基于靈活性評估指標的輸電網供需平衡規劃

張正文，袁 博，鐘 成，李 津

（國網雄安供電公司，河北 保定 071000）

1 輸電網靈活性供需平衡特征分析

1.1 輸電網靈活性特征需求分析

輸電網中的靈活性特征需要體現在由于其自身的不確定性導致的電力系統功率發生的變化，功率的變化集中在電源側的出動波動上以及負荷上，并且其變化規律是不可預測的[1-2]。電源側的靈活性特征需求主要來自于可再生能源的出力波動，而可再生能源的出力波動又可分為預測值和預測誤差值，其公式表示為：

其中，P(t)表示為在t時刻可再生能源的出力；PF(t)表示為可再生能源出力的預測值；PE(t)表示為可再生能源出力的預測誤差值[3]。預測值將預測步長設為采樣周期進行滾動預測所獲取的數值[4]。如果采樣周期為定指，且預測方法恒定，認為預測值的平均絕對百分誤差F為固定不變的數值。再以F為基礎，計算各個時刻可再生能源對輸電網靈活性特征需求，其表達式為：

其中，PE,AVE代表可再生能源的處理預測平均誤差值；τ代表預測步長；E(t,τ)表示為在某一時刻t至下一時刻t+τ輸電網的靈活性特征需求量。

輸電網的運行狀態受其失負荷情況的影響，當輸電網發生運行故障時，就會失去部分電荷，則其靈活性需求分析表達式為：

其中，PL(t)表示為電力系統的負荷；PLOAD表示為電力系統的總負荷；PL,F(t)表示為在某一時刻t由于電力系統故障造成的失負荷量；Edown(t,τ)表示為向下的靈活性特征需求；LOLP表示為失負荷概率，其數值與電力系統的運行狀態有關。

1.2 輸電網靈活性資源需求分析

當下，可調機組是輸電網中實用性最強的靈活性資源。可調機組中水電機組以及火電機組是具備調節能力的發電機組，在平穩運行的狀態下，可調機組能夠通過對出力的調節，控制向上和向下的靈活性[5]。其公式為：

其中，Eup(t,τ)表示為可調機組提供的向上的靈活性大小；Edown(t,τ)表示為可調機組提供的向下的靈活性大小；Rup表示為可調機組向上的調節功率的速率；Rdown表示為可調機組向下的調節功率的速率；Pmax表示為可調機組最大輸出功率；Pmin表示為可調機組最下的輸出功率；P(t)表示為在某一時刻t可調機組的輸出功率。需要注意的是，在水電機組當中，調節能力的大小還與周圍環境因素相關，如季節變化、蓄水量多少等。

2 構建輸電網供需平衡靈活性評估指標

2.1 電力系統供需靈活性指標構建

當ED(t,τi)≥0 時，在時間段τi內，電力系統較為靈活；當ED(t,τi)＜0 時，在時間段τi內，電力系統靈活性較差。

當靈活性不足期望時平均不足度Ed為：Ed=ED(t,τi)/TD，其中TD表示為靈活性不足的總時長。該定義表達的含義為在電力系統靈活性不足的情況下，平均每分鐘出現的靈活性缺額數值。

當靈活性充裕時平均充裕度Ea為：Ea=ED(t,τi)/TD，該定義表達的含義為在電力系統靈活性充裕的情況下，平均每分鐘出現的靈活性充裕量。

2.2 輸電網運行靈活性指標構建

通過本文敘述總結出電力系統的靈活性指標可以體現電力系統對于不確定因素的耐受程度。而在輸電網中，電路的負載率越均勻，網絡結構中對于不確定因素的承載能力越強，因此發生輸電網故障的概率越低。基于對電力系統指標進行構建可以提出對輸電網運行靈活性的指標構建：

其中，F1表示為輸電網中所有輸電線路負載率的標準差；F2表示為輸電網中所有輸電線路負載率的極差；fi表示為線路i的負載率；fave表示為線路i的負載率平均值；l表示為輸電網當中輸電線路的總數。其中，F1和F2為該輸電網中電網均勻性指標。上述輸電網靈活性指標能夠反映出輸電網的最大均勻度，也能從側面體現其所能承受的最大干擾能力。

3 輸電網供需平衡規劃設計

3.1 上層規劃模型設計

在上層規劃模型中，對投資成本及輸電網平穩運輸的靈活性指標進行規劃，該上層規劃模型可表示為：E=min{E1,E2}，其中，E1為建設輸電網維修的總成本；E2表示為輸電網平穩運行時的靈活性。輸電網平穩運行時的靈活性要考慮到輸電網工程的經濟使用年限、可調機組的建設容量、待建設機組的集合靈活性的調用總量以及輸電網正常狀態下電力系統線路集合。在對上層規劃模型進行設計時還要考慮到輸電網的各約束條件。

3.2 下層規劃模型設計

下層規劃模型的設計可以對上層規劃模型設計的起到驗證作用，在下層規劃模型中，利用輸電網供需平衡靈活性評估指標對上層決策進行優化。基于靈活性機組的構建以及各靈活性資源的調用，對靈活性指標的供需進行優化，以此保證輸電網平穩運行的過程中在保證網源平衡的同時，減少對靈活性資源的調用，再將其返回到上層規劃模型中，完成對上層決策的優化。下層的規劃模型為：f={f1, -f2, -f3}，其中f1為靈活性平均不足度函數；f2為靈活性平均充裕度函數；f3為靈活性供應充裕率函數。

4 對比實驗

4.1 實驗準備

為了驗證本文構建的輸電網供需平衡靈活性評估指標以及輸電網供需平衡規劃模型的有效性，首先構建一個虛擬的電網系統，并對電網系統供需平衡進行規劃。以本文方法為實驗組，傳統方法為對照組，通過對結果進行綜合的評估計算出各自的適應度。

在保證兩組方法在同一環境狀態下，分別對實驗組及對照組的實驗結果進行適應度求解，然后根據結果計算出兩種方法規劃后的輸電網各結構的靈活性指標，并進行記錄。

4.2 實驗結果及分析

表1 為兩種方法下輸電網中各結構的靈活性指標實驗結果。

表1 實驗結果

通過實驗可以看出，實驗組各結構的靈活性指標均優于對照組，且運行狀態也更加靈活。因此，通過實驗證明，本文設計使電力系統的穩定性更高，有實際的應用價值。

5 結 論

本文基于靈活性評估指標對輸電網供需平衡規劃進行設計，并通過仿真對比實驗證明了該方法的有效性。本文構建的上、下兩層規劃模型不僅可以更好的滿足清潔能源發電并網的需要，而且可以改善輸電網的網架結構，使電力系統中的潮流分布更加均勻，保證輸電網運行的安全、穩定性。