能源轉型中電力系統(tǒng)規(guī)劃關鍵技術分析

國網(wǎng)諸暨市供電公司 趙 力

1 引言

隨著全球氣候變化的加劇和環(huán)境保護意識的提高，低碳經(jīng)濟已成為世界范圍內的發(fā)展趨勢。而電力行業(yè)作為一個關鍵能源領域，進行能源轉型中電力系統(tǒng)規(guī)劃關鍵技術分析研究，已經(jīng)成為電力行業(yè)促進清潔低碳轉型的重要任務。負荷精細化預測通過利用大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術對未來電力負載進行精確預測，可以幫助電力企業(yè)科學規(guī)劃電力供給，提高系統(tǒng)運行效率，減少了碳排放的同時也降低了電力生產成本。低碳市場機制的建立是電力行業(yè)轉型過程中的必要手段，通過建立碳排放權交易市場、綠色證書市場等機制，可以引導電力企業(yè)向清潔能源轉型，同時還可以促進行業(yè)內的競爭和創(chuàng)新。此外碳水平評估技術和大數(shù)據(jù)運行與模擬技術在電力系統(tǒng)規(guī)劃中也扮演了重要角色，通過對電力企業(yè)進行碳排放量的測算和分析，可以幫助企業(yè)制定碳排放減排計劃和目標，實現(xiàn)清潔低碳轉型。多主體協(xié)同規(guī)劃則是電力系統(tǒng)規(guī)劃實施的重要保障，通過政府、企業(yè)、社會等主體之間的協(xié)調合作，可以促進電力行業(yè)的整體升級，推動清潔低碳能源的大規(guī)模使用和推廣[1]。

2 能源轉型與電力系統(tǒng)規(guī)劃

2.1 能源轉型的概念及影響

近年來，全球范圍內愈來愈多的國家開始逐步實現(xiàn)向可再生能源的能源轉型。能源轉型是指從傳統(tǒng)的化石能源向新型可再生能源轉變的過程。背景是全球氣候變化、能源安全和資源枯竭等問題，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提出了迫切要求。能源轉型的主要形式包括能源結構的轉型、能源消費方式的轉型和能源技術的轉型。能源轉型對于全球經(jīng)濟、社會和環(huán)境的發(fā)展都有重要的影響，可以促進經(jīng)濟增長、降低碳排放、保障能源安全和改善環(huán)境質量。能源轉型需要從政策、市場和技術等多個方面協(xié)同作用，將成為全球發(fā)展的大趨勢之一[2]。

2.2 電力系統(tǒng)規(guī)劃的概念及作用

電力系統(tǒng)規(guī)劃是指對電力系統(tǒng)進行設計、建設、運營和管理的過程，是為了在復雜多變的條件下，保證電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟和環(huán)境友好的目標而創(chuàng)立的。電力系統(tǒng)規(guī)劃涉及各個領域，包括發(fā)電、輸電、配電、儲能、調度等，需要充分考慮電力系統(tǒng)中的諸多因素，如負荷變化、發(fā)電資源、電網(wǎng)的規(guī)模和形態(tài)等[3-4]。在能源轉型的背景下，電力系統(tǒng)規(guī)劃的作用變得尤為重要。隨著可再生能源的逐漸應用，電力系統(tǒng)規(guī)劃也將面臨新的挑戰(zhàn)和機遇。新能源的接入對電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、建設、運營等各階段都帶來了新的要求。能源轉型中電力系統(tǒng)規(guī)劃關鍵技術的創(chuàng)新和應用，將有助于優(yōu)化電力系統(tǒng)結構，提高系統(tǒng)安全性、可靠性和穩(wěn)定性，同時也加速電力系統(tǒng)轉型為可持續(xù)發(fā)展的體系。

3 新型電力系統(tǒng)規(guī)劃模型構成

3.1 能源規(guī)劃模型

能源規(guī)劃模型的目標是確定最佳電源組合，滿足電力需求的同時盡可能減少成本和CO2排放。該模型考慮到多種能源的特點，如風電和太陽能等不穩(wěn)定性高、核電需要長時間建設等，并根據(jù)電力系統(tǒng)的需求進行分析和綜合優(yōu)化。為了實現(xiàn)這一目標，該模型主要采用線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃和混合整數(shù)規(guī)劃等方法，并建立數(shù)學模型。通過調整方案，能夠使得運行效率最大化，同時減少發(fā)電成本和污染排放[5]。

3.2 電網(wǎng)規(guī)劃模型

電網(wǎng)規(guī)劃模型的目標是優(yōu)化電網(wǎng)結構，提高可靠性和安全性。該模型主要分為三個層次：輸電網(wǎng)規(guī)劃、配電網(wǎng)規(guī)劃和終端用電規(guī)劃。針對不同層次，電網(wǎng)規(guī)劃模型主要采用整數(shù)規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃等方法，并通過建立不同層次的規(guī)劃模型，實現(xiàn)電網(wǎng)結構的優(yōu)化和再造。模型從輸變電站規(guī)模、電纜容量、設備位置等方面進行優(yōu)化，從而提高電力系統(tǒng)的可靠性、靈活性和適應性。

3.3 可靠性分析模型

可靠性分析模型的目標是保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。該模型考慮到多種因素對電力系統(tǒng)可靠性的影響，如設備老化、惡劣天氣、人為操作失誤等，并采用蒙特卡羅法、故障樹分析等方法，建立數(shù)學模型進行分析。該分析能夠發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化潛在風險，提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。通過對電力系統(tǒng)的可靠性分析，能夠為電力系統(tǒng)的優(yōu)化和再造提供科學依據(jù)，進一步提高電力系統(tǒng)的可靠性和應對意外狀況的能力。

4 能源轉型過程中新型電力系統(tǒng)規(guī)劃模型

新型電力系統(tǒng)規(guī)劃模型需要收集和處理各類數(shù)據(jù)，如氣象數(shù)據(jù)、負荷數(shù)據(jù)、設備運行數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)是模型建立和模擬分析的基礎，需要建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)預處理流程，保證數(shù)據(jù)的準確性和完整性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要包括傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)管理平臺。傳感器節(jié)點可以部署在電網(wǎng)各個關鍵節(jié)點上，實時采集相關數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理平臺。數(shù)據(jù)管理平臺可以對采集到的數(shù)據(jù)進行整合、清洗和預處理，為后續(xù)模型建立提供可靠的數(shù)據(jù)支持[6]。

4.1 數(shù)據(jù)采集與處理部分

4.1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是新型電力系統(tǒng)規(guī)劃模型建立的第一步，是建立準確、完整的電力系統(tǒng)規(guī)劃模型的基礎。數(shù)據(jù)采集的主要內容包括電力負荷數(shù)據(jù)、電力設備數(shù)據(jù)、新能源數(shù)據(jù)、市場數(shù)據(jù)等。

電力負荷數(shù)據(jù)是指各個地區(qū)的用電負荷數(shù)據(jù)，采集可以從電力公司、政府統(tǒng)計局等機構獲取，也可以通過對歷史用電數(shù)據(jù)的分析和預測來獲取。采集到的電力負荷數(shù)據(jù)包括各個地區(qū)的用電量、用電負荷曲線以及負荷峰值等。電力設備數(shù)據(jù)是指電力設備的數(shù)量、類型以及規(guī)模等信息，是電力系統(tǒng)規(guī)劃模型中另一個重要的數(shù)據(jù)，包括發(fā)電機組數(shù)量、變電站數(shù)量、輸電線路長度以及配電線路長度等。新能源數(shù)據(jù)是指太陽能、風能等新能源的發(fā)電量以及裝機容量等信息，可以從能源部門、新能源公司等機構獲取。新能源數(shù)據(jù)包括各個地區(qū)的新能源發(fā)電量、新能源的裝機容量、新能源的分布情況等。市場數(shù)據(jù)是指電力市場的供求情況、價格變化等信息。

4.1.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是將采集到的原始數(shù)據(jù)進行清洗、整理、加工、分析等處理過程，以得到有用的信息和指標。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)分析等步驟。

一是數(shù)據(jù)清洗：使用數(shù)據(jù)挖掘工具、統(tǒng)計軟件等手段對采集到的原始數(shù)據(jù)進行過濾、去除異常值、缺失值的處理，以得到干凈規(guī)整的數(shù)據(jù)。二是數(shù)據(jù)整合：將不同來源、不同格式的數(shù)據(jù)整合到同一個數(shù)據(jù)集中，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。數(shù)據(jù)整合通常使用數(shù)據(jù)集成技術、數(shù)據(jù)轉換技術等進行處理。三是數(shù)據(jù)分析：對處理后的數(shù)據(jù)進行分析和建模，以得到有用的信息和指標。數(shù)據(jù)分析采用數(shù)據(jù)挖掘技術、統(tǒng)計分析等方法進行處理，主要包括聚類分析、回歸分析、優(yōu)化分析等。四是數(shù)據(jù)可視化：使用數(shù)據(jù)可視化工具、圖表工具等將處理后的數(shù)據(jù)以圖表、圖形等形式進行展示，以便于用戶的理解和分析。

4.2 規(guī)劃模型建立

新型電力系統(tǒng)規(guī)劃模型需要根據(jù)實際情況建立相應的模型，并結合不同的算法和技術實現(xiàn)分析和優(yōu)化。在模型建立之前，需要明確電力系統(tǒng)規(guī)劃目標、研究需求和數(shù)據(jù)來源等，以此為基礎確定建模方法和技術路線。新型電力系統(tǒng)規(guī)劃流程如圖1所示。

建立規(guī)劃模型需要涉及多個方面，如電力需求預測、電源配置以及電網(wǎng)結構設計等。需要采用多種算法和方法，如線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃以及神經(jīng)網(wǎng)絡等，建立相應的數(shù)學模型，并通過計算機程序進行求解和優(yōu)化。

4.3 模型模塊設計及算法選擇

建立新型電力系統(tǒng)規(guī)劃模型需要考慮多種因素，包括模型的性質、模型復雜度、數(shù)據(jù)量以及計算效率等，針對模型的不同模塊選擇合適的算法。

4.3.1 線性規(guī)劃（Linear Programming，LP）

在新型電力系統(tǒng)規(guī)劃中，例如進行電力資源配置、電網(wǎng)規(guī)劃等問題時，線性規(guī)劃是一個比較適用的算法，計算速度快，求解效率高。該算法主要用于解決目標函數(shù)為線性函數(shù)、約束條件為線性不等式或等式的優(yōu)化問題。

4.3.2 非線性規(guī)劃（Nonlinear Programming，NLP）

進行電力市場競價、配電網(wǎng)設計等問題時，可以采用非線性規(guī)劃的算法，可以更準確地描述實際問題，但求解難度更大，計算成本更高。該算法主要用于解決目標函數(shù)為非線性函數(shù)、約束條件為非線性不等式或等式的優(yōu)化問題。

4.3.3 整數(shù)規(guī)劃（Integer Programming，IP）

進行能源投資決策、電力系統(tǒng)負荷平衡問題時選擇整數(shù)規(guī)劃算法，該算法主要用于解決約束條件中包含整數(shù)變量的優(yōu)化問題，對離散化的問題具有較好的處理能力，求解難度比較復雜。

4.3.4 動態(tài)規(guī)劃（Dynamic Programming，DP）

該算法主要用于解決具有多階段決策的優(yōu)化問題，其核心思想是將問題轉化為多個小問題的組合求解。在新型電力系統(tǒng)規(guī)劃中，例如進行電網(wǎng)運行調度、電力市場價格制定等多階段決策問題時選擇使用動態(tài)規(guī)劃算法。

除了此類常用的算法外，還有遺傳算法、蟻群算法、模擬退火算法等優(yōu)化算法可以用于建立新型電力系統(tǒng)規(guī)劃模型。選擇哪一種算法需要綜合考慮問題的特點、數(shù)據(jù)量和計算能力等因素。此外，也可以采用多種算法進行對比和驗證，從而得到更可靠的結果。

4.4 方案實施

在規(guī)劃結果分析并確定最優(yōu)方案后，準確實施方案。該步驟主要包括設備采購、建設和運維等方面。需要制定詳細的實施計劃和進度表，并根據(jù)實際情況進行調整和跟蹤。

4.5 監(jiān)測與維護

新型電力系統(tǒng)規(guī)劃的實施需要進行全過程監(jiān)測和維護。該步驟包括設備運行監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和分析、故障排除等方面。需要建立監(jiān)測預警系統(tǒng)，并根據(jù)實際情況及時進行故障排除和維護，保證電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。另外還需要定期對規(guī)劃方案進行評估和調整，以適應不同階段的需求和變化。

5 結語

目前國內外針對新一代電力系統(tǒng)低碳規(guī)劃問題的研究仍處于起步階段，需要進一步完善和發(fā)展。本文能源規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃、可靠性分析等方面對新型電力系統(tǒng)規(guī)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(tǒng)規(guī)劃的基礎模型與流程框架，以及支撐新型電力系統(tǒng)規(guī)劃的關鍵技術領域研究成果的研究，以期為低碳發(fā)展目標下的電網(wǎng)規(guī)劃決策研究提供參考。