廖菁，禹海峰，劉麗新

(1． 國網(wǎng)湖南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，湖南 長沙410004;2． 北京清軟創(chuàng)新科技有限公司，北京100085)

電網(wǎng)規(guī)劃是電網(wǎng)發(fā)展的重要組成部分，其任務(wù)是根據(jù)規(guī)劃期內(nèi)電力需求的增長情況，在現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)上，選擇合理的電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目，滿足規(guī)劃期內(nèi)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行〔1〕。在電力市場環(huán)境下，更多的不確定性因素將帶來新的挑戰(zhàn)，而與風(fēng)電并網(wǎng)為電網(wǎng)規(guī)劃帶來更多的風(fēng)險(xiǎn)。如今亟需解決的問題包括怎樣處理電力市場環(huán)境下的多種不確定因素，怎樣對電網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行合理性、經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能環(huán)保性的評估以及怎樣評價(jià)電網(wǎng)規(guī)劃的效果等。

不同的規(guī)劃方案，是進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)度模擬的先決條件，本項(xiàng)目以對未來電力系統(tǒng)的發(fā)輸電調(diào)度方案進(jìn)行長時(shí)間的時(shí)序模擬為目的，以期得到電力規(guī)劃方案下未來電力系統(tǒng)運(yùn)行的形態(tài)，實(shí)現(xiàn)從電力系統(tǒng)運(yùn)行的角度對電力規(guī)劃方案進(jìn)行全方位的評價(jià)。這就需要全面地實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)運(yùn)行的各個(gè)場景進(jìn)行規(guī)劃，在滿足工作人員的研究需求的基礎(chǔ)上，對電力系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)況進(jìn)行仿真。

本文以系統(tǒng)負(fù)荷、電網(wǎng)運(yùn)行方式、機(jī)組檢修計(jì)劃、水電用水量安排以及間歇性能源模擬出力為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在考慮各類型電源的約束條件、分區(qū)備用、系統(tǒng)安全約束的基礎(chǔ)上〔2〕，為了在電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬中，精確化考慮水庫的運(yùn)行過程與水電的發(fā)電量，提出了中長期水電群優(yōu)化運(yùn)行模擬模型。最終形成能夠處理火電、核電、水電、燃機(jī)、熱電、風(fēng)電、太陽能光伏發(fā)電、抽水蓄能等多機(jī)組類型的機(jī)組組合模型，以滿足合理性、節(jié)能環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性為評估目標(biāo)對某電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)例測算分析。

1 中長期水電群優(yōu)化運(yùn)行模擬模型

在水電比例較大的電力系統(tǒng)中，水電群的優(yōu)化調(diào)度能夠帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在中長期時(shí)間范圍內(nèi)，水電群的優(yōu)化運(yùn)行過程是指對具有調(diào)節(jié)能力的水庫，在滿足水庫與水電機(jī)組的運(yùn)行約束，保證正常航運(yùn)、社會(huì)用水、防洪等條件下，對水庫的來水和用水過程進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)盡量減小發(fā)電棄水、提高發(fā)電平均水頭、充分發(fā)揮水電的調(diào)峰效益等目標(biāo)，最終使得水電群的綜合效益最大化。中長期水電群運(yùn)行模擬的精度與水電系統(tǒng)的總發(fā)電量息息相關(guān)〔3－4〕。

水電運(yùn)行優(yōu)化模擬通過離散庫容，引入整數(shù)變量，同時(shí)在某一離散庫容下線性化水電機(jī)組出力與用水曲線的方法，將水電機(jī)組出力、水電機(jī)組用水、水庫庫容三者之間的復(fù)雜非線性關(guān)系線性化，原來的問題被轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的大規(guī)模混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。

長期水電群的優(yōu)化運(yùn)行與中期水電群的優(yōu)化運(yùn)行這兩者在模型上所有約束條件相同，不同之處在于長期水電群的優(yōu)化運(yùn)行模擬的目標(biāo)是水電系統(tǒng)的總發(fā)電量最大，中期水電群的優(yōu)化運(yùn)行模擬的目標(biāo)為綜合考慮水電系統(tǒng)的發(fā)電量與調(diào)峰作用，使得水電效益最大化;2 個(gè)模型之間的協(xié)調(diào)關(guān)系如圖1所示。

圖1 長期模型與中期模型關(guān)系圖

1.1 長期水電群優(yōu)化運(yùn)行模擬

水電群的長期優(yōu)化運(yùn)行模擬模型以月為計(jì)算時(shí)段，目標(biāo)是給出具有月以上調(diào)節(jié)能力水庫的優(yōu)化運(yùn)行過程，使得水電系統(tǒng)能盡量減小棄水，同時(shí)提高平均發(fā)電水頭，以期使水電系統(tǒng)總發(fā)電量最大。模型的難點(diǎn)在于約束條件中水庫庫容、機(jī)組發(fā)電、機(jī)組用水三者之間復(fù)雜非線性的處理〔5－6〕。

目標(biāo)函數(shù)為考慮水電系統(tǒng)在模擬優(yōu)化運(yùn)行期內(nèi)所有水電機(jī)組發(fā)電量最大化:

式中 T 為目標(biāo)優(yōu)化時(shí)段數(shù)(模型以月為計(jì)算時(shí)段);N 為系統(tǒng)水電機(jī)組數(shù);E 為水電機(jī)組發(fā)電量;為水電機(jī)組i 在t 時(shí)段的出力;Δt為系統(tǒng)每個(gè)計(jì)算時(shí)段的長度。

1.2 中期水電群優(yōu)化運(yùn)行模擬

中期水電調(diào)度的任務(wù)是在考慮水電發(fā)電量最大化的同時(shí)，考慮水電與火電的協(xié)調(diào)配合運(yùn)行，為了使得每日火電機(jī)組承擔(dān)的系統(tǒng)負(fù)荷盡量保持均勻，使得相鄰日之間火電機(jī)組的啟停方式不變或者變化最少，合理分配水電機(jī)組每日的發(fā)電量。

水電群的中期優(yōu)化運(yùn)行模擬模型以日為計(jì)算時(shí)段，以長期模型優(yōu)化的結(jié)果作為邊界條件，目標(biāo)是給出具有日以上調(diào)節(jié)能力水庫的優(yōu)化運(yùn)行過程，使得水電系統(tǒng)能綜合考慮水電的調(diào)峰和發(fā)電效益，使水電效益最大化。中期水電優(yōu)化運(yùn)行模型與長期模型的約束條件基本相同，區(qū)別在于目標(biāo)函數(shù)不一致。

為了考慮運(yùn)行日總負(fù)荷與峰谷差的影響，模型中引入每日水電在負(fù)荷高峰出力變量，max 與低谷出力變量，min，假設(shè)水電每日按照日負(fù)荷標(biāo)幺曲線出力，則:

式中 αt為系統(tǒng)每日除基荷外的負(fù)荷占總負(fù)荷的比例;

1.3 效益系數(shù)的選取

1)考慮運(yùn)行日總負(fù)荷的影響

不同運(yùn)行日之間負(fù)荷變化不同，運(yùn)行日負(fù)荷越大，該日分配水電發(fā)電量就越多。效益系數(shù)為

式中 Dmax為模擬器內(nèi)最大負(fù)荷日的負(fù)荷。

2)考慮運(yùn)行日負(fù)荷峰谷差的影響

高峰時(shí)刻水電機(jī)組出力大，低谷時(shí)刻水電機(jī)組出力小，從而減輕系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差，效益系數(shù)為

綜合2 種因素取兩者之積作為效益系數(shù)，即

目標(biāo)函數(shù)為

2 主場景與衍生場景搭建

場景是對未來電網(wǎng)的模擬仿真和全方位評價(jià)的基礎(chǔ)。所謂搭建場景是將電源規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃和負(fù)荷預(yù)測等方案捆綁為一個(gè)整體，并在此基礎(chǔ)上加入風(fēng)電和水電優(yōu)化、檢修的出力等約束條件〔7〕。

主場景詳細(xì)信息包含場景電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和場景運(yùn)行信息2 個(gè)部分。

場景電網(wǎng)結(jié)構(gòu)包含水庫、電廠、機(jī)組、變電站、線路、風(fēng)電場、風(fēng)機(jī)、風(fēng)區(qū)信息。

場景運(yùn)行信息包含系統(tǒng)負(fù)荷、負(fù)荷分布因子、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷偏移系數(shù)、電網(wǎng)外送受電、省網(wǎng)間送受電設(shè)置、機(jī)組檢修計(jì)劃(人工設(shè)定)、機(jī)組檢修計(jì)劃(算法優(yōu)化)、機(jī)組開機(jī)狀態(tài)、機(jī)組指定出力、水庫離散系數(shù)、水庫來水量、水電機(jī)組離散系數(shù)、風(fēng)區(qū)日平均風(fēng)速、風(fēng)區(qū)月平均風(fēng)速、風(fēng)區(qū)之間風(fēng)速相關(guān)系數(shù)。

場景結(jié)構(gòu)包含規(guī)劃方案以及計(jì)算參數(shù)設(shè)定2 個(gè)層面。一個(gè)新場景包含多個(gè)基本要素，如評估時(shí)間、電源方案、電網(wǎng)方案、負(fù)荷方案等;場景設(shè)定結(jié)束要進(jìn)行計(jì)算方案的設(shè)定，即通過參數(shù)的設(shè)定和優(yōu)化目標(biāo)的選取，實(shí)現(xiàn)對未來評估期系統(tǒng)運(yùn)行方式以及優(yōu)化目標(biāo)的確定。

為避免各方案的不匹配性，將電源方案和電網(wǎng)方案以節(jié)點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行匹配，將機(jī)組與節(jié)點(diǎn)掛鉤，進(jìn)行雙向匹配。因此在選擇電源方案時(shí)，電網(wǎng)方案通過條件篩選，得到匹配或不匹配相關(guān)信息。將個(gè)性化電網(wǎng)方案、電源方案、負(fù)荷方案和各種計(jì)算參數(shù)結(jié)合即可以生成主場景相關(guān)信息。

場景搭建如圖2 所示。

圖2 場景搭建

應(yīng)用中，要保持衍生場景的評估時(shí)間與主場景的評估時(shí)間保持一致;設(shè)定衍生場景時(shí)，單次只能選擇一個(gè)變動(dòng)條件。

3 評估指標(biāo)體系

對模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析評價(jià)，系統(tǒng)擬從時(shí)間、空間、指標(biāo)3 個(gè)維度構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系。

時(shí)間維度。由逐日運(yùn)行模擬到年度規(guī)劃分析，精細(xì)化到日層面24 點(diǎn)的時(shí)間顆粒完成對電網(wǎng)運(yùn)行方式的橫向評價(jià)。

空間維度。在不同區(qū)域縱向切割，完成對電網(wǎng)運(yùn)行方式的空間對比。

指標(biāo)維度。從評價(jià)體的自身特性出發(fā)，通過輻射在不同機(jī)組容量、不同機(jī)組煤耗率等條件下的評價(jià)篩選，完成對電網(wǎng)運(yùn)行方式的綜合評價(jià)〔8〕。

評估指標(biāo)體系從合理規(guī)劃、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行3 個(gè)方面展開，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、合理性指標(biāo)和節(jié)能環(huán)保性指標(biāo)分別如圖3—5 所示。

圖3 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)體系

圖4 合理性指標(biāo)體系

圖5 節(jié)能環(huán)保性指標(biāo)體系

4 實(shí)例分析測算

應(yīng)用基于多場景和中長期水電群運(yùn)行模擬技術(shù)研發(fā)的電網(wǎng)規(guī)劃和評估軟件，對某網(wǎng)某年電網(wǎng)規(guī)劃方案進(jìn)行實(shí)例評估。如圖6—8 所示。

圖6 購電成本分析

圖7 機(jī)組平均負(fù)荷率分析情況

圖8 地區(qū)煤耗量情況

5 結(jié)語

基于多場景和運(yùn)行模擬的電網(wǎng)規(guī)劃和評估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了新能源的出力模擬、電源檢修安排、跨流域梯級水電調(diào)度以及逐日連續(xù)“全景”運(yùn)行模擬，通過對計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行成本、燃料消耗以及污染物排放的計(jì)算，達(dá)到了對未來運(yùn)行節(jié)能與經(jīng)濟(jì)性評價(jià)的目的。

后續(xù)工程實(shí)用化的階段中將對本系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)與完善:

1)目前模型中采用離散庫容、線性化水電出力曲線的方法處理水電轉(zhuǎn)換函數(shù)，模型誤差較大，在后期需要更精確地考慮水電轉(zhuǎn)換函數(shù)。

2)目前國內(nèi)電力系統(tǒng)分區(qū)分省運(yùn)行，水電涉及到跨省傳輸，需要進(jìn)一步考慮不同省網(wǎng)或區(qū)域之間的水電傳輸極限與水電消納能力。

〔1〕唐杰斌． 考慮風(fēng)能接入的多場景電網(wǎng)規(guī)劃及其風(fēng)險(xiǎn)評估〔D〕．北京交通大學(xué)． 2011．

〔2〕張全明，蘭泉妮，甘斌． 電網(wǎng)規(guī)劃輔助管理系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用〔J〕． 電力信息化． 2011，9(1):37-40．

〔3〕劉雙全，張海龍． 水電優(yōu)化調(diào)度算法研究綜述〔J〕． 云南電力技術(shù)． 2011，39(4):5-9．

〔4〕李彩林． 水電站中長期優(yōu)化調(diào)度與風(fēng)險(xiǎn)研究〔D〕． 華中科技大學(xué)． 2007．

〔5〕李彬艷． 水電站長期調(diào)峰初步研究〔D〕． 華中科技大學(xué)． 2007．

〔6〕廖勝利． 面向省級電網(wǎng)的跨流域水電群優(yōu)化建模與應(yīng)用研究〔D〕． 大連理工大學(xué)． 2009．

〔7〕杜柏均． 城市電網(wǎng)規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測子系統(tǒng)的開發(fā)和改進(jìn)〔D〕． 天津大學(xué)． 2010．

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