輸電網(wǎng)外部需求評估指標集構建

陳睿，何光宇，劉鎧誠，黃文英，鄧兆云，鄧勇

(1.清華大學電機系電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京市100084;2.廣東電網(wǎng)電力調度控制中心，廣州市510600;3.國網(wǎng)福建電力調度控制中心，福州市350003)

0 引言

構建一套科學、全面、系統(tǒng)的輸電網(wǎng)運行指標體系，是定量評估輸電網(wǎng)運行狀態(tài)的重要基礎。通過該指標體系的建立，可以實現(xiàn)對輸電網(wǎng)的全面監(jiān)測和評估，從而對其運行狀態(tài)和薄弱環(huán)節(jié)進行分析和識別，為輸電網(wǎng)的運行管理提供決策依據(jù)［1-2］。

目前國內(nèi)已開展很多針對單一運行目標的評估方法及指標體系的研究工作。文獻［3］設計了一套包括安全供電能力、靜態(tài)電壓安全性、拓撲結構脆弱性、暫態(tài)安全性、風險指標5個方面的電網(wǎng)安全評價指標體系;文獻［4］探討了電力市場條件下可靠性研究的新方向、可靠性指標評價的新標準、最優(yōu)可靠性對指標體系的新要求及大電網(wǎng)可靠性靈敏度分析等問題，并提出要建立一個能夠將可靠性與經(jīng)濟性緊密結合的新指標體系;文獻［5］從發(fā)、輸、配、用、調度等環(huán)節(jié)出發(fā)，梳理了電力低碳領域的相關指標。

文獻［6］指出，由于電網(wǎng)運行目標的復雜性，單一領域的指標無法有效評估輸電網(wǎng)運行的整體情況，提出了一種系統(tǒng)的輸電網(wǎng)運行評估方法和評估指標體系的總體架構，從結果和原因2個層面對輸電網(wǎng)運行進行評估，在評估輸電網(wǎng)運行狀態(tài)的基礎上，進一步挖掘運行狀態(tài)產(chǎn)生的原因，以構建覆蓋輸電網(wǎng)各個運行目標的指標體系。

本文基于文獻［6］提出的輸電網(wǎng)運行評估指標體系的總體架構和構建方法，分析與輸電網(wǎng)外部相連的各類實體對輸電網(wǎng)運行的需求，構建外部需求評估指標集，評估輸電網(wǎng)是否滿足其外部利益相關者的電能輸送需求，提供高質量的電能輸送服務。本文的第一部分將簡要介紹文獻［6］提出的外部需求的評估方法和思路;然后，針對省級電網(wǎng)的500kV/220kV輸電網(wǎng)，具體分析外部利益相關者的需求，應采用怎樣的指標進行評估;最后，根據(jù)上述分析，根據(jù)指標選取原則選取評估指標，給出單時間斷面及統(tǒng)計周期時間段的外部需求指標集。

1 評估方法及思路

結果評估反映了輸電網(wǎng)的整體運行狀態(tài)，是輸電網(wǎng)運行評估指標體系中最主要的部分，其總體架構如圖1所示。一方面，調度中心做出合理的控制決策依賴于對電網(wǎng)運行狀態(tài)的分析和預測，對電網(wǎng)運行狀態(tài)進行準確、及時、全面的評估是進行有效決策的前提;另一方面，決策后電網(wǎng)運行狀態(tài)也反映了調度中心的控制效果，可以作為調度中心決策后評估的依據(jù)。

圖1 結果評估的架構Fig.1 Architecture of result evaluation

評估電網(wǎng)運行狀態(tài)的優(yōu)劣即為評估輸電網(wǎng)利益相關者的需求的滿足程度。輸電網(wǎng)的利益相關者包括配電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、互聯(lián)輸電網(wǎng)企業(yè)以及輸電網(wǎng)企業(yè)自身。它們可以分為外部利益相關者及輸電網(wǎng)企業(yè)自身2類，對應著外部需求和內(nèi)部需求的2類需求。外部需求即指配電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、互聯(lián)輸電網(wǎng)企業(yè)對輸電網(wǎng)運行的需求。輸電網(wǎng)為配電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、互聯(lián)輸電網(wǎng)企業(yè)提供輸電服務，滿足外部需求是輸電網(wǎng)運行的主要功能。同時，外部需求的變化也影響著輸電網(wǎng)的運行狀態(tài)和調控措施。

結果評估指標集的構建遵循“需求分析—指標選取—指標統(tǒng)計”的思路。特別地，針對外部需求，評估指標集的構建思路如圖2所示。外部利益相關者的內(nèi)部組成復雜，如發(fā)電廠就包括火電、水電、風電、核電等多種發(fā)電形式，其需求不可一概而論。它們與輸電網(wǎng)通過為數(shù)眾多的節(jié)點相連，輸電網(wǎng)或向節(jié)點提供電能，或從節(jié)點接納電能，在節(jié)點間建立電能傳輸?shù)穆窂健＿@3類利益相關者的需求具體體現(xiàn)在每一節(jié)點上。分析這3類利益相關者的需求，可將其分解、落實到與輸電網(wǎng)相連的每個相關節(jié)點的需求上。進而，按需求的類型對各個相關節(jié)點的具體需求進行分析、歸納，選取合理的指標評估單個節(jié)點短期及長期時間內(nèi)的需求滿足程度。最后，對單節(jié)點指標在全網(wǎng)范圍進行統(tǒng)計，從而得到評估輸電網(wǎng)整體運行狀態(tài)的指標。

圖2 外部需求評估指標集構建思路Fig.2 Flow chart of constructing external demand evaluation index set

2 外部節(jié)點類型

按照節(jié)點連接的對象，與輸電網(wǎng)相連的節(jié)點可分為與發(fā)電機互聯(lián)的節(jié)點(簡稱發(fā)電節(jié)點)、與配電網(wǎng)互聯(lián)的節(jié)點(簡稱配電網(wǎng)節(jié)點)以及與輸電網(wǎng)互聯(lián)的節(jié)點(簡稱聯(lián)絡線節(jié)點)。

2.1 發(fā)電節(jié)點

發(fā)電節(jié)點指輸電網(wǎng)與集中式發(fā)電廠的聯(lián)絡節(jié)點，包括火電節(jié)點、水電節(jié)點、風電節(jié)點、核電節(jié)點、光伏發(fā)電節(jié)點、大型儲能電站節(jié)點等等多種類型。根據(jù)其發(fā)電形式的不同，各種發(fā)電節(jié)點有著不同需求。

如對于一次能源不可儲存的風電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電，實時出力取決于風力、光照等自然因素，其一次能源不可儲存，發(fā)電功率隨時間波動性較強，它們期望輸電網(wǎng)能夠提高接納能力［7］。對于部分不可調節(jié)的徑流水電，其特性和需求也類似于上述新能源發(fā)電。

而對于火電、核電以及調節(jié)式水電站等，由于一次能源可以儲存，能夠制定較為明確的發(fā)電計劃，根據(jù)機組啟停特性和電廠的特點，常安排部分水電、火電廠承擔中間負荷、尖峰負荷［8-9］。調度中心根據(jù)負荷情況，可以在一定范圍內(nèi)調節(jié)這些電廠的機組出力或啟停機組，以維持功率平衡。它們期望能夠減小備用容量，提高發(fā)電設備的利用率。而核電站通常維持發(fā)電出力穩(wěn)定在額定值附近，承擔基本負荷，其發(fā)出功率不可調節(jié)。調度中心應按照其申報的功率過程曲線安排發(fā)電負荷，保證核電站安全運行。

2.2 配電網(wǎng)節(jié)點

配電網(wǎng)節(jié)點指輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的聯(lián)絡節(jié)點。

傳統(tǒng)電網(wǎng)中，配電網(wǎng)單方面從輸電網(wǎng)接收電能并向用戶供應負荷，配電網(wǎng)本身無發(fā)電能力、可控性較弱，向配電網(wǎng)傳輸?shù)碾娔苤饕Q于隨機波動的負荷。故傳統(tǒng)配電網(wǎng)節(jié)點的功率是不可調節(jié)的，輸電網(wǎng)需在任意時刻適應負荷的波動，向配電網(wǎng)供應充足的電能，否則將造成電力用戶無法使用電能。

而智能電網(wǎng)強調用戶的參與，鼓勵用戶和電網(wǎng)之間的雙向互動，用戶從一個單純的電力消費者變成電網(wǎng)中的一員，不僅可以根據(jù)自身的需求定制相應的供電服務，也可根據(jù)電網(wǎng)的實際運行狀態(tài)對自身用電情況和所安裝的分布式發(fā)電設備運行狀態(tài)進行調整［10］。隨著分布式發(fā)電、智能用電設備、電動汽車等在配電網(wǎng)的逐步接入以及需求側管理技術的發(fā)展，負荷將可以在一定程度上進行調節(jié)，即配電網(wǎng)對于輸電網(wǎng)的功率需求將不完全取決于電力用戶的用電情況。輸電網(wǎng)供應的電能可以在一定范圍內(nèi)調節(jié)，再由配電網(wǎng)進一步采取控制措施，滿足終端用戶的電能需求。

2.3 聯(lián)絡線節(jié)點

聯(lián)絡線節(jié)點主要指輸電網(wǎng)與互聯(lián)輸電網(wǎng)之間的聯(lián)絡線節(jié)點。聯(lián)絡線分為交流聯(lián)絡線和直流聯(lián)絡線。各區(qū)域電網(wǎng)應分別調整各自內(nèi)部的有功平衡，以實現(xiàn)整個互聯(lián)電網(wǎng)有功電力的瞬間平衡。與本地電網(wǎng)互聯(lián)的輸電網(wǎng)期望本地電網(wǎng)能夠維持功率平衡，聯(lián)絡線輸送功率維持在計劃值附近。節(jié)點類型如圖3所示。

3 外部節(jié)點的需求

圖3 輸電網(wǎng)的外部節(jié)點類型分類Fig.3 External node types of transmission network

輸電網(wǎng)或向節(jié)點提供電能，或從節(jié)點接納電能，在節(jié)點間建立電能傳輸?shù)穆窂健；谧陨硖攸c，節(jié)點的需求可能各有不同。這些需求可以概括為:在特定的時間，向特定的節(jié)點，以特定的質量標準，提供或接納特定數(shù)量的電能。在特定的時間和節(jié)點上，各節(jié)點電力需求均包含相互關聯(lián)但又有本質差別的2個量:質量和數(shù)量。質量，指節(jié)點處的電能質量;數(shù)量，是指節(jié)點需要發(fā)出或接納的容量。電能的質量一般采用電壓和頻率進行衡量;數(shù)量則一般采用有功和無功進行衡量。因此，對于輸電網(wǎng)與外部相連接的節(jié)點，一般可以用頻率、電壓以及有功、無功等表征其需求，進而評估需求的滿足程度。

應指出的是，關于無功功率，發(fā)電方、配電網(wǎng)以及互聯(lián)電網(wǎng)，對其本身并無需求，但無功是影響電壓質量的一個重要因素。無功功率經(jīng)線路和變壓器向負荷傳輸，將產(chǎn)生電壓損耗，使得末端電壓降低，輸送距離越遠，造成的電壓降低也越嚴重。因此，在針對電壓的評估上，已考慮了此種因素，無須再對無功進行評估。下文分析的節(jié)點功率需求，主要指的是節(jié)點的有功需求。

3.1 節(jié)點的質量需求

節(jié)點對于電能質量的需求可以從頻率和電壓2個方面進行分析。

(1)頻率。發(fā)電節(jié)點、配電網(wǎng)節(jié)點和聯(lián)絡線節(jié)點，均對全網(wǎng)頻率有所要求。應指出的是，直流聯(lián)絡線節(jié)點，對全網(wǎng)頻率并沒有要求。

(2)電壓。為保證電力系統(tǒng)中各電力設備的正常運行，發(fā)電節(jié)點、配電網(wǎng)節(jié)點和聯(lián)絡線節(jié)點的節(jié)點電壓均應符合電壓允許偏差范圍的要求。

3.2 節(jié)點的數(shù)量需求

輸電網(wǎng)并非產(chǎn)生電能的來源，而是傳輸電能的通道，輸電網(wǎng)從發(fā)電節(jié)點接納電能，向配電網(wǎng)節(jié)點供應電能。因此，輸電網(wǎng)外部節(jié)點的功率需求和輸電網(wǎng)運行之間的關系，與一般意義上的客戶需求和企業(yè)運營之間的關系并不完全一致:

(1)輸電網(wǎng)滿足各節(jié)點的功率需求，其時效性要求很高。電能的發(fā)、輸、配、用同時進行，瞬間完成。輸電網(wǎng)應在任一時刻保證對發(fā)電的充分接納、對配電網(wǎng)的可靠供電以及維持聯(lián)絡線交換功率穩(wěn)定。

(2)同時，電力系統(tǒng)的物理特性要求發(fā)電和負荷功率保持平衡。對發(fā)電節(jié)點接納電能的需求、對配電網(wǎng)節(jié)點供應電能的需求以及聯(lián)絡線節(jié)點的功率需求，應時刻保持平衡。

因此，節(jié)點對于輸電網(wǎng)而言有雙重含義:節(jié)點是輸電網(wǎng)的服務對象，輸電網(wǎng)應根據(jù)節(jié)點的需求，安排電能輸送;同時，節(jié)點是輸電網(wǎng)的可調控資源，輸電網(wǎng)應采取合理的調控策略，平衡各節(jié)點的需求。例如，輸電網(wǎng)應充分接納發(fā)電機組發(fā)出的電能，同時，通過調節(jié)發(fā)電機組的出力，向負荷側供應充足的電能;輸電網(wǎng)應盡可能地滿足負荷側的用電需求，同時，也可以通過需求側管理等手段，削峰平谷，提高發(fā)電效率。

輸電網(wǎng)通過調節(jié)各節(jié)點及運用其他調控手段，以滿足節(jié)點對輸電網(wǎng)需求。毫無偏差地滿足所有節(jié)點的任何功率需求是不現(xiàn)實的。分析節(jié)點的功率需求，對其接納或供應的電能進行適當?shù)恼{節(jié)和平衡，以合理安排發(fā)電和輸電，正是輸電網(wǎng)應當完成的工作。

結合調度中心可采用的對節(jié)點功率的調控措施，在對功率需求的分析中，可以將節(jié)點分為兩類:第一類節(jié)點，其發(fā)出或接受的功率對于調度中心而言是不可調節(jié)的，此類節(jié)點的需求可認為是剛性的;第二類節(jié)點，調度中心可以在一定范圍內(nèi)調節(jié)其發(fā)出或接受的功率，此類節(jié)點的需求可認為是柔性的。在這里，節(jié)點功率的可調節(jié)性分為2個層次，首先，節(jié)點功率從物理層面是否具有可調節(jié)的能力;其次，節(jié)點與輸電網(wǎng)之間是否達成了功率可調節(jié)的協(xié)議。

由上文對各種類型節(jié)點的分析可知，發(fā)電節(jié)點中，風電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電節(jié)點以及核電節(jié)點、徑流式水電節(jié)點的功率是不可調節(jié)的，而火電、有庫容的水電則參與調峰調頻;配電網(wǎng)節(jié)點中，傳統(tǒng)配電網(wǎng)節(jié)點的功率是不可調節(jié)的，而新型配電網(wǎng)則具有一定的功率調節(jié)能力;聯(lián)絡線節(jié)點的功率也應盡量維持在計劃值。

對于功率不可調節(jié)點，一般采用點值P0或E0來表征功率或能量的需求量，評估有功的實際值滿足需求值的程度。對于功率可調節(jié)點，一般采用區(qū)間值［PMIN，PMAX］或［EMIN，EMAX］來表征功率或能量的需求量，實際值在區(qū)間內(nèi)均認為其需求得到滿足，超出區(qū)間的部分即為不滿足的程度。

根據(jù)節(jié)點類型不同，節(jié)點有功需求、相應的需求值或需求區(qū)間的選取也有所不同，見表1。

表1 節(jié)點類型及其有功需求Tab.1 Node types and real power demand

由此，外部利益相關者的在各節(jié)點的需求分類總結見圖4，包括質量和數(shù)量2方面的需求。

4 節(jié)點需求評估指標選取

上文已明確了節(jié)點需求為何，下面選取和設計相應的指標評估節(jié)點需求的滿足程度。節(jié)點需求評估指標應包括指標名、指標作用、指標計算方法、指標界、指標值、指標對象、計算時段等屬性。其指標對象為單個節(jié)點;其計算時段既有當前斷面的，也有統(tǒng)計周期時間的;且應盡量選用相對指標進行評估。

圖4 外部節(jié)點需求的分類Fig.4 Classification of external demands

4.1 節(jié)點需求的單時間斷面評估指標

在單時間斷面內(nèi)，節(jié)點的電壓偏差應符合相應的行業(yè)標準，電壓值越上限或下限則說明節(jié)點電壓不合格。頻率是全網(wǎng)量，無須在節(jié)點處進行評估，故無節(jié)點頻率指標。

而對于短期(5 min)內(nèi)的有功功率需求，將節(jié)點實際功率與功率需求區(qū)間對比，求實際功率相對于功率需求區(qū)間的越限值。對于某節(jié)點i，設其當前功率交換值 Pi，功率需求區(qū)間為特別地，對功率不可調節(jié)點則有:

該節(jié)點的短期(5 min)內(nèi)的有功功率需求滿足程度的評估指標Ii1為

式中:Pmin，i、Pmax，i的取值根據(jù)節(jié)點類型的不同參照表1，具體指標見表2。

表2 單節(jié)點的單時間斷面的外部需求評估指標Tab.2 Instantaneous and single-node evaluation index of external demand

由表2可知:可調節(jié)點的出力需求值為出力區(qū)間，由機組特性及購電合同得到，若出力不越限，則評估指標值為0，反之則為越限的大小。不可調節(jié)點的功率需求值由當前一次能源情況下滿發(fā)出力表征，出力接納缺額為單節(jié)點實時出力與出力需求值的差值，可以評估輸電網(wǎng)對于不可調電源節(jié)點的有功出力在短期的接納程度。可調節(jié)點的負荷需求值為負荷區(qū)間，由配電網(wǎng)特性或需求側管理得到，可調負荷節(jié)點的調節(jié)量越限值表征了由于輸電網(wǎng)運行不佳造成的中斷負荷。不可調節(jié)點的負荷需求值以負荷預測值表征，實際供電負荷與預測負荷之差反映了輸電網(wǎng)向不可調節(jié)負荷節(jié)點供應電能的充足性。

4.2 節(jié)點需求的統(tǒng)計時間段評估指標

在統(tǒng)計時間段內(nèi)，可以選取和設計單節(jié)點的指標見表3。統(tǒng)計時間段的指標常是對于相應的單時間斷面指標在持續(xù)時間的曲線的分析，如平均值、波動幅度、頻率以及越限/合格持續(xù)時間等。例如，節(jié)點電壓合格率為節(jié)點電壓合格時間與總時間的相對指標。

表3 單節(jié)點的統(tǒng)計時間段的外部需求評估指標Tab.3 Time-period and single-node evaluation index of external demand

5 外部需求評估指標集

對表2、3的指標在全網(wǎng)范圍內(nèi)進行統(tǒng)計，得到評估全網(wǎng)外部需求的單時間斷面和統(tǒng)計時間段的評估指標，見表4、5。一般來說，在全網(wǎng)范圍內(nèi)統(tǒng)計，是指將全網(wǎng)范圍內(nèi)的同類型節(jié)點對于某一需求的滿足程度進行統(tǒng)計。如將全網(wǎng)風電節(jié)點的出力進行統(tǒng)計，可以得到全網(wǎng)風電出力接納比例，評估輸電網(wǎng)對于風電出力的接納程度。

表4 全網(wǎng)的單時間斷面的外部需求評估指標Tab.4 Instantaneous and entire-network evaluation index of external demand

表5 全網(wǎng)的統(tǒng)計時間段的外部需求評估指標Tab.5 Time-period and entire-network evaluation index of external demand

6 結論

外部需求指的是輸電網(wǎng)運行的外部利益相關者(即配電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、互聯(lián)輸電網(wǎng)企業(yè))對輸電網(wǎng)運行的需求。外部需求滿足程度的評估反映了輸電網(wǎng)是否滿足其外部利益相關者的電能輸送需求，提供高質量的電能輸送服務，是輸電網(wǎng)運行結果評估的重要部分。

本文將輸電網(wǎng)運行的外部需求概括為:在特定的時間，向特定的節(jié)點，以特定的質量標準，提供或接納特定數(shù)量的電能。本節(jié)闡述了外部需求滿足程度的評估方法，總結了外部節(jié)點的類型，具體分析了節(jié)點的質量和數(shù)量需求。最后，選取了合理的指標評估在當前斷面和統(tǒng)計時間段上的節(jié)點的外部需求的滿足程度，并由單節(jié)點指標出發(fā)，統(tǒng)計得到系統(tǒng)的評估指標，從而最終構建了輸電網(wǎng)運行評估指標體系的外部需求評估指標集，反映外部需求在實時及階段的滿足程度。

本文所構建的外部需求評估指標集是輸電網(wǎng)運行評估指標體系的一部分。在本文工作的基礎上，將繼續(xù)分析輸電網(wǎng)企業(yè)在輸電網(wǎng)運行中的需求，構建內(nèi)部需求指標集，從而構成輸電網(wǎng)運行的結果評估指標集，全面評估輸電網(wǎng)運行的狀態(tài)是否滿意。進一步，沿用文獻［6］的方法，構建結果評估指標的分解指標集和相應的決策鏈，并對決策鏈進行評估，從而完成原因評估，以挖掘輸電網(wǎng)運行狀態(tài)異常的原因。

［1］萬衛(wèi)，王淳，程虹，等.電網(wǎng)評價指標體系的初步框架［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2008，36(24):14-18.

［2］周韓，劉東，吳子美，等.電力系統(tǒng)安全預警評估指標及其應用［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31(20):45-48.

［3］張國華，張建華，彭謙，等.電網(wǎng)安全評價的指標體系與方法［J］.電網(wǎng)技術，2009，33(8):30-34.

［4］王超，徐政，高鵬，等.大電網(wǎng)可靠性評估的指標體系探討［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2007，19(1):42-48.

［5］譚偉，何光宇，劉鋒，等.智能電網(wǎng)低碳指標體系初探［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34(17):1-5.

［6］鄧勇，陳睿，黃文英，等.面向閉環(huán)控制的輸電網(wǎng)運行評估指標體系架構設計［J］.電力建設，2014，35(7):1-6.

［7］陳赟.風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)問題研究［D］.上海:上海交通大學，2005.

［8］王凱，黃葆華，司派友.火電機組調峰裕度的影響因素研究［J］.節(jié)能技術，2012，30(1):51-54.

［9］廖勝利，程春田，蔡華祥，等.改進的火電調峰方式［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30(1):89-93.

［10］陳樹勇，宋書芳，李蘭欣，等.智能電網(wǎng)技術綜述［J］.電網(wǎng)技術，2009，33(8):1-7.