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软件X 16(2021)100870原始软件出版物电力市场工具(POMATO)区域电力市场分析Richard Weinholda,1999年,1,Robert Miethb,c,1aFakultät VII Wirtschaft und Management,TU Berlin,10623 Berlin,Germanyb美国纽约大学坦顿工程学院电子与计算机工程系,纽约,NY 10012cFakultät IV Elektrotechnik und Informatik,TU Berlin,10587 Berlin,Germanyar t i cl e i nf o文章历史记录:收到2020年收到修订版,2021年6月17日接受,2021年保留字:基于流量的市场耦合FBMC输电系统最优潮流安全约束最优潮流a b st ra ct拟议的开源电力市场工具(POMATO)旨在在物理传输系统及其安全运行的背景下,对互联的现代和未来电力市场进行研究。POMATO研究了欧洲区域电力市场的容量分配和阻塞为此,POMATO实现了用于分析同时分区市场清算、用于容量分配的节点(N-k安全)潮流计算以及具有自适应电网表示和再调度的多阶段市场清算的方法。通过一个有效的约束约简算法,使计算要求高的N-k安全潮流POMATO为数据读入、预处理和后处理以及交互式结果可视化提供了一个集成环境。从Open Power System Data和Matpower Cases汇编的欧洲电力系统综合数据集是该分布的一部分。POMATO是在Python和Julia中实现的,利用了Python版权所有©2021作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)中找到。代码元数据当前代码版本0.3用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2020_79Code Ocean compute capsule法律代码许可证LGPL v3使用git的代码版本控制系统使用Python和Julia的软件代码语言、工具和服务编译要求,操作环境依赖性Python和Julia,独立(在Windows和Ubuntu上进行持续自动化测试)如果可用,链接到开发人员文档/手册https://pomato.readthedocs.io/en/latest/问题支持电子邮件riw@wip.tu-berlin.de1. 动机和意义欧洲可*通讯作者。电子邮件地址:riw@wip.tu-berlin.de(Richard Weinhold),robert. nyu.edu(Robert Mieth)。1 R. Weinhold和R.米思同样为这项工作做出了贡献https://doi.org/10.1016/j.softx.2021.100870学术界对传输系统适应这种转变的能力很感兴趣具体而言,泛欧电力市场中更高水平的协调以促进达到排放目标,同时确保以可接受的成本提供可靠的电力供应[2],这需要将电力传输能力内部化到交易过程中。该讨论的核心是共享输电基础设施的电力市场区域之间和内部的容量分配和拥塞管理(CACM)政策的效率[3]。容量分配(CA)总结了限制两个相邻电力市场之间电力交易量2352-7110/©2021作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章,使用CC BY许可证(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页:www.elsevier.com/locate/softx理查德·温霍尔德和罗伯特·米斯软件X 16(2021)1008702∑在交付时预期可用的跨境传输容量方面的市场区域。另一方面,拥塞管理(CM)是指确保在递送时物理系统状态确实保持在其安全裕度内的方法,例如,不会导致输电线路过载。值得注意的是,基于适当预测的良好定义的CA可以减少CM措施,例如由输电系统运营商(TSO)协调的以前实施的基于静态净转移容量(NTC)的CA政策考虑了市场之间的联络线容量,但忽略了限制市场区域内的传输资产,从而导致通常不可行的市场结果,增加CM(重新调度)或过于保守的市场结果[4,5]。为了克服这些缺陷,并努力提出的电力市场工具(POMATO)的目的是使进一步研究的现状和未来的政策,实际的区域电力市场,特别是FBMC。虽然集中协调的区域电力市场的理论有些成熟,参见例如[7],但市场和系统运营商之间不完全协调的实际实施需要持续的分析。当前的欧洲FBMC是由多个TSO协调的多阶段过程,涉及详细的区域特定负荷和发电预测以及网络模型,TSO通常不公开或仅部分公开[8]。然而,FBMC设计的中期和长期演变需要来自独立FBMC分析的公共决策支持研究更多国家加入耦合市场或投标区布局的影响(TSO最近的一项研究已宣布其效率低下[9])。值得注意的是,关于德国电网未来的年度联邦报告(学术界几乎没有FBMC过程的模型实现[11在[11]中,Aravena等人比较了各种CA政策,并使用真实世界的数据集展示了FBMC传统方法此外,这项研究提出了一种迭代的方法,以满足实际的要求,任何调度必须对计划外的传输设备停运(N-1安全)。然而,数据集和模型的实施并没有随文件一起公布。类似地,Matthes等人[12]提出了一种FBMC公式,用于估计未来的FBMC参数,并研究要求对关键输电线路提供额外安全裕度的法规的影响。该模型使用了N-1安全FBMC解决方案的外部凸包缩减,并在MILES框架[14],据我们所知,也没有公开。Schönstrom等人。[13]扩展了经典的GAMS2模型ELMOD [15],以便于FBMC分析和研究IM。要求最低限度的区域间交易量的规章协定[16]。这里,N-1安全性通过静态安全裕度来近似尽管在[13]中有全面的文档,但代码扩展本身并未公开。POMATO旨在通过提供一个易于使用的文档化和开源框架来克服[11-一些主要特点和贡献是:2 www.gams.com网站。(a) 分离数据处理(在Python3中实现)和优化(在Julia4中实现),以实现许多用户熟悉的灵活的基于Python的用户界面,同时在可读性良好的JuMP代数建模语言中创建中央优化模型的精益实现[17]。(b) 开源可用并在GitHub5上记录 [18,19]。(c) 基于Open Power Systems Data6和Matpower7数据集的欧洲电力市场和输电基础设施综合数据集。(d) 电力市场模型与区域和节点的市场清算和一个模块来综合FBMC过程,包括热部门耦合。(e) 适用于大规模网络和多周期分析的精确N-1安全调度实现。所使用的算法去除了冗余约束,类似于[12]中的凸包方法,但已针对最优潮流(OPF)分析进行了优化,从而缩短了计算时间。(f) 利用机会约束的随机最优潮流分析可再生能源预测误差的影响。2. 软件描述POMATO的架构分为三层,如图所示。1.一、模型核心收集必要的优化问题的数学公式,并提供所需求解器的接口。为了确保精益模型实现和高效的重新运行,而无需重新计算大型参数集,模型核心被封装在数据处理层中。这一层自动进行参数计算和验证,为模型核心提供参数,并验证和处理最终的模型输出。最后,POMATO的所有功能都通过可读的API类命令收集在外部用户界面层中。2.1. 模型芯POMATO的核心是电力市场模型。该模型是一个线性优化问题(LP),找到最低成本的发电计划,匹配系统的需求,相对于所有的技术约束。当量(1)显示了一般结构这样一个模型8:min OBJ=COST_G+COST_H+COST_CURT+OOM_PEN(一)S.T.成本定义(一)乙生成约束(1c项)热约束(1天)存储约束(1e)能源平衡(一楼)网络约束(1克)3 www.python.org网站。4 www.julialang.org网站。5 www.github.com/richard-weinhold/pomato网站。6 www.open-power-system-data.org/网站。7 www.matpower.org/网站。8 精确的数学方程可以在http://pomato.readthedocs.io/en/latest/model_formulation.html 下 的 pomato 文 档中找到。见[8,20]。理查德·温霍尔德和罗伯特·米斯软件X 16(2021)1008703Fig. 1. POMATO的分层架构。内部模型核心为紫色,数据处理层为黄色,外部用户界面为蓝色。(关于此图例中颜色的参考解释,请读者参考本文的网络版本目 标 ( 1a ) 最 小 化 发 电 成 本 ( COST_G ) 、 发 热 成 本(COST_H)、负荷削减成本(COST_CURT)和市场外惩罚成本(OOM_PEN,例如,重新调度的成本)。(1b)中的约束将这些成本分量定义为线性函数的集合根据模型化的市场框架,某些成本可能为零。约束(1c)和(1d)分别对可用的磁化率和热生成施加限制。约束(1e)强制存储的时间耦合能量约束,并限制其效率校正的充电和放电功率。等式(1f)确保所有市场区域的发电量始终等于需求加上净出口(出口减去进口)。网络约束(1g)将传输系统拓扑捕获为节点(总线)和线路,并强制执行交换容量限制。使用线性化(DC)功率流方程对物理流进行建模,使得节点净注入可以直接使用功率传输分布因子(PTDF)矩阵或通过辅助电压角变量隐式地映射到功率流,参见例如。[21、22]。激活约束(1b)-(1g)的特定定义并由POMATO根据用户定义的选项进行“动态”参数化例如,节点市场清算为每个节点实施(1f)中的能量平衡,并且交换受到物理功率流和热传输系统容量的限制。另一方面,区域市场确保整个区域(即多个连接的节点)的总能量平衡。与邻近地区的交易要么受到非关税壁垒的明确限制,这限制了个别的跨境交易,要么通过对每个地区的净头寸(净出口总额)的限制而受到隐含的限制。后者用于通过计算纬向PTDF来对FBMC建模,参见例如。[8],将分区网络位置映射到(临界)线路上的功率流此外,模型CM(重新调度)和外部安全要求(应急)的约束鲁棒性)。对于再调度模型,节点市场的解决受到额外的市场外的处罚的基础上,以前解决的分区市场的结果。具体地说,最优再调度是给定发电计划的最小成本变化,具有预定义的市场外惩罚和固定的分区平衡,使得所得的节点平衡对于给定的传输网络是可行的。预防系统的安全要求的基础上的应急(N-1)分析,通过适当的扩展区域和节点的PTDF矩阵。具有预防性鲁棒性的最优调度对所有连续性(计划外停电)的计算要求很高,需要初步的解决方案[21]。否则,由于约束的数量随着网络规模呈指数增长,用于现实世界经济分析的典型多周期调度问题不能在合理的时间内或利用通常可用的计算资源来求解。然而,已经表明,这些约束中的许多(实际上是大多数)是冗余的,即由于存在更多限制性约束而从未约束最优解[23]。为了确保在更长的时间范围内(例如数周至数年)为现实世界的网络提供可行的解决方案,POMATO在我们以前的工作[21]中已经介绍了这种冗余去除算法的实现和性能,其中我们表明,对于大多数研究的传输网络,超过99%的约束可以从优化问题中去除这大大减少了较小问题的求解时间,并使以前不可行的较大模型的解决方案成为可能。在模型核心中实现的方法和算法需要一个合适的框架,该框架能够实现快速稳健的计算,并便于使用可互换的求解器后端。理查德·温霍尔德和罗伯特·米斯软件X 16(2021)1008704开源Julia语言提供了性能和可读性的竞争组合[24],以及用于实现所需数学编程(电力市场模型和冗余消除)的合适库。在这里 , 我们 选择 了流 行的 , 可 读性 强且 灵活 的 JuMP 包[17] 。POMATO的Julia模块(MarketModel.jl和Redun-dancyRemoval.jl)被参数化,并由更高的POMATO层自动调用,如图所示。1 .一、特征备注1(风险感知经济调度)。当对随机可再生能源发电份额高的系统建模时,关于容量储备、网络约束和系统运营商的风险感知的馈入不确定性可以在使用机会约束的标记清除中内在化[25,26]。POMATO将此功能作为实验功能发布。更多信息请参见[20功能注释2(求解器)。JuMP允许与各种求解器轻松通信。默认情况下,POMATO将安装并使用开放的CLP求解器。9但是,如果用户的系统上可用,POMATO可以配置为使用商业求解器,11其他求解器可以按照文档中的概述来实现。122.2. 数据管理和预处理POMATO的中央数据管理层,见图2。 1,通过提供数据和模型参数化、调用和监视Julia进程以及验证其结果来管理模型核心的功能。为了实现灵活的数据处理,避免冗余计算,我们利用Python及其面向对象的编程范式,解决了通常与静态脚本相关的问题在这样的线性方法中,例如在GAMS中,所有参数都在程序的全局范围内处理,使得任何期望的条件功能性使得代码过于复杂并且难以维护。或者,将所需的功能封装在不同的对象(模块)中,确保数据一致性和兼容方法。数据管理层由数据管理、网格拓扑、网格模型和市场模型四个主要模块组成。 的每个实例中创建一次POMATO和每一个都为用户界面和其他模块提供了特定的方法此外,一次性模块用于结果处理,例如:FBMC计算和结果可视化。DataManagement是处理所有数据及其相应选项的中央模块。所有输入数据都根据运行所需市场模型所需的预定义数据结构进行验证,并可供其他模块使用。由于DataManagement的持久性,数据的更改,例如来自用户操作或模型结果的信息整个波马托。9 www.github.com/jump-dev/Clp.jl网站。10 www.github.com/MOSEK/Mosek.jl网站。11 www.github.com/jump-dev/Gurobi.jl网站。12 http://pomato.readthedocs.io/en/lastest/installation.html#solvers网站。与 传 输 网 络 拓 扑 相 关 的 数 据 的 预 处 理 和 验 证 需 要 在GridTopology模块中收集的特定方法。它使用网络数据(总线/节点和线路/分支信息),并为随后的潮流计算提供参数。此外,GridTopology还可以验证网络图的属性,为多个断开的网络设置参考节点,创建应急场景并管理相移变压器的设置。然后,网格模型和市场模型模块使用经验证和预处理的数据来为模型核心提供输入数据。基于用户所需的市场模型(并且在 给 定 可 用 数 据 的 情 况 下 是 可 行 的 ) , GridModel 使 用GridTopology和DataManage提供的数据来编译具有所有物理属性的正确网格表示。这包括网络控制的参数化约束,如上文第2.1节所述,以及发电机位置、成本模型和分区配置。此外,GridModel在为N-1安全分派编译参数集的过程中调用RedundancyRemoval。如果在以前的运行中已经执行过此算法,GridModel将加载可用的参数,以避免耗时的重新运行。这些参数界定了市场出清的限制条件。最后,MarketModel收集这些约束并管理所需的模型运行。在模型核心中的优化获得最优解之后,MarketModel在DataManagement模块中实例化一个新的ResultsPOMATO实例和数学核心之间的通信是通过JuliaDaemon模块内的线程进程实现的,参见备注4。模型运行和数据处理的解耦允许有效地解决在不同市场模型配置之间切换的多阶段市场清算过程下面列举两个相关的例子Ex. 1 -重新调度分析:区域电力市场被清除为一个单一的价格区,没有任何内部网络约束。在第二阶段中,通过市场外CM措施来校正潜在的传输线路过载,即,重新调度。为此,需要使用节点分辨率运行第二个模型。Ex. 2-FBMC:FBMC使用预测的节点调度(基本情况)来导出区域PTDF矩阵,该矩阵建立区域网络位置与关键网络元件(CNE)上的流量相对于CNE的技术限制的净位置的所得可行区域被称为FBMC域。这些域用于解决区域市场清算,然后由随后的CM进行校正理查德·温霍尔德和罗伯特·米斯软件X 16(2021)1008705图二. 示例性的基于流的域。措施有关FBMC过程的更多信息,请参见[20]。 补充FBMC模块自动化部分模型数据的必要重新参数化,包括图1中所示的FBMC域的生成。 2,并促进优化模型的必要重新运行。特点备注3(应急方案)。用户可以指定定制的应急方案,而不是执行严格的N-1应急分析(即,保护系统免受每一条传输线的中断)。这种情况可以忽略某些线路作为潜在的意外事件,或者定义可能同时发生的停电的意外事件组,例如,平行线特性注释4(Python-Julia接口)。Julia语言和Python之间的通信是由JuliaDaemon 类实 现的 , 该类 维护 一个线 程 Julia 程序 , 并在MarketModel 或 GridModel 请 求 时 执 行 其 函 数 。 指 令 通 过 写 入POMATO包文件夹的json文件传输。这样,Julia过程只需启动一次,并在模型完成后保持活动状态,这允许快速重新求解具有不同参数的模型。2.3. 用户界面在前面的2.2节中介绍的数据处理层的所有模块都属于整个POMATO对象,它为用户提供了一套全面的功能。虽然用户可以访问较低级别模块的方法,但POMATO模块为该程序的典型用例提供了预定义的方法第3节中的说明性应用提供了简要概述。此外,POMATO提供了可视化功能的集合。它的create_geo_plot方法使用Ploty13库在交互式地图上显示市场和重新调度结果,包括价格许多结果,如FBMC域或发电计划,可以自动绘制为交互式2D图的集合。此外,POMATO还可以启动Dash14服务器,提供交互式绘图和可视化的策划视图。见文件152.4. 出版物POMATO在GitHub上的LGPLv3许可证下可用,包括一个全面的文档[18,19]。为了便于测试、维护和可读性,pomato然而,所有的安装都是由[18]中的中央Python模块处理的。另见备注5。存储库还包括涵盖核心功能的示例性数据集。其中包括德国电力系统的数据集,该数据集已被编译以展示POMATO有关如何创建自定义数据集的更多详细信息,请参阅随附的文档。16功能备注5(安装)。POMATO需要安装Python和Julia。当两者都在用户系统上可用17Python安装程序将检测系统上的Julia发行版,并自动从各自的存储库中提取两个Julia包,MarketModel和RedundancyRemoval它们将被安装在Julia虚拟环境中,以隔离任何依赖于可能的用户安装的Julia包。3. 说明性应用本节说明POMATO的应用。相应的示例代码如下所示,其行号在随后的描述中引用。13 www.plotly.com网站。14 www.plotly.com/dash/网站。15 http://pomato.readthedocs.io/en/latest/model_functionality.html#the-dashboard.16 http://pomato.readthedocs.io/en/latest/input_model_data.html网站。17 www.pip.pypa.io网站。理查德·温霍尔德和罗伯特·米斯软件X 16(2021)1008706{“optimization“:{“type“:“ntc“,“model_horizon“:[0,168],“redispatch“:{“包含“:true,“成本“:50}}12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334在第1行中导入POMATO模块之后,在第3行中实例化一个新的POMATO类,其中包含所请求的工作目录(wdir)和配置模型运行的JSON18在本例中,选项文件指定了区域市场清算(受NTC影响),以及随后的重新分派(具有重新分派成本和模型范围):可在在线文档中找到可能的故障的完整列表和描述。在第4行中,POMATO对象加载所需的数据,如上面第2.2第6行中的命令为指定的模型运行创建网格表示,第7行开始实际的模型运行。成功完成后,两个结果被实例化到DataManagement中,并可供用户(参见第9行)进行进一步分析,例如,检查是否有过载线路(有或没有意外事故)(见第11最后 在图21中所示的线22中创建地理绘图。3.第三章。18 www.json.org网站。19 http://pomato.readthedocs.io/en/latest/options.html网站。这个例子的执行时间大约是7.5分钟,包括数据读入,Julia启动,解决市场和再调度问题,以及最终结果分析和绘图。后续运行受益于已经活动的Julia进程,这节省了2到4分钟的计算时间。4. 影响POMATO提供的功能可能会引起开发人员、研究人员和学生的兴趣,所有这些都受益于POMATO顶层PO-MATO类的高级API类功能(参见第2.3节)有助于在不详细了解电力工程和经济性的情况下使用POMATO。由于对所需数据结构的了解很少,POMATO为用户提供了一个低障碍,可以从他们自己的数据集中获得相关结果,并对这些结果进行深入的可视化通过将模型核心与用户界面分离,高级用户将能够根据他们的需要扩展或修改数学公式,我们希望能够在区域市场清算领域进行新的研究。先进的交互式可视化可以帮助教育工作者传达电力系统运行和电力市场的一些概念。5. 结论和进一步发展本文提出了一种工具,旨在使区域电力市场的广泛分析。拟议的电力市场工具POMATO是开源的,提供基本的数据集和全面的在线文档。POMATO功能的核心是其综合基于流程的市场耦合(FBMC)流程的能力。此外,POMATO包括冗余去除算法,该算法使得安全约束(N-k)调度具有可行的计算时间。虽然POMATO的当前版本已经包括随机(机会约束)市场清算分析的原型选项,但随机和风险感知市场的扩展以及沿着[25,26]路线的潮流分析仍在继续发展。竞合利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作确认这项工作得到了德国联邦经济事务和能源部(BMWi)项目LKD-EU(03 ET 4028 A)和欧盟地平线2020研究计划(编号773406)的支持。Robert Mieth的工作得到了Reiner Lemoine基金会的支持。Richard Weinhold的工作得到了丹麦能源署的支持从POMATO开始matoo=POMATO(wdir=wdir,options_file =“opt ions/de. json“)我也是。load_data('data_iput/DE_2020. zip我也是。create_grid_representat ion()mato.run_market_model()#Returnmarketresults(m)#和重新分派结果(r)m,r=matoo. datata。return_results()#针对0个verlodinesN-0n 0_m,_=m的检查。overerloaded_lines_n_0()print(“NumberofN-0Ovrloads:“我想,len(n0_m))n0_r,_=r。overloaded_lines_n_0()print(“N-0Overloads: “我想,len(n0_r))n1_r,_=r。overloaded_lines_n_1()print(“N-1Overloads: “我想,len(n1_r))Gen= R. redispatch()print(“TotalRedispatchinMWh:“,gen. delta_abs. sum())···理查德·温霍尔德和罗伯特·米斯软件X 16(2021)1008707图三. 德国的市场地理图和再调度结果。红色和绿色圆圈分别表示发电计划的负变化和正变化,由于重新调度。变化幅度与圆的半径成正比。线路颜色表示平均线路负载,其中绿色为低负载,红色为高负载。价格作为重调度运行的节点功率平衡上的双重乘数由等值线图叠加指示。(For对颜色的解释在此图例中,读者可参考本文的网络版本引用[1] 安普利安 基于流程的市场耦合-开发的的2015-2017年市场和电网情况。2018,amprion.net/Dokumente/Dialog/Downloads/CWE/CWE-Studie_englisch.pdf.[2] 欧 洲 议 会 。 国 内 能 源 市 场 。 2020 年 , www.europarl.europa 。eu/factsheets/en/sheet/45/internal-energy-market.[3] 欧盟委员会。欧盟委员会法规(EU)编号2015/1222。 2015年,网址:eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/HTML/? uri=CELEX : 32015R1222& 来 自=EN。[4] Amprion、APX-ENDEX、Belpex、Creos、Elia、EnBW、EPEX SPOT、RTE、TenneT。CWE增强基于流MC可行性次报告.2011年,www.amprion.net/Dokumente/Strommarkt/Engpassmanagement/CWE-Market-Coupling/CWE_FB-MC_feasibility_report.pdf。[5] 欧盟委员会。2016年9月26日欧盟委员会法规(EU)2016/1719,建立了关于远期容量分配的指导方针。2016年12月26日星期一九月二十六日。[6] 放大图片作者:Van den Bergh K,Boury J,Delarue E. 中西欧基于流动的市场耦合:概念和定义。Electr J2016;29(1):24-9.[7] Eughmann A,Smeers Y.欧洲拥堵管理建议的无效性。Util Policy2005;13(2):135-52.[8] 放大图片作者:Schönstrom D,Weinhold R,Dierstein C.不同战略的影响基 于 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