含统一潮流控制器(UPFC)的预防最优潮流中传输状态依赖型碳交易结算方法

《Processes》：Transmission-State-Dependent Carbon-Trading Settlement in UPFC-Assisted Preventive Optimal Power Flow

　　

低惯量最优潮流(Optimal Power Flow, OPF)研究通常在发电侧调度中纳入碳成本或排放限值，而碳核算研究多在调度完成后评估排放量，输电侧潮流控制与碳结算之间的关联较少受到关注，尤其不明确统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller, UPFC)引起的支路潮流与网损变化应如何影响允许余额、交易量及结算费用。本文提出一种适用于UPFC辅助预防最优潮流(Preventive OPF, PCOPF)的传输状态依赖型碳交易结算方法。与调度后碳核算不同，所提方法从同一网络可行调度解计算碳交易量，该解同时确定UPFC调控的潮流、网损、火电出力及N-1事故可行性。模型以等效电流注入(Equivalent Current Injection, ECI)形式表述，采用带可行性修复的社会学习人工蜂群(Social-Learning Artificial Bee Colony with Feasibility Repair, SLABC-FR)算法求解约束问题，不可行试探解按功率平衡、运行限值与碳交易约束修复。以台湾345 kV输电系统(Taipower 345 kV transmission system)进行测试：年平均日负荷工况下，线损由27,126.55 MWh降至21,281.92 MHR，碳排放由300,988.72 tCO2降至279,527.70 tCO2，分别降低21.55%和7.13%；发电侧净收益保持正值TWD 11,000,763；UPFC结合PCOPF(UPFC-PCOPF)工况亦满足筛选后的事故后线路负载率与电压约束；全年算例呈相似减排趋势。结果表明碳交易结算并非固定事后核算项，在UPFC辅助调度中与输电损耗及火电出力相关联。

论文解读：《含统一潮流控制器(UPFC)的预防最优潮流中传输状态依赖型碳交易结算方法》

一、研究背景与意义

传统低碳最优潮流（Optimal Power Flow, OPF）研究多在发电侧引入碳排放成本或限值，碳核算则通常为调度后的回溯性评估，输电网侧的潮流控制行为与碳交易市场结算之间缺乏耦合机制。既有统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller, UPFC）辅助OPF研究侧重潮流调控、降损与缓解阻塞，碳计量则单独基于发电机侧排放或最终调度结果，导致UPFC降损带来的碳效益无法在结算中体现。此外，预防安全约束最优潮流（Preventive Security Constrained OPF, PCOPF 或 Preventive OPF, PCOPF）虽能保障N-1事故后运行可行性，但未探讨其对碳相关结算及经济结果的影响。现有研究缺少将UPFC引发的支路潮流与网损变化、预防安全约束及碳交易的允许余额、交易量、结算成本在同一网络可行运行状态下进行联合计算的模型。为此，研究人员提出了一种传输状态依赖型碳交易结算方法，嵌入UPFC辅助的PCOPF模型中，以台湾345 kV输电系统（Taipower 345 kV transmission system）验证其技术性与经济性。该文发表于《Processes》。

二、主要关键技术方法

研究人员采用等效电流注入（Equivalent Current Injection, ECI）形式建立交流潮流模型及UPFC稳态等效电路（含串联注入电压与并联换流器电流，引入虚拟节点），将UPFC控制变量嵌入ECI修正方程。预防OPF目标函数为发电侧净收益（含电能收入、燃料成本、碳交易支出/收入、输电侧降损减排结算扣减及调度费），约束含系统有功平衡、ECI功率失配方程、发电机出力及爬坡限制、节点电压幅值、线路热稳定限额、UPFC串/并联器运行范围及直流侧有功平衡，并引入事故严重度筛选（Contingency Severity Screening, CSS）选取最严重单一元件开断加入预防约束。碳排放按机组二次模型计算，碳允许余额与买卖量联立约束。模型由带可行性修复的社会学习人工蜂群算法（Social-Learning Artificial Bee Colony with Feasibility Repair, SLABC-FR）求解：候选解先做边界投影、有功不平衡再分配及碳交易变量修复，再经ECI潮流与约束违背惩罚函数评价适应度，通过雇佣蜂、观察蜂与侦察蜂三阶段迭代寻优。算例选用Taipower 40母线85线路345 kV系统，设无UPFC无PCOPF、仅UPFC、仅PCOPF、UPFC+PCOPF四组对照。

三、研究结果

2. ECI-Based Optimal Power Flow with UPFC Modeling（基于等效电流注入(ECI)的含UPFC最优潮流建模）

研究人员推导了基于π型等效电路的ECI潮流 mismatch方程及Newton–Raphson修正形式，PQ节点Jacobian子矩阵在迭代中保持不变，PV节点线性化处理后部分Jacobian随状态更新，整体减少重算量。UPFC稳态模型引入串联可控电压U_inj∠φ_inj与并联等效电流注入，通过虚拟节点嵌入增广导纳矩阵的实部G_aug与虚部B_aug，将UPFC串联电压源与并联电流源统一至ECI迭代框架，实现与原有网络方程的兼容求解。UPFC选址依据持久重载通道、排除极低阻抗线、校核电压支撑弱节点、考虑事故后功率转移瓶颈等六条准则初筛，最终以平均发电侧净收益最高者定位于59号线路。

3. Carbon-Settlement-Coupled PCOPF Formulation（碳结算耦合的预防最优潮流(PCOPF)模型构建）

研究人员定义发电侧净收益=电能销售收入?燃料成本?碳购买支出+碳出售收入?调度费?输电侧降损减排结算R_t；R_t=α·ε_t·ΔP_loss（α为分摊系数取0.5，ε_t为等效排放因子，ΔP_loss为UPFC投运前后网损差），表征输电运营方因UPFC降损间接减排所获结算，不改变发电机碳排放计算。碳总排放E^sum由各火电机组二次排放模型求和，允许余额=初始配额+卖出量?买入量?E^sum，碳结算成本=π_t·(买入量?卖出量)。PCOPF约束额外纳入最严重事故（通过CSS选出）下的线路负载率与电压幅值校验，UPFC约束含串联电压模值上限、并联电流上限及串联侧视在功率上限，忽略换流器损耗时直流电容功率平衡P_sh,t=P_se,t。

4. Social-Learning Artificial Bee Colony with Feasibility Repair (SLABC-FR)（带可行性修复的社会学习人工蜂群算法）

研究人员在标准ABC基础上加入个体历史最优与种群当前最优引导的扰动项进行雇佣蜂搜索，候选食物源（含发电机有功、PV电压、UPFC串压实虚部、碳买卖量）先经边界截断→按可调机组裕度分配修正有功不平衡→碳买卖量按允许余额迭代修复，再通过ECI潮流与惩罚函数求适应度，不可改进个体由侦察蜂随机重生。算法相较GA、PSO、标准ABC收敛更快且获更高发电侧净收益，被选为后续求解器。

5. Numerical Results and Discussion（数值结果与讨论）

以Taipower系统年平均日负荷测试：Case 1（无UPFC/PCOPF）线损27,126.55 MWh，碳排放300,988.72 tCO₂，发电侧净收益TWD 68,615,167；Case 2（仅UPFC）线损降至22,059.18 MWh，碳排放降至281,296.24 tCO₂，净收益降至TWD 53,773,928；Case 3（仅PCOPF）线损26,859.03 MWh，碳排放300,522.27 tCO₂，净收益TWD 20,326,516，事故后过载与电压越限消除；Case 4（UPFC+PCOPF）线损最低21,281.92 MWh（降幅21.55%），碳排放最低279,527.70 tCO₂（降幅7.13%），煤/油机组出力进一步降低、气电机组略升，净收益TWD 11,000,763仍为正值，且通过事故后线路负载率（56号线开断后最大负载率由超0.8 p.u.降至0.7533 p.u.）与电压约束（越上限节点降至1.02 p.u.内）校验。全年平均负荷算例呈相同趋势：UPFC主攻降损减排，PCOPF保障事故后安全，协同可得最低损耗与排放且发电侧经济仍为正。

四、结论（翻译研究结论部分）

本研究探讨了UPFC引发的输电潮流变化如何在预防安全约束下影响碳交易结算。研究问题不仅是向OPF结果追加碳核算，而是量化支路潮流重分布如何改变网损、火电出力、排放量、允许余额、交易量及结算费用。为此以等效电流注入形式构建了UPFC辅助预防事故约束OPF模型，并采用带可行性修复的社会学习人工蜂群算法求解约束寻优问题。算法对比中SLABC-FR比GA、PSO及ABC更早进入低费用区并在比较方法中获得最高发电侧净收益；候选线路筛选选定59号线路为UPFC安装位置。运行案例显示两控制因素的不同作用：UPFC主要降低网损及相关排放指标，预防PCOPF消除事故后过载与电压越限；二者联用虽非短期发电侧利润最大但得到损耗更低、排放更少且具事故后安全性的较均衡调度。Taipower 345 kV结果证实"输电—碳"路径：UPFC控制改变支路潮流与损耗→改变损耗水平影响火电需求→新发电计划改变排放、允许余额、交易量及结算费用，碳结算因此随决定网损与事故可行性的调度变量而变化，此为区别于先解OPF再事后碳核算的核心差异。后续工作将扩展至多严重事故、时变碳价及多种可控输电装置。