電力市場(chǎng)背景下考慮設(shè)備投資潛在價(jià)值的輸電網(wǎng)規(guī)劃

何英靜 王曦冉 王文濤 毛安家 李海疆

電力市場(chǎng)背景下考慮設(shè)備投資潛在價(jià)值的輸電網(wǎng)規(guī)劃

何英靜1王曦冉1王文濤2毛安家2李海疆1

（1. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，杭州 310008；2. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

電力市場(chǎng)改革對(duì)電網(wǎng)企業(yè)投資和資產(chǎn)管理行為規(guī)范提出了更高的要求，傳統(tǒng)以輸電能力提升為目的的規(guī)劃方法難以適應(yīng)新的形勢(shì)。分別考慮線路潮流的流通、系統(tǒng)阻塞的緩解和市場(chǎng)交易對(duì)線路的影響，計(jì)及價(jià)值因素建立評(píng)估規(guī)劃方案在經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性方面的潛在價(jià)值指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上，基于潛在價(jià)值指標(biāo)和成本建立多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃模型，通過(guò)一種改進(jìn)的遺傳算法實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的求解，采用修改后的IEEE 39節(jié)點(diǎn)算例驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。

輸電網(wǎng)規(guī)劃；價(jià)值評(píng)估；電力市場(chǎng)；多目標(biāo)規(guī)劃；改進(jìn)遺傳算法

0 引言

電力市場(chǎng)化改革，進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)投資和收益的考量。傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃中單純以輸電能力提升的投資收益計(jì)算方法不能完全表達(dá)投資在市場(chǎng)環(huán)境下的價(jià)值，可能造成過(guò)度投資[1-2]，難以適應(yīng)新形勢(shì)下的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)需求。因此，如何在最大程度保證系統(tǒng)可靠性的前提下兼顧規(guī)劃資源的利用效率，成為電力市場(chǎng)化改革背景下電網(wǎng)規(guī)劃中亟待解決的問(wèn)題。

1906年Irving Fisher最早提出資本價(jià)值理論，論述了企業(yè)價(jià)值、資本和收入的關(guān)系，由此發(fā)展起來(lái)的成本法、市場(chǎng)法、收益法等價(jià)值評(píng)估方法，在眾多領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。在電力系統(tǒng)規(guī)劃中，投資成本與效用收益作為規(guī)劃方法的評(píng)價(jià)依據(jù)，已發(fā)展出一系列成熟的理論與方法。例如，文獻(xiàn)[3]將電力系統(tǒng)規(guī)劃的視角從傳統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估拓寬為社會(huì)價(jià)值評(píng)估，將安全性?xún)r(jià)值體現(xiàn)在減少社會(huì)損失的成本上。文獻(xiàn)[4]計(jì)及電網(wǎng)改造成本、儲(chǔ)能投資成本和光伏限電損失，以有/無(wú)儲(chǔ)能接入時(shí)的成本差別來(lái)體現(xiàn)儲(chǔ)能支撐高比例分布式光伏接入的價(jià)值。類(lèi)似地，文獻(xiàn)[5]在可靠性成本中考慮用戶側(cè)期望中斷成本，從中斷供電對(duì)工業(yè)、商業(yè)、居民等用戶造成的損失切入，尋找規(guī)劃方案的價(jià)值。可以看出，這類(lèi)方法僅從成本減少、降低損失角度分析規(guī)劃方案所體現(xiàn)的價(jià)值。文獻(xiàn)[6]通過(guò)系統(tǒng)負(fù)荷和實(shí)時(shí)電價(jià)的變化來(lái)挖掘儲(chǔ)能在充放電過(guò)程中的潛在效益。文獻(xiàn)[7-9]以美國(guó)中部獨(dú)立電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（midwest independent transmission system operator, MISO）電力市場(chǎng)為背景，以收益與投資為基本評(píng)估指標(biāo)，研究考慮價(jià)值的電網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)題。其中，文獻(xiàn)[7]提出一種尋找兼顧可靠性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的跨區(qū)輸電規(guī)劃方案；文獻(xiàn)[8]以九種需求側(cè)管理資源在四種預(yù)測(cè)情景下的單位功率成本為考量，提出計(jì)及需求響應(yīng)與能源效率的輸電網(wǎng)規(guī)劃方法；文獻(xiàn)[9]則通過(guò)待建線路在提高市場(chǎng)運(yùn)行效率、減少網(wǎng)損和延緩?fù)顿Y等方面的作用，更全面地體現(xiàn)了輸電網(wǎng)規(guī)劃投資價(jià)值。這類(lèi)方法引入了潛在價(jià)值思想，拓寬了傳統(tǒng)規(guī)劃中主要考慮投資收益的思想局限，為全方位挖掘輸電網(wǎng)規(guī)劃投資潛在價(jià)值提供了借鑒。

近年來(lái)，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)投資的考量也日趨多元化，體現(xiàn)在電網(wǎng)規(guī)劃方面，出現(xiàn)了一系列考慮系統(tǒng)多元經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如結(jié)合剩余供電能力[10]、儲(chǔ)能設(shè)備功率變化量[11]、線路潮流信息[12-13]等概念的電網(wǎng)規(guī)劃方法，也有考慮多方面因素的多目標(biāo)規(guī)劃方法[14-16]。例如文獻(xiàn)[14]考慮分布式電源的運(yùn)行裕度和線路剩余輸電容量建立安全因子，考慮分布式電源的運(yùn)行率和與其相連的線路數(shù)建立協(xié)同因子，結(jié)合運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)建立多目標(biāo)規(guī)劃模型，所提方法可以同時(shí)對(duì)分布式能源和輸電線路進(jìn)行協(xié)調(diào)規(guī)劃。文獻(xiàn)[15]在計(jì)及投資運(yùn)行成本的同時(shí)，還建立了能量利用效率、碳排放、用戶不滿意度等指標(biāo)對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行評(píng)估，協(xié)同設(shè)備配置及需求側(cè)管理策略進(jìn)行優(yōu)化，所提方法兼顧決策最優(yōu)性與抗風(fēng)險(xiǎn)能力。文獻(xiàn)[16]以經(jīng)濟(jì)成本、風(fēng)光消納率和能源供應(yīng)不足為目標(biāo)建立綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)規(guī)劃模型，由粒子群優(yōu)化算法得到非劣解集后，使用滿意度指標(biāo)獲取非劣解集中的最滿意解。多目標(biāo)優(yōu)化方法可以使規(guī)劃方案計(jì)及問(wèn)題的多個(gè)方面，在電力市場(chǎng)背景下，考慮多元因素建立模型有利于尋找合理的電網(wǎng)規(guī)劃方案。

電力市場(chǎng)環(huán)境下，電網(wǎng)公司轉(zhuǎn)變?yōu)榉?wù)型企業(yè)，但電網(wǎng)阻塞、市場(chǎng)集中度等因素會(huì)對(duì)自由交易產(chǎn)生影響，而傳統(tǒng)規(guī)劃方法無(wú)法體現(xiàn)電網(wǎng)規(guī)劃與電力市場(chǎng)的雙向影響和電網(wǎng)企業(yè)在保證資源配置中的功能性，容易造成社會(huì)福利的無(wú)謂損失。本文借鑒價(jià)值評(píng)估思想來(lái)體現(xiàn)電網(wǎng)企業(yè)于電力市場(chǎng)中的真實(shí)價(jià)值，結(jié)合價(jià)值指標(biāo)建立輸電網(wǎng)多目標(biāo)規(guī)劃模型，探尋一種考慮價(jià)值評(píng)估的電網(wǎng)規(guī)劃方法。由于輸電線路投資在輸電網(wǎng)規(guī)劃中占據(jù)了較大比重，因此，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，本文研究的輸電網(wǎng)規(guī)劃只考慮輸電線路的擴(kuò)建問(wèn)題。

1 潛在價(jià)值及其評(píng)價(jià)指標(biāo)

傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃方法多以垂直一體化壟斷的電力系統(tǒng)為研究對(duì)象，其任務(wù)是為滿足負(fù)荷按照預(yù)定比率的增長(zhǎng)，在確保系統(tǒng)供電可靠前提下，力求使電網(wǎng)建設(shè)或改造成本最低。在這種嚴(yán)苛的條件下，為保證概率較低、持續(xù)時(shí)間較短的波動(dòng)性負(fù)荷下的供電可靠性，往往需要大量投資。而在正常情況下，這部分所投資的設(shè)備利用率較低，不可避免地會(huì)在一定程度上降低經(jīng)濟(jì)性。為在最大程度保證安全性的前提下兼顧系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，本文在傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上，引入三項(xiàng)潛在價(jià)值指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)電網(wǎng)建設(shè)在電力市場(chǎng)運(yùn)行中更真實(shí)全面的潛在價(jià)值和效益。

1.1 高負(fù)荷潮流流通價(jià)值

衡量一條線路是否值得投資建設(shè)，除了其流通潮流大小外，還要考慮潮流的持續(xù)作用時(shí)間。

年持續(xù)負(fù)荷曲線可以反映負(fù)荷在一年內(nèi)的變化情況，體現(xiàn)負(fù)荷年變化特性對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響，更符合實(shí)際規(guī)劃的需求，由IEEE-RTS提供的參數(shù)和預(yù)測(cè)年峰值負(fù)荷即可得到全年各小時(shí)的平均負(fù)荷，對(duì)數(shù)據(jù)按負(fù)荷大小和持續(xù)時(shí)間排序后即為年持續(xù)負(fù)荷曲線[17-18]。若選擇年持續(xù)負(fù)荷曲線所有運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行詳盡的仿真分析，會(huì)使規(guī)劃方法的計(jì)算量急劇增大，故本文選擇在曲線上選取一定數(shù)量的典型負(fù)荷進(jìn)行價(jià)值分析。這樣既可以發(fā)揮年持續(xù)負(fù)荷曲線上負(fù)荷的年變化特性，又不會(huì)使模型計(jì)算過(guò)于繁雜。

典型負(fù)荷點(diǎn)依據(jù)負(fù)荷持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)度進(jìn)行選取。

式中：h為第個(gè)選出的典型負(fù)荷點(diǎn)的負(fù)荷持續(xù)時(shí)間，可按上一典型負(fù)荷點(diǎn)的負(fù)荷持續(xù)時(shí)間h-1的61.8%取值并取整得出；0為全年小時(shí)數(shù)，因IEEE- RTS僅提供了52周負(fù)荷參數(shù)數(shù)據(jù)，故此處0取值為8 736?？梢钥闯觯勒沾朔椒ǖ玫降牡湫拓?fù)荷點(diǎn)取樣密度由負(fù)荷低谷至負(fù)荷尖峰逐漸增加。負(fù)荷尖峰反映了系統(tǒng)電能傳輸能力最緊張的狀態(tài)，較大的取樣密度可以還原曲線形狀，更好地展現(xiàn)系統(tǒng)的規(guī)劃需求。此外，為計(jì)算潮流流通價(jià)值tf，將年持續(xù)負(fù)荷曲線中負(fù)荷率為60%的狀態(tài)點(diǎn)取為典型負(fù)荷點(diǎn)。所得典型負(fù)荷點(diǎn)信息見(jiàn)表1。

表1 近似年負(fù)荷持續(xù)曲線各點(diǎn)數(shù)據(jù)

本文定義線路在年持續(xù)負(fù)荷曲線中60%以上負(fù)荷與負(fù)荷持續(xù)時(shí)間圍成的面積為高負(fù)荷潮流流通價(jià)值，表示該線路在系統(tǒng)運(yùn)行中承擔(dān)的高峰負(fù)荷的需求，此項(xiàng)價(jià)值指標(biāo)較大的線路在全年中以高負(fù)載率流通了較大份額的能量，對(duì)此類(lèi)線路進(jìn)行擴(kuò)建可以緩解其電能輸送壓力，因擴(kuò)建后的線路在系統(tǒng)中依然承擔(dān)較大份額能量的傳輸，故此次投資的性?xún)r(jià)比較其他線路更高。取前17個(gè)典型負(fù)荷來(lái)計(jì)算此項(xiàng)價(jià)值，計(jì)算tf使用的典型負(fù)荷點(diǎn)如圖1所示。

高負(fù)荷潮流流通價(jià)值的計(jì)算方式為

圖1 計(jì)算Vtf使用的典型負(fù)荷點(diǎn)

式中：1為計(jì)算tf時(shí)的典型負(fù)荷點(diǎn)集合；P為第個(gè)典型負(fù)荷下線路的有功功率；max為線路有功功率極限；h為第個(gè)典型負(fù)荷點(diǎn)在年持續(xù)負(fù)荷曲線上的橫坐標(biāo)；h+1-h表示在P+1與P之間負(fù)荷持續(xù)的近似時(shí)間。

1.2 阻塞緩解價(jià)值

輸電網(wǎng)連接發(fā)電商與用戶，阻塞問(wèn)題在電力市場(chǎng)環(huán)境下將帶來(lái)更大的影響，此處引入阻塞緩解價(jià)值c來(lái)表征待建線路對(duì)消除阻塞的效用。為簡(jiǎn)化模型，此處僅考慮單一買(mǎi)方市場(chǎng)下的對(duì)應(yīng)指標(biāo)。單一買(mǎi)方市場(chǎng)方式一般以全系統(tǒng)購(gòu)電費(fèi)用最少為阻塞調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)[19]，為體現(xiàn)待選線路緩解和消除電網(wǎng)阻塞的程度，結(jié)合年持續(xù)負(fù)荷曲線，取全部典型負(fù)荷點(diǎn)來(lái)計(jì)算阻塞緩解價(jià)值，某一擴(kuò)建方案的全網(wǎng)近似年購(gòu)電費(fèi)用由式（4）計(jì)算，用投建線路前后的全網(wǎng)近似年購(gòu)電費(fèi)用之差表示該擴(kuò)建方案的阻塞緩解價(jià)值。阻塞緩解價(jià)值越大，代表該方案的阻塞緩解效果越好。計(jì)算c使用的典型負(fù)荷點(diǎn)如圖2所示。

圖2 計(jì)算Vc使用的典型負(fù)荷點(diǎn)

阻塞緩解價(jià)值計(jì)算方式為

機(jī)組發(fā)電費(fèi)用可由二次函數(shù)近似表示為

式中：P為機(jī)組在第個(gè)負(fù)荷狀態(tài)下的有功出力；2和1分別為近似函數(shù)的二次項(xiàng)及一次項(xiàng)的系數(shù)，0為其常數(shù)項(xiàng)。

1.3 調(diào)度靈活性?xún)r(jià)值

發(fā)電機(jī)輸出功率轉(zhuǎn)移分布因子（generation shift distribution factor, GSDF）表示由發(fā)電機(jī)有功輸出功率變化引起的支路潮流變化量。GSDF常應(yīng)用于實(shí)時(shí)調(diào)度里的聯(lián)絡(luò)線潮流控制、電力市場(chǎng)的阻塞管理、在線靜態(tài)安全分析等領(lǐng)域。本文利用GSDF尋找系統(tǒng)中受電源出力變化影響程度最嚴(yán)重的線路，調(diào)度靈活性?xún)r(jià)值反映了該線路在系統(tǒng)中各電源改變出力時(shí)的潮流波動(dòng)情況，近似表達(dá)維持發(fā)電商自由交易環(huán)境的潛在需求。

根據(jù)定義，若發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)集合為，可以得到受所有發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)有功功率影響的線路有功潮流變化量為

設(shè)每個(gè)電源節(jié)點(diǎn)變化單位值時(shí)，線路上的有功潮流變化量絕對(duì)值之和為線路調(diào)度靈活性?xún)r(jià)值，即

調(diào)度靈活性?xún)r(jià)值f的物理意義為，當(dāng)每個(gè)電源節(jié)點(diǎn)注入功率變化單位值時(shí)，在線路上引起的功率最大改變量，表征線路承受電源調(diào)度或發(fā)電商自由交易的靈活需求。

2 考慮潛在價(jià)值的輸電網(wǎng)規(guī)劃模型

電網(wǎng)規(guī)劃方法按優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)目可以分為單目標(biāo)電網(wǎng)規(guī)劃和多目標(biāo)電網(wǎng)規(guī)劃。與單目標(biāo)規(guī)劃模型相比，多目標(biāo)規(guī)劃模型可以綜合考慮多個(gè)目標(biāo)函數(shù)，在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)的同時(shí)兼顧其他指標(biāo)，從而獲得綜合效益整體最優(yōu)的方案[20]。

本文以電網(wǎng)建設(shè)投資成本net、高負(fù)荷潮流流通價(jià)值tf、阻塞緩解價(jià)值c和調(diào)度靈活性?xún)r(jià)值f作為規(guī)劃方案的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，計(jì)及電網(wǎng)潮流約束和正常運(yùn)行，將輸電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃模型描述為

電網(wǎng)投資成本net是傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃方法里的基本項(xiàng)，在本文中作為成本并結(jié)合其他指標(biāo)進(jìn)行建模，某一方案獲得效益相近時(shí)，成本較小的方案可投入價(jià)值更大，故此目標(biāo)取最小；當(dāng)輸電價(jià)格一定時(shí)，線路潮流流通越多，線路過(guò)網(wǎng)費(fèi)越高，線路對(duì)電網(wǎng)重要程度越高，負(fù)載率高的線路若阻塞，勢(shì)必影響系統(tǒng)的潮流分布，潮流流通價(jià)值tf的計(jì)算方式為全年在60%以上負(fù)載率狀態(tài)所流通的能量，既計(jì)及線路負(fù)載率，也考慮了線路潮流的大小，此指標(biāo)較大的線路高載且負(fù)載率較高，過(guò)網(wǎng)費(fèi)較其他線路更高，具有一定的投資價(jià)值；阻塞緩解價(jià)值c是通過(guò)線路擴(kuò)建前后發(fā)電費(fèi)用之差表示的，以體現(xiàn)待選規(guī)劃方案緩解和消除電網(wǎng)阻塞的程度，結(jié)合年持續(xù)負(fù)荷曲線可以在時(shí)間維度更具體地描述規(guī)劃方案帶來(lái)的價(jià)值，c越大，表示線路投建后電網(wǎng)發(fā)電成本降低程度越大，即對(duì)電網(wǎng)阻塞的緩解程度越好；調(diào)度靈活性?xún)r(jià)值f用來(lái)尋找受電源出力變化影響程度最嚴(yán)重的線路，表達(dá)了線路承受電源調(diào)度或發(fā)電商自由交易的靈活需求。

電網(wǎng)投資成本net代表線路投入的成本，高負(fù)荷潮流流通價(jià)值tf、阻塞緩解價(jià)值c和調(diào)度靈活性?xún)r(jià)值f從三個(gè)角度表達(dá)了投入成本可以帶來(lái)的價(jià)值收益，用建線成本配合三項(xiàng)價(jià)值收益指標(biāo)篩選出對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行改善程度較大且投資和效益較為合理的線路組合。

3 基于改進(jìn)遺傳算法的模型求解

本文模型中，設(shè)備投資成本、高負(fù)荷潮流流通價(jià)值、阻塞緩解價(jià)值和調(diào)度靈活性?xún)r(jià)值量綱各不相同，且難以給各個(gè)目標(biāo)確定合適的權(quán)重，很難轉(zhuǎn)為單目標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行求解。本文采用智能算法來(lái)求解問(wèn)題。遺傳算法可以對(duì)搜索空間內(nèi)的多個(gè)解進(jìn)行評(píng)估，具有較好的全局搜索性能，考慮到模型具有4個(gè)目標(biāo)，遺傳算法的并行搜索過(guò)程不容易陷入單目標(biāo)的局部最優(yōu)，可提高求解效率，且具有簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)，只需要影響搜索方向的目標(biāo)函數(shù)和對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度（fitness）即可對(duì)模型進(jìn)行求解。

適應(yīng)度在遺傳算法中用來(lái)度量群體中每個(gè)個(gè)體在優(yōu)化問(wèn)題中達(dá)到或接近最優(yōu)解的優(yōu)良程度，度量個(gè)體適應(yīng)度的函數(shù)稱(chēng)為適應(yīng)度函數(shù)（fitness function），本文使用文獻(xiàn)[21]提出的遺傳擇優(yōu)因子作為改進(jìn)遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)。

局部遺傳擇優(yōu)因子描述某一基因個(gè)體對(duì)特定環(huán)境的適應(yīng)程度，對(duì)算法來(lái)說(shuō)即為一個(gè)可行解對(duì)某一目標(biāo)最優(yōu)解的逼近程度，局部遺傳擇優(yōu)因子較大的可行解比較小者更接近單一目標(biāo)的最優(yōu)解[21]。多目標(biāo)的全局遺傳擇優(yōu)因子為各個(gè)局部擇優(yōu)因子之和，各個(gè)目標(biāo)下局部擇優(yōu)因子的權(quán)重相同對(duì)待，認(rèn)為全局遺傳擇優(yōu)因子代表該可行解在多目標(biāo)最優(yōu)要求下的優(yōu)劣程度，將全局遺傳擇優(yōu)因子最高的解視為可較好地滿足各目標(biāo)的最優(yōu)解。

單一目標(biāo)的局部遺傳擇優(yōu)因子為

4 算例分析

4.1 IEEE 39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

采用修改后的新英格蘭系統(tǒng)作為算例驗(yàn)證本文提出的規(guī)劃方法，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D如圖3所示，原始系統(tǒng)參數(shù)取自matpower7.1和DigSLIENT。

在算例中，假設(shè)任意兩節(jié)點(diǎn)間的輸電走廊都允許建設(shè)線路，預(yù)計(jì)負(fù)荷增長(zhǎng)情況見(jiàn)表2。系統(tǒng)基準(zhǔn)年負(fù)荷峰值為6 150.13MW，預(yù)計(jì)在規(guī)劃水平年增加1 200MW負(fù)荷，為滿足增長(zhǎng)的負(fù)荷需求，假設(shè)對(duì)33、34節(jié)點(diǎn)處電源各自增加100MW容量，對(duì)32節(jié)點(diǎn)處電源增加200MW容量，對(duì)31、35、36、37節(jié)點(diǎn)處電源各自增加300MW容量，10臺(tái)機(jī)組的發(fā)電費(fèi)用函數(shù)系數(shù)見(jiàn)表3。線路經(jīng)濟(jì)壽命為15年，單位長(zhǎng)度建設(shè)投資為60萬(wàn)元/km，貼現(xiàn)率為10%。改進(jìn)遺傳算法中參數(shù)設(shè)置如下：種群個(gè)體數(shù)為100，最大遺傳代數(shù)為40，選擇過(guò)程的代溝設(shè)為0.8，交叉過(guò)程為單點(diǎn)交叉，交叉概率設(shè)為0.7，變異概率取0.3/34。經(jīng)過(guò)選擇、交叉、變異過(guò)程后80%的子代個(gè)體按照遺傳擇優(yōu)因子的優(yōu)劣重插入原種群。

圖3 新英格蘭系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

表2 新英格蘭系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷增長(zhǎng)情況

表3 發(fā)電費(fèi)用函數(shù)系數(shù)

4.2 結(jié)果分析

運(yùn)行改進(jìn)的遺傳算法求解考慮設(shè)備投資潛在價(jià)值的輸電網(wǎng)規(guī)劃模型，規(guī)劃結(jié)果見(jiàn)表4。擴(kuò)建線路數(shù)據(jù)明細(xì)見(jiàn)表5。為便于分析，電網(wǎng)建設(shè)投資成本net、高負(fù)荷潮流流通價(jià)值tf和調(diào)度靈活性?xún)r(jià)值f數(shù)據(jù)大小為相對(duì)于極大值的百分比，阻塞緩解價(jià)值c數(shù)據(jù)為規(guī)劃方案投建后，系統(tǒng)發(fā)電成本降低百分比。

6條擬擴(kuò)建線路在圖3中以虛線標(biāo)示，將規(guī)劃水平年系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷狀態(tài)設(shè)為基準(zhǔn)負(fù)荷，計(jì)算系統(tǒng)負(fù)荷處于此基準(zhǔn)狀態(tài)的120%、100%和60%時(shí)的線路負(fù)載百分比與其歸一化成本，得到線路負(fù)荷及成本情況如圖4所示。為保證功率守恒，計(jì)算120%基準(zhǔn)負(fù)荷下的潮流狀態(tài)時(shí)將所有電源的有功上限按比例提升至規(guī)劃水平年的1.15倍。

表4 IEEE 39規(guī)劃結(jié)果

表5 擴(kuò)建線路數(shù)據(jù)明細(xì) 單位: %

圖4 線路負(fù)載及成本情況

高負(fù)荷潮流流通價(jià)值和電網(wǎng)建設(shè)投資成本兩項(xiàng)指標(biāo)，可以使規(guī)劃方法選出的線路在系統(tǒng)不同負(fù)荷情況下的設(shè)備利用率較高且建線成本較低。以阻塞緩解價(jià)值為導(dǎo)向選出的線路，對(duì)低發(fā)電成本電源出力的送出有較大影響，這些電源在電力市場(chǎng)出清中更容易中標(biāo)，故對(duì)此項(xiàng)價(jià)值較高的線路進(jìn)行擴(kuò)建可以緩解系統(tǒng)阻塞。以調(diào)度靈活性?xún)r(jià)值為導(dǎo)向選出的線路，對(duì)電源出力變化更為敏感，這部分線路隨著電源出力變化其負(fù)載率波動(dòng)較大。

線路3(2-3)、12(6-11)、17(10-13)、18(13-14)和22(16-17)在系統(tǒng)低負(fù)荷時(shí)有一定負(fù)載率，在系統(tǒng)負(fù)荷升高后，5條線路的負(fù)載率急劇上升，說(shuō)明5條線路受電源出力變化影響較大。為驗(yàn)證這一問(wèn)題，計(jì)算120%基準(zhǔn)負(fù)荷下的系統(tǒng)潮流狀態(tài)，可以看到，5條線路都滿載或接近滿載。在某些電源因市場(chǎng)交易中標(biāo)而調(diào)整出力狀態(tài)后，這些線路更易阻塞。因線路22(16-17)低負(fù)荷時(shí)利用率過(guò)低且建設(shè)成本較高，與另外4條線路相比，其建設(shè)價(jià)值較低。因線路3(2-3)、12(6-11)、17(10-13)、18(13-14)潮流對(duì)電源出力變化較為敏感，未來(lái)負(fù)荷漸漸提升后，4條線路負(fù)載率將逐步上升，投資具備長(zhǎng)遠(yuǎn)價(jià)值。

線路23(16-21)、27(21-22)和29(23-24)在系統(tǒng)低負(fù)荷和高負(fù)荷時(shí)都有很高的負(fù)載率，這3條線路相較其他線路更容易阻塞。G6、G7是發(fā)電成本最低的機(jī)組，在電力市場(chǎng)交易中更易中標(biāo)，兩臺(tái)機(jī)組功率的輸送有兩條主要途徑，分別為經(jīng)線路27(21-22)、23(16-21)和經(jīng)線路28(22-23)、29(23-24)。而27(21-22)、23(16-21)這條途徑已有滿載情況，這限制了G6的出力，故對(duì)此兩條線路進(jìn)行擴(kuò)建可以直接緩解系統(tǒng)的阻塞。從建設(shè)成本上看，23(16-21)、27(21-22)的建設(shè)成本顯著低于28(22-23)、29(23-24)，且28(22-23)的設(shè)備利用率較低，故線路23(16-21)、27(21-22)的建設(shè)價(jià)值更高。

規(guī)劃方法生成的線路組合，在系統(tǒng)不同負(fù)荷情況下都具備一定的負(fù)載率，設(shè)備利用率較高，在電力市場(chǎng)環(huán)境下，還具備緩解阻塞的功能和長(zhǎng)遠(yuǎn)投資價(jià)值。

5 結(jié)論

本文將潛在價(jià)值評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃模型結(jié)合，建立了一種考慮設(shè)備投資潛在價(jià)值的輸電網(wǎng)規(guī)劃模型，得到主要結(jié)論如下：

1）考慮潛在價(jià)值的電網(wǎng)規(guī)劃，以所尋找的價(jià)值因素為指標(biāo)，選取系統(tǒng)中投資性?xún)r(jià)比最高的線路組合，優(yōu)化規(guī)劃資源的分配，在保證安全性的前提下兼顧系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，可以避免過(guò)度投資。

2）在年持續(xù)負(fù)荷曲線上選取一定數(shù)目的斷面，可以在規(guī)劃時(shí)計(jì)及負(fù)荷的年變化特性而避免模型計(jì)算過(guò)于繁雜。

3）本文提出的潛在價(jià)值指標(biāo)可以較好地反映投建線路在電力市場(chǎng)環(huán)境中的價(jià)值，所生成的規(guī)劃方案具備緩解阻塞的功能和長(zhǎng)遠(yuǎn)投資價(jià)值。

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Transmission network planning considering the potential value of equipment investment in the electricity market

HE Yingjing1WANG Xiran1WANG Wentao2MAO Anjia2LI Haijiang1

(1. Economic and Technology Research Institute, State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd, Hangzhou 310008; 2. School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206)

Electricity market reform has acclaimed higher demand for the investment and asset management of power grid enterprises, and the traditional planning method, whose object is to improve the transmission capacity, appears less able to adapt to this new situation. Under this circumstance, by taking factors including the power flow, the relief of system congestion and the influence of the market into consideration, this paper puts forward a potential value index system to evaluate the economy and practicability of planning schemes. Furthermore, based on the potential value and investment cost, a multi-objective transmission network planning model is proposed, and an improved genetic algorithm is used to solve the model. The effectiveness of the proposed method is verified through the case study based on the modified IEEE 39 bus system.

transmission network planning; value assessment; electricity market; multi-objective planning; improved genetic algorithm

浙江電網(wǎng)公司項(xiàng)目（5211JY18000V）

2022-05-16

2022-07-29

何英靜（1975—），女，碩士，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃研究工作。