能力求解 187
7.4.1 遗传算法 188
7.4.2 粒子群算法求解输电能力 192
7.4.3 人工鱼群算法 201
7.4.4 蚁群算法及混合连续蚁群(hybrid continuous ant colony optimization， HCACO)算法 211
参考文献 225
第8章 基于暂态稳定约束的互联电网输电能力求解 228
8.1 引言 228
8.2 时域仿真法计算暂态稳定约束下输电能力 230
8.2.1 约束转换法处理暂态稳定约束 230
8.2.2 OTS在函数空间的优化模型 230
8.2.3 约束转换技术 232
8.2.4 模型的求解方法 233
8.2.5 算例和结果分析 237
8.3 基于连续型方法的暂态稳定约束下输电能力计算 239
8.3.1 输电能力计算模型 239
8.3.2 考虑暂态稳定约束的连续潮流算法 242
8.3.3 算例分析 243
参考文献 247
第9章 概率框架下的输电能力求解方法 248
9.1 引言 248
9.2 基于随机规划法的可用输电能力计算 250
9.2.1 ATC计算随机模型 251
9.2.2 模型的求解方法 253
9.2.3 算例分析 255
9.3 基于故障枚举法的可用输电能力计算 256
9.3.1 负荷水平的选择 257
9.3.2 单点ATC的计算模型 257
9.3.3 对单点ATC的概率统计计算 258
9.3.4 模型中涉及的概率统计的相关概念 258
9.3.5 概率统计在模型中的应用 259
9.3.6 算例分析 260
9.4 结合马尔可夫链和枚举法的可用输电能力计算 263
9.4.1 马尔可夫过程 263
9.4.2 马尔可夫链 264
9.4.3 电力系统状态预测 265
9.4.4 计算模型及其计算步骤 268
9.4.5 算例分析 269
9.5 基于蒙特卡罗模拟法的可用输电能力计算 273
9.5.1 ATC概率评估指标的定义 275
9.5.2 ATC计算中的各种不确定因素及其概率模型 276
9.5.3 负荷、发电机出力波动及考虑线路故障的Monte Carlo仿真方法 285
9.5.4 算例分析 287
参考文献 293
第10章 计及经济性约束的可用输电能力计算 295
10.1 引言 295
10.2 计及发电报价的可用输电能力计算 296
10.2.1 发电机组的有功报价 296
10.2.2 考虑发电报价的可用输电能力计算模型 297
10.2.3 算例分析 299
10.3 计及发电机报价和负荷消费意愿的可用输电能力计算 302
10.3.1 考虑发电机报价和负荷消费意愿的ATC计算模型 302
10.3.2 考虑经济性约束的ATC计算模型 304
10.3.3 基于主从递阶决策的求解算法 305
10.3.4 算例分析 306
10.4 结合输电经济性和概率因素的可用输电能力计算 308
10.4.1 输电能力的计算模型及求解过程 308
10.4.2 问题的进一步探讨 310
10.4.3 算例分析 311
10.5 基于风险分析和经济性的概率可用输电能力计算 313
10.5.1 非时序Monte Carlo模拟 314
10.5.2 随机状态样本的拓扑结构分析 314
10.5.3 可行状态下的优化模型与求解 314
10.5.4 基于风险分析的很优ATC决策 315
10.5.5 算例分析 316
参考文献 318
第11章 计及各种FACTS装置的可用输电能力计算 320
11.1 引言 320
11.2 FACTS装置的几种常见潮流计算模型 321
11.2.1 电源型模型 322
11.2.2 功率注入型模型 323
11.2.3 阻抗型模型 323
11.2.4 变压器型模型 324
11.3 含FACTS装置的电力系统潮流计算方法 324
11.3.1 交替迭代法 325
11.3.2 联立求解法 325
11.4 含FACTS装置的各类约束方程及优化模型分析 326
11.4.1 含FACTS装置的约束方程分析 326
11.4.2 含FACTS装置的很优潮流模型分析 330
11.4.3 含FACTS装置的ATC计算优化模型 331
11.5 含SVC和ULTC的可用输电能力计算 332
11.5.1 SVC和ULTC的工作原理与数学模型 332
11.5.2 计及无功的发电机模型 335
11.5.3 算例分析 336
11.6 含UPFC、GUPFC和IPFC的可用输电能力计算 345
11.6.1 UPFC、GUPFC和IPFC的工作原理与数学模型 345
11.6.2 计及UPFC、GUPFC和IPFC的ATC计算模型 351
11.6.3 算例分析 352
11.7 含TCSC和TCPS的可用输电能力计算 358
11.7.1 TCSC和TCPS的工作原理与数学模型 358
11.7.2 计及TCSC和TCPS的ATC计算模型 362
11.7.3 算例分析 363
参考文献 366
第12章 交直流混合输电系统的可用输电能力的计算 368
12.1 引言 368
12.2 直流系统的稳态数学模型 369
12.2.1 直流换流站的数学模型 369
12.2.2 直流系统的网络特性 371
12.2.3 直流系统的换流站控制方程组 372
12.3 交直流混合系统的基态潮流算法 373
12.3.1 交直流混合系统间的功率传递 373
12.3.2 交直流混合系统的标么制 374
12.3.3 联合求解法 375
12.3.4 交替求解法 376
12.4 交直流混合系统输电能力的优化模型 378
12.4.1 很优潮流模型 378
12.4.2 经典优化算法的运用 380
12.4.3 算例分析 384
12.5 轻型交直流混合系统的输电能力计算 387
12.5.1 VSC-HVDC系统数学模型 387
12.5.2 含VSC-HVDC的混合系统输电能力求解模型 389
12.5.3 算例分析 391
本章小结 394
参考文献 394
第13章 计及大规模

    章 绪论
    1.1 引言
    1.1.1 电力系统的发展历史
    1831年，法拉第发现了电磁感应定律，在此基础上，很快出现了早期的交流发电机、直流发电机和直流电动机。这些发现和发明为电力工业的发展奠定了基础。自此，经过半个世纪的曲折发展，伴随着大批天才发明家的不断探索，电力工业终于迎来了新的发展契机。1882年，美国人爱迪生建成了世界上靠前座正规的电厂——纽约珍珠街电厂(6台直流发电机)。1885年，美国人威斯汀豪斯制成具有现代实用性能的电力变压器，为三相交流及大容量、远距离交流输电奠定了基础[1]。
    1889年，英国伦敦出现了很早的交流输电系统，安装了容量为1000kW、电压2500V的交流发电机，经升压变压器将电压升至10kV，通过12km输电线送到伦敦市区4个变电所后将电压降到2400V，再分别经配电变压器将电压降到100V向用户供电。这样，发电、变电、输电、配电和用电等环节连成一体，形成了现代电力系统的雏形。1891年，德国人密勒主持建成了世界上靠前个三相交流输电系统，将170km外劳芬电站的电能(15kV、230kV?？?A)输送到法兰克福。三相交流输电系统研制成功后很快取代了直流输电，成为电力系统大发展的里程碑。此后，三相交流制的优越性很快显示出来，运用三相交流制的发电厂迅速发展起来[1]。
    进入20世纪后，不断增长的工业用电开始促进电力系统技术的发展。这时，电动机已成为工厂的主要动力设备，电化学、电冶金等工艺生产过程也直接使用电能并需要集中供应，这就促使各地利用高压输电线将附近各座发电厂联成一个整体，形成地区性高压电力系统，以便不间断地向负荷集中供电。随着集中供电需求的增加和电厂规模的扩大，需输送的电能也成倍增长。为提高输送容量、增大输电距离和减小输电损耗，需要不断提高输电电压。1908年，美国建成靠前条110kV线路，之后，于1912年建成150kV线路，输电距离达到150～250km。1923年，美国建成230kV线路。随后，德国、法国、苏联和日本也先后建成230kV线路，单回线路输电容量达10万kW到20万kW，输电距离可达300～370km[2]。
    与此同时，能源的开发也不断促进电力系统技术的发展。例如，从一些国家对水电资源开发的情况看，在20世纪30年代以前，多是开发建设条件比较优越、离负荷中心较近的电源点。但在50年代和60年代，随着高电压、远距离输电技术的发展，远离负荷中心的水能资源也得到迅速开发。而开发远离负荷中心的丰富水能资源的客观需要，又刺激了发展高电压、远距离输电技术。如美国大古力水电站的建设推进了高压输电技术的发展；瑞典北部拉兰地区的水电通过220kV线路(后来又发展380kV线路)送给南部负荷中心。电力系统的这一发展阶段，在安全方面重点解决了从水电站和坑口火电站送出的高压输电系统的稳定问题，开展了稳定计算方法和提高稳定性措施的研究，初步掌握了发电机参数及特性，包括惯性常数、励磁系统参数和周期暂态阻抗等稳定性分析所需要的参数及其对稳定性的影响；在经济运行方面，初步解决了互联系统中不同机组之间的经济负荷分配问题，提出了很经济的负荷分配原则，即采用等微增率的经济调度方法。
    到20世纪70年代，经过近百年的发展，伴随着通信与控制技术的发展、系统综合自动化程度的提高以及系统工程等相邻学科的发展，工业发达国家逐步发展形成现代全国统一的电力系统和跨国电力系统。电力工业进入以大机组、超高压以至特高压输电形成联合电力系统为特点的新时期。
    各国大型汽轮发电机组的单机容量达到60万～100万kW，已能满足大型电站建设的需要。近年来，矿区、坑口火电厂很大容量已超过400万kW，还在向更大容量发展。水轮机根据水力资源情况，常采用70万kW左右机组，有些情况下，还可采用更大容量的机组。一些国家设计、规划的水电站的装机容量已超过1000万kW，个别已接近2000万kW。如我国的三峡水电站共安装70万kW大型水轮发电机组26台，总装机容量1820万kW，年平均发电量846.8亿kW ？ h，是目前世界很大的水电站。核电机组容量一般从经济方面考虑，比汽轮机组容量大，多为100万～130万kW，有些采用150万～160万kW[3]。为配合火电厂、核电站担负峰荷，自20世纪80年代以来，一些国家开始大力发展抽水蓄能电站，如美国和日本分别建成了装机容量为210万kW和121万kW的大型抽水蓄能电站。
    电力系统的负荷可分为城市民用负荷、商业负荷、农村负荷、工业负荷以及其他负荷。在某一地区的全部负荷中，各类负荷用电量所占的比例因产业结构、人口密度等而不同。一般来说，各类负荷具有不同的特点，并受各种条件的影响而发生变化。居民生活用电随人口增长、变动及生活水平情况而变化；工业、交通运输及商业负荷则反映经济发展情况。负荷是经常变化的，具有较大的周期性，但电力负荷对季节、温度、天气等较为敏感，不同的季节，不同地区气候以及温度变化都会对负荷造成明显影响。
    20世纪80年代以来，能源战略引起全世界的关注，特别是能源开发所带来的环境问题。90年代，优选范围的能源开发中，出现了与发展传统能源的“硬”路线(非再生能源路线)平行的“软”路线(可再生能源路线)。大量可再生能源的集中入网对电网的输电能力也提出了新的要求。从世界电力工业发展的趋势来看，交直流输电还将在一定阶段内继续沿着提高电压、增大距离、增加输电容量的方向前进，未来电力系统的网络将更加密集，系统的总容量也将相应增大。随着市场竞争机制的逐步建立和完善，利用现有电力网络输送更多电力的需求将进一步增强，电力系统的发展必将对电网输送能力提出更高的要求。
    靠前上，在交流电网中，高压(high voltage， HV)通常指35～220kV的电压，超高压(extra high voltage， EHV)通常指330kV及以上、1000kV以下的电压，特高压(ultra high voltage， UHV)指1000kV及以上的电压；高压直流(high voltage direct current， HVDC)通常指±600kV及以下等级的直流，±600kV以上电压等级的直流称为特高压直流(ultra high voltage direct current， UHVDC)。在我国，高压电网指的是110(66)kV、220kV电网，超高压电网指的是330kV、500kV、750kV电网，特高压输电指的是1000kV交流和±800kV、±1000kV直流输电工程和技术。
    1.1.2 现代电力系统的特点与发展趋势
    现代电力系统已经发展成为一个由高温、高压、超临界、超超临界机组以及大容量远距离输电网、实时变化的负荷组成的大型互联系统。该系统是世界上目前很庞大和很复杂的人造系统，具有地域分布广、传输能量大、动态过程复杂等特点，其数学模型具有高维、强非线性和时变的特征。现代电力系统发展趋势主要体现在以下6个方面。
    1. 高温、高压、超临界机组、超超临界机组
    现代发电机组主要发展趋势为：以高温、高压、超临界为主要特点的高效率、低污染、低能耗的发电设备和新型的清洁煤燃烧发电技术已成为发展重点。具体表现为：①普遍采用单机容量为60万～100万kW机组；②工业发达国家广泛应用单机容量为60万kW及以上的大容量超临界机组；③大容量、高效率燃气轮发电机组发展迅速；④空冷发电机组、热电联产供热机组向大型化发展；⑤机组运行自动化水平不断提高。
    2. 大容量远距离高压输电、大系统互联
    发展大电网并实行区域电网互联有如下优越性：①减少系统中的总装机容量；②大电网能安装大容量火电机组，有利于降低造价，节约能源；③能够充分利用动力资源，在更大范围内进行水、火电经济调度；④合理利用能源，变输煤为输电；⑤各地电力可互通有无、互为备用，增强抵御事故的能力，提升电网安全水平，提高供电可靠性；⑥大电网能承受较大冲击，有利于改善电能质量。
    3. 高度自动化
    电网调度自动化系统是确保电网安全、优质、经济地发供电，提高电网运行管理水平的重要手段，是电力生产自动化和管理现代化的重要基础。随着电力工业体制改革的进一步深化，电力市场的进一步探索，对电网调度自动化不断提出新的要求，现代电网调度自动化系统的内涵也在不断丰富、发展，不仅包括能量管理系统(energy management system， EMS)、配电网能量管理系统(distribution management system， DMS)、电能量自动计量系统、水电调度自动化系统等，还将包括电力市场技术支持系统的有关内容。
    4. 电力市场化
    电力市场化就是建立电力行业平等竞争的市场机制。市场经济就是竞争经济，进行电力体制改革，建立平等竞争的市场经济运营机制。在市场经济大的框架下，按照电力行业发展的要求，在确保国家用电安全的情况下，逐步优化科学、公平、公正、有序的电力市场竞争环境，建立发电企业竞价上网机制和电网企业竞争输、配、送、销的电力产品销售机制。
    5. 分布式发电和可再生能源
    分布式发电也称分散式发电或分布式供能，一般指将相对小型的发电/储能装置(50MW以下)分散布置在用户(负荷)现场或附近的发电/供能方式。分布式发电的规模一般不大，通常为几十千瓦至几十兆瓦，所用的能源包括天然气(含煤层气、沼气等)、太阳能、生物质能、氢能、风能、小水电等。分布式发电的优势在于可以充分开发利用各种可用的分散存在的能源，包括可就地方便获取的化石类燃料和可再生能源，并提高能源的利用效率。分布式电源通常接入中压或低压配电系统，并会对配电系统产生广泛的影响。
    风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，是目前新能源开发技术中很成熟、很具规模化商业开发前景的发电方式。风力发电无需燃料成本费用，蕴藏量大、可再生、无污染、建设周期短、投资灵活、自动控制水平高且安全耐用。缺点主要是为保证系统供电连续性和稳定性，需要配套就地储能，目前的电力储能技术主要有蓄电池储能、超导磁储能、飞轮储能、不错电容器储能等，这些储能设备的配置相应的会增加系统投资成本；旋转运动组件多，定期维护、检修费用加大，并带来噪音影响；风机的安装对地理位置的要求较高；系统总体效率较低。
    大规模风电场接入电网带来的问题直接影响着电网的正常运行，也会制约风能的有效利用，风电场的建设规模。风能的随机性和间歇性决定了风力发电机输出功率波动性和间歇性。当风电场容量较小时，这些特性对电力系统的影响并不显著，但随着风电场容量在系统中所占比例的增加，风电场对系统的影响就会越来越显著。就风电场运行的经验来看，大规模风力发电场接入电网所带来的主要问题有：①系统的稳定性，如电压稳定性和频率稳定性；②电能质量问题，如电压波动与电压闪变、电网高次谐波等；③发电计划与调度困难。
    太阳能是所有可再生能源中很灵活和实用的，它不需要燃料成本，有太阳光照的地方均可利用。目前，成熟的太阳能发电技术有两种：光伏发电技术和光热发电技术。光伏发电是继风力发电之后又一个被世界普遍接受和看好的新能源利用形式。光伏发电是根据光产生伏应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能的发电技术，其运行方式包括独立运行和联网运行两种。独立光伏发电系统是指仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统；并网光伏发电系统是将太阳能电池发出的直流电逆变成交流，通过与电力网并联运行，以避免安装储能蓄电池带来的费用[4]。制约光伏发电技术发展的主要问题是效率和成本。光热发电主要是利用聚光器汇集太阳能，对工质(工作介质)进行加热，使其由液态变成气态，推动汽轮发电机发电。光热发电正成为世界范围内可再生能源领域的投资热点之一，一些国家已经开始推广。我国的光热发电起步较晚，离大规模商业化运营还有较大差距。
    生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是直接或间接通过绿色植物的