計及直流互聯(lián)與電-氣-熱耦合的輸配協(xié)同優(yōu)化調(diào)度

華 文，董煒，闕凌燕，申屠磊璇，陳哲，郭創(chuàng)新

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

0 引言

隨著能源危機(jī)、環(huán)境惡化等一系列問題的出現(xiàn)，大力發(fā)展可再生能源、促進(jìn)能源體系轉(zhuǎn)型已成為全球共識。習(xí)總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出：中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)過程中，由于新能源固有的隨機(jī)性和波動性，系統(tǒng)面臨的不確定性逐漸增強(qiáng)，應(yīng)加強(qiáng)源-網(wǎng)-荷-儲銜接，提高電力系統(tǒng)互補(bǔ)互濟(jì)，促進(jìn)清潔能源消納。

我國負(fù)荷和資源逆向分布的特點(diǎn)十分突出，西北地區(qū)風(fēng)光等新能源資源豐富，但負(fù)荷中心集中在東部沿海地區(qū)。跨區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)是實現(xiàn)資源在全國范圍內(nèi)優(yōu)化配置和提高利用效率的重要手段。以浙江省電網(wǎng)為例，為支撐國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，促進(jìn)能源低碳轉(zhuǎn)型，清潔外來電源入浙比例持續(xù)升高。截止到2020 年，浙江省最高用電負(fù)荷為9 268 萬kW，特高壓直流換流容量和交流變電容量分別達(dá)到1 600 萬kW 和1 800 萬kW［1］，以最高負(fù)荷計算，外來受電比例達(dá)到36.7%。高受電比例導(dǎo)致省內(nèi)機(jī)組開機(jī)受限，電網(wǎng)運(yùn)行靈活性下降。為充分挖掘直流聯(lián)絡(luò)線在提升電網(wǎng)運(yùn)行靈活性方面的作用，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)［2］指出目前省間直流聯(lián)絡(luò)線計劃往往基于運(yùn)行經(jīng)驗人工編制，未能充分發(fā)揮直流聯(lián)絡(luò)線的調(diào)節(jié)靈活性；并提出了含風(fēng)電場的網(wǎng)省協(xié)調(diào)有功調(diào)度方法，對直流聯(lián)絡(luò)線的傳輸功率進(jìn)行優(yōu)化，但未能考慮直流輸電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需要滿足的約束條件。文獻(xiàn)［3］建立了較為詳細(xì)的直流聯(lián)絡(luò)線計劃調(diào)整約束模型，并通過直流聯(lián)絡(luò)線功率的調(diào)整來促進(jìn)新能源消納。文獻(xiàn)［4］進(jìn)一步考慮了直流聯(lián)絡(luò)線的階梯化運(yùn)行特性，使得模型更加貼合工程實際。文獻(xiàn)［5］提出了基于ADMM（交替方向乘子法）的多區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)分散協(xié)同調(diào)度方法。

為充分提升高比例新能源接入背景下電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性，源-網(wǎng)-荷-儲一體化建設(shè)成為新型電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢?！墩憬‰娋W(wǎng)發(fā)展“十四五”規(guī)劃（征求意見稿）》中指出，要推進(jìn)配電網(wǎng)由單一的電能分配網(wǎng)絡(luò)向匯聚全類型源-荷-儲資源的綜合性平臺升級［1］。傳統(tǒng)配電網(wǎng)逐步向ADN（主動配電網(wǎng)）轉(zhuǎn)型，輸、配電網(wǎng)之間的耦合也越發(fā)密切，其協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行成為諸多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［6］提出了輸配一體化的綜合能源系統(tǒng)風(fēng)險評估方法。文獻(xiàn)［7］建立了考慮輸配協(xié)同的魯棒備用優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［8］提出了考慮新能源不確定性的輸配協(xié)同優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［9-10］考慮天然氣網(wǎng)絡(luò)和電力系統(tǒng)的耦合，提出了輸-配-天然氣系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)［11］在輸配協(xié)同優(yōu)化模型中考慮了ADN 中電-熱系統(tǒng)的耦合。文獻(xiàn)［12］將輸配協(xié)同應(yīng)用于負(fù)荷恢復(fù)。文獻(xiàn)［13-14］在ADN 中考慮了電-氣-熱多類能源的深度耦合，提升了系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。

對于浙江省電網(wǎng)而言，其輸電網(wǎng)對外承接高壓聯(lián)絡(luò)線受電，對內(nèi)連接匯集了分布式新能源和可調(diào)負(fù)荷等靈活性資源的ADN，形成了區(qū)域聯(lián)絡(luò)線-輸電網(wǎng)-配電網(wǎng)一體化運(yùn)行的架構(gòu)。如何充分發(fā)揮聯(lián)絡(luò)線和ADN的協(xié)同效應(yīng)，對于提升整體電網(wǎng)的靈活性、促進(jìn)電力系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型具有重要意義。

本文同時考慮送、受端電網(wǎng)之間的直流聯(lián)絡(luò)線功率交換與受端電網(wǎng)輸、配電網(wǎng)之間的功率交換，建立一種計及直流互聯(lián)與電-氣-熱耦合的輸配協(xié)同調(diào)度優(yōu)化模型。在ADN中，通過燃?xì)廨啓C(jī)和CHP（熱電聯(lián)供）機(jī)組等多能耦合設(shè)備，實現(xiàn)電-氣-熱多能流統(tǒng)一建模。采用本文所提方法，可實現(xiàn)不同區(qū)域之間的互補(bǔ)互濟(jì)，以及區(qū)域內(nèi)部多能流之間的互補(bǔ)支撐。

1 直流聯(lián)絡(luò)線模型

參考文獻(xiàn)［4］建立直流聯(lián)絡(luò)線模型，包含直流聯(lián)絡(luò)線的傳輸功率上下限約束、傳輸功率調(diào)整速率約束、相鄰時段傳輸功率不可反向調(diào)整約束、傳輸電量約束、傳輸功率調(diào)整次數(shù)約束、傳輸功率調(diào)整后最小穩(wěn)定運(yùn)行時間約束。

式中：t為調(diào)度時段索引；為直流聯(lián)絡(luò)線傳輸功率，和分別為其上限和下限；和分別為聯(lián)絡(luò)線功率上調(diào)和下調(diào)的速率限值；和分別為聯(lián)絡(luò)線功率上調(diào)和下調(diào)動作指示符，為0-1變量，取1表示功率調(diào)整；T為調(diào)度時段集合；E為全部調(diào)度時段內(nèi)聯(lián)絡(luò)線輸送的總電量；Emax和Emin分別為跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線交易中約定的輸送電量上限和下限；xmax為全部調(diào)度時段內(nèi)聯(lián)絡(luò)線功率最大調(diào)整次數(shù)，本文取8；xt為聯(lián)絡(luò)線功率調(diào)整（包括上調(diào)和下調(diào)）動作指示符；和分別為功率開始調(diào)整和結(jié)束調(diào)整的指示符；H為聯(lián)絡(luò)線功率調(diào)整結(jié)束后至少需要穩(wěn)定運(yùn)行（功率不可調(diào)整）的時段數(shù)。

2 計及電-氣-熱耦合的輸配協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型

計及高壓直流輸電線功率調(diào)整和輸配協(xié)同的調(diào)度運(yùn)行框架如圖1所示。送端電網(wǎng)僅考慮主網(wǎng)架模型，不考慮配電網(wǎng)；受端電網(wǎng)同時考慮主網(wǎng)和配電網(wǎng)。

圖1 計及直流聯(lián)絡(luò)線功率和輸配協(xié)同的調(diào)度運(yùn)行框架

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以直流跨區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)總運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，包括送端和受端輸電網(wǎng)運(yùn)行成本和受端ADN運(yùn)行成本，即：

式中：Ctran為輸電網(wǎng)運(yùn)行成本；Cdist，p、Cdist，gas、Cdist，h分別為ADN 中電網(wǎng)、氣網(wǎng)、熱網(wǎng)的運(yùn)行成本；上標(biāo)中的“tran”表示輸電網(wǎng)變量，“dist”表示配電網(wǎng)變量，下同。

2.1.1 輸電網(wǎng)運(yùn)行成本

2.1.2 ADN運(yùn)行成本

1）電網(wǎng)運(yùn)行成本為：

式中：和Cns分別為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的棄負(fù)荷功率和對應(yīng)的懲罰系數(shù)；Ddist為配電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)集合；其余符號除上標(biāo)替換外，含義與輸電網(wǎng)相同。配電網(wǎng)中機(jī)組容量較小，因此忽略了機(jī)組啟停約束及相關(guān)成本。

2）氣網(wǎng)運(yùn)行成本為：

3）熱網(wǎng)運(yùn)行成本為：

式中：M為ADN 中熱負(fù)荷集合；和Cns，h分別為熱負(fù)荷失負(fù)荷量和對應(yīng)的懲罰系數(shù)。

2.2 約束條件

2.2.1 輸電網(wǎng)約束條件

輸電網(wǎng)約束條件包括機(jī)組出力分段線性化約束、機(jī)組啟停約束、機(jī)組備用容量約束、節(jié)點(diǎn)功率平衡約束、線路潮流上限約束及直流潮流方程約束、節(jié)點(diǎn)電壓相角約束及參考節(jié)點(diǎn)約束、風(fēng)電并網(wǎng)功率約束。

2.2.2 ADN約束條件

1）電網(wǎng)約束。配電網(wǎng)約束條件包括節(jié)點(diǎn)功率平衡、線路網(wǎng)損約束、線路潮流約束、潮流上下限約束和節(jié)點(diǎn)電壓上下限約束。由于輸電網(wǎng)采用的是直流潮流，本文假定變電站的無功功率足以滿足配電網(wǎng)的運(yùn)行需求，略去無功功率相關(guān)約束。配電網(wǎng)的燃料成本分段線性化約束、機(jī)組出力約束、備用容量約束形式和輸電網(wǎng)相同，此處不再贅述。

2）氣網(wǎng)約束。ADN的氣網(wǎng)約束包括氣潮流方程約束、節(jié)點(diǎn)氣壓約束、氣潮流上下限約束、節(jié)點(diǎn)氣潮流平衡約束、氣源出力約束。

3）熱網(wǎng)約束。本文熱源為CHP 機(jī)組，其熱出力如式（30）所示；熱源溫度上下限如式（31）所示；CHP 機(jī)組輸出的熱功率和電功率關(guān)系如式（32）所示；熱負(fù)荷功率和換熱站溫度上下限約束如式（33）和（34）所示；節(jié)點(diǎn)混合溫度約束如式（35）所示，表示流入節(jié)點(diǎn)n的熱水混合后以同一溫度流出，作為流出節(jié)點(diǎn)n的管道的入口溫度。

2.3 模型求解

配電網(wǎng)電潮流方程式（20）和式（21）、天然氣管道方程式（24）和式（25）均為非凸約束，導(dǎo)致模型難以直接求解。對于配電網(wǎng)潮流方程，可以通過二階錐松弛等方式進(jìn)行凸化處理，但仍需耗費(fèi)大量求解資源。本文采用線性化交流潮流模型［15］，假定配電網(wǎng)中的無功功率和節(jié)點(diǎn)電壓都在基準(zhǔn)運(yùn)行點(diǎn)附近，而基準(zhǔn)運(yùn)行點(diǎn)可通過預(yù)調(diào)度階段的潮流計算獲得。約束式（20）和式（21）通過在基準(zhǔn)運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行一階泰勒展開近似，即：

參考文獻(xiàn)［16］對天然氣管道潮流方程進(jìn)行增量線性化處理后，模型轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，可以利用成熟的商業(yè)求解器直接求解。

3 算例分析

在MATLAB R2020b 平臺搭建模型，通過yalmip工具包編程并調(diào)用gurobi求解器進(jìn)行求解。

送端電網(wǎng)的負(fù)荷由火電機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組出力供給，富余電量通過聯(lián)絡(luò)線饋入受端電網(wǎng)。受端電網(wǎng)的負(fù)荷由本地的火電機(jī)組和聯(lián)絡(luò)線功率供給。風(fēng)電和負(fù)荷功率曲線如圖2、圖3所示。送、受端電網(wǎng)均采用IEEE 39 節(jié)點(diǎn)輸電網(wǎng)系統(tǒng)，如圖4 所示，受端電網(wǎng)3、11、27 節(jié)點(diǎn)各接有1 個ADN。每個ADN由電（6節(jié)點(diǎn)）-氣（6節(jié)點(diǎn)）-熱（8節(jié)點(diǎn)）綜合能源系統(tǒng)構(gòu)成，ADN和輸電網(wǎng)的連接節(jié)點(diǎn)均為節(jié)點(diǎn)1，如圖5 所示。ADN 中：電力網(wǎng)包含1 臺6 MW的柴油機(jī)組和1臺2 MW的風(fēng)電機(jī)組；天然氣網(wǎng)包含2個氣源、2個加壓站、2個氣負(fù)荷和7條天然氣管道；熱網(wǎng)包含4 個換熱站和6 條熱水管道。通過CHP機(jī)組和燃?xì)廨啓C(jī)實現(xiàn)3種能源間的轉(zhuǎn)換。設(shè)置失負(fù)荷成本系數(shù)為100美元/MWh。

圖2 送端電網(wǎng)風(fēng)電功率曲線

圖3 送端和受端電網(wǎng)負(fù)荷曲線

圖4 IEEE 39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)接線

圖5 ADN結(jié)構(gòu)

為驗證本文所提模型的有效性，設(shè)置以下2個場景進(jìn)行對比，調(diào)度結(jié)果如表1所示。

表1 不同場景運(yùn)行成本對比

場景1：聯(lián)絡(luò)線功率可靈活調(diào)整，考慮輸配協(xié)同以及電-氣-熱協(xié)同，即本文所提模型。

場景2：固定聯(lián)絡(luò)線功率，僅考慮輸配協(xié)同以及電-氣-熱協(xié)同。

可以看出場景1 相比場景2，輸電網(wǎng)運(yùn)行成本、配電網(wǎng)運(yùn)行成本、總成本和送端棄風(fēng)率均明顯下降。這是因為聯(lián)絡(luò)線功率可以更好地適配送、受端的源-荷出力特性，在送端新能源富余以及受端負(fù)荷高峰時期增加交換功率，促進(jìn)了送端新能源的外送，有利于風(fēng)電消納。同時，可以減少受端火電機(jī)組開機(jī)和出力，從而降低受端的啟停成本和發(fā)電成本，提高電網(wǎng)整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

圖6給出了兩個場景下受端電網(wǎng)機(jī)組開機(jī)情況的對比，可以看出總開機(jī)數(shù)目跟隨負(fù)荷功率變化。場景1協(xié)同優(yōu)化的效果顯著，機(jī)組啟動數(shù)量明顯下降，尤其表現(xiàn)在18—24 時段。這表明協(xié)同優(yōu)化不僅緩解了輸電網(wǎng)燃煤機(jī)組的壓力，而且避免了機(jī)組頻繁啟停，在提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的同時減少化石燃料的消耗，降低碳排放，可獲得良好的環(huán)境效益，符合“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的需要。

圖6 不同場景受端電網(wǎng)開機(jī)臺數(shù)對比

圖7 給出了2 個場景下聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的對比。為保證聯(lián)絡(luò)線輸送功率總量保持不變，并且在受端負(fù)荷高峰期提供足夠的功率支撐，1—9 時段聯(lián)絡(luò)線功率下降，10—17時段聯(lián)絡(luò)線功率上升，既支援了受端電網(wǎng)早高峰的用電負(fù)荷，又增加了送端電網(wǎng)的新能源消納比例，并且可以有效減少受端電網(wǎng)開機(jī)容量和化石燃料的消耗。

圖7 不同場景聯(lián)絡(luò)線功率對比

進(jìn)一步在15%～50%以5%的步長設(shè)置不同的風(fēng)電滲透率，對比場景1 和2 的風(fēng)電消納水平，如圖8所示。場景1從20%風(fēng)電滲透率開始，風(fēng)電消納能力逐漸下降，而場景2 在滲透率為25%時才開始有明顯下降的趨勢。當(dāng)滲透率達(dá)到50%時，場景1 對應(yīng)的風(fēng)電消納率為65.72%，而場景2 為84.83%，比場景1提升18.79%。由此可見，本文所提協(xié)同方案有利于提升風(fēng)電消納能力。

圖8 不同風(fēng)電滲透率下各場景的風(fēng)電消納水平

4 結(jié)語

本文建立了一種計及直流互聯(lián)與電-氣-熱耦合的輸配協(xié)同調(diào)度優(yōu)化模型，同時考慮送端和受端電網(wǎng)之間的直流聯(lián)絡(luò)線功率交換、受端電網(wǎng)輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)之間的功率交換，并且考慮了配電網(wǎng)中電-氣-熱多能流耦合。經(jīng)過算例分析得出以下結(jié)論：

1）通過區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線功率的靈活調(diào)整，可以更好地匹配送、受端電網(wǎng)的源-荷特性，促進(jìn)送端電網(wǎng)新能源消納，提升受端電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2）同時考慮不同區(qū)域之間功率的互補(bǔ)互濟(jì)，輸、配電網(wǎng)之間的功率靈活交換，配電網(wǎng)內(nèi)部多能流之間的互補(bǔ)支撐，可以有效提升電網(wǎng)整體的經(jīng)濟(jì)效益。