能源轉(zhuǎn)型中電力系統(tǒng)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)分析

國網(wǎng)諸暨市供電公司 趙 力

1 引言

隨著全球氣候變化的加劇和環(huán)境保護(hù)意識的提高，低碳經(jīng)濟(jì)已成為世界范圍內(nèi)的發(fā)展趨勢。而電力行業(yè)作為一個(gè)關(guān)鍵能源領(lǐng)域，進(jìn)行能源轉(zhuǎn)型中電力系統(tǒng)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)分析研究，已經(jīng)成為電力行業(yè)促進(jìn)清潔低碳轉(zhuǎn)型的重要任務(wù)。負(fù)荷精細(xì)化預(yù)測通過利用大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)對未來電力負(fù)載進(jìn)行精確預(yù)測，可以幫助電力企業(yè)科學(xué)規(guī)劃電力供給，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，減少了碳排放的同時(shí)也降低了電力生產(chǎn)成本。低碳市場機(jī)制的建立是電力行業(yè)轉(zhuǎn)型過程中的必要手段，通過建立碳排放權(quán)交易市場、綠色證書市場等機(jī)制，可以引導(dǎo)電力企業(yè)向清潔能源轉(zhuǎn)型，同時(shí)還可以促進(jìn)行業(yè)內(nèi)的競爭和創(chuàng)新。此外碳水平評估技術(shù)和大數(shù)據(jù)運(yùn)行與模擬技術(shù)在電力系統(tǒng)規(guī)劃中也扮演了重要角色，通過對電力企業(yè)進(jìn)行碳排放量的測算和分析，可以幫助企業(yè)制定碳排放減排計(jì)劃和目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)清潔低碳轉(zhuǎn)型。多主體協(xié)同規(guī)劃則是電力系統(tǒng)規(guī)劃實(shí)施的重要保障，通過政府、企業(yè)、社會等主體之間的協(xié)調(diào)合作，可以促進(jìn)電力行業(yè)的整體升級，推動清潔低碳能源的大規(guī)模使用和推廣[1]。

2 能源轉(zhuǎn)型與電力系統(tǒng)規(guī)劃

2.1 能源轉(zhuǎn)型的概念及影響

近年來，全球范圍內(nèi)愈來愈多的國家開始逐步實(shí)現(xiàn)向可再生能源的能源轉(zhuǎn)型。能源轉(zhuǎn)型是指從傳統(tǒng)的化石能源向新型可再生能源轉(zhuǎn)變的過程。背景是全球氣候變化、能源安全和資源枯竭等問題，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提出了迫切要求。能源轉(zhuǎn)型的主要形式包括能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型、能源消費(fèi)方式的轉(zhuǎn)型和能源技術(shù)的轉(zhuǎn)型。能源轉(zhuǎn)型對于全球經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境的發(fā)展都有重要的影響，可以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長、降低碳排放、保障能源安全和改善環(huán)境質(zhì)量。能源轉(zhuǎn)型需要從政策、市場和技術(shù)等多個(gè)方面協(xié)同作用，將成為全球發(fā)展的大趨勢之一[2]。

2.2 電力系統(tǒng)規(guī)劃的概念及作用

電力系統(tǒng)規(guī)劃是指對電力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營和管理的過程，是為了在復(fù)雜多變的條件下，保證電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好的目標(biāo)而創(chuàng)立的。電力系統(tǒng)規(guī)劃涉及各個(gè)領(lǐng)域，包括發(fā)電、輸電、配電、儲能、調(diào)度等，需要充分考慮電力系統(tǒng)中的諸多因素，如負(fù)荷變化、發(fā)電資源、電網(wǎng)的規(guī)模和形態(tài)等[3-4]。在能源轉(zhuǎn)型的背景下，電力系統(tǒng)規(guī)劃的作用變得尤為重要。隨著可再生能源的逐漸應(yīng)用，電力系統(tǒng)規(guī)劃也將面臨新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。新能源的接入對電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營等各階段都帶來了新的要求。能源轉(zhuǎn)型中電力系統(tǒng)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，將有助于優(yōu)化電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)安全性、可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)也加速電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型為可持續(xù)發(fā)展的體系。

3 新型電力系統(tǒng)規(guī)劃模型構(gòu)成

3.1 能源規(guī)劃模型

能源規(guī)劃模型的目標(biāo)是確定最佳電源組合，滿足電力需求的同時(shí)盡可能減少成本和CO2排放。該模型考慮到多種能源的特點(diǎn)，如風(fēng)電和太陽能等不穩(wěn)定性高、核電需要長時(shí)間建設(shè)等，并根據(jù)電力系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析和綜合優(yōu)化。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該模型主要采用線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃和混合整數(shù)規(guī)劃等方法，并建立數(shù)學(xué)模型。通過調(diào)整方案，能夠使得運(yùn)行效率最大化，同時(shí)減少發(fā)電成本和污染排放[5]。

3.2 電網(wǎng)規(guī)劃模型

電網(wǎng)規(guī)劃模型的目標(biāo)是優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高可靠性和安全性。該模型主要分為三個(gè)層次：輸電網(wǎng)規(guī)劃、配電網(wǎng)規(guī)劃和終端用電規(guī)劃。針對不同層次，電網(wǎng)規(guī)劃模型主要采用整數(shù)規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃等方法，并通過建立不同層次的規(guī)劃模型，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和再造。模型從輸變電站規(guī)模、電纜容量、設(shè)備位置等方面進(jìn)行優(yōu)化，從而提高電力系統(tǒng)的可靠性、靈活性和適應(yīng)性。

3.3 可靠性分析模型

可靠性分析模型的目標(biāo)是保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。該模型考慮到多種因素對電力系統(tǒng)可靠性的影響，如設(shè)備老化、惡劣天氣、人為操作失誤等，并采用蒙特卡羅法、故障樹分析等方法，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析。該分析能夠發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化潛在風(fēng)險(xiǎn)，提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。通過對電力系統(tǒng)的可靠性分析，能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的優(yōu)化和再造提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)的可靠性和應(yīng)對意外狀況的能力。

4 能源轉(zhuǎn)型過程中新型電力系統(tǒng)規(guī)劃模型

新型電力系統(tǒng)規(guī)劃模型需要收集和處理各類數(shù)據(jù)，如氣象數(shù)據(jù)、負(fù)荷數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)是模型建立和模擬分析的基礎(chǔ)，需要建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)預(yù)處理流程，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)管理平臺。傳感器節(jié)點(diǎn)可以部署在電網(wǎng)各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上，實(shí)時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理平臺。數(shù)據(jù)管理平臺可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、清洗和預(yù)處理，為后續(xù)模型建立提供可靠的數(shù)據(jù)支持[6]。

4.1 數(shù)據(jù)采集與處理部分

4.1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是新型電力系統(tǒng)規(guī)劃模型建立的第一步，是建立準(zhǔn)確、完整的電力系統(tǒng)規(guī)劃模型的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集的主要內(nèi)容包括電力負(fù)荷數(shù)據(jù)、電力設(shè)備數(shù)據(jù)、新能源數(shù)據(jù)、市場數(shù)據(jù)等。

電力負(fù)荷數(shù)據(jù)是指各個(gè)地區(qū)的用電負(fù)荷數(shù)據(jù)，采集可以從電力公司、政府統(tǒng)計(jì)局等機(jī)構(gòu)獲取，也可以通過對歷史用電數(shù)據(jù)的分析和預(yù)測來獲取。采集到的電力負(fù)荷數(shù)據(jù)包括各個(gè)地區(qū)的用電量、用電負(fù)荷曲線以及負(fù)荷峰值等。電力設(shè)備數(shù)據(jù)是指電力設(shè)備的數(shù)量、類型以及規(guī)模等信息，是電力系統(tǒng)規(guī)劃模型中另一個(gè)重要的數(shù)據(jù)，包括發(fā)電機(jī)組數(shù)量、變電站數(shù)量、輸電線路長度以及配電線路長度等。新能源數(shù)據(jù)是指太陽能、風(fēng)能等新能源的發(fā)電量以及裝機(jī)容量等信息，可以從能源部門、新能源公司等機(jī)構(gòu)獲取。新能源數(shù)據(jù)包括各個(gè)地區(qū)的新能源發(fā)電量、新能源的裝機(jī)容量、新能源的分布情況等。市場數(shù)據(jù)是指電力市場的供求情況、價(jià)格變化等信息。

4.1.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是將采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、整理、加工、分析等處理過程，以得到有用的信息和指標(biāo)。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)分析等步驟。

一是數(shù)據(jù)清洗：使用數(shù)據(jù)挖掘工具、統(tǒng)計(jì)軟件等手段對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、去除異常值、缺失值的處理，以得到干凈規(guī)整的數(shù)據(jù)。二是數(shù)據(jù)整合：將不同來源、不同格式的數(shù)據(jù)整合到同一個(gè)數(shù)據(jù)集中，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。數(shù)據(jù)整合通常使用數(shù)據(jù)集成技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)等進(jìn)行處理。三是數(shù)據(jù)分析：對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模，以得到有用的信息和指標(biāo)。數(shù)據(jù)分析采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、統(tǒng)計(jì)分析等方法進(jìn)行處理，主要包括聚類分析、回歸分析、優(yōu)化分析等。四是數(shù)據(jù)可視化：使用數(shù)據(jù)可視化工具、圖表工具等將處理后的數(shù)據(jù)以圖表、圖形等形式進(jìn)行展示，以便于用戶的理解和分析。

4.2 規(guī)劃模型建立

新型電力系統(tǒng)規(guī)劃模型需要根據(jù)實(shí)際情況建立相應(yīng)的模型，并結(jié)合不同的算法和技術(shù)實(shí)現(xiàn)分析和優(yōu)化。在模型建立之前，需要明確電力系統(tǒng)規(guī)劃目標(biāo)、研究需求和數(shù)據(jù)來源等，以此為基礎(chǔ)確定建模方法和技術(shù)路線。新型電力系統(tǒng)規(guī)劃流程如圖1所示。

建立規(guī)劃模型需要涉及多個(gè)方面，如電力需求預(yù)測、電源配置以及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。需要采用多種算法和方法，如線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并通過計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行求解和優(yōu)化。

4.3 模型模塊設(shè)計(jì)及算法選擇

建立新型電力系統(tǒng)規(guī)劃模型需要考慮多種因素，包括模型的性質(zhì)、模型復(fù)雜度、數(shù)據(jù)量以及計(jì)算效率等，針對模型的不同模塊選擇合適的算法。

4.3.1 線性規(guī)劃（Linear Programming，LP）

在新型電力系統(tǒng)規(guī)劃中，例如進(jìn)行電力資源配置、電網(wǎng)規(guī)劃等問題時(shí)，線性規(guī)劃是一個(gè)比較適用的算法，計(jì)算速度快，求解效率高。該算法主要用于解決目標(biāo)函數(shù)為線性函數(shù)、約束條件為線性不等式或等式的優(yōu)化問題。

4.3.2 非線性規(guī)劃（Nonlinear Programming，NLP）

進(jìn)行電力市場競價(jià)、配電網(wǎng)設(shè)計(jì)等問題時(shí)，可以采用非線性規(guī)劃的算法，可以更準(zhǔn)確地描述實(shí)際問題，但求解難度更大，計(jì)算成本更高。該算法主要用于解決目標(biāo)函數(shù)為非線性函數(shù)、約束條件為非線性不等式或等式的優(yōu)化問題。

4.3.3 整數(shù)規(guī)劃（Integer Programming，IP）

進(jìn)行能源投資決策、電力系統(tǒng)負(fù)荷平衡問題時(shí)選擇整數(shù)規(guī)劃算法，該算法主要用于解決約束條件中包含整數(shù)變量的優(yōu)化問題，對離散化的問題具有較好的處理能力，求解難度比較復(fù)雜。

4.3.4 動態(tài)規(guī)劃（Dynamic Programming，DP）

該算法主要用于解決具有多階段決策的優(yōu)化問題，其核心思想是將問題轉(zhuǎn)化為多個(gè)小問題的組合求解。在新型電力系統(tǒng)規(guī)劃中，例如進(jìn)行電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度、電力市場價(jià)格制定等多階段決策問題時(shí)選擇使用動態(tài)規(guī)劃算法。

除了此類常用的算法外，還有遺傳算法、蟻群算法、模擬退火算法等優(yōu)化算法可以用于建立新型電力系統(tǒng)規(guī)劃模型。選擇哪一種算法需要綜合考慮問題的特點(diǎn)、數(shù)據(jù)量和計(jì)算能力等因素。此外，也可以采用多種算法進(jìn)行對比和驗(yàn)證，從而得到更可靠的結(jié)果。

4.4 方案實(shí)施

在規(guī)劃結(jié)果分析并確定最優(yōu)方案后，準(zhǔn)確實(shí)施方案。該步驟主要包括設(shè)備采購、建設(shè)和運(yùn)維等方面。需要制定詳細(xì)的實(shí)施計(jì)劃和進(jìn)度表，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和跟蹤。

4.5 監(jiān)測與維護(hù)

新型電力系統(tǒng)規(guī)劃的實(shí)施需要進(jìn)行全過程監(jiān)測和維護(hù)。該步驟包括設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和分析、故障排除等方面。需要建立監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)進(jìn)行故障排除和維護(hù)，保證電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。另外還需要定期對規(guī)劃方案進(jìn)行評估和調(diào)整，以適應(yīng)不同階段的需求和變化。

5 結(jié)語

目前國內(nèi)外針對新一代電力系統(tǒng)低碳規(guī)劃問題的研究仍處于起步階段，需要進(jìn)一步完善和發(fā)展。本文能源規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃、可靠性分析等方面對新型電力系統(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。