电力用户维持系统电压安全的重要性

电力市场与传统的电力系统相比，提高了用户的地位。在传统的电力系统中，只有负荷的概念，而没有真正意义上的用户的概念。电力部门将负荷看作是固定的、被动的、没有协作和理性的受控制的终端。而在电力市场中，负荷通过用户参与到市场中来，用户作为负荷的代表被看作是电力市场中的一个成员，既参与竞争又参与协作，即用户具有主观能动性。从负荷到用户，这是一个重要的概念的转变。发挥用户的能动性，进行竞争和协作，将给电力市场中的各方成员带来利益。

由本章前面的研究结果发现，正常运行条件下，系统负荷的持续升高对破坏系统的电压安全稳定起着关键性的作用。在进行优化仿真分析时，第3章采用的负荷增长方式都是全系统负荷以线性、恒功率因数增长。在此，仍以IEEE-57节点系统为例进行研究，根据第3章的电压稳定分析结果并结合IEEE-57节点系统接线图，负荷增长方式采用系统局部负荷增长。通过这种负荷增长方式研究个别负荷对系统电压安全稳定的影响。

由第3章的电压稳定分析结果可知，负荷节点16和17位于发电机节点1与12之间，使得系统电源对该节点的电压控制作用很强，几乎不受负荷增长的影响，节点电压始终保持在稍微高于额定值运行。而负荷节点25、30、31、32和33则离系统所有电源点都很远，其等效电距离与其他负荷节点相比最远，形成一个远距离负荷中心，使得系统对这些节点电压的控制作用大大减弱，其节点电压随着负荷增长大幅下降，为系统的电压安全稳定带来隐患。下面针对这两组具有突出特点的负荷，以计及最小电压安全裕度指标的模糊最优潮流、采用局部负荷增长方式分别进行讨论。

表4-5～表4-9分别给出了IEEE-57节点系统两组负荷各自增长的情况及负荷增长后的系统优化结果。在表4-5中，d_p=1.00表示系统给定的节点基准负荷，d_p=1.20表示系统其他节点负荷保持不变，所研究节点负荷有功功率与无功功率同时增加到基准负荷的1.20倍。首先令其他节点负荷保持为基准负荷，研究节点16、17负荷增长后的系统优化情况；然后令其他节点负荷保持在基准负荷（包括节点16、17的负荷），研究节点25、30～33负荷增长后的系统优化情况。

表4-5 IEEE-57节点系统局部负荷增长比较

表4-6 IEEE-57节点系统优化结果比较（节点16、17负荷增长）

由表4-5可见，节点16、17的基准有功负荷较大，负荷功率因数较高；而节点25、30～33的有功负荷相对来说较小，负荷功率因数较低。由于节点16、17的基准有功负荷较大，因此，按同一负荷增长参数增长后的系统总有功负荷增量较大。但同时注意到，两种负荷增长情况下的系统总无功负荷增量几乎相当。

表4-7 IEEE-57节点系统各发电机出力优化结果比较 （节点16、17负荷增长）

表4-8 IEEE-57节点系统优化结果比较（节点25、30～33负荷增长）

表4-9 IEEE-57节点系统各发电机出力优化结果比较 （节点25、30～33负荷增长）

比较表4-6与表4-8的优化结果发现，两组负荷分别增长后的单目标最优潮流优化结果非常类似。表4-6比表4-8的系统总发电成本与发电机总有功出力偏大的原因是由于节点16、17的有功负荷增量比较大。但考虑电压安全裕度的模糊最优潮流优化结果中，两种负荷增长情况下的发电机总无功出力及系统总有功损耗却有较大差异。节点16、17在负荷增长的情况下，考虑系统电压安全裕度后，系统总有功损耗增加了1.22MW，总发电成本增加了741.32美元/h，系统发电机总无功出力增加了14.11Mvar。节点25、30～33负荷增长的情况下，考虑系统电压安全裕度后，系统总有功损耗减少了2.422MW，总发电成本增加了814.30美元/h，而系统发电机总无功出力减少了2.56Mvar。

另外，考虑电压安全裕度的模糊最优潮流优化得到的系统实际负荷裕度分别为0.18845（对应于节点16、17负荷增长的情况）和0.16933（对应于节点25、30～33负荷增长的情况），相比负荷增长前系统优化得到的实际负荷裕度0.18846（d_p=1.00），前者几乎没有影响，而后者的实际负荷裕度明显下降，表明了节点25、30～33负荷的增长是导致系统近稳定极限运行的主要原因。

比较表4-7与表4-9可以发现，两种负荷增长情况下，单目标最优潮流的优化结果比较几乎一致，而考虑电压安全裕度的模糊最优潮流的优化结果中，各发电机的有功出力变化比较一致，无功出力则显示出较大差异。但对于同一负荷增长情况下，单目标最优潮流与考虑电压安全裕度的模糊最优潮流优化得到的系统各发电机有功出力与无功出力变化均比较大，且与表4-2的优化运行结果一致。这表明为了维持尽可能高的系统电压安全裕度，系统各发电机的有功出力与无功出力都要做较大调整，从而使得系统的总发电成本大为增加，而且最关键的是，根据负荷增长的情况不同，发电机的无功出力有比较明显的调整与变化。

通过以上优化仿真结果分析，可以得出以下结论：

1）系统局部负荷增长对系统电压安全稳定的影响，视该局部负荷节点的电压灵敏度而定，灵敏度高的负荷节点（如IEEE-57节点系统中的节点25、30～33）的负荷增加更容易导致系统的电压安全裕度减小，使系统近稳定极限运行。

2）不考虑系统电压安全裕度时，系统局部负荷增长对系统的优化运行结果影响较小；当考虑系统电压安全裕度后，系统局部负荷增长对系统的优化运行结果影响较大，尤其是对系统各发电机的无功出力有比较大的影响。这体现了系统无功电源支持是维持和提高系统电压安全稳定的重要保证。(www.xing528.com)

3）在并联无功补偿装置容量有限的情况下，系统任一种负荷增长导致系统优化运行后的实际负荷裕度达不到事先规定的最小电压安全裕度时，系统各发电机的有功出力与无功出力均会有很大的调整，从而导致系统的总发电成本大大增加。

根据以上系统局部负荷变化情况对系统电压安全稳定的影响分析，可以充分利用市场环境下电力用户的弹性负荷需求，通过电价机制引导电力用户避开峰荷，并通过经济措施鼓励电力用户实施无功就地平衡，从而提高负荷接入电网的功率因数，减少无功功率在网络中的流动，有效降低发电机无功出力，提高系统的电压安全裕度。

目前提出的几种电价制度可有效避开高负荷运行的不利运行方式，从而提高系统的电压安全水平。这几种电价制度包括：

1）三段电价与特别电价制。三段电价是指对照明用电部分实施按用电量大小分为三段。第一段为生活必需用电，执行低电价优惠，此后逐段电价递增，这一制度反映出用电量多，电价越高，对节能与高消费有调节作用。特别电价是对大宗用电户实施核定电量基准，超出基准电量的部分采用逐段递增的高电价。这类电价制度有缓解电力供应紧张的作用。

2）功率因数调整电价。这种电价制度对大宗用电户按照功率因数实行增减电费制度，奖励用户提高功率因数，改善电网运行状况。

3）峰谷电价。峰谷电价是对一天内分时段制定不同的电价，峰荷时电价高，以刺激电力用户避开峰荷时段，有效防止系统的近稳定极限运行。

4）分级电价。分级电价是按用户对可靠性的不同要求，制定相应电价。在高峰时段可以控制部分电力用户的负荷，让其平谷、低谷时任意使用合同内的电量。这种可直接控制和停电的负荷的电价，可以制定的较低，主要用于对可靠性要求不高的三类用户。这不仅可以使部分用户享受优惠电价，也可以使电力部门减少备用容量投资，避免高峰负荷冲击。

5）需求侧管理（Demand Side Management，DSM）电价。需求侧管理主要包括：节能信息宣传；提供技术咨询和技术服务；为DSM项目提供贷款或给予补贴；推广蓄冷（热）设备，或免费为用户安装高效节能用电设备，控制和转移用电负荷；实行灵活的电价政策，设置可停电电价，引导用户优化用电。实施DSM时，电价除实行分级电价外，为满足电力企业开展DSM工作资金的需要，往往在电价上加收DSM费用（如美国加收1%～3%）。

以上电价制度都是以电力紧张时降低节点负荷水平、提高节点负荷功率因数、鼓励用户实现总的用电均衡为目的的，都能在一定程度上降低系统峰荷时段的运行风险。但比较而言，分级电价与需求侧管理电价的实施对维持系统的电压安全水平则能起到非常关键的作用。

虽然各种不同性质的电力用户对电价都会有一定程度的反映，但其对电价的敏感程度则视该用户的负荷性质而异，有的用户负荷需求弹性比较大，有的用户负荷需求表现为刚性，并不随电价的改变而用电发生改变，而且这类负荷在总负荷中的比例还比较高。因此，仅以提高电价试图降低系统的负荷水平仍然不能达到很好的效果。如果在高峰时段可以控制部分负荷，即可以对其进行断电操作，则能在很大程度上避免系统发生安全稳定事故。

传统的电力系统运行，往往通过强制拉闸限电的措施保障系统的安全稳定，其强制拉闸限电的对象一般是三类用户，如小城镇或农村公用负荷等。但市场环境下，单纯的对这类负荷强制拉闸限电而不对其进行经济补偿，就无法体现用户之间的公平性，因此，分级电价与需求侧管理电价所采取的补偿措施正是体现了电力市场的公平原则。

综合以上，弹性负荷以及可直接控制和停电的负荷对维持系统的电压安全稳定起到了非常重要的作用。弹性负荷在高峰时段的用电量减少而使其总的用电费用减少的部分，即为其保障系统电压安全而减少的费用支出。可直接控制和停电的负荷，通过在平谷、低谷时任意使用合同内的电量，以及对其制定的较低电价所得到的补偿，便体现了其维持系统电压安全所付出代价的回报。可分别用以下公式来描述：

1）弹性负荷减少的费用支出

式中，C_ti（美元）表示弹性负荷i在某一时段内减少的费用支出；P_h（美元/kVA·h）和P_l（美元/kVA·h）分别表示高峰负荷与平谷、低谷负荷时常规负荷的电价；∆S_thi（kVA·h）表示弹性负荷i在高峰时段减少的用电量；∆S_tli（kVA·h）表示弹性负荷i因为在高峰时段减少用电而在平谷、低谷时增加的用电量。

2）可中断负荷获得的回报

式中，C_zi（美元）表示可中断负荷i在某一时段内为了维持系统电压安全而获得的回报；k（k＜1）表示相对于常规负荷电价的减少系数；P_h（美元/kVA·h）和P_l（美元/kVA·h）分别表示高峰负荷与平谷、低谷负荷时常规负荷的电价；S_zli（kVA·h）表示可中断负荷i在平谷、低谷时段合同允许的用电量；S_zhi（kVA·h）表示可中断负荷i在高峰时段没有被断电时的用电量。

注意，式（4-6）和式（4-7）都假设系统负荷电价分为峰荷电价和谷荷电价两种电价，而且假设该电价是针对用户消费视在功率的电价，即鼓励对用户吸收的无功功率进行收费，以激励用户提高其负荷功率因数的积极性。