新能源消納背景下電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃研究

王忠飛，彭婧，劉星宏

（1.國網(wǎng)蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅 蘭州 730050）

新能源消納背景下，由于新能源波動性和不確定性高的特點(diǎn)，導(dǎo)致棄風(fēng)和棄光現(xiàn)象屢次發(fā)生，本地消納能力不足的問題也已日漸顯露出來。由此可見，基于新能源消納背景下，必然會為電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃帶來全新的挑戰(zhàn)，其中，抑制反調(diào)峰和大波動是電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃重點(diǎn)需要解決的問題。電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃指的就是在各地電網(wǎng)之間建立一個互聯(lián)通道，通過協(xié)調(diào)發(fā)電、輸電、用電，提高新能源的消納能力。在我國，針對電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃研究已經(jīng)不是首次提出，早已有學(xué)者通過高載能負(fù)荷參與消納新能源，提高電網(wǎng)的靈活性，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃。但傳統(tǒng)規(guī)劃得到的電網(wǎng)互聯(lián)通道由于缺少對新能源消納能力的定量預(yù)評估，導(dǎo)致其規(guī)劃在經(jīng)濟(jì)調(diào)度以及風(fēng)險決策方面尚有不足。因此，針對新能源消納背景下電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃研究是具有現(xiàn)實(shí)意義的，能夠?yàn)樘岣唠娋W(wǎng)新能源消納能力提供理論支持。

1 新能源消納背景

基于新能源消納背景下，主要呈現(xiàn)出的特征為棄風(fēng)棄光率較高，但造成此現(xiàn)象的原因不能簡單總結(jié)為某個因素，可以概括為以下3點(diǎn)，分別為新能源裝機(jī)與負(fù)荷呈逆向分布、靈活調(diào)節(jié)電源占比低以及電網(wǎng)跨區(qū)外送能力較差。針對上述新能源消納背景特征因素的詳細(xì)分析內(nèi)容，詳見下文。

（1）新能源裝機(jī)與負(fù)荷呈逆向分布。在新能源消納背景下，新能源裝機(jī)覆蓋率高，能夠達(dá)到全國占比的70%以上，其中部分地區(qū)的新能源滲透率可達(dá)100%，包括新疆、甘肅以及寧夏等地區(qū)。但就負(fù)荷而言，上述地區(qū)的負(fù)荷在全國占比不到1/3。因此，可以看出新能源裝機(jī)與負(fù)荷之間為負(fù)增長關(guān)系，呈逆向分布。

（2）靈活調(diào)節(jié)電源占比低。相比于新能源裝機(jī)，靈活調(diào)節(jié)電源占比低，新疆、甘肅以及寧夏等地區(qū)靈活調(diào)節(jié)電源僅為新能源裝機(jī)的1/7，且調(diào)峰能力差，經(jīng)常出現(xiàn)反調(diào)峰和大波動的現(xiàn)象。

（3）電網(wǎng)跨區(qū)外送能力較差。除上述特點(diǎn)外，以新疆、甘肅以及寧夏地區(qū)為例，截至2020年年底，上述地區(qū)新能源裝機(jī)可達(dá)90GW，但電網(wǎng)跨區(qū)外送能力僅能夠達(dá)到18.5 GW，難以滿足電網(wǎng)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，致使我國新能源消納問題日益嚴(yán)重。

2 新能源消納背景下電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃

在明確新能源消納背景下的基本特征后，本文從三個方面入手展開電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃，主要規(guī)劃工作內(nèi)容，如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃工作內(nèi)容

結(jié)合圖1所示，針對上述3點(diǎn)規(guī)劃工作內(nèi)容，細(xì)分為4步規(guī)劃流程，分別為：采用電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域通道規(guī)劃最優(yōu)組合以及線路拓?fù)?，?shí)現(xiàn)新能源的外送通道容量規(guī)劃；考慮新能源接入的電網(wǎng)互聯(lián)通道優(yōu)化規(guī)劃，確定風(fēng)電——負(fù)荷匹配度指標(biāo)；面向新能源消納的電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃。其具體內(nèi)容，如下文所述。

（1）確定電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域通道規(guī)劃最優(yōu)組合。在電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃過程中，必須基于新能源消納背景，確定電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域通道規(guī)劃最優(yōu)組合。本文采用雙層規(guī)劃模型，在考慮靈活性、經(jīng)濟(jì)調(diào)度以及風(fēng)險決策的情況下，參與電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域通道規(guī)劃決策。

式中，Δ指的是風(fēng)電區(qū)域拓?fù)?；δ指的是?fù)荷區(qū)域拓?fù)?；λ指的是并網(wǎng)比例矩陣。通過公式（1），得到上層模型的電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域通道規(guī)劃最優(yōu)組合。

設(shè)下層模型的目標(biāo)函數(shù)為maxΛ，如式（2）所示。

式中，P指的是節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j聯(lián)絡(luò)線規(guī)劃的傳輸功率；U指的是電壓等級；N指的是0-1決策變量；α指的是單回線路的條數(shù)；β指的是雙回線路的條數(shù)。通過公式（2），得到下層模型的電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域通道規(guī)劃最優(yōu)組合。

確定目標(biāo)函數(shù)后，可以看出上下兩級的決策變量之間存在一定的約束關(guān)系。本文以電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域通道線路最大傳輸容量為雙層規(guī)劃模型的約束條件，設(shè)其計算表達(dá)式為ijP，則有公式（3）

結(jié)合公式（3）所示，下層模型需要基于上層模型確定連通區(qū)域的拓?fù)洳呗?。上層模型的目?biāo)函數(shù)表體現(xiàn)了互聯(lián)通道對互聯(lián)區(qū)域新能源消費(fèi)能力的最大提升功能，主要由不同區(qū)域的電源特性組合和操作同時確定規(guī)劃運(yùn)行模式下的下層最優(yōu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)應(yīng)符合要求。下層模型的目標(biāo)函數(shù)表示上層模型中互聯(lián)通道的最大凈收益由區(qū)域組決定根據(jù)組合模式和操作模式，進(jìn)一步確定以下模式最佳線路拓?fù)浜鸵?guī)劃參數(shù)。

（2）電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃線路拓?fù)?。在確定電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域通道規(guī)劃最優(yōu)組合的基礎(chǔ)上，為了提升電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域通道規(guī)劃的靈活性，首先，將電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域通道規(guī)劃中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分成空間性數(shù)據(jù)集合和非空間性數(shù)據(jù)集合兩種，同時，采用設(shè)置空間坐標(biāo)軸的方式對規(guī)劃中產(chǎn)生的大批量空間數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時定位。其次，采用建立數(shù)據(jù)集映射關(guān)系的方式，將多種數(shù)據(jù)集合之間建立一定的關(guān)聯(lián)性，確保輸出數(shù)據(jù)的一致性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合上述模型框架中提供的信息數(shù)據(jù)，可采用設(shè)置分點(diǎn)、分線的方式進(jìn)行空間外的建模，并對其規(guī)劃線路拓?fù)湟剡M(jìn)行實(shí)時的動態(tài)化聯(lián)系。除此之外，采用建立出線點(diǎn)的方式，對電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃線路中內(nèi)部開關(guān)方式進(jìn)行邏輯關(guān)系的調(diào)整，依照空間中收集的多種地理屬性數(shù)值，對參與實(shí)際的數(shù)值進(jìn)行派生分類。最后，在模型線裝母線上進(jìn)行內(nèi)部開關(guān)線、連接線等簡單必要元素的劃分，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃線路拓?fù)洹?/p>

（3）風(fēng)電——負(fù)荷匹配度指標(biāo)。完成電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃線路拓?fù)浜?，為解決新能源消納背景下新能源裝機(jī)與負(fù)荷呈逆向分布的問題，設(shè)定風(fēng)電——負(fù)荷匹配度指標(biāo)。本文通過定義互聯(lián)區(qū)域總電力負(fù)荷時間序列的方式，確定風(fēng)電——負(fù)荷匹配度指標(biāo)，用于代表該互聯(lián)區(qū)域的消納水平。設(shè)其計算公式為TP，如下所示。

式中，T表示為時間斷面；t表示為時間斷面的電力負(fù)荷；N表示為時間斷面的風(fēng)電出力；n表示為廣義電力負(fù)荷。通過公式（4），得出風(fēng)電——負(fù)荷匹配度指標(biāo)。

（4）實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃。以上述計算得出的風(fēng)電——負(fù)荷匹配度指標(biāo)為依據(jù)，計算電網(wǎng)跨區(qū)外送能力。計算公式如下所示。

式中，H表示為聯(lián)絡(luò)線長度；h表示為各電壓等級輸電線路的單位電阻。通過公式（5），得出電網(wǎng)跨區(qū)外送能力，在保證Q＞80%時，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃。通過整個規(guī)劃迭代過程中，上層模型迭代調(diào)整組網(wǎng)區(qū)域組合和運(yùn)行方式，下層模型迭代計算最優(yōu)解電路拓?fù)浜蛥?shù)，在有限的迭代次數(shù)內(nèi)可以達(dá)到一定的精度，從而滿足一定條件下新能源給定的互聯(lián)通道規(guī)劃方案的最大水平。

3 結(jié)語

通過上述研究，能夠證明新能源消納背景下電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃研究的必要性。本文提出的規(guī)劃研究中，主要側(cè)重點(diǎn)在于確定電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域通道規(guī)劃最優(yōu)組合，通過規(guī)劃最優(yōu)組合，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電——負(fù)荷匹配，進(jìn)而提高電網(wǎng)新能源消納能力，杜絕棄風(fēng)和棄光現(xiàn)象。但本文研究仍存在不足之處，主要表現(xiàn)為未設(shè)計實(shí)例分析，將本文設(shè)計的規(guī)劃方法應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)中，進(jìn)一步證明研究的可行性，上述內(nèi)容在未來電網(wǎng)互聯(lián)通道規(guī)劃研究中可以作為重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充說明。