電力流向及規(guī)模優(yōu)化研究模型和研究方法

孫珂，張琳，宋福龍，孫英云，肖筍

(1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 100052;2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市 102206)

0 引言

電力流向與能源資源分布、能源流向、國家能源政策、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、地區(qū)電價水平等因素密切相關(guān)。美國、歐盟地區(qū)能源資源的分布與負(fù)荷分布較為匹配，電力流向主要呈就地平衡模式，目前未出現(xiàn)大規(guī)模的電力流動。與之不同的是，我國能源資源與負(fù)荷需求呈逆向分布，導(dǎo)致我國電力出現(xiàn)“西電東送”、“南電北送”大規(guī)模電力流向。

在以往的電力流向及規(guī)模的確定中，常用的方法是在確定電源基地送電能力和受端市場空間的基礎(chǔ)上，依據(jù)送電通道的輸電能力，參考專家經(jīng)驗(yàn)，確定各電源基地的送出規(guī)模和送電方向［1-3］。這種判斷方式具有一定的合理性，能夠保證電力流向及規(guī)模的結(jié)果是一個可行解，但無法回答是否為最優(yōu)解問題。因此，需要建立明確的目標(biāo)函數(shù)，對電力流向及規(guī)模進(jìn)行數(shù)學(xué)優(yōu)化。本文考慮影響電力流向及規(guī)模的因素，圍繞優(yōu)化目標(biāo)的確定、目標(biāo)函數(shù)的建立、限制條件的選取、優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)解析及結(jié)果分析為主線，對未來我國電力流向及規(guī)模進(jìn)行優(yōu)化。

1 基于電力流向及規(guī)模優(yōu)化的電力傳輸模型

1.1 模型描述

電力流向問題的實(shí)質(zhì)是研究如何把電力從能源基地送往負(fù)荷中心，并滿足技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上的要求。其模型可抽象為:假設(shè)在電力網(wǎng)絡(luò)內(nèi)具有M個送端，N個受端，每個送端均可向不同受端輸送電力。為簡化模型，考慮送端與受端之間的電力傳送，不考慮各受端之間的電力中轉(zhuǎn)。電力傳輸網(wǎng)絡(luò)的簡化模型如圖1所示。圖中:B1～BM為M個能源基地，作為送端;D1～DN為N個負(fù)荷中心，作為受端;Qi為能源基地Bi的發(fā)電裝機(jī)容量，i=1，2，…，M;Sj為負(fù)荷中心Dj的市場空間，j=1，2，…，N;Lij為能源基地Bi到負(fù)荷中心Dj的距離;Pij為由能源基地Bi送往負(fù)荷中心Dj的電力。

圖1 電力傳輸網(wǎng)絡(luò)的簡化模型Fig.1Simplified model of power transmission network

1.2 模型約束條件

在實(shí)際電網(wǎng)中，各能源基地的出力不可能大于其裝機(jī)總?cè)萘浚瑥南嗤茉椿爻霭l(fā)的所有線路傳輸功率總和不能多于該能源基地的裝機(jī)容量，送往相同負(fù)荷中心的所有線路輸送功率總和不能高于該負(fù)荷中心的受電空間。此外，由于負(fù)荷中心不得向能源基地反送電力，因此所有線路的輸送功率均為正值;考慮我國電力“北電南送”、“西電東送”的實(shí)際電力流向，依據(jù)能源基地與負(fù)荷中心的相對位置，違背整體電力流向的送電模式不存在。例如西南水電不向華北送電，即Pef=0。所以，各參數(shù)需滿足以下約束條件

式中:Qimax為能源基地Bi的最大裝機(jī)能力;αi為能源基地Bi的裝機(jī)出力系數(shù);βj為負(fù)荷中心Dj的外受電系數(shù)。

各參數(shù)的計算方法為:

(1)根據(jù)能源資源可支撐最大裝機(jī)水平和裝機(jī)規(guī)劃情況，確定能源基地Bi的裝機(jī)規(guī)模Qi。

(2)αi與裝機(jī)類型有關(guān)。一般，火電的αi為0.92，水電的αi為0.67［4-6］，風(fēng)電的αi為0.5［7-9］。

(3)通過各負(fù)荷中心電力需求預(yù)測結(jié)果和本地已核準(zhǔn)裝機(jī)情況，進(jìn)行電力電量平衡計算，得到負(fù)荷中心Dj的市場空間Sj。

(4)考慮負(fù)荷中心通過本地建電源滿足25%～30%的用電需要，βj一般為70%～75%［10-11］。

2 電力流向及規(guī)模優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

2.1 電力傳輸成本最小

從電網(wǎng)規(guī)劃的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價角度來看，電力流向優(yōu)化作為電網(wǎng)規(guī)劃的一部分，其最終目標(biāo)也應(yīng)為經(jīng)濟(jì)性最好。在經(jīng)濟(jì)評價中，常用的方法為年費(fèi)用最小法，即以整個輸電網(wǎng)絡(luò)每年產(chǎn)生的費(fèi)用最小為目標(biāo)。

電力傳輸成本最小法是以總輸電年費(fèi)用最小為目標(biāo)的電力流向優(yōu)化方法，即從能源基地Bi向負(fù)荷中心Dj的輸電總費(fèi)用為

式中:Cbase，ij為從能源基地Bi向負(fù)荷中心Dj送電的投資年值;Cwast，ij為從能源基地Bi向負(fù)荷中心Dj送電的年損耗費(fèi)用;Coperate，ij為從能源基地Bi向負(fù)荷中心Dj送電的年運(yùn)行費(fèi)用;Cother，ij為從能源基地Bi向負(fù)荷中心Dj送電的其他費(fèi)用。且有

式中:cij為初投資，cij=ηijPijLij，ηij為輸電工程的單位容量、單位距離投資;γ為折現(xiàn)率;T為運(yùn)營期;δij為運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率;λ為環(huán)保系數(shù)。

因直流輸電的損耗包括線路損耗和換流站損耗，而交流輸電的損耗僅為線路損耗，則有

式中:vi為能源基地Bi的標(biāo)桿上網(wǎng)電價;τij為利用小時數(shù);μij為交流線路損耗系數(shù)(線損);μx-ij為直流線路線路損耗系數(shù)(線損)，μh-ij為直流線路換流站損耗系數(shù)(換損)。

因此，基于電力傳輸成本最小的電力流向及規(guī)模優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

2.2 電價競爭力最大

將能源基地電力送至受端負(fù)荷中心的電價與本地建廠發(fā)電的上網(wǎng)電價之差是較為明確的，且容易被大眾接受的評價標(biāo)準(zhǔn)。電價差越大，代表該輸電方式電價競爭力越大，有利于抑制電價上漲，具有更好的社會效益。因此，可以考慮以電價競爭力最大為目標(biāo)，進(jìn)行電力流向優(yōu)化。

電價競爭力最大法是以受端上網(wǎng)電價與到網(wǎng)電價差的總和最大為目標(biāo)的電力優(yōu)化方法，其目標(biāo)函數(shù)為

式中:Fj為負(fù)荷中心Dj的火電標(biāo)桿上網(wǎng)電價;Ei為能源基地Bi的標(biāo)桿上網(wǎng)電價;Mij為將容量Pij的電力從能源基地Bi送至負(fù)荷中心Dj的輸電價(含損耗電價)，主要影響因素有工程造價、輸電量、輸電損耗等。

電力從能源基地Bi送至負(fù)荷中心Dj往往具有多種輸電方式和多個工程，其輸電價是各項(xiàng)工程輸電價的和，不能用統(tǒng)一的公式和幾個固定參數(shù)計算。但工程造價、輸電損耗、輸電量等因素對于輸電價的影響趨勢是一致的，因此，考慮簡化輸電價模型，用以代表輸電價的相對大小。考慮各參數(shù)之間的關(guān)系，輸電價簡化為

2.3 綜合目標(biāo)函數(shù)

綜合電力傳輸成本最小及電價競爭力最大目標(biāo)函數(shù)，得到電力流向及規(guī)模優(yōu)化的綜合目標(biāo)函數(shù)為

3 我國電力流向及規(guī)模優(yōu)化計算分析

3.1 優(yōu)化計算經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及參數(shù)

(1)輸電距離。通過初步估算，各大型水、火、風(fēng)電基地到華北、華中、華東負(fù)荷中心的距離及送電方式選擇如表1所示。

表1 大型能源基地至負(fù)荷中心送電距離及送電方式Tab.1Transmission mode and distance from power base to load center

(2)交直流送電模型及參數(shù)。交流輸電采用“點(diǎn)對網(wǎng)”送電模型，在雙回線路送電9 GW·h，考慮送端電廠通過1 000 kV線路直接接入，送端設(shè)開關(guān)站;受端設(shè)變電站，加裝3×3 GW主變;每300 km建設(shè)1個變電站，加裝3×3 GW主變。具體的投資參數(shù)為:①送端開關(guān)站投資7.57億元;②中間變電站規(guī)模3×3 GW，投資22億元;③受端變電站規(guī)模3× 3 GW，投資17.39億元［12-16］。

(3)直流輸電參數(shù)如表2所示。

表2 直流輸電投資參數(shù)Tab.2Investment parameters of DC transmission

(4)年費(fèi)用計算參數(shù)如表3所示。

表3 年費(fèi)用計算基本參數(shù)Tab.3Calculation parameters of annual fee

3.2 電力流向優(yōu)化結(jié)果分析

3.2.1 2020年電力流向優(yōu)化結(jié)果

采用上述電力流向及規(guī)模優(yōu)化方法，得到2020年我國電力流向優(yōu)化結(jié)果如圖2。

華北電網(wǎng)負(fù)荷中心距離北部的煤電、風(fēng)電基地距離較近，其外受電力主要考慮來自距離其較近的能源基地，包括錫盟、蒙西、呼盟、寧東、陜北、山西能源基地。此外，寶清能源基地距離華北電網(wǎng)相對于華中、華東電網(wǎng)更近，按照就近消納的原則，同樣考慮送入華北電網(wǎng)。

圖2 2020年我國電力流向Fig.2China power flow in 2020

華中電網(wǎng)位于華北、華中、華東(“三華”)電網(wǎng)的樞紐位置，一方面其與西北部煤電基地的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于與華東電網(wǎng)的距離，另一方面，華中電網(wǎng)的湖北等省份水電裝機(jī)較多。考慮水火互濟(jì)原則，新疆的哈密、伊犁、準(zhǔn)東及西北隴東、彬長等能源基地的火電、風(fēng)電送入華中電網(wǎng)，提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。此外，為滿足華中負(fù)荷中心的用電需要，結(jié)合我國“西電東送”的整體電力流向，部分四川水電和金沙江水電也考慮送至華中東四省消納，部分通過山西等附近的能源基地補(bǔ)充。

華東電網(wǎng)通過直流線路接受來自金沙江、酒泉、錫盟、蒙西、赤峰能源基地電力，充分發(fā)揮直流線路遠(yuǎn)距離送電的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。錫盟、寧東、陜西、山西部分電力通過交流通道接遞送至華東。

3.2.2 2015年電力流向優(yōu)化結(jié)果

2015年我國電力流向如圖3所示。與2020年優(yōu)化結(jié)果相對照，2015年電力流向優(yōu)化結(jié)果基本可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)架的合理過渡。

圖3 2015年我國電力流向計算結(jié)果Fig.3Calculation results of China power flow in 2015

4 結(jié)論

本文綜合考慮影響電力流向及規(guī)模的各個因素，從電力建設(shè)成本最小化以及電價競爭力最大化的角度探討了電力流向及規(guī)模。確定了優(yōu)化目標(biāo)、建立了目標(biāo)函數(shù)、設(shè)定了限制條件，同時介紹了求解優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)解析方法并對結(jié)果進(jìn)行了深入的分析，以此對未來我國電力流向及規(guī)模進(jìn)行了優(yōu)化研究。結(jié)果表明未來我國電力將由西北流向華中，西南水電流向華中和華東，北方煤電就近送往華北，部分富余電力送往華東，整體呈現(xiàn)“西電東送”、“北電南送”的格局。

［1］潘雄.電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃方法研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2002:11-13.

［2］蘇建設(shè)，陳陳.電網(wǎng)靈活規(guī)劃研究綜述［J］.華東電力，2001，29 (1):7-9.

［3］譚忠富.電力成本綜合優(yōu)化的系統(tǒng)學(xué)方法研究:優(yōu)化規(guī)劃［J］.現(xiàn)代電力，2001，18(2):90-97.

［4］孟祥萍，譚萬禹，楊秀霞.影響發(fā)電機(jī)組等效可用系數(shù)的因素分析［J］.吉林電力技術(shù)，1998(2):1-4.

［5］劉雄.發(fā)電設(shè)備可靠性指標(biāo)分析及預(yù)測［D］.北京:華北電力大學(xué)，2010:26-45.

［6］郭永基.電力系統(tǒng)及電力設(shè)備的可靠性［J］.電力系統(tǒng)自動化，2001，25(17):53-56.

［7］孫永全，郭建英，陳洪科，等.兆瓦級直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性增長預(yù)測［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，30(18):67-71.

［8］栗文義，張保會，巴根.風(fēng)能大規(guī)模利用對電力系統(tǒng)可靠性的影響［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2008，28(1):100-105.

［9］吳義純，丁明.基于蒙特卡羅仿真的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可靠性評價［J］.電力自動化設(shè)備，2004，24(12):70-73.

［10］鞠平.電力系統(tǒng)負(fù)荷建模理論與實(shí)踐［J］.電力系統(tǒng)自動化，1999，23(19):1-6.

［11］鞠平，戴琦，黃永皓，等.我國電力負(fù)荷建模工作的若干建議［J］.電力系統(tǒng)自動化，2004，28(16):8-11.

［12］劉萬東，鄭曉廣，李君章.特高壓線路施工新技術(shù)的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，32(10):68-73.

［13］劉華敏，楊麗霞，肖紅.電力工程造價的管理和控制［J］.電力建設(shè)，2002，23(3):64-66.

［14］張琦，王麗琪，李凡生，等.輸電工程典型造價方案和工程造價控制策略［J］.電力建設(shè)，2008，29(1):97-97.

［15］董晉吉，梁劍.全生命周期造價管理理論在電力工程造價管理中的應(yīng)用探討［J］.電力建設(shè)，2009，30(7):88-91.

［16］葛維平.電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)用全壽命周期成本控制分析［J］.電力建設(shè)，2009，30(7):92-94.

(編輯:蔣毅恒)