計及新能源消納的多級調度計劃協調決策方法

張國芳，楊小磊，孫永超

(1.國網四川省電力公司，四川 成都 610041;2.國網四川省電力公司成都供電公司，四川 成都 610041；3.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

近年來，風電與光伏等新能源因成本低、無污染且開發潛力大的特點，得到快速發展，但風光的不確定性嚴重制約著消納能力。為了盡可能提升風光消納水平，國家出臺促進新能源跨省跨區消納的相關政策。國網總部倡導打破省間電力市場壁壘，鼓勵風電企業直接參與跨區外送電交易，為新能源拓展區外消納空間。

在特高壓網架和直流輸電的保證下，大區及省間聯絡線輸電能力顯著提升，可有助于提高跨區域新能源消納水平，但對聯絡線計劃編制的合理性提出了更高的要求。目前中國多級調度計劃編制模式是“自上而下”，國分調的聯絡線計劃編制主要基于電力交易[2]，與電網運行處于松耦合狀態，可能因為不滿足省網約束而需要反復迭代修改，也有可能發生斷面利用率較低、棄風棄光等情況，使得人員工作強度不斷增加，并存在錯漏隱患。

目前針對大電網的調度計劃方法研究，多集中于建模和算法上[3-6]，而針對模式和流程復雜度的關注較少。國外大多數電網的調度控制區相互獨立，少有上下級關系，因此缺乏跨區協調的參考實例[7-9]。國內針對中國調度模式的計劃編制方法研究有一些相關報道。文獻[10-11]提出了基于由國分調進行全網統籌的安全約束經濟調度方法，從而解決多級調度計劃協調的問題。但存在以下問題：一方面，省調需增加計算運力，減少國分調計算量，否則對國分調壓力較大；另一方面，各省由于電網結構、電源類型不同在調度模式及優化目標等多方面存在差異，很難構建省間統一模型，模型無法滿足各省個性化需求。文獻[12-14]在兼顧現有國(分)、省兩級調度模式的基礎上，提出了以直流聯絡線功率為協調變量，區內優化、跨區協調的互聯電網發輸電計劃方法，符合中國電網分層分區的調度模式，并有助于提高新能源的消納能力。但這些方案通過國分調協調主問題和省內優化調度子問題的聯合求解來實現，兩級調度之間必然需要多次迭代調整才能形成最終方案，忽視了實際電網中多級調度間計劃編制流轉的人工和時間成本。總體來說，目前尚缺乏考慮新能源消納的高效調度計劃協調方法的研究。

為解決上述問題，下面結合新能源發電特點以及跨區新能源消納亟需解決的實際需求[15-16]，將新能源的調度加入跨區調度計劃編制中，通過多級計劃編制流程現狀分析，提出了一種多級調度計劃協調優化方案，建立了考慮聯絡線運行特性約束的省網外送和受入的極限能力分析模型。通過極限能力邊界條件編制滿足省網約束的聯絡線計劃，可以避免流程上的反復迭代，有效提升調度計劃多級協調效率和計劃編制能力，并能適應當前實際電網的信息化和自動化水平。通過實際電網算例，證明了所提建模方法的正確性與有效性。

1 多級調度計劃編制現狀分析

在中國，國調和分中心編制區間和省間聯絡線計劃，而省級調度編制省內機組計劃，具體流程是“自上而下”：首先，國調編制區域聯絡線計劃及直流送出計劃，并將計劃下發給各分中心；然后，分中心制定省間聯絡線計劃；最后，省調將下發的聯絡線計劃作為邊界，依托安全約束機組組合/經濟調度技術編制省內發電計劃。

在國、分、省調度計劃中，需要協調的原因在于省調計劃依賴于國分調的跨區跨省聯絡線計劃。目前聯絡線計劃主要基于各類電力交易開展，一般采用將多個交易進行成分疊加的方法。這種聯絡線計劃模式的主要優點是計劃條理清晰、易于計算、方便統計等。但是該模式的缺點同樣也顯而易見，即較少考慮省內電網約束。當聯絡線計劃不滿足省內電力平衡或電網潮流約束時，這種來回的迭代就不可避免地形成了。

過去由于電網互聯程度不高，多級調度計劃編制和迭代修改都較為簡單且耗時短，并未引起過多關注。然而新形勢下的能源、電網格局，對現有各省平衡、各級調度松耦合的現有調度計劃業務模式提出了新的挑戰，主要體現在：

1)計劃編制時間。隨著電網結構日益復雜以及集中式新能源通過聯絡線輸送需求的迅速增加，國、分、省各級調度計劃編制需要考慮的約束越來越多，涉及清潔能源消納需求、交易電量計劃、直流線路運行方式、各分區功率平衡、供熱、環保等，計劃編制所需要的時間也在不斷增加。按照目前國內調度中心的編制效率，國分和省間迭代一次至少需要1 h，如果迭代3次，則發電計劃協調編制時間將達到3 h以上。

2)信息交互傳輸。由于各地電源結構、電網結構和調度運行規則各異，各級調度間和同級調度間的約束差異較大。各級調度間難以實現大量的約束信息自動化共享和交流，基本上只能依靠電話交流、人工檢查和設置。約束沖突協調復雜，影響計劃編制協調效率。

3)計劃流轉修改難度。聯絡線計劃涉及多個省網，送端電網計劃與受端電網計劃經由國、分計劃形成高度耦合，送受端的電網約束易形成“蹺蹺板”現象，即聯絡線計劃在滿足一端電網約束后卻不能滿足另一端電網約束。不同省網約束沖突的統籌協調難度不斷增加，尤其在電網輸送能力緊張或電力平衡困難時，計劃編制修改難度更大。

2 多級調度計劃協調優化方案

由上述分析可知，造成多級調度計劃反復迭代修改的原因是國分調在編制聯絡線計劃時缺少合理的計劃邊界以滿足下級電網約束。為解決此問題，應采用“自下而上”的計劃編制模式，即省調通過分析電力電量平衡情況為國、分調提供自身外送或受入的能力，國、分調可以通過集中分析實現整體優化，形成“分散優化，集中協調”[1]的調度模式。

另外，考慮到國調和分中心的主營業務均為聯絡線計劃編制，所不同的是前者編制區域聯絡線計劃，后者編制省間聯絡線計劃，但歸根結底均為聯絡線計劃。因此，可將國、分、省三級調度計劃分為國分、省兩級協調優化業務模式。

所提出的方案具體流程如下：

1)各省調將聯絡線計劃作為可調的決策變量、新能源棄電作為懲罰因子進行安全約束經濟調度程序(security constrained economic dispatch，SCED)計算，求解的關鍵不在于給出機組的計劃，而在于給出聯絡線計劃編制的邊界條件。

2)將各個省級的邊界條件上傳至國分調，國(分)調根據省調上傳的邊界條件，調用聯絡線計劃優化分析模塊，編制聯絡線計劃。

3)優化后的聯絡線計劃下發至各省調，省調基于聯絡線計劃進行省內計劃編制。

多級調度計劃協調優化流程如圖1所示。

圖1 多級調度計劃協調優化流程

所提模式的優點如下：

1)僅增加了省調分析和上報聯絡線邊界條件的環節，而避免了多級間迭代。如果省調SCED的計算時間為0，按照第1章的編制時間分析，整體協調編制計劃的時間可在1.5 h完成，保證了多級計劃編制的效率。

2)國(分)調與省調之間交互的信息僅為聯絡線功率和邊界信息，協調過程中的數據格式簡單統一、交換量小，有效減少人工檢查和操作的工作量。

3)國(分)調在生成、更新聯絡線功率計劃時，同時掌握了各個省調的關鍵邊界信息，有效確保了計算結果全局收斂性，避免了傳統方法反饋單一信息的振蕩問題。

3 省網外送/受入極限能力分析模型

在所提方案流程的步驟1中，省調計劃邊界的提取是將聯絡線計劃作為因變量，新能源棄電作為懲罰因子，建立省網外送/受入極限能力分析模型以求解聯絡線的邊界范圍。

3.1 優化目標

使用SCED安全經濟調度模型。在傳統求解過程中將省間聯絡線計劃作為邊界，疊加系統負荷預測，形成省內機組出力總需求。而在省網外送/受入極限能力分析模型中，聯絡線計劃作為因變量，等值為發電機進行優化，另外新能源棄電作為懲罰因子，即可求得使自身處于最優運行狀態的聯絡線計劃。

模型優化目標為計劃周期內全部機組的運行成本最小、新能源棄電成本最小。設置懲罰因子后相加，進行聯合優化。

(1)

式中：T為總時段數；N為機組總數；C(pi,t)為機組i在時段t的發電成本；pi,t為機組i在時刻t的出力；Nl為聯絡線總數；C(pl,t)為聯絡線l在時段t的等值發電成本；pl,t為聯絡線l在時刻t的出力；C(pw,t)為新能源棄電成本；λ為新能源棄電情況下的懲罰系數。

聯絡線等值機的成本曲線C(pl,t)用極大、極小成本。極大、極小成本雖不存在，但代表了省內外送和受入的極限能力。

3.2 約束構建

1)聯絡線功率約束

聯絡線等值機單個機組的上下限來源于線路的熱穩定限額；對于等值機組合而成的聯絡線斷面，需要滿足斷面限額約束。

(2)

式中，pc,t,u、pc,t,d分別為在電網運行方式中，聯絡線斷面在時刻t的上、下限額。

在實際調度運行中，跨區、跨省大范圍的聯絡線計劃無需過多考慮兩側電網調頻需求和功率波動，尤其是直流聯絡線需要考慮控制運行的可靠性和設備壽命，因此部分聯絡線計劃可能需要考慮出力保持約束。

(3)

式中，tn為出力保持的持續時段數，可根據需求設定。

2)系統平衡約束

液體飼料配方設計中，受副產品中的水分和鹽含量影響，干物質采食量成為液體飼喂模式的第一限制因子，合適的水料比、多餐飼喂和飲水設計顯得非常重要[2]（見表1）。由于物料形態不同，在水的介導下，一些物料的營養價值發生改變。Perez等[6]研究表明，玉米胚芽粕和玉米麩在添加玉米漿后，代謝能分別提高17%和12%，且總能、干物質、N、鈣、磷的消化率提高。在生長育肥階段，賴氨酸能量比每天略為降低，成本利益將增加。高權新[7]研究結果顯示，隨著浸泡時間的增加，發酵液體飼料中的植酸降解率大幅度提高。仔豬、生長豬和育肥豬液體飼料總磷為0.6%、0.47%、0.39%時生產性能不受影響。

(4)

式中，Pload,t為時刻t的系統負荷預測值。

3)機組出力約束

機組出力約束包括機組出力約束、限值約束、爬坡約束。

(5)

4)機組電量和出力約束

(6)

式中：Pi,t,down、Pi,t,up分別為機組i建議電力下限和上限；Qi,down、Qi,up分別為機組i全天建議電量下限和上限。

5)網絡潮流約束

(7)

式中：Gl,i為機組i對支路l的分布因子；Gl,j為負荷j對支路l的分布因子；Fl,max、Fl,min分別為支路l潮流上、下限。

4 各級調度計劃優化模型

4.1 國(分)調度計劃優化模型

在以上流程的步驟2中，國(分)調編制的跨區跨省聯絡線計劃由多項交易成分組成，根據交易申請得知該時刻的交易電力，為避免不必要的交易調整，設置優化目標函數為交易調整量最小。

(8)

式中：pm,t,2為聯絡線斷面m在時刻t的優化值；pm,t,1為聯絡線斷面m在時刻t的建議電力值；pe,t,2為交易成分e在時刻t的優化值；pe,t,1為交易成分e在時刻t的建議電力值；M為聯絡線數量；E為交易成分數量；σe為交易成分e的調整代價系數，用于控制不同交易調整順序。

在聯絡線功率約束方面，除式(2)以外，增加考慮各省上報的外送/受入極限能力約束。

pm,t,d≤pm,t,2≤pm,t,u

(9)

式中，pm,t,u、pm,t,d分別為省級聯絡線斷面m在時刻t的功率上、下限，由省調上傳獲得。

在電力交易中，通常各類交易都有明確的交易電力和電量要求，因此必須考慮交易成分的電力和電量約束。

pe,t,d≤pe,t,2≤pe,t,u

(10)

(11)

式中：pe,t,u、pe,t,d分別為交易成分e的電力可調節上、下限；βe,u、βe,d分別為交易成分e的電量約束上、下限。

4.2 省級調度計劃優化模型

在以上流程的步驟3中，聯絡線計劃確定以后，省級進行調度計劃編制，同樣加入新能源棄電懲罰，優化目標為

(12)

約束條件不需要考慮聯絡線功率約束，直接使用國(分)調下發值，其他約束與第3.2節的式(4)—式(7)相同。

5 算例分析

采用處于同一分調的兩相鄰省級電網典型日數據為實際算例進行計算，驗證所提出的有新能源接入的多級調度計劃優化模型。送端省份新能源發電比例大，風電大發時需要外送；受端省份工業負荷比例較小而負荷受氣候影響較大。這里只考慮兩省間的聯絡線斷面，聯絡線斷面由4條交流聯絡線組成，限額為4000 MW。

5.1 受端省網聯絡線邊界分析

以聯絡線為決策變量，圖2給出了基于實際運行數據，在不同聯絡線成本下計算得到的購電省份4條最優聯絡線計劃曲線。

從圖2可知，在不考慮新開機和新停機的情況下，即便以50元/MW價格度量聯絡線購電成本，由于低谷調峰需求，仍無法按照聯絡線限額進行購電，換而言之，聯絡線計劃在低谷時段最多只能購入近2200 MW功率；而高峰時期，即使較大代價也需要從外購電，換而言之，聯絡線計劃在高峰時段，至少需要購入近1000 MW功率。這些最優聯絡線計劃真實地體現了該省在不考慮機組組合情況下的調峰需求。

圖2 不同購電成本下的最優聯絡線計劃曲線

5.2 送端省網聯絡線邊界分析

圖3給出了基于實際運行數據，在不同聯絡線成本下測算得到的售電省份4條最優聯絡線需求。

從圖3可知，該省為提高風電消納能力，在負荷低谷時段需加大省間外送量，凌晨3:00達到外送峰值1250 MW，夜間自19:45起同樣有外送需求。日間峰段、平段由于本省負荷增長，省間消納需求降低，嚴重時更有可能限電。這也符合實際調度情況。

圖3 售電省份最優聯絡線計劃曲線

5.3 國(分)調聯絡線計劃編制

為了研究省網約束對國(分)調聯絡線計劃編制的影響，進行了2個模式對比。

模式1：采用“自上而下”的聯絡線計劃編制方法，不考慮下級省網約束，國調按照省間交易信息拆分聯絡線成分，并且重新匯總形成聯絡線總計劃。

模式2：采用“自下而上”的聯絡線計劃編制方法，在模式1的初始交易計劃的基礎上，增加下級省網安全運行約束，以50元/MW和500元/MW作為成本極大、極小時的聯絡線計劃邊界。通過第4.1節所述方法優化聯絡線計劃。

模式1和模式2的聯絡線功率結果如圖4所示。

圖4 不同計劃編制模式下的聯絡線功率曲線

5.4 模式對比

從圖4可以看出：模式1不考慮省網約束，在時段18～23的聯絡線計劃，超出了購電省份在低谷時段的受入能力，勢必需要再來回調整計劃，這在新能源大發時經常發生；模式2考慮了購電和售電的省網約束，自動地對時段18～23的交易成分電量進行了調整，在時段23～45間增加新能源消納量369 MW/h，避免了流程上的反復流轉，同時保證了新能源消納水平。模式2相對于模式1，增加的計算量和數據共享量不大，不依賴于電網運行狀態，避免了反復迭代，在國(分)調雖然需要增加聯絡線邊界優化環節，但該環節能夠充分考慮各個省網約束，有效提高了計劃編制質量。

6 結 論

上面分析了中國互聯電網和新能源的快速發展對現有多級調度計劃編制模式的影響，提出了基于聯絡線邊界分析的“自下而上”多級調度計劃編制方法。一方面，省調將關鍵邊界信息上傳，國(分)調能夠在充分掌握全網可能會影響到聯絡線計劃結果信息的基礎上對聯絡線功率進行優化；另一方面，由于進行了省網大規模信息的化簡，省調僅將聯絡線關聯的邊界信息上傳，數據交換量極少，計算效率高，同時又保證了編制計劃的質量，避免了流程上的反復流轉。通過實際電網計劃編制算例的驗證，證明了其可行性和合理性，有利于多級調度計劃協調編制工作的有效開展，可以作為建設以新能源為主體的新型電力系統過程中跨省跨區計劃聯合編制實用化的一種實現方案。