基于大規(guī)模新能源接入的電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)研究

王 佐

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司 大慶供電公司，黑龍江 大慶 163458)

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，各個城市的電網(wǎng)建設(shè)也開始提速，電網(wǎng)規(guī)劃的適用性和合理性會對現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)速度和城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度造成直接影響，因此必須進(jìn)行科學(xué)的電網(wǎng)規(guī)劃。而在電網(wǎng)規(guī)劃中，城市過快的發(fā)展步伐也會帶來社會、政策、經(jīng)濟(jì)環(huán)境的不確定性，使規(guī)劃風(fēng)險進(jìn)一步擴(kuò)大[1]。當(dāng)一個城市在短期內(nèi)發(fā)展過快，會帶來經(jīng)濟(jì)環(huán)境的突變以及投融資政策和相關(guān)政策法規(guī)的不健全，此時規(guī)劃的用電企業(yè)可能發(fā)生停產(chǎn)問題，或由于投資的撤銷使區(qū)域用電負(fù)荷降低，增大規(guī)劃城市電網(wǎng)的風(fēng)險。同時還有很多其他城市發(fā)展中的風(fēng)險因素會帶來電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險，也就是說電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險是普遍存在的，基于該背景對電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險的預(yù)警問題進(jìn)行研究。

對電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行研究有重大意義，有利于城市的綜合發(fā)展以及城市功能的完善，同時也是保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)[2]。通過電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)能夠獲取電網(wǎng)規(guī)劃環(huán)境的實際風(fēng)險狀態(tài)，獲取市場與環(huán)境變化對電網(wǎng)規(guī)劃產(chǎn)生的影響，及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)規(guī)劃中存在的危機(jī)與風(fēng)險[3]。各國都很重視電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的研究，并在研究中應(yīng)用了多種方法和技術(shù)，包括數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、邊界值法、均勻設(shè)計法、模糊綜合評價法等。然而電網(wǎng)的發(fā)展是日新月異的，現(xiàn)有研究成果的應(yīng)用往往有效性較低，因此從新的角度出發(fā)對電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計一種考慮大規(guī)模新能源接入的電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)。當(dāng)前電網(wǎng)在改革中不斷接入大量新能源，包括風(fēng)電、光電等，未來還會接入更大規(guī)模的新能源，對電網(wǎng)的運行造成了很大沖擊，更帶來電網(wǎng)規(guī)劃的巨大變革。考慮大規(guī)模新能源接入對電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行研究與電網(wǎng)的發(fā)展趨勢相符合，該研究有重大的現(xiàn)實和理論意義。

1 電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)

1.1 硬件設(shè)計

1.1.1 通信模塊設(shè)計

通過網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器與串口服務(wù)器的設(shè)計實現(xiàn)通信模塊的系統(tǒng)通信功能[4]。網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器的通信芯片選擇IXP425，核心控制處理器選擇Intel Xscale Core，網(wǎng)絡(luò)處理引擎選擇NPEs，模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

其中，通過擴(kuò)展總線能夠?qū)崿F(xiàn)通信芯片IXP425的多種地址映射，具體如下：①隊列管理器地址映射：起始地址6000_0000→終止地址63FF_FFFF，映射大小為64 MB。②2種擴(kuò)展地址映射，分別為：起始地址0000_0000→終止地址0FFF_FFFF，映射大小為128 MB；起始地址5000_0000→終止地址5FFF_FFFF，映射大小為256 MB。③PCI地址映射：起始地址4800_0000→終止地址4FFF_FFFF，映射大小為128 MB。④保留地址映射：起始地址4000_0000→終止地址47FF_FFFF，映射大小為64 MB。⑤SDRAM地址映射：起始地址0000_0000→終止地址3FFF_FFFF，映射大小為2 MB。

圖1 通信模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.1 Structure design of communication module

串口服務(wù)器主要由電源部分、串口電路、網(wǎng)絡(luò)電路、指示燈電路、外圍電路以及嵌入式微處理器構(gòu)成[5]。其中微處理器選擇的型號是STM32F103RCT6芯片。

網(wǎng)絡(luò)電路的設(shè)計如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)電路的設(shè)計Fig.2 Design of network circuit

在指示燈電路中設(shè)置5種顏色的預(yù)警燈用于進(jìn)行風(fēng)險預(yù)警[6]。

1.1.2 處理器模塊設(shè)計

處理器模塊由電源電路、嵌入式處理器芯片、封裝電路構(gòu)成。其中嵌入式處理器芯片選用的型號為XC7Z100-2FFG900I[7]。電源電路由穩(wěn)壓電源電路、防浪涌電路與防反接電路構(gòu)成。

1.2 軟件設(shè)計

1.2.1 風(fēng)險識別模塊設(shè)計

在風(fēng)險識別模塊中，通過分解分析法實現(xiàn)風(fēng)險識別，具體識別流程如圖3所示[8]。風(fēng)險識別模塊還可以引入核查表法或德爾菲法進(jìn)行風(fēng)險識別。

圖3 風(fēng)險識別流程Fig.3 Risk identification process

1.2.2 風(fēng)險評估模塊設(shè)計

在風(fēng)險評估模塊中，構(gòu)建電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險評估體系，對大規(guī)模新能源接入狀態(tài)下的電網(wǎng)規(guī)劃實施風(fēng)險評估。在電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險評估體系的構(gòu)建中，遵循全面性、獨立性、科學(xué)性、針對性、可操作性、靈活性原則對評估指標(biāo)進(jìn)行選取[9]。將一級指標(biāo)定為電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險情況，根據(jù)風(fēng)險識別結(jié)果制定二級指標(biāo)，分別為政策風(fēng)險指標(biāo)、技術(shù)風(fēng)險指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險指標(biāo)、管理風(fēng)險指標(biāo)等[10]。根據(jù)選取的二級指標(biāo)對其對應(yīng)的三級指標(biāo)進(jìn)行選取，構(gòu)建電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險評估體系，具體見表1。

(1)層次結(jié)構(gòu)構(gòu)建。通過層次結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建對復(fù)雜問題進(jìn)行分解，使其變?yōu)槎鄠€相互獨立的元素。

(2)判斷矩陣構(gòu)造。整理分析的數(shù)據(jù)以及相關(guān)資料，比較各因素的重要程度，構(gòu)建兩兩比較矩陣[11]。

(3)獲取相對于準(zhǔn)則層的指標(biāo)層權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗。

(4)通過指標(biāo)權(quán)重的模糊綜合評價實現(xiàn)電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險評估。

利用層次分析法確定體系中各指標(biāo)的權(quán)重。

1.2.3 數(shù)據(jù)庫模塊設(shè)計

在數(shù)據(jù)庫模塊中，設(shè)計優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)庫表以減少數(shù)據(jù)存儲的冗余性，降低存儲數(shù)據(jù)的占用空間。在數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計中，需要對表結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以

表1 構(gòu)建的電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險評估體系Tab.1 Risk assessment system of power grid planning

實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲空間的壓縮，還需要注意字段命名規(guī)則的規(guī)范性與表格功能上的完整性。設(shè)計的數(shù)據(jù)庫表包括風(fēng)險指標(biāo)表、預(yù)警方案表、數(shù)據(jù)信息表、數(shù)據(jù)類型表、用戶信息表、角色信息表等[12]。其中風(fēng)險指標(biāo)表的設(shè)計見表2。

表2 風(fēng)險指標(biāo)表的設(shè)計Tab.2 Design of risk index table

預(yù)警方案表的設(shè)計見表3。在設(shè)計的數(shù)據(jù)庫表中，需要將導(dǎo)入或采集的各種類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成該類數(shù)據(jù)的統(tǒng)一單位，再將其存儲至數(shù)據(jù)庫中[13]。

1.2.4 預(yù)警警報模塊設(shè)計

在預(yù)警警報模塊中，通過風(fēng)險預(yù)警模型的構(gòu)建實現(xiàn)系統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險預(yù)警功能。構(gòu)建的風(fēng)險預(yù)警模型具體功能為以風(fēng)險評估結(jié)果為依據(jù)給出綜合預(yù)警等級[14]。

在預(yù)警警報模塊中，還需要對各指標(biāo)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，當(dāng)風(fēng)險指標(biāo)超出警戒范圍，需要發(fā)出對應(yīng)的指標(biāo)預(yù)警[15]。

表3 預(yù)警方案表的設(shè)計Tab.3 Design of early warning scheme

在綜合預(yù)警的過程中，需要對預(yù)警區(qū)間進(jìn)行劃定。具體如下：將預(yù)警區(qū)間劃分為5個預(yù)警區(qū)，分別為高風(fēng)險區(qū)、較高風(fēng)險區(qū)、中等風(fēng)險區(qū)、較低風(fēng)險區(qū)以及低風(fēng)險區(qū)[16]。預(yù)警的具體信息如下：①高風(fēng)險區(qū)的警度為巨警，預(yù)警信號為紅燈；②較高風(fēng)險區(qū)的警度為重警，預(yù)警信號為紫燈；③中等風(fēng)險區(qū)的警度為中警，預(yù)警信號為黃燈；④較低風(fēng)險區(qū)的警度為輕警，預(yù)警信號為綠燈；⑤低風(fēng)險區(qū)的警度為無警，預(yù)警信號為藍(lán)燈。

1.2.5 風(fēng)險規(guī)避模塊

在風(fēng)險規(guī)避模塊中，通過風(fēng)險控制策略的制定、貫徹以及實施來實現(xiàn)規(guī)避電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險的目的[17]。制定的風(fēng)險控制策略中使用的衍生金融工具為實物期權(quán)、保險。其中實物期權(quán)通過離散型定價方法或Black-Scholes 定價模型進(jìn)行定價；保險能夠?qū)崿F(xiàn)分擔(dān)風(fēng)險、分?jǐn)倱p失以及經(jīng)濟(jì)補償職能，同時能夠?qū)崿F(xiàn)防災(zāi)防損以及投資這兩個派生職能。

制定的風(fēng)險控制策略具體包括電網(wǎng)公司策略與政府部門策略。其中電網(wǎng)公司策略包括加強(qiáng)管理負(fù)荷預(yù)測風(fēng)險、加強(qiáng)同政府部門的協(xié)調(diào)與溝通等；政府部門策略包括加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)政策、財政政策、金融政策的協(xié)調(diào)性；加強(qiáng)監(jiān)測民間借貸等。

2 系統(tǒng)性能的仿真測試

2.1 實驗地區(qū)

在某地開展設(shè)計的考慮大規(guī)模新能源接入的電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的仿真測試。通過設(shè)計系統(tǒng)對該地區(qū)實施電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險預(yù)警，在預(yù)警過程中測試系統(tǒng)性能。實驗地區(qū)位于某省中西部，是該省的居住中心、現(xiàn)代商業(yè)中心、歷史文化中心、行政中心。該市在加速建設(shè)城市配套基礎(chǔ)設(shè)施的同時，也規(guī)劃了一批商業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、教育設(shè)施。并憑借環(huán)境、功能以及區(qū)位上的優(yōu)勢吸引了一批社會資金與優(yōu)勢企業(yè)的進(jìn)駐，注冊的企業(yè)已經(jīng)接近400家，注冊資本則超過百億元。實驗地區(qū)目前的配電網(wǎng)存在以下問題：負(fù)荷較為集中、供電范圍不明確、供電半徑大、供電可靠性差、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)混亂、主干線額定容量與線路配變裝接容量不匹配，且存在迂回供電、交叉供電的亂象。實驗地區(qū)目前的配電網(wǎng)情況如圖4所示。

圖4 實驗地區(qū)目前的配電網(wǎng)情況Fig.4 Current distribution network in experimental area

為滿足該市發(fā)展下的供電需求，對其實施電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃。在電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃中制定了10 kV 配電方案，具體如下：構(gòu)建110/10 kV 變電站，其主變?nèi)萘繛?5 MVA，全電纜進(jìn)出線。該方案的投資估算以及電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模具體見表4。

表4 該方案的投資估算以及電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模Tab.4 Investment estimation and grid construction scale of the scheme

在對實驗地區(qū)進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險預(yù)警時測試系統(tǒng)的預(yù)警性能。

2.2 預(yù)警性能測試結(jié)果

對于實驗地區(qū)，設(shè)計系統(tǒng)的綜合預(yù)警結(jié)果為紅燈，系統(tǒng)輸出的實驗地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃凈現(xiàn)值實際頻數(shù)分布情況如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)輸出的凈現(xiàn)值實際頻數(shù)分布情況Fig.5 Actual frequency distribution of net present value of system output

根據(jù)圖5的系統(tǒng)輸出凈現(xiàn)值實際頻數(shù)分布數(shù)據(jù)，110 kV方案的95%利潤置信區(qū)間在[-4.0×104，-5.0×104]；10kV方案的95%利潤置信區(qū)間在[-1.4×102，-2.8×102]。可見二者在財務(wù)上都是虧損的。因此，才會出現(xiàn)紅色警報。實驗結(jié)果說明，實驗地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃不夠合理，同時說明設(shè)計系統(tǒng)有良好的電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險預(yù)警能力。

3 結(jié)語

在電網(wǎng)改革和傳統(tǒng)能源枯竭的背景下，考慮大規(guī)模新能源接入對電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。所設(shè)計的系統(tǒng)具有良好的電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)險預(yù)警能力，取得了一定研究成果。日后將對該系統(tǒng)進(jìn)行更加系統(tǒng)的測試與改良，以取得更完善的研究成果。