電網經濟性與安全性的精益化協調方法

魏翔

摘要：隨著人們生活質量在不斷提高，對于電力的需求在不斷提高，精益化的電網運行日益追求安全與經濟并重，而安全與經濟運行往往是一對矛盾。文章提出以電網運行均衡度的作為電網安全運行指標，通過求解系統經濟、安全的雙目標優化問題得到了電網安全–經濟運行協調曲線。該曲線不僅能直觀地量化描述電網各運行方式的經濟指標和安全指標，而且能夠量化電網運行的經濟性和安全性之間的協調成本，這對推進電網調度精益化管理具有重要的理論與應用價值。電網安全–經濟協調運行曲線能用于量化電網對市場交易的開放性、調度效率和調度裕度等方面的評估。對IEEE30節點系統的計算結果表明了所提思想和方法的有效性。

關鍵詞：電網;經濟安全運行;協調;精益化方法

引言

近年來，隨著我國社會、政治、經濟的快速發展，能源分布與經濟發展不平衡的矛盾、經濟增長壓力與環境保護要求的矛盾等問題逐漸凸現。在能源分布與經濟發展方面，當前我國的能源資源的供應與需求在區域上呈逆向分布，煤炭和水電等一次能源資源的80%左右分布在西部地區，風電則大都分布在華北北部和西北地區，新疆等西部地區太陽能資源豐富。但是，2/3以上的能源需求集中在東部沿海，這種分布格局要求在全國范圍內進行大規模的能源運輸和資源二次配置。在能源結構與環境保護方面，我國一次能源供給以煤炭為主，水電資源特別是西部水電資源開發不夠，風能和太陽能大規模開發尚在起步階段，核電發展緩慢，所以傳統上形成了北方采煤、長距離運輸到東部、南部地區發電的應用格局，給本來就很緊張的運輸業增加了巨大壓力，迫切需要實施除輸煤以外的其它能源運輸方式。與之相應的是，煤炭資源開發集約化程度不高。由于沒有實施對煤炭資源的集約開發，煤炭行業發展粗放，煤礦“小、散、亂”，產業集中度低，清潔化利用差，導致能源生產、轉換、輸送和使用環節嚴重浪費資源、破壞生態、污染環境，經濟性和安全性不高，迫切需要開展煤炭資源的集中開采和集約使用。

1電網經濟性分析研究現狀

在過去，中國電力市場由于處于嚴格的監管體制下，一直按照計劃經濟的模式運行和發展，忽視電網運行的經濟效益。21世紀初，隨著傳統的計劃經濟體制向市場經濟體制轉型，人們越來越重視電網運行的經濟效益。增加電網安全性的投資可以按照私有產品處理，在財務框架下進行評價。對電網項目投資面臨的不確定性進行了研究，將實物期權的方法引入到電網項目投資的經濟性評價中。另外，也有相關文章研究電網中某些技術應用的經濟性。對于利用儲能系統提高風電的調度入網規模的經濟性做出評估。對于電廠中CO：的捕集技術運用經濟學成本分析的方法做出經濟性評價，為實際應用提供理論依據。估算未來輸電線路的流量，分析該線路的經濟效益，為電網規劃人員評價方案的經濟性提供決策依據。這些文章大多針對電網某一方面進行研究，對于電網運行經濟性分析的文章目前還較少，僅有一些研究電網的經濟調度，考慮發、輸、配、用電各環節，針對電廠、電網、用戶3個獨立主體，分別建立經濟運行的目標函數，然后簡單累加構建大電網一體化經濟運行的最優模型。而對于實際電網，在某一運行方式下，人們更關心的是它的運行效率，則需要對其運行的經濟性做出合理的評價。分析電網設備的使用情況，如變壓器的利用率，從資產的經濟性方面出發提出經濟性評價指標體系，為運行經濟性評價作好充足準備。對于配電網的經濟運行做了詳細分析，建立了合理的配電網經濟運行評價指標體系，采用模糊綜合評價方法評價其運行的經濟性。

2電網經濟性與安全性的精益化協調方法

2.1電網對購電行為開放性的評估指標

由于機組電價的差異，電網的購電行為對于協調曲線的走勢有較大影響。由上節中對協調成本的分析可知：當E值較為接近Emax時，電網的安全裕度較大，E值的減小對其購電成本影響很小甚至無影響，在協調曲線圖中表現為曲線右端變化較為平緩。當E值繼續減小，E值的改變將對購電成本形成緊約束，購電成本將隨著E值的減小急劇增加。協調曲線的右端曲線為平緩區域。這段平緩區域即為協調成本變化較小的區域，表示可以用較小的經濟代價換取較大的電網安全裕度。在這種情況下，電網調度運行應采用保守的安全策略。因此，對該平緩區域的量化至關重要。本文提出了計算協調曲線閾值點的近似算法：1）計算協調曲線的近似協調成本。假設協調曲線由E變量取一系列等步長為λ的數值點繪制而成。根據式可知，協調曲線上某點的協調成本為該點的切線值的負數，但由于各點的切線無法直接獲得，在本文中用該點及與之左右相鄰兩點的最小二乘線性擬合直線的斜率代替（右端點擬合時選取一個相鄰點）。從協調曲線右端點開始，從右向左計算。2）計算近似協調成本的變化率。同樣，由于近似協調成本是一系列的數值點，無法解析計算。在本文中，某點近似協調成本的變化率為該點近似協調成本和其左側相鄰點近似協調成本組成直線的斜率。從右向左計算。近似協調成本變化率的計算方法為兩相鄰點的斜率差與步長的比值。3）當近似協調成本的變化率達到預設的閾值時，可認為該點為協調曲線的閾值點。

2.2考慮經濟性的電網規劃模型

傳統電網規劃是為了滿足電力需求的發展，在確保安全可靠地將電力輸送到用戶的前提下，確定使電網的經濟費用最小的電網接線方案。考慮經濟性的電網規劃模型又稱為確定性模型，這種模型對安全、可靠性問題采用后續驗證的方法，將“N”或“N-1"準則作為約束條件之一。根據對電網規劃目標函數的描述不同，經濟性模型可分為運輸模型和最小費用模型。運輸模型以線路到各負荷點的負荷矩總和為目標函數，以線路功率作為變量，認為負荷矩總和最小的接線方案是最優的。此外，以節點功率平衡、線路功率平衡及發電機有功無功出力為約束條件。由于線路功率是一連續變量，該模型下的電網規劃可看作一個線性規劃問題。對于小規模電網，由于避免了處理離散變量的困難，運輸模型求解變得簡單、快速。但隨著電網規模的增大，運輸模型的計算量也會成倍增長。因此，運輸模型不適用于大規模電網規劃的經濟模型求解問題。

2.3調度效益的評估指標

電網的實際運行會因為諸如負荷預測偏差、潮流計算偏差、調度人員的人工決策偏差等因素與調度計劃產生偏離。在協調曲線圖中，表現為電網運行點位于協調曲線的右上側。也就是說，電網并非運行在最佳運行點。當前運行點和最優運行點之間的偏差可以作為對調度工作效益的一個評判標準。美國PJM電力市場提出“理想調度”（perfectdispatch）的概念，追求電網實際運行點與調度計劃的最優運行點盡量接近，并且分析實際運行點和計劃最優運行點的偏差的成本，每半年形成一次匯總報告。

結語

電網互聯的發展使電力系統逐漸發展成為超大規模的高維復雜的非線性系統，在新環境下電力系統將呈現“高電壓、大機組、遠距離輸電”的發展趨勢，電力系統的新特點使得電網調度運行中安全性和經濟性問題的沖突日益凸顯。為了保證互聯電網的安全穩定與經濟優質運行，有必要對互聯電網在不同運行情況下的經濟性和安全性做出合理評估，為運行人員采取合理的調度和控制措施提供合理的決策支持。

參考文獻

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