基于D5000系統的風電優先調度工作方案設計與應用

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(國網新疆電力調度控制中心，新疆 烏魯木齊 830006)

自2006年中國《可再生能源法》頒布以來，新能源發電步入快速發展時期。新疆陸上風能資源十分豐富，僅次于內蒙古，隨著疆電外送特高壓交直流輸電工程建設和投產，新疆豐富的風電成為大力開發的清潔能源之一，2013年新疆電網風電裝機年增長136%，新疆儼然已成為風電產業發力的主戰場。由于風電迅猛發展，大幅度超前電網建設和社會用電負荷增長。較強天氣過程期間風電出力較大且同時率較高時，受局部地區網架結構、系統小負荷期間系統快速調節能力較弱、調峰困難等因素，以及750 kV哈敦雙線送出極限的影響，新疆全網總體將面臨部分地區部分時段控制出力的局面，風電消納已成為困擾電網和風電場的共同問題。目前，各電網新能源調度手段和優化程度不一。依據《風電優先調度工作規范》[1]，設計提出基于智能調度技術支持系統的風電優先調度工作方案，有利于在保證電網安全穩定運行的前提下，實現新能源消納最大化的目標。

1 方案提出的背景

新疆電力公司十分重視風電的發展，積極通過技術創新、管理創新努力提高風電接納水平，先后完成了風電功率預測、風電優化調度等技術支持系統建設。隨著堅強智能電網建設工作的深入開展，新疆電網的網架結構和運行特性都發生著重大變化，這對電網調度駕馭大電網的能力以及電網調度一體化運行管理水平和信息化、自動化、互動化水平提出了新的更高的要求[2]。為此新疆電網適時開展了智能電網調度技術支持系統建設即基于D5000的一體化平臺及支撐橫向互聯和縱向接入的實時監控與預警、調度計劃、安全校核、調度管理四大類應用。在此基礎上，設計實施風電優先調度工作方案，將風電優先調度貫穿各工作環節，滿足《風電優先調度工作規范要求》。

2 風電優先調度工作方案主要內容

《風電優先調度工作規范》主要是從“提供優質服務、預留充足空間、調整及時到位、持續評價改進”等方面實現規范調度行為，優先調度風電。這里基于智能電網調度支持系統，重點從“預留充足空間、調整及時到位、持續評價改進”這三方面著手設計風電優先調度方案，一是風電優先調度計劃的編制，根據電網風電接納能力評估，結合風功率預測合理安排電網備用容量、調整常規電源機組組合，形成風電優先消納的日前發電計劃。二是風電實時調度與調整，跟蹤分析風電超短期功率預測和電網風電接納能力情況，當風電實際發電能力超出計劃導致斷面受限或負荷需求降低時，應首先調減常規電源發電出力；當負荷需求增加時，應優先增加風電出力[2-4]。三是實現風電優先調度評價、分析、評估和整改的動態閉環管理，循環推進風電優先調度工作。

2.1 風電接納能力評估

計算電網的風電接納能力，是做好風電優先調度計劃的前提和基礎。目前，關于電網的風電接納能力，尚無明確的定義及權威部門認可的標準計算方法。這里結合新疆電網風電接入呈大分散、小集中的分布特點，基于網架結構和潮流分布，開展風電接納能力評估，明確了新疆電網綜合考慮調峰約束、網架約束的風電接納空間計算原則[5-6]。

電網風電接納能力= MIN(考慮調峰約束的全網風電接納能力，考慮網架約束的全網風電接納能力)。

考慮調峰約束的全網風電接納空間=短期系統負荷預測+聯絡線傳輸計劃-直調火電廠最低出力-直調水電廠可調出力-自備電廠可調出力-地區小電源可調出力。考慮網架約束的全網風電接納能力= SUM(西北部地區風電接納能力，烏魯木齊地區風電接納能力，吐魯番地區接納能力，哈密地區接納能力)。地區風電接納能力=MIN(地區聯絡線接納能力，地區主變壓器接納能力)。地區聯絡線接納能力= MIN(聯絡線接納能力(注：適用于同一上網通道多級串供線路)。地區聯絡線接納能力= SUM(聯絡線接納能力) (注：適用于不同上網通道多回線路)。聯絡線接納能力=聯絡線極限+ SUM(地區下網負荷)-SUM(常規火電最低技術出力)-SUM(自備、水電最低可調出力)。地區主變壓器接納能力=SUM(集中并網風電接納能力+分散接入風電并網容量)。地區集中接入風電接納能力= SUM(變電站接納能力)。

變電站接納能力=MIN(主變壓器容量+下網負荷)，變電站風電并網容量。(注：下網負荷不含風電。地區小電源如果在母線負荷預測中已經抵消，在計算中不予考慮；否則 “下網負荷=母線負荷預測-小電源可調出力)。

新疆西北部電網結構圖如圖1所示。

示例：西北部地區風電接納能力計算

圖1 新疆西北部地區電網結構圖

西北部地區風電接納能力= MIN西北部地區外送通道接納能力，SUM(蓮博州地區風電接納能力，塔城地區風電接納能力，阿勒泰地區接納能力)。西北部地區外送通道接納能力= MIN(野石東線+野石西線+沙石西線+崇石西線)接納能力，(鳳石西雙線+鳳石東雙線)接納能力，鳳凰主變壓器接納能力，鳳烏線接納能力。

博州地區接納能力=MIN博州地區主變壓器接納能力，博州地區聯絡線接納能力。博州地區主變壓器接納能力=SUM博州地區集中并網風電接納能力+博州地區分散接入風電并網容量。博州地區集中接入風電接納能力=口岸變電站接納能力。口岸變電站接納能力=MIN(口岸變電站主變壓器容量+口岸變電站下網負荷)，口岸變電站風電并網容量。

博州地區分散式風電并網容量=0

博州地區聯絡線接納能力= MIN(岸博線+岸皇線)接納能力，(皇博線+岸皇線)接納能力，(皇炮線+奎皇線)接納能力。(岸博線+岸皇線)接納能力=(岸博線+岸皇線)極限+口岸變電站下網。(皇博線+岸皇線)接納能力=(皇博線+岸皇線)極限+博樂變電站下網+口岸變電站下網。(皇炮線+奎皇線)接納能力=(皇炮線+奎皇線)極限+皇宮變電站下網+博樂變電站下網+口岸變電站下網-(吉林臺+吉林臺二級)可調出力。

其余計算同理。

基于新疆電網網架結構和潮流分布進行的風電接納能力評估，優點是能夠量化評估全網及各地區可接納風電出力的最大能力。缺點是在應用中存在對系統運行方式變化的自適應能力較差的問題，即在系統運行方式發生變化時，需要及時調整計算公式，否則計算結果與實際偏差較大。

為彌補當前算法存在的不足，提出應用基于直流潮流的區域電網風電接納能力算法，與基于調峰約束、網架約束的全網風電接納能力算法協同考慮，對全網風電在線接納能力進行準確評估。自D5000基礎平臺同步提取網絡拓撲和常規機組最小技術出力、爬坡能力、啟停狀態及當前時刻實際出力等數據、綜合考慮變電站母線負荷預測、相關聯絡線(斷面)極限、正負旋轉備用約束以及風電場開機容量、風功率預測、接納系數，通過直流潮流計算，分析系統負荷分布、風電場及常規電源的分布及其對全網風電上網功率的影響，評估全網及地區實際風電接納能力；在風電受限情況下，能通過優化潮流實現該地區風電總體上網功率最大的目標。

目標函數： 考慮多時段地區接納風電最大，如式(1)所示。

(1)

約束條件：

1)電力平衡約束

(2)

2)機組出力約束

(3)

3) 機組爬坡率約束

(4)

4)上旋轉備用約束

(5)

5)下旋轉備用約束

(6)

6)線路直流潮流約束

(7)

2.2 風電發電計劃編制和實時調整

將風電發電計劃納入全網日前電力電量平衡和日內計劃滾動調整，如圖2所示。

根據全網負荷預測、開機計劃以及風電發電預測結果，考慮調峰約束、判斷全網風電發電預測結果是否能夠全部納入全網平衡，并按照新能源電站并網運行特性評價排序進行電站接納能力的分配，形成考慮全網調峰約束的風電發電計劃。

基于D5000平臺同步獲取網絡拓撲、日前計劃安全校核結果等相關信息，根據地區負荷預測、區域內開機計劃、區域內各風電場風功率預測結果、區域內重要斷面及外送斷面熱穩極限等，考慮網架、機組出力等約束，以區域內風電發電整體接納能力最大為目標，運用直流潮流算法計算風電接納空間，如無法實現全額消納，根據新能源電站并網性能評價排序結果完成限電功率的優化分配，消除越限線路、斷面，生成綜合考慮全網調峰約束和網架約束的風電發電計劃。

圖2 風電調度計劃流程圖

在日內實時調度時，風電接納能力評估系統每15 min滾動分析電網4 h之內風電接納能力及斷面越限情況，對風電場發電計劃進行必要的調整，以消除由風電出力過大引起的風險。日內風電計劃直接發送至平臺AGC模塊下發風電場執行。同時為調度員提供人工設置控制風電功能。

2.3 風電理論功率計算

風電理論功率的計算是風電根據國家電網公司《風電受阻電量計算辦法》、原國家電監辦《風電棄風電量統計辦法》要求，采用樣板機法、測風數據外推法計算風電受阻時段的理論功率，從而為風電規劃、調度運行提供準確的基礎數據[7-8]。要準確計算統計周期內風電理論電量，必須要實現棄風時段的準確統計。一般采用調度員手動記錄或風電場定時上報的方法，對于如何自動準確計算風電受阻時段，此前并無切實可行的解決方案。

結合新疆電網已實現全網風電有功自動發電控制功能(AGC)的現狀，提出采用風電場AGC目標曲線與實際功率曲線對比分析法，通過自動計算各采樣點風電場實際功率曲線與省調下發AGC目標曲線的偏差來判定該時刻是否處于限電時段，即兩者數值吻合度高偏差接近0的點為限電時段，兩者數值吻合度低偏差絕對值較大的點為非限電時段。此法程序設計較易實現，能夠自動準確統計各風電場發電出力受阻時段，使風電理論功率的計算誤差最小化。如圖3所示為某風電場功率曲線。

2.4 風電優先調度評價

依據國家電網公司《風電優先調度工作規范》的要求，綜合評價風電優先調度工作。基于智能電網調度技術支持系統，分別對風電功率預測、新能源調度計劃、常規電源調度計劃、風電理論功率、棄風情況及實時調度數據進行分析，綜合各方面評價結果形成對各環節風電優先調度工作評價。通過分析評價結果，查找各環節風電優先調度工作存在的問題，以便于有針對性整改，不斷促進風電最大化消納。

通過面積堆積圖，檢查火電機組調峰力度和開機備用容量。根據火電機組開機容量及技術參數，計算當前全網火電機組最小技術出力，并與火電實際出力進行對比，檢查限電時段火電機組是否達到最小技術出力。根據限電時段火電機組開機容量與負荷情況，檢查系統備用容量是否滿足相關要求。圖4為某天全網電源出力曲線。

3 所提方案具備的優點

所提方案實現了全網及地區風電在線接納能力評估量化計算。

在此前提下，所提方案實現了新疆電網對風電接納從風電功率預測、風電接納能力評估、風電日前發電計劃、風電日內實時調整到在線風電場有功出力控制的閉環。即以短期風電功率預測為基礎，以優先接納風電為目標，將風電納入電網調度計劃編制流程，對日前常規機組組合方式和機組發電計劃進行優化，實現風電、火電聯合優化調度，減少了常規機組備用容量；通過超短期風功率預測、超短期負荷預測等，實現日前計劃的再調整，通過滾動調整常規機組發電計劃，實時控制部分常規機組出力，調整風電場發電曲線或在線控制風電場發電出力，使風電控制由日前計劃推到日內，最大限度地接納風電。

所提方案通過采用風電場AGC目標曲線與實際功率曲線對比分析法，有效解決了風電受阻時段自動統計難點問題，對風電理論功率計算、風功率預測準確率計算及風電優先調度評價等工作起到了至關重要的作用。

4 結 論

所提方案以風電優先調度為目標，結合風功率預測及系統、母線負荷預測、機組計劃，考慮網架斷面約束，計算全網及分地區風電接納空間；從日前調度計劃編制著手，應用風電接納空間的計算結果，合理安排常規機組計劃，根據安全校核結果，調整常規電源出力計劃，并通過新能源系統實現對風電發電計劃的實時調整，實現了從調度日內滾動計劃到風電場有功功率的閉環控制。通過對棄風時段的自動統計，實現了基于樣板風機法、測風數據外推法風電理論功率計算，有利于對風電優先調度情況進行后評估，持續提升風電優先消納工作。所提方案是新疆電力調度控制中心在進行智能電網調度技術支持系統建設過程中，結合新疆電網的實際情況，針對風電優先調度工作的難點問題所采取的解決方案，為風電優先調度工作模式作出了有益探索。

圖3 某風電場功率曲線

圖4 新疆全網電源出力情況

[1] 風電優先調度工作規范，國家電網調〔2012〕1938號.

[2] 智能電網調度技術支持系統系列標準，國家電網科〔2011〕2005號.

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[4] 白建華,辛頌旭,賈德香,等.中國風電開發消納及輸送相關重大問題研究[J].電網與清潔能源,2010,26(1):14-17．

[5] 劉新東,方科,陳煥遠.利用合理棄風提高大規模風電消納能力的理論研究[J].電力系統保護與控制,2012(6):35-39.

[6] 張謙,李琥,高松.風電對調峰的影響及其合理利用模式研究[J].南方電網技術,2010(6):18-22.

[7] 李豐,張粒子,舒雋,等.含風電與儲能系統的調峰與經濟棄風問題研究[J].華東電力,2012(10):1695-1700.

[8] 呂朝陽,張丹慶,李懷玉.我國風電大規模外送協同運行方式研究[J].水電能源科學,2012(9)：202-205.