基于多场景和运行模拟技术的电网规划及评估研究

廖菁，禹海峰，刘丽新

(1． 国网湖南省电力公司经济技术研究院，湖南 长沙410004;2． 北京清软创新科技有限公司，北京100085)

电网规划是电网发展的重要组成部分，其任务是根据规划期内电力需求的增长情况，在现有电网基础上，选择合理的电网建设项目，满足规划期内电力系统的安全稳定和经济运行〔1〕。在电力市场环境下，更多的不确定性因素将带来新的挑战，而与风电并网为电网规划带来更多的风险。如今亟需解决的问题包括怎样处理电力市场环境下的多种不确定因素，怎样对电网规划进行合理性、经济性和节能环保性的评估以及怎样评价电网规划的效果等。

不同的规划方案，是进一步进行调度模拟的先决条件，本项目以对未来电力系统的发输电调度方案进行长时间的时序模拟为目的，以期得到电力规划方案下未来电力系统运行的形态，实现从电力系统运行的角度对电力规划方案进行全方位的评价。这就需要全面地实现对电力系统运行的各个场景进行规划，在满足工作人员的研究需求的基础上，对电力系统运行的实况进行仿真。

本文以系统负荷、电网运行方式、机组检修计划、水电用水量安排以及间歇性能源模拟出力为数据基础，在考虑各类型电源的约束条件、分区备用、系统安全约束的基础上〔2〕，为了在电力系统运行模拟中，精确化考虑水库的运行过程与水电的发电量，提出了中长期水电群优化运行模拟模型。最终形成能够处理火电、核电、水电、燃机、热电、风电、太阳能光伏发电、抽水蓄能等多机组类型的机组组合模型，以满足合理性、节能环保性和经济性为评估目标对某电网进行实例测算分析。

1 中长期水电群优化运行模拟模型

在水电比例较大的电力系统中，水电群的优化调度能够带来巨大的经济效益。在中长期时间范围内，水电群的优化运行过程是指对具有调节能力的水库，在满足水库与水电机组的运行约束，保证正常航运、社会用水、防洪等条件下，对水库的来水和用水过程进行调节，实现尽量减小发电弃水、提高发电平均水头、充分发挥水电的调峰效益等目标，最终使得水电群的综合效益最大化。中长期水电群运行模拟的精度与水电系统的总发电量息息相关〔3－4〕。

水电运行优化模拟通过离散库容，引入整数变量，同时在某一离散库容下线性化水电机组出力与用水曲线的方法，将水电机组出力、水电机组用水、水库库容三者之间的复杂非线性关系线性化，原来的问题被转化为标准的大规模混合整数线性规划模型。

长期水电群的优化运行与中期水电群的优化运行这两者在模型上所有约束条件相同，不同之处在于长期水电群的优化运行模拟的目标是水电系统的总发电量最大，中期水电群的优化运行模拟的目标为综合考虑水电系统的发电量与调峰作用，使得水电效益最大化;2 个模型之间的协调关系如图1所示。

图1 长期模型与中期模型关系图

1.1 长期水电群优化运行模拟

水电群的长期优化运行模拟模型以月为计算时段，目标是给出具有月以上调节能力水库的优化运行过程，使得水电系统能尽量减小弃水，同时提高平均发电水头，以期使水电系统总发电量最大。模型的难点在于约束条件中水库库容、机组发电、机组用水三者之间复杂非线性的处理〔5－6〕。

目标函数为考虑水电系统在模拟优化运行期内所有水电机组发电量最大化:

式中 T 为目标优化时段数(模型以月为计算时段);N 为系统水电机组数;E 为水电机组发电量;为水电机组i 在t 时段的出力;Δt为系统每个计算时段的长度。

1.2 中期水电群优化运行模拟

中期水电调度的任务是在考虑水电发电量最大化的同时，考虑水电与火电的协调配合运行，为了使得每日火电机组承担的系统负荷尽量保持均匀，使得相邻日之间火电机组的启停方式不变或者变化最少，合理分配水电机组每日的发电量。

水电群的中期优化运行模拟模型以日为计算时段，以长期模型优化的结果作为边界条件，目标是给出具有日以上调节能力水库的优化运行过程，使得水电系统能综合考虑水电的调峰和发电效益，使水电效益最大化。中期水电优化运行模型与长期模型的约束条件基本相同，区别在于目标函数不一致。

为了考虑运行日总负荷与峰谷差的影响，模型中引入每日水电在负荷高峰出力变量，max 与低谷出力变量，min，假设水电每日按照日负荷标幺曲线出力，则:

式中 αt为系统每日除基荷外的负荷占总负荷的比例;

1.3 效益系数的选取

1)考虑运行日总负荷的影响

不同运行日之间负荷变化不同，运行日负荷越大，该日分配水电发电量就越多。效益系数为

式中 Dmax为模拟器内最大负荷日的负荷。

2)考虑运行日负荷峰谷差的影响

高峰时刻水电机组出力大，低谷时刻水电机组出力小，从而减轻系统负荷峰谷差，效益系数为

综合2 种因素取两者之积作为效益系数，即

目标函数为

2 主场景与衍生场景搭建

场景是对未来电网的模拟仿真和全方位评价的基础。所谓搭建场景是将电源规划、电网规划和负荷预测等方案捆绑为一个整体，并在此基础上加入风电和水电优化、检修的出力等约束条件〔7〕。

主场景详细信息包含场景电网结构和场景运行信息2 个部分。

场景电网结构包含水库、电厂、机组、变电站、线路、风电场、风机、风区信息。

场景运行信息包含系统负荷、负荷分布因子、节点负荷偏移系数、电网外送受电、省网间送受电设置、机组检修计划(人工设定)、机组检修计划(算法优化)、机组开机状态、机组指定出力、水库离散系数、水库来水量、水电机组离散系数、风区日平均风速、风区月平均风速、风区之间风速相关系数。

场景结构包含规划方案以及计算参数设定2 个层面。一个新场景包含多个基本要素，如评估时间、电源方案、电网方案、负荷方案等;场景设定结束要进行计算方案的设定，即通过参数的设定和优化目标的选取，实现对未来评估期系统运行方式以及优化目标的确定。

为避免各方案的不匹配性，将电源方案和电网方案以节点为标准进行匹配，将机组与节点挂钩，进行双向匹配。因此在选择电源方案时，电网方案通过条件筛选，得到匹配或不匹配相关信息。将个性化电网方案、电源方案、负荷方案和各种计算参数结合即可以生成主场景相关信息。

场景搭建如图2 所示。

图2 场景搭建

应用中，要保持衍生场景的评估时间与主场景的评估时间保持一致;设定衍生场景时，单次只能选择一个变动条件。

3 评估指标体系

对模拟结果进行统计分析评价，系统拟从时间、空间、指标3 个维度构建评价指标体系。

时间维度。由逐日运行模拟到年度规划分析，精细化到日层面24 点的时间颗粒完成对电网运行方式的横向评价。

空间维度。在不同区域纵向切割，完成对电网运行方式的空间对比。

指标维度。从评价体的自身特性出发，通过辐射在不同机组容量、不同机组煤耗率等条件下的评价筛选，完成对电网运行方式的综合评价〔8〕。

评估指标体系从合理规划、节能环保、经济运行3 个方面展开，经济性指标、合理性指标和节能环保性指标分别如图3—5 所示。

图3 经济性指标体系

图4 合理性指标体系

图5 节能环保性指标体系

4 实例分析测算

应用基于多场景和中长期水电群运行模拟技术研发的电网规划和评估软件，对某网某年电网规划方案进行实例评估。如图6—8 所示。

图6 购电成本分析

图7 机组平均负荷率分析情况

图8 地区煤耗量情况

5 结语

基于多场景和运行模拟的电网规划和评估系统，实现了新能源的出力模拟、电源检修安排、跨流域梯级水电调度以及逐日连续“全景”运行模拟，通过对计算系统运行成本、燃料消耗以及污染物排放的计算，达到了对未来运行节能与经济性评价的目的。

后续工程实用化的阶段中将对本系统进行改进与完善:

1)目前模型中采用离散库容、线性化水电出力曲线的方法处理水电转换函数，模型误差较大，在后期需要更精确地考虑水电转换函数。

2)目前国内电力系统分区分省运行，水电涉及到跨省传输，需要进一步考虑不同省网或区域之间的水电传输极限与水电消纳能力。

〔1〕唐杰斌． 考虑风能接入的多场景电网规划及其风险评估〔D〕．北京交通大学． 2011．

〔2〕张全明，兰泉妮，甘斌． 电网规划辅助管理系统的开发及应用〔J〕． 电力信息化． 2011，9(1):37-40．

〔3〕刘双全，张海龙． 水电优化调度算法研究综述〔J〕． 云南电力技术． 2011，39(4):5-9．

〔4〕李彩林． 水电站中长期优化调度与风险研究〔D〕． 华中科技大学． 2007．

〔5〕李彬艳． 水电站长期调峰初步研究〔D〕． 华中科技大学． 2007．

〔6〕廖胜利． 面向省级电网的跨流域水电群优化建模与应用研究〔D〕． 大连理工大学． 2009．

〔7〕杜柏均． 城市电网规划辅助决策系统负荷预测子系统的开发和改进〔D〕． 天津大学． 2010．

〔8〕周鲲鹏，方仍存，颜炯，康重庆，等． 电网规划智能辅助决策系统的设计与实现〔J〕． 电力系统自动化． 2013，37(3):77-82．