生產(chǎn)模擬仿真在電力市場(chǎng)環(huán)境下的應(yīng)用案例及建議

顧穎中, 李慧杰， 史保壯

(1. 通用電氣能源咨詢， Schenectady, 美國(guó); 2. 通用電氣電網(wǎng)技術(shù)中心有限公司， 上海市 201114)

生產(chǎn)模擬仿真在電力市場(chǎng)環(huán)境下的應(yīng)用案例及建議

顧穎中1, 李慧杰2， 史保壯1

(1. 通用電氣能源咨詢， Schenectady, 美國(guó); 2. 通用電氣電網(wǎng)技術(shù)中心有限公司， 上海市 201114)

生產(chǎn)模擬仿真，作為電力系統(tǒng)規(guī)劃及運(yùn)行的核心工具，在歐美國(guó)家過(guò)去30多年的電力市場(chǎng)化發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。文中重點(diǎn)介紹了生產(chǎn)模擬仿真的概念、結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型和應(yīng)用情況，對(duì)其在電力市場(chǎng)環(huán)境下的應(yīng)用案例進(jìn)行了詳細(xì)分析；探討了生產(chǎn)模擬仿真在中國(guó)應(yīng)用所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。文中建議在中國(guó)電力市場(chǎng)化改革背景下的系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行機(jī)制研究中應(yīng)用生產(chǎn)模擬仿真并對(duì)其作必要的改進(jìn)，以促進(jìn)中國(guó)系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行機(jī)制的科學(xué)發(fā)展。

生產(chǎn)模擬仿真; 電力市場(chǎng); 輸電阻塞評(píng)估； 可再生能源接入

0 引言

2015年在中國(guó)電改“中發(fā)〔2015〕9號(hào)文”出臺(tái)后，國(guó)家相關(guān)部委陸續(xù)發(fā)布了相應(yīng)配套文件，從不同角度為電力市場(chǎng)改革提供政策性指導(dǎo)和實(shí)施依據(jù)。同時(shí)確定了首批試點(diǎn)省、市，分別從售電側(cè)、輸配電價(jià)、電改綜合方面推動(dòng)電改實(shí)施，探索實(shí)現(xiàn)電力市場(chǎng)資源優(yōu)化配置的途徑[1]。全國(guó)相關(guān)高校、科研機(jī)構(gòu)也從經(jīng)濟(jì)學(xué)理論角度，結(jié)合中國(guó)電力工業(yè)實(shí)際，開(kāi)展電力市場(chǎng)仿真模擬建構(gòu)，研究電力市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行新模式。但是，由于電力商品的特殊性，電力市場(chǎng)相關(guān)活動(dòng)存在著種種風(fēng)險(xiǎn)，如何規(guī)避和使各種風(fēng)險(xiǎn)影響最小化是推動(dòng)電力市場(chǎng)健康發(fā)展的必然要求[2]。因此，有必要建立電力市場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)，研究、驗(yàn)證各種市場(chǎng)方案和規(guī)則的合理性以及分析可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)[3]。通過(guò)建立和完善模擬仿真系統(tǒng)，在充分考慮利用經(jīng)濟(jì)杠桿的調(diào)節(jié)作用條件下，實(shí)現(xiàn)電力市場(chǎng)綜合效益的最大化[4]。

歐美國(guó)家在過(guò)去30多年的電力市場(chǎng)改革過(guò)程中也面臨過(guò)很多挑戰(zhàn)[5]。在這個(gè)過(guò)程中，電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬仿真(production simulation)作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在電力市場(chǎng)變革的大環(huán)境下，為解決電網(wǎng)市場(chǎng)機(jī)制評(píng)估、電力市場(chǎng)整合分析、中長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)規(guī)劃、可再生能源消納、輔助服務(wù)市場(chǎng)及容量市場(chǎng)評(píng)估等一系列關(guān)鍵問(wèn)題發(fā)揮了重要作用[6-9]。電力市場(chǎng)分析是生產(chǎn)模擬仿真主要應(yīng)用場(chǎng)景之一。

生產(chǎn)模擬仿真的核心價(jià)值在于通過(guò)科學(xué)的方法對(duì)新的市場(chǎng)機(jī)制進(jìn)行預(yù)演和評(píng)估，從而有效地減少不良設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的潛在風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，生產(chǎn)模擬仿真建模也會(huì)幫助中國(guó)電力市場(chǎng)研究建立完備的數(shù)據(jù)庫(kù)，為未來(lái)的各種研究協(xié)作提供寶貴的數(shù)據(jù)平臺(tái)。本文介紹了電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬仿真的模型和結(jié)構(gòu)，以及典型應(yīng)用案例，為中國(guó)電力市場(chǎng)改革背景下的系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行機(jī)制發(fā)展提供參考。

1 生產(chǎn)模擬仿真簡(jiǎn)介

生產(chǎn)模擬仿真主要研究電力系統(tǒng)調(diào)度中的機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題，進(jìn)而評(píng)估在不同市場(chǎng)機(jī)制下各機(jī)組以及整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題[6-7]。通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行仿真，再依據(jù)仿真結(jié)果作各類電力系統(tǒng)規(guī)劃分析。通過(guò)模擬電力系統(tǒng)的中長(zhǎng)期運(yùn)行，從而能夠更精確地確定電網(wǎng)以及系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行方式。

多區(qū)域生產(chǎn)模擬仿真不但可以計(jì)算以滿足系統(tǒng)各個(gè)時(shí)間負(fù)荷需求為目標(biāo)系統(tǒng)調(diào)度所需的電源開(kāi)機(jī)組合及各機(jī)組的出力、排放，還可以計(jì)算系統(tǒng)輸電網(wǎng)絡(luò)的有功潮流和節(jié)點(diǎn)電價(jià)，并考慮輸電線路受到載荷約束和系統(tǒng)安全約束以及其他邊界條件，分析線路阻塞和機(jī)組出力的改變對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成本和經(jīng)濟(jì)性的影響。生產(chǎn)模擬仿真可用于以下方面的研究。

1)電力市場(chǎng)模擬?？梢阅M電力市場(chǎng)的不同結(jié)構(gòu)和模式，進(jìn)行規(guī)則/機(jī)制的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。如已在紐約電力市場(chǎng)、加州電力市場(chǎng)、新英格蘭電力市場(chǎng)和PJM電力市場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)行中均發(fā)揮了重要作用。

2)輸電費(fèi)用計(jì)算。計(jì)算系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)，進(jìn)而分析各電源的輸電成本，為相應(yīng)輸電協(xié)議提供支持。

3)輸電阻塞分析。分析系統(tǒng)中輸電線路和聯(lián)絡(luò)線的阻塞及其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成本的影響，研究可能的改進(jìn)措施，如增加線路、系統(tǒng)加強(qiáng)或增加輸電能力。

4)新增電源、輸電電路或需求響應(yīng)的影響評(píng)估。分析上述措施對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行成本的影響以及系統(tǒng)內(nèi)各輸電線路載荷的影響，從而為最優(yōu)方案/措施提供決策支持。

5)電力庫(kù)設(shè)計(jì)。研究各機(jī)組在電力庫(kù)中的成本以及電力庫(kù)規(guī)則的設(shè)計(jì)。

6)新能源(風(fēng)電和光電等間歇性電源)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響分析。分析新能源對(duì)系統(tǒng)調(diào)度和運(yùn)行成本的影響，研究提高系統(tǒng)消納能力的各種措施及其優(yōu)化方法。

2 生產(chǎn)模擬仿真的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬仿真的核心職能是求解電力系統(tǒng)機(jī)組組合和電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題。圖 1所示為簡(jiǎn)化的生產(chǎn)模擬仿真的流程圖[10]。在進(jìn)行了全方位的系統(tǒng)初始化和各種輸入數(shù)據(jù)處理后，生產(chǎn)模擬仿真核心是在3個(gè)時(shí)間尺度(年、周、小時(shí))中對(duì)機(jī)組組合問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行求解，從而計(jì)算出每小時(shí)線路潮流、機(jī)組出力、節(jié)點(diǎn)電價(jià)、排放、機(jī)組和負(fù)荷歷時(shí)曲線等各種結(jié)果。生產(chǎn)模擬仿真允許用戶在時(shí)間和空間上進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的重載，以提高對(duì)各種可能的系統(tǒng)狀況進(jìn)行建模的自由度和靈活度。

圖1 生產(chǎn)模擬仿真流程圖Fig.1 Flowchart of power system production simulation

機(jī)組組合問(wèn)題的優(yōu)化目標(biāo)是最小化全系統(tǒng)的運(yùn)行成本(包括機(jī)組啟停成本)的同時(shí)滿足各種運(yùn)行約束條件，其決策變量是機(jī)組每小時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)?？梢杂墒?1)至式(13)來(lái)描述[11-12]。

(1)

(2)

-Fmax≤Fk≤Fmaxk=1,2,…,T

(3)

(4)

PGi,k+1-PGi,k≤RUixi,k+SUi(xi,k+1-xi,k)+

(5)

PGi,k-PGi,k+1≤RDixi,k+SDi(xi,k-xi,k+1)+

(6)

i∈G,k=2,3,…,T

(7)

i∈G,k=2,3,…,T

(8)

i∈G,k=1,2,…,T

(9)

(10)

xi,k-xi,k-1≤cUi,ki∈G,k=1,2,…,T

(11)

xi,k-1-xi,k≤cDi,ki∈G,k=1,2,…,T

(12)

xi,k,cUi,k,cDi,k∈{0,1}i∈G,k=1,2,…,T

(13)

經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題的優(yōu)化目標(biāo)是最小化全系統(tǒng)的運(yùn)行成本(不包括機(jī)組啟停成本)的同時(shí)滿足各種運(yùn)行約束條件，其決策變量是機(jī)組每個(gè)調(diào)度時(shí)段的出力，可以由目標(biāo)函數(shù)式(14)，以及約束條件式(2)、式(3)、式(15)至式(17)來(lái)描述[13-15]。

(14)

PGi,k+1-PGi,k≤RUii∈G,k=1,2,…,T-1

(15)

PGi,k-PGi,k+1≤RDii∈G,k=1,2,…,T

(16)

(17)

雖然從數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)流程圖上來(lái)看，生產(chǎn)模擬仿真只是將傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)調(diào)度(經(jīng)濟(jì)調(diào)度、機(jī)組組合問(wèn)題)放在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度(如12個(gè)月或30年)上運(yùn)行，但工業(yè)級(jí)的生產(chǎn)模擬仿真和電力系統(tǒng)調(diào)度在模型架構(gòu)、算法以及應(yīng)用特性上卻區(qū)別較大。表1列舉了電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬仿真和電力系統(tǒng)調(diào)度的一些主要區(qū)別。

表1 生產(chǎn)模擬仿真和電力系統(tǒng)調(diào)度比較Table 1 Comparison between production simulation and power system scheduling

由于電力系統(tǒng)調(diào)度決定系統(tǒng)中機(jī)組的出力和開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在電力市場(chǎng)環(huán)境下還決定節(jié)點(diǎn)電價(jià)和市場(chǎng)運(yùn)行效率，因此其計(jì)算精度和對(duì)優(yōu)化算法的最優(yōu)精度要求較高。相比較而言，生產(chǎn)模擬仿真是對(duì)電力系統(tǒng)的中長(zhǎng)期運(yùn)行進(jìn)行模擬，并不直接決定機(jī)組出力和影響系統(tǒng)運(yùn)行效率，其計(jì)算精度和優(yōu)化精度的要求自然比電力系統(tǒng)調(diào)度的要求低。同時(shí)生產(chǎn)模擬仿真大多用于解決規(guī)劃問(wèn)題，它的時(shí)間尺度相較于解決系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題的電力系統(tǒng)調(diào)度而言是相當(dāng)大的。以北美為例，很多大型電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃和可再生能源并網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)題的研究周期可以長(zhǎng)達(dá)30年。因?yàn)橄鄬?duì)較長(zhǎng)的時(shí)間尺度，生產(chǎn)模擬仿真所面臨的不確定性也較系統(tǒng)調(diào)度要大得多。就電力系統(tǒng)調(diào)度中最復(fù)雜的機(jī)組組合問(wèn)題而言，其面臨的主要不確定性是日前市場(chǎng)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)之間直接的負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差、可再生能源預(yù)測(cè)誤差、機(jī)組或線路故障等。而生產(chǎn)模擬仿真所面臨的不確定性則是長(zhǎng)達(dá)30年的負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差、可再生能源預(yù)測(cè)誤差、新機(jī)組選址、舊機(jī)組停運(yùn)、政策變化、燃料價(jià)格變化、系統(tǒng)運(yùn)行方式變化和貨幣價(jià)值隨時(shí)間變化等各種不確定性。也正因?yàn)槿绱耍@些不確定性帶來(lái)的誤差將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)最優(yōu)化方法和計(jì)算方法本身的誤差，使得花費(fèi)大量計(jì)算資源一味追求計(jì)算精度對(duì)生產(chǎn)模擬仿真而言變得意義不大。為了應(yīng)對(duì)各種不確定性的挑戰(zhàn)，生產(chǎn)模擬仿真需要作大量的靈敏度分析，以確保最終的規(guī)劃方案在各種條件下都有符合預(yù)期的表現(xiàn)。

在中長(zhǎng)期電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬中，還需考慮各種各樣復(fù)雜的中長(zhǎng)期約束條件，如天然氣的區(qū)域性供氣約束(例如美國(guó)東北地區(qū)有很多天然氣機(jī)組，由于要優(yōu)先保證居民用戶供暖，會(huì)分片區(qū)采取季度性的供氣上限，即某個(gè)地區(qū)的天然氣機(jī)組在某個(gè)季度內(nèi)發(fā)電所用天然氣不得超過(guò)某個(gè)上限)和排放限制的約束條件(即某臺(tái)發(fā)電機(jī)全年碳排放、氮化物排放、硫化物排放不得超過(guò)某個(gè)上限)等。

除了時(shí)間上的巨大跨度，生產(chǎn)模擬仿真還需建立空間上的巨大跨度。例如對(duì)美國(guó)加州電力系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)模擬仿真時(shí)，不僅要對(duì)其內(nèi)部系統(tǒng)建模，還需使用整個(gè)北美西部大電網(wǎng)(WECC)的數(shù)據(jù)庫(kù)，包括美國(guó)和加拿大兩國(guó)數(shù)十個(gè)行政州(省)[16]。如此巨大的空間跨度和時(shí)間跨度使得生產(chǎn)模擬仿真對(duì)核心算法的計(jì)算性能要求非常高，往往對(duì)相同區(qū)域的工業(yè)級(jí)生產(chǎn)模擬仿真的計(jì)算性能需要達(dá)到電力系統(tǒng)調(diào)度的數(shù)十至數(shù)百倍。

3 生產(chǎn)模擬仿真的案例分析

電力市場(chǎng)環(huán)境下的電力系統(tǒng)分析是生產(chǎn)模擬仿真非常重要的應(yīng)用場(chǎng)景。在歐美的能源電力行業(yè)，通常在電力市場(chǎng)環(huán)境下，通過(guò)生產(chǎn)模擬仿真可以做以下研究：評(píng)估電力市場(chǎng)的運(yùn)行效率；評(píng)估市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)是否合理，能否進(jìn)一步改善；新區(qū)域整合入某一電力市場(chǎng)所能得到的綜合效益提升；研究各種新增輔助服務(wù)市場(chǎng)/產(chǎn)品對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響，從市場(chǎng)參與者的角度對(duì)他們的報(bào)價(jià)曲線和報(bào)價(jià)策略進(jìn)行優(yōu)化；研究電力市場(chǎng)環(huán)境下用戶資產(chǎn)的利用率；研究各種新技術(shù)或商業(yè)模式對(duì)電力市場(chǎng)或電力系統(tǒng)的影響等。

3.1 電力市場(chǎng)整合研究

生產(chǎn)模擬仿真的主要應(yīng)用之一是電力市場(chǎng)整合研究。美國(guó)加州電力市場(chǎng)是目前世界上最成熟的電力市場(chǎng)之一。PacifiCorp是美國(guó)西部重要的電網(wǎng)公司，為美國(guó)西部6個(gè)州(加州、俄勒岡州、猶他州等)的居民提供電力服務(wù)[17]。由于人口和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)、可再生能源的推廣以及州政府和聯(lián)邦政府的各種能源環(huán)保政策的變化，諸如PacifiCorp這樣的電網(wǎng)公司想進(jìn)一步謀求更好的區(qū)域合作和資源整合,以進(jìn)一步降低運(yùn)行成本。因此，PacifiCorp和加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行商(ISO)于2014至2015年共同開(kāi)展了一項(xiàng)電力市場(chǎng)整合研究，通過(guò)電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬仿真來(lái)全面分析PacifiCorp加入加州ISO所運(yùn)營(yíng)電力市場(chǎng)的利弊[18]。

該研究依據(jù)不同的負(fù)荷水平、可再生能源穿透率，以及2個(gè)區(qū)域間的輸電傳輸容量分別建立低水平場(chǎng)景和高水平場(chǎng)景，通過(guò)對(duì)整個(gè)北美西部電網(wǎng)WECC的生產(chǎn)模擬仿真得到以下的結(jié)論(具體模擬結(jié)果見(jiàn)附錄A表A1)：通過(guò)電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬仿真能夠科學(xué)和定量地分析出PacifiCorp電網(wǎng)公司加入加州電力市場(chǎng)所能夠獲得的各種收益，其中包括在提高電網(wǎng)調(diào)度效率、降低系統(tǒng)裝機(jī)容量、有效管理可再生能源導(dǎo)致的電力過(guò)剩等方面的顯著提升，從而更好地支持PacifiCorp公司整合入加州電力市場(chǎng)的戰(zhàn)略決策。

3.2 電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃及輸電阻塞評(píng)估

進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃分析時(shí)，輸電線路阻塞的影響是非常重要的一個(gè)方面。輸電阻塞所對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本對(duì)于電力市場(chǎng)下的電網(wǎng)運(yùn)行是一個(gè)非常重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如果發(fā)生輸電阻塞，會(huì)影響系統(tǒng)中機(jī)組的出力以及輸電網(wǎng)絡(luò)的潮流，并且限制了系統(tǒng)供給側(cè)和需求側(cè)資源的自由配給，降低市場(chǎng)運(yùn)行效率。生產(chǎn)模擬仿真是研究輸電阻塞影響的有效手段，因而它在ISO的電網(wǎng)規(guī)劃部門(mén)所進(jìn)行的電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃及輸電阻塞評(píng)估中發(fā)揮了重要作用，如紐約州ISO進(jìn)行的輸電阻塞評(píng)估及電源并網(wǎng)研究[19]。該項(xiàng)研究每年都要進(jìn)行，其目的是在紐約電力市場(chǎng)框架下為整個(gè)紐約州的電網(wǎng)進(jìn)行未來(lái)幾十年的輸電阻塞評(píng)估,為紐約電力市場(chǎng)參與者提供減少輸電阻塞和增加運(yùn)行效率的方案,同時(shí)為電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目的審批提供科學(xué)和經(jīng)濟(jì)的依據(jù)[19]。

該項(xiàng)研究主要通過(guò)通用電氣(GE)的多區(qū)域生產(chǎn)模擬仿真軟件進(jìn)行，其對(duì)紐約電網(wǎng)以及幾個(gè)相鄰的區(qū)域大電網(wǎng)(PJM等)進(jìn)行非常細(xì)致的數(shù)學(xué)建模，除了基本的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、機(jī)組及負(fù)荷參數(shù)之外，還包括未來(lái)幾十年新增及停運(yùn)機(jī)組、線路、柔性輸電設(shè)備，同步調(diào)相機(jī)，跨區(qū)域雙邊及多邊協(xié)議，各種故障及政策性約束，各種燃料(煤、石油、天然氣、核燃料等)價(jià)格預(yù)測(cè)，各種排放(二氧化碳、氮化物、硫化物等)曲線，最低資本回報(bào)率(hurdle rate)等各種復(fù)雜因素。該研究的主要成果包括未來(lái)幾十年全系統(tǒng)輸電阻塞情況分析、系統(tǒng)及各區(qū)域運(yùn)行成本、發(fā)電量、區(qū)域電能進(jìn)出量、預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)價(jià)格、發(fā)電企業(yè)的收益及電網(wǎng)企業(yè)的支出、各種污染物排放等。

通過(guò)對(duì)輸電阻塞價(jià)格的總結(jié)(2016至2034年紐約州所有主要輸電走廊的輸電阻塞價(jià)值的變化，見(jiàn)附錄A圖A1)，可以表明對(duì)輸電線路進(jìn)行升級(jí)改造來(lái)消除阻塞所帶來(lái)的全系統(tǒng)運(yùn)行成本降低的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[20]，它為紐約州興建輸電工程提供了科學(xué)的指導(dǎo)性意見(jiàn)。

3.3 可再生能源消納研究

生產(chǎn)模擬仿真在電力市場(chǎng)環(huán)境下的另一項(xiàng)重要應(yīng)用是可再生能源消納研究。很多可再生能源集中的地區(qū)都面臨著棄風(fēng)、棄光等各種并網(wǎng)問(wèn)題，同時(shí)大規(guī)模的可再生能源接入對(duì)電網(wǎng)的可靠性、安全性、電源結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)運(yùn)行等方面所帶來(lái)一系列挑戰(zhàn)。一種成熟有效的電力市場(chǎng)機(jī)制能夠更好地調(diào)配區(qū)域內(nèi)及跨區(qū)域的各種資源以更好地支持電網(wǎng)對(duì)可再生能源的消納。因而如何科學(xué)和定量地分析可再生能源在電力市場(chǎng)環(huán)境下的消納問(wèn)題就成為生產(chǎn)模擬仿真的另一個(gè)重要應(yīng)領(lǐng)域。

泛加拿大風(fēng)電消納研究[21]是繼美國(guó)東部可再生能源消納研究[22]和美國(guó)西部風(fēng)電和太陽(yáng)能消納研究[23]之后北美大陸最主要的可再生能源消納研究之一。該研究對(duì)整個(gè)美加大電網(wǎng)進(jìn)行詳細(xì)建模，旨在分析和解決泛加拿大地區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)消納的一系列關(guān)鍵問(wèn)題，如加拿大電網(wǎng)能否支持政策預(yù)期的35%風(fēng)電穿透率、需要增加多少額外的備用容量、棄風(fēng)狀況如何、對(duì)各區(qū)域污染物排放的影響是多少、需要對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)進(jìn)行怎樣的擴(kuò)容規(guī)劃,以及這些可再生能源帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)環(huán)保收益的量化分析等。該研究假設(shè)4個(gè)場(chǎng)景[24]。5%基本場(chǎng)景代表著現(xiàn)有的加拿大電網(wǎng)以及已經(jīng)投運(yùn)及在建的所有風(fēng)電場(chǎng)，其約占總裝機(jī)容量的5%。20%分布式場(chǎng)景代表著將風(fēng)電的穿透率提升至20%，并且平均分布到加拿大各省。20%集中式場(chǎng)景指將風(fēng)電穿透率提升至20%且集中分布在風(fēng)電資源最好且容量系數(shù)最高的地點(diǎn)，這意味著各省風(fēng)電資源裝機(jī)分配不均。35%目標(biāo)場(chǎng)景指根據(jù)加拿大各省的可再生能源政策目標(biāo)分配而全國(guó)總的風(fēng)電穿透率達(dá)到35%。

通過(guò)生產(chǎn)模擬仿真，可以發(fā)現(xiàn)越高的風(fēng)電穿透率將導(dǎo)致越高的棄風(fēng)率，而分布式場(chǎng)景會(huì)比集中式場(chǎng)景有著略高的棄風(fēng)率[21]，具體結(jié)果見(jiàn)附錄A表A2)。

圖2展示了在泛加拿大風(fēng)電并網(wǎng)研究中生產(chǎn)模擬仿真得到的各種污染物排放下降的預(yù)測(cè)[21]。由于加拿大和美國(guó)電網(wǎng)間的高度互聯(lián)，以及美國(guó)有著更高比例的天然氣和煤電電源結(jié)構(gòu)，因此從3種主要污染物(二氧化碳、硫化物、氮化物)的排放來(lái)看，美國(guó)側(cè)的污染物排放下降要超過(guò)加拿大側(cè)?？紤]到加拿大新增的可再生能源導(dǎo)致的從加拿大到美國(guó)的大規(guī)模輸電，這樣的排放變化是符合預(yù)期的。

圖2 各種污染物排放的預(yù)測(cè)Fig.2 Projected reduction in various emissions

通過(guò)生產(chǎn)模擬仿真得到加拿大西部電網(wǎng)輸電擴(kuò)容規(guī)劃[21](具體規(guī)劃線路圖見(jiàn)附錄A圖A2)。表2為各種場(chǎng)景下對(duì)相關(guān)區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行輸電擴(kuò)容所需的投資，其所能夠帶來(lái)的電網(wǎng)運(yùn)行成本的下降以及投資回報(bào)時(shí)間[24]。

表2 輸電擴(kuò)容投資回報(bào)分析Table 2 Investment return analysis for transmission expansion

從表2中可以看到對(duì)5%基本場(chǎng)景的輸電擴(kuò)容投資所需和2個(gè)20%場(chǎng)景的輸電擴(kuò)容投資所需相差并不大(上升28.5%)，但2個(gè)20%場(chǎng)景的可再生能源消納比例卻是5%基本場(chǎng)景的4倍(上升300%)。同樣風(fēng)電穿透率下，集中式場(chǎng)景比分布式場(chǎng)景更優(yōu)，分別提升12.5%的投資回報(bào)和縮短13.9%的回報(bào)周期。四個(gè)場(chǎng)景相比而言，35%目標(biāo)場(chǎng)景有著最高的輸電擴(kuò)容投資回報(bào)和最短的投資回報(bào)周期,同時(shí)也能最大限度地使泛加拿大電網(wǎng)消納可再生能源。

4 應(yīng)用建議

在中國(guó)應(yīng)用生產(chǎn)模擬仿真面臨著一系列的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。首先，高質(zhì)量的電力系統(tǒng)仿真離不開(kāi)精細(xì)完備的數(shù)據(jù)庫(kù)建模，包括建立一整套數(shù)據(jù)采集、校對(duì)、調(diào)試、跨區(qū)域合作、數(shù)據(jù)分享和安全保密體系。其次，基于生產(chǎn)模擬仿真的電網(wǎng)規(guī)劃和目前國(guó)內(nèi)電網(wǎng)公司、設(shè)計(jì)院主導(dǎo)的規(guī)劃模式有較大的區(qū)別，如何使這些新方法、新工具逐漸被規(guī)劃部門(mén)所接受，同時(shí)結(jié)合中國(guó)的實(shí)際情況整合到現(xiàn)有的規(guī)劃體系中也是一個(gè)主要的挑戰(zhàn)。再次，生產(chǎn)模擬仿真是一個(gè)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的復(fù)雜學(xué)術(shù)問(wèn)題，如何通過(guò)先進(jìn)的計(jì)算方法、混合整數(shù)優(yōu)化方法、數(shù)學(xué)建模等來(lái)滿足生產(chǎn)模擬仿真對(duì)計(jì)算性能、大量不確定性、優(yōu)化精度、復(fù)雜的中長(zhǎng)期約束、靈敏度分析等方面的要求，始終是非常有價(jià)值的研究方向。

對(duì)于電改下的各種機(jī)制，多數(shù)可以通過(guò)生產(chǎn)模擬仿真已有的模型和規(guī)則對(duì)其建模，例如輸配電價(jià)可以分別被加入到現(xiàn)有的計(jì)算模型中，大用戶直購(gòu)電可以通過(guò)各種靈活的雙邊交易模型來(lái)建模。對(duì)于目前生產(chǎn)模擬仿真系統(tǒng)尚不能建模的機(jī)制，則需要開(kāi)展進(jìn)一步工作，以便適應(yīng)電力市場(chǎng)發(fā)展的需要。

5 結(jié)語(yǔ)

歐美電力市場(chǎng)在從初期到目前相對(duì)成熟的發(fā)展過(guò)程中，電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬仿真始終是一項(xiàng)重要的技術(shù)，其對(duì)電力市場(chǎng)發(fā)展、政策制定、電網(wǎng)規(guī)劃、可再生能源消納等方面能夠進(jìn)行定量、科學(xué)地分析，從而提供寶貴的參考意見(jiàn)和政策指導(dǎo)。本文重點(diǎn)介紹了生產(chǎn)模擬仿真的核心概念、數(shù)學(xué)建模，以及其與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)調(diào)度的區(qū)別；通過(guò)分析北美地區(qū)的應(yīng)用案例，詳細(xì)闡述了生產(chǎn)模擬仿真在電力市場(chǎng)整合、電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃及輸電阻塞評(píng)估以及可再生能源消納等方面的應(yīng)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。

隨著中國(guó)電力市場(chǎng)改革的推進(jìn)，在探索如何建立符合中國(guó)國(guó)情的電力市場(chǎng)過(guò)程中，有必要開(kāi)展在中國(guó)電力市場(chǎng)環(huán)境下的生產(chǎn)模擬仿真，為中國(guó)電力市場(chǎng)的發(fā)展和提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性發(fā)揮積極作用。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

[1] 白楊,謝樂(lè),夏清,等.中國(guó)推進(jìn)售電側(cè)市場(chǎng)化的制度設(shè)計(jì)與建議[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,39(14):1-7.DOI:10.7500/AEPS20150514003.

BAI Yang, XIE Le, XIA Qing, et al. Institutional design of Chinese retail electricity market reform and related suggestions[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(14): 1-7.DOI: 10.7500/AEPS20150514003.

[2] 邵常政，丁一，宋永華，等.典型新興市場(chǎng)國(guó)家電力體制改革經(jīng)驗(yàn)及借鑒意義[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2015，9(8)：13-18.

SHAO Changzheng, DING Yi, SONG Yonghua, et al. Experiences of power system deregulation in typical emerging market countries and its reference value for China[J]. Southern Power System Technology, 2015， 9(8)： 13-18.

[3] 黃杰，薛禹勝，文福拴，等.電力市場(chǎng)仿真平臺(tái)的評(píng)述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(9)：6-13.

HUANG Jie, XUE Yusheng, WEN Fushuan, et al. A review of power market simulation platform[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(9): 6-13.

[4] 關(guān)國(guó)英.淺析我國(guó)電力市場(chǎng)的現(xiàn)狀及改革趨勢(shì)[J].機(jī)電信息，2010(36):20-21.

[5] GRIFFIN J M, STEVEN L P. Electricity deregulation： choices and challenges： Vol 4[M]. Chicago: University of Chicago Press， 2009.

[6] 劉純,黃越輝,禮曉飛,等.一種用于生產(chǎn)模擬仿真的省間聯(lián)絡(luò)線優(yōu)化調(diào)度方法：CN105470956A[P].2016-06-04.

[7] 可再生能源發(fā)電并網(wǎng)專委會(huì).電力規(guī)劃與生產(chǎn)模擬數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化研究：G-1406-21501[R/OL].[2017-04-12].http://www.efchina.org/Attachments/Report/ report-ccpp-20161020-2-zh/電力規(guī)劃與生產(chǎn)模擬數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化研究.pdf.

[8] BARROWS C， HUMMON M， JONES W， et al. Time domain partitioning of electricity production cost simulations[R]. Denver： National Renewable Energy Laboratory, 2014.

[9] Estimating the performance and economic value of multiple concentrating solar power technologies in a production cost model[R]. Denver： National Renewable Energy Laboratory, 2013.

[10] Multi-area production simulation software user’s manual[R]. New York: General Electric Incorporation, 2014.

[11] YANG Zhifang, ZHONG Haiwang, XIA Qing, et al. Review the OPF problem from the fundamentals: challenges and state-of-the-art algorithms[J/OL]. Journal of Energy Engineering.[2017-05-10]. DOI: 10.1061/(ASCE)EY.1943-7897.0000510.

[12] XIE L, GU Y, ZHU X, et al. Short-term spatio-temporal wind power forecast in robust look-ahead power system dispatch[J]. IEEE Trans on Smart Grid, 2014, 5(1): 511-520.

[13] GU Y, XIE L. Stochastic look-ahead economic dispatch with variable generation resources[J]. IEEE Trans on Power Systems, 2017, 32(1): 17-29.

[14] GU Y, XIE L. Early detection and optimal corrective measures of power system insecurity in enhanced look-ahead dispatch[J]. IEEE Trans on Power Systems, 2013, 28(2): 1297-1307.

[15] JIANG Wen, YAN Zheng, HU Zhi. A novel improved particle swarm optimization approach for dynamic economic dispatch incorporating wind power[J]. Electric Power Components and Systems, 2011, 39(5):461-477.

[16] PacifiCorp-ISO energy imbalance market benefits[R]. San Francisco： Energy Environmental Economics, 2013.

[17] Regional coordination in the west： benefits of PacifiCorp and California ISO integration[R]. San Francisco： Energy Environmental Economics, 2015.

[18] Regional coordination in the west： benefits of PacifiCorp and California ISO integration: technical appendix[R]. San Francisco： Energy Environmental Economics, 2015.

[19] 2015 congestion assessment and resource integration study[R]. Rensselaer： Comprehensive System Planning Process, New York ISO, 2015.

[20] 2016 CARIS 2 preliminary base case result[R]. Rensselaer： Electric System Planning Working Group, New York ISO, 2016.

[21] Pan-Canadian wind integration study (PCWIS)—final report[R]. Ottawa： Canadian Wind Energy Association (CanWEA) and GE Energy Consulting, 2016.

[22] Eastern renewable generation integration study[R]. Denver： National Renewable Energy Laboratory, 2016.

[23] Western wind and solar integration study[R]. Denver： National Renewable Energy Laboratory, 2010.

[24] Pan-Canadian wind integration study (PCWIS)-presentation[R]. Ottawa： Canadian Wind Energy Association (CanWEA) and GE Energy Consulting, 2016.

ApplicationandSuggestionsofPowerSystemProductionSimulationinDeregulatedElectricityMarket

GUYingzhong1,LIHuijie2，SHIBaozhuang1

(1. GE Energy Consulting, Schenectady, USA;2. GE Grid Technology Center Limited Company, Shanghai201114, China)

During the30years of electricity market deregulation in North America and Europe, power system production simulation plays a critical role as a core technology to address the challenges in power grid operation and planning. This paper addresses the concept, structure, and mathematic models of power system production simulation. Many applications are analyzed, especially under deregulated market environment. This paper also reveals the value of production simulation applications in China and discusses the potential challenges to be encountered. It is proposed to adopt advanced production simulation technology in power system planning and electricity market mechanism design in order to facilitate scientific quantitative approach based analysis and contribute to this round of electricity market reform in China.

production simulation; electricity market; transmission congestion evaluation; renewable integration

2017-06-15;

2017-11-06。

上網(wǎng)日期: 2017-11-08。

顧穎中(1987—)，男，通信作者，博士，研發(fā)主管，主要研究方向：電力市場(chǎng)、生產(chǎn)模擬仿真、可再生能源并網(wǎng)、電力系統(tǒng)隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度。E-mail： garyyingzhong.gu@ge.com

李慧杰(1969—)，女，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，MBA，主要研究方向：電力系統(tǒng)控制保護(hù)技術(shù)及新能源技術(shù)。E-mail： lily2.li@ge.com

史保壯(1970—)，男，博士，首席工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)分析、新能源并網(wǎng)和消納。E-mail： baozhuang.shi@ge.com

(編輯顧曉榮)