基于電力計量大數(shù)據(jù)的電源規(guī)劃研究

蔡高雷,劉桂龍

(1. 上海兩吉新能源投資有限公司,上海 200245；2.中國海誠工程科技股份有限公司,上海 200031)

0 引 言

風(fēng)電在成為人類破解能源危機和環(huán)境污染難題的一項必然選擇的同時，其出力波動性、間歇性和反調(diào)峰特性也給電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行帶來了諸多挑戰(zhàn)[1-7]。切實保障含風(fēng)電場電力系統(tǒng)安全運行，提升風(fēng)電消納能力成為亟待解決的問題。供電關(guān)口計量數(shù)據(jù)類型多、體量大，含有巨大的隱性信息可供挖掘[8]。對上述數(shù)據(jù)進行深度挖掘并在此基礎(chǔ)上開展大規(guī)模風(fēng)電基地電源規(guī)劃，對提升電網(wǎng)風(fēng)電消納能力，破解風(fēng)電長久“綠色”發(fā)展瓶頸具有重要而深遠(yuǎn)的意義。

文獻(xiàn)[1]將協(xié)調(diào)規(guī)劃期劃分為多個階段，分場景模擬未來負(fù)荷需求、發(fā)輸電成本等變量的變化趨勢，建立多階段電源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[2]在進行了電源規(guī)劃，確定調(diào)節(jié)機組配置基礎(chǔ)上，將調(diào)節(jié)機組選址問題與電網(wǎng)規(guī)劃問題相結(jié)合，建立了針對風(fēng)電并網(wǎng)問題的電源電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[3]提出了考慮需求側(cè)響應(yīng)的含風(fēng)電場的輸電系統(tǒng)兩層規(guī)劃模型,并采用粒子群算法和原對偶內(nèi)點法相結(jié)合的混合算法對所構(gòu)造的優(yōu)化模型進行了求解。文獻(xiàn)[4]分別將電力需求側(cè)的能效電廠也納入電力規(guī)劃統(tǒng)籌考慮，提出了源網(wǎng)荷協(xié)同規(guī)劃的概念與模型。但是上述研究未對電力計量大數(shù)據(jù)這一重要條件加以充分重視，且對于風(fēng)電穿透功率的關(guān)注明顯不足。

下面借助電力計量大數(shù)據(jù)，對風(fēng)電帶來的波動風(fēng)險進行初步定量分析，建立了雙目標(biāo)的電源規(guī)劃模型并借助博弈算法求解。

1 基于電力計量大數(shù)據(jù)的風(fēng)險評估

風(fēng)資源具有間歇性和波動性，直接導(dǎo)致風(fēng)電出力具有波動特性。風(fēng)電上述特性顯著增加了電網(wǎng)調(diào)峰難度和調(diào)頻壓力，威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。判據(jù)如表1所示。

表1 風(fēng)電場有功功率變化限值 單位：MW

對于給定裝機容量的風(fēng)電場或集群(如99 MW)，借助數(shù)字動態(tài)實時仿真軟件(digital dynamic real-time simulator,DDRTS)等分析軟件可以采集到給定時間尺度(如10 min)內(nèi)逐漸遞增(或遞減)加入不同的出力波動量ΔP1、ΔP2、ΔPi…ΔPn(如10 MW、30 MW…70 MW)下電網(wǎng)各監(jiān)測點的電壓波動曲線和系統(tǒng)頻率波動曲線，并可從波動曲線中看出當(dāng)風(fēng)電波動量大于等于ΔPi時，系統(tǒng)頻率波動大于某個要求的頻率變化幅值Δf，則可以確定該時間尺度下對應(yīng)風(fēng)電的波動限值為

λmax=ΔPi

(1)

電力計量大數(shù)據(jù)是指電力計量設(shè)備收集得到的系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)各類型的參數(shù)集合，具備電力大數(shù)據(jù)的“3V3E”特征。為獲取某特定地區(qū)最大風(fēng)電波動系數(shù)，需盡可能多地獲取該地分鐘級別風(fēng)電出力情況。

以新疆某地區(qū)為例，結(jié)合前面明確的風(fēng)電波動風(fēng)險定義可獲取該地區(qū)最大風(fēng)電波動系數(shù)為0.31，記為δ。

2 大規(guī)模風(fēng)電基地電源規(guī)劃建模

2.1 電源規(guī)劃體系構(gòu)建

如圖1所示，通過本地負(fù)荷消耗、建立特高壓直流外送通道及尋求、擴大平衡區(qū)域等手段，規(guī)劃多元電源聯(lián)運系統(tǒng)，其目的在于保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，并兼顧最大限度的提升風(fēng)、光等新能源極限穿透功率，以此降低傳統(tǒng)的以消耗化石能源為代價的火電等機組的出力，從網(wǎng)側(cè)減少棄風(fēng)，提升風(fēng)光的環(huán)境效益價值。其中，源端聯(lián)運系統(tǒng)應(yīng)該在通盤考慮本地風(fēng)速資源、本地負(fù)荷狀況、本地現(xiàn)有電源結(jié)構(gòu)、特高壓直流外送受端情況等因素的前提下，統(tǒng)籌規(guī)劃多元電源的裝機容量、特高壓直流外送容量及聯(lián)絡(luò)線傳輸容量；而受端系統(tǒng)及平衡區(qū)域2在保證本地電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，應(yīng)盡可能多地消納源端電力。

圖1 風(fēng)-火-水多元電源聯(lián)運系統(tǒng)

圖2為大型新能源基地電源規(guī)劃體系三維空間耦合關(guān)系。總體思路為盡可能大地提高風(fēng)電極限穿透功率并消除因風(fēng)電并網(wǎng)帶來的風(fēng)險(風(fēng)電消納品質(zhì))。在這個體系下，提高風(fēng)電消納品質(zhì)的途徑包括建立特高壓直流外送通道、本地可中斷負(fù)荷及本地負(fù)荷等。按照這個總體思路，綜合考慮不同的消納途徑對提高新能源消納品質(zhì)的影響和不同空間尺度廣域互聯(lián)風(fēng)光電系統(tǒng)對提高風(fēng)電消納品質(zhì)的影響。

圖2 提高風(fēng)電消納品質(zhì)的風(fēng)電基地電源規(guī)劃體系

這里提出的電源規(guī)劃體系空間是由空間尺度-消納途徑類型-消納品質(zhì)3個維度構(gòu)成，在這個空間里，提升風(fēng)電消納品質(zhì)的廣域尺度大規(guī)模電源規(guī)劃體系包括：

1)風(fēng)電消納品質(zhì)是指風(fēng)電極限穿透功率和風(fēng)電并網(wǎng)風(fēng)險。構(gòu)建的提升風(fēng)電消納品質(zhì)的廣域尺度大規(guī)模電源規(guī)劃體系，以風(fēng)電并網(wǎng)風(fēng)險最小并兼顧風(fēng)電極限穿透功率最大為目標(biāo)，以規(guī)劃區(qū)域現(xiàn)有電源結(jié)構(gòu)和負(fù)荷特征、特高壓直流輸電線路電壓和功率、聯(lián)絡(luò)線路、規(guī)劃區(qū)域節(jié)點功率平衡等為約束。根據(jù)博弈論思想，尋找“風(fēng)電極限穿透功率”和“風(fēng)電并網(wǎng)風(fēng)險”兩參與人的納什均衡區(qū)域?qū)υ擉w系模型進行求解，最終的規(guī)劃結(jié)果為風(fēng)電場風(fēng)機排布方式、風(fēng)電場裝機容量、常規(guī)機組(水電、火電)出力優(yōu)先級、聯(lián)絡(luò)線功率以及特高壓直流外送線路容量。

2)擴展平衡區(qū)域、特高壓直流外送與單機至風(fēng)電場集群交叉區(qū)域：經(jīng)預(yù)處理的風(fēng)速等數(shù)據(jù)資源確定風(fēng)電場單機排布、選型，進而根據(jù)風(fēng)出力特性確定基于尾流效應(yīng)的單個風(fēng)電場的有功出力Pw。然而，風(fēng)電場的大規(guī)模并網(wǎng)勢必會造成其并網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率的波動或畸變。一方面可以通過具有電壓靈活調(diào)節(jié)能力的特高壓直流輸電來消弭前面所述電壓的波動風(fēng)險；另一方面可以通過擴大、尋找新的平衡區(qū)域或特高壓直流輸電等消納途徑實現(xiàn)電能的空間轉(zhuǎn)移。當(dāng)然，擴大、尋找新的平衡區(qū)域或建設(shè)特高壓直流輸電通道要受制于送端電網(wǎng)配套電源狀況、電壓水平以及受端電網(wǎng)負(fù)荷情況。特別說明的是用于提升風(fēng)電消納品質(zhì)的手段要滿足但不限于保持現(xiàn)有電網(wǎng)堅強程度。

3)本地負(fù)荷與單個風(fēng)電場至風(fēng)電場集群交叉區(qū)域：區(qū)域內(nèi)，新能源電源與本地常規(guī)機組協(xié)調(diào)出力，傳統(tǒng)火電、水電機組在保證本地基荷需求的前提下，與區(qū)域風(fēng)電場集群聯(lián)運、互濟，在常規(guī)機組出力特性、本地負(fù)荷等約束條件下，最大化提高風(fēng)電極限穿透功率?？紤]到中國負(fù)荷能源分布不對稱的現(xiàn)狀，即風(fēng)電等新能源在“三北”地區(qū)極為豐富，而負(fù)荷多集中于中東部地區(qū)，一方面造成了大量的棄風(fēng)限電；另一方面卻要以犧牲環(huán)境成本為代價依賴常規(guī)化石燃料機組，造成極為矛盾局面。為從根本上緩解這種局面，有效提高資源豐富地區(qū)風(fēng)能的消納能力，將區(qū)域資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟優(yōu)勢，開發(fā)大規(guī)模電力外送輸電走廊尤為必要。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

在保證系統(tǒng)安全的前提下提升風(fēng)電消納能力是所提源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)規(guī)劃的目的所在，以系統(tǒng)運行風(fēng)險最低和風(fēng)電穿透功率最大為目標(biāo)建立多目標(biāo)優(yōu)化模型。

1) 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)風(fēng)險最小

(2)

式中：R表示系統(tǒng)風(fēng)電波動風(fēng)險，R越小表示系統(tǒng)風(fēng)險越??；PW為風(fēng)電裝機總?cè)萘?，PW=PWO+PWN,PWO為已存在風(fēng)電裝機容量，PWN為計劃新建風(fēng)電裝機容量；λZ為直流外送通道的可調(diào)節(jié)系數(shù)，MW/min;λF為火電機組爬坡率;PZ為直流外送通道基準(zhǔn)容量；PF為火電機組基準(zhǔn)容量,PF=PFO+PFN，PFO為已存在火電機組容量，PFN為新建設(shè)火電機組容量；δ為風(fēng)電分鐘級波動系數(shù)，由大數(shù)據(jù)分析獲得；PA為風(fēng)電1 min允許最大波動量，MW。

2)風(fēng)電穿透功率最大

風(fēng)電極限穿透功率定義尚存在一定的爭議，此處定義為系統(tǒng)能夠接受的最大風(fēng)電裝機容量與系統(tǒng)總裝機容量之比。

(3)

2.3 約束條件

風(fēng)電的隨機性等特性決定了在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)劃中必須考慮負(fù)荷約束、外送通道容量約束、常規(guī)機組約束(常規(guī)機組容量約束及爬坡速率約束)、風(fēng)力裝機約束、安全運行約束。

1)負(fù)荷約束

α(PWO+PWN)+β(PFO+PFN)≥PZmax+PLmax

(4)

2)外送通道容量約束

PZmin

(5)

3) 常規(guī)機組約束

PFmin

(6)

-λFDOWN<λ<λFUP

(7)

4)風(fēng)電裝機容量約束：

PWmin

(8)

5)安全性約束

λZPZ+λFPF≥2(δPW-PA)

(9)

式中:α為風(fēng)電容量可信度；β為火電機組常規(guī)運行時占額定容量比例；PZ為外送通道輸送容量；PZmin和PZmax分別為外送通道輸送容量的下限和上限；PLmax為本地負(fù)荷最大值；PFmax和PFmin分別為火電出力上限和下限；-λFDOWN為火電機組降出力速率最大值；λFUP為火電機組爬坡速率最大值；PWmax和PWmin分別為風(fēng)電出力上限和下限。

3 基于NBI的博弈論求解

3.1 算法簡介

博弈論以收益最大化為目的，主要研究對象是已經(jīng)公式化了的激勵結(jié)構(gòu)間存在的相互作用。多目標(biāo)優(yōu)化和博弈論本質(zhì)都屬于一個大的優(yōu)化領(lǐng)域，二者存在結(jié)合可能性。

對于風(fēng)電穿透功率和系統(tǒng)安全性這兩個目標(biāo)，采用討價還價問題模型求解納什均衡解。而針對此類討價還價問題，納什提出了4條公理，即帕累托有效性、對稱性、等價收益不變性及無關(guān)選擇獨立性用以獲得博弈雙方的均衡解。由其中的帕累托有效性可知均衡點一定存在于雙目標(biāo)優(yōu)化問題的帕累托前沿上。至此，迫切的任務(wù)是獲得該雙目標(biāo)優(yōu)化問題的帕累托前沿。

3.2 求解過程

為簡化操作突出思路，選擇利用基于幾何投影的NBI法獲取問題的若干非劣解，再通過置換度指標(biāo)的優(yōu)劣來甄選出解集內(nèi)最優(yōu)解。NBI獲取非劣解分3步進行：

1) 坐標(biāo)變換，以實現(xiàn)對2個不同量綱目標(biāo)的規(guī)范化，便于后續(xù)計算。

以單目標(biāo)求解出2個極限值，用直線把這2個端點進行連接，將此直線稱為烏托邦線。作為目標(biāo)的風(fēng)電穿透功率和系統(tǒng)運行風(fēng)險顯然具有不同量綱，采用文獻(xiàn)[9]的方法對帕累托前沿的各點進行量綱規(guī)范化：

(10)

明顯地，對于此處帕累托曲線的2個端點，經(jīng)過上述方法規(guī)范化后的坐標(biāo)分別為(0,0)、(1,1)，且此問題烏托邦線的斜率等于1。

2) 法向量投影

烏托邦線上的點同相應(yīng)帕累托曲面上的點一一對應(yīng)，所以可對烏托邦線進行等分，再把每一個等分點通過烏托邦線的垂線映射到帕累托曲面上，如圖3所示。

圖3 NBI法求解

假設(shè)以n為烏托邦曲線的等分點數(shù),在建立的單位坐標(biāo)系下，Yib的坐標(biāo)可表示為

(11)

3)截距優(yōu)化

根據(jù)帕累托最優(yōu)性條件可以證明，若Yib為帕累托前沿上的點，則Di必然最大。因此，在給定的等分點i下，風(fēng)電穿透功率和系統(tǒng)風(fēng)險的多目標(biāo)優(yōu)化問題可轉(zhuǎn)換為下面的單目標(biāo)問題并進行求解：

(12)

式中：

(13)

(14)

max(R=λ)

(15)

max(F=CTPW)

(16)

獲得若干非劣解后，還需要結(jié)合置換度指標(biāo)來對解集內(nèi)各解進行考察。置換度體現(xiàn)的是犧牲一個單位的A可以換回多少單位B，是評價一個方案合理與否的重要依據(jù)。

4 算例驗證

4.1 算例簡介

為了對上述建立的計算模型和求解算法進行檢驗，選取中國西北某含風(fēng)電場的地區(qū)進行計算及分析。該地區(qū)2017—2020年的負(fù)荷結(jié)果如表2所示。

表2 西北某地4年負(fù)荷情況

采取目標(biāo)年的方式對該區(qū)域2017年進行規(guī)劃。2017年本地負(fù)荷需求為9900 MW，且到時已建成±1100 kV特高壓直流輸電工程，容量為12 000 MW，可迅速從額定功率進行調(diào)節(jié)系數(shù)為0.8～1.0的功率調(diào)節(jié)(此處考慮向上或向下調(diào)節(jié)的空間問題，故將調(diào)節(jié)能力取一個中間值為0.1)。系統(tǒng)中原有風(fēng)電裝機容量887.5 MW，火電裝機容量10 880 MW。

4.2 算例計算

通過上面計算可知該地區(qū)風(fēng)電波動風(fēng)險系數(shù)為0.31，容量可信度為40%[10]。將這2個參數(shù)帶入，并集合原有風(fēng)電、火電裝機情況作為已知條件帶入到前面約束式中。經(jīng)數(shù)據(jù)帶入化簡后，原約束條件可以整理為

(17)

首先，以風(fēng)電穿透功率最大為單目標(biāo)進行新增風(fēng)電裝機和火電裝機的定容計算。

借助Lingo進行計算，風(fēng)電最大穿透功率為0.239，此時的新增風(fēng)電裝機容量為4485 MW，新增火電機組容量為11 668 MW。以同樣約束，求取風(fēng)電穿透功率最小的情況為0.07，此時新增風(fēng)電裝機容量為805 MW，新增火電裝機容量則為13 200 MW；

再對系統(tǒng)風(fēng)險最小進行求解，方法同上。求取的結(jié)果剛好與上述結(jié)果相吻合，即新增風(fēng)電裝機容量為4485 MW、新增火電機組容量為11 668 MW時風(fēng)險最大，此時的風(fēng)險系數(shù)(δPW-PA)/(αPZ+βPF)為0.504,而當(dāng)新增風(fēng)電裝機容量只有805 MW、新增火電裝機容量為13 200 MW時風(fēng)險降到最低水平，風(fēng)險系數(shù)僅為0.156。通過上述結(jié)果可以確定烏托邦線如圖4所示。

圖4 穿透功率-風(fēng)險相關(guān)性烏托邦直線

獲取烏托邦線后，通過前面所述步驟采取等NBI方法，插入20個等分點，獲取等間隔的帕累托前沿上一系列非劣解，如圖5所示。

圖5 帕累托前沿

但僅憑此仍不足以確定哪一個才是規(guī)劃最優(yōu)點，此時需要輔以置換度指標(biāo)作為決策依據(jù)。將置換度定義為每增加一個單位的風(fēng)電穿透功率需要付出的風(fēng)險代價。采用文獻(xiàn)[9]提出的方法，求出每個帕累托最優(yōu)點對應(yīng)的置換度散點分布如圖6所示。

結(jié)合定義，置換度最低點為最優(yōu)規(guī)劃點。需要說明的是，圖像橢圓區(qū)域內(nèi)4個點已經(jīng)出現(xiàn)置換度為負(fù)數(shù)的情況，其物理含義為隨著風(fēng)電穿透功率的增加，風(fēng)險反而下降，已經(jīng)超出合理范圍，故不加以考慮。該問題的最優(yōu)解存在于該區(qū)域內(nèi)，進一步將該區(qū)域放大進行尋優(yōu)，其圖像如圖7所示。

圖6 置換度分布

圖7 最佳置換度

通過對比可以確定最佳置換度為0.451 95，其對應(yīng)的帕累托前沿曲線上的點即為博弈解的最優(yōu)解，為新增風(fēng)電4385 MW、新增火電13 200 MW。最優(yōu)解對應(yīng)的風(fēng)電穿透功率為0.220，風(fēng)險系數(shù)為0.486。將此雙目標(biāo)協(xié)調(diào)規(guī)劃結(jié)果與單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果進行對比，具體結(jié)果見表3。

表3 單/雙目標(biāo)規(guī)劃結(jié)果對比

由上面結(jié)果對比可知，與單目標(biāo)規(guī)劃方法比較，所獲得的結(jié)果在提升風(fēng)電穿透功率和確保較低風(fēng)險方面均取得了較好的效果。

4.3 敏感性分析

1) 風(fēng)電裝機容量隨新能源極限穿透功率及其并網(wǎng)風(fēng)險的敏感性

基于上述理論，固定新增火電裝機容量12 618.7 MW和特高壓直流輸電容量12 000 MW的數(shù)值不變，改變風(fēng)電裝機容量，計算新能源極限穿透功率和新能源并網(wǎng)風(fēng)險的敏感性。由圖8可知，新能源極限穿透功率和新能源并網(wǎng)風(fēng)險隨著風(fēng)電裝機容量的增加而增大，一定程度上說明了在規(guī)劃新增風(fēng)電場的同時應(yīng)兼顧新能源風(fēng)險等因素對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響。

圖8 風(fēng)電裝機容量隨風(fēng)電極限穿透功率/并網(wǎng)風(fēng)險的敏感性

2) 火電裝機容量隨新能源極限穿透功率及其并網(wǎng)風(fēng)險的敏感性

同理，此時固定新增風(fēng)電裝機容量4167.6 MW和特高壓直流輸電容量12 000 MW的數(shù)值不變，改變新增火電裝機容量，計算新能源極限穿透功率和新能源并網(wǎng)風(fēng)險的敏感性。由圖9可知：新能源極限穿透功率和新能源并網(wǎng)風(fēng)險隨著火電裝機容量的增加而減小，而且風(fēng)險比穿透功率以較快的速度減小，一定程度上說明了在規(guī)劃新增或者擴容火電站時，不能只看到其對生態(tài)環(huán)境的破壞性，更多的要兼顧其對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的重要作用。

圖9 火電裝機容量隨新能源極限穿透功率/并網(wǎng)風(fēng)險的敏感性

3)特高壓直流輸電通道容量隨新能源極限穿透功率和并網(wǎng)風(fēng)險的敏感性。

同理，此時固定新增風(fēng)電裝機容量4 167.6 MW、新增火電裝機容量12 618.7 MW的數(shù)值不變，改變特高壓直流外送通道的實際輸送容量，計算新能源極限穿透功率和新能源并網(wǎng)風(fēng)險的敏感性。由圖10可知，考慮到準(zhǔn)東—皖南±1100 kV特高壓直流輸電實際輸送能力，設(shè)定其變化范圍為(9600 MW, 12 000 MW)，隨著特高壓直流外送輸電通道實際輸送能力的增大，新能源風(fēng)險逐漸減小，而與此同時，新能源極限穿透功率卻不斷增大，這說明由于特高壓直流外送通道的建設(shè)，使得送端基地在增加新能源消納水平的同時兼顧了由于新能源并網(wǎng)對系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的影響，這一結(jié)論也一定程度上說明了建設(shè)UHVDC的正確性、必要性和重要性。

圖10 特高壓直流輸電容量隨風(fēng)電極限穿透功率/并網(wǎng)風(fēng)險的敏感性

5 結(jié) 語

迫于環(huán)境壓力及傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭以及隨著技術(shù)的逐步進步與成熟，以風(fēng)、光為代表的大規(guī)模新能源開發(fā)與并網(wǎng)成為必然趨勢。對電力計量大數(shù)據(jù)進行充分?jǐn)?shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)了對風(fēng)電出力波動風(fēng)險的評估分析。以此為基礎(chǔ)，建立了大型新能源電源規(guī)劃模型。算例表明，所提出的規(guī)劃模型能夠確保電源建設(shè)和電網(wǎng)線路建設(shè)的協(xié)調(diào)匹配，在全局角度制定最優(yōu)方案，實現(xiàn)在較低系統(tǒng)風(fēng)險的前提下盡可能多地消納風(fēng)電。

迄今為止，特高壓直流外送是突破源-荷地理位置限制的有效方法之一。然而，查閱相關(guān)研究的公開報道，國內(nèi)外對±1100 kV及以上的特高壓直流輸電的研究較少，對特高壓直流輸電對送、受端電網(wǎng)的影響研究鮮見，因此特高壓直流輸電任重而道遠(yuǎn)。前面主要對耦合特高壓直流輸電通道的大型新能源基地電源體系規(guī)劃展開了研究，還存在一下問題需要進一步研究：

1)考慮電網(wǎng)平衡區(qū)域擴展的UHVDC配套電源體系規(guī)劃；

2)計及成本約束的UHVDC配套電源體系規(guī)劃模型。