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可用传输能力和裕度的评估
严鸥，IEEE学生会员，Chanan Singh，IEEE院士
摘要 - 可用传输能力（ATC）计算是一项复杂的任务，涉及到总传输能力（TTC）和两个裕度 - 传输可靠性裕量（TRM）和容量利益裕度（CBM）的确定。 本文介绍并比较了目前使用的三种TTC测定方法。 除了这些方法之外，本文还提出基于传输的安全约束OPF（TSCOPF）方法作为常规SCOPF方法的替代方案，用于放松管制环境。 在涉及ATC的论文中很少提到TRM和CBM，它们是系统可靠性的考虑因素。 本文提出了评估TRM的概率方法，提出了分配CBM的规则和程序以及将CBM纳入ATC的两种方法。 改进的IEEE RTS被用于证明所提出的方法，并且结果表明，当考虑到利益裕度时ATC的值有很大不同，并且ATC的配合方法对ATC值有显着影响。
索引术语 - 可用传输能力（ATC），容量利益裕度（CBM），总传输能力（TTC），传输可靠性裕量（TRM）。
一，导言
为了促进竞争并为客户提供更多选择，美国联邦能源管理委员会（FERC）发布了888和889号命令，建立了开放式非歧视性传输服务政策和开放式实时访问信息系统（OASIS）。 可用的传输能力（ATC）需要在OASIS上发布，以使竞争合理有效。 根据NERC的定义[1]，ATC是用于未来商业活动的物理传输网络中剩余的转移能力的一种度量，超过了已经承诺的用途。 在数学上，ATC被定义为总传输能力（TTC）减去传输可靠性裕度（TRM），减去现有传输承诺和容量利益裕度（CBM）的总和。 换句话说，ATC可以表示为：ATC TTC TRM CBM（如果没有现有的传输承诺）。
TTC的确定是ATC计算中的关键部分。TTC与[2]中定义的第一个应急总传输能力（FCTTC）一致。 根据定义，它代表可以通过可靠方式在互联传输网络上传输的电力量，同时满足所有特定的预定义和事故后应急系统条件[1]。 当计算TTC之间两个区域，我们假设其他连接区域没有变化，因为TTC值会受到变化的影响。
尽管已经开发了各种数学方法和算法来计算TTC，但是目前使用的方法可以分为三种类型。 它们是：1）持续潮流（CPF）方法[3]，[4]；2）重复潮流（RPF）方法； 3）安全约束最优潮流（SCOPF）方法，可以通过多种优化方法，如内点法，神经网络方法[5]和两级优化方法[6]。 除了这些方法外，本文提出基于转移的安全约束最优潮流算法（TSCOPF）。 这些方法的配方见第二部分和附录。 与传统的安全约束OPF（SCOPF）相比，TSCOPF更适合于在解除管制环境下计算TTC。 然而，由于易于实施，本文使用RPF方法计算TTC。
TRM考虑到了系统条件的固有不确定性以及操作灵活性的需求，以确保随着系统条件变化的可靠系统运行。有几种方法提出[7]：
- 使用基础案例数据中的变化重复计算TTC（最大和最小TTC之间的差异是TRM）。
- TTC使用限制的单次重复计算减少了固定的百分比（即4％）。
- TTC减少固定百分比（即5％）。
- 使用统计或其他系统可靠性概念的概率方法。
- 一阶灵敏度方法在ATC上考虑负载变化和同时传输的影响[8]。
与其他方法相比，概率方法不仅更准确，而且可以提供更多信息，如ATC的期望值和方差，这将在我们的案例研究中加以说明。
CBM是由负载服务实体保留的传输能力的数量，以确保从互联系统获得产生以满足产生可靠性要求。可以通过确定性或概率方法[9]来确定，这两种方法都用于可靠性评估。这里利用概率方法来计算CBM。
将CBM分配到个别地区是一项艰巨的任务。本文提出了一些规则来指导CBM的分配。还给出了满足这些规则的程序。 另外，可以有多种方式将CBM融入ATC。 本文提出了两种方法。 在一种方法中，直接从TTC中扣除CBM以得出ATC，而在另一种方法中，CBM被作为固有传输。
利用改进的IEEE可靠性测试系统（RTS）来演示所提出的方法并说明空白对ATC的影响。
二、 TTC问题的制定与方法比较
A.目前使用的TTC测定方法
常用的计算TTC的方法可以分为以下三种：
- 连续潮流（CPF）方法;
- 重复潮流（RPF）方法;
- 安全约束最优潮流（SCOPF）方法。
CPF和RPF均可通过在汇区的每个负载总线上增加具有统一功率因数的复杂负载，并以增量步骤增加源区内发电机总线的注入有功功率，直至产生限制。
使用CPF和RPF的TTC的数学表述可以表示如下：
最大化lambda;
服从
(1)
(2)
(3)
(4)
其中
lambda;标量参数，表示总线负载或发电量的增加。 0对应于不传输（基本情况）和 对应于最大转移;
母线i上的有功和无功发电;
母线i上的有功和无功负载需求;
n系统的母线号码;
|Ui|,|Uj| 母线i，j电压幅值；
Gij,Bij 母线导纳矩阵第ij个元素的实部和虚部；
delta;ij母线i，j之间的电压角度差；
|Ui|min,|Ui|max 母线i电压幅值的下限和上限；
Sij 线路ij的视在功率；
Sijmax 线路ij的热限制。
在上述潮流方程（1）和（2）中， PGi（源区域中的发电机实际输出）， （低谷区域的实际负荷）和（低谷区域的无功负荷）按以下方式变化[3]：
(5)
(6)
(7)
其中
源区母线i初始的有功发电；
母线i在低谷区域的初始有功和无功负载需求;
常量，用于指定生成和加载中的变化率为lambda;变化。
每种情况下的TTC水平（正常或意外情况）计算如下：
TTC (8)
其中
Sigma;iisin;SinkPDi（lambda;max） 当lambda;=lambda;max时低谷区域负载之和
Sigma;iisin;SinkPDi 当lambda;=0时低谷区域负载总和。
RPF重复地解决了沿着特定传输方向的传统电力流量继承点，而CPF解决了一组增强的电力潮流方程以获得通过“nose”点的解答曲线，而没有遇到数值调节的数值难度。 在[3]，[4]和[10]中有关于CPF的详细描述。
CPF的优点在于它不会遇到完成条件的数值难题 - 而且 曲线来计算电压稳定裕度，而其缺点是CPF的实施涉及复杂的参数化，预测器，校正器和步长控制。
RPF具有几个优点：
与任何OPF方法相比
- RPF可以为电压稳定性研究提供 P-V 和 V-Q 曲线。
- RPF中控制变量的调整方法相对容易。
与CPF相比
- 实现方法更容易，收敛时间缩短[11]。
传统的安全约束最优潮流（SCOPF）方法最大化两个控制区域之间的传输能力，假设所有OPF优化参数可以集中调度[12]。 在分散的环境中，通常这个假设不能得到满足。 所以它们不适合TTC计算。
B.提议的TTC测定方法
为克服传统SCOPF的不足，本文提出了基于转移的SCOPF（TSCOPF）。 它假设只有涉及选定源和汇区的所有OPF优化参数才能派发，这可以满足分散结构。 TSCOPF的配方见附录。
TSCOPF是一个很好的方法，可用于未来的应用，因为RPF以固定增量步长调整源区的有功功率输出，接收区的有功和无功负载，而TSCOPF可以任何方式调整这些变量。
由于本文的重点是两个利润空间对ATC的影响，本文利用RPF来确定本文中的TTC，因为实施起来很方便。
为了完整描述确定TTC的方法，TSCOPF在附录中给出，并可用于分散应用。
三、 确定TTC和TRM的一般程序
TRM中可能有很多因素，但这里只考虑负载不确定性。 蒙特卡洛模拟用于考虑本文中的负载不确定性。
确定TTC的一般程序（考虑TRM）如下：
- 选择一个案例（正常或任意意外事件清单中的任何意外事件）；
- 通过正态分布模拟负载水平；
- 建立并解决基础案例权力流（不转让， 0）。 如果没有违规限制，请转到步骤4）； 否则，在该负载级别将所选情况的TTC级别设置为零。 返回步骤2）模拟另一个负载水平；
- 使用RPF来增加传输功率（lambda;增加)；
- 建立并解决潮流问题；
- 检查步骤5）的解决方案是否违反任何限制。 如果没有违反限制，请转到步骤4）。 如果存在任何违规行为，请将传输功率降低到消除违规所需的最小量，然后转到步骤7）。 最低金额是通过每次减少lambda;的 10％来确定的然后去步骤5），直到违规消失。
- 计算最大lambda;的TTC等级。 这是所选情况下该负荷水平的TTC水平。 返回步骤2）模拟另一个负载水平，直到达到所选情况的TTC水平的收敛标准。 然后转到步骤8）。
- 返回步骤1）选择下一个案例。 如果所有案例都已选定，请转至步骤9）。
- 计算此源/汇转换情况下的TTC。 这是所有TTC级别的最小值。
当不考虑TRM时，忽略步骤2），并在步骤3）或步骤7）计算TTC电平后，直接转到步骤8）。
四、 CBM计算，分配和将CBM并入ATC的方法
计算单个区域生成可靠性的方法用于计算每个区域所需的外部生成。 总体目标是每个区域的可靠性应该在特定的水平内。 通常，标准是预期的负载损失（LOLE）小于特定值。 由于每10年普遍使用的标准LOLE lt; 1天是日负荷模型，并且本文中使用的小时负荷模型没有常用的LOLE标准，所以任意选择LOLE lt; 2.4小时/年作为标准在这篇文章中。 但是，该方法可以根据应用使用一般的和不同的值。 如果任何地区不能满足该标准，其总发电量将逐步增加，直到该地区的LOLE小于2.4小时/年。 总增量产量是该地区所需的外部总产量。
然后，每个地区所需的总外部发电量将被分配到其他地区。 可能有几种分配方式，应遵守一些规则。 本文提出的规则如下（如果只有一个区域缺少装机容量）：
- 从其他地区进口的电力数量应与这些地区的劳动力成本成反比。 也就是说，要与这些领域的可靠性成正比。
- 在更新每个区域的发电能力后，每年增加2.4小时的保证水平。
本文中用于满足上述两个规则的程序如下：
步骤1）根据这些区域的LOLE的反比例分配从其他区域传输的功率量。
步骤2）在步骤1）中根据传输功率量更新每个区域的总发电容量后，计算除原容量不足区域以外的每个区域的单区域发电可靠性指标LOLE。 如果任何区域的LOLE不小于2.4小时/年，则稍微改变来自所有这些区域的传输功率量，直到所有这些区域都具有可接受的LOLE。
如果有不止一个地区没有发电，我们可能会首先将这些地区所需的总外部发电量加在一起，然后根据上述程序计算其他地区的参与量。
分配CBM后，我们应该考虑如何将CBM纳入ATC。 本文提出并利用了两种方法：
方法1）ATC TTC CBM，其中TTC是考虑TRM或不考虑TRM时的总传输能力。 请注意，如果TTC不足以提供CBM，ATC可能为负值。
方法2）在计算TTC时将CBM作为固有传输。 其计算过程类似于第三节中提到的计算过程，除了：首先根据CBM修改所有涉及地区的每个发电机总线的发电量，然后进入第三节中列出的步骤。
还有几种方法可以修改生成输出。 在本文中，总CBM（在每个区域）均匀分配到每个发电机母线。
五、案例研究和结果
A.测试系统
本文使用IEEE 24总线可靠性测试系统（RTS）来演示所提出的方法。 RTS系统的框图如图1所示。负载模型，发电系统和传输系统的数据包含在[13]中。 为了研究ATC，RTS系统分为三个区域，如表1和图1所示。区域之间的连线列于表II。
由于基于原始RTS系统的每个区域2.4小时/年的LOLE不能满足，因此增加了六台发电机（参见表III）。
图1 IEEE 24总线RTS系统。
表一 RTS中的三个区域
表二 领域之间的领带
表三 RTS系统的改进
B.CBM计算
每小时负荷模型[13]用于计算每个区域的LOLE。 结果如表IV所示。
从表四可以看出
CBM（从区域2到区域1）MW
CBM（从区域3到区域1）=40MW
这意味着区域1需要从区域2进口60MW，从区域3进口
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