區域電網電力平衡度評價模型與方法

溫曉強

(秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000)

區域電網電力平衡度評價模型與方法

溫曉強

(秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000)

提出區域電網平衡度概念，建立基于灰色關聯分析方法的平衡度評價模型，并進行主客觀組合賦權，對某5省域電網的資源優化友好程度進行綜合評價，并提出省域電網資源優化友好度模型，驗證分析提出的平衡度模型的正確性。結果表明，該模型不但能夠反映區域電網不同運行狀態下的電力平衡水平，并且具有通用性、可操作性好等優點。

區域電網；平衡度；資源優化；組合賦權；灰色關聯分析

0 引言

區域電網電力平衡與否關乎電網能否正常、安全運行。隨著間歇式能源的參與，區域電網的電力平衡不再是簡單的傳統意義上的供需平衡問題。省域電網是電能生產、電能傳輸以及供電服務的運行主體，研究電力平衡問題應該從省域電網入手。發電環節存在著常規火電最優機組出力與最優備用問題，間歇式能源發電不穩定性、棄電現象嚴重；輸配電環節，網損仍占很大比例，分布式發電、跨區輸電加大了系統平衡的復雜性；用電環節負荷高峰時期頻現拉閘限電，儲能設備利用率較低。基于上述問題，省域電網的電力平衡問題是一個難題與熱點，若上述因素處理不好，無法實現資源的優化配置，能源結構的成功轉型更是紙上談兵。

國內外對電網電力供需平衡主要從以下2方面進行研究：一方面從整體上對電力平衡進行分析[1-3]，夏清分析了電力供需不平衡的原因以及相應的措施，黃強提出了通過加強電力供需資源的全過程協調管理，來滿足日益增長的社會用電需求，王芝茗提出了電力供需平衡指數，用來衡量電網的平衡情況；一方面是某一因素對電力平衡影響的分析[4-5]，傅旭和胡兆兆基于電力平衡分別對電網最大接納風電能力和核電能力進行了分析。然而，上述研究主要局限于對電力平衡進行定性分析，沒有綜合全面的考慮省域電網中各個指標對電力平衡的貢獻；沒有從發、輸配、用電環節入手選取相關平衡指標，分析其對省域電網整體運行情況的影響。本文根據區域電網的自身屬性、特點提出1種評價電網“平衡度”的數學模型，首次將區域電網的平衡度進行定義并給出平衡度量化指標。構建區域電網平衡度評價模型，旨在相關部門更科學地監管區域電網資源優化配置友好程度，激勵區域電網實現電網運行安全性與經濟性的整體最優。

1 區域電網電力平衡度綜合評價指標體系

本文首次為區域電網的平衡度進行了定義，選取、量化了平衡度評價指標。區域電網在保證區域電力系統正常運行、發電側與用電側功率供需平衡的情況下，發電、輸配電、用電環節的資源配置優化的綜合友好程度，稱為區域電網的平衡度。

以電能優化配置友好角度A1為出發點，從影響電能供需平衡層面分別在發、輸配以及用電環節選取平衡度相關指標：火電常規機組可增發功率與火電裝機總差比K11、清潔能源調度棄電與清潔能源機組裝機總差比K12、跨區輸電與跨區計劃功率總差比K13、分布式可增發電量與分布式總裝機比K14、網損與上網電量比K15、拉閘限電功率與總負荷比K16以及清潔電動汽車充電站可充電容量與最大容量總差比K17。區域電網平衡度評價體系框架如圖1所示。

基于此，本文建立了1套對區域電網的整體運行情況進行客觀評價的平衡度模型。本文所建立的區域電網平衡度評價模型為定量化模型，具有實際意義，旨在促進區域電網資源的優化配置，具有科學性、通用性、完整性與可操作性的優點。具體的區域電網平衡度指標闡述如下：由于火電裝機占總裝機的份額最大，發電量最多，火電機組壓負荷運行狀況體現區域電網經濟運行的好壞；新能源發電市場份額不斷提高，但面臨著種種問題，導致上網困難，棄電現象嚴重；大電網、跨區互聯迎合我國電網的發展方向，跨區輸電的效率、輸電通道的利用率是相關部門所關心的；拉閘限電多少是衡量區域電網建設安全穩定好壞的1個重要標志，是體現用戶用電滿意度、電網成熟度的1個風向標；分布式電源在電力市場的參與度在一定程度上體現了智能電網的發展水平；銷售電量與上網電量總差比這一指標是用來衡量輸配電網的電力不平衡度，包括網損、網絡節點潮流阻塞等；普及清潔電動汽車，以儲能方式提高區域電網平衡度，因此有必要選取充電站可充電容量與總容量為平衡度評價指標。

圖1 區域電網平衡度評價體系框架

(1)火電常規機組(火電、油電)可增發功率與火電裝機總差比

(1)

式中：n表示區域電網中火電廠的個數，m表示第i個火電廠中火電機組的個數；Pi,j-max表示第i個火電廠第j個機組的出力最大限值，Pi,j,t-火電表示t時段內第i個發電廠第j個機組的出力。

(2)清潔能源調度棄電與清潔能源發電裝機總差比

(2)

式中：n表示區域電網中棄電電源的類別，m表示區域電網中第i類電源的機組總數；Pi,j,t-max表示第i類電源第j臺機組t時段最大出力值，Pi,j,t-實際表示第i類電源第j臺機組t時段實際出力值。

(3)跨區輸電功率與跨區計劃功率總差比(跨區計劃與實際輸入總差功率等于跨區消納電能的最大值與實際電能輸入值之差)

(3)

式中：n表示聯絡點的個數，P最大值-i,t表示跨區傳輸電能合同最大值，P實際輸電-i,t表示t時段第i個聯絡點輸入電能實際值，以跨區輸入電能為正方向。

(4) 分布式電源可增發電量與分布式總裝機電量比

(4)

式中：i=1,2,…,n表示分布式上網節點。

(5)網損與上網電量比

(5)

式中：i=1,2,…,n表示區域電網上網電量節點，j=1,2,…,m表示區域電網銷售電量節點。

(6)拉閘限電功率與總負荷比

(6)

式中：i=1,2,…,n表示各負荷節點；Pi,t-限電表示t時段負荷節點i的拉閘限電功率。

(7)充電站可充電容量與最大容量比

(7)

式中：i=1,2,…,n表示區域電網第i個電動汽車充電站數。

2 區域電網電力平衡度評價方法

灰色關聯分析是挖掘數據內部規律的有效方法，通過對灰色系統中有限數據列的分析，尋求系統內部諸多因素之間的相互關系，找出影響目標值的主要因素，進而從總體上把握系統動態運動規律。

區域電網是個復雜大系統，電源結構、能源結構、電網建設情況、運行情況以及用電情況均不相同。以省域電網為研究對象，所選平衡度指標數據信息量大，數據類型較多，且含有部分難于量化或統計的指標，所得數據存在一定灰度。灰色關聯分析法[6]的1個最大優點就是能夠處理信息不完全明確的灰色系統，對于小樣本無規律指標的評價問題準確性較高，因此灰色關聯分析法適合于區域電網平衡度綜合評價。

本文利用灰色關聯度分析方法對區域電網平衡度模型進行綜合評價，并基于組合賦權法，使計算結果更加科學、準確，實用性強。區域電網平衡度灰色分析評價[7]的步驟如下。

(1)評價指標、參考數列確定。從各評價對象的同一指標中選出最優值，構成最優指標集，將其作為各評價對象比較的基準，記為X0=(x01,x02,…,x0n)。

(2)數據的無量綱化處理。由于參評指標通常具有不同的量綱，需對其進行無量綱化處理，常用式(8)進行無量綱化處理。

表1 區域電網平衡度評價指標 %

(8)

(3)評價矩陣的確定。將無量綱化處理后的數據代入式(9)可以得到第i個評價單位第k個指標的灰色關聯系數為

(9)

式中：ρ為分辨系數，是介于0與1之間的數，一般取ρ=0.5；i=0,1,2…,m；k=1,2,…,n；各關聯系數組成評價矩陣E=(εij)m×n。

(4)評價指標權重的確定。本文利用主客觀賦權法對區域電網平衡度模型進行賦權，避免了主、客觀單獨賦權值時的缺點，利用熵值法[8-9]和層次分析法[6,10]相結合，對綠色度評價模型進行組合賦權[11-12]，組合權重計算公式為

(10)

式中：ωj1為熵值法求得的平衡度評價模型的權重，ωj2為層次分析法求得的權重，α和β根據決策者對ωj1，ωj2的偏好程度進行調整。

(5)灰色綜合評價。由評價矩陣E和權重系數向量R，得到灰色綜合評價結果為

(11)

最后，根據最大關聯度原則進行評價，即與di中最大者相對應的平衡度最佳的選擇。

3 基于灰色關聯分析法的區域電網電力平衡度綜合評價模型

本文提供了1種基于灰色關聯分析方法的區域電網平衡度綜合評價模型。以某5省域電網(G1，G2，G3，G4，G5)2013年7月的實際運行數據進行評價，具體的平衡度指標及其數據見表1。其中負號表示跨區輸出電能。

從表1中可以得出，G1的火電機組備用率最高，調度棄電也最多，仍然存在拉閘限電現象，說明G1的電網建設有待完善；發、輸配環節調度空間剩余較大，電網穩定性良好，但資源過于浪費；因為處于暑期高峰時期，跨區輸電的利用率較大，但仍有改善空間；網損率較大，充電站利用率有待提高，經濟性需要進一步提高。

首先，利用熵值法和層次分析法確定區域電網平衡度評價指標的權重，α=0.4，β=0.6。平衡度指標權值見表2。

表2 平衡度指標權值

基于灰色關聯分析方法的區域電網平衡度評價結果見表3。

表3 平衡度評價結果

根據基于灰色關聯的平衡度模型最終的評價可知，G4的平衡度好于其他電網。其原因是該電網的常規火電可增發總功率指標最好，跨區輸電通道、充電站利用率較高，平衡度最好；G2的清潔能源機組棄電率最低，并且分布式發電、充電站利用率最好，網損最低，在組合權重下排在第二位；G3的拉閘限電率最低，并且網損率也較低，平衡度較G2差；G1的網損較小，但其他指標均較差，排在最后一位，G5次之。

以上結果表明，區域電網平衡度的好壞取決于資源的優化配置好壞，所建立的平衡度評價模型為區域電網進行資源的優化管理提供依據和方向。依據電網企業通過進行電力平衡度模型，可以全面、客觀地了解區域電網整體運行情況，包括各類電源的出力情況(常規火電可增發功率、新能源棄電功率)，跨區輸電情況、網損情況以及分布式發電、拉閘限電、儲能情況，有助于電力企業建立科學有效地電力平衡管理體系。4種評價方法的對比結果見表4。

表4 評價排序

從表3和表4結果可知，基于組合賦權的灰色關聯分析評價方法能夠正確地評價區域電網平衡度好壞情況，基于灰色關聯分析的平衡度評價模型得到的綜合指數體現區域電網整體資源優化情況的好壞，并且模型能夠突顯各指標對最終結果的貢獻情況。從結果可以看出，5省區域電網資源優化友好度排序為：G4>G2>G3>G5>G1，與基于灰色關聯的平衡度模型評價結果一致。盡管電網4的資源優化度最好，但存在清潔能源調度棄電嚴重，網損率較大等不足。不論是量化的資源優化友好度模型，還是未量化的區域電網平衡度評價模型，都反映出各省域電網資源配置的優劣情況。將該方法與綜合指數法、理想點法以及包絡分析法等方法進行比較，除綜合指數法的評價結果出現了差異，其他3種評價方法的評價結果一致。說明評價的結果能夠為區域電網進行平衡度管理提供導向，為衡量區域電網整體資源優化情況提供科學依據。

4 結束語

本文首次將區域電網的平衡度進行定義并給出平衡度量化指標，構建了省域電網的平衡度數學模型，并利用某5省域電網實際數據進行驗證分析；量化了區域電網資源優化友好度這一指標，驗證了本文所提平衡度模型的正確性及可行性。構建區域電網平衡度評價模型，可使相關部門更科學地監管區域電網資源優化配置友好程度，激勵省域電網實現電網運行的安全性與經濟性的達到整體最優。

[1]夏清，彭濤，周安石，等.保證電力供需長期均衡的措施研究[J].電力系統自動化，2004，28(6)：1-5.

[2]黃強.電力供需綜合資源的全過程協調管理[J].華東電力，2004，32(5)：42-44.

[3]王芝茗，蘇安龍，魯順.基于電力平衡的遼寧電網接納風電能力分析[J].電力系統自動化，2010，34(3)：86-90.

[4]傅旭，黃明良.基于電力平衡的西北電網核電接納能力分析[J].電網與清潔能源，2011，27(10)：60-65.

[5]胡兆兆.電力供需指數研究[J].中國電力，2007，40(7)：5-7.

[6]翁嘉明，劉東，何維國，等.基于層次分析法的配電網運行方式多目標優化[J].電力系統自動化，2012，36(4)：56-61.

[7]羅毅，周創立，劉向杰.多層次灰色關聯分析法在火電機組運行評價中的應用[J].中國電機工程學報，2012，32(17)：97-103.

[8]崔和瑞，葛靜.基于熵權的河北省節能減排效果模糊綜合評價[J].電力學報，2012，27(5)：484-489.

[9]齊敏芳，付忠廣，景源，等.基于信息熵與主成分分析的火電機組綜合評價方法[J].中國電機工程學報，2013，33(2)：58-64.

[10]董富貴，劉慧美，賈朝輝.火力發電廠燃煤供應商評價及選擇模型[J].中國電機工程學報，2013，33(2)：65-71.

[11]張翼舟，白泉涌.基于組合權重的火電項目環境影響后評價研究[J].華東電力，2010，38(5)：668-670.

[12]艾勝芳，林湘寧，萬云飛，等.考慮V2G模式的含多個電動汽車充電站有源配電網規劃研究[J].中國電機工程學報，2013，33(34)：122-129.

(本文責編：劉炳鋒)

2017-02-13；

2017-06-02

TM 744

A

1674-1951(2017)07-0024-04

溫曉強(1987—)，男，河北秦皇島人，助理工程師，工學碩士，從事配電網標準化建設及配網運行狀態評價研究方面的工作(E-mail:wxq1017508061@163.com)。