新型電力系統(tǒng)規(guī)劃新問題及解決思路

張斌，楊勝偉，杜源

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山馬關(guān)供電局，云南 文山 663300； 2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000； 3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000）

0 前言

博鰲論壇《可持續(xù)發(fā)展的亞洲與世界2022年度報(bào)告——綠色轉(zhuǎn)型亞洲在行動(dòng)》提出，亞洲是全球重要的碳增長引擎，碳排放已超過世界總排放量的一半，控制碳排放量，對(duì)全球經(jīng)濟(jì)綠色復(fù)蘇和公正轉(zhuǎn)型意義重大。亞洲多國做出碳中和承諾，政府、企業(yè)和民間社會(huì)都在積極采取行動(dòng)。當(dāng)下，作為碳排放大戶的電力企業(yè)，更應(yīng)加強(qiáng)新能源的開發(fā)利用，合理規(guī)劃構(gòu)建以新能為主體的新型電力系統(tǒng)，促進(jìn)綠色投融資，減少全產(chǎn)業(yè)鏈“碳足跡”[1]。針對(duì)于此，本文從源-荷不確定性、低碳電力市場化發(fā)展、碳水平評(píng)估、新能源的運(yùn)行模擬、多主體協(xié)同規(guī)劃等方面著手，分析新型電力系統(tǒng)規(guī)劃存在的問題；從負(fù)荷精細(xì)化預(yù)測、低碳市場機(jī)制、碳水平評(píng)估技術(shù)、大數(shù)據(jù)運(yùn)行與模擬等關(guān)鍵技術(shù)分析，理清新型電力系統(tǒng)規(guī)劃思路及研究重點(diǎn)，旨在為電力行業(yè)清潔低碳轉(zhuǎn)型提供指導(dǎo)性建議。

1 新型電力系統(tǒng)規(guī)劃新問題

1.1 源-荷不確定性加劇

在電源側(cè)波動(dòng)性和用戶側(cè)含源負(fù)荷隨機(jī)性的共同作用下，不確定性將廣泛存在新一代電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)，如何對(duì)源-荷不確定性準(zhǔn)確建模，并建立能夠體現(xiàn)多樣運(yùn)行場景的電源出力預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測方法是支撐新型電力系統(tǒng)規(guī)劃的前提。

1.2 低碳電力市場化發(fā)展

電力系統(tǒng)低碳要求為電力市場化改革賦予了新的內(nèi)涵，碳交易市場將逐漸成為電力市場的重要組成部分。作為新型電力系統(tǒng)的基本應(yīng)用場景，有必要對(duì)現(xiàn)有電力市場及碳市場交互方法開展分析研究，提出能夠適應(yīng)低碳電力市場場景的規(guī)劃模式。

1.3 碳水平評(píng)估

傳統(tǒng)規(guī)劃方法中電源規(guī)劃是在滿足電力平衡的前提下以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)；電網(wǎng)規(guī)劃則是在滿足一定的穩(wěn)定性或可靠性要求下，提高方案經(jīng)濟(jì)性。碳交易環(huán)境下的新型電力系統(tǒng)規(guī)劃除需考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性外，還應(yīng)將碳水平計(jì)入評(píng)估體系，其模型的評(píng)估決策實(shí)質(zhì)是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、可靠指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)的三方博弈。如何將碳水平評(píng)估問題與電力系統(tǒng)規(guī)劃決策問題相結(jié)合，建立低碳評(píng)價(jià)體系是支撐新型電力系統(tǒng)規(guī)劃面臨的重要問題。

1.4 新能源的運(yùn)行模擬

新型電力系統(tǒng)包含風(fēng)光水火多種電源形式，其物理運(yùn)行環(huán)境多樣、決策環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)靈活性提出了新的要求。為有效辨識(shí)規(guī)劃方案在運(yùn)行層面的潛在問題，需要建立針對(duì)新型電力系統(tǒng)的運(yùn)行模擬方法，評(píng)估規(guī)劃方案在海量運(yùn)行場景下的運(yùn)行指標(biāo)，以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的隨機(jī)性與波動(dòng)性。

1.5 多主體協(xié)同規(guī)劃

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)規(guī)劃一般是電源規(guī)劃、輸電網(wǎng)規(guī)劃、配電網(wǎng)規(guī)劃分別進(jìn)行。而新型電力系統(tǒng)在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)均具備靈活多變的運(yùn)行策略，且參與電量平衡的利益主體更多。僅考慮某一環(huán)節(jié)的規(guī)劃思路已無法適應(yīng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)各環(huán)節(jié)的互動(dòng)深度，需要考慮包括儲(chǔ)能在內(nèi)的多主體協(xié)同規(guī)劃理論。

2 基礎(chǔ)規(guī)劃模型及技術(shù)框架

與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)規(guī)劃類似，新型電力系統(tǒng)規(guī)劃是在已知規(guī)劃對(duì)象運(yùn)行特性和邊界條件的基礎(chǔ)上，建立能夠描述對(duì)象運(yùn)行特性的數(shù)學(xué)模型并求解，進(jìn)而得出滿足各項(xiàng)指標(biāo)的規(guī)劃方案。明確模型應(yīng)用場景、約束條件和規(guī)劃目標(biāo)是開展新型電力系統(tǒng)規(guī)劃研究的前提。結(jié)合新型電力系統(tǒng)相關(guān)要素及特點(diǎn)，從主要規(guī)劃對(duì)象層面將新型電力系統(tǒng)規(guī)劃劃分為發(fā)-輸協(xié)同規(guī)劃、源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)同規(guī)劃、考慮多能流協(xié)同運(yùn)行的配網(wǎng)規(guī)劃3個(gè)環(huán)節(jié)，其具體規(guī)劃流程如圖1所示。發(fā)-輸協(xié)同規(guī)劃以提高新能源消納能力和傳輸能力為目標(biāo)；源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)同規(guī)劃的目標(biāo)是在配網(wǎng)層面加強(qiáng)網(wǎng)-荷間雙向支撐能力，滿足用戶差異化的負(fù)荷需求，考慮多能流協(xié)同運(yùn)行的配網(wǎng)規(guī)劃以在保證供能可靠性的前提下提高清潔能源消納率和多能互補(bǔ)能力為目標(biāo)；與綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型和主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃模型類似，新型電力系統(tǒng)基本規(guī)劃模型一般是一個(gè)以投資變量為主要決策變量的規(guī)劃問題，如式(1)所示。

圖1 新型電力系統(tǒng)規(guī)劃流程

式中：T為規(guī)劃時(shí)間尺度；M為設(shè)備類型；N為設(shè)備投建數(shù)量；αt為第t年的成本年折算系數(shù)；δIC為與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、系統(tǒng)容量等物理參數(shù)相關(guān)的投資邊界；δED為與運(yùn)行參數(shù)相關(guān)的運(yùn)行邊界；δEENS為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行邊界；新型電力系統(tǒng)基本規(guī)劃模型的決策變量包括投建變量Ii,j,t、運(yùn)行變量Oi,j,t和投建設(shè)備容量變量Pi,j,t；目標(biāo)函數(shù)f（Ii,j,t，Oi,j,t，Pi,j,t）多考慮規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和低碳水平；約束條件由投資約束g（Ii,j,t，Oi,j,t）、運(yùn)行約束h（Ii,j,t，Oi,j,t，Pi,j,t）和可靠性約束k（Ii,j,t，Oi,j,t，Pi,j,t）構(gòu)成。

基礎(chǔ)規(guī)劃模型明確了新型電力系統(tǒng)規(guī)劃問題的基本形式，但在解決具體問題時(shí)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用場景對(duì)基礎(chǔ)模型的決策變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件進(jìn)行修改。

在已有規(guī)劃模型的基礎(chǔ)上，新型電力系統(tǒng)規(guī)劃還應(yīng)融合大數(shù)據(jù)理論分析、多時(shí)間尺度運(yùn)行模擬、低碳評(píng)估方法等關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)框架分為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)層、運(yùn)行模擬層和輸出指標(biāo)層。結(jié)合源-荷精細(xì)化預(yù)測和低碳電力市場機(jī)制，生成新型電力系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃方案；另一方面，為應(yīng)對(duì)源-荷不確定性帶來的功率匹配問題，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)層生成典型運(yùn)行場景，利用多時(shí)間尺度運(yùn)行模擬和低碳評(píng)價(jià)體系評(píng)估協(xié)同規(guī)劃方案可行性，提高規(guī)劃方案在高比例可再生能源接入場景的靈活性。

3 新型電力系統(tǒng)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 源-荷預(yù)測精細(xì)化預(yù)測

精細(xì)化預(yù)測技術(shù)主要應(yīng)用于源-荷預(yù)測，新型電力系統(tǒng)的靈活性不斷增強(qiáng)，與此同時(shí)清潔能源的多樣化預(yù)測趨勢逐漸呈現(xiàn)。例如風(fēng)能、太陽能等自然清潔能源，其不穩(wěn)定性主要來自自然因素的影響如風(fēng)速、光照等，因此其預(yù)測架構(gòu)需要考慮多種自然因素來對(duì)電力系統(tǒng)規(guī)劃做出精準(zhǔn)預(yù)測。氣象條件涉及多種專業(yè)設(shè)備和預(yù)測方法，相關(guān)研究離不開深入且廣泛的智能探索。從氣候條件、地理環(huán)境條件以及區(qū)域布局因素來看，國內(nèi)外的相關(guān)探索已經(jīng)有很多，而且摸索出一些成熟的規(guī)范技巧，能夠運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和智能學(xué)習(xí)性方法對(duì)預(yù)測模型提出針對(duì)性策略。和傳統(tǒng)的配電網(wǎng)固定模式不同，新型電力系統(tǒng)的電網(wǎng)調(diào)度需要運(yùn)用不同比例的容量配置協(xié)調(diào)異質(zhì)化能源流比例，從而符合差異化的負(fù)荷需求。系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)大規(guī)模的能源應(yīng)用場景來說，智能化技術(shù)與大數(shù)據(jù)支撐是深入發(fā)展配電網(wǎng)絡(luò)的重要推動(dòng)力。

3.2 低碳市場機(jī)制

低碳電力市場是新型電力系統(tǒng)操作運(yùn)轉(zhuǎn)的主要陣地和工作場景，《京都議定書》的簽署是業(yè)界研究的焦點(diǎn)，開啟了各國碳交易市場探索的開端，同意了國際范圍內(nèi)碳交易市場原則，將交易方式分為免費(fèi)分配和拍賣兩種途徑。市場機(jī)制的完善到達(dá)一定程度則可歸納相關(guān)運(yùn)營技術(shù)，通過交易原則和定向技術(shù)約束碳市場交易活動(dòng)。電力市場和碳市場的天然關(guān)聯(lián)性和對(duì)稱相關(guān)性可以對(duì)新型電力系統(tǒng)的規(guī)劃展開關(guān)聯(lián)性分析和深入的系統(tǒng)研究。傳統(tǒng)的規(guī)劃模型充分考慮了碳排放量的數(shù)額大小，而新型電力系統(tǒng)的規(guī)劃運(yùn)行研究則更加傾向于碳排放的結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)配置結(jié)構(gòu)優(yōu)化。隨著能源互通互聯(lián)趨勢不斷增強(qiáng)，低碳市場普及程度也越來越高，相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)碳交易機(jī)制專業(yè)技術(shù)展開了細(xì)致分析，考慮了光伏規(guī)模度量與碳排降級(jí)價(jià)值協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。總體來看，規(guī)劃角度的宏觀技術(shù)分析不足，但是微觀的低碳電力市場要素分析較為充分。

3.3 碳水平評(píng)估技術(shù)分析

碳排量的測算和度量是新型電力系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)和變革點(diǎn)。新型電力系統(tǒng)使用范圍已經(jīng)逐步擴(kuò)張，宏觀碳排方法和微觀碳排觀念都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)均衡性、有效性和實(shí)測性。具體的排放因子碳排測算公式是根據(jù)碳排量額，燃料消費(fèi)量額、燃料低熱指數(shù)以及碳排放因子共同構(gòu)成。不同的能源使用方式不同因此碳排測算因子也不同，要根據(jù)能源使用和能源品位的實(shí)際情況采用特定的碳排計(jì)算方式和數(shù)額選取。根據(jù)能源生產(chǎn)行為的投入產(chǎn)出比例和具體數(shù)據(jù)測算碳排數(shù)額符合理論上的碳排研究策略，但是學(xué)界還沒有形成一致的方法論。實(shí)地探測法已經(jīng)較為成熟，主要是運(yùn)用具體的數(shù)據(jù)檢測設(shè)備對(duì)碳排放源頭進(jìn)行現(xiàn)場觀測，通過探測數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)碳排放量進(jìn)行核算。這種方法較為精準(zhǔn)，也比較有實(shí)操性。低碳電網(wǎng)研究成果為新型電力系統(tǒng)低碳評(píng)價(jià)體系的建設(shè)提供了思路。依據(jù)新型電力系統(tǒng)時(shí)空運(yùn)行特征，可從時(shí)間尺度或空間尺度兩個(gè)角度設(shè)計(jì)低碳評(píng)價(jià)體系，具體方法如圖2所示。應(yīng)從時(shí)間尺度分析新型電力系統(tǒng)碳排放影響因素，從發(fā)-輸-配-供等空間環(huán)節(jié)歸納已有低碳電網(wǎng)各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)合新型電力系統(tǒng)特點(diǎn)建立低碳評(píng)價(jià)體系，從各方面評(píng)估電力系統(tǒng)的發(fā)展水平，實(shí)現(xiàn)不同維度的反饋控制，對(duì)制定新型電力系統(tǒng)規(guī)劃方案具有指導(dǎo)意義。

圖2 低碳評(píng)價(jià)體系設(shè)計(jì)方法

3.4 大數(shù)據(jù)運(yùn)行與模擬

新型電力系統(tǒng)的另外一大核心支撐點(diǎn)就是大數(shù)據(jù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)，電力數(shù)據(jù)和環(huán)境檢測信息的處理與相關(guān)分析可以給低碳水平提供定量的技術(shù)支持。幾年來國家電網(wǎng)有限公司通過政策扶持和檢測技術(shù)的加持，實(shí)現(xiàn)了碳排檢測的技術(shù)創(chuàng)新。同時(shí)運(yùn)用可再生能源的優(yōu)勢與電子設(shè)備運(yùn)行的深刻變革滿足了新型電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能和安全性能等訴求。通過有效識(shí)別電力系統(tǒng)規(guī)劃過程中的環(huán)節(jié)問題并歸納對(duì)應(yīng)解決途徑，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了邊界穩(wěn)定效果。數(shù)據(jù)處理和分析、數(shù)據(jù)融合和學(xué)習(xí)技術(shù)已經(jīng)成為新型電力系統(tǒng)區(qū)別與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的主要特征，充分運(yùn)用大數(shù)據(jù)摘取和相關(guān)數(shù)據(jù)模擬技術(shù)滿足了數(shù)據(jù)運(yùn)營的準(zhǔn)確性和時(shí)效性要求。扁平化的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新模型要求對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和挖掘場景分散性的排布布局，大數(shù)據(jù)技術(shù)的高效工作效率能夠充分識(shí)別可行性規(guī)劃的實(shí)施與框架搭建。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)化運(yùn)行和精確化模擬技術(shù)滿足海量信息的分布現(xiàn)狀，可以有效解決低碳能源技術(shù)體系下的問題規(guī)制。

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)外針對(duì)新一代電力系統(tǒng)低碳規(guī)劃問題的研究仍處于起步階段，需要進(jìn)一步的完善和發(fā)展。本文從源-荷不確定性加劇、低碳電力市場化發(fā)展、碳水平評(píng)估、新能源的運(yùn)行模擬、多主體協(xié)同規(guī)劃五個(gè)方面對(duì)新型電力系統(tǒng)規(guī)劃新問題進(jìn)行了分析，探索出合理有效的解決思路，通過對(duì)新型電力系統(tǒng)規(guī)劃的基礎(chǔ)模型與流程框架，以及支撐新型電力系統(tǒng)規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域研究成果的研究，以期為低碳發(fā)展目標(biāo)下的電網(wǎng)規(guī)劃決策研究提供參考。