基于大規模新能源接入的電網規劃風險預警系統研究

王 佐

(國網黑龍江省電力有限公司 大慶供電公司，黑龍江 大慶 163458)

隨著城市化進程的不斷推進，各個城市的電網建設也開始提速，電網規劃的適用性和合理性會對現代化進程的推進速度和城市的經濟發展速度造成直接影響，因此必須進行科學的電網規劃。而在電網規劃中，城市過快的發展步伐也會帶來社會、政策、經濟環境的不確定性，使規劃風險進一步擴大[1]。當一個城市在短期內發展過快，會帶來經濟環境的突變以及投融資政策和相關政策法規的不健全，此時規劃的用電企業可能發生停產問題，或由于投資的撤銷使區域用電負荷降低，增大規劃城市電網的風險。同時還有很多其他城市發展中的風險因素會帶來電網規劃風險，也就是說電網規劃風險是普遍存在的，基于該背景對電網規劃風險的預警問題進行研究。

對電網規劃風險預警系統進行研究有重大意義，有利于城市的綜合發展以及城市功能的完善，同時也是保障電網穩定運行的基礎[2]。通過電網規劃風險預警系統能夠獲取電網規劃環境的實際風險狀態，獲取市場與環境變化對電網規劃產生的影響，及時發現電網規劃中存在的危機與風險[3]。各國都很重視電網規劃風險預警系統的研究，并在研究中應用了多種方法和技術，包括數據挖掘技術、邊界值法、均勻設計法、模糊綜合評價法等。然而電網的發展是日新月異的，現有研究成果的應用往往有效性較低，因此從新的角度出發對電網規劃風險預警系統進行研究，設計一種考慮大規模新能源接入的電網規劃風險預警系統。當前電網在改革中不斷接入大量新能源，包括風電、光電等，未來還會接入更大規模的新能源，對電網的運行造成了很大沖擊，更帶來電網規劃的巨大變革。考慮大規模新能源接入對電網規劃風險預警系統進行研究與電網的發展趨勢相符合，該研究有重大的現實和理論意義。

1 電網規劃風險預警系統

1.1 硬件設計

1.1.1 通信模塊設計

通過網絡通信服務器與串口服務器的設計實現通信模塊的系統通信功能[4]。網絡通信服務器的通信芯片選擇IXP425，核心控制處理器選擇Intel Xscale Core，網絡處理引擎選擇NPEs，模塊的結構設計如圖1所示。

其中，通過擴展總線能夠實現通信芯片IXP425的多種地址映射，具體如下：①隊列管理器地址映射：起始地址6000_0000→終止地址63FF_FFFF，映射大小為64 MB。②2種擴展地址映射，分別為：起始地址0000_0000→終止地址0FFF_FFFF，映射大小為128 MB；起始地址5000_0000→終止地址5FFF_FFFF，映射大小為256 MB。③PCI地址映射：起始地址4800_0000→終止地址4FFF_FFFF，映射大小為128 MB。④保留地址映射：起始地址4000_0000→終止地址47FF_FFFF，映射大小為64 MB。⑤SDRAM地址映射：起始地址0000_0000→終止地址3FFF_FFFF，映射大小為2 MB。

圖1 通信模塊的結構設計Fig.1 Structure design of communication module

串口服務器主要由電源部分、串口電路、網絡電路、指示燈電路、外圍電路以及嵌入式微處理器構成[5]。其中微處理器選擇的型號是STM32F103RCT6芯片。

網絡電路的設計如圖2所示。

圖2 網絡電路的設計Fig.2 Design of network circuit

在指示燈電路中設置5種顏色的預警燈用于進行風險預警[6]。

1.1.2 處理器模塊設計

處理器模塊由電源電路、嵌入式處理器芯片、封裝電路構成。其中嵌入式處理器芯片選用的型號為XC7Z100-2FFG900I[7]。電源電路由穩壓電源電路、防浪涌電路與防反接電路構成。

1.2 軟件設計

1.2.1 風險識別模塊設計

在風險識別模塊中，通過分解分析法實現風險識別，具體識別流程如圖3所示[8]。風險識別模塊還可以引入核查表法或德爾菲法進行風險識別。

圖3 風險識別流程Fig.3 Risk identification process

1.2.2 風險評估模塊設計

在風險評估模塊中，構建電網規劃風險評估體系，對大規模新能源接入狀態下的電網規劃實施風險評估。在電網規劃風險評估體系的構建中，遵循全面性、獨立性、科學性、針對性、可操作性、靈活性原則對評估指標進行選取[9]。將一級指標定為電網規劃風險情況，根據風險識別結果制定二級指標，分別為政策風險指標、技術風險指標、經濟風險指標、管理風險指標等[10]。根據選取的二級指標對其對應的三級指標進行選取，構建電網規劃風險評估體系，具體見表1。

(1)層次結構構建。通過層次結構模型的構建對復雜問題進行分解，使其變為多個相互獨立的元素。

(2)判斷矩陣構造。整理分析的數據以及相關資料，比較各因素的重要程度，構建兩兩比較矩陣[11]。

(3)獲取相對于準則層的指標層權重，并進行一致性檢驗。

(4)通過指標權重的模糊綜合評價實現電網規劃風險評估。

利用層次分析法確定體系中各指標的權重。

1.2.3 數據庫模塊設計

在數據庫模塊中，設計優質的數據庫表以減少數據存儲的冗余性，降低存儲數據的占用空間。在數據庫表的設計中，需要對表結構進行優化設計，以

表1 構建的電網規劃風險評估體系Tab.1 Risk assessment system of power grid planning

實現數據存儲空間的壓縮，還需要注意字段命名規則的規范性與表格功能上的完整性。設計的數據庫表包括風險指標表、預警方案表、數據信息表、數據類型表、用戶信息表、角色信息表等[12]。其中風險指標表的設計見表2。

表2 風險指標表的設計Tab.2 Design of risk index table

預警方案表的設計見表3。在設計的數據庫表中，需要將導入或采集的各種類數據轉換成該類數據的統一單位，再將其存儲至數據庫中[13]。

1.2.4 預警警報模塊設計

在預警警報模塊中，通過風險預警模型的構建實現系統的電網規劃風險預警功能。構建的風險預警模型具體功能為以風險評估結果為依據給出綜合預警等級[14]。

在預警警報模塊中，還需要對各指標進行持續監測，當風險指標超出警戒范圍，需要發出對應的指標預警[15]。

表3 預警方案表的設計Tab.3 Design of early warning scheme

在綜合預警的過程中，需要對預警區間進行劃定。具體如下：將預警區間劃分為5個預警區，分別為高風險區、較高風險區、中等風險區、較低風險區以及低風險區[16]。預警的具體信息如下：①高風險區的警度為巨警，預警信號為紅燈；②較高風險區的警度為重警，預警信號為紫燈；③中等風險區的警度為中警，預警信號為黃燈；④較低風險區的警度為輕警，預警信號為綠燈；⑤低風險區的警度為無警，預警信號為藍燈。

1.2.5 風險規避模塊

在風險規避模塊中，通過風險控制策略的制定、貫徹以及實施來實現規避電網規劃風險的目的[17]。制定的風險控制策略中使用的衍生金融工具為實物期權、保險。其中實物期權通過離散型定價方法或Black-Scholes 定價模型進行定價；保險能夠實現分擔風險、分攤損失以及經濟補償職能，同時能夠實現防災防損以及投資這兩個派生職能。

制定的風險控制策略具體包括電網公司策略與政府部門策略。其中電網公司策略包括加強管理負荷預測風險、加強同政府部門的協調與溝通等；政府部門策略包括加強產業政策、財政政策、金融政策的協調性；加強監測民間借貸等。

2 系統性能的仿真測試

2.1 實驗地區

在某地開展設計的考慮大規模新能源接入的電網規劃風險預警系統的仿真測試。通過設計系統對該地區實施電網規劃風險預警，在預警過程中測試系統性能。實驗地區位于某省中西部，是該省的居住中心、現代商業中心、歷史文化中心、行政中心。該市在加速建設城市配套基礎設施的同時，也規劃了一批商業、醫療衛生、教育設施。并憑借環境、功能以及區位上的優勢吸引了一批社會資金與優勢企業的進駐，注冊的企業已經接近400家，注冊資本則超過百億元。實驗地區目前的配電網存在以下問題：負荷較為集中、供電范圍不明確、供電半徑大、供電可靠性差、電網結構混亂、主干線額定容量與線路配變裝接容量不匹配，且存在迂回供電、交叉供電的亂象。實驗地區目前的配電網情況如圖4所示。

圖4 實驗地區目前的配電網情況Fig.4 Current distribution network in experimental area

為滿足該市發展下的供電需求，對其實施電網建設規劃。在電網建設規劃中制定了10 kV 配電方案，具體如下：構建110/10 kV 變電站，其主變容量為85 MVA，全電纜進出線。該方案的投資估算以及電網建設規模具體見表4。

表4 該方案的投資估算以及電網建設規模Tab.4 Investment estimation and grid construction scale of the scheme

在對實驗地區進行電網規劃風險預警時測試系統的預警性能。

2.2 預警性能測試結果

對于實驗地區，設計系統的綜合預警結果為紅燈，系統輸出的實驗地區電網規劃凈現值實際頻數分布情況如圖5所示。

圖5 系統輸出的凈現值實際頻數分布情況Fig.5 Actual frequency distribution of net present value of system output

根據圖5的系統輸出凈現值實際頻數分布數據，110 kV方案的95%利潤置信區間在[-4.0×104，-5.0×104]；10kV方案的95%利潤置信區間在[-1.4×102，-2.8×102]。可見二者在財務上都是虧損的。因此，才會出現紅色警報。實驗結果說明，實驗地區電網規劃不夠合理，同時說明設計系統有良好的電網規劃風險預警能力。

3 結語

在電網改革和傳統能源枯竭的背景下，考慮大規模新能源接入對電網規劃風險預警系統進行設計。所設計的系統具有良好的電網規劃風險預警能力，取得了一定研究成果。日后將對該系統進行更加系統的測試與改良，以取得更完善的研究成果。