新型電力系統(tǒng)下的調(diào)度智能平衡系統(tǒng)研究

張思遠(yuǎn)，龍高翔，周過海，張嘯宇，劉敦楠，高源

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410004；2.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，華北電力大學(xué)，北京 102206)

0 引言

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵，但新型電力系統(tǒng)的建設(shè)在初期會對現(xiàn)有的調(diào)度實時運行模式造成許多影響[1-2]，諸如新能源裝機比例提高造成的調(diào)峰資源相對不足[3-4]、調(diào)節(jié)靈活性差[5]，眾多的分布式新能源加大了調(diào)度部門的管理難度[6-7]，新的市場規(guī)則對電力調(diào)度人員的執(zhí)行提出了更高的要求[8]，新型電力系統(tǒng)實時調(diào)度運行困難的問題頻頻出現(xiàn)。

湖南電網(wǎng)地處中國腹地，處于電網(wǎng)末端，是典型的受端電網(wǎng)。湖南電網(wǎng)基礎(chǔ)負(fù)荷較低，近年來湖南風(fēng)電、光伏發(fā)展迅猛，預(yù)計未來新能源裝機占比仍將保持快速增長趨勢，這使得湖南新能源裝機增速遠(yuǎn)超電網(wǎng)負(fù)荷自然增長速度。除此之外，湖南80%以上水電調(diào)節(jié)性能較差，而且具有風(fēng)水同期的特性，這不僅導(dǎo)致清潔能源消納困難，還加重了電網(wǎng)低谷調(diào)峰難度，2020年電網(wǎng)最大峰谷差為1 500萬kW，平均峰谷差880萬kW[9]。湖南目前處于工業(yè)化中期階段，預(yù)計近期電力負(fù)荷維持中高速增長，但區(qū)內(nèi)水電資源開發(fā)殆盡，化石發(fā)電增長形勢嚴(yán)峻，新能源開發(fā)總量有限，未來尖峰時段存在電力供應(yīng)緊張的可能性。

得益于近些年需求側(cè)管理機制及源網(wǎng)荷儲互動的發(fā)展，可中斷負(fù)荷[10-12]、電動汽車[13-15]、儲能[16-19]等需求側(cè)資源也逐步參與到電網(wǎng)調(diào)節(jié)，一定程度上緩解了調(diào)峰資源相對不足的問題，但是海量需求側(cè)資源參與電力調(diào)度對現(xiàn)行的調(diào)度自動化系統(tǒng)提出了更高的要求。目前，調(diào)度自動化系統(tǒng)正由傳統(tǒng)的經(jīng)驗型、分析型向精準(zhǔn)型、智能型轉(zhuǎn)變[20]，這將對電網(wǎng)調(diào)度與控制產(chǎn)生重大影響。雖然“統(tǒng)一調(diào)度、分級管理”的調(diào)度原則不會改變，但調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)要適應(yīng)并支持這些變化[21]。面對高比例可再生能源下的電力系統(tǒng)發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者對電力調(diào)度進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[22]圍繞發(fā)電調(diào)度系統(tǒng)，解析超大規(guī)模電站群調(diào)度大數(shù)據(jù)特征及相互關(guān)系，在構(gòu)建發(fā)電調(diào)度平臺架構(gòu)時，融合了水火風(fēng)光等多維度大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了電力大數(shù)據(jù)復(fù)雜發(fā)電調(diào)度系統(tǒng)高效和實用化運行。文獻(xiàn)[23-24]基于智能電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)完成了電力智能調(diào)度監(jiān)控平臺和電網(wǎng)防災(zāi)調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計。文獻(xiàn)[25-26]拓展了分布式實時數(shù)據(jù)在電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用，提高了電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)質(zhì)量。文獻(xiàn)[27-28]指出智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)中傳統(tǒng)的調(diào)度技術(shù)已無法應(yīng)對大規(guī)模新能源并網(wǎng)給電網(wǎng)調(diào)度運行帶來的挑戰(zhàn)，并提出基于多時間尺度的新能源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法，該方法能逐步減少新能源預(yù)測誤差帶來的影響。

上述文獻(xiàn)雖然對需求側(cè)資源及大規(guī)模新能源并網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行了研究，但都只是從單方面角度考慮新型電力系統(tǒng)調(diào)度問題，并沒有將需求側(cè)資源與大規(guī)模分布式新能源一同納入智能調(diào)度系統(tǒng)中。為此，針對湖南電網(wǎng)向新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)展所帶來的實時調(diào)度運行困難的問題，構(gòu)建調(diào)度智能平衡系統(tǒng)，將風(fēng)電、光伏等新能源資源和需求側(cè)資源納入調(diào)峰系統(tǒng)中一定程度解決了調(diào)峰資源不足威脅電網(wǎng)安全性的問題。

該系統(tǒng)主要有以下三大作用:

1)引入超短期新能源和負(fù)荷預(yù)測修正日前計劃偏差，使得調(diào)度員能提前準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)上下備用，在調(diào)峰困難的時候可以充分利用所有調(diào)峰資源對未來趨勢提前進(jìn)行平衡控制；除此之外，在超短期新能源和負(fù)荷預(yù)測基礎(chǔ)上能為日內(nèi)現(xiàn)貨申報提供更科學(xué)的輔助決策。

2)構(gòu)建調(diào)度調(diào)峰資源代價函數(shù)體系，精準(zhǔn)量化各類資源的調(diào)節(jié)能力，實現(xiàn)各類資源的精細(xì)化調(diào)用，促進(jìn)清潔能源消納，同時該體系考慮后續(xù)向電力現(xiàn)貨市場的過渡問題。在電力現(xiàn)貨市場下，只需將各類調(diào)峰資源的代價值替換成電力現(xiàn)貨市場出清電價就能實現(xiàn)智能平衡系統(tǒng)和電力現(xiàn)貨市場的融合。

3)根據(jù)電網(wǎng)運行情況自動調(diào)用各類調(diào)峰資源，保證電網(wǎng)實時平衡，在水電實時備用充足的情況下能大大減少調(diào)度員實時平衡的工作量。

1 湖南調(diào)度智能平衡系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述

湖南調(diào)度智能平衡系統(tǒng)以基于云平臺的全省電網(wǎng)模型和運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建涵蓋全省各類電源發(fā)電數(shù)據(jù)、外來電送湘功率數(shù)據(jù)、全網(wǎng)系統(tǒng)及220 kV母線日內(nèi)負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)、電力市場數(shù)據(jù)的未來態(tài)電網(wǎng)潮流數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)對電網(wǎng)調(diào)度業(yè)務(wù)相關(guān)的海量數(shù)據(jù)價值的挖掘，并結(jié)合穩(wěn)定規(guī)定電子化及在線安全分析校核，實現(xiàn)適應(yīng)電力市場環(huán)境下的電力電量智能平衡分析。

湖南調(diào)度智能平衡系統(tǒng)建設(shè)主要目的是優(yōu)化購電結(jié)構(gòu)、指導(dǎo)現(xiàn)貨交易并提高聯(lián)絡(luò)線控制性能標(biāo)準(zhǔn)(Control Performance Standard，CPS)，調(diào)整合格率。其中優(yōu)化購電結(jié)構(gòu)是在超短期風(fēng)光新能源預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測的基礎(chǔ)上，精準(zhǔn)預(yù)測系統(tǒng)所需的調(diào)節(jié)資源，同時考慮各類調(diào)峰資源特性構(gòu)建調(diào)峰代價函數(shù)，實現(xiàn)未來一段時間內(nèi)的調(diào)節(jié)費用最優(yōu)，同時生成滿足多時間尺度下可收斂的未來態(tài)電網(wǎng)潮流。指導(dǎo)現(xiàn)貨交易是指滾動計算高峰時段系統(tǒng)正備用及低谷時段系統(tǒng)負(fù)備用，同時結(jié)合購電通道相關(guān)穩(wěn)定限額，給出日內(nèi)現(xiàn)貨申報策略，指導(dǎo)調(diào)度員進(jìn)行省間現(xiàn)貨交易決策。提高CPS指標(biāo)合格率是指通過穩(wěn)定限額智能識別及在線安全分析對生成的未來態(tài)電網(wǎng)潮流數(shù)據(jù)進(jìn)行安全校核，實現(xiàn)實時電力的閉環(huán)控制，在可調(diào)備用充足情況下使CPS合格率始終保持100%。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

湖南調(diào)度智能平衡系統(tǒng)基于云平臺的湖南省電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)，構(gòu)建未來4 h、8 h、24 h且可收斂的未來態(tài)電網(wǎng)潮流，并與穩(wěn)定限額智能識別系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。該系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，智能平衡分析系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度決策時，首先根據(jù)可調(diào)節(jié)資源的代價函數(shù)生成未來一段時間內(nèi)調(diào)節(jié)代價最低的日內(nèi)計劃，在更新分機組調(diào)度計劃表后，系統(tǒng)將7大類數(shù)據(jù)表(系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測表、母線負(fù)荷預(yù)測表、聯(lián)絡(luò)線計劃表、輸電斷面限額表、輸電斷面組成元件表、分機組調(diào)度計劃表、設(shè)備停電計劃表)以及其他類的計劃數(shù)據(jù)(市場交易出清結(jié)果、風(fēng)光日內(nèi)功率預(yù)測數(shù)據(jù)等)傳入未來態(tài)潮流計算模塊，生成經(jīng)安全校核后的電網(wǎng)未來態(tài)潮流。若安全校核未通過，將根據(jù)安全校核結(jié)果調(diào)整約束條件，重新生成日內(nèi)計劃進(jìn)行迭代，計算電網(wǎng)未來態(tài)潮流。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

湖南調(diào)度智能平衡系統(tǒng)實時優(yōu)化調(diào)度模塊可實現(xiàn)實時電力電量智能平衡閉環(huán)控制。該模塊基于未來態(tài)潮流圖，建立一套完整、閉環(huán)的邏輯運算程序，實現(xiàn)實時電力的閉環(huán)控制，在可調(diào)備用充足情況下使CPS合格率始終保持100%。其具體控制邏輯如圖2所示，根據(jù)平衡預(yù)警-備用約束-調(diào)度狀況-診斷控制的步驟來進(jìn)行閉環(huán)控制，綜合負(fù)荷預(yù)測偏差、受電計劃偏差、機組出力偏差、出力可調(diào)整容量計算待調(diào)整量，將待調(diào)整量按照負(fù)荷率和均衡率等原則進(jìn)行分配。同時在下發(fā)調(diào)整量時，通過使用負(fù)荷分段識別算法，將各時段分為平穩(wěn)、爬坡、拐點等不同的類型，針對不同的情形使用不同的策略:平穩(wěn)時段策略是保證CPS、實時負(fù)荷率和電量完成均衡率的多目標(biāo)控制策略；爬坡時段策略是準(zhǔn)確預(yù)測趨勢，增加步長，充分挖掘機組調(diào)峰潛力，實現(xiàn)深度調(diào)峰，保證CPS；拐點時段策略是識別拐點，預(yù)測觀點時間，消除機組調(diào)節(jié)慣性，防止反調(diào)節(jié)。

圖2 實時電力電量智能平衡閉環(huán)控制

2 基于調(diào)峰代價函數(shù)的日內(nèi)計劃滾動優(yōu)化

2.1 調(diào)節(jié)資源調(diào)節(jié)能力評估

調(diào)節(jié)資源的調(diào)節(jié)能力是調(diào)度系統(tǒng)確保湖南省電力平衡的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)調(diào)度中，通常利用大型水火電等常規(guī)可調(diào)節(jié)資源來平衡負(fù)荷、風(fēng)電光伏等不可調(diào)資源的變化，把不可調(diào)資源認(rèn)為是系統(tǒng)平衡的邊際條件。

隨著電力市場、需求側(cè)響應(yīng)等政策的不斷推進(jìn)，負(fù)荷、風(fēng)電光伏等不可調(diào)資源將會作為調(diào)峰手段參與到電力平衡中來。在電力現(xiàn)貨市場下，各類調(diào)峰資源的調(diào)節(jié)代價即為現(xiàn)貨市場出清電價，但在市場和計劃雙軌制下，如何精準(zhǔn)評估各類調(diào)節(jié)資源的調(diào)節(jié)能力及調(diào)節(jié)順序是建立優(yōu)化模型的關(guān)鍵問題。經(jīng)過實際調(diào)研及研究分析，提出調(diào)峰代價函數(shù)體系:對于任意一種調(diào)節(jié)資源，綜合考慮其自身各因素的影響和經(jīng)驗，將各個影響因子進(jìn)行量化最終得到一個代價量，即為這種調(diào)節(jié)資源的調(diào)節(jié)代價。根據(jù)各類調(diào)節(jié)資源的調(diào)節(jié)代價排序，能有效評估各類電源的調(diào)節(jié)能力及調(diào)節(jié)順序。

2.2 調(diào)峰代價函數(shù)體系

傳統(tǒng)模式下按照發(fā)電政策來調(diào)用調(diào)峰資源，通常在系統(tǒng)上備用不足時，會嚴(yán)格按照調(diào)增水火電—申請聯(lián)絡(luò)線支援—超供電能力限電的順序調(diào)用各類調(diào)峰資源，而在系統(tǒng)下備用不足時，則是按照調(diào)減水火電—調(diào)減聯(lián)絡(luò)線計劃—限風(fēng)—限光的順序調(diào)用來實現(xiàn)電力實時平衡。

智能平衡系統(tǒng)需要合理安排各類調(diào)峰資源調(diào)用優(yōu)先級順序，調(diào)峰代價函數(shù)是智能平衡系統(tǒng)確定各類調(diào)峰資源調(diào)用優(yōu)先級的手段，通過對影響各類調(diào)峰資源調(diào)用順序的因素進(jìn)行量化加權(quán)求和可以得到每類調(diào)峰資源調(diào)用代價值，最終根據(jù)代價值大小實現(xiàn)各類調(diào)峰資源的自動科學(xué)調(diào)用。

在市場和計劃雙軌制下，考慮到新能源消納、保供電等要求，聯(lián)絡(luò)線調(diào)整、限風(fēng)、限光、限負(fù)荷等調(diào)峰資源的調(diào)用有明顯的優(yōu)先級，但平水期時段水火電調(diào)用順序并無明確優(yōu)先級，此外，在火電深度調(diào)峰(以下簡稱“火電深調(diào)”)區(qū)間調(diào)用順序需遵循輔助服務(wù)市場運行規(guī)則。如何根據(jù)水火電調(diào)峰資源的特性確定其代價函數(shù)是智能平衡系統(tǒng)的核心。湖南調(diào)度智能平衡系統(tǒng)水火電調(diào)峰代價函數(shù)如下:

1)水電代價函數(shù)。水電的調(diào)用優(yōu)先級與水電廠的上網(wǎng)電價ps、水庫的實時水位hs以及水庫的實時出入庫流量Qs相關(guān)，電價越低，實時水位越接近汛限水位hh，凈入庫流量越大，調(diào)用優(yōu)先級越高，具體代價函數(shù)如式(1)所示。

式中，Cs為水電代價值；cp、chs、cQ分別為水電廠電價系數(shù)、水位系數(shù)和流量系數(shù)；hl為水庫死水位。

2)火電代價函數(shù)?；痣姲l(fā)電優(yōu)先級主要考慮火電的電價ps、計劃完成率Sh以及負(fù)荷率Lh，電價越低計劃完成率越低，負(fù)荷率越低，調(diào)用優(yōu)先級越高，具體代價函數(shù)如式(2)所示。

式中，Ch為火電代價值，cph、cS、cL分別為火電廠電價系數(shù)、計劃完成率系數(shù)和負(fù)荷率系數(shù)。

由于深調(diào)火電的調(diào)用是給輔助服務(wù)市場下發(fā)深調(diào)量總指令，故在智能平衡系統(tǒng)中將其設(shè)置成一個特殊的火電廠，其上下備用為已深調(diào)總量和未深調(diào)總量，其計劃完成率為0，負(fù)荷率為50%，這樣可以保證其調(diào)用優(yōu)先級小于所有正?；痣姀S，在調(diào)增時先調(diào)增深調(diào)火電，調(diào)減時后調(diào)減深調(diào)火電，從而保證了計劃和市場的銜接，也為虛擬電廠或負(fù)荷聚合商等調(diào)節(jié)資源參與系統(tǒng)平衡提供解決思路。

為了統(tǒng)一水火電代價數(shù)值范圍，在實際應(yīng)用中，將火電的電價系數(shù)cp、計劃完成率系數(shù)cS、負(fù)荷率系數(shù)cL均設(shè)置為1，同時選取深調(diào)火電、平均計劃完成率平均負(fù)荷率火電、高計劃完成率高負(fù)荷率火電作為三種典型火電運行工況，每個水電廠根據(jù)調(diào)度員經(jīng)驗和歷史運行數(shù)據(jù)選取高水位大入庫流量、正常水位零出庫流量、低水位大出庫流量三種典型水情與三種典型火電運行工況進(jìn)行標(biāo)定求得每個水電廠對應(yīng)的電價系數(shù)cp、水位系數(shù)ch和流量系數(shù)cQ。

2.3 日內(nèi)計劃滾動優(yōu)化模型

2.3.1目標(biāo)函數(shù)

日內(nèi)計劃滾動優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)式(3)所示:

2.3.2約束條件

1)等式約束

2)機組出力上下限約束

式(10)—(14)不等式兩邊分別表示t時刻各類調(diào)節(jié)資源出力上下限，其中phjmin、psimin、pwimin、ppimin、plimin分別表示第j臺火電機組出力、 第i個水電廠出力、第i個風(fēng)電廠出力、第i個光伏電站出力和第i個可調(diào)負(fù)荷可調(diào)最小值；phjmax、psimax、pwimax、ppimax、plimax分別表示第j臺火電機組出力、第i個水電廠出力、第i個風(fēng)電廠出力、第i個光伏電站出力和第i個可調(diào)負(fù)荷可調(diào)最大值。

3)爬坡約束

式(15)—(19)不等式右邊表示t時刻各類調(diào)節(jié)資源的最大爬坡能力， 其中Δphjmax、Δpsimax、Δpwimax、Δppimax、Δplimax分別表示第j臺火電機組出力、 第i個水電廠出力、第i個風(fēng)電廠出力、第i個光伏電站出力和第i個可調(diào)負(fù)荷在t-1時刻到t時刻時間段內(nèi)可調(diào)最大值。

2.4 啟動條件

智能平衡系統(tǒng)的應(yīng)用主要有兩大塊，一大塊是滾動更新各類調(diào)節(jié)資源日內(nèi)計劃，根據(jù)日內(nèi)計劃為日內(nèi)現(xiàn)貨申報提供輔助決策；另一大塊則是實時調(diào)用水火電調(diào)峰資源保證電力實時平衡。判斷湖南電力是否平衡的指標(biāo)是區(qū)域控制偏差(Area Control Error，ACE)，ACE值表示為εACE，當(dāng)εACE為負(fù)時要調(diào)增省內(nèi)機組出力，反之則調(diào)減省內(nèi)機組出力。為及時跟蹤ACE指標(biāo)變化，保證εACE始終在合理范圍內(nèi)，智能平衡系統(tǒng)主要有ACE實時偏差啟動、水電實時備用啟動和趨勢啟動三大啟動條件。

2.4.1ACE實時偏差啟動

ACE實時偏差啟動是為了應(yīng)對由于抽水蓄能電站機組開停機、水火電機組跳機、聯(lián)絡(luò)線計劃修改等原因帶來嚴(yán)重ACE偏差時的啟動方式，其具體啟動條件如式(20)所示。

式中，P1為水電實時上備用，P2為水電實時下備用。只有實時跟蹤ACE偏差的水電機組備用不足時才調(diào)用其他水火電機組，εACEths是ACE偏差啟動閾值，為人工設(shè)定量。ACE實時偏差啟動時，下發(fā)調(diào)整量ΔP如式(21)所示。

由于只有少數(shù)情況下ACE會出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，為了避免負(fù)荷瞬時波動導(dǎo)致ACE實時偏差誤啟動，依據(jù)調(diào)度經(jīng)驗和湖南實際情況，目前εACEths被設(shè)置為300 MW，同時需15 s內(nèi)3次采樣均滿足啟動條件才真正啟動，并且ACE實時偏差啟動后需延時90 s才能再次啟動。

2.4.2水電實時備用啟動

ACE實時偏差啟動的防誤啟動條件的存在導(dǎo)致εACE的調(diào)節(jié)存在一定的延遲。為了保證良好的εACE控制效果，需要時刻保持有適量的水電實時上下備用。當(dāng)水電實時上備用或下備用不足時，即便εACE比較小也需要啟動實時平衡以調(diào)整水電實時上下備用，水電實時備用啟動如式(22)所示。

式中，εACEmod為εACE的修正值，引入該參數(shù)能根據(jù)實時ACE值修正得到真正的水電實時上下備用，e為水電實時備用裕度。

水電實時備用啟動時，下發(fā)量ΔP如式(23)所示。

水電實時備用啟動相對于ACE實時偏差啟動而言啟動頻率更高，但同時考慮到下令的頻率不宜過高，依據(jù)調(diào)度經(jīng)驗和湖南實際情況，εACEmod設(shè)置為0.5εACE，e設(shè)置為10%，同時需要20 s內(nèi)4次采樣均滿足啟動條件才真正啟動，并且水電實時備用啟動后需延時60 s才能再次啟動。

2.4.3趨勢啟動

負(fù)荷的變化同時包含了短時間尺度波動和長時間尺度趨勢兩大特點。ACE實時偏差啟動和水電實時備用啟動均只能實現(xiàn)短時間尺度波動的實時平衡，對于高峰前負(fù)荷急劇上漲或高峰后負(fù)荷急劇下降的階段，ACE實時偏差啟動和水電實時備用啟動均存在響應(yīng)速度不足的問題。為了解決這一問題，智能平衡系統(tǒng)引入了趨勢啟動，趨勢啟動以15 min為周期，每個周期開始，系統(tǒng)會自動計算該周期內(nèi)除可調(diào)節(jié)水火電外其余調(diào)峰資源的總變化量ΔP，當(dāng)|ΔP|≥200 MW時，下發(fā)調(diào)整量為-ΔP。

2.4.4火電深調(diào)時的啟動條件

火電處于深調(diào)工況時的實時平衡啟動條件與火電正常工況下的啟動條件無本質(zhì)上的差別，但是由于深調(diào)量是通過輔助服務(wù)市場下發(fā)，調(diào)用規(guī)則也是基于輔助服務(wù)市場的市場規(guī)則，同時火電深調(diào)工況下調(diào)節(jié)性能不佳，因此火電深調(diào)時不宜頻繁下令?？紤]到上述原因，深調(diào)時只保留ACE實時偏差啟動和趨勢啟動兩大啟動條件，同時依據(jù)調(diào)度員經(jīng)驗和湖南實際情況適當(dāng)調(diào)窄啟動范圍，調(diào)長啟動冷卻時間。

3 實際運行分析

湖南調(diào)度智能平衡系統(tǒng)于2021年1月1日開始試運行，下面就試運行期間系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，分析該系統(tǒng)在日前計劃偏差修正、系統(tǒng)備用計算、水電經(jīng)濟(jì)化調(diào)度、實時平衡調(diào)節(jié)四個方面的運行效果。

3.1 日前計劃偏差修正

湖南調(diào)度智能平衡系統(tǒng)一大功能是修正日前發(fā)電計劃偏差，該偏差是由于負(fù)荷及新能源等不可調(diào)資源的變化波動導(dǎo)致的，要修正該偏差首先需要準(zhǔn)確預(yù)測日內(nèi)負(fù)荷及新能源出力。對于湖南實際情況而言，新能源日內(nèi)偏差相對于負(fù)荷日內(nèi)偏差較小，故著重研發(fā)日內(nèi)超短期負(fù)荷預(yù)測方法。常用的系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測方法多是從成因機制出發(fā)，建立多相關(guān)因素等與發(fā)電出力的預(yù)測模型，與此思路不同，本文利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，結(jié)合面臨日的預(yù)測值，從海量歷史出力數(shù)據(jù)中尋找偏差分布規(guī)律，并結(jié)合當(dāng)日實際要求快速確定系統(tǒng)備用等邊界條件。對于湖南調(diào)度智能平衡系統(tǒng)，分析某日的功率預(yù)測偏差分布規(guī)律需要用到各電站多年實際和計劃的日96點發(fā)電出力，以此為基礎(chǔ)，采用區(qū)間置信理論，可以快速確定合理的聯(lián)絡(luò)線功率偏差范圍，進(jìn)而獲得實際調(diào)度中平衡功率偏差所需要的旋轉(zhuǎn)備用。圖3是湖南某日的實際負(fù)荷、日前計劃和超短期負(fù)荷預(yù)測曲線，可以發(fā)現(xiàn)日前計劃與實際負(fù)荷存在較大偏差，而超短期負(fù)荷預(yù)測與實際負(fù)荷曲線幾乎重合，統(tǒng)計2021年3月份每日的負(fù)荷預(yù)測情況，經(jīng)計算每日預(yù)測精度如圖4和圖5所示，可以看出3月份每日的總負(fù)荷預(yù)測精度均高于99%，90%日內(nèi)單點負(fù)荷預(yù)測準(zhǔn)確率超過99.5%。

圖3 某典型日系統(tǒng)超短期負(fù)荷預(yù)測及實際負(fù)荷

圖4 3月份系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測精度

圖5 3月份某典型日系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測偏差概率分布

3.2 系統(tǒng)備用計算

湖南調(diào)度智能平衡系統(tǒng)基于精確的日前計劃偏差修正建設(shè)了備用容量模塊。備用容量模塊以《華中電網(wǎng)分區(qū)備用容量信息管理辦法》 《華中電網(wǎng)運行備用管理規(guī)定(試行)》為主要依據(jù)，在實時優(yōu)化系統(tǒng)其他功能模塊、調(diào)度自動化系統(tǒng)的支撐下，實現(xiàn)了系統(tǒng)備用管理、機組備用監(jiān)測、備用預(yù)警等功能。備用模塊依據(jù)未來態(tài)數(shù)據(jù)計算出的后4 h系統(tǒng)備用情況，滾動計算高峰時段系統(tǒng)正備用及低谷時段系統(tǒng)負(fù)備用，給出日內(nèi)輔助服務(wù)申報及省間現(xiàn)貨申報決策，輸出考慮電網(wǎng)斷面約束和電廠機組等原因的出清執(zhí)行結(jié)果供調(diào)度員記錄、備查。

3.3 水電經(jīng)濟(jì)化調(diào)度

湖南水能資源豐富，水電機組與火電機組在裝機容量上相差無幾，但水電的季節(jié)性特征非常突出，湖南80%以上水電調(diào)節(jié)性能較差，且來風(fēng)與來水重合性強，進(jìn)一步加大清潔能源消納難度。

圖6為2021年4月份某日湖南省內(nèi)3個水電廠發(fā)電功率曲線。4月是湖南汛期，水電廠1和水電廠2位于某主干流域中下游，水庫調(diào)節(jié)性能差，由于上游來水大，水庫面臨著嚴(yán)峻的防洪形勢，因此發(fā)電政策為基礎(chǔ)負(fù)荷。而水電廠3位于某流域上游，水庫調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，雖然水庫水位較高，但發(fā)電政策為調(diào)峰運行。從圖中3個水電廠的實際出力情況來看，實時平衡系統(tǒng)準(zhǔn)確執(zhí)行了發(fā)電政策，兩個基礎(chǔ)負(fù)荷水電廠整日出力保持最大，調(diào)峰運行的水電廠3出力與湖南負(fù)荷水平呈正相關(guān)關(guān)系波動。

圖6 4月份某典型日水電調(diào)節(jié)狀況

圖7是該調(diào)峰運行的水電廠日內(nèi)實際出力與日前發(fā)電計劃的關(guān)系，柱狀圖是水電廠日內(nèi)實際出力，折線圖是日前發(fā)電計劃?？梢园l(fā)現(xiàn)該水電廠雖然出力變化趨勢與日前計劃一致，但實際出力要高于日前發(fā)電計劃，尤其是在腰荷階段出力平均高于計劃50 MW。經(jīng)分析，這是由于當(dāng)日上午該水電廠流域有一定降雨，水庫入庫流量較大，同時由于該水庫水位較高，綜合下來導(dǎo)致該水電廠的調(diào)峰代價值很小，發(fā)電優(yōu)先級較高，因此在日內(nèi)調(diào)峰實際調(diào)用高于日前發(fā)電計劃。

圖7 4月份某典型日水電廠出力與日前計劃

通過4月某典型日的水電廠出力情況分析可以得出，智能平衡系統(tǒng)能根據(jù)水電廠水情合理調(diào)用各水電廠出力，調(diào)用結(jié)果與給出的發(fā)電政策相符，同時該系統(tǒng)能根據(jù)實際水情變化靈活調(diào)整水電廠日內(nèi)發(fā)電計劃，使得水電調(diào)度更加精細(xì)化，一定程度促進(jìn)了清潔能源的消納。

3.4 實時平衡調(diào)節(jié)

傳統(tǒng)調(diào)度中，需人工監(jiān)視系統(tǒng)ACE偏差，通過大型火電及骨干水電等可調(diào)資源來平衡該偏差，在負(fù)荷新能源出力波動大，水電實時備用不足的情況下，實時平衡工作給調(diào)度員造成了一定壓力。但智能平衡系統(tǒng)的應(yīng)用可以實現(xiàn)自動調(diào)用調(diào)峰資源跟蹤系統(tǒng)ACE偏差，同時該系統(tǒng)還具備根據(jù)系統(tǒng)水電實時備用、負(fù)荷變化趨勢等情況進(jìn)行系統(tǒng)ACE預(yù)控的功能，智能平衡系統(tǒng)的應(yīng)用極大降低了調(diào)度員調(diào)功工作量，同時在智能平衡模式下，ACE偏差控制效果優(yōu)越。截至2021年5月，湖南聯(lián)絡(luò)線控制獎勵電量居華中區(qū)域第一。

4 總結(jié)與展望

我國新能源的快速發(fā)展和逐步并網(wǎng)給電網(wǎng)的安全運行帶來極大挑戰(zhàn)。但隨著信息科技與人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，調(diào)度智能平衡系統(tǒng)的出現(xiàn)為應(yīng)對電力系統(tǒng)運行挑戰(zhàn)提供了新的技術(shù)解決途徑。本文針對新型電力系統(tǒng)實時調(diào)度運行困難的問題，構(gòu)建調(diào)度智能平衡系統(tǒng)，解決了調(diào)峰資源不足、離散型源網(wǎng)荷儲資源管理難度大、電力市場環(huán)境下執(zhí)行難度大、安全管控難度倍增四大問題。

通過實際工程的應(yīng)用證明湖南調(diào)度智能平衡系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢:

1)湖南調(diào)度智能平衡系統(tǒng)實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲精準(zhǔn)參與系統(tǒng)平衡，提高了工作效率，增加了系統(tǒng)靈活性。

2)實現(xiàn)過渡階段電力市場調(diào)峰資源與非市場調(diào)峰資源的協(xié)調(diào)互動，同時為電力現(xiàn)貨市場的建設(shè)預(yù)留接口，既不影響電力市場的深入推進(jìn)，又減輕調(diào)度工作的執(zhí)行壓力。

3)通過代價函數(shù)滾動優(yōu)化，最大限度發(fā)揮各類調(diào)峰資源的作用，有利于清潔能源的消納。

新型電力系統(tǒng)是一個安全可控、經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳、開放共享、數(shù)字智能的系統(tǒng)。后續(xù)研究將通過整合現(xiàn)有資源，整治數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，引入更多調(diào)節(jié)能力強、調(diào)節(jié)代價低的調(diào)節(jié)資源，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)中的源網(wǎng)荷儲安全、經(jīng)濟(jì)、高效的協(xié)同互動。