新能源消纳背景下电网互联通道规划研究

王忠飞，彭婧，刘星宏

（1.国网兰州供电公司，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省电力公司经济技术研究院，甘肃 兰州 730050）

新能源消纳背景下，由于新能源波动性和不确定性高的特点，导致弃风和弃光现象屡次发生，本地消纳能力不足的问题也已日渐显露出来。由此可见，基于新能源消纳背景下，必然会为电网互联通道规划带来全新的挑战，其中，抑制反调峰和大波动是电网互联通道规划重点需要解决的问题。电网互联通道规划指的就是在各地电网之间建立一个互联通道，通过协调发电、输电、用电，提高新能源的消纳能力。在我国，针对电网互联通道规划研究已经不是首次提出，早已有学者通过高载能负荷参与消纳新能源，提高电网的灵活性，实现电网互联通道规划。但传统规划得到的电网互联通道由于缺少对新能源消纳能力的定量预评估，导致其规划在经济调度以及风险决策方面尚有不足。因此，针对新能源消纳背景下电网互联通道规划研究是具有现实意义的，能够为提高电网新能源消纳能力提供理论支持。

1 新能源消纳背景

基于新能源消纳背景下，主要呈现出的特征为弃风弃光率较高，但造成此现象的原因不能简单总结为某个因素，可以概括为以下3点，分别为新能源装机与负荷呈逆向分布、灵活调节电源占比低以及电网跨区外送能力较差。针对上述新能源消纳背景特征因素的详细分析内容，详见下文。

（1）新能源装机与负荷呈逆向分布。在新能源消纳背景下，新能源装机覆盖率高，能够达到全国占比的70%以上，其中部分地区的新能源渗透率可达100%，包括新疆、甘肃以及宁夏等地区。但就负荷而言，上述地区的负荷在全国占比不到1/3。因此，可以看出新能源装机与负荷之间为负增长关系，呈逆向分布。

（2）灵活调节电源占比低。相比于新能源装机，灵活调节电源占比低，新疆、甘肃以及宁夏等地区灵活调节电源仅为新能源装机的1/7，且调峰能力差，经常出现反调峰和大波动的现象。

（3）电网跨区外送能力较差。除上述特点外，以新疆、甘肃以及宁夏地区为例，截至2020年年底，上述地区新能源装机可达90GW，但电网跨区外送能力仅能够达到18.5 GW，难以满足电网互联标准，致使我国新能源消纳问题日益严重。

2 新能源消纳背景下电网互联通道规划

在明确新能源消纳背景下的基本特征后，本文从三个方面入手展开电网互联通道规划，主要规划工作内容，如图1所示。

图1 电网互联通道规划工作内容

结合图1所示，针对上述3点规划工作内容，细分为4步规划流程，分别为：采用电网互联区域通道规划最优组合以及线路拓扑，实现新能源的外送通道容量规划；考虑新能源接入的电网互联通道优化规划，确定风电——负荷匹配度指标；面向新能源消纳的电网互联通道规划，实现电网互联通道规划。其具体内容，如下文所述。

（1）确定电网互联区域通道规划最优组合。在电网互联通道规划过程中，必须基于新能源消纳背景，确定电网互联区域通道规划最优组合。本文采用双层规划模型，在考虑灵活性、经济调度以及风险决策的情况下，参与电网互联区域通道规划决策。

式中，Δ指的是风电区域拓扑；δ指的是负荷区域拓扑；λ指的是并网比例矩阵。通过公式（1），得到上层模型的电网互联区域通道规划最优组合。

设下层模型的目标函数为maxΛ，如式（2）所示。

式中，P指的是节点i到节点j联络线规划的传输功率；U指的是电压等级；N指的是0-1决策变量；α指的是单回线路的条数；β指的是双回线路的条数。通过公式（2），得到下层模型的电网互联区域通道规划最优组合。

确定目标函数后，可以看出上下两级的决策变量之间存在一定的约束关系。本文以电网互联区域通道线路最大传输容量为双层规划模型的约束条件，设其计算表达式为ijP，则有公式（3）

结合公式（3）所示，下层模型需要基于上层模型确定连通区域的拓扑策略。上层模型的目标函数表体现了互联通道对互联区域新能源消费能力的最大提升功能，主要由不同区域的电源特性组合和操作同时确定规划运行模式下的下层最优技术经济指标应符合要求。下层模型的目标函数表示上层模型中互联通道的最大净收益由区域组决定根据组合模式和操作模式，进一步确定以下模式最佳线路拓扑和规划参数。

（2）电网互联通道规划线路拓扑。在确定电网互联区域通道规划最优组合的基础上，为了提升电网互联区域通道规划的灵活性，首先，将电网互联区域通道规划中的拓扑结构数据分成空间性数据集合和非空间性数据集合两种，同时，采用设置空间坐标轴的方式对规划中产生的大批量空间数据进行实时定位。其次，采用建立数据集映射关系的方式，将多种数据集合之间建立一定的关联性，确保输出数据的一致性。在此基础上，结合上述模型框架中提供的信息数据，可采用设置分点、分线的方式进行空间外的建模，并对其规划线路拓扑要素进行实时的动态化联系。除此之外，采用建立出线点的方式，对电网互联通道规划线路中内部开关方式进行逻辑关系的调整，依照空间中收集的多种地理属性数值，对参与实际的数值进行派生分类。最后，在模型线装母线上进行内部开关线、连接线等简单必要元素的划分，实现电网互联通道规划线路拓扑。

（3）风电——负荷匹配度指标。完成电网互联通道规划线路拓扑后，为解决新能源消纳背景下新能源装机与负荷呈逆向分布的问题，设定风电——负荷匹配度指标。本文通过定义互联区域总电力负荷时间序列的方式，确定风电——负荷匹配度指标，用于代表该互联区域的消纳水平。设其计算公式为TP，如下所示。

式中，T表示为时间断面；t表示为时间断面的电力负荷；N表示为时间断面的风电出力；n表示为广义电力负荷。通过公式（4），得出风电——负荷匹配度指标。

（4）实现电网互联通道规划。以上述计算得出的风电——负荷匹配度指标为依据，计算电网跨区外送能力。计算公式如下所示。

式中，H表示为联络线长度；h表示为各电压等级输电线路的单位电阻。通过公式（5），得出电网跨区外送能力，在保证Q＞80%时，实现电网互联通道规划。通过整个规划迭代过程中，上层模型迭代调整组网区域组合和运行方式，下层模型迭代计算最优解电路拓扑和参数，在有限的迭代次数内可以达到一定的精度，从而满足一定条件下新能源给定的互联通道规划方案的最大水平。

3 结语

通过上述研究，能够证明新能源消纳背景下电网互联通道规划研究的必要性。本文提出的规划研究中，主要侧重点在于确定电网互联区域通道规划最优组合，通过规划最优组合，实现风电——负荷匹配，进而提高电网新能源消纳能力，杜绝弃风和弃光现象。但本文研究仍存在不足之处，主要表现为未设计实例分析，将本文设计的规划方法应用在现实中，进一步证明研究的可行性，上述内容在未来电网互联通道规划研究中可以作为重点内容进行补充说明。