電網(wǎng)經(jīng)濟性與安全性的精益化協(xié)調方法

魏翔

摘要：隨著人們生活質量在不斷提高，對于電力的需求在不斷提高，精益化的電網(wǎng)運行日益追求安全與經(jīng)濟并重，而安全與經(jīng)濟運行往往是一對矛盾。文章提出以電網(wǎng)運行均衡度的作為電網(wǎng)安全運行指標，通過求解系統(tǒng)經(jīng)濟、安全的雙目標優(yōu)化問題得到了電網(wǎng)安全–經(jīng)濟運行協(xié)調曲線。該曲線不僅能直觀地量化描述電網(wǎng)各運行方式的經(jīng)濟指標和安全指標，而且能夠量化電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性和安全性之間的協(xié)調成本，這對推進電網(wǎng)調度精益化管理具有重要的理論與應用價值。電網(wǎng)安全–經(jīng)濟協(xié)調運行曲線能用于量化電網(wǎng)對市場交易的開放性、調度效率和調度裕度等方面的評估。對IEEE30節(jié)點系統(tǒng)的計算結果表明了所提思想和方法的有效性。

關鍵詞：電網(wǎng);經(jīng)濟安全運行;協(xié)調;精益化方法

引言

近年來，隨著我國社會、政治、經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源分布與經(jīng)濟發(fā)展不平衡的矛盾、經(jīng)濟增長壓力與環(huán)境保護要求的矛盾等問題逐漸凸現(xiàn)。在能源分布與經(jīng)濟發(fā)展方面，當前我國的能源資源的供應與需求在區(qū)域上呈逆向分布，煤炭和水電等一次能源資源的80%左右分布在西部地區(qū)，風電則大都分布在華北北部和西北地區(qū)，新疆等西部地區(qū)太陽能資源豐富。但是，2/3以上的能源需求集中在東部沿海，這種分布格局要求在全國范圍內進行大規(guī)模的能源運輸和資源二次配置。在能源結構與環(huán)境保護方面，我國一次能源供給以煤炭為主，水電資源特別是西部水電資源開發(fā)不夠，風能和太陽能大規(guī)模開發(fā)尚在起步階段，核電發(fā)展緩慢，所以傳統(tǒng)上形成了北方采煤、長距離運輸?shù)綎|部、南部地區(qū)發(fā)電的應用格局，給本來就很緊張的運輸業(yè)增加了巨大壓力，迫切需要實施除輸煤以外的其它能源運輸方式。與之相應的是，煤炭資源開發(fā)集約化程度不高。由于沒有實施對煤炭資源的集約開發(fā)，煤炭行業(yè)發(fā)展粗放，煤礦“小、散、亂”，產業(yè)集中度低，清潔化利用差，導致能源生產、轉換、輸送和使用環(huán)節(jié)嚴重浪費資源、破壞生態(tài)、污染環(huán)境，經(jīng)濟性和安全性不高，迫切需要開展煤炭資源的集中開采和集約使用。

1電網(wǎng)經(jīng)濟性分析研究現(xiàn)狀

在過去，中國電力市場由于處于嚴格的監(jiān)管體制下，一直按照計劃經(jīng)濟的模式運行和發(fā)展，忽視電網(wǎng)運行的經(jīng)濟效益。21世紀初，隨著傳統(tǒng)的計劃經(jīng)濟體制向市場經(jīng)濟體制轉型，人們越來越重視電網(wǎng)運行的經(jīng)濟效益。增加電網(wǎng)安全性的投資可以按照私有產品處理，在財務框架下進行評價。對電網(wǎng)項目投資面臨的不確定性進行了研究，將實物期權的方法引入到電網(wǎng)項目投資的經(jīng)濟性評價中。另外，也有相關文章研究電網(wǎng)中某些技術應用的經(jīng)濟性。對于利用儲能系統(tǒng)提高風電的調度入網(wǎng)規(guī)模的經(jīng)濟性做出評估。對于電廠中CO：的捕集技術運用經(jīng)濟學成本分析的方法做出經(jīng)濟性評價，為實際應用提供理論依據(jù)。估算未來輸電線路的流量，分析該線路的經(jīng)濟效益，為電網(wǎng)規(guī)劃人員評價方案的經(jīng)濟性提供決策依據(jù)。這些文章大多針對電網(wǎng)某一方面進行研究，對于電網(wǎng)運行經(jīng)濟性分析的文章目前還較少，僅有一些研究電網(wǎng)的經(jīng)濟調度，考慮發(fā)、輸、配、用電各環(huán)節(jié)，針對電廠、電網(wǎng)、用戶3個獨立主體，分別建立經(jīng)濟運行的目標函數(shù)，然后簡單累加構建大電網(wǎng)一體化經(jīng)濟運行的最優(yōu)模型。而對于實際電網(wǎng)，在某一運行方式下，人們更關心的是它的運行效率，則需要對其運行的經(jīng)濟性做出合理的評價。分析電網(wǎng)設備的使用情況，如變壓器的利用率，從資產的經(jīng)濟性方面出發(fā)提出經(jīng)濟性評價指標體系，為運行經(jīng)濟性評價作好充足準備。對于配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行做了詳細分析，建立了合理的配電網(wǎng)經(jīng)濟運行評價指標體系，采用模糊綜合評價方法評價其運行的經(jīng)濟性。

2電網(wǎng)經(jīng)濟性與安全性的精益化協(xié)調方法

2.1電網(wǎng)對購電行為開放性的評估指標

由于機組電價的差異，電網(wǎng)的購電行為對于協(xié)調曲線的走勢有較大影響。由上節(jié)中對協(xié)調成本的分析可知：當E值較為接近Emax時，電網(wǎng)的安全裕度較大，E值的減小對其購電成本影響很小甚至無影響，在協(xié)調曲線圖中表現(xiàn)為曲線右端變化較為平緩。當E值繼續(xù)減小，E值的改變將對購電成本形成緊約束，購電成本將隨著E值的減小急劇增加。協(xié)調曲線的右端曲線為平緩區(qū)域。這段平緩區(qū)域即為協(xié)調成本變化較小的區(qū)域，表示可以用較小的經(jīng)濟代價換取較大的電網(wǎng)安全裕度。在這種情況下，電網(wǎng)調度運行應采用保守的安全策略。因此，對該平緩區(qū)域的量化至關重要。本文提出了計算協(xié)調曲線閾值點的近似算法：1）計算協(xié)調曲線的近似協(xié)調成本。假設協(xié)調曲線由E變量取一系列等步長為λ的數(shù)值點繪制而成。根據(jù)式可知，協(xié)調曲線上某點的協(xié)調成本為該點的切線值的負數(shù)，但由于各點的切線無法直接獲得，在本文中用該點及與之左右相鄰兩點的最小二乘線性擬合直線的斜率代替（右端點擬合時選取一個相鄰點）。從協(xié)調曲線右端點開始，從右向左計算。2）計算近似協(xié)調成本的變化率。同樣，由于近似協(xié)調成本是一系列的數(shù)值點，無法解析計算。在本文中，某點近似協(xié)調成本的變化率為該點近似協(xié)調成本和其左側相鄰點近似協(xié)調成本組成直線的斜率。從右向左計算。近似協(xié)調成本變化率的計算方法為兩相鄰點的斜率差與步長的比值。3）當近似協(xié)調成本的變化率達到預設的閾值時，可認為該點為協(xié)調曲線的閾值點。

2.2考慮經(jīng)濟性的電網(wǎng)規(guī)劃模型

傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃是為了滿足電力需求的發(fā)展，在確保安全可靠地將電力輸送到用戶的前提下，確定使電網(wǎng)的經(jīng)濟費用最小的電網(wǎng)接線方案。考慮經(jīng)濟性的電網(wǎng)規(guī)劃模型又稱為確定性模型，這種模型對安全、可靠性問題采用后續(xù)驗證的方法，將“N”或“N-1"準則作為約束條件之一。根據(jù)對電網(wǎng)規(guī)劃目標函數(shù)的描述不同，經(jīng)濟性模型可分為運輸模型和最小費用模型。運輸模型以線路到各負荷點的負荷矩總和為目標函數(shù)，以線路功率作為變量，認為負荷矩總和最小的接線方案是最優(yōu)的。此外，以節(jié)點功率平衡、線路功率平衡及發(fā)電機有功無功出力為約束條件。由于線路功率是一連續(xù)變量，該模型下的電網(wǎng)規(guī)劃可看作一個線性規(guī)劃問題。對于小規(guī)模電網(wǎng)，由于避免了處理離散變量的困難，運輸模型求解變得簡單、快速。但隨著電網(wǎng)規(guī)模的增大，運輸模型的計算量也會成倍增長。因此，運輸模型不適用于大規(guī)模電網(wǎng)規(guī)劃的經(jīng)濟模型求解問題。

2.3調度效益的評估指標

電網(wǎng)的實際運行會因為諸如負荷預測偏差、潮流計算偏差、調度人員的人工決策偏差等因素與調度計劃產生偏離。在協(xié)調曲線圖中，表現(xiàn)為電網(wǎng)運行點位于協(xié)調曲線的右上側。也就是說，電網(wǎng)并非運行在最佳運行點。當前運行點和最優(yōu)運行點之間的偏差可以作為對調度工作效益的一個評判標準。美國PJM電力市場提出“理想調度”（perfectdispatch）的概念，追求電網(wǎng)實際運行點與調度計劃的最優(yōu)運行點盡量接近，并且分析實際運行點和計劃最優(yōu)運行點的偏差的成本，每半年形成一次匯總報告。

結語

電網(wǎng)互聯(lián)的發(fā)展使電力系統(tǒng)逐漸發(fā)展成為超大規(guī)模的高維復雜的非線性系統(tǒng)，在新環(huán)境下電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)“高電壓、大機組、遠距離輸電”的發(fā)展趨勢，電力系統(tǒng)的新特點使得電網(wǎng)調度運行中安全性和經(jīng)濟性問題的沖突日益凸顯。為了保證互聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定與經(jīng)濟優(yōu)質運行，有必要對互聯(lián)電網(wǎng)在不同運行情況下的經(jīng)濟性和安全性做出合理評估，為運行人員采取合理的調度和控制措施提供合理的決策支持。

參考文獻

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