电力市场环境下的多目标输电网优化规划方法研究

论文摘要

电力市场环境下的输电网规划是规划主体发生转变后,立足于市场环境的规划方法,其目标是通过输电容量合理扩充和配置来满足未来负荷增长和市场运行的需要,建立和维护市场公平竞争环境,并实现市场参与各方的合理利益。本文立足于多目标电网规划方法,着重探讨市场环境下输电网规划所面临的输电阻塞、过负荷风险、输电投资收益、电网投资收益风险以及新型模型的求解算法等问题,提出了有针对性的新的多目标输电网规划模型,主要研究成果如下:1)提出改进的强度-帕雷托进化算法（Strength Pareto Evolutionary Algorithm,SPEA）,并应用于多目标输电网规划问题的求解。建立基于“吸收孤立节点方法”的种群初始化策略以确保初始种群个体的网络连通性;在多阶段规划中给出一种倒序初始化方法,有效降低线路冗余;针对N和N-1线路容量约束,引入并扩展“边界搜索策略”,保证整个搜索寻优过程在可行域内进行。这些措施增强了初始种群的多样性,改善了Pareto最优解集分布,加快了多目标搜索进程。2)提出考虑输电阻塞的多目标输电网规划方法。建立年阻塞盈余指标刻画输电阻塞的严重程度,并给出一种基于“虚拟最优解”的排序方法作为非劣解集中的决策参考,分别以年阻塞盈余、线路投资费用和系统缺电成本为规划目标建立多目标输电网规划模型,实现考虑输电阻塞和规划方案的经济性、可靠性的多目标电网优化规划。3)提出考虑过负荷风险的多目标输电网规划方法。以方案总投资费用贴现值和平均网损期望值为目标函数,建立多目标多阶段输电网规划的期望值模型,以线路有功潮流过负荷随机变量的期望值和标准差构建过负荷风险约束,考虑了风险发生概率和严重程度两方面的特征,通过对不确定性信息的概率建模,利用概率直流潮流进行各随机变量的相关计算,实现了控制过负荷风险条件下的输电网优化规划。4)提出考虑输电投资收益的多目标输电网规划方法,综合考虑市场参与者对输电投资收益和社会总福利的要求及其对输电网规划的影响。通过计及输电费率的边际成本定价模型,建立输电投资固定成本的弹性回收机制,在此基础上,以输电投资收益率、社会总福利以及输电投资成本为目标函数,建立多目标输电网规划模型,进行规划方案的寻优。5)提出考虑输电投资风险的多目标输电网规划方法,应用Value at Risk （VaR）市场风险评价指标实现对输电投资收益的风险评估,通过风险控制增强输电投资激励。风险分析中,将节点功率的不确定性作为随机扰动,通过概率最优潮流（Probabilistic-Optimal Power Flow,P-OPF）求取该扰动下输电投资收益的随机分布。将VaR风险指标引入目标函数,并将对输电投资收益率期望值的限制作为约束条件之一,建立多目标多阶段输电网规划模型,进行优化规划。18节点和77节点统一算例的分析和比较,说明了所提规划模型和求解算法的可行性、有效性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景和研究意义
• 1.2 电力市场环境下的输电网规划
• 1.2.1 多目标性进一步加强的输电网规划
• 1.2.2 具备风险抵御能力的输电网规划
• 1.2.3 具备市场化运作特征的输电网规划
• 1.3 输电网规划的国内外研究现状
• 1.3.1 输电网规划方法
• 1.3.2 求解算法
• 1.4 本文的主要工作和创新点
• 第二章 Pareto 多目标最优理论
• 2.1 引言
• 2.2 Pareto 多目标最优的基本概念
• 2.3 Pareto 最优的相关定义和指标
• 2.4 基于Pareto 最优的多目标优化方法
• 2.4.1 多目标优化决策的分析方法
• 2.4.2 Pareto 非劣解集的决策方法
• 2.5 小结
• 第三章 强度-帕雷托进化算法在多目标输电网规划中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 强度-帕雷托进化算法（SPEA）
• 3.2.1 SPEA 基本原理
• 3.2.2 输电网规划中的SPEA 编码方法
• 3.2.3 输电网规划中的SPEA 进化算子
• 3.2.4 SPEA 的主要特点
• 3.3 SPEA 在多目标单阶段输电网规划中的应用
• 3.3.1 保证连通性的编码初始化
• 3.3.2 约束条件处理
• 3.3.3 边界搜索策略
• 3.3.4 多目标单阶段规划模型
• 3.3.5 基于SPEA 的多目标单阶段规划流程
• 3.4 SPEA 在多目标多阶段输电网规划中的应用
• 3.4.1 多阶段规划的初始化
• 3.4.2 多阶段规划的进化操作
• 3.4.3 多目标多阶段规划模型
• 3.4.4 基于SPEA 的多目标多阶段输电网规划流程
• 3.5 算例分析
• 3.5.1 SPEA 在单阶段规划中的应用
• 3.5.2 SPEA 在多阶段规划中的应用
• 3.6 小结
• 第四章 考虑输电阻塞的多目标输电网规划
• 4.1 引言
• 4.2 阻塞盈余的子优化问题
• 4.2.1 电力市场模拟
• 4.2.2 阻塞盈余
• 4.3 考虑输电阻塞的多目标输电网规划数学模型
• 4.4 Pareto 非劣解集内的优化决策
• 4.4.1 各目标函数的极值
• 4.4.2 基于“虚拟最优解”的Pareto 解集排序
• 4.4.3 决策流程
• 4.5 考虑输电阻塞的多目标输电网规划流程
• 4.6 算例分析
• 4.6.1 18 节点系统
• 4.6.2 77 节点系统
• 4.7 小结
• 第五章 考虑过负荷风险的多目标输电网规划
• 5.1 引言
• 5.2 输电网规划的过负荷风险
• 5.2.1 不确定性信息的建模
• 5.2.2 输电网规划风险的描述
• 5.3 概率直流潮流
• 5.3.1 概率直流潮流的原理
• 5.3.2 半不变量法的基本原理
• 5.3.3 概率直流潮流的计算步骤
• 5.4 考虑过负荷风险的多目标多阶段规划
• 5.4.1 标准期望值规划模型
• 5.4.2 计入标准差的期望值规划模型
• 5.4.3 网损期望值的计算
• 5.4.4 考虑过负荷风险的多目标多阶段规划流程
• 5.5 算例分析
• 5.5.1 18 节点系统
• 5.5.2 77 节点系统
• 5.6 小结
• 第六章 考虑输电投资收益的多目标输电网规划
• 6.1 引言
• 6.2 嵌入固定成本的边际成本输电定价方法
• 6.2.1 嵌入固定成本的边际成本定价模型
• 6.2.2 基于“传送”的输电费率计算
• 6.2.3 输电费用的构成
• 6.3 考虑输电投资收益的多目标输电网规划
• 6.3.1 考虑输电投资收益的多目标规划模型
• 6.3.2 考虑输电投资收益的多目标输电网规划流程
• 6.4 算例分析
• 6.4.1 18 节点系统
• 6.4.2 77 节点系统
• 6.5 小结
• 第七章 考虑输电投资收益风险的多目标输电网规划
• 7.1 引言
• 7.2 输电投资收益的VaR 风险评估
• 7.3 基于概率最优潮流计算输电投资收益的随机分布
• 7.3.1 节点功率的不确定性建模
• 7.3.2 P-OPF 的求解
• 7.3.3 基于概率最优潮流计算输电投资收益随机分布的求解流程
• 7.4 考虑输电投资收益风险的多目标输电网规划
• 7.4.1 考虑输电投资收益风险的多目标输电网规划模型
• 7.4.2 考虑输电投资收益风险的多目标输电网规划流程
• 7.5 算例分析
• 7.5.1 18 节点系统
• 7.5.2 77 节点系统
• 7.6 小结
• 第八章 规划结果比较和分析
• 8.1 引言
• 8.2 软件架构
• 8.3 规划模型比较
• 8.4 规划结果比较
• 8.4.1 18 节点算例比较
• 8.4.2 77 节点算例比较
• 8.5 规划结果分析
• 8.6 小结
• 第九章 结论与展望
• 9.1 结论
• 9.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文