地市級可再生能源消納責任權重目標分解方法

陳荃，吳科成，曲毅，何春庚，何潤泉，謝敏

(1．廣東電網有限責任公司，廣州 510630；2. 華南理工大學電力學院，廣州510641)

0 引言

在化石燃料緊缺及日益嚴重的環境污染背景下，我國在各行各業都開始重視起對環境友好且可持續發展的可再生能源[1]。自2005年可再生能源立法以來，我國一直倡導發展可再生能源，也嘗試出臺相關政策刺激其發展[2]。2018年3月起，國家能源局先后3次公布可再生能源電力配額制征求意見稿，并于2019年8月將配額制更名為可再生能源電力消納保障機制，提出確定各省級區域的可再生能源電量在電力消費中的占比目標，即“可再生能源電力消納責任權重”，每年對各省級區域可再生能源電力消納責任權重完成情況進行考核[3]。

2020年5月，國家發展改革委、國家能源局印發通知，正式明確各省份2020年可再生能源電力消納責任權重，有序實施可再生能源電力消納保障機制，同時計劃在9月組織開展全國可再生能源電力消納責任權重執行情況評估，研究提出2021年可再生能源電力消納責任權重初步安排[4]。

現階段國家按省級行政區域確定消納責任權重，將消納責任分攤給各類市場主體，對承擔責任的市場主體進行考核[5]。然而目前部分省級區域的可再生能源電量屬于計劃性電量，由電網公司統一收購和全額消納，這就意味著市場主體只能從省電網公司購買可再生能源電量。在這種情況下，電網公司將承擔所有可再生能源消納量，并成為全省唯一考核對象，這也是這類地區完成省級消納權重指標的主要途徑。對電網公司而言，權重責任如何分攤的問題直接關系到全省目標年份指標值能否順利實現?；诖?，通過設立地市級權重分解目標值，由各地市協同完成目標年份國家下達的權重指標要求，是貫徹和推進可再生能源消納保障機制的重要舉措。

與我國可再生能源消納責任權重相對應的是國外可再生能源配額制，不同國家配額指標分解方法有所差異。美國根據售電量的比例，每年采取存量+增量的方式對各州指標進行分解[6]，英國配額指標分解與區域經濟發展水平密切相關，但區域內供電企業的配額均統一于固定值[7]，日本基于各地網架堅強情況，綜合考慮網架堅強系數進行指標分解[8]，意大利不同發電企業的配額指標分解值相同[9]，而荷蘭充分考慮社會需求、經濟承受能力等因素來確定各成員國的可再生能源分解目標[10]。

國內學者目前針對可再生能源電力消納責任權重指標分解研究較少。文獻[11]明確指出2020年各省級區域可再生能源電力消納責任權重，但對于該權重如何落實并未給出合理的分解方法，電網公司以什么樣的方式組織消納未明確規定。文獻[12]區域間可再生能源消納權重的由各地區可再生能源裝機占比、利用小時數與歷史可再生能源發電量等因素確定，忽略了區域電網運行物理特性，能源資源發展特性。文獻[13]將權重目標值按照區域的售電量進行分解的方法予以確定。這種方法不考慮區域間可再生電力的交互，認為各區域可再生能源電量均是自產自銷。對于發用電資源分布極度不均勻的省份，誤差尤為明顯，可能造成經濟發達、負荷密度高的地市權重分攤目標值設置過低，完成可再生能源消納裕度過大；而可再生能源資源豐富的偏遠地市，權重分攤目標值設定過高，完成考核難度大，甚至無法完成。文獻[14]基于非水可再生能源消納責任權重的綠證交易模型來確保權重指標的完成，但是未考慮權重指標在省內不同地理分區的分解結果會對交易結果帶來影響。

在這種形勢下，迫切需要一種兼顧電網運行物理特性，且能夠綜合考慮各地市負荷、經濟、能源資源發展特性的權重目標分解方法，為各地市因地制宜地制定權重目標值。本文提出了一種基于潮流跟蹤的可再生能源消納權重地市級分解方法，依據各地市節點負荷在電網中的電氣連接拓撲以及實際地理位置，基于圖論將復雜電力網絡按地市劃分，并將該方法應用到IEEE 30節點系統和某省實際電網中。結果表明，基于潮流跟蹤的可再生能源消納權重地市級分解方法適用于實際電力系統網絡，考慮了線路潮流、網絡拓撲結構以及地市間功率交互特性等工程實際需求，有助于各地市切實完成消納可再生能源指標要求，促進可再生能源消納保障機制健康長效發展。

1 可再生能源消納責任權重概念

可再生能源電力消納責任權重(以下簡稱權重)是指按省級行政區域對電力消費規定應達到的可再生能源電量比重，包括總量消納責任權重和非水消納責任權重，計算公式如式(1)—(2)所示。

(1)

(2)

式中：α1為非水消納責任權重；α2為總量消納責任權重；Qn為區域內部年生產且消納年非水電可再生能源電量；Qw為區域內部年生產且消納年可再生能源電量；Qe1為年凈輸入非水電可再生能源電量，Qe2為年凈輸入可再生能源電量；Qt為預計本區域年全社會用電量；Qm為本區域全社會用電量中免予考核電量。

2 基于潮流跟蹤的地市級權重目標分解方法

該方法的基本思路是：依據在電網中的電氣連接拓撲以及實際地理位置，通過追蹤省內可再生能源電力在電網中的實際流向和分布來測算各個地市實際可能消納的可再生能源電量；然后將全省的目標權重值按照所測算的各地市可再生能源電量比率進行分攤，即可得到各地市承擔的可再生能源消納責任權重目標值。

2.1 潮流跟蹤的基本原理

潮流跟蹤法[15 - 16]是在電力系統特定的運行狀態下，通過潮流分析和計算,明確發電機或負荷功率在輸電元件中的分布情況，據此來度量它們對輸電網絡的使用程度。文獻[17]提出了潮流跟蹤的基本原理，先在拓撲有向圖中確定發電機節點和負荷節點，同時構造順逆流分配矩陣，探尋跟蹤的可行路徑，最后通過標準節點測試系統證明潮流跟蹤法的有效性。目前潮流跟蹤法在輸電成本分攤、電網經濟效益等研究領域已得到廣泛應用[18 - 19]，文獻[20]為精確定量分析電網各部分的盈利情況，給出了一種基于潮流雙向追蹤的穩態電網利潤分布計算方法，文獻[21]從經濟運行角度研究分布式電源配電網線損分攤，給出了一種基于經濟運行分析的分布式電源配電網線損分攤計算方法。

潮流跟蹤的關鍵在于分配矩陣的構建。潮流分配矩陣包含無損網絡節點、支路以及負荷的連接、有功功率傳輸等重要信息，是建模負荷節點與發電機的有功功率解析關系的關鍵[22 - 24]。設矩陣A=(aij)n×n為n節點無損網絡的潮流分配矩陣，其中i、j=1,2,…,n。Pij表示從節點i向節點j傳輸的有功功率；PTj表示節點j注入的有功功率之和，則潮流分配矩陣的構造為

(3)

在處于某一運行狀態的無損網絡中，PG=[PG1,…,PGn]T， 為發電機有功出力列向量，其中n表示網絡中的節點數；PL=[PL1,…,PLn]T， 為負荷吸收的有功功率列向量；PT=[PT1,…,PTn]T， 為n節點電力系統網絡各節點總共注入的有功功率列向量。據此可得式(4)—(7)所示的潮流分配矩陣特性。

APT=PL

(4)

ETAPTT=(PG)T

(5)

(6)

(7)

式中：PLL=diag[PL1,…,PLn]T，PGG=diag[PG1,…,PGn]T，PTT=diag[PT1,…,PTn]T分別表示發電機有功出力、負荷吸收的有功功率以及各個節點總注入的有功功率的對角矩陣，它們均為n×n階對角矩陣；E=[1,1,…,1]T為n階列向量。

由式(4)、式(6)—(7)可以得到發電機出力和負荷有功功率的解析表達式，如式(8)所示。

PG=PGG(PTT)-1A-1PL

(8)

式中：PGG(PTT)-1A-1為系數分配矩陣，用M=(mij)表示。任意發電機和負荷的功率解析關系[25]可表達為：

(9)

式中：Pi-j為處于節點的發電機給節點j的負荷分配的功率值；mij為節點i的發電機和節點j負荷的功率的分配系數；PLj為網絡中位于節點j的負荷分配的功率值之和。

2.2 地市可再生能源權重目標值的計算

地市級可再生能源消納責任權重目標分解問題探究的是對未來一年甚至是多年權重的目標分解，其本質上隸屬電力系統規劃領域。對于電力系統規劃問題而言，未來的負荷、網架、電源都面臨眾多不確定性，無法預知，也就不能準確得到系統各個時刻的狀態。本文選取規劃水平年的典型(日)運行方式來進行相關分析和計算[26 - 29]。采用潮流追蹤法對日內電網潮流逐時段進行計算(假定典型日的網架拓撲不變)，可以得到各地市典型日消納的可再生能源電量；再基于等效分析原則[30]，認為各地市該季節內逐日消納的可再生能源電量均等于典型日電量值，這樣就由日電量拓展至季電量，每一季節的電量均采用這種進行計算，四季累加后即可得到該地市全年消納的可再生能源電量值。將該值分別除以減去免考核電量后的全省全社會用電量，即可得到各地市所分攤的消納權重預測值。最后，將設定的權重目標值按照權重預測值按比例分攤到各個負荷，即可得到各地市的總量權重目標值。如式(10)—(11)所示。

(10)

(11)

式中：z為典型運行方式序號；Dkz為第k個地市在第z個典型運行方式消納的可再生能源電量；Pkzs為第k個地級市z典型運行方式下第s個時段消納可再生能源功率之和；tzs為z典型運行方式下時段總數；Qdk為第k個地市所預測的權重值，Qset為設定的權重目標值；Qek為第k個地市所分攤的權重目標值。

2.3 所提地市權重目標分解方法實現流程

本文所提的基于潮流追蹤的地市權重目標分解方法實現流程如圖1所示。

圖1 基于潮流跟蹤的地市權重分解方法流程圖Fig.1 Weight decomposition method based on power flow tracking

3 算例分析

首先以 1 h 作為消納權重的目標計算時長，在IEEE 30節點系統上進行計算，以驗證方法的可行性；隨后，將該方法應用到某實際省級電網中，對某一年的地市權重值進行測算，以驗證方法的實用性。

3.1 IEEE 30節點系統

IEEE 30節點系統潮流計算結果如圖2所示(圖中單位為MW)。以1 h作為消納權重的目標計算時長，即，假設系統在1 h內運行方式保持不變。藍色加粗數字表示支路傳輸的功率由數字較小的節點流向數字較大的節點，黑色數字表示支路傳輸的功率由數字較大的節點流向數字較小的節點。系統由30個節點、41條支路、6臺發電機和20個負荷構成。其中位于節點2、節點13的發電機組是可再生能源機組，它們的有功出力分別為60.97 MW、37 MW。系統該時段除去免考核電量后的全社會用電量為189.2 MWh，可再生能源消納責任總量權重目標值為48.50%。

圖2 IEEE 30節點系統潮流計算結果Fig.2 IEEE 30 node system power flow calculation results

應用式(4)—(11)，可得負荷與發電機功率的解析關系，計算結果如表1所示。表1中，每一列表示該節點上的負荷由各臺發電機提供的功率比例，如節點3上的負荷靠近發電機1，故其全部負荷均由發電機1供電；節點10位于網絡中心地帶，每一臺發電機均給該節點上的負荷提供了電能，其中，發電機22最為靠近節點10，故節點10有42%的電力由發電機22供給。

表1 各負荷節點與發電機功率系數分配關系(IEEE 30系統)Tab.1 The power coefficient distribution relation between each load and generator for IEEE 30 system

根據圖1流程計算即可得到各個負荷的總量權重目標值。結果如表2所示。由表2可見，該系統節點3、20-30節點均沒有消納可再生能源，故其相應的權重目標值為0。節點2上的發電機2為可再生能源發電機，節點2上負荷87%由該發電機供電，故其分攤的消納權重目標值為全網最高，達9.9%。

表2 可再生能源消納責任權重在各負荷節點的分配結果(IEEE 30系統)Tab.2 The renewable energy consumption weight value of load for IEEE 30 system

3.2 某省級實際電網算例

該省級電網由2 778個節點、3 035條支路、223臺發電機和714個負荷節點構成。該省共有21個地市，將各地市級配網等值為110 kV的若干節點，作為負荷節點處理。上述電網規模為等值后結果。以某年作為消納權重的目標計算時長，該年全省除去免考核電量后的全社會用電量為666 347.7 GWh，從外省購入電量225 586 GWh，外購電落點在8個節點上，分布在3個地市，外購電量中可再生能源占比61.94%，非水可再生能源占比0.95%。假設國家下達給該省的可再生能源消納責任總量權重目標值為28.5%，非水權重目標值為4.5%。

3.2.1 地級市權重分解結果

首先選取該年春、夏、秋、冬4個典型日的運行方式，逐一計算典型日的潮流追蹤結果，獲得各地市各季節消納的可再生能源電量，累加即可得到各地市可再生能源電量的實際可能達到的消納量。將其分別除以減去免考核電量后的全省全社會用電量，即得到各地市權重預測值。最終將設定的權重目標值按照地市權重預測值按比例分攤到各個地市，即可得到21個地市的總量和非水權重目標值。結果如表3和圖3(總量)、表4和圖4(非水)所示。

表3 該省級電網各地市總量消納權重目標值Tab.3 The provincial power grid city total consumption weight target values

表4 該省級電網各地市非水消納權重目標值Tab.4 The provincial power grid city non-water consumption weight target values

圖3 各地市總量權重分攤結果Fig.3 Total weight allocation results of each city

圖4 各地市非水權重分攤結果Fig.4 Non water weight allocation results of cities

如上圖表結果可見，采用潮流追蹤得到全省可再生能源消納總量權重的實際預測值為31.7%，非水權重預測值為5.03%，能夠完成國家下達的權重目標值指標(28.5%，4.5%)。對于C1、C2和C4，其經濟發展水平分別位于該省級電網前列，區域電力負荷需求大，可再生能源資源有限，但與外部區域電力交互頻繁，其潮流追蹤所得的可再生能源消納量也大，也就需要承擔的較大的消納責任；相反，經濟發展水平低的地市，如C14、C15，其承擔權重值小。

3.2.2 地市消納特性分析

根據上述結果，從各地市經濟、負荷、可再生能源裝機的特點、消納權重分攤結果分析，可將21個地市分為3大類：1)外部輸入類：可再生能源裝機較小，可再生能源電力主要從其他地市注入，消納的權重大。2)自給自足類：本地的可再生能源電力基本自身消納，與其他地級市電力交互小。3)內部輸出型：可再生能源裝機較大，但由于本地經濟相對落后，可再生能源電力大多注入其他地市，這類地區分攤的權重目標值減小。3類地市具體如表5所示。

表5 各地市分類情況Tab.5 Classification of various cities

根據潮流追蹤結果，以總量權重為例，從3類地市中分別挑選典型地市進行分析。

1)外部輸入類

以C1為例，該地輸入的可再生能源電量為21 284.5 GWh，然而C3、C8、C12、C15、C16分別有6 714.2、29.9、6 800.9、884.8、0.2 GWh可再生能源電量注入C1所屬區域，導致其消納的可再生能源電量增大，從而使C1承擔較大權重。

圖5 C1電量注入情況Fig.5 Power injection condition of C1

2)自給自足類

以C18為例，該地產生的可再生能源電量為7 258.2 GWh，有340.8 GWh可再生能源電量注入C10所屬區域，剩余的6 918.4 GWh可再生能源電量均在本地消納。

3)內部輸出類

以C15為例，該地生產的可再生能源電量中有884.8 GWh、8 420 GWh注入C1、C12，只有1 033.9 GWh供本地消納，導致其實際消納的可再生能源電量大大減少，從而C15應該承擔較小的總量消納權重。

圖6 C15電量輸出情況Fig.6 Power output condition of C15

3.2.3 外省購入電對權重值的影響分析

根據《關于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》，跨區域購買可再生能源電量是區域內權重值認證形式之一，是省級區域完成消納責任權重考核要求的有效途徑。在潮流追蹤的實際計算中，考慮外購電時，是將等值為其在各地市落點節點處接入的等值電源點來進行計算。不考慮外省購入電，則重新計算潮流追蹤結果，可以得到如圖7和圖8中紅色細線所示的地市權重分解結果，并將其與考慮外購電的分解結果進行對比分析。

圖7 外省購入電對地市總量權重分解結果的影響Fig.7 The influence of electricity purchased from other provinces on the results of the total weight decomposition of prefectures and cities

圖8 外省購入電對地市非水權重分解結果的影響Fig.8 Influence of electricity purchased from other provinces on non-water weight decomposition results of prefectural cities

不考慮外購電時，該省各地市總量權重之和為8.65%，與考慮外購電計算得到的31.70%有很大差距，說明外購電對省內各地市權重分解有顯著影響，該省外購電中可再生能源是該省級完成國家下達權重目標值的重要依仗。

對于非水權重，不考慮外購電計算得到的地市非水權重值之和4.69%與考慮外購電的非水權重值5.03%相差很小?？梢?，該省級區域基本能夠不依賴外購電就能獨自完成非水消納責任權重目標值。

對比圖7和圖8可見，該省外購電主要成分為水電，且外購電落點所在的城市(C1、C4、C20)其總量權重指標的完成有賴于外購電。

3.2.4 與“按區域售電量分解”方法對比分析

目前電網公司可再生能源消納分配常采用 “按區域售電量分解” 方法，即，考慮各地市轄區內可再生能源發電量均為本區域內消納，地市凈輸入可再生能源電量為外購電量，按照本區域的售電量占全省售電量比例進行分攤。采用按區域售電量分解方法與本文所提的基于潮流跟蹤的分解方法進行對比，結果如圖9所示。

圖9 潮流跟蹤法和售電量方法權重分解結果對比Fig.9 Comparison of weight decomposition results between power flow tracking method and electricity sales method

對比潮流跟蹤權重分解結果，按“區域售電量分解”方法所分攤的地市消納權重目標值與各地市實情差距較大，對于發用電資源分布極度不均勻的省份，誤差尤為明顯。經濟發達、負荷密度高的地市，如C1、C2、C20等，權重分攤目標值設置過低，完成可再生能源消納裕度過大；而可再生能源資源豐富的偏遠地市，權重分攤目標值設定過高，完成考核難度大，甚至無法完成。以C15為例，該區域雖然裝機容量較大，但其位于經濟較為落后地區，區域電力負荷需求較小，只有1 033.9 GWh可再生能源供本地消納，其實際總量消納權重應該較小。

“按區域售電量分解”方法計算過程不考慮電力系統的運行特性，認為地市間不存在可再生能源電力交換，與地市實際偏差較大；而本文方法充分考慮各地市負荷和可再生能源機組的實際地理位置、負荷水平以及源、荷在各網架拓撲上的分布情況等重要數據，將外購電等值為其在各地市落點節點處接入的等值電源點來進行計算，所分攤的地市消納權重目標值也更為契合各地市實情。

4 結論

可再生能源消納責任權重目標分解是國家健全可再生能源電力消納保障機制政策背景下誕生的新問題。針對該問題，本文對可再生能源消納責任權重的地市級分解方法進行研究，歸納如下。

1)提出一種基于潮流追蹤原理的地市級可再生能源消納責任權重目標分解方法，能夠為省級區域完成國家下達的可再生能源消納總量和非水權重目標值提供一種新的實現途徑和測算依據，使各地市權重目標分解有理可依，有據可循。

2)考慮電力系統環境下可再生能源消納主體的多元復雜特性，本文所提方法將復雜電力網絡劃分成多區域，然后采用潮流追蹤法對各地市主體進行追蹤和權重分解計算，綜合考慮了各個地市的負荷、電源分布特性，以及網架拓撲結構和傳輸容量約束，追蹤所得到的結果能夠反映各個地市實際消納可再生能源情況，為因地制宜地分配各地市的消納責任權重目標提供有效技術實現手段。