基于靈活性評(píng)估指標(biāo)的輸電網(wǎng)供需平衡規(guī)劃

張正文，袁 博，鐘 成，李 津

（國(guó)網(wǎng)雄安供電公司，河北 保定 071000）

1 輸電網(wǎng)靈活性供需平衡特征分析

1.1 輸電網(wǎng)靈活性特征需求分析

輸電網(wǎng)中的靈活性特征需要體現(xiàn)在由于其自身的不確定性導(dǎo)致的電力系統(tǒng)功率發(fā)生的變化，功率的變化集中在電源側(cè)的出動(dòng)波動(dòng)上以及負(fù)荷上，并且其變化規(guī)律是不可預(yù)測(cè)的[1-2]。電源側(cè)的靈活性特征需求主要來(lái)自于可再生能源的出力波動(dòng)，而可再生能源的出力波動(dòng)又可分為預(yù)測(cè)值和預(yù)測(cè)誤差值，其公式表示為：

其中，P(t)表示為在t時(shí)刻可再生能源的出力；PF(t)表示為可再生能源出力的預(yù)測(cè)值；PE(t)表示為可再生能源出力的預(yù)測(cè)誤差值[3]。預(yù)測(cè)值將預(yù)測(cè)步長(zhǎng)設(shè)為采樣周期進(jìn)行滾動(dòng)預(yù)測(cè)所獲取的數(shù)值[4]。如果采樣周期為定指，且預(yù)測(cè)方法恒定，認(rèn)為預(yù)測(cè)值的平均絕對(duì)百分誤差F為固定不變的數(shù)值。再以F為基礎(chǔ)，計(jì)算各個(gè)時(shí)刻可再生能源對(duì)輸電網(wǎng)靈活性特征需求，其表達(dá)式為：

其中，PE,AVE代表可再生能源的處理預(yù)測(cè)平均誤差值；τ代表預(yù)測(cè)步長(zhǎng)；E(t,τ)表示為在某一時(shí)刻t至下一時(shí)刻t+τ輸電網(wǎng)的靈活性特征需求量。

輸電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)受其失負(fù)荷情況的影響，當(dāng)輸電網(wǎng)發(fā)生運(yùn)行故障時(shí)，就會(huì)失去部分電荷，則其靈活性需求分析表達(dá)式為：

其中，PL(t)表示為電力系統(tǒng)的負(fù)荷；PLOAD表示為電力系統(tǒng)的總負(fù)荷；PL,F(t)表示為在某一時(shí)刻t由于電力系統(tǒng)故障造成的失負(fù)荷量；Edown(t,τ)表示為向下的靈活性特征需求；LOLP表示為失負(fù)荷概率，其數(shù)值與電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)。

1.2 輸電網(wǎng)靈活性資源需求分析

當(dāng)下，可調(diào)機(jī)組是輸電網(wǎng)中實(shí)用性最強(qiáng)的靈活性資源?？烧{(diào)機(jī)組中水電機(jī)組以及火電機(jī)組是具備調(diào)節(jié)能力的發(fā)電機(jī)組，在平穩(wěn)運(yùn)行的狀態(tài)下，可調(diào)機(jī)組能夠通過(guò)對(duì)出力的調(diào)節(jié)，控制向上和向下的靈活性[5]。其公式為：

其中，Eup(t,τ)表示為可調(diào)機(jī)組提供的向上的靈活性大?。籈down(t,τ)表示為可調(diào)機(jī)組提供的向下的靈活性大??；Rup表示為可調(diào)機(jī)組向上的調(diào)節(jié)功率的速率；Rdown表示為可調(diào)機(jī)組向下的調(diào)節(jié)功率的速率；Pmax表示為可調(diào)機(jī)組最大輸出功率；Pmin表示為可調(diào)機(jī)組最下的輸出功率；P(t)表示為在某一時(shí)刻t可調(diào)機(jī)組的輸出功率。需要注意的是，在水電機(jī)組當(dāng)中，調(diào)節(jié)能力的大小還與周圍環(huán)境因素相關(guān)，如季節(jié)變化、蓄水量多少等。

2 構(gòu)建輸電網(wǎng)供需平衡靈活性評(píng)估指標(biāo)

2.1 電力系統(tǒng)供需靈活性指標(biāo)構(gòu)建

當(dāng)ED(t,τi)≥0 時(shí)，在時(shí)間段τi內(nèi)，電力系統(tǒng)較為靈活；當(dāng)ED(t,τi)＜0 時(shí)，在時(shí)間段τi內(nèi)，電力系統(tǒng)靈活性較差。

當(dāng)靈活性不足期望時(shí)平均不足度Ed為：Ed=ED(t,τi)/TD，其中TD表示為靈活性不足的總時(shí)長(zhǎng)。該定義表達(dá)的含義為在電力系統(tǒng)靈活性不足的情況下，平均每分鐘出現(xiàn)的靈活性缺額數(shù)值。

當(dāng)靈活性充裕時(shí)平均充裕度Ea為：Ea=ED(t,τi)/TD，該定義表達(dá)的含義為在電力系統(tǒng)靈活性充裕的情況下，平均每分鐘出現(xiàn)的靈活性充裕量。

2.2 輸電網(wǎng)運(yùn)行靈活性指標(biāo)構(gòu)建

通過(guò)本文敘述總結(jié)出電力系統(tǒng)的靈活性指標(biāo)可以體現(xiàn)電力系統(tǒng)對(duì)于不確定因素的耐受程度。而在輸電網(wǎng)中，電路的負(fù)載率越均勻，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中對(duì)于不確定因素的承載能力越強(qiáng)，因此發(fā)生輸電網(wǎng)故障的概率越低。基于對(duì)電力系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行構(gòu)建可以提出對(duì)輸電網(wǎng)運(yùn)行靈活性的指標(biāo)構(gòu)建：

其中，F(xiàn)1表示為輸電網(wǎng)中所有輸電線路負(fù)載率的標(biāo)準(zhǔn)差；F2表示為輸電網(wǎng)中所有輸電線路負(fù)載率的極差；fi表示為線路i的負(fù)載率；fave表示為線路i的負(fù)載率平均值；l表示為輸電網(wǎng)當(dāng)中輸電線路的總數(shù)。其中，F(xiàn)1和F2為該輸電網(wǎng)中電網(wǎng)均勻性指標(biāo)。上述輸電網(wǎng)靈活性指標(biāo)能夠反映出輸電網(wǎng)的最大均勻度，也能從側(cè)面體現(xiàn)其所能承受的最大干擾能力。

3 輸電網(wǎng)供需平衡規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.1 上層規(guī)劃模型設(shè)計(jì)

在上層規(guī)劃模型中，對(duì)投資成本及輸電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)輸?shù)撵`活性指標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃，該上層規(guī)劃模型可表示為：E=min{E1,E2}，其中，E1為建設(shè)輸電網(wǎng)維修的總成本；E2表示為輸電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的靈活性。輸電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的靈活性要考慮到輸電網(wǎng)工程的經(jīng)濟(jì)使用年限、可調(diào)機(jī)組的建設(shè)容量、待建設(shè)機(jī)組的集合靈活性的調(diào)用總量以及輸電網(wǎng)正常狀態(tài)下電力系統(tǒng)線路集合。在對(duì)上層規(guī)劃模型進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮到輸電網(wǎng)的各約束條件。

3.2 下層規(guī)劃模型設(shè)計(jì)

下層規(guī)劃模型的設(shè)計(jì)可以對(duì)上層規(guī)劃模型設(shè)計(jì)的起到驗(yàn)證作用，在下層規(guī)劃模型中，利用輸電網(wǎng)供需平衡靈活性評(píng)估指標(biāo)對(duì)上層決策進(jìn)行優(yōu)化。基于靈活性機(jī)組的構(gòu)建以及各靈活性資源的調(diào)用，對(duì)靈活性指標(biāo)的供需進(jìn)行優(yōu)化，以此保證輸電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行的過(guò)程中在保證網(wǎng)源平衡的同時(shí)，減少對(duì)靈活性資源的調(diào)用，再將其返回到上層規(guī)劃模型中，完成對(duì)上層決策的優(yōu)化。下層的規(guī)劃模型為：f={f1, -f2, -f3}，其中f1為靈活性平均不足度函數(shù)；f2為靈活性平均充裕度函數(shù)；f3為靈活性供應(yīng)充裕率函數(shù)。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證本文構(gòu)建的輸電網(wǎng)供需平衡靈活性評(píng)估指標(biāo)以及輸電網(wǎng)供需平衡規(guī)劃模型的有效性，首先構(gòu)建一個(gè)虛擬的電網(wǎng)系統(tǒng)，并對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)供需平衡進(jìn)行規(guī)劃。以本文方法為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)方法為對(duì)照組，通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行綜合的評(píng)估計(jì)算出各自的適應(yīng)度。

在保證兩組方法在同一環(huán)境狀態(tài)下，分別對(duì)實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行適應(yīng)度求解，然后根據(jù)結(jié)果計(jì)算出兩種方法規(guī)劃后的輸電網(wǎng)各結(jié)構(gòu)的靈活性指標(biāo)，并進(jìn)行記錄。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表1 為兩種方法下輸電網(wǎng)中各結(jié)構(gòu)的靈活性指標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，實(shí)驗(yàn)組各結(jié)構(gòu)的靈活性指標(biāo)均優(yōu)于對(duì)照組，且運(yùn)行狀態(tài)也更加靈活。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高，有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié) 論

本文基于靈活性評(píng)估指標(biāo)對(duì)輸電網(wǎng)供需平衡規(guī)劃進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性。本文構(gòu)建的上、下兩層規(guī)劃模型不僅可以更好的滿足清潔能源發(fā)電并網(wǎng)的需要，而且可以改善輸電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，使電力系統(tǒng)中的潮流分布更加均勻，保證輸電網(wǎng)運(yùn)行的安全、穩(wěn)定性。