電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性與安全性的精益化協(xié)調(diào)方法

魏翔

摘要：隨著人們生活質(zhì)量在不斷提高，對于電力的需求在不斷提高，精益化的電網(wǎng)運(yùn)行日益追求安全與經(jīng)濟(jì)并重，而安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行往往是一對矛盾。文章提出以電網(wǎng)運(yùn)行均衡度的作為電網(wǎng)安全運(yùn)行指標(biāo)，通過求解系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、安全的雙目標(biāo)優(yōu)化問題得到了電網(wǎng)安全–經(jīng)濟(jì)運(yùn)行協(xié)調(diào)曲線。該曲線不僅能直觀地量化描述電網(wǎng)各運(yùn)行方式的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和安全指標(biāo)，而且能夠量化電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性之間的協(xié)調(diào)成本，這對推進(jìn)電網(wǎng)調(diào)度精益化管理具有重要的理論與應(yīng)用價值。電網(wǎng)安全–經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)運(yùn)行曲線能用于量化電網(wǎng)對市場交易的開放性、調(diào)度效率和調(diào)度裕度等方面的評估。對IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的計算結(jié)果表明了所提思想和方法的有效性。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng);經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行;協(xié)調(diào);精益化方法

引言

近年來，隨著我國社會、政治、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡的矛盾、經(jīng)濟(jì)增長壓力與環(huán)境保護(hù)要求的矛盾等問題逐漸凸現(xiàn)。在能源分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面，當(dāng)前我國的能源資源的供應(yīng)與需求在區(qū)域上呈逆向分布，煤炭和水電等一次能源資源的80%左右分布在西部地區(qū)，風(fēng)電則大都分布在華北北部和西北地區(qū)，新疆等西部地區(qū)太陽能資源豐富。但是，2/3以上的能源需求集中在東部沿海，這種分布格局要求在全國范圍內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模的能源運(yùn)輸和資源二次配置。在能源結(jié)構(gòu)與環(huán)境保護(hù)方面，我國一次能源供給以煤炭為主，水電資源特別是西部水電資源開發(fā)不夠，風(fēng)能和太陽能大規(guī)模開發(fā)尚在起步階段，核電發(fā)展緩慢，所以傳統(tǒng)上形成了北方采煤、長距離運(yùn)輸?shù)綎|部、南部地區(qū)發(fā)電的應(yīng)用格局，給本來就很緊張的運(yùn)輸業(yè)增加了巨大壓力，迫切需要實施除輸煤以外的其它能源運(yùn)輸方式。與之相應(yīng)的是，煤炭資源開發(fā)集約化程度不高。由于沒有實施對煤炭資源的集約開發(fā)，煤炭行業(yè)發(fā)展粗放，煤礦“小、散、亂”，產(chǎn)業(yè)集中度低，清潔化利用差，導(dǎo)致能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、輸送和使用環(huán)節(jié)嚴(yán)重浪費(fèi)資源、破壞生態(tài)、污染環(huán)境，經(jīng)濟(jì)性和安全性不高，迫切需要開展煤炭資源的集中開采和集約使用。

1電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性分析研究現(xiàn)狀

在過去，中國電力市場由于處于嚴(yán)格的監(jiān)管體制下，一直按照計劃經(jīng)濟(jì)的模式運(yùn)行和發(fā)展，忽視電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。21世紀(jì)初，隨著傳統(tǒng)的計劃經(jīng)濟(jì)體制向市場經(jīng)濟(jì)體制轉(zhuǎn)型，人們越來越重視電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。增加電網(wǎng)安全性的投資可以按照私有產(chǎn)品處理，在財務(wù)框架下進(jìn)行評價。對電網(wǎng)項目投資面臨的不確定性進(jìn)行了研究，將實物期權(quán)的方法引入到電網(wǎng)項目投資的經(jīng)濟(jì)性評價中。另外，也有相關(guān)文章研究電網(wǎng)中某些技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。對于利用儲能系統(tǒng)提高風(fēng)電的調(diào)度入網(wǎng)規(guī)模的經(jīng)濟(jì)性做出評估。對于電廠中CO：的捕集技術(shù)運(yùn)用經(jīng)濟(jì)學(xué)成本分析的方法做出經(jīng)濟(jì)性評價，為實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。估算未來輸電線路的流量，分析該線路的經(jīng)濟(jì)效益，為電網(wǎng)規(guī)劃人員評價方案的經(jīng)濟(jì)性提供決策依據(jù)。這些文章大多針對電網(wǎng)某一方面進(jìn)行研究，對于電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析的文章目前還較少，僅有一些研究電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，考慮發(fā)、輸、配、用電各環(huán)節(jié)，針對電廠、電網(wǎng)、用戶3個獨(dú)立主體，分別建立經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù)，然后簡單累加構(gòu)建大電網(wǎng)一體化經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的最優(yōu)模型。而對于實際電網(wǎng)，在某一運(yùn)行方式下，人們更關(guān)心的是它的運(yùn)行效率，則需要對其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性做出合理的評價。分析電網(wǎng)設(shè)備的使用情況，如變壓器的利用率，從資產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性方面出發(fā)提出經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)體系，為運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性評價作好充足準(zhǔn)備。對于配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行做了詳細(xì)分析，建立了合理的配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行評價指標(biāo)體系，采用模糊綜合評價方法評價其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

2電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性與安全性的精益化協(xié)調(diào)方法

2.1電網(wǎng)對購電行為開放性的評估指標(biāo)

由于機(jī)組電價的差異，電網(wǎng)的購電行為對于協(xié)調(diào)曲線的走勢有較大影響。由上節(jié)中對協(xié)調(diào)成本的分析可知：當(dāng)E值較為接近Emax時，電網(wǎng)的安全裕度較大，E值的減小對其購電成本影響很小甚至無影響，在協(xié)調(diào)曲線圖中表現(xiàn)為曲線右端變化較為平緩。當(dāng)E值繼續(xù)減小，E值的改變將對購電成本形成緊約束，購電成本將隨著E值的減小急劇增加。協(xié)調(diào)曲線的右端曲線為平緩區(qū)域。這段平緩區(qū)域即為協(xié)調(diào)成本變化較小的區(qū)域，表示可以用較小的經(jīng)濟(jì)代價換取較大的電網(wǎng)安全裕度。在這種情況下，電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行應(yīng)采用保守的安全策略。因此，對該平緩區(qū)域的量化至關(guān)重要。本文提出了計算協(xié)調(diào)曲線閾值點(diǎn)的近似算法：1）計算協(xié)調(diào)曲線的近似協(xié)調(diào)成本。假設(shè)協(xié)調(diào)曲線由E變量取一系列等步長為λ的數(shù)值點(diǎn)繪制而成。根據(jù)式可知，協(xié)調(diào)曲線上某點(diǎn)的協(xié)調(diào)成本為該點(diǎn)的切線值的負(fù)數(shù)，但由于各點(diǎn)的切線無法直接獲得，在本文中用該點(diǎn)及與之左右相鄰兩點(diǎn)的最小二乘線性擬合直線的斜率代替（右端點(diǎn)擬合時選取一個相鄰點(diǎn)）。從協(xié)調(diào)曲線右端點(diǎn)開始，從右向左計算。2）計算近似協(xié)調(diào)成本的變化率。同樣，由于近似協(xié)調(diào)成本是一系列的數(shù)值點(diǎn)，無法解析計算。在本文中，某點(diǎn)近似協(xié)調(diào)成本的變化率為該點(diǎn)近似協(xié)調(diào)成本和其左側(cè)相鄰點(diǎn)近似協(xié)調(diào)成本組成直線的斜率。從右向左計算。近似協(xié)調(diào)成本變化率的計算方法為兩相鄰點(diǎn)的斜率差與步長的比值。3）當(dāng)近似協(xié)調(diào)成本的變化率達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值時，可認(rèn)為該點(diǎn)為協(xié)調(diào)曲線的閾值點(diǎn)。

2.2考慮經(jīng)濟(jì)性的電網(wǎng)規(guī)劃模型

傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃是為了滿足電力需求的發(fā)展，在確保安全可靠地將電力輸送到用戶的前提下，確定使電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用最小的電網(wǎng)接線方案。考慮經(jīng)濟(jì)性的電網(wǎng)規(guī)劃模型又稱為確定性模型，這種模型對安全、可靠性問題采用后續(xù)驗證的方法，將“N”或“N-1"準(zhǔn)則作為約束條件之一。根據(jù)對電網(wǎng)規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)的描述不同，經(jīng)濟(jì)性模型可分為運(yùn)輸模型和最小費(fèi)用模型。運(yùn)輸模型以線路到各負(fù)荷點(diǎn)的負(fù)荷矩總和為目標(biāo)函數(shù)，以線路功率作為變量，認(rèn)為負(fù)荷矩總和最小的接線方案是最優(yōu)的。此外，以節(jié)點(diǎn)功率平衡、線路功率平衡及發(fā)電機(jī)有功無功出力為約束條件。由于線路功率是一連續(xù)變量，該模型下的電網(wǎng)規(guī)劃可看作一個線性規(guī)劃問題。對于小規(guī)模電網(wǎng)，由于避免了處理離散變量的困難，運(yùn)輸模型求解變得簡單、快速。但隨著電網(wǎng)規(guī)模的增大，運(yùn)輸模型的計算量也會成倍增長。因此，運(yùn)輸模型不適用于大規(guī)模電網(wǎng)規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)模型求解問題。

2.3調(diào)度效益的評估指標(biāo)

電網(wǎng)的實際運(yùn)行會因為諸如負(fù)荷預(yù)測偏差、潮流計算偏差、調(diào)度人員的人工決策偏差等因素與調(diào)度計劃產(chǎn)生偏離。在協(xié)調(diào)曲線圖中，表現(xiàn)為電網(wǎng)運(yùn)行點(diǎn)位于協(xié)調(diào)曲線的右上側(cè)。也就是說，電網(wǎng)并非運(yùn)行在最佳運(yùn)行點(diǎn)。當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)和最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)之間的偏差可以作為對調(diào)度工作效益的一個評判標(biāo)準(zhǔn)。美國PJM電力市場提出“理想調(diào)度”（perfectdispatch）的概念，追求電網(wǎng)實際運(yùn)行點(diǎn)與調(diào)度計劃的最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)盡量接近，并且分析實際運(yùn)行點(diǎn)和計劃最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)的偏差的成本，每半年形成一次匯總報告。

結(jié)語

電網(wǎng)互聯(lián)的發(fā)展使電力系統(tǒng)逐漸發(fā)展成為超大規(guī)模的高維復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，在新環(huán)境下電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)“高電壓、大機(jī)組、遠(yuǎn)距離輸電”的發(fā)展趨勢，電力系統(tǒng)的新特點(diǎn)使得電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行中安全性和經(jīng)濟(jì)性問題的沖突日益凸顯。為了保證互聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，有必要對互聯(lián)電網(wǎng)在不同運(yùn)行情況下的經(jīng)濟(jì)性和安全性做出合理評估，為運(yùn)行人員采取合理的調(diào)度和控制措施提供合理的決策支持。

參考文獻(xiàn)

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