(中國能源建設(shè)集團新疆電力設(shè)計院有限公司,新疆 烏魯木齊 830001)

電網(wǎng)規(guī)劃作為地區(qū)電網(wǎng)發(fā)展的頂層設(shè)計,是對某地區(qū)未來電網(wǎng)藍圖的一種合理謀劃。科學(xué)的電網(wǎng)規(guī)劃能切實指導(dǎo)電網(wǎng)的發(fā)展建設(shè),起到“經(jīng)濟發(fā)展、電力先行”的引領(lǐng)作用。

隨著電網(wǎng)發(fā)展的智能化與復(fù)雜化,電力系統(tǒng)中的不確定因素愈發(fā)突出,例如電力需求側(cè)管理技術(shù)的采用、電動汽車充電站的接入導(dǎo)致負(fù)荷預(yù)測的不確定性,分布式電源以及大規(guī)模間歇式可再生能源接入導(dǎo)致的發(fā)電不確定性,電力市場環(huán)境下系統(tǒng)潮流的不確定性以及規(guī)劃目標(biāo)的不確定性等。相較于電網(wǎng)設(shè)備故障等傳統(tǒng)的不確定因素,可再生能源發(fā)電、電動汽車充放電等新型不確定因素的不確定程度更大、預(yù)測難度更高,對于電力系統(tǒng)的影響也更加明顯。為了降低不確定因素對電力系統(tǒng)的影響,有必要從電網(wǎng)規(guī)劃階段就開始考慮日益顯著的不確定性。針對目前電力系統(tǒng)中各種不確定因素,本文采用最為成熟且應(yīng)用最廣泛的概率模型來表征,并將不確定因素理論應(yīng)用于阿克蘇電網(wǎng)規(guī)劃。

1 電網(wǎng)規(guī)劃的不確定因素及其模型

1.1 電源的不確定模型

1.1.1 風(fēng)電的不確定模型

目前模擬風(fēng)速隨機分布的模型有瑞利分布、Γ分布、耿貝爾分布、Weibull分布等。其中,Weibull分布被公認(rèn)為是描述風(fēng)速分布最好的模型。本文采用風(fēng)速的雙參數(shù)Weibull分布模型,其概率密度函數(shù)為：

式中：v為風(fēng)速；k為Weibull分布的形狀參數(shù),反映風(fēng)速分布的特點；c為Weibull分布的尺度參數(shù),反映該地區(qū)平均風(fēng)速的大小。

首先得到風(fēng)速的隨機分布,繼而通過風(fēng)電機組的輸出功率與風(fēng)速之間的關(guān)系得到輸出功率的隨機分布。風(fēng)電機組有功出力Pw與風(fēng)速之間的函數(shù)表達式如下：

式中：Pr為風(fēng)電機組額定功率；vci為切入風(fēng)速；vr為額定風(fēng)速；vco為切出風(fēng)速。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常采用并聯(lián)補償器保持功率因數(shù)不變,因此,將風(fēng)電機組簡化為PQ節(jié)點,無功功率Q為：

式中：P為風(fēng)電機組有功功率；φ為功率因數(shù)角。

1.1.2 光伏的不確定模型

研究表明一定時間內(nèi)太陽光照強度近似服從Beta分布,其概率密度函數(shù)表示如下：

式中：r為某時刻的實際光照強度(W/m2)；rmax為這段時間內(nèi)的最大光照強度(W/m2)；α和β均為Beta分布的形狀參數(shù)；Γ為Gamma函數(shù)。

然后由光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率與光強的近似關(guān)系求出輸出功率的隨機分布PM：

式中：PM為電池方陣的最大輸出功率；A為某一太陽能電池方陣的總面積；η為方陣總轉(zhuǎn)換效率。

通常由并網(wǎng)逆變器自動投切來使光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率為單位功率因數(shù),因此,在潮流計算中可將光伏發(fā)電系統(tǒng)看作無功出力為零的PQ節(jié)點。

1.1.3 常規(guī)發(fā)電機組的不確定模型

常規(guī)火電、水電等發(fā)電機組通常處于正常運行狀態(tài),當(dāng)故障或者需要檢修時會處于停運狀態(tài)。因此,本文中的常規(guī)發(fā)電機組出力的不確定性概率模型設(shè)定為服從離散型的二項分布,表示如下：

式中：p為發(fā)電機組的可用率；Cp為發(fā)電機組的額定容量。

式(7)～(8)中：n為發(fā)電機組臺數(shù)；for為強迫故障停運概率；S為發(fā)電機組的單位容量。

1.2 設(shè)備故障的不確定模型

表征單一設(shè)備故障不確定性的概率模型通常為0－1兩狀態(tài)模型,見公式(9)：

考慮N個設(shè)備同時故障不確定性的概率模型服從二項分布：

因此,表征設(shè)備故障不確定性的數(shù)學(xué)期望μ=np。

1.3 負(fù)荷的不確定模型

隨著電力需求側(cè)愈加多樣化,負(fù)荷的不確定性也大為增加,負(fù)荷預(yù)測面臨更加復(fù)雜的情況。目前應(yīng)用最廣泛的考慮不確定性的負(fù)荷預(yù)測研究結(jié)果是近似服從正態(tài)分布。對于服從正態(tài)分布的負(fù)荷,其有功與無功的概率密度函數(shù)表達式分別見公式(11)、公式(12)：

式(11)～(12)中：μ為負(fù)荷的數(shù)學(xué)期望；σ2為負(fù)荷的方差。它們可以由文獻[6]所介紹的符合正態(tài)分布的負(fù)荷預(yù)測算法求出。

2 阿克蘇地區(qū)電網(wǎng)存在的問題

2.1 電源存在的問題

阿克蘇地區(qū)的電源規(guī)模遠大于用電負(fù)荷,電源分布在空間上不均衡,新能源裝機規(guī)模大幅增加,新能源出力較強的隨機性和較弱的可控性,使得電網(wǎng)面臨巨大的調(diào)峰壓力,大量棄水、棄光、火電機組按最低技術(shù)出力運行的問題將長期存在。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在的問題

2.2.1 220 kV電網(wǎng)存在問題

阿克蘇地區(qū)220 kV電網(wǎng)存在的主要問題包括以下三個方面。

(1)220 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱。220 kV電網(wǎng)圍繞庫車750 kV變、阿克蘇750 kV變初步形成輻射和鏈?zhǔn)骄W(wǎng)架,但目前仍是以110 kV、35 kV電壓等級為主體的輸、配電網(wǎng)絡(luò)。

(2)220 kV變電站布點不足,導(dǎo)致局部電網(wǎng)供電可靠性低,運行風(fēng)險大,經(jīng)濟性差。

(3)220 kV變電站之間負(fù)荷轉(zhuǎn)帶及互供能力不足。

2.2.2 110 kV電網(wǎng)存在問題

阿克蘇地區(qū)110 kV電網(wǎng)存在的主要問題包括以下三個方面。

(1)網(wǎng)架較薄弱,電網(wǎng)供電可靠性低,運行風(fēng)險大。

(2)仍存在一定比例的單線單變、小截面線路、小容量主變和供電半徑過長的問題。

(3)110 kV變電站布點不足,配網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化困難,造成部分電站負(fù)荷較重,主變負(fù)載率較高。

3 考慮不確定因素的阿克蘇電網(wǎng)規(guī)劃

3.1 電網(wǎng)規(guī)劃中不確定因素的數(shù)學(xué)模型處理

針對地區(qū)電網(wǎng)中風(fēng)電出力、光伏發(fā)電出力的不確定性,常規(guī)發(fā)電機組故障停運出力的不確定性以及負(fù)荷功率波動的不確定性等,本文采用基于線性化的潮流方程計算模型,并將各節(jié)點視為相互獨立的隨機變量。系統(tǒng)的潮流方程可表示為：

式中：W為各節(jié)點有功、無功注入量；X為各節(jié)點電壓幅值和相角等狀態(tài)變量；Z為各支路潮流。

考慮到節(jié)點注入功率波動的隨機性,將式(13)在基準(zhǔn)運行點處線性化可得：

式(14)的狀態(tài)變量可通過卷積運算求得,為減少計算量,本文采用半不變量法和Gram－Charlier展開級數(shù)相結(jié)合算法來取代卷積計算。

3.2 不確定因素模型的相關(guān)概率理論和算法

針對電力系統(tǒng)中的不確定因素模型,目前主要采用基于半不變量的隨機潮流算法。半不變量法具有重要的可加性,能夠避免復(fù)雜的卷積運算。隨機變量的各階半不變量與其原點距滿足以下關(guān)系：

式中：kr、mr分別為隨機變量的半不變量和原點矩；r為階數(shù)。

因此,只要根據(jù)隨機變量的原點矩就能求出其各階半不變量,反之亦然。

Gram－Charlier級數(shù)展開式把隨機變量的分布函數(shù)表達為由正態(tài)隨機變量各階導(dǎo)數(shù)組成的級數(shù),而級數(shù)系數(shù)則由該隨機變量的各階半不變量組成。

根據(jù)Gram－Charlier級數(shù)展開理論,隨機變量的概率密度函數(shù)f(x)和累積分布函數(shù)F(x)可分別表示如下：

式中：表示規(guī)格化后的隨機變量μ和σ分別為隨機分布的期望與標(biāo)準(zhǔn)差；分別為服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布隨機變量的概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)；gv為v階規(guī)格化后的半不變量。

式中的Hγ(x)表示Hermite多項式,它是對φ(x)求γ階導(dǎo)后的系數(shù),滿足以下遞推關(guān)系：

3.3 阿克蘇地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃流程及思路

首先在充分了解阿克蘇地區(qū)電網(wǎng)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上收集相關(guān)資料,綜合運用人均電量法、電力彈性系數(shù)法、回歸分析法、項目法等進行負(fù)荷預(yù)測；然后對地區(qū)電源投產(chǎn)計劃進行分析,針對電網(wǎng)存在的問題,綜合考慮電力系統(tǒng)“源－網(wǎng)－荷”等不確定因素；在此基礎(chǔ)上進行電力電量平衡、變電容量平衡、調(diào)峰容量平衡等計算,確定電網(wǎng)電力盈虧情況、規(guī)劃期需要新增的變電容量及其分布,從而對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,確定電網(wǎng)建設(shè)項目與時序；最后對規(guī)劃方案進行技術(shù)校核評估。考慮不確定因素的阿克蘇地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃基本流程見圖1。

針對阿克蘇地區(qū)柯坪縣、烏什縣、阿瓦提縣等光伏基地光伏出力波動較大的特點,根據(jù)本文提出的概率潮流算法,求出其出力期望及系統(tǒng)中各節(jié)點電壓與支路潮流的概率分布及越限概率,從而選擇對應(yīng)的變電容量規(guī)模及導(dǎo)線型號,配置合理的無功補償裝置,保證新能源出力對主電網(wǎng)的影響最小。針對電網(wǎng)中網(wǎng)架薄弱環(huán)節(jié),分析其N－1甚至N－2通過率,通過科學(xué)合理增加變電站布點,優(yōu)化梳理網(wǎng)架結(jié)構(gòu),滿足網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不確定對電網(wǎng)的影響。同時,加強對電力負(fù)荷的預(yù)測,綜合考慮電采暖、電動汽車充電設(shè)施等“電能替代”負(fù)荷的不確定性,為電力調(diào)度部門提供合理的參考價值。

3.4 阿克蘇地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃方法

本文結(jié)合阿克蘇地區(qū)電網(wǎng)實際,分別從電源、網(wǎng)架、負(fù)荷三個方面闡述考慮不確定因素的規(guī)劃方法在阿克蘇地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用。

(1)電源方面

阿克蘇地區(qū)新能源以光伏為主,以阿瓦提光伏基地為例,規(guī)劃至“十三五”末光伏裝機達300 MW。考慮其光伏出力特性,結(jié)合本文提出的不確定性理論,進行系統(tǒng)方案的對比分析見表1。

通過考慮光伏實際平均出力水平,可以有效減少工程建設(shè)規(guī)模,減少投資,同時分析得出節(jié)點電壓越限概率,為控制系統(tǒng)電壓提供有價值的參考。

圖1 考慮不確定因素的電網(wǎng)規(guī)劃基本流程

(2)網(wǎng)架方面

以阿克蘇地區(qū)220 kV主網(wǎng)架為基礎(chǔ),分析220 kV電網(wǎng)重要節(jié)點電壓及支路潮流越限概率,找出電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié),從而提出可行的解決方案。

以溫宿變與阿克蘇市電網(wǎng)補強方案為例,考慮溫宿區(qū)域小水電裝機較多,夏季水電大發(fā)期間通過溫宿變上網(wǎng)電力,使得節(jié)點電壓偏高,線路潮流較重,一旦現(xiàn)有溫宿變至白水變I回線路故障,將造成溫宿區(qū)域解網(wǎng),為此需考慮網(wǎng)架補強。

方案一：補強溫宿－白水Ⅱ回線；方案二：新建溫宿－棉城I回線。運用基于半不變量法和Gram－Charlier展開級數(shù)的不確定理論計算分析兩種規(guī)劃方案：方案二即本文考慮網(wǎng)架不確定性的規(guī)劃方案,節(jié)點電壓與支路潮流越限概率均較低,不僅能夠形成環(huán)網(wǎng)加強網(wǎng)架結(jié)構(gòu),提高供電可靠性,而且較方案一中溫宿－白水線路發(fā)生N－2概率更低,解決斷面受限問題,提高清潔能源送出能力,實現(xiàn)電力在更大范圍內(nèi)優(yōu)化配置。兩個方案對比詳見表2。

(3)負(fù)荷方面

考慮電采暖、電動汽車等不確定性負(fù)荷影響,分析其負(fù)荷特性,運用概率理論求得負(fù)荷期望值。假設(shè)至“十三五”末阿克蘇市新增電采暖、電動汽車等夜間負(fù)荷與電能替代等白天負(fù)荷報裝容量各150 MW,常規(guī)方案考慮新建1座主變?yōu)?h180 MVA的220 kV變電站。本文從負(fù)荷特性綜合分析,幾種不確定負(fù)荷同時率較低,實際最大負(fù)荷將維持在150 MW左右,實際上一期工程只需新建1臺主變。系統(tǒng)方案對比見表3。

表1 規(guī)劃電源系統(tǒng)方案對比

表2 規(guī)劃網(wǎng)架系統(tǒng)方案對比

表3 規(guī)劃負(fù)荷系統(tǒng)方案對比

(4)綜合分析

綜合考慮各種不確定性負(fù)荷特性,運用概率理論預(yù)測負(fù)荷期望,本文規(guī)劃方法能夠提供切實可靠的規(guī)劃方案,實現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展,避免不必要的投資。

綜合分析電力系統(tǒng)中“源－網(wǎng)－荷”等不確定因素,考慮電源、負(fù)荷的不確定性評估將有效降低工程建設(shè)規(guī)模,減少不必要的工程投資；考慮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的不確定性評估方案較常規(guī)規(guī)劃方案供電可靠性更高,有效解決斷面受阻問題,提高清潔能源送出能力。綜合考慮“源－網(wǎng)－荷”等不確定因素的電網(wǎng)規(guī)劃,不僅能夠減少不必要的投資,而且有效降低系統(tǒng)節(jié)點電壓以及支路潮流越限概率,構(gòu)筑堅強網(wǎng)架結(jié)構(gòu),提高供電可靠性。

通過考慮阿克蘇地區(qū)電網(wǎng)中的各種不確定因素,科學(xué)合理規(guī)劃地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),至2020年阿克蘇電網(wǎng)將形成堅強智能的220 kV電網(wǎng),滿足阿克蘇東西部電網(wǎng)解列運行,分區(qū)供電,逐步形成結(jié)構(gòu)簡明、清晰合理的220 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。同時進一步強化周邊110 kV電網(wǎng)的建設(shè),優(yōu)化梳理110 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu),使阿克蘇地區(qū)電網(wǎng)成為網(wǎng)架健全、經(jīng)濟合理、安全可靠、運行靈活的和諧、統(tǒng)一電網(wǎng)。

4 電網(wǎng)規(guī)劃方案校核

4.1 電網(wǎng)潮流及調(diào)相調(diào)壓計算

綜合考慮電力系統(tǒng)“源－網(wǎng)－荷”等不確定因素,運用概率理論,求得各不確定因素的數(shù)學(xué)期望。由于主電網(wǎng)的系統(tǒng)電抗X遠大于系統(tǒng)電阻R,不同于低壓配電系統(tǒng)間的阻抗關(guān)系,考慮采用牛頓－拉夫遜法進行潮流計算。通過對阿克蘇地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃水平年正常解環(huán)運行方式下的潮流計算,系統(tǒng)各線路均未出現(xiàn)過載現(xiàn)象,系統(tǒng)各點電壓均在合理范圍之內(nèi),電網(wǎng)的輸送能力顯著提高,電源送出壓力得到緩解,潮流分布更加合理,輸、配電能力得到顯著加強。

4.2 電網(wǎng)靜態(tài)安全穩(wěn)定分析

應(yīng)用N－1準(zhǔn)則校驗本電網(wǎng)內(nèi)各單一元件無故障斷開或單一元件故障斷開后的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題,結(jié)果表明,系統(tǒng)各節(jié)點電壓合理,線路無過載現(xiàn)象,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)強度和運行方式滿足安全運行要求。

4.3 電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定分析

本文采用瞬時三相短路擾動估算電網(wǎng)承受短路故障沖擊的能力,同時還包括計算重要線路發(fā)生三相短路故障不重合和重要線路發(fā)生單相短路故障重合成功的情況。故障地點選擇在對穩(wěn)定影響最不利的母線和線路出口處。本次計算穩(wěn)定判別條件為發(fā)電機功角差不超過150°,1 s內(nèi)電壓波動不低于額定值的0.75 p.u.,1 s內(nèi)發(fā)電機頻率不低于49.5 Hz。通過對規(guī)劃水平年網(wǎng)架的暫穩(wěn)計算,系統(tǒng)穩(wěn)定水平較好,可以滿足安全穩(wěn)定需要。

4.4 電網(wǎng)短路電流水平校核

水平年內(nèi)規(guī)劃項目全部實施后,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)聯(lián)系更加緊密,通過短路電流校驗,發(fā)現(xiàn)對系統(tǒng)的短路電流影響不大,系統(tǒng)短路電流水平較好,并且對電氣設(shè)備選擇無特殊要求。

5 結(jié)語

本文在考慮了當(dāng)今電力系統(tǒng)中“源－網(wǎng)－荷”等不確定因素的基礎(chǔ)上對阿克蘇地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃進行了分析評價,綜合考慮各種不確定因素對電網(wǎng)規(guī)劃帶來的影響,對阿克蘇地區(qū)主電網(wǎng)進行統(tǒng)籌規(guī)劃,合理布局,解決電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié),校驗考慮電力系統(tǒng)中不確定因素的電網(wǎng)規(guī)劃的科學(xué)合理性。結(jié)果表明,不確定因素理論能夠客觀全面地反映當(dāng)今電力系統(tǒng)普遍存在的不確定性問題,有效指導(dǎo)地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃。