基于多場景和運行模擬技術的電網(wǎng)規(guī)劃及評估研究

廖菁，禹海峰，劉麗新

(1． 國網(wǎng)湖南省電力公司經(jīng)濟技術研究院，湖南 長沙410004;2． 北京清軟創(chuàng)新科技有限公司，北京100085)

電網(wǎng)規(guī)劃是電網(wǎng)發(fā)展的重要組成部分，其任務是根據(jù)規(guī)劃期內(nèi)電力需求的增長情況，在現(xiàn)有電網(wǎng)基礎上，選擇合理的電網(wǎng)建設項目，滿足規(guī)劃期內(nèi)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行〔1〕。在電力市場環(huán)境下，更多的不確定性因素將帶來新的挑戰(zhàn)，而與風電并網(wǎng)為電網(wǎng)規(guī)劃帶來更多的風險。如今亟需解決的問題包括怎樣處理電力市場環(huán)境下的多種不確定因素，怎樣對電網(wǎng)規(guī)劃進行合理性、經(jīng)濟性和節(jié)能環(huán)保性的評估以及怎樣評價電網(wǎng)規(guī)劃的效果等。

不同的規(guī)劃方案，是進一步進行調度模擬的先決條件，本項目以對未來電力系統(tǒng)的發(fā)輸電調度方案進行長時間的時序模擬為目的，以期得到電力規(guī)劃方案下未來電力系統(tǒng)運行的形態(tài)，實現(xiàn)從電力系統(tǒng)運行的角度對電力規(guī)劃方案進行全方位的評價。這就需要全面地實現(xiàn)對電力系統(tǒng)運行的各個場景進行規(guī)劃，在滿足工作人員的研究需求的基礎上，對電力系統(tǒng)運行的實況進行仿真。

本文以系統(tǒng)負荷、電網(wǎng)運行方式、機組檢修計劃、水電用水量安排以及間歇性能源模擬出力為數(shù)據(jù)基礎，在考慮各類型電源的約束條件、分區(qū)備用、系統(tǒng)安全約束的基礎上〔2〕，為了在電力系統(tǒng)運行模擬中，精確化考慮水庫的運行過程與水電的發(fā)電量，提出了中長期水電群優(yōu)化運行模擬模型。最終形成能夠處理火電、核電、水電、燃機、熱電、風電、太陽能光伏發(fā)電、抽水蓄能等多機組類型的機組組合模型，以滿足合理性、節(jié)能環(huán)保性和經(jīng)濟性為評估目標對某電網(wǎng)進行實例測算分析。

1 中長期水電群優(yōu)化運行模擬模型

在水電比例較大的電力系統(tǒng)中，水電群的優(yōu)化調度能夠帶來巨大的經(jīng)濟效益。在中長期時間范圍內(nèi)，水電群的優(yōu)化運行過程是指對具有調節(jié)能力的水庫，在滿足水庫與水電機組的運行約束，保證正常航運、社會用水、防洪等條件下，對水庫的來水和用水過程進行調節(jié)，實現(xiàn)盡量減小發(fā)電棄水、提高發(fā)電平均水頭、充分發(fā)揮水電的調峰效益等目標，最終使得水電群的綜合效益最大化。中長期水電群運行模擬的精度與水電系統(tǒng)的總發(fā)電量息息相關〔3－4〕。

水電運行優(yōu)化模擬通過離散庫容，引入整數(shù)變量，同時在某一離散庫容下線性化水電機組出力與用水曲線的方法，將水電機組出力、水電機組用水、水庫庫容三者之間的復雜非線性關系線性化，原來的問題被轉化為標準的大規(guī)?；旌险麛?shù)線性規(guī)劃模型。

長期水電群的優(yōu)化運行與中期水電群的優(yōu)化運行這兩者在模型上所有約束條件相同，不同之處在于長期水電群的優(yōu)化運行模擬的目標是水電系統(tǒng)的總發(fā)電量最大，中期水電群的優(yōu)化運行模擬的目標為綜合考慮水電系統(tǒng)的發(fā)電量與調峰作用，使得水電效益最大化;2 個模型之間的協(xié)調關系如圖1所示。

圖1 長期模型與中期模型關系圖

1.1 長期水電群優(yōu)化運行模擬

水電群的長期優(yōu)化運行模擬模型以月為計算時段，目標是給出具有月以上調節(jié)能力水庫的優(yōu)化運行過程，使得水電系統(tǒng)能盡量減小棄水，同時提高平均發(fā)電水頭，以期使水電系統(tǒng)總發(fā)電量最大。模型的難點在于約束條件中水庫庫容、機組發(fā)電、機組用水三者之間復雜非線性的處理〔5－6〕。

目標函數(shù)為考慮水電系統(tǒng)在模擬優(yōu)化運行期內(nèi)所有水電機組發(fā)電量最大化:

式中 T 為目標優(yōu)化時段數(shù)(模型以月為計算時段);N 為系統(tǒng)水電機組數(shù);E 為水電機組發(fā)電量;為水電機組i 在t 時段的出力;Δt為系統(tǒng)每個計算時段的長度。

1.2 中期水電群優(yōu)化運行模擬

中期水電調度的任務是在考慮水電發(fā)電量最大化的同時，考慮水電與火電的協(xié)調配合運行，為了使得每日火電機組承擔的系統(tǒng)負荷盡量保持均勻，使得相鄰日之間火電機組的啟停方式不變或者變化最少，合理分配水電機組每日的發(fā)電量。

水電群的中期優(yōu)化運行模擬模型以日為計算時段，以長期模型優(yōu)化的結果作為邊界條件，目標是給出具有日以上調節(jié)能力水庫的優(yōu)化運行過程，使得水電系統(tǒng)能綜合考慮水電的調峰和發(fā)電效益，使水電效益最大化。中期水電優(yōu)化運行模型與長期模型的約束條件基本相同，區(qū)別在于目標函數(shù)不一致。

為了考慮運行日總負荷與峰谷差的影響，模型中引入每日水電在負荷高峰出力變量，max 與低谷出力變量，min，假設水電每日按照日負荷標幺曲線出力，則:

式中 αt為系統(tǒng)每日除基荷外的負荷占總負荷的比例;

1.3 效益系數(shù)的選取

1)考慮運行日總負荷的影響

不同運行日之間負荷變化不同，運行日負荷越大，該日分配水電發(fā)電量就越多。效益系數(shù)為

式中 Dmax為模擬器內(nèi)最大負荷日的負荷。

2)考慮運行日負荷峰谷差的影響

高峰時刻水電機組出力大，低谷時刻水電機組出力小，從而減輕系統(tǒng)負荷峰谷差，效益系數(shù)為

綜合2 種因素取兩者之積作為效益系數(shù)，即

目標函數(shù)為

2 主場景與衍生場景搭建

場景是對未來電網(wǎng)的模擬仿真和全方位評價的基礎。所謂搭建場景是將電源規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃和負荷預測等方案捆綁為一個整體，并在此基礎上加入風電和水電優(yōu)化、檢修的出力等約束條件〔7〕。

主場景詳細信息包含場景電網(wǎng)結構和場景運行信息2 個部分。

場景電網(wǎng)結構包含水庫、電廠、機組、變電站、線路、風電場、風機、風區(qū)信息。

場景運行信息包含系統(tǒng)負荷、負荷分布因子、節(jié)點負荷偏移系數(shù)、電網(wǎng)外送受電、省網(wǎng)間送受電設置、機組檢修計劃(人工設定)、機組檢修計劃(算法優(yōu)化)、機組開機狀態(tài)、機組指定出力、水庫離散系數(shù)、水庫來水量、水電機組離散系數(shù)、風區(qū)日平均風速、風區(qū)月平均風速、風區(qū)之間風速相關系數(shù)。

場景結構包含規(guī)劃方案以及計算參數(shù)設定2 個層面。一個新場景包含多個基本要素，如評估時間、電源方案、電網(wǎng)方案、負荷方案等;場景設定結束要進行計算方案的設定，即通過參數(shù)的設定和優(yōu)化目標的選取，實現(xiàn)對未來評估期系統(tǒng)運行方式以及優(yōu)化目標的確定。

為避免各方案的不匹配性，將電源方案和電網(wǎng)方案以節(jié)點為標準進行匹配，將機組與節(jié)點掛鉤，進行雙向匹配。因此在選擇電源方案時，電網(wǎng)方案通過條件篩選，得到匹配或不匹配相關信息。將個性化電網(wǎng)方案、電源方案、負荷方案和各種計算參數(shù)結合即可以生成主場景相關信息。

場景搭建如圖2 所示。

圖2 場景搭建

應用中，要保持衍生場景的評估時間與主場景的評估時間保持一致;設定衍生場景時，單次只能選擇一個變動條件。

3 評估指標體系

對模擬結果進行統(tǒng)計分析評價，系統(tǒng)擬從時間、空間、指標3 個維度構建評價指標體系。

時間維度。由逐日運行模擬到年度規(guī)劃分析，精細化到日層面24 點的時間顆粒完成對電網(wǎng)運行方式的橫向評價。

空間維度。在不同區(qū)域縱向切割，完成對電網(wǎng)運行方式的空間對比。

指標維度。從評價體的自身特性出發(fā)，通過輻射在不同機組容量、不同機組煤耗率等條件下的評價篩選，完成對電網(wǎng)運行方式的綜合評價〔8〕。

評估指標體系從合理規(guī)劃、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟運行3 個方面展開，經(jīng)濟性指標、合理性指標和節(jié)能環(huán)保性指標分別如圖3—5 所示。

圖3 經(jīng)濟性指標體系

圖4 合理性指標體系

圖5 節(jié)能環(huán)保性指標體系

4 實例分析測算

應用基于多場景和中長期水電群運行模擬技術研發(fā)的電網(wǎng)規(guī)劃和評估軟件，對某網(wǎng)某年電網(wǎng)規(guī)劃方案進行實例評估。如圖6—8 所示。

圖6 購電成本分析

圖7 機組平均負荷率分析情況

圖8 地區(qū)煤耗量情況

5 結語

基于多場景和運行模擬的電網(wǎng)規(guī)劃和評估系統(tǒng)，實現(xiàn)了新能源的出力模擬、電源檢修安排、跨流域梯級水電調度以及逐日連續(xù)“全景”運行模擬，通過對計算系統(tǒng)運行成本、燃料消耗以及污染物排放的計算，達到了對未來運行節(jié)能與經(jīng)濟性評價的目的。

后續(xù)工程實用化的階段中將對本系統(tǒng)進行改進與完善:

1)目前模型中采用離散庫容、線性化水電出力曲線的方法處理水電轉換函數(shù)，模型誤差較大，在后期需要更精確地考慮水電轉換函數(shù)。

2)目前國內(nèi)電力系統(tǒng)分區(qū)分省運行，水電涉及到跨省傳輸，需要進一步考慮不同省網(wǎng)或區(qū)域之間的水電傳輸極限與水電消納能力。

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〔4〕李彩林． 水電站中長期優(yōu)化調度與風險研究〔D〕． 華中科技大學． 2007．

〔5〕李彬艷． 水電站長期調峰初步研究〔D〕． 華中科技大學． 2007．

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〔7〕杜柏均． 城市電網(wǎng)規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)負荷預測子系統(tǒng)的開發(fā)和改進〔D〕． 天津大學． 2010．

〔8〕周鯤鵬，方仍存，顏炯，康重慶，等． 電網(wǎng)規(guī)劃智能輔助決策系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)〔J〕． 電力系統(tǒng)自動化． 2013，37(3):77-82．