应用于电力市场的交易路径配置方法及计算机可读存储介质与流程

[0001]
本发明涉及输配电领域，尤其涉及应用于电力市场的交易路径配置方法及计算机可读存储介质。


背景技术：

[0002]
中国能源分布的不均衡性、地区经济发展的差异性造成了中国能源供需的逆向分布。以甘肃新能源产能及消纳为例，西北地区本地消纳能力有限，必须通过全国范围内的资源优化分配，即电力现货交易的政策支持下，才能有效改善大规模弃风、弃光的情况。
[0003]
按照国家电网公司规划，特高压网络的建设将持续推进，输电网络将由现行的链状结构向网状结构发展。2017年建成“三纵三横”特高架目标网架，2020年将建成华北、华中、华东特高压同步电网形成“五纵五横”的主网架。
[0004]
目前，国内特高压通道相对单一，国家电网公司一般按照年度、季度或者月度进行统筹组织跨区域电量交易。但是，随着特高压线路的逐渐增多，输电网络复杂度将持续提升。对于省间电力交易路径的配置问题将日益突出，并体现在以下三个方面：
[0005]
1)售电、购电方间交易路径数量增多，缺乏有效的评估手段；
[0006]
2)在复杂网络条件下，交易路径配置受通道容量的限制；
[0007]
3)交易路径数量增多的条件下，最大输送额度的预估问题。
[0008]
从国内外的研究现状来看，对于复杂网络下的跨区域交易路径配置难题并没有有效、直接的解决方案。


技术实现要素：

[0009]
针对新能源跨区域消纳的交易路径配置存在关键节点难以辨识，最大输送额度无法快速求解等问题，本发明目的在于提供一种有效量化交易路径及其最大输送额度的应用于电力市场的交易路径配置方法及计算机可读存储介质。
[0010]
本发明公开了一种应用于电力市场的交易路径配置方法，包括如下步骤：s1、构建电力市场交易路径的网络图g，网络图g中的节点u、v间输电线路的额定功率为边的容量c(u，v)，电力交易中的售电方为源点s，电力交易中的买点方为汇点t；s2、初始化网络中所有边的容量，c<u，v>继承改变的容量，c<u，v>初始化为0，其中边<v，u>为退回边；初始化最大流为0；s3、在残留网络中找从源点s到汇点t的增广路径p，若能找到增广路径p，则进入步骤s4；如不能找到增广路径p，则进入步骤s6；s4、在增广路径p中找到路径中容量最小的边，记为瓶颈边，将所述瓶颈边的容量值x累加到最大流中，进入步骤s5；s5、将增广路径中所c<u，v>减去x，所有c<v，u>加上x，构成新的残留网络，进入步骤s3；s6、得到网络最大流。
[0011]
优选地，在残留网络中以宽度为优先值，搜索从源点s到汇点t的增广路径p；当路径的队头弹出的点为终点时即可判断为找到增广路径。
[0012]
优选地，步骤s2中增广路径的寻找次数不超过e
×
v次，其中，e为网络图g中边的数量，v为网络图g中点的数量。
[0013]
优选地，每次寻找增广路径的时间复杂度为o(e)，网络最大流的算法的时间复杂度为o(e
2
v)。
[0014]
优选地，增广路径p为残留网络中的一条可行流；增广路径p的残留容量为能够沿该路径增加的最多额外流：
[0015][0016]
优选地，残留网络中的可行流f
p
定义为：
[0017][0018]
f是给定的网络图g中的一个可行流，f+f
p
是网络图g的一个可行流。
[0019]
优选地，残留网络是一个由容量有c
f
的给定的网络；f是网络图g的一个可行流，f
1
是残留网络图g
f
的一个可行流，且f+f
1
是网络图g的一个可行流。
[0020]
优选地，设流f是网络图g中的流，对于网络图g中的每条边<u,v>残留容量定义为：计及可行流f占用的容量后，在不超过任意边容量约束的前提下，可以通过的额外流量。
[0021]
优选地，如果网络流中的流是一个实值函数f且满足下列三个性质：
[0022][0023]
0≤f(e)≤c(e)
[0024][0025]
f(u,v)＝-f(v,u)
[0026][0027]
∑f(u,v)＝0(v∈v)
[0028]
则称f(u,v)为从u到v的可行流。
[0029]
采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0030]
1.本发明引入省间交易路径配置问题，从拓扑结构的角度，解决了复杂网络条件下，跨区域交易路径评估与配置问题。
[0031]
2.残留网络在电力传输网络中的物理意义为由电力传输网络中仍有残留容量的线路构成的输电网络。跨区域的新能源消纳是构建在省内输电需求优先的基础上的，因此，新能源消纳交易路径的配置必然也是构建在计入省内输电额度后的残留网络基础上，搜索并利用源汇点之间的电能传输增量，利用残留网络可获取最佳的配置路线；
[0032]
3.增广路径的引入将得到一个值更大的流，增广路径的定义保证了公差一定为正，它即是流量的增量，带有可增广性质，通过增广路径的可以将各个可行流协调分配给各个类型的能源输送；
[0033]
4.增广路径的搜索方法及其效率是最大流算法优劣的重要判据，本发明采用广度优先搜索，即以宽度为优先值，作为增广路径搜索方法，可提高增广路径搜索的准确性；
[0034]
5.本发明引出了退回边，使增广路径的搜索变为一种动态修改的过程，也确保了
最终结果的正确性。
附图说明
[0035]
图1为哥尼斯堡桥问题的示意图；
[0036]
图2为符合本发明一优选实施例中交易路径配置方法的流程示意图；
[0037]
图3为本发明提供的一优选实施例的省间连络线简化图；
[0038]
图4为本发明提供的一优选实施例的等值简化网络连通度测试图；
[0039]
图5为本发明提供的一优选实施例的甘肃-上海交易路径最大网络流的算法图。
具体实施方式
[0040]
以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。
[0041]
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0042]
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0043]
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
[0044]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0045]
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0046]
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。
[0047]
下面介绍本发明的网络图g的定义和术语。
[0048]
工程数理问题中涉及系统的连通性与相互关系时，可以定义图以便直观可视化的分析解决问题。以图1所示的哥尼斯堡桥问题为例，通过图论方法可将由7座桥连接的4个区
域简化为图的遍历问题。
[0049]
一个网络图g是由一个顶点集v(g)、一个边集e(g)和一个关系构成的三元组，其中的关系使得每一条边与两个顶点(不一定是不同的顶点)相关联，并将这两个顶点称为这条边的端点。关联一对顶点的边如果多于一条，则这些边称为平行边。一条边与两个相同的顶点相关联，则这条边称为自环。电力系统输电网络中各节点可描述为网络图g中的顶点集，各输电线路可描述为网络图g中的边集，节点u，v间输电线路中电流的方向描述为该边中流f(u，v)的方向，输电线路的额定功率描述为边的容量c(u，v)。综上所述，电力系统输电网络既不包含平行边也不包含自环，所以电力系统传输网络可描述为由节点顶点集v(g)，输电线路边集e(g)，线路容量集c(g)组成的有向简单网络图g(v，e，c)。
[0050]
关于交易路径的连通性问题，电力市场构建在一个完善的、不会轻易瘫痪的电力传输网络。电力交易中的售电方，如西北地区风场，在图中描述为源点s。电力交易中的买点方，如长三角地区负载，在图中描述为汇点t。在描述电力传输网络的有向简单网络图g中，源点s与汇点t之间所有不同的可能传输路径集描述为交易路径t(s，t)。通常希望由可能的交易路径构成的图，在某些节点或者边因为各类故障需要移除出系统的情况下依然能够保持连通。另一方面，从经济性的角度出发，电力传输网络的构建成本非常昂贵，则希望用尽量少的边来达成上述目的。因此，电力市场中交易路径的连通性问题可以归结为系统回能与系统经济性的平衡问题。
[0051]
网络图g的连通度定义为：如果网络图g的顶点子集s∈v(g)使得g-s的分支多于一个，则称之为g的一个分离集或点割。图g中使得g-s不连通或者只有一个顶点的子集s的最小大小，称为g的连通度，记作k(g)。如果网络图g的连通度至少为k，则称之为k-连通的。如中，集合s＝{2，3，4}是一个大小为3的1，5-割，故k(1，5)＝3。即图g中删去顶点子集s中的3个顶点可使图变成不连通。因此，基于图论的交易路径连通性分析可以从纯拓扑结构的角度为电力交易提供源汇点间路径连通易损性估计。
[0052]
关于最大网络流问题，在电力交易路径的配置问题中，除了与网络连通性相关的系统回能与经济性的平衡问题外，另一个评估交易路径的重要问题是寻找方案使得源点与汇点间的总传输量最大。即对于有向加权图g，每条有向边都连接两个特定的顶点，并且拥有一个对应的权值代表该路径的单位时间最大承载量，假设流不能在有向边的连接点处聚集。求解给定网络中的两个节点源点s，汇点t之间的最大流量。该问题的求解同样从纯拓扑结构的角度对交易路径的配置给出了单位时间最大流量的参考值，并且对传输系统中可能产生的瓶颈线路给出了可视化的评估。
[0053]
在最大网络流问题的求解中，网络中的一个从源点到汇点的可行流f不是线路上所有有向边单位时间最大承载量的简单相加。线路上总会有一条有向边的容量成为瓶颈，即该瓶颈线路在可行流增加的过程中首先将容量消耗完成，既而造成该有向边无法再容纳任何正向流增量。网络流的数学定义如下：
[0054]
一个网络是一个有向图，它的每条边e均具有非负容量c(e)且它还有相互区别的源点s和汇点t。顶点也称为节点。一个流为每一条边e分配一个值f(e)。记离开v的所有边上的总流量为f+(v)，记进入v的所有边上的总流量为f-(v)。如果网络流中的流是一个实值函数f且满足下列三个性质：
[0055]
(1)容量约束：
[0056][0057]
0≤f(e)≤c(e)；
[0058]
(2)反对称性：
[0059][0060]
f(u,v)＝-f(v,u)；
[0061]
(3)流守恒性：
[0062][0063]
∑f(u,v)＝0(v∈v)；
[0064]
则称f(u，v)为从u到v的可行流。
[0065]
在定义了网络中的可行流后，便可引入残留网络以及增广路径的基本概念，两者在电力输电网络中也有相对应的物理意义。
[0066]
关于残留网络，对于网络图g(v，e，c)，设流f是网络图g中的流。残留网络直观上指计入可行流f后，可以容纳更过流的边所组成的网络。对于网络图g中的每条边<u，v>残留容量定义为计及可行流f占用的容量后，在不超过任意边容量约束的前提下，可以通过的额外流量。
[0067]
c
f
(u,v)＝c(u,v)-f(u,v)
[0068]
给定网络图g＝(v，e，c)与可行流f，残留网络为c
f
＝(v，e，f)，其中边集
[0069]
e
f
＝{(u,v)∈v
×
v|c
f
(u,v)＞0}
[0070]
残留网络是一个由容量有c
f
给定的网络。假设f是网络图g＝(v，e，c)的一个可行流，f
1
是残留网络图g
f
的一个可行流，因为残留网络为原网络的子集，则f+f
1
必然也是网络图g的一个可行流。此引理明确了原网络与残留网络之间的关系，也为接下增广路径的引出提供了前提。
[0071]
残留网络在电力传输网络中的物理意义为由电力传输网络中仍有残留容量的线路构成的输电网络。跨区域的新能源消纳是构建在省内输电需求优先的基础上的，因此，新能源消纳交易路径的配置必然也是构建在计入省内输电额度后的残留网络基础上，搜索并利用源汇点之间的电能传输增量。
[0072]
关于增广路径，在残留网络的基础上，继续搜索可行流，形成新的残留网络。从而构成迭代循环直至无法找到新的可行流为止。定义在残留网络中得到的可行流为增广路径p，它是残留网络图g
f
上的源点s到汇点t的一条简单路径。该路径的残留容量为能够沿该路径增加的最多额外流量：
[0073][0074]
一条增广路径的引入将得到一个值更大的流，增广路径的定义保证了公差一定为正，它即是流量的增量，带有可增广性质。
[0075]
残留网络中的可行流f
p
定义为：
[0076][0077]
在给定网络图g中的一个可行流f，则f+f
p
依然是网络图g的一个可行流。
[0078]
增广路径在电力传输网络中的物理意义为残留电力传输网络中，源汇点之间能够提供正向流增量的交易路径。新能源的跨区域消纳可通过多端直流互联网或传统交流互联网。如选择传统交流互联网，必然需要考虑其他类型的跨区域能源输送。通过增广路径的概念可以将各个可行流协调分配给各个类型的能源输送。
[0079]
综合上述所提及的网络流算法中的概念，能够从拓扑结构角度对交易路径的系统回能以及最大输送能力给出可视化的数值估计。
[0080]
参阅图2，本发明公开的一种应用于电力市场的交易路径配置方法，包括如下步骤：s1、构建电力市场交易路径的网络图g，网络图g中的节点u、v间输电线路的额定功率为边的容量c(u，v)，电力交易中的售电方为源点s，电力交易中的买点方为汇点t；s2、初始化网络中所有边的容量，c<u，v>继承改变的容量，c<u，v>初始化为0，其中边<v，u>为退回边；初始化最大流为0；s3、在残留网络中找从源点s到汇点t的增广路径p，若能找到增广路径p，则进入步骤s4；如不能找到增广路径p，则进入步骤s6；s4、在增广路径p中找到路径中容量最小的边，记为瓶颈边，将瓶颈边的容量值x累加到最大流中，进入步骤s5；s5、将增广路径中所c<u，v>减去x，所有c<v，u>加上x，构成新的残留网络，进入步骤s3；s6、得到网络最大流。
[0081]
其中，退回边使增广路径的搜索变为一种动态修改的过程，也确保了最终结果的正确性。
[0082]
由于增广路径的搜索方法及其效率是最大流算法优劣的重要判据，故本发明优选地，在残留网络中以宽度为优先值，搜索从源点s到汇点t的增广路径p，当路径的队头弹出的点为终点时即可判断为找到增广路径。其中，步骤s2中增广路径的寻找次数不超过e
×
v次，其中，e为网络图g中边的数量，v为网络图g中点的数量。每次寻找增广路径的时间复杂度为o(e)，网络最大流的算法的时间复杂度为o(e
2
v)。
[0083]
下面通过一实施例具体说明。
[0084]
本实施例为甘肃-上海新能源消纳算例分析，以国内现行特高压输电网架构为参考，对省间连络线通道进行简化等值。将省级售电，购电方作为网络图g中的顶点集v，将省间连络线作为网络图g中的边集e，将输电通道容量作为的边的容量集c。从而构建权值有向网络图g＝(v，e，c)。假设组织全国跨区域电量交易，其中12个省参与售电，9个省参与购电。省间连络线根据源点至汇点由上至下分布的网络简化图如图3所示，单位为gw。
[0085]
选择甘肃省作为售电方，甘肃省作为弃风限电最严重的省份之一，西北地区本地消纳能力有限，正积极通过参与省间现货市场以及中长期交易，以促进风电、光电发电量的“双增”，同时实现弃风弃光的“双降”。选择上海市作为购电方，上海市占据了华东地区的超过50％的购电量。甘肃至上海的现行交易路径为甘肃-陕西-四川-重庆-湖北-上海。
[0086]
下面将从网络连通度及最大流算法两个方面分析该交易路径的系统回能以及探索该交易路径的最大输电额度。本文仿真模型运行环境为matlab，省间连络线源汇点信息，
传输上下限额，忽略线路网损。
[0087]
网络连通度测试如图4所示。网络图g(v，e，c)为1-连通图，割点为湖北、陕西、河南。通过割点可将网络图g分割为4个子图，分别对应地理环境中的1-华北东北地区、2-华东地区、3-华中地区、4-西北地区。甘肃-上海交易路径涉及3个子图，大于等于2个割点。
[0088]
交易路径最大输送额度估计采用本发明的交易路径配置方法，输电限额根据输电线路容量考虑检修等情况后，计算可得30天内可传输电量限额。增广路径如图5所示。现行甘肃至上海交易路径优化结果为甘肃-陕西-四川-重庆-湖北-上海，成交电量为12.4gwh。其中，虚线显示两条交易路径，除原先交易路径外，新增甘肃-陕西-河南-湖北-上海交易路径，其中，瓶颈边即“瓶颈”线路，为陕西-四川线路的12.4gwh输电限额，最大输送额度为756.4gwh。在未计入市场其余交易的情况下，与现行交易电量对比，显示仍有744gwh输送余量，新能源跨区域消纳潜力巨大。
[0089]
本发明将图论网络流方法引入省间交易路径配置问题，从拓扑结构的角度，解决了复杂网络条件下，跨区域交易路径评估与配置问题。本发明从网络连通度和最大流计算两个方面对交易路径在简化等值图中建模并进行了相应的分析计算，并将模型所得结果与现行交易路径结果进行了对比分析。
[0090]
结果表明，简化等值图算法能可视化的对交易路径的系统回能进行评估，并在复杂网络下，对交易路径的最大输送额度进行预测估计。该算法为新能源通过省间连络线进行跨区域交易消纳提供了强有力的技术支撑。
[0091]
应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。