區(qū)域電網(wǎng)電力平衡度評價模型與方法

溫曉強

(秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000)

區(qū)域電網(wǎng)電力平衡度評價模型與方法

溫曉強

(秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000)

提出區(qū)域電網(wǎng)平衡度概念，建立基于灰色關(guān)聯(lián)分析方法的平衡度評價模型，并進(jìn)行主客觀組合賦權(quán)，對某5省域電網(wǎng)的資源優(yōu)化友好程度進(jìn)行綜合評價，并提出省域電網(wǎng)資源優(yōu)化友好度模型，驗證分析提出的平衡度模型的正確性。結(jié)果表明，該模型不但能夠反映區(qū)域電網(wǎng)不同運行狀態(tài)下的電力平衡水平，并且具有通用性、可操作性好等優(yōu)點。

區(qū)域電網(wǎng)；平衡度；資源優(yōu)化；組合賦權(quán)；灰色關(guān)聯(lián)分析

0 引言

區(qū)域電網(wǎng)電力平衡與否關(guān)乎電網(wǎng)能否正常、安全運行。隨著間歇式能源的參與，區(qū)域電網(wǎng)的電力平衡不再是簡單的傳統(tǒng)意義上的供需平衡問題。省域電網(wǎng)是電能生產(chǎn)、電能傳輸以及供電服務(wù)的運行主體，研究電力平衡問題應(yīng)該從省域電網(wǎng)入手。發(fā)電環(huán)節(jié)存在著常規(guī)火電最優(yōu)機組出力與最優(yōu)備用問題，間歇式能源發(fā)電不穩(wěn)定性、棄電現(xiàn)象嚴(yán)重；輸配電環(huán)節(jié)，網(wǎng)損仍占很大比例，分布式發(fā)電、跨區(qū)輸電加大了系統(tǒng)平衡的復(fù)雜性；用電環(huán)節(jié)負(fù)荷高峰時期頻現(xiàn)拉閘限電，儲能設(shè)備利用率較低。基于上述問題，省域電網(wǎng)的電力平衡問題是一個難題與熱點，若上述因素處理不好，無法實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，能源結(jié)構(gòu)的成功轉(zhuǎn)型更是紙上談兵。

國內(nèi)外對電網(wǎng)電力供需平衡主要從以下2方面進(jìn)行研究：一方面從整體上對電力平衡進(jìn)行分析[1-3]，夏清分析了電力供需不平衡的原因以及相應(yīng)的措施，黃強提出了通過加強電力供需資源的全過程協(xié)調(diào)管理，來滿足日益增長的社會用電需求，王芝茗提出了電力供需平衡指數(shù)，用來衡量電網(wǎng)的平衡情況；一方面是某一因素對電力平衡影響的分析[4-5]，傅旭和胡兆兆基于電力平衡分別對電網(wǎng)最大接納風(fēng)電能力和核電能力進(jìn)行了分析。然而，上述研究主要局限于對電力平衡進(jìn)行定性分析，沒有綜合全面的考慮省域電網(wǎng)中各個指標(biāo)對電力平衡的貢獻(xiàn)；沒有從發(fā)、輸配、用電環(huán)節(jié)入手選取相關(guān)平衡指標(biāo)，分析其對省域電網(wǎng)整體運行情況的影響。本文根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)的自身屬性、特點提出1種評價電網(wǎng)“平衡度”的數(shù)學(xué)模型，首次將區(qū)域電網(wǎng)的平衡度進(jìn)行定義并給出平衡度量化指標(biāo)。構(gòu)建區(qū)域電網(wǎng)平衡度評價模型，旨在相關(guān)部門更科學(xué)地監(jiān)管區(qū)域電網(wǎng)資源優(yōu)化配置友好程度，激勵區(qū)域電網(wǎng)實現(xiàn)電網(wǎng)運行安全性與經(jīng)濟性的整體最優(yōu)。

1 區(qū)域電網(wǎng)電力平衡度綜合評價指標(biāo)體系

本文首次為區(qū)域電網(wǎng)的平衡度進(jìn)行了定義，選取、量化了平衡度評價指標(biāo)。區(qū)域電網(wǎng)在保證區(qū)域電力系統(tǒng)正常運行、發(fā)電側(cè)與用電側(cè)功率供需平衡的情況下，發(fā)電、輸配電、用電環(huán)節(jié)的資源配置優(yōu)化的綜合友好程度，稱為區(qū)域電網(wǎng)的平衡度。

以電能優(yōu)化配置友好角度A1為出發(fā)點，從影響電能供需平衡層面分別在發(fā)、輸配以及用電環(huán)節(jié)選取平衡度相關(guān)指標(biāo)：火電常規(guī)機組可增發(fā)功率與火電裝機總差比K11、清潔能源調(diào)度棄電與清潔能源機組裝機總差比K12、跨區(qū)輸電與跨區(qū)計劃功率總差比K13、分布式可增發(fā)電量與分布式總裝機比K14、網(wǎng)損與上網(wǎng)電量比K15、拉閘限電功率與總負(fù)荷比K16以及清潔電動汽車充電站可充電容量與最大容量總差比K17。區(qū)域電網(wǎng)平衡度評價體系框架如圖1所示。

基于此，本文建立了1套對區(qū)域電網(wǎng)的整體運行情況進(jìn)行客觀評價的平衡度模型。本文所建立的區(qū)域電網(wǎng)平衡度評價模型為定量化模型，具有實際意義，旨在促進(jìn)區(qū)域電網(wǎng)資源的優(yōu)化配置，具有科學(xué)性、通用性、完整性與可操作性的優(yōu)點。具體的區(qū)域電網(wǎng)平衡度指標(biāo)闡述如下：由于火電裝機占總裝機的份額最大，發(fā)電量最多，火電機組壓負(fù)荷運行狀況體現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)經(jīng)濟運行的好壞；新能源發(fā)電市場份額不斷提高，但面臨著種種問題，導(dǎo)致上網(wǎng)困難，棄電現(xiàn)象嚴(yán)重；大電網(wǎng)、跨區(qū)互聯(lián)迎合我國電網(wǎng)的發(fā)展方向，跨區(qū)輸電的效率、輸電通道的利用率是相關(guān)部門所關(guān)心的；拉閘限電多少是衡量區(qū)域電網(wǎng)建設(shè)安全穩(wěn)定好壞的1個重要標(biāo)志，是體現(xiàn)用戶用電滿意度、電網(wǎng)成熟度的1個風(fēng)向標(biāo)；分布式電源在電力市場的參與度在一定程度上體現(xiàn)了智能電網(wǎng)的發(fā)展水平；銷售電量與上網(wǎng)電量總差比這一指標(biāo)是用來衡量輸配電網(wǎng)的電力不平衡度，包括網(wǎng)損、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點潮流阻塞等；普及清潔電動汽車，以儲能方式提高區(qū)域電網(wǎng)平衡度，因此有必要選取充電站可充電容量與總?cè)萘繛槠胶舛仍u價指標(biāo)。

圖1 區(qū)域電網(wǎng)平衡度評價體系框架

(1)火電常規(guī)機組(火電、油電)可增發(fā)功率與火電裝機總差比

(1)

式中：n表示區(qū)域電網(wǎng)中火電廠的個數(shù)，m表示第i個火電廠中火電機組的個數(shù)；Pi,j-max表示第i個火電廠第j個機組的出力最大限值，Pi,j,t-火電表示t時段內(nèi)第i個發(fā)電廠第j個機組的出力。

(2)清潔能源調(diào)度棄電與清潔能源發(fā)電裝機總差比

(2)

式中：n表示區(qū)域電網(wǎng)中棄電電源的類別，m表示區(qū)域電網(wǎng)中第i類電源的機組總數(shù)；Pi,j,t-max表示第i類電源第j臺機組t時段最大出力值，Pi,j,t-實際表示第i類電源第j臺機組t時段實際出力值。

(3)跨區(qū)輸電功率與跨區(qū)計劃功率總差比(跨區(qū)計劃與實際輸入總差功率等于跨區(qū)消納電能的最大值與實際電能輸入值之差)

(3)

式中：n表示聯(lián)絡(luò)點的個數(shù)，P最大值-i,t表示跨區(qū)傳輸電能合同最大值，P實際輸電-i,t表示t時段第i個聯(lián)絡(luò)點輸入電能實際值，以跨區(qū)輸入電能為正方向。

(4) 分布式電源可增發(fā)電量與分布式總裝機電量比

(4)

式中：i=1,2,…,n表示分布式上網(wǎng)節(jié)點。

(5)網(wǎng)損與上網(wǎng)電量比

(5)

式中：i=1,2,…,n表示區(qū)域電網(wǎng)上網(wǎng)電量節(jié)點，j=1,2,…,m表示區(qū)域電網(wǎng)銷售電量節(jié)點。

(6)拉閘限電功率與總負(fù)荷比

(6)

式中：i=1,2,…,n表示各負(fù)荷節(jié)點；Pi,t-限電表示t時段負(fù)荷節(jié)點i的拉閘限電功率。

(7)充電站可充電容量與最大容量比

(7)

式中：i=1,2,…,n表示區(qū)域電網(wǎng)第i個電動汽車充電站數(shù)。

2 區(qū)域電網(wǎng)電力平衡度評價方法

灰色關(guān)聯(lián)分析是挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)部規(guī)律的有效方法，通過對灰色系統(tǒng)中有限數(shù)據(jù)列的分析，尋求系統(tǒng)內(nèi)部諸多因素之間的相互關(guān)系，找出影響目標(biāo)值的主要因素，進(jìn)而從總體上把握系統(tǒng)動態(tài)運動規(guī)律。

區(qū)域電網(wǎng)是個復(fù)雜大系統(tǒng)，電源結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)建設(shè)情況、運行情況以及用電情況均不相同。以省域電網(wǎng)為研究對象，所選平衡度指標(biāo)數(shù)據(jù)信息量大，數(shù)據(jù)類型較多，且含有部分難于量化或統(tǒng)計的指標(biāo)，所得數(shù)據(jù)存在一定灰度。灰色關(guān)聯(lián)分析法[6]的1個最大優(yōu)點就是能夠處理信息不完全明確的灰色系統(tǒng)，對于小樣本無規(guī)律指標(biāo)的評價問題準(zhǔn)確性較高，因此灰色關(guān)聯(lián)分析法適合于區(qū)域電網(wǎng)平衡度綜合評價。

本文利用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法對區(qū)域電網(wǎng)平衡度模型進(jìn)行綜合評價，并基于組合賦權(quán)法，使計算結(jié)果更加科學(xué)、準(zhǔn)確，實用性強。區(qū)域電網(wǎng)平衡度灰色分析評價[7]的步驟如下。

(1)評價指標(biāo)、參考數(shù)列確定。從各評價對象的同一指標(biāo)中選出最優(yōu)值，構(gòu)成最優(yōu)指標(biāo)集，將其作為各評價對象比較的基準(zhǔn)，記為X0=(x01,x02,…,x0n)。

(2)數(shù)據(jù)的無量綱化處理。由于參評指標(biāo)通常具有不同的量綱，需對其進(jìn)行無量綱化處理，常用式(8)進(jìn)行無量綱化處理。

表1 區(qū)域電網(wǎng)平衡度評價指標(biāo) %

(8)

(3)評價矩陣的確定。將無量綱化處理后的數(shù)據(jù)代入式(9)可以得到第i個評價單位第k個指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為

(9)

式中：ρ為分辨系數(shù)，是介于0與1之間的數(shù)，一般取ρ=0.5；i=0,1,2…,m；k=1,2,…,n；各關(guān)聯(lián)系數(shù)組成評價矩陣E=(εij)m×n。

(4)評價指標(biāo)權(quán)重的確定。本文利用主客觀賦權(quán)法對區(qū)域電網(wǎng)平衡度模型進(jìn)行賦權(quán)，避免了主、客觀單獨賦權(quán)值時的缺點，利用熵值法[8-9]和層次分析法[6,10]相結(jié)合，對綠色度評價模型進(jìn)行組合賦權(quán)[11-12]，組合權(quán)重計算公式為

(10)

式中：ωj1為熵值法求得的平衡度評價模型的權(quán)重，ωj2為層次分析法求得的權(quán)重，α和β根據(jù)決策者對ωj1，ωj2的偏好程度進(jìn)行調(diào)整。

(5)灰色綜合評價。由評價矩陣E和權(quán)重系數(shù)向量R，得到灰色綜合評價結(jié)果為

(11)

最后，根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則進(jìn)行評價，即與di中最大者相對應(yīng)的平衡度最佳的選擇。

3 基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的區(qū)域電網(wǎng)電力平衡度綜合評價模型

本文提供了1種基于灰色關(guān)聯(lián)分析方法的區(qū)域電網(wǎng)平衡度綜合評價模型。以某5省域電網(wǎng)(G1，G2，G3，G4，G5)2013年7月的實際運行數(shù)據(jù)進(jìn)行評價，具體的平衡度指標(biāo)及其數(shù)據(jù)見表1。其中負(fù)號表示跨區(qū)輸出電能。

從表1中可以得出，G1的火電機組備用率最高，調(diào)度棄電也最多，仍然存在拉閘限電現(xiàn)象，說明G1的電網(wǎng)建設(shè)有待完善；發(fā)、輸配環(huán)節(jié)調(diào)度空間剩余較大，電網(wǎng)穩(wěn)定性良好，但資源過于浪費；因為處于暑期高峰時期，跨區(qū)輸電的利用率較大，但仍有改善空間；網(wǎng)損率較大，充電站利用率有待提高，經(jīng)濟性需要進(jìn)一步提高。

首先，利用熵值法和層次分析法確定區(qū)域電網(wǎng)平衡度評價指標(biāo)的權(quán)重，α=0.4，β=0.6。平衡度指標(biāo)權(quán)值見表2。

表2 平衡度指標(biāo)權(quán)值

基于灰色關(guān)聯(lián)分析方法的區(qū)域電網(wǎng)平衡度評價結(jié)果見表3。

表3 平衡度評價結(jié)果

根據(jù)基于灰色關(guān)聯(lián)的平衡度模型最終的評價可知，G4的平衡度好于其他電網(wǎng)。其原因是該電網(wǎng)的常規(guī)火電可增發(fā)總功率指標(biāo)最好，跨區(qū)輸電通道、充電站利用率較高，平衡度最好；G2的清潔能源機組棄電率最低，并且分布式發(fā)電、充電站利用率最好，網(wǎng)損最低，在組合權(quán)重下排在第二位；G3的拉閘限電率最低，并且網(wǎng)損率也較低，平衡度較G2差；G1的網(wǎng)損較小，但其他指標(biāo)均較差，排在最后一位，G5次之。

以上結(jié)果表明，區(qū)域電網(wǎng)平衡度的好壞取決于資源的優(yōu)化配置好壞，所建立的平衡度評價模型為區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行資源的優(yōu)化管理提供依據(jù)和方向。依據(jù)電網(wǎng)企業(yè)通過進(jìn)行電力平衡度模型，可以全面、客觀地了解區(qū)域電網(wǎng)整體運行情況，包括各類電源的出力情況(常規(guī)火電可增發(fā)功率、新能源棄電功率)，跨區(qū)輸電情況、網(wǎng)損情況以及分布式發(fā)電、拉閘限電、儲能情況，有助于電力企業(yè)建立科學(xué)有效地電力平衡管理體系。4種評價方法的對比結(jié)果見表4。

表4 評價排序

從表3和表4結(jié)果可知，基于組合賦權(quán)的灰色關(guān)聯(lián)分析評價方法能夠正確地評價區(qū)域電網(wǎng)平衡度好壞情況，基于灰色關(guān)聯(lián)分析的平衡度評價模型得到的綜合指數(shù)體現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)整體資源優(yōu)化情況的好壞，并且模型能夠突顯各指標(biāo)對最終結(jié)果的貢獻(xiàn)情況。從結(jié)果可以看出，5省區(qū)域電網(wǎng)資源優(yōu)化友好度排序為：G4>G2>G3>G5>G1，與基于灰色關(guān)聯(lián)的平衡度模型評價結(jié)果一致。盡管電網(wǎng)4的資源優(yōu)化度最好，但存在清潔能源調(diào)度棄電嚴(yán)重，網(wǎng)損率較大等不足。不論是量化的資源優(yōu)化友好度模型，還是未量化的區(qū)域電網(wǎng)平衡度評價模型，都反映出各省域電網(wǎng)資源配置的優(yōu)劣情況。將該方法與綜合指數(shù)法、理想點法以及包絡(luò)分析法等方法進(jìn)行比較，除綜合指數(shù)法的評價結(jié)果出現(xiàn)了差異，其他3種評價方法的評價結(jié)果一致。說明評價的結(jié)果能夠為區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行平衡度管理提供導(dǎo)向，為衡量區(qū)域電網(wǎng)整體資源優(yōu)化情況提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文首次將區(qū)域電網(wǎng)的平衡度進(jìn)行定義并給出平衡度量化指標(biāo)，構(gòu)建了省域電網(wǎng)的平衡度數(shù)學(xué)模型，并利用某5省域電網(wǎng)實際數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證分析；量化了區(qū)域電網(wǎng)資源優(yōu)化友好度這一指標(biāo)，驗證了本文所提平衡度模型的正確性及可行性。構(gòu)建區(qū)域電網(wǎng)平衡度評價模型，可使相關(guān)部門更科學(xué)地監(jiān)管區(qū)域電網(wǎng)資源優(yōu)化配置友好程度，激勵省域電網(wǎng)實現(xiàn)電網(wǎng)運行的安全性與經(jīng)濟性的達(dá)到整體最優(yōu)。

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(本文責(zé)編：劉炳鋒)

2017-02-13；

2017-06-02

TM 744

A

1674-1951(2017)07-0024-04

溫曉強(1987—)，男，河北秦皇島人，助理工程師，工學(xué)碩士，從事配電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)及配網(wǎng)運行狀態(tài)評價研究方面的工作(E-mail:wxq1017508061@163.com)。