新型電力系統規劃新問題及解決思路

張斌，楊勝偉，杜源

（1.云南電網有限責任公司文山馬關供電局，云南 文山 663300； 2.云南電網有限責任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000； 3.云南電網有限責任公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000）

0 前言

博鰲論壇《可持續發展的亞洲與世界2022年度報告——綠色轉型亞洲在行動》提出，亞洲是全球重要的碳增長引擎，碳排放已超過世界總排放量的一半，控制碳排放量，對全球經濟綠色復蘇和公正轉型意義重大。亞洲多國做出碳中和承諾，政府、企業和民間社會都在積極采取行動。當下，作為碳排放大戶的電力企業，更應加強新能源的開發利用，合理規劃構建以新能為主體的新型電力系統，促進綠色投融資，減少全產業鏈“碳足跡”[1]。針對于此，本文從源-荷不確定性、低碳電力市場化發展、碳水平評估、新能源的運行模擬、多主體協同規劃等方面著手，分析新型電力系統規劃存在的問題；從負荷精細化預測、低碳市場機制、碳水平評估技術、大數據運行與模擬等關鍵技術分析，理清新型電力系統規劃思路及研究重點，旨在為電力行業清潔低碳轉型提供指導性建議。

1 新型電力系統規劃新問題

1.1 源-荷不確定性加劇

在電源側波動性和用戶側含源負荷隨機性的共同作用下，不確定性將廣泛存在新一代電力系統各個環節，如何對源-荷不確定性準確建模，并建立能夠體現多樣運行場景的電源出力預測和負荷預測方法是支撐新型電力系統規劃的前提。

1.2 低碳電力市場化發展

電力系統低碳要求為電力市場化改革賦予了新的內涵，碳交易市場將逐漸成為電力市場的重要組成部分。作為新型電力系統的基本應用場景，有必要對現有電力市場及碳市場交互方法開展分析研究，提出能夠適應低碳電力市場場景的規劃模式。

1.3 碳水平評估

傳統規劃方法中電源規劃是在滿足電力平衡的前提下以經濟性為目標；電網規劃則是在滿足一定的穩定性或可靠性要求下，提高方案經濟性。碳交易環境下的新型電力系統規劃除需考慮可靠性和經濟性外，還應將碳水平計入評估體系，其模型的評估決策實質是經濟指標、可靠指標和環境指標的三方博弈。如何將碳水平評估問題與電力系統規劃決策問題相結合，建立低碳評價體系是支撐新型電力系統規劃面臨的重要問題。

1.4 新能源的運行模擬

新型電力系統包含風光水火多種電源形式，其物理運行環境多樣、決策環境復雜等特點對系統靈活性提出了新的要求。為有效辨識規劃方案在運行層面的潛在問題，需要建立針對新型電力系統的運行模擬方法，評估規劃方案在海量運行場景下的運行指標，以適應新型電力系統的隨機性與波動性。

1.5 多主體協同規劃

傳統的電力系統規劃一般是電源規劃、輸電網規劃、配電網規劃分別進行。而新型電力系統在電源側、電網側和負荷側均具備靈活多變的運行策略，且參與電量平衡的利益主體更多。僅考慮某一環節的規劃思路已無法適應源網荷儲各環節的互動深度，需要考慮包括儲能在內的多主體協同規劃理論。

2 基礎規劃模型及技術框架

與傳統電力系統規劃類似，新型電力系統規劃是在已知規劃對象運行特性和邊界條件的基礎上，建立能夠描述對象運行特性的數學模型并求解，進而得出滿足各項指標的規劃方案。明確模型應用場景、約束條件和規劃目標是開展新型電力系統規劃研究的前提。結合新型電力系統相關要素及特點，從主要規劃對象層面將新型電力系統規劃劃分為發-輸協同規劃、源-網-荷-儲協同規劃、考慮多能流協同運行的配網規劃3個環節，其具體規劃流程如圖1所示。發-輸協同規劃以提高新能源消納能力和傳輸能力為目標；源-網-荷-儲協同規劃的目標是在配網層面加強網-荷間雙向支撐能力，滿足用戶差異化的負荷需求，考慮多能流協同運行的配網規劃以在保證供能可靠性的前提下提高清潔能源消納率和多能互補能力為目標；與綜合能源系統規劃模型和主動配電網規劃模型類似，新型電力系統基本規劃模型一般是一個以投資變量為主要決策變量的規劃問題，如式(1)所示。

圖1 新型電力系統規劃流程

式中：T為規劃時間尺度；M為設備類型；N為設備投建數量；αt為第t年的成本年折算系數；δIC為與網絡拓撲、系統容量等物理參數相關的投資邊界；δED為與運行參數相關的運行邊界；δEENS為系統穩定運行邊界；新型電力系統基本規劃模型的決策變量包括投建變量Ii,j,t、運行變量Oi,j,t和投建設備容量變量Pi,j,t；目標函數f（Ii,j,t，Oi,j,t，Pi,j,t）多考慮規劃方案的經濟性、可靠性和低碳水平；約束條件由投資約束g（Ii,j,t，Oi,j,t）、運行約束h（Ii,j,t，Oi,j,t，Pi,j,t）和可靠性約束k（Ii,j,t，Oi,j,t，Pi,j,t）構成。

基礎規劃模型明確了新型電力系統規劃問題的基本形式，但在解決具體問題時應結合應用場景對基礎模型的決策變量、目標函數和約束條件進行修改。

在已有規劃模型的基礎上，新型電力系統規劃還應融合大數據理論分析、多時間尺度運行模擬、低碳評估方法等關鍵技術，其技術框架分為數據驅動層、運行模擬層和輸出指標層。結合源-荷精細化預測和低碳電力市場機制，生成新型電力系統協同規劃方案；另一方面，為應對源-荷不確定性帶來的功率匹配問題，通過數據驅動層生成典型運行場景，利用多時間尺度運行模擬和低碳評價體系評估協同規劃方案可行性，提高規劃方案在高比例可再生能源接入場景的靈活性。

3 新型電力系統規劃關鍵技術分析

3.1 源-荷預測精細化預測

精細化預測技術主要應用于源-荷預測，新型電力系統的靈活性不斷增強，與此同時清潔能源的多樣化預測趨勢逐漸呈現。例如風能、太陽能等自然清潔能源，其不穩定性主要來自自然因素的影響如風速、光照等，因此其預測架構需要考慮多種自然因素來對電力系統規劃做出精準預測。氣象條件涉及多種專業設備和預測方法，相關研究離不開深入且廣泛的智能探索。從氣候條件、地理環境條件以及區域布局因素來看，國內外的相關探索已經有很多，而且摸索出一些成熟的規范技巧，能夠運用統計學方法和智能學習性方法對預測模型提出針對性策略。和傳統的配電網固定模式不同，新型電力系統的電網調度需要運用不同比例的容量配置協調異質化能源流比例，從而符合差異化的負荷需求。系統運行對大規模的能源應用場景來說，智能化技術與大數據支撐是深入發展配電網絡的重要推動力。

3.2 低碳市場機制

低碳電力市場是新型電力系統操作運轉的主要陣地和工作場景，《京都議定書》的簽署是業界研究的焦點，開啟了各國碳交易市場探索的開端，同意了國際范圍內碳交易市場原則，將交易方式分為免費分配和拍賣兩種途徑。市場機制的完善到達一定程度則可歸納相關運營技術，通過交易原則和定向技術約束碳市場交易活動。電力市場和碳市場的天然關聯性和對稱相關性可以對新型電力系統的規劃展開關聯性分析和深入的系統研究。傳統的規劃模型充分考慮了碳排放量的數額大小，而新型電力系統的規劃運行研究則更加傾向于碳排放的結構和電網配置結構優化。隨著能源互通互聯趨勢不斷增強，低碳市場普及程度也越來越高，相關文獻對碳交易機制專業技術展開了細致分析，考慮了光伏規模度量與碳排降級價值協調數據關聯。總體來看，規劃角度的宏觀技術分析不足，但是微觀的低碳電力市場要素分析較為充分。

3.3 碳水平評估技術分析

碳排量的測算和度量是新型電力系統的創新點和變革點。新型電力系統使用范圍已經逐步擴張，宏觀碳排方法和微觀碳排觀念都已經實現均衡性、有效性和實測性。具體的排放因子碳排測算公式是根據碳排量額，燃料消費量額、燃料低熱指數以及碳排放因子共同構成。不同的能源使用方式不同因此碳排測算因子也不同，要根據能源使用和能源品位的實際情況采用特定的碳排計算方式和數額選取。根據能源生產行為的投入產出比例和具體數據測算碳排數額符合理論上的碳排研究策略，但是學界還沒有形成一致的方法論。實地探測法已經較為成熟，主要是運用具體的數據檢測設備對碳排放源頭進行現場觀測，通過探測數據結果對碳排放量進行核算。這種方法較為精準，也比較有實操性。低碳電網研究成果為新型電力系統低碳評價體系的建設提供了思路。依據新型電力系統時空運行特征，可從時間尺度或空間尺度兩個角度設計低碳評價體系，具體方法如圖2所示。應從時間尺度分析新型電力系統碳排放影響因素，從發-輸-配-供等空間環節歸納已有低碳電網各項指標，結合新型電力系統特點建立低碳評價體系，從各方面評估電力系統的發展水平，實現不同維度的反饋控制，對制定新型電力系統規劃方案具有指導意義。

圖2 低碳評價體系設計方法

3.4 大數據運行與模擬

新型電力系統的另外一大核心支撐點就是大數據系統和數據處理分析系統，電力數據和環境檢測信息的處理與相關分析可以給低碳水平提供定量的技術支持。幾年來國家電網有限公司通過政策扶持和檢測技術的加持，實現了碳排檢測的技術創新。同時運用可再生能源的優勢與電子設備運行的深刻變革滿足了新型電力系統的經濟性能和安全性能等訴求。通過有效識別電力系統規劃過程中的環節問題并歸納對應解決途徑，對各項指標實現了邊界穩定效果。數據處理和分析、數據融合和學習技術已經成為新型電力系統區別與傳統電力系統的主要特征，充分運用大數據摘取和相關數據模擬技術滿足了數據運營的準確性和時效性要求。扁平化的電力系統結構新模型要求對應的數據存儲和挖掘場景分散性的排布布局，大數據技術的高效工作效率能夠充分識別可行性規劃的實施與框架搭建。數據驅動的精準化運行和精確化模擬技術滿足海量信息的分布現狀，可以有效解決低碳能源技術體系下的問題規制。

4 結束語

目前國內外針對新一代電力系統低碳規劃問題的研究仍處于起步階段，需要進一步的完善和發展。本文從源-荷不確定性加劇、低碳電力市場化發展、碳水平評估、新能源的運行模擬、多主體協同規劃五個方面對新型電力系統規劃新問題進行了分析，探索出合理有效的解決思路，通過對新型電力系統規劃的基礎模型與流程框架，以及支撐新型電力系統規劃的關鍵技術領域研究成果的研究，以期為低碳發展目標下的電網規劃決策研究提供參考。