計入風電消納的電網擴展規劃方法研究

鄧 玲，王海亮，田立勃，彭芝萍，王 春，姜鳴瞻，周曉霞，代 璐

（囯網宜昌供電公司經濟技術研究所，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

隨著自然能源的不斷發展，要使風電能源的發展規模與效能達到平衡，需要解決目前存在的風電消納問題，而最有效的途徑是合理規劃電網[1]。因為地理因素的制約，我國的風電開發集中于西北地區，但其電力系統規模較小，外網的電力傳輸系統不能滿足人們的需求，所以需合理解決風電消納問題。此外，擴展規劃具備變動性負荷的電網，需要通過大量計算獲取非線性結果，即使運用較優化的算法也無法降低求解難度。鄰域搜索算法是經優化后的啟發式算法，核心是確定鄰域結構，可以解決TSP問題。它在鄰域獲取結果的基礎上進行改進，且算法中每一步的迭代都是這樣形成的[2]。因此，本文將通過優化后的隨機鄰域搜索算法分析和研究具體的風電消納電網擴展規劃問題。

1 隨機機會約束規劃方法

要構建包含風電發電場單位的電網規劃模型，需要轉化電網規劃問題，即將數學問題轉換為約束條件中含隨機變量的問題。較為常見的形式主要變形為[3]：

式（1）中，x是一個維度為n的向量；ξ是概率密度函數的隨機向量；f(x)是目標函數值；g(x,ξ)是隨機約束函數，具體通過式（2）和式（3）表示：

式（2）和式（3）中，Pij表示通常狀態下，線路i到線路j的有功潮流；Pij,max表示滿載狀態下，線路i到線路j有功潮流的最大上限；?(i, j)表示電網中所有節點的集合；PiNj-1表示電網中出現N-1類型故障時，線路i到線路j的有功潮流；xij表示線路i到線路j對應通道上的線路回數。采用隨機機會約束規劃方法后，原來的算式將會變形為：

式（4）和式（5）中，η1表示通常狀態下，線路i到線路j潮流越限情況發生的概率約束值；η2表示電網發生N-1故障時，線路j到線路j潮流越限情況發生的概率約束值[4]。本文所采用蒙特卡羅模擬計算電網線路越限概率，需要經歷四個流程[5]。

（1）確定總抽樣數，即確定N的數值，設定m=1、n=0。

（2）根據電網中的風電輸出狀態，評估系統的多次抽樣狀態，其次數設定為m。m次抽樣獲得確定性系統狀態后，校驗線路潮流，如果不能夠滿足式（4）和式（5）的要求，執行n++。

（3）如果在m++狀態下，N值大于m，轉到步驟（2）；如果N值小于m，轉到步驟（4）。

（4）輸出系統過負荷概率值a=n/N，完成計算。

2 考慮風電消納能力的電網擴展規劃影響要素

2.1 考慮風電接納容量的最大化

風電的消納程度取決于電網的機組能力和電網的運行架構。電網系統的調峰能力直接影響風電輸出，區域電網的運行方式特性和運行方式靈活程度影響風電出力情況[6]。如果風電發電場所在區域電網較為薄弱，就會造成局部區域的功率與整體電網功率不平衡，從而影響風電出力[7]。

通過隨機潮流計算方法，計算風電入網后的系統潮流，其越限概率超標后，實施棄風和切斷負荷措施進行調整，從而使規劃方案達到系統標準。構建風電接納容量最大化的電網擴展規劃模型，具體如下：

式（6）中，F4表示棄風功率預期數值；Pabd,j表示節點j上的風電棄風功率。

2.2 考慮系統運行費用的最小化r

電網規劃中需要重點考慮的因素是電網的實際經濟性評價。優化電網投資成本的年運行費用后，才能有效解決電網擴展規劃問題，具體如下[8]：

式中，cij表示線路i到線路j的投資成本；xij表示線路i到線路j的證書決策變量；r表示電網系統貼現率；Year表示線路經濟使用年限；Rij表示支路i到支路j的單回線路電阻；E(Pij)2表示支路i到支路j的潮流平方項的預期。

通過計算可以獲取電網線路投資規劃費用，可用支路有功潮流平方項的線性函數表示網損，得出關鍵計算內容，進而計算支路潮流平方項的期望。

2.3 考慮系統潮流越限風險度的最小化

風電與常規電網連接具備的風險因素包括電壓與潮流越限和暫態穩定等。常規電網包含規模較大的風電規劃模型，風險因素主要為功率波動和其他不確定因素，影響線路的輸送容量約束。因此，需要通過風電預測誤差形成的潮流越限風險分析電網規劃。而以概率論為基礎，歸納不確定信息的過程中，電網風險能夠通過隨機變量的數字特征表現[9]。

目前，我國電力行業在風電預測方面存在較大誤差，使電網潮流方差增大。機會約束能夠綜合考量風電接入后潮流的波動，但無法處理越限風險。因此，需要采用網架優化降低越限風險，通過系統潮流越限風險最小化的函數計算：

式中，Pij表示電網系統中線路i到線路j的有功潮流；E(Pij)表示線路i到線路j的潮流期望值；δ(Pij)表示線路i到線路j的潮流標準差；Pij,max表示線路i到線路j的有功容量。

3 隨機鄰域搜索的實施步驟

鄰域搜索算法是經過優化的啟發式算法，可較好地解決TSP問題。因為電網結構與TSP問題較為相似，所以可通過鄰域搜索算法計算電網架構優化，主要包括兩個步驟。

（1）先減后加，即獲取局部最優解x的情況下，斷開隨機支路，使連通域轉變為兩個獨立區域，選擇任意兩點連接成為新的可行解，而可行解被定義為x的鄰域。

（2）先加后減，即先增加任意支路形成回路，再斷開回路中的任意一條支路形成x的鄰域。