基于典型運(yùn)行場(chǎng)景聚類的電力系統(tǒng)靈活性評(píng)估方法

游廣增， 湯翔鷹， 胡 炎， 邰能靈， 朱欣春， 李玲芳

(1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司， 昆明 650011； 2. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院, 上海 200240)

近年來(lái)，中國(guó)清潔能源的發(fā)展步伐加快，水電裝機(jī)的容量持續(xù)增加，風(fēng)電、光伏新增裝機(jī)量皆位列世界第一[1].同時(shí)，水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電等清潔能源發(fā)電的間歇性以及負(fù)荷的不確定性也給電力系統(tǒng)的靈活運(yùn)行帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn).目前，我國(guó)局部區(qū)域局部時(shí)段的棄風(fēng)棄光率較高，電力系統(tǒng)對(duì)于高比例可再生能源的靈活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，很大程度上影響電力系統(tǒng)的供需平衡、潮流分布和外送能力等，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，因此在規(guī)劃階段考慮電力系統(tǒng)的靈活性十分必要.靈活性規(guī)劃需要保證規(guī)劃結(jié)果滿足靈活性指標(biāo)要求，使靈活性資源配置和新能源以及負(fù)荷的隨機(jī)波動(dòng)特性有效地匹配，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2-4].

為了在規(guī)劃階段融入靈活性指標(biāo)，需要準(zhǔn)確評(píng)估現(xiàn)有電力系統(tǒng)的靈活性.但是，靈活性指標(biāo)的定義和體系還在不斷地發(fā)展和完善.國(guó)際能源署(IEA)將電力系統(tǒng)靈活性定義為電力系統(tǒng)面對(duì)預(yù)測(cè)中的波動(dòng)和預(yù)測(cè)外的擾動(dòng)時(shí)，快速反應(yīng)并確保供電可靠的能力[5].北美電力可靠性協(xié)會(huì)(NERC)認(rèn)為，針對(duì)系統(tǒng)中的不確定性，調(diào)配可用資源進(jìn)行響應(yīng)的能力即是系統(tǒng)靈活性[6].Lannoye等[7]從凈負(fù)荷需求角度評(píng)估電力系統(tǒng)靈活性.魯宗相等[8]提出多時(shí)間尺度靈活性供給-需求平衡機(jī)理的通用數(shù)學(xué)方法、靈活性度量指標(biāo)和裕量評(píng)估模型，從對(duì)資源、需求作用機(jī)理方面，提出曲線平移類、曲線整形類和綜合類3種提高靈活性的方法.周光東等[9]建立了可再生能源和負(fù)荷的波動(dòng)性模型，從調(diào)度運(yùn)行的角度提出10個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行靈活性指標(biāo).Wang等[10]將電源爬坡率作為指標(biāo)評(píng)價(jià)電力系統(tǒng)的靈活性.Tian等[11]將靈活性資源不足時(shí)段和爬坡資源不足期望作為靈活性評(píng)估指標(biāo).李海波等[12]基于蒙特卡洛模擬法和經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，提出一種能夠考慮風(fēng)電和負(fù)荷的不確定性，并計(jì)入風(fēng)功率預(yù)測(cè)誤差時(shí)間相關(guān)性的定量評(píng)估指標(biāo)體系.詹勛淞等[13]考慮新能源發(fā)電的多時(shí)間尺度波動(dòng)特性，提出一種基于形態(tài)學(xué)分解的電力系統(tǒng)靈活性評(píng)估指標(biāo)及其計(jì)算方法.

上述研究主要從靈活性供需關(guān)系的角度對(duì)電力系統(tǒng)的靈活性裕度進(jìn)行評(píng)估.但是，在靈活性評(píng)估中，系統(tǒng)靈活性良好不僅需要滿足區(qū)域內(nèi)的供需平衡，還需要滿足系統(tǒng)的線路傳輸能力要求.如果區(qū)域內(nèi)的靈活性供需較大，區(qū)域內(nèi)的線路傳輸能力可能無(wú)法滿足電能傳輸?shù)囊螅瑢?dǎo)致線路負(fù)載率過高，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行.同時(shí)，向其他區(qū)域輸送多余的電量時(shí)，需要保證區(qū)域之間輸電通道的傳輸能力能夠承載輸送的電能.因此，在分析電力系統(tǒng)的靈活性時(shí)，需要同時(shí)考慮供需和線路以及輸電通道的靈活性，當(dāng)三者都滿足要求時(shí)，才能夠保證系統(tǒng)的靈活運(yùn)行.

在現(xiàn)有場(chǎng)景聚類方法[14-16]的基礎(chǔ)上，提出一種基于改進(jìn)的K-means聚類算法的典型場(chǎng)景電力系統(tǒng)靈活性評(píng)估方法.首先，通過改進(jìn)的K-means算法將可再生能源和負(fù)荷的運(yùn)行場(chǎng)景歷史曲線進(jìn)行聚類組合，將大量歷史運(yùn)行場(chǎng)景縮減為幾個(gè)典型場(chǎng)景.然后，從區(qū)域內(nèi)供需平衡、區(qū)域內(nèi)潮流分布和區(qū)域間輸電能力3個(gè)角度提出靈活性評(píng)估指標(biāo)：分區(qū)供需上、下調(diào)和分區(qū)網(wǎng)架以及分區(qū)間輸電通道的靈活性不良指數(shù)；計(jì)算每種場(chǎng)景的靈活性評(píng)估指標(biāo)，并根據(jù)每種場(chǎng)景的出現(xiàn)概率計(jì)算得到綜合評(píng)估指標(biāo)來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的整體靈活性狀態(tài).該指標(biāo)不僅考慮電力系統(tǒng)靈活性資源和需求的供需平衡關(guān)系，還融合系統(tǒng)內(nèi)潮流分布因素和區(qū)域間輸電能力因素，保證系統(tǒng)線路傳輸能力能夠滿足電能傳輸要求，從而全面評(píng)估電力系統(tǒng)的靈活性.最后，基于云南電網(wǎng)實(shí)際的風(fēng)光水出力數(shù)據(jù)和負(fù)荷數(shù)據(jù)，在改進(jìn)的IEEE 39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)上進(jìn)行靈活性評(píng)估，分析該聚類方法和靈活性指標(biāo)的合理性.

1 基于改進(jìn)聚類方法的典型場(chǎng)景生成

1.1 改進(jìn)K-means算法

K-means算法是一種經(jīng)典的聚類算法，因其執(zhí)行效率高而應(yīng)用廣泛.但是，K-means算法需要預(yù)先得到聚類中心的數(shù)量，而多數(shù)情況下無(wú)法在聚類之前得知具體數(shù)量.如果聚類中心數(shù)量的取值不合理，則會(huì)增大聚類結(jié)果的誤差.對(duì)此，利用一種基于Canopy算法的改進(jìn)K-means算法對(duì)歷史運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行聚類.聚類之前需要先利用Canopy算法對(duì)歷史運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行一次粗聚類，確定聚類中心數(shù)目.Canopy算法不需要預(yù)先指定聚類數(shù)目，通常可以在預(yù)處理階段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行粗聚類.根據(jù)粗聚類結(jié)果準(zhǔn)確處理數(shù)據(jù)，優(yōu)化聚類結(jié)果.Canopy算法的具體步驟如下[17-18]：

步驟1輸入原始數(shù)據(jù)組成的集合List，并設(shè)置距離閾值T1和T2，且T1>T2.

步驟2從List中隨機(jī)選取數(shù)據(jù)點(diǎn)P′，將點(diǎn)P′作為第一個(gè)數(shù)據(jù)中心Canopy，并將其從List中刪除.

步驟3從List中取點(diǎn)Q，計(jì)算點(diǎn)Q到已經(jīng)產(chǎn)生的所有Canopy的距離.如果點(diǎn)Q到某個(gè)Canopy的距離小于T2，則將點(diǎn)Q加入該Canopy中，并將其從List中刪除，即認(rèn)為點(diǎn)Q距離該Canopy的距離足夠近，不能作為其他Canopy的中心；如果點(diǎn)Q到所有 Canopy 的距離均大于T1，則將點(diǎn)Q作為一個(gè)新的Canopy，并將其從List中刪除；如果點(diǎn)Q到某個(gè)Canopy的距離在T2與T1之間，則將點(diǎn)Q加入該Canopy，但不將其從List中刪除，并繼續(xù)參與后續(xù)計(jì)算.

步驟4對(duì)List中的其他點(diǎn)重復(fù)步驟3的操作，直到List為空.

將Canopy算法輸出得到的粗聚類數(shù)目作為K-means聚類的輸入?yún)?shù)，得到最終的聚類結(jié)果.

1.2 典型場(chǎng)景生成

在電力系統(tǒng)中，大量可再生能源的接入和負(fù)荷的波動(dòng)性，均會(huì)增加電力系統(tǒng)的不確定性，導(dǎo)致同一年中新能源電源的出力曲線沒有規(guī)律.因此，需要對(duì)一年中新能源電源的歷史出力曲線進(jìn)行聚類，從而得到典型出力曲線.但是，如果分別分析每條歷史出力曲線的改進(jìn)聚類方法，可能會(huì)導(dǎo)致每個(gè)電源的聚類曲線數(shù)量均不同，增加后續(xù)分析的復(fù)雜度和計(jì)算量.因此，需要定義電源運(yùn)行場(chǎng)景，即把系統(tǒng)中所有的新能源電源作為整體得到的出力特性場(chǎng)景.每種電源的運(yùn)行場(chǎng)景包含了每個(gè)新能源電源的出力特性曲線.在聚類過程中，先對(duì)每個(gè)電源進(jìn)行Canopy粗聚類，得到最佳聚類數(shù)；再對(duì)電源運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行K-means聚類，得到新能源電源的典型運(yùn)行場(chǎng)景.具體過程如下：

首先，分別對(duì)n′個(gè)新能源電源的歷史曲線進(jìn)行Canopy粗聚類分析，得到每個(gè)電源出力的粗聚類中心數(shù)ki(1≤i≤n′).計(jì)算得到所有粗聚類數(shù)中出現(xiàn)最多的ki，并將此聚類中心數(shù)作為電源典型運(yùn)行場(chǎng)景的最佳聚類數(shù)(k).然后，將k作為下一步K-means聚類方法的輸入?yún)?shù)，對(duì)電源運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行統(tǒng)一的場(chǎng)景聚類，得到電源的典型運(yùn)行場(chǎng)景.同時(shí)，可以根據(jù)每種典型場(chǎng)景中包含的歷史場(chǎng)景數(shù)量，得到每種典型場(chǎng)景的出現(xiàn)概率(P).負(fù)荷典型場(chǎng)景的聚類過程與電源的聚類過程類似，不再贅述.

分別聚類得到電源(假設(shè)m個(gè)典型場(chǎng)景)和負(fù)荷(假設(shè)n0個(gè)典型場(chǎng)景)的聚類結(jié)果后，將電源和負(fù)荷的典型場(chǎng)景兩兩組合，得到m×n0種系統(tǒng)典型運(yùn)行場(chǎng)景和每種系統(tǒng)典型運(yùn)行場(chǎng)景的出現(xiàn)概率Pi×Pj(1≤i≤m，1≤j≤n0).系統(tǒng)典型運(yùn)行場(chǎng)景生成的過程如圖1所示.該場(chǎng)景基本涵蓋了可能出現(xiàn)的源荷匹配場(chǎng)景.

圖1 典型場(chǎng)景生成流程圖

2 電力系統(tǒng)靈活性評(píng)估指標(biāo)

對(duì)某個(gè)電力系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)，并分別在電力系統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間進(jìn)行靈活性評(píng)估，評(píng)估指標(biāo)如圖2所示.區(qū)域內(nèi)靈活性評(píng)估指標(biāo)包括分區(qū)供需上、下調(diào)靈活性不良指數(shù)和分區(qū)網(wǎng)架靈活性不良指數(shù)；區(qū)域間靈活性評(píng)估指標(biāo)包括分區(qū)間輸電通道靈活性不良指數(shù).

圖2 靈活性評(píng)估指標(biāo)示意圖

2.1 分區(qū)供需上下調(diào)靈活性不良指數(shù)

分區(qū)供需靈活性指標(biāo)是判斷區(qū)域內(nèi)的靈活性資源是否滿足靈活性需求的指標(biāo).分區(qū)靈活性資源示意圖如圖3所示，其中風(fēng)電、光伏和水電均為不可控機(jī)組，火電、儲(chǔ)能等資源為可控機(jī)組.在靈活性需求的計(jì)算中，考慮不可控機(jī)組和負(fù)荷的出力波動(dòng)；在靈活性供給的計(jì)算中，考慮可控機(jī)組提供的靈活性供給能力.

圖3 分區(qū)靈活性資源示意圖

分區(qū)中不可控機(jī)組和負(fù)荷在t時(shí)刻產(chǎn)生的功率需求和供給分別為

Puncon_demand(t)=Pload(t)+ΔP(t)

(1)

Puncon_supply(t)=Pwind(t)+PPV(t)+Phydro(t)

(2)

式中：Pload(t)、Pwind(t)、PPV(t)和Phydro(t)分別為分區(qū)的負(fù)荷出力功率、風(fēng)電出力功率、光伏出力功率和水電出力功率；ΔP(t)為分區(qū)與外界的交換功率.當(dāng)ΔP(t)>0時(shí)，認(rèn)為該分區(qū)向外界輸送功率，增加功率需求；當(dāng)ΔP(t)<0時(shí)，認(rèn)為該分區(qū)從外界接收功率，減小功率需求.

不可控部分的功率需求變化上、下限為

Puncon_demand_max(t)=(1+λ)Puncon_demand(t)-

(1-λ)Puncon_supply(t)

(3)

Puncon_demand_min(t)=(1-λ)Puncon_demand(t)-

(1+λ)Puncon_supply(t)

(4)

式中：λ為功率波動(dòng)系數(shù)，λ越大則功率波動(dòng)越大.

基于上述功率需求的變化范圍，分區(qū)的靈活性需求計(jì)算過程如下，示意圖如圖4所示.

圖4 上、下調(diào)靈活性需求示意圖

當(dāng)Puncon_demand_min(t)>Puncon_demand(t-1)時(shí)，只有上調(diào)靈活性需求：

Pdemand_up(t)=Puncon_demand_max(t)-

Puncon_demand(t-1)

(5)

當(dāng)Puncon_demand_max(t)>Puncon_demand(t-1)>Puncon_demand_min(t)時(shí)，既有上調(diào)靈活性需求，又有下調(diào)靈活性需求：

(6)

當(dāng)Puncon_demand(t-1)>Puncon_demand_max(t)時(shí)，只有下調(diào)靈活性需求：

Pdemand_down(t)=Puncon_demand(t-1)-

Puncon_demand_min(t)

(7)

分區(qū)的上、下調(diào)靈活性供給由可控機(jī)組提供，計(jì)算過程如下：

60多年前，當(dāng)來(lái)自美國(guó)南方的貧窮黑人煙農(nóng)海瑞塔·拉克斯，因?yàn)閷m頸癌住進(jìn)約翰·霍普金斯醫(yī)院時(shí)，人類的細(xì)胞培養(yǎng)研究正處于一個(gè)黑暗時(shí)代。

Psupply_up(t)=Pcon_gen_max-Pcon_gen(t)

(8)

Psupply_down(t)=Pcon_gen(t)-Pcon_gen_min

(9)

式中：Pcon_gen(t)為可控機(jī)組的出力值；Pcon_gen_max和Pcon_gen_min分別為所有可控機(jī)組的最大出力值和最小出力值.

根據(jù)上述上、下調(diào)靈活性需求和供給，可以得到供需上、下調(diào)靈活性不良指數(shù)：

(10)

(11)

上、下調(diào)靈活性不良指數(shù)表示靈活性資源滿足上、下調(diào)靈活性需求的能力.當(dāng)Fup(t)<1時(shí)，Psupply_up(t)>Pdemand_up(t)，靈活性資源存在一定裕度.當(dāng)Fup(t)>1時(shí)，Psupply_up(t)1時(shí)，靈活性資源不滿足電網(wǎng)需求，需要采取減少新能源、增加負(fù)荷等措施來(lái)保證靈活性資源的供需平衡.

2.2 分區(qū)網(wǎng)架靈活性不良指數(shù)

大量新能源的接入會(huì)影響系統(tǒng)的潮流分布，分區(qū)網(wǎng)架靈活性指標(biāo)是判斷區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和線路傳輸能力是否能夠滿足潮流分布的指標(biāo).其以t時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算負(fù)載率最大的N條支路的加權(quán)平均值作為t時(shí)刻網(wǎng)架靈活性不良指數(shù)：

(12)

式中：i為任意支路；μi為靈活性權(quán)重系數(shù)；Li(t)為計(jì)算負(fù)載率，且

(13)

(14)

根據(jù)定義，F(xiàn)lex_net(t)>0.當(dāng)Flex_net(t)>1時(shí)，實(shí)際運(yùn)行中會(huì)有一條或多條支路超載，需要采取相應(yīng)的措施應(yīng)對(duì).因此，F(xiàn)lex_net(t)越小，網(wǎng)架靈活性越好.

2.3 分區(qū)間輸電通道靈活性不良指數(shù)

某些區(qū)域接入的新能源較多，負(fù)荷較少，區(qū)域內(nèi)需求無(wú)法消納新能源產(chǎn)生的電能，需要將大量的電能輸送到其他區(qū)域.對(duì)此，定義輸電通道的靈活性指標(biāo)以判斷輸送通道的傳輸容量是否滿足外送功率.

圖5 輸電通道示意圖

對(duì)于送端，其在t時(shí)刻時(shí)的送出功率為

Psupply(t)=Pwind(t)+PPV(t)+Phydro(t)+

Pcon_gen(t)-Pload(t)-ΔP(t)

(15)

2.3.1正常運(yùn)行條件 在忽略傳輸損耗的情況下，送端的送出功率即為區(qū)域間輸電通道的傳輸功率：

Psupply(t)=Ptrans(t)=

P1(t)+P2(t)+…+Pn(t)

(16)

定義輸電通道中線路1～n的功率分配系數(shù)分別為r1,r2,…,rn，則

Ptrans(t)=P1(t)+P2(t)+…+Pn(t)=

r1Ptrans(t)+r2Ptrans(t)+…+rnPtrans(t)=

(17)

(18)

在輸電通道的所有輸電線路中，如果有一條輸電線路i達(dá)到輸電的功率上限，即

riPtrans(t)=Pimax

則認(rèn)為送端與受端之間的總傳輸功率已達(dá)到最大值.計(jì)算每條線路達(dá)到功率上限時(shí)輸電通道的傳輸容量值，取最小值作為傳輸通道的傳輸容量上限：

(19)

定義送端的最大出力功率為

Psource_max=max(t|Pwind(t)+PPV(t)+Phydro(t))+

min(t|Pcon_gen(t))-min(t|Pload(t))-

min(ΔP′(t))

(20)

式中：ΔP′(t)為送端與其他分區(qū)(不包括受端)的交換功率.

在正常運(yùn)行情況下，輸電通道靈活性不良指數(shù)：

(21)

若Fchannel>1，則說(shuō)明輸電通道的靈活性不足，不能滿足送端電源最大出力的傳輸需求，需要增設(shè)新的輸電線路；若Fchannel=1，則說(shuō)明輸電通道剛好滿足送端電源最大出力的傳輸需求；若Fchannel<1，則說(shuō)明輸電通道的靈活性充足，送端電源出力不受阻.

2.3.2n-1運(yùn)行條件 如果輸電通道中的第k條線路發(fā)生故障并退出運(yùn)行，則送端與受端之間只有n-1條輸電線路正在運(yùn)行,則

Ptrans(t)=P1(t)+P2(t)+…+Pn(t)-Pk(t)=

r1Ptrans(t)+r2Ptrans(t)+…+

rnPtrans(t)-rkPtrans(t)=

(22)

如果處于運(yùn)行狀態(tài)的n-1條輸電線路中有一條輸電線路i達(dá)到功率上限，則認(rèn)為送端與受端之間的總傳輸功率已達(dá)到最大值.計(jì)算每條線路達(dá)到功率上限時(shí)輸電通道的傳輸容量值，取最小值作為傳輸通道的傳輸容量上限：

(23)

式中：Pk_fault_max為第k條線路發(fā)生故障時(shí)，輸電通道傳輸功率的最大值.

在每一種運(yùn)行場(chǎng)景下，計(jì)算輸電通道中每一條輸電線路故障時(shí)，剩余輸電線路所能傳輸功率的最小值作為這兩個(gè)分區(qū)之間n-1運(yùn)行條件下輸電通道傳輸功率的上限：

(24)

在n-1運(yùn)行條件下，輸電通道靈活性不良指數(shù)：

(25)

Fchannel_fault的意義與Fchannel類似，區(qū)別僅在于Fchannel_fault適用于n-1運(yùn)行條件，而Fchannel適用于正常運(yùn)行條件.

2.4 靈活性評(píng)估流程

基于改進(jìn)K-means算法生成幾類典型場(chǎng)景，分析每一類場(chǎng)景的靈活性評(píng)估結(jié)果，并根據(jù)每一類場(chǎng)景出現(xiàn)的概率，加權(quán)得到綜合靈活性評(píng)估指標(biāo)，具體流程如圖6所示.

圖6 靈活性評(píng)估流程圖

3 算例分析

基于南方某地區(qū)的風(fēng)光水和負(fù)荷的實(shí)際歷史出力數(shù)據(jù)，采用改進(jìn)的IEEE 39節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行靈活性評(píng)估.算例將測(cè)試系統(tǒng)分為3個(gè)分區(qū)，如圖7所示.其中，G為電源.可再生電源的配置情況如表1所示.在節(jié)點(diǎn)30、31、36、38、39接入可控電源，總裝機(jī)容量為 4 694 MW，可再生能源裝機(jī)容量為800 MW，占比為17.04%；在節(jié)點(diǎn)7、18、20、21、23、26、28、39接入波動(dòng)性負(fù)荷.在每個(gè)場(chǎng)景內(nèi)，除了接入可再生能源和波動(dòng)性負(fù)荷的節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)的電源和負(fù)荷都為定值.分區(qū)1與2之間輸電線路的容量上限為 1 000 MV·A，分區(qū)1與3之間輸電線路的容量上限為 1 000 MV·A，分區(qū)2與3之間輸電線路的容量上限為 1 200 MV·A.功率波動(dòng)系數(shù)λ=0.2.

圖7 分區(qū)示意圖

表1 系統(tǒng)可再生電源配置情況

3.1 典型場(chǎng)景生成結(jié)果

將新能源和負(fù)荷的全年歷史曲線作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類和場(chǎng)景劃分，得到典型場(chǎng)景的日曲線，每條曲線包含24個(gè)時(shí)刻.

首先確定新能源和負(fù)荷的最佳聚類數(shù).使用Canopy算法對(duì)每條新能源電源和負(fù)荷的年歷史曲線進(jìn)行粗聚類，所得粗聚類數(shù)如表2～3所示.

表2 新能源電源粗聚類數(shù)

由粗聚類結(jié)果可知，新能源電源和負(fù)荷的運(yùn)行場(chǎng)景的最佳聚類數(shù)均為3.對(duì)新能源電源運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行K-means聚類，得到3種典型的電源出力場(chǎng)景及其出現(xiàn)概率.根據(jù)電源出力的大小，將3種場(chǎng)景劃分為源峰、源平和源谷；對(duì)負(fù)荷運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行K-means聚類，得到荷峰、荷平、荷谷3種典型的負(fù)荷運(yùn)行場(chǎng)景及其出現(xiàn)概率.將電源和負(fù)荷的典型場(chǎng)景兩兩組合，得到9種系統(tǒng)典型場(chǎng)景及其出現(xiàn)概率，如表4所示.

表3 負(fù)荷粗聚類數(shù)

表4 典型場(chǎng)景概率

3.2 分區(qū)供需靈活性指標(biāo)結(jié)果分析

根據(jù)每種場(chǎng)景的電源、負(fù)荷出力曲線計(jì)算得到該場(chǎng)景下每個(gè)時(shí)刻的潮流計(jì)算結(jié)果；再根據(jù)每個(gè)場(chǎng)景每個(gè)時(shí)刻的潮流計(jì)算結(jié)果和電源出力值以及負(fù)荷出力值，利用分區(qū)供需靈活性指標(biāo)的計(jì)算方法，得到每個(gè)場(chǎng)景的靈活性指標(biāo)曲線.

3.2.1新能源出力對(duì)供需靈活性指標(biāo)的影響 以分區(qū)3為例，選取3種系統(tǒng)場(chǎng)景下的供需上、下調(diào)靈活性不良指數(shù)曲線，如圖8所示.

圖8 系統(tǒng)場(chǎng)景分區(qū)3供需靈活性指標(biāo)

由圖可知，在電源出力處于峰值的場(chǎng)景1中，分區(qū)3只有下調(diào)靈活性，其Fup(t)=0.因?yàn)閳?chǎng)景1為源峰荷谷，該處新能源電源的出力較大，可以直接滿足波動(dòng)性負(fù)荷，所以沒有上調(diào)靈活性的需求.在場(chǎng)景4和7中，隨著新能源出力的降低，新能源的出力逐漸無(wú)法滿足上調(diào)靈活性需求，需要上調(diào)可控機(jī)組出力；Fup(t)逐漸增大，但Fup(t)<1，說(shuō)明分區(qū)3的可控電源可以滿足該區(qū)域的上調(diào)靈活性需求.

在場(chǎng)景1中，分區(qū)3在部分時(shí)刻時(shí)的Fdown(t)>1，說(shuō)明可控機(jī)組的下調(diào)能力無(wú)法滿足下調(diào)靈活性需求，可能存在棄用新能源的風(fēng)險(xiǎn).在場(chǎng)景4和7中，分區(qū)3的Fdown(t)逐漸減小，這是由于在負(fù)荷不變的情況下，新能源的出力逐漸減小，不需要下調(diào)可控機(jī)組的出力來(lái)平衡靈活性需求和靈活性供給.

3.2.2可控機(jī)組出力對(duì)供需靈活性指標(biāo)的影響 在系統(tǒng)場(chǎng)景1、4、7中，分區(qū)1的供需上、下調(diào)靈活性不良指數(shù)曲線如圖9所示.由圖可知，隨著分區(qū)1新能源出力的減小，場(chǎng)景1、4、7的Fup(t)均逐漸增大.其中，場(chǎng)景4和7的Fup(t)>1，這是因?yàn)榉謪^(qū)1的可控機(jī)組出力接近裝機(jī)容量，上調(diào)空間不足，所以當(dāng)新能源出力不在峰值時(shí)，分區(qū)1的可控機(jī)組上調(diào)靈活性供給無(wú)法滿足靈活性需求.而可控機(jī)組的上調(diào)空間不足說(shuō)明可控機(jī)組的下調(diào)空間較大，所以在這3種場(chǎng)景下，分區(qū)1的下調(diào)靈活性較好.

圖9 系統(tǒng)場(chǎng)景1、4、7中分區(qū)1供需靈活性指標(biāo)

3.2.3負(fù)荷變化對(duì)供需靈活性指標(biāo)的影響 在系統(tǒng)場(chǎng)景1、2、3中，分區(qū)1的供需上、下調(diào)靈活性不良指數(shù)曲線如圖10所示.當(dāng)新電源出力都處于峰值時(shí)，隨著負(fù)荷的減小，分區(qū)1的Fup(t)逐漸減小，上調(diào)靈活性逐漸變好.同時(shí)，分區(qū)1的Fdown(t)逐漸增大，下調(diào)靈活性逐漸變差.

圖10 系統(tǒng)場(chǎng)景1～3中分區(qū)1供需靈活性指標(biāo)

3.2.4全系統(tǒng)供需靈活性指標(biāo)分析 在系統(tǒng)場(chǎng)景1、4、7中，全系統(tǒng)的供需上、下調(diào)靈活性不良指數(shù)如圖11所示.由圖可知，全系統(tǒng)的供需上、下調(diào)靈活性不良指數(shù)均小于1，每個(gè)時(shí)刻的靈活性供給都能滿足其需求.但是，其中的某些分區(qū)，存在上調(diào)或下調(diào)靈活性供給無(wú)法滿足其需求的情況.因此，在分析系統(tǒng)供需靈活性時(shí)，需要根據(jù)不同地區(qū)的特性將系統(tǒng)進(jìn)行合理分區(qū)后再進(jìn)行分析.

圖11 系統(tǒng)場(chǎng)景全系統(tǒng)供需靈活性指標(biāo)

隨著可再生能源的比例逐漸增大，其出力的不確定性可能會(huì)導(dǎo)致切負(fù)荷或棄用可再生能源等情況的發(fā)生.對(duì)此，通過分析每個(gè)地區(qū)的供需靈活性指標(biāo)，借助規(guī)劃等方法可以避免一些不利于系統(tǒng)運(yùn)行的情況.針對(duì)下調(diào)靈活性不足的分區(qū)，可以通過配置儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)削峰，也可以適當(dāng)增加外送通道，將該地區(qū)多余的電能傳輸給外部區(qū)域；針對(duì)上調(diào)靈活性不足的分區(qū)，可以通過配置儲(chǔ)能、火電、水庫(kù)等可控靈活性資源來(lái)匹配靈活性需求.

3.3 分區(qū)網(wǎng)架靈活性指標(biāo)結(jié)果分析

根據(jù)全系統(tǒng)運(yùn)行的潮流計(jì)算結(jié)果，在每個(gè)分區(qū)內(nèi)由負(fù)載率最大的前30%條線路計(jì)算得到分區(qū)的網(wǎng)架靈活性不良指數(shù).以每個(gè)分區(qū)網(wǎng)架靈活性不良指數(shù)最大的系統(tǒng)場(chǎng)景為例進(jìn)行分析，3個(gè)分區(qū)的網(wǎng)架靈活性指標(biāo)如圖12所示.

圖12 分區(qū)網(wǎng)架靈活性指標(biāo)

由圖可知，分區(qū)1和3均有Flex_net(t)<0.6，說(shuō)明這兩個(gè)分區(qū)均處于正常運(yùn)行狀態(tài)，基本沒有線路過載的情況，分區(qū)內(nèi)線路的最大傳輸容量能夠滿足潮流的分布.分區(qū)2的Flex_net(t)剛剛達(dá)到1，說(shuō)明分區(qū)2負(fù)載率最大的幾條線路都處于滿載甚至過載的運(yùn)行狀態(tài)，需要增大線路的最大容量以滿足線路的潮流分布.

3.4 分區(qū)供需靈活性指標(biāo)和網(wǎng)架靈活性指標(biāo)綜合分析

分區(qū)2系統(tǒng)場(chǎng)景7的供需靈活性指標(biāo)如圖13所示.綜合圖12和13可知，分區(qū)2在系統(tǒng)場(chǎng)景7中的供需上、下調(diào)靈活性均較好，但網(wǎng)架靈活性較差，說(shuō)明供需靈活性指標(biāo)不能完全反映系統(tǒng)的靈活性.當(dāng)系統(tǒng)的供需靈活性指標(biāo)滿足要求時(shí)，系統(tǒng)的線路傳輸能力仍可能無(wú)法承載相應(yīng)的潮流分布，系統(tǒng)的靈活性供給不能傳輸給靈活性需求.因此，需要綜合供需和網(wǎng)架的靈活性指標(biāo)來(lái)分析系統(tǒng)的靈活性，只有當(dāng)兩個(gè)指標(biāo)都滿足要求時(shí)，才可以說(shuō)明系統(tǒng)的靈活性良好.

圖13 分區(qū)2系統(tǒng)場(chǎng)景7供需靈活性指標(biāo)

為了滿足系統(tǒng)的供需平衡，可再生能源的比例會(huì)隨著負(fù)荷的增加而增大， 從而影響潮流的分布和大小，可能導(dǎo)致更多線路過載，且無(wú)論是否采取相應(yīng)的調(diào)控手段(棄風(fēng)棄光切負(fù)荷)，都會(huì)給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)不利影響.利用供需和網(wǎng)架的靈活性指標(biāo)可以判斷系統(tǒng)的供需平衡情況和線路傳輸能力的裕度，從而綜合評(píng)估系統(tǒng)的靈活性.

3.5 區(qū)域間輸電通道靈活性指標(biāo)結(jié)果分析

利用輸電通道靈活性指標(biāo)計(jì)算方法，可以得到系統(tǒng)在不同典型場(chǎng)景中不同分區(qū)之間的輸電通道靈活性不良指數(shù)，如表5所示.

表5 輸電通道靈活性指標(biāo)

在所有場(chǎng)景中，各分區(qū)之間的輸電通道不良指數(shù)在正常運(yùn)行情況下均小于1，說(shuō)明在正常情況下，各區(qū)域間輸電通道的最大傳輸能力可以滿足送端的最大出力，送端出力不受阻.在n-1情況下，分區(qū)1與2之間的輸電通道不良指數(shù)小于1，說(shuō)明當(dāng)某一條線路出現(xiàn)故障時(shí)，輸電通道可以滿足送端的最大出力；分區(qū)1與3以及分區(qū)2與3之間的輸電通道不良指數(shù)均大于1，說(shuō)明當(dāng)某一條線路出現(xiàn)故障時(shí)，輸電通道無(wú)法滿足送端的最大出力，需要擴(kuò)建線路來(lái)提高輸電通道的傳輸能力.如果電源出力無(wú)法送出，則會(huì)增加清潔能源的棄用率；如果內(nèi)部強(qiáng)制消納，則可能影響潮流分布，增加區(qū)域內(nèi)線路的負(fù)載率，增大區(qū)域內(nèi)線路的過載風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行.因此，隨著新能源出力的逐漸增大，送端分區(qū)的最大電源出力增大，需要擴(kuò)大輸電通道的最大輸電容量或擴(kuò)建線路以滿足電能的外送需求，同時(shí)也可以減小送端區(qū)域的清潔能源棄用率.

3.6 綜合靈活性指標(biāo)對(duì)比分析

為了研究聚類方法的有效性，需要先根據(jù)每種場(chǎng)景的靈活性評(píng)估結(jié)果及其出現(xiàn)概率加權(quán)計(jì)算得到綜合靈活性指標(biāo)；再根據(jù)全年的電源和負(fù)荷歷史曲線，計(jì)算每一天每一時(shí)刻的靈活性指標(biāo)，并加權(quán)得到全年的靈活性指標(biāo)；最后，比較兩種方法的評(píng)估結(jié)果以驗(yàn)證聚類結(jié)果的合理性.以分區(qū)1為例，兩種方法的供需上、下調(diào)和網(wǎng)架的靈活性指標(biāo)對(duì)比關(guān)系如圖14所示.

圖14 分區(qū)1靈活性指標(biāo)對(duì)比

由圖可知，兩種方法的供需上、下調(diào)靈活性指標(biāo)結(jié)果比較接近，且總體趨勢(shì)一致.根據(jù)聚類場(chǎng)景得到的綜合靈活性評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠較為準(zhǔn)確地反映出系統(tǒng)在某段時(shí)間范圍內(nèi)的靈活性.因此，利用本文典型場(chǎng)景生成方法可以在不影響評(píng)估結(jié)果正確性的同時(shí)，較大程度地減少計(jì)算時(shí)間，提高靈活性的評(píng)估效率.

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了電力系統(tǒng)的靈活性評(píng)估方法.首先，對(duì)新能源和負(fù)荷運(yùn)行場(chǎng)景的聚類方法進(jìn)行改進(jìn).改進(jìn)后的K-means聚類方法可以將大量的歷史數(shù)據(jù)縮減為幾個(gè)典型的運(yùn)行場(chǎng)景.然后，從供需平衡、潮流分布和輸電能力3個(gè)角度提出電力系統(tǒng)的靈活性評(píng)估指標(biāo)，并基于典型運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行靈活性評(píng)估.該指標(biāo)可以反映電力系統(tǒng)的靈活性狀態(tài)，典型運(yùn)行場(chǎng)景可以代表電力系統(tǒng)在整個(gè)周期內(nèi)運(yùn)行場(chǎng)景的靈活性情況，從而縮短了靈活性評(píng)估時(shí)間.該靈活性評(píng)估方法可以為電力系統(tǒng)的規(guī)劃配置提供意見，未來(lái)工作會(huì)進(jìn)一步考慮基于靈活性評(píng)估結(jié)果的電力系統(tǒng)優(yōu)化配置，提高未來(lái)電力系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性，保證電力系統(tǒng)更好地應(yīng)對(duì)高比例可再生能源的接入.