电网经济性与安全性的精益化协调方法

魏翔

摘要：随着人们生活质量在不断提高，对于电力的需求在不断提高，精益化的电网运行日益追求安全与经济并重，而安全与经济运行往往是一对矛盾。文章提出以电网运行均衡度的作为电网安全运行指标，通过求解系统经济、安全的双目标优化问题得到了电网安全–经济运行协调曲线。该曲线不仅能直观地量化描述电网各运行方式的经济指标和安全指标，而且能够量化电网运行的经济性和安全性之间的协调成本，这对推进电网调度精益化管理具有重要的理论与应用价值。电网安全–经济协调运行曲线能用于量化电网对市场交易的开放性、调度效率和调度裕度等方面的评估。对IEEE30节点系统的计算结果表明了所提思想和方法的有效性。

关键词：电网;经济安全运行;协调;精益化方法

引言

近年来，随着我国社会、政治、经济的快速发展，能源分布与经济发展不平衡的矛盾、经济增长压力与环境保护要求的矛盾等问题逐渐凸现。在能源分布与经济发展方面，当前我国的能源资源的供应与需求在区域上呈逆向分布，煤炭和水电等一次能源资源的80%左右分布在西部地区，风电则大都分布在华北北部和西北地区，新疆等西部地区太阳能资源丰富。但是，2/3以上的能源需求集中在东部沿海，这种分布格局要求在全国范围内进行大规模的能源运输和资源二次配置。在能源结构与环境保护方面，我国一次能源供给以煤炭为主，水电资源特别是西部水电资源开发不够，风能和太阳能大规模开发尚在起步阶段，核电发展缓慢，所以传统上形成了北方采煤、长距离运输到东部、南部地区发电的应用格局，给本来就很紧张的运输业增加了巨大压力，迫切需要实施除输煤以外的其它能源运输方式。与之相应的是，煤炭资源开发集约化程度不高。由于没有实施对煤炭资源的集约开发，煤炭行业发展粗放，煤矿“小、散、乱”，产业集中度低，清洁化利用差，导致能源生产、转换、输送和使用环节严重浪费资源、破坏生态、污染环境，经济性和安全性不高，迫切需要开展煤炭资源的集中开采和集约使用。

1电网经济性分析研究现状

在过去，中国电力市场由于处于严格的监管体制下，一直按照计划经济的模式运行和发展，忽视电网运行的经济效益。21世纪初，随着传统的计划经济体制向市场经济体制转型，人们越来越重视电网运行的经济效益。增加电网安全性的投资可以按照私有产品处理，在财务框架下进行评价。对电网项目投资面临的不确定性进行了研究，将实物期权的方法引入到电网项目投资的经济性评价中。另外，也有相关文章研究电网中某些技术应用的经济性。对于利用储能系统提高风电的调度入网规模的经济性做出评估。对于电厂中CO：的捕集技术运用经济学成本分析的方法做出经济性评价，为实际应用提供理论依据。估算未来输电线路的流量，分析该线路的经济效益，为电网规划人员评价方案的经济性提供决策依据。这些文章大多针对电网某一方面进行研究，对于电网运行经济性分析的文章目前还较少，仅有一些研究电网的经济调度，考虑发、输、配、用电各环节，针对电厂、电网、用户3个独立主体，分别建立经济运行的目标函数，然后简单累加构建大电网一体化经济运行的最优模型。而对于实际电网，在某一运行方式下，人们更关心的是它的运行效率，则需要对其运行的经济性做出合理的评价。分析电网设备的使用情况，如变压器的利用率，从资产的经济性方面出发提出经济性评价指标体系，为运行经济性评价作好充足准备。对于配电网的经济运行做了详细分析，建立了合理的配电网经济运行评价指标体系，采用模糊综合评价方法评价其运行的经济性。

2电网经济性与安全性的精益化协调方法

2.1电网对购电行为开放性的评估指标

由于机组电价的差异，电网的购电行为对于协调曲线的走势有较大影响。由上节中对协调成本的分析可知：当E值较为接近Emax时，电网的安全裕度较大，E值的减小对其购电成本影响很小甚至无影响，在协调曲线图中表现为曲线右端变化较为平缓。当E值继续减小，E值的改变将对购电成本形成紧约束，购电成本将随着E值的减小急剧增加。协调曲线的右端曲线为平缓区域。这段平缓区域即为协调成本变化较小的区域，表示可以用较小的经济代价换取较大的电网安全裕度。在这种情况下，电网调度运行应采用保守的安全策略。因此，对该平缓区域的量化至关重要。本文提出了计算协调曲线阈值点的近似算法：1）计算协调曲线的近似协调成本。假设协调曲线由E变量取一系列等步长为λ的数值点绘制而成。根据式可知，协调曲线上某点的协调成本为该点的切线值的负数，但由于各点的切线无法直接获得，在本文中用该点及与之左右相邻两点的最小二乘线性拟合直线的斜率代替（右端点拟合时选取一个相邻点）。从协调曲线右端点开始，从右向左计算。2）计算近似协调成本的变化率。同样，由于近似协调成本是一系列的数值点，无法解析计算。在本文中，某点近似协调成本的变化率为该点近似协调成本和其左侧相邻点近似协调成本组成直线的斜率。从右向左计算。近似协调成本变化率的计算方法为两相邻点的斜率差与步长的比值。3）当近似协调成本的变化率达到预设的阈值时，可认为该点为协调曲线的阈值点。

2.2考虑经济性的电网规划模型

传统电网规划是为了满足电力需求的发展，在确保安全可靠地将电力输送到用户的前提下，确定使电网的经济费用最小的电网接线方案。考虑经济性的电网规划模型又称为确定性模型，这种模型对安全、可靠性问题采用后续验证的方法，将“N”或“N-1"准则作为约束条件之一。根据对电网规划目标函数的描述不同，经济性模型可分为运输模型和最小费用模型。运输模型以线路到各负荷点的负荷矩总和为目标函数，以线路功率作為变量，认为负荷矩总和最小的接线方案是最优的。此外，以节点功率平衡、线路功率平衡及发电机有功无功出力为约束条件。由于线路功率是一连续变量，该模型下的电网规划可看作一个线性规划问题。对于小规模电网，由于避免了处理离散变量的困难，运输模型求解变得简单、快速。但随着电网规模的增大，运输模型的计算量也会成倍增长。因此，运输模型不适用于大规模电网规划的经济模型求解问题。

2.3调度效益的评估指标

电网的实际运行会因为诸如负荷预测偏差、潮流计算偏差、调度人员的人工决策偏差等因素与调度计划产生偏离。在协调曲线图中，表现为电网运行点位于协调曲线的右上侧。也就是说，电网并非运行在最佳运行点。当前运行点和最优运行点之间的偏差可以作为对调度工作效益的一个评判标准。美国PJM电力市场提出“理想调度”（perfectdispatch）的概念，追求电网实际运行点与调度计划的最优运行点尽量接近，并且分析实际运行点和计划最优运行点的偏差的成本，每半年形成一次汇总报告。

结语

电网互联的发展使电力系统逐渐发展成为超大规模的高维复杂的非线性系统，在新环境下电力系统将呈现“高电压、大机组、远距离输电”的发展趋势，电力系统的新特点使得电网调度运行中安全性和经济性问题的冲突日益凸显。为了保证互联电网的安全稳定与经济优质运行，有必要对互联电网在不同运行情况下的经济性和安全性做出合理评估，为运行人员采取合理的调度和控制措施提供合理的决策支持。

参考文献

[1]王克球，张保会，王立永，等.安全稳定控制系统的经济效益评价[J].电网技术，2007，31（6）：31-37.

[2]余贻鑫，赵义术，刘辉，等.基于实用动态安全域的电力系统安全成本优化[J].中国电机工程学报，2004，24（6）：13-18.