計及新能源消納的多級調(diào)度計劃協(xié)調(diào)決策方法

張國芳，楊小磊，孫永超

(1.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041;2.國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司，四川 成都 610041；3.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

近年來，風(fēng)電與光伏等新能源因成本低、無污染且開發(fā)潛力大的特點，得到快速發(fā)展，但風(fēng)光的不確定性嚴(yán)重制約著消納能力。為了盡可能提升風(fēng)光消納水平，國家出臺促進(jìn)新能源跨省跨區(qū)消納的相關(guān)政策。國網(wǎng)總部倡導(dǎo)打破省間電力市場壁壘，鼓勵風(fēng)電企業(yè)直接參與跨區(qū)外送電交易，為新能源拓展區(qū)外消納空間。

在特高壓網(wǎng)架和直流輸電的保證下，大區(qū)及省間聯(lián)絡(luò)線輸電能力顯著提升，可有助于提高跨區(qū)域新能源消納水平，但對聯(lián)絡(luò)線計劃編制的合理性提出了更高的要求。目前中國多級調(diào)度計劃編制模式是“自上而下”，國分調(diào)的聯(lián)絡(luò)線計劃編制主要基于電力交易[2]，與電網(wǎng)運行處于松耦合狀態(tài)，可能因為不滿足省網(wǎng)約束而需要反復(fù)迭代修改，也有可能發(fā)生斷面利用率較低、棄風(fēng)棄光等情況，使得人員工作強(qiáng)度不斷增加，并存在錯漏隱患。

目前針對大電網(wǎng)的調(diào)度計劃方法研究，多集中于建模和算法上[3-6]，而針對模式和流程復(fù)雜度的關(guān)注較少。國外大多數(shù)電網(wǎng)的調(diào)度控制區(qū)相互獨立，少有上下級關(guān)系，因此缺乏跨區(qū)協(xié)調(diào)的參考實例[7-9]。國內(nèi)針對中國調(diào)度模式的計劃編制方法研究有一些相關(guān)報道。文獻(xiàn)[10-11]提出了基于由國分調(diào)進(jìn)行全網(wǎng)統(tǒng)籌的安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法，從而解決多級調(diào)度計劃協(xié)調(diào)的問題。但存在以下問題：一方面，省調(diào)需增加計算運力，減少國分調(diào)計算量，否則對國分調(diào)壓力較大；另一方面，各省由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電源類型不同在調(diào)度模式及優(yōu)化目標(biāo)等多方面存在差異，很難構(gòu)建省間統(tǒng)一模型，模型無法滿足各省個性化需求。文獻(xiàn)[12-14]在兼顧現(xiàn)有國(分)、省兩級調(diào)度模式的基礎(chǔ)上，提出了以直流聯(lián)絡(luò)線功率為協(xié)調(diào)變量，區(qū)內(nèi)優(yōu)化、跨區(qū)協(xié)調(diào)的互聯(lián)電網(wǎng)發(fā)輸電計劃方法，符合中國電網(wǎng)分層分區(qū)的調(diào)度模式，并有助于提高新能源的消納能力。但這些方案通過國分調(diào)協(xié)調(diào)主問題和省內(nèi)優(yōu)化調(diào)度子問題的聯(lián)合求解來實現(xiàn)，兩級調(diào)度之間必然需要多次迭代調(diào)整才能形成最終方案，忽視了實際電網(wǎng)中多級調(diào)度間計劃編制流轉(zhuǎn)的人工和時間成本?？傮w來說，目前尚缺乏考慮新能源消納的高效調(diào)度計劃協(xié)調(diào)方法的研究。

為解決上述問題，下面結(jié)合新能源發(fā)電特點以及跨區(qū)新能源消納亟需解決的實際需求[15-16]，將新能源的調(diào)度加入跨區(qū)調(diào)度計劃編制中，通過多級計劃編制流程現(xiàn)狀分析，提出了一種多級調(diào)度計劃協(xié)調(diào)優(yōu)化方案，建立了考慮聯(lián)絡(luò)線運行特性約束的省網(wǎng)外送和受入的極限能力分析模型。通過極限能力邊界條件編制滿足省網(wǎng)約束的聯(lián)絡(luò)線計劃，可以避免流程上的反復(fù)迭代，有效提升調(diào)度計劃多級協(xié)調(diào)效率和計劃編制能力，并能適應(yīng)當(dāng)前實際電網(wǎng)的信息化和自動化水平。通過實際電網(wǎng)算例，證明了所提建模方法的正確性與有效性。

1 多級調(diào)度計劃編制現(xiàn)狀分析

在中國，國調(diào)和分中心編制區(qū)間和省間聯(lián)絡(luò)線計劃，而省級調(diào)度編制省內(nèi)機(jī)組計劃，具體流程是“自上而下”：首先，國調(diào)編制區(qū)域聯(lián)絡(luò)線計劃及直流送出計劃，并將計劃下發(fā)給各分中心；然后，分中心制定省間聯(lián)絡(luò)線計劃；最后，省調(diào)將下發(fā)的聯(lián)絡(luò)線計劃作為邊界，依托安全約束機(jī)組組合/經(jīng)濟(jì)調(diào)度技術(shù)編制省內(nèi)發(fā)電計劃。

在國、分、省調(diào)度計劃中，需要協(xié)調(diào)的原因在于省調(diào)計劃依賴于國分調(diào)的跨區(qū)跨省聯(lián)絡(luò)線計劃。目前聯(lián)絡(luò)線計劃主要基于各類電力交易開展，一般采用將多個交易進(jìn)行成分疊加的方法。這種聯(lián)絡(luò)線計劃模式的主要優(yōu)點是計劃條理清晰、易于計算、方便統(tǒng)計等。但是該模式的缺點同樣也顯而易見，即較少考慮省內(nèi)電網(wǎng)約束。當(dāng)聯(lián)絡(luò)線計劃不滿足省內(nèi)電力平衡或電網(wǎng)潮流約束時，這種來回的迭代就不可避免地形成了。

過去由于電網(wǎng)互聯(lián)程度不高，多級調(diào)度計劃編制和迭代修改都較為簡單且耗時短，并未引起過多關(guān)注。然而新形勢下的能源、電網(wǎng)格局，對現(xiàn)有各省平衡、各級調(diào)度松耦合的現(xiàn)有調(diào)度計劃業(yè)務(wù)模式提出了新的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在：

1)計劃編制時間。隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜以及集中式新能源通過聯(lián)絡(luò)線輸送需求的迅速增加，國、分、省各級調(diào)度計劃編制需要考慮的約束越來越多，涉及清潔能源消納需求、交易電量計劃、直流線路運行方式、各分區(qū)功率平衡、供熱、環(huán)保等，計劃編制所需要的時間也在不斷增加。按照目前國內(nèi)調(diào)度中心的編制效率，國分和省間迭代一次至少需要1 h，如果迭代3次，則發(fā)電計劃協(xié)調(diào)編制時間將達(dá)到3 h以上。

2)信息交互傳輸。由于各地電源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和調(diào)度運行規(guī)則各異，各級調(diào)度間和同級調(diào)度間的約束差異較大。各級調(diào)度間難以實現(xiàn)大量的約束信息自動化共享和交流，基本上只能依靠電話交流、人工檢查和設(shè)置。約束沖突協(xié)調(diào)復(fù)雜，影響計劃編制協(xié)調(diào)效率。

3)計劃流轉(zhuǎn)修改難度。聯(lián)絡(luò)線計劃涉及多個省網(wǎng)，送端電網(wǎng)計劃與受端電網(wǎng)計劃經(jīng)由國、分計劃形成高度耦合，送受端的電網(wǎng)約束易形成“蹺蹺板”現(xiàn)象，即聯(lián)絡(luò)線計劃在滿足一端電網(wǎng)約束后卻不能滿足另一端電網(wǎng)約束。不同省網(wǎng)約束沖突的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)難度不斷增加，尤其在電網(wǎng)輸送能力緊張或電力平衡困難時，計劃編制修改難度更大。

2 多級調(diào)度計劃協(xié)調(diào)優(yōu)化方案

由上述分析可知，造成多級調(diào)度計劃反復(fù)迭代修改的原因是國分調(diào)在編制聯(lián)絡(luò)線計劃時缺少合理的計劃邊界以滿足下級電網(wǎng)約束。為解決此問題，應(yīng)采用“自下而上”的計劃編制模式，即省調(diào)通過分析電力電量平衡情況為國、分調(diào)提供自身外送或受入的能力，國、分調(diào)可以通過集中分析實現(xiàn)整體優(yōu)化，形成“分散優(yōu)化，集中協(xié)調(diào)”[1]的調(diào)度模式。

另外，考慮到國調(diào)和分中心的主營業(yè)務(wù)均為聯(lián)絡(luò)線計劃編制，所不同的是前者編制區(qū)域聯(lián)絡(luò)線計劃，后者編制省間聯(lián)絡(luò)線計劃，但歸根結(jié)底均為聯(lián)絡(luò)線計劃。因此，可將國、分、省三級調(diào)度計劃分為國分、省兩級協(xié)調(diào)優(yōu)化業(yè)務(wù)模式。

所提出的方案具體流程如下：

1)各省調(diào)將聯(lián)絡(luò)線計劃作為可調(diào)的決策變量、新能源棄電作為懲罰因子進(jìn)行安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度程序(security constrained economic dispatch，SCED)計算，求解的關(guān)鍵不在于給出機(jī)組的計劃，而在于給出聯(lián)絡(luò)線計劃編制的邊界條件。

2)將各個省級的邊界條件上傳至國分調(diào)，國(分)調(diào)根據(jù)省調(diào)上傳的邊界條件，調(diào)用聯(lián)絡(luò)線計劃優(yōu)化分析模塊，編制聯(lián)絡(luò)線計劃。

3)優(yōu)化后的聯(lián)絡(luò)線計劃下發(fā)至各省調(diào)，省調(diào)基于聯(lián)絡(luò)線計劃進(jìn)行省內(nèi)計劃編制。

多級調(diào)度計劃協(xié)調(diào)優(yōu)化流程如圖1所示。

圖1 多級調(diào)度計劃協(xié)調(diào)優(yōu)化流程

所提模式的優(yōu)點如下：

1)僅增加了省調(diào)分析和上報聯(lián)絡(luò)線邊界條件的環(huán)節(jié)，而避免了多級間迭代。如果省調(diào)SCED的計算時間為0，按照第1章的編制時間分析，整體協(xié)調(diào)編制計劃的時間可在1.5 h完成，保證了多級計劃編制的效率。

2)國(分)調(diào)與省調(diào)之間交互的信息僅為聯(lián)絡(luò)線功率和邊界信息，協(xié)調(diào)過程中的數(shù)據(jù)格式簡單統(tǒng)一、交換量小，有效減少人工檢查和操作的工作量。

3)國(分)調(diào)在生成、更新聯(lián)絡(luò)線功率計劃時，同時掌握了各個省調(diào)的關(guān)鍵邊界信息，有效確保了計算結(jié)果全局收斂性，避免了傳統(tǒng)方法反饋單一信息的振蕩問題。

3 省網(wǎng)外送/受入極限能力分析模型

在所提方案流程的步驟1中，省調(diào)計劃邊界的提取是將聯(lián)絡(luò)線計劃作為因變量，新能源棄電作為懲罰因子，建立省網(wǎng)外送/受入極限能力分析模型以求解聯(lián)絡(luò)線的邊界范圍。

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

使用SCED安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。在傳統(tǒng)求解過程中將省間聯(lián)絡(luò)線計劃作為邊界，疊加系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測，形成省內(nèi)機(jī)組出力總需求。而在省網(wǎng)外送/受入極限能力分析模型中，聯(lián)絡(luò)線計劃作為因變量，等值為發(fā)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，另外新能源棄電作為懲罰因子，即可求得使自身處于最優(yōu)運行狀態(tài)的聯(lián)絡(luò)線計劃。

模型優(yōu)化目標(biāo)為計劃周期內(nèi)全部機(jī)組的運行成本最小、新能源棄電成本最小。設(shè)置懲罰因子后相加，進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。

(1)

式中：T為總時段數(shù)；N為機(jī)組總數(shù)；C(pi,t)為機(jī)組i在時段t的發(fā)電成本；pi,t為機(jī)組i在時刻t的出力；Nl為聯(lián)絡(luò)線總數(shù)；C(pl,t)為聯(lián)絡(luò)線l在時段t的等值發(fā)電成本；pl,t為聯(lián)絡(luò)線l在時刻t的出力；C(pw,t)為新能源棄電成本；λ為新能源棄電情況下的懲罰系數(shù)。

聯(lián)絡(luò)線等值機(jī)的成本曲線C(pl,t)用極大、極小成本。極大、極小成本雖不存在，但代表了省內(nèi)外送和受入的極限能力。

3.2 約束構(gòu)建

1)聯(lián)絡(luò)線功率約束

聯(lián)絡(luò)線等值機(jī)單個機(jī)組的上下限來源于線路的熱穩(wěn)定限額；對于等值機(jī)組合而成的聯(lián)絡(luò)線斷面，需要滿足斷面限額約束。

(2)

式中，pc,t,u、pc,t,d分別為在電網(wǎng)運行方式中，聯(lián)絡(luò)線斷面在時刻t的上、下限額。

在實際調(diào)度運行中，跨區(qū)、跨省大范圍的聯(lián)絡(luò)線計劃無需過多考慮兩側(cè)電網(wǎng)調(diào)頻需求和功率波動，尤其是直流聯(lián)絡(luò)線需要考慮控制運行的可靠性和設(shè)備壽命，因此部分聯(lián)絡(luò)線計劃可能需要考慮出力保持約束。

(3)

式中，tn為出力保持的持續(xù)時段數(shù)，可根據(jù)需求設(shè)定。

2)系統(tǒng)平衡約束

液體飼料配方設(shè)計中，受副產(chǎn)品中的水分和鹽含量影響，干物質(zhì)采食量成為液體飼喂模式的第一限制因子，合適的水料比、多餐飼喂和飲水設(shè)計顯得非常重要[2]（見表1）。由于物料形態(tài)不同，在水的介導(dǎo)下，一些物料的營養(yǎng)價值發(fā)生改變。Perez等[6]研究表明，玉米胚芽粕和玉米麩在添加玉米漿后，代謝能分別提高17%和12%，且總能、干物質(zhì)、N、鈣、磷的消化率提高。在生長育肥階段，賴氨酸能量比每天略為降低，成本利益將增加。高權(quán)新[7]研究結(jié)果顯示，隨著浸泡時間的增加，發(fā)酵液體飼料中的植酸降解率大幅度提高。仔豬、生長豬和育肥豬液體飼料總磷為0.6%、0.47%、0.39%時生產(chǎn)性能不受影響。

(4)

式中，Pload,t為時刻t的系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測值。

3)機(jī)組出力約束

機(jī)組出力約束包括機(jī)組出力約束、限值約束、爬坡約束。

(5)

4)機(jī)組電量和出力約束

(6)

式中：Pi,t,down、Pi,t,up分別為機(jī)組i建議電力下限和上限；Qi,down、Qi,up分別為機(jī)組i全天建議電量下限和上限。

5)網(wǎng)絡(luò)潮流約束

(7)

式中：Gl,i為機(jī)組i對支路l的分布因子；Gl,j為負(fù)荷j對支路l的分布因子；Fl,max、Fl,min分別為支路l潮流上、下限。

4 各級調(diào)度計劃優(yōu)化模型

4.1 國(分)調(diào)度計劃優(yōu)化模型

在以上流程的步驟2中，國(分)調(diào)編制的跨區(qū)跨省聯(lián)絡(luò)線計劃由多項交易成分組成，根據(jù)交易申請得知該時刻的交易電力，為避免不必要的交易調(diào)整，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為交易調(diào)整量最小。

(8)

式中：pm,t,2為聯(lián)絡(luò)線斷面m在時刻t的優(yōu)化值；pm,t,1為聯(lián)絡(luò)線斷面m在時刻t的建議電力值；pe,t,2為交易成分e在時刻t的優(yōu)化值；pe,t,1為交易成分e在時刻t的建議電力值；M為聯(lián)絡(luò)線數(shù)量；E為交易成分?jǐn)?shù)量；σe為交易成分e的調(diào)整代價系數(shù)，用于控制不同交易調(diào)整順序。

在聯(lián)絡(luò)線功率約束方面，除式(2)以外，增加考慮各省上報的外送/受入極限能力約束。

pm,t,d≤pm,t,2≤pm,t,u

(9)

式中，pm,t,u、pm,t,d分別為省級聯(lián)絡(luò)線斷面m在時刻t的功率上、下限，由省調(diào)上傳獲得。

在電力交易中，通常各類交易都有明確的交易電力和電量要求，因此必須考慮交易成分的電力和電量約束。

pe,t,d≤pe,t,2≤pe,t,u

(10)

(11)

式中：pe,t,u、pe,t,d分別為交易成分e的電力可調(diào)節(jié)上、下限；βe,u、βe,d分別為交易成分e的電量約束上、下限。

4.2 省級調(diào)度計劃優(yōu)化模型

在以上流程的步驟3中，聯(lián)絡(luò)線計劃確定以后，省級進(jìn)行調(diào)度計劃編制，同樣加入新能源棄電懲罰，優(yōu)化目標(biāo)為

(12)

約束條件不需要考慮聯(lián)絡(luò)線功率約束，直接使用國(分)調(diào)下發(fā)值，其他約束與第3.2節(jié)的式(4)—式(7)相同。

5 算例分析

采用處于同一分調(diào)的兩相鄰省級電網(wǎng)典型日數(shù)據(jù)為實際算例進(jìn)行計算，驗證所提出的有新能源接入的多級調(diào)度計劃優(yōu)化模型。送端省份新能源發(fā)電比例大，風(fēng)電大發(fā)時需要外送；受端省份工業(yè)負(fù)荷比例較小而負(fù)荷受氣候影響較大。這里只考慮兩省間的聯(lián)絡(luò)線斷面，聯(lián)絡(luò)線斷面由4條交流聯(lián)絡(luò)線組成，限額為4000 MW。

5.1 受端省網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線邊界分析

以聯(lián)絡(luò)線為決策變量，圖2給出了基于實際運行數(shù)據(jù)，在不同聯(lián)絡(luò)線成本下計算得到的購電省份4條最優(yōu)聯(lián)絡(luò)線計劃曲線。

從圖2可知，在不考慮新開機(jī)和新停機(jī)的情況下，即便以50元/MW價格度量聯(lián)絡(luò)線購電成本，由于低谷調(diào)峰需求，仍無法按照聯(lián)絡(luò)線限額進(jìn)行購電，換而言之，聯(lián)絡(luò)線計劃在低谷時段最多只能購入近2200 MW功率；而高峰時期，即使較大代價也需要從外購電，換而言之，聯(lián)絡(luò)線計劃在高峰時段，至少需要購入近1000 MW功率。這些最優(yōu)聯(lián)絡(luò)線計劃真實地體現(xiàn)了該省在不考慮機(jī)組組合情況下的調(diào)峰需求。

圖2 不同購電成本下的最優(yōu)聯(lián)絡(luò)線計劃曲線

5.2 送端省網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線邊界分析

圖3給出了基于實際運行數(shù)據(jù)，在不同聯(lián)絡(luò)線成本下測算得到的售電省份4條最優(yōu)聯(lián)絡(luò)線需求。

從圖3可知，該省為提高風(fēng)電消納能力，在負(fù)荷低谷時段需加大省間外送量，凌晨3:00達(dá)到外送峰值1250 MW，夜間自19:45起同樣有外送需求。日間峰段、平段由于本省負(fù)荷增長，省間消納需求降低，嚴(yán)重時更有可能限電。這也符合實際調(diào)度情況。

圖3 售電省份最優(yōu)聯(lián)絡(luò)線計劃曲線

5.3 國(分)調(diào)聯(lián)絡(luò)線計劃編制

為了研究省網(wǎng)約束對國(分)調(diào)聯(lián)絡(luò)線計劃編制的影響，進(jìn)行了2個模式對比。

模式1：采用“自上而下”的聯(lián)絡(luò)線計劃編制方法，不考慮下級省網(wǎng)約束，國調(diào)按照省間交易信息拆分聯(lián)絡(luò)線成分，并且重新匯總形成聯(lián)絡(luò)線總計劃。

模式2：采用“自下而上”的聯(lián)絡(luò)線計劃編制方法，在模式1的初始交易計劃的基礎(chǔ)上，增加下級省網(wǎng)安全運行約束，以50元/MW和500元/MW作為成本極大、極小時的聯(lián)絡(luò)線計劃邊界。通過第4.1節(jié)所述方法優(yōu)化聯(lián)絡(luò)線計劃。

模式1和模式2的聯(lián)絡(luò)線功率結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同計劃編制模式下的聯(lián)絡(luò)線功率曲線

5.4 模式對比

從圖4可以看出：模式1不考慮省網(wǎng)約束，在時段18～23的聯(lián)絡(luò)線計劃，超出了購電省份在低谷時段的受入能力，勢必需要再來回調(diào)整計劃，這在新能源大發(fā)時經(jīng)常發(fā)生；模式2考慮了購電和售電的省網(wǎng)約束，自動地對時段18～23的交易成分電量進(jìn)行了調(diào)整，在時段23～45間增加新能源消納量369 MW/h，避免了流程上的反復(fù)流轉(zhuǎn)，同時保證了新能源消納水平。模式2相對于模式1，增加的計算量和數(shù)據(jù)共享量不大，不依賴于電網(wǎng)運行狀態(tài)，避免了反復(fù)迭代，在國(分)調(diào)雖然需要增加聯(lián)絡(luò)線邊界優(yōu)化環(huán)節(jié)，但該環(huán)節(jié)能夠充分考慮各個省網(wǎng)約束，有效提高了計劃編制質(zhì)量。

6 結(jié) 論

上面分析了中國互聯(lián)電網(wǎng)和新能源的快速發(fā)展對現(xiàn)有多級調(diào)度計劃編制模式的影響，提出了基于聯(lián)絡(luò)線邊界分析的“自下而上”多級調(diào)度計劃編制方法。一方面，省調(diào)將關(guān)鍵邊界信息上傳，國(分)調(diào)能夠在充分掌握全網(wǎng)可能會影響到聯(lián)絡(luò)線計劃結(jié)果信息的基礎(chǔ)上對聯(lián)絡(luò)線功率進(jìn)行優(yōu)化；另一方面，由于進(jìn)行了省網(wǎng)大規(guī)模信息的化簡，省調(diào)僅將聯(lián)絡(luò)線關(guān)聯(lián)的邊界信息上傳，數(shù)據(jù)交換量極少，計算效率高，同時又保證了編制計劃的質(zhì)量，避免了流程上的反復(fù)流轉(zhuǎn)。通過實際電網(wǎng)計劃編制算例的驗證，證明了其可行性和合理性，有利于多級調(diào)度計劃協(xié)調(diào)編制工作的有效開展，可以作為建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)過程中跨省跨區(qū)計劃聯(lián)合編制實用化的一種實現(xiàn)方案。