考慮可調綜合資源的新型輸電網規劃研究

陶 冶，孫文健，林俊杰，趙 毓，王雨晴，高 沖

（1.江蘇科能電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210036；2.華北電力大學（保定），河北 保定 071003）

0 引言

2021 年3 月，習總書記提出構建以新能源為主的新型電力系統，然而，當前基于現狀和規劃的常規電源規模及規劃年度最大負荷、不考慮新能源利用的傳統電網規劃方法，不能滿足高比例可再生能源并網運行下的新型電力系統規劃要求，容易造成投資偏大、利用率不高等問題［1-3］。因此，開展適用于新型電力系統的輸電網規劃研究，充分利用可再生能源+儲能、需求響應資源等可調綜合資源在電網規劃運行中的調節作用［4］［5］，對于提升新能源消納能力，提高輸變電工程投資效益具有重要意義。

目前，國內外學者已在新型輸電網規劃方法方面開展了一系列研究。文獻［6］-文獻［10］闡述了新能源發展為輸電網規劃帶來的挑戰和變革，并對未來的輸電網規劃方法進行了展望；文獻［11］-文獻［12］建立了考慮可再生能源和特高壓接入影響的輸電系統規劃評價模型；文獻［13］-文獻［16］以新能源消納能力、全壽命周期成本和環境效益為目標函數，建立了省級輸電網多目標規劃模型。文獻［17］-文獻［20］分析了需求響應資源對電網規劃的影響。綜上，現有研究大多僅考慮可再生能源或需求響應單一類別資源對輸電網規劃的影響，鮮有研究將新能源、儲能和需求響應資源作為可調綜合資源，統一納入輸電網規劃，提出適用于實際電網規劃工作的輸電網規劃思路與方法。

鑒于此，本文考慮可調綜合資源影響，開展多場景下的新型輸電網規劃研究，分析可調綜合資源發展下的輸電網規劃模式轉變需求，在此基礎上闡明新型電力系統下以考慮可再生能源+儲能置信容量及需求響應資源負荷削減效果為重點的新型輸電網規劃思路，進而重點介紹可再生能源置信容量評估與負荷預測兩種新型輸電網規劃中的關鍵方法，并建立新型輸電網規劃方案經濟性評價模型，最后通過算例驗證本文所提規劃方法的有效性和可行性。

1 可調綜合資源發展下的輸電網規劃模式轉變需求分析

在新型電力系統建設下，可再生能源、儲能、需求響應等可調綜合資源的快速發展將對輸電網規劃產生巨大影響［21-23］，具體包括：1）高比例可再生能源并網將導致潮流隨機波動的增強和規劃目標的增多，電網規劃既要增加可靠性投資，也需考慮環保性的要求，在網架結構方面，隨著新能源發電占比的提高，以及電力電子設備的大量使用，至使傳統電力系統的頻率、電壓穩定性呈現下降的趨勢，電網穩定性的內在機理也發生了相應的變化；在負荷預測方面，大量分布式可再生能源的接入使得線路潮流由單向變為雙向，供電區域內的最大負荷預測需考慮分布式可再生能源發電倒送的影響，增加了負荷預測的復雜程度與難度；2）儲能的應用可使部分出力具有隨機性的可再生能源轉變為相對穩定的可調電源，可減少電網在安全可靠性方面的投資，但同時也使得電網規劃的電源邊界由靜態變成一個動態區間；3）引入需求響應資源可提高資源的優化配置能力，減少系統成本：一方面，需求響應有效降低尖峰負荷，延緩電網投資；另一方面，需求響應在一定程度上彌補可再生能源出力的波動性，減少安全可靠性投資。

傳統電力規劃基于現狀和規劃的常規電源規模及年度最大負荷，開展規劃年電力平衡分析和變電容量需求計算，進行規劃年潮流和短路電流計算，通過增加輸變電容量和優化加強電網結構來平衡電源和最大負荷［24-26］。其主要存在的問題如下：一是在進行電力電量平衡規劃時，供應側僅考慮傳統能源裝機與出力情況，未將可再生能源出力納入考慮范圍，且在負荷預測時未考慮需求側資源在削峰填谷、改善負荷曲線、提高電能利用效率等方面的作用，因此容易造成電網投資偏大、利用率不高等問題。二是電網建設面臨土地資源、環境保護、建設資金等多方面制約，電網規劃落地難度大。因此，結合可調資源對電網規劃的影響，對電網規劃具體的改進需求分析：1）在規劃思路方面，應充分考慮新的規劃資源，重視可調綜合資源的引入對電力系統運行與發展產生的影響。2）在規劃流程方面，應開拓新的規劃工作機制，形成充分考慮市場因素的動態規劃過程。3）在規劃方法方面，應提出面向可調綜合資源的輸電網規劃理論與方法，加入對經濟性、環保性以及技術適應性等方面的考慮。

2 考慮可調綜合資源的輸電網規劃思路

構建基于可調綜合資源的新型輸電網規劃模式，應以建設新型電力系統、適應經濟社會發展總體規劃以及滿足用戶日益增長的用電需求為基本目標，在規劃中考慮可調綜合資源的特性及其影響，合理安排各級電網的建設，促進電網網架結構優化，實現電網的高效化運轉，同時實現可靠供電，降低電力損耗，確保電網可持續發展。具體思路如下：

1）以滿足用電需求為根本任務

通過不斷提升電網可靠性以及電能質量，最大限度滿足社會對電力的需求，在實現社會效益的前提下，達到發展企業、完善電網、提升收益的目標。

2）考慮可調綜合資源特性及影響

鑒于“新能源+儲能”的出力組合可以提供相對穩定的電力供應，有利于實現電力電量的平衡，對于可調綜合資源中的可再生能源和儲能資源，應將其納入分區域電力電量平衡的考慮，根據其預期出力情況，采用置信容量評估等方法，將可再生能源和儲能等效為常規機組，納入輸電網規劃。除此之外，對于可調綜合資源中的需求響應資源開展負荷預測，并將負荷預測的結果作為輸電網規劃的參考。

3）選擇合理時間斷面開展安全校核

考慮可再生能源出力的波動性與不確定性，根據其出力曲線選擇出力穩定性最差和出力最小的節點作為時間斷面，例如夏季高峰負荷新能源滿出力、夏季高峰負荷新能源零出力、冬季低谷負荷新能源滿出力、冬季低谷負荷新能源零出力等多種極端情況時間斷面，開展電網安全校核。

4）輸電網規劃方案經濟性評價要考慮需求響應成本

考慮到需求響應資源引入電網規劃會帶來一系列的參與者成本和系統成本，應將需求響應成本考慮到輸電網規劃方案經濟性評價中，更有效衡量新型規劃模式的有效性和經濟性。

5）促進上、下級電網之間的協同配合

下級電網和上級電網作為兩個階梯的單位，上級電網作出規劃指導，負責對下屬的單位進行宏觀指導；下級電網作為規劃基礎，負責執行與落實相關任務。

3 考慮可調綜合資源的輸電網規劃關鍵方法

3.1 可再生能源置信容量評估

新能源置信容量是指在等可靠性前提下新能源機組可以替代的常規機組的容量［27］。其可使具有間歇性的風電、光伏發電與常規機組裝機容量之間在同一水平上進行相互比較，常用的置信容量定義方法有4類，分別為等效確定容量、等效承擔負荷容量、等常規機組和保證出力［28］。本文采用等效常規機組容量評估風光儲聯合發電系統的置信容量，即采用具有隨機停運率的機組來替代可再生能源，當替代后的系統可靠性與含可再生能源的系統可靠性相等時，此時替代的具有隨機停運率的機組容量極為等效常規機組容量。

考慮風、光、儲之間的互補效益，在新型電網規劃模式下，將每個220 kV變電站所接入的風電、光伏、儲能視為一個風光儲聯合發電系統，其置信容量定義為在同等可靠性下，風光聯合發電系統可以等效的常規機組容量的大小，其計算方法如下。

設風光儲聯合發電系統輸出的功率為Ph，則：

式（1）中，PW、PPV、Xdc分別為風電機組、光伏發電機組和儲能電站的輸出功率。若滿足式（2），則認為風光聯合發電系統的置信容量Cun與等效機組的裝機容量為Cna相等。

式（2）中，f{Cr，CPV，CW}表示系統在含有的常規機組容量為Cr、風電的裝機容量為CW和光伏發電的裝機容量為CPV時系統的可靠性，f{Cr，Cna}表示系統在含有常規機組的容量為Cr等效機組的裝機容量為Cna時系統的可靠性。此時可以定義聯合發電系統的容量可信度為：

在系統的可靠性度量方面，本文以電量不足期望值（expected energy not served，EENS）作為參考指標。系統的電力不足期望（EENS）因負荷PL和機組狀態而異［29］，具體如下：

式（4）中，Phmax和Phmin風光儲聯合發電最大值和最小值。

3.2 考慮需求側資源的負荷預測

將需求響應資源納入電網規劃有利于提高資源的優化配置能力，減少系統成本［30］，本文在傳統負荷預測的基礎上，提出考慮需求側資源負荷削減效果的負荷預測修正模型，實現考慮需求側資源的區域最大負荷預測。

考慮需求側資源的區域最大負荷預測值為：

其中：

綜上所述，通過需求側資源作用前后最大負荷的變化，能夠計算得出可延緩投建的變電容量，如式（8）所示。

式（8）中，ΔC表示考慮需求側資源后可避免或者可延緩投建的變電容量，MVA；R表示容載比。

4 新型輸電網規劃經濟性評價模型

考慮綜合可調資源的新型輸電網規劃主要從建設投資維度和全壽命周期成本維度兩個維度對規劃方案進行經濟性評價。其中，建設投資維度主要選取單位投資增供電量和單位投資增供負荷作為衡量方案經濟性的兩個主要指標；全壽命周期成本維度主要考慮包括建設投資、運維成本、可調綜合資源調用成本在內的全壽命周期總成本。

4.1 建設投資維度經濟性評價

建設投資維度經濟性評價主要選取單位投資增供電量和單位投資增供負荷兩個指標，具體計算方式如下：

式（9）-式（10）中，ISUI和ILUI分別表示規劃單位投資增供電量和規劃單位投資增供負荷；S和L分別表示規劃期末供電量和規劃期末供電最大負荷；S0和L0分別表示上一規劃期末供電量和上一規劃期末供電最大負荷；CC表示建設投資。

4.2 全壽命周期成本維度經濟性評價

全壽命周期成本除建設成本外，還將考慮電網運維成本及可調綜合資源調用成本等，計算方式如下：

式（11）中，CC表示項目建設投資，包括線路及設備等各項投資，CO表示運維成本，CL表示網損費用，CD表示需求響應成本，CR表示運營期末固定資產折舊殘值。各項成本計算方式如下：

1）項目建設投資

項目建設投資CC包括線路建設投資Cline和公用網建設工程相關設備投資Cequ，具體表示如下：

其中：

式（13）-式（14）中，Cline-e表示線路擴建投資：根據負荷增長情況和線路斷面的極限輸送容量，當負荷超過線路斷面極限輸送容量時，擴建一條線路而產生的投資；若無擴建，則該線路投資為0。

Cline-d表示線路折舊投資：由于線路達到了折舊年限，需要重新建設而產生的投資，沒有達到折舊年限時，該線路投資為0。

Cequ-e表示主變壓器擴建投資：根據負荷增長情況和主變壓器斷面的極限輸送容量，當負荷超過主變壓器斷面極限輸送容量時，擴建一臺主變壓器而產生的投資；若無擴建，則主變壓器投資為0。

Cequ-d表示主變壓器折舊投資：由于線路達到了折舊年限，需要重新建設而產生的投資；沒有達到折舊年限時，該年投資為0。

2）運維成本

運行維護成本包括線路和主變壓器的運行維護費用。

式（15）中，A為該年的固定資產總額，包括線路和主變壓器；N為運營期時長，i為年利率。

3）網損費用

網損費用CL包括：線路損耗費用CL-line和主變壓器費用損耗CL-equ。①線路損耗費用

式（16）、式（17）中，ΔPmax為最大負荷時的線路損耗；NL為該年的線路條數；IL為單條線路上的電流值；Lmax為該年的最大負荷。

②主變壓器損耗費用

式（18）中，NT為該年的主變壓器臺數；T為變壓器運行時間，假設T=8 760 h。

4）本年可調綜合資源利用成本

需求響應費用CD包括轉移負荷費用CD-S和削減負荷費用CD-C。

①轉移負荷費用

轉移負荷費用CD-S包括：固定投資費用CD-S，fix和轉移電量導致的電費收入減少量CD-S，price：

式（20）、式（21）中，L'max為該年負荷預測的最大負荷。

②削減負荷費用

削減負荷成本CD-C即為削減負荷補償費用：

5）固定資產折舊殘值

固定資產折舊殘值CR是指到達折舊年限時固定資產的剩余價值，等于折舊殘值比乘以固定資產投資（下標L表示線路，下標T表示主變壓器）。

固定資產折舊余值CR-n是指計算期末而未到達折舊年限時固定資產的剩余價值，采用平均年限法計算固定資產折舊余值。

5 算例分析

5.1 基礎數據

以某市220 kV電網試點為例，在原電網規劃的負荷及電源水平的基礎上，考慮需求側響應等可調資源對該電網負荷的影響及新能源電站與儲能電站對電源出力的影響?？筛鶕δ芘渲帽壤托枨箜憫獏⑴c比例的不同，劃分成5種場景，詳情如表1所示。

表1 情景設置情況Table 1 Scenario settings

5.2 規劃方案分析

對算例進行500 kV 電力平衡分析及220 kV 容載比分析，根據不同情景下500 kV及220 kV變電容量需求，校核原電網項目的必要性，優化其建設時序進行，形成如下5種不同情景下電網容量規劃。圖1-圖2分別表示原電網規劃及5種情景下容量項目數量及變電容量需求情況和各情景下電網規劃容量項目安排。

圖1 不同情景下電網規劃項目數量情況Fig.1 Number of network projects under different scenarios

圖2 不同情景下電網規劃項目容量情況Fig.2 Capacity of power grid planning projects under different scenarios

由圖1-圖2可知，考慮可調綜合資源后，5個情景下的電網規劃數量及容量都有所改善，規劃項目建設數量最多的為情景5的7個，最少的為情景4的2個，與原規劃報告的14個相比，數量減少了一倍以上。且情景5 電網規劃項目容量由原規劃的4 184 MW 減少至1 064 MW，減少了3 120 MW；情景4 電網規劃項目容量減少至288 MW，減少了3 896 MW。除此以外，情景1 電網規劃項目容量比原規劃中減少了3 312 MW，情景2減少了3 264 MW，情景2減少了3 512 MW。

5.3 規劃方案經濟性評價

對5種不同情景下的電網規劃方案的經濟性進行評價，設定運營期為30年、固定資產轉化率為95%、電網運維率為2%、削減負荷補償價格為10 元/kW、折現率為8%，其中年可調資源利用成本主要考慮需求響應成本。利用規劃期內的總投資以及全壽命周期成本指標對各情景的經濟效益進行計算和對比分析，結果如表2所示。

對比表2 中5 個設定情景與原規劃報告在規劃期的總成本，可以發現考慮綜合可調資源的5 個情景在規劃期的總成本更低，因此，將綜合可調資源納入輸電網規劃可以在一定程度上降低規劃期的電網投資費用。另外，考慮可調綜合資源的各規劃情景在投資效率都有了較為明顯的提升。在單位投資增供負荷方面，其中投資效率提升最為明顯的都是情景4，其次是情景3和1，情景5最差。

表2 各情景規劃方案經濟性對比Table 2 Economic comparison of various scenarios planning schemes

通過對不同情景下的規劃方案進行敏感性分析可知，在本次輸電網規劃中，儲能容量每增加1 MW，建設投資平均降低39.08萬元、全壽命周期總成本平均降低46.55萬元；需求響應容量每增加1 MW，建設投資平均降低87.21 萬元、全壽命周期總成本平均降低91.12 萬元?？傮w來看，需求響應資源利用對電網規劃投資的節約效果優于儲能配置，且需求響應資源利用幾乎不需要前期項目投入。

綜上，考慮綜合可調資源的規劃思路有利于提升電網運行經濟性，其中需求響應參與比例最高的情景4 經濟性最好，可為電網公司帶來更高的投資效率和更大的經濟效益。

6 結語

本文提出了基于可調綜合資源的新型電網規劃模式，并以某市級電網為例，應用新型電網規劃方法開展規劃，規劃結果表明，可再生能源、儲能、需求響應等可調綜合資源在電網規劃中對傳統電力都具有一定的替代作用，其中需求響應資源的可利用潛力及將其納入電網規劃后產生的影響都較大。因此，本文對輸電網規劃工作提出以下相關建議：1）重點考慮可調資源在電網規劃中的替代作用，將其作為一種發電側的替代資源來進行綜合規劃；2）在未來輸電網規劃過程中，可適當加強需求響應激勵，進一步挖掘需求響應潛力；3）基于大數據的電力系統規劃問題，可通過對采集的電力大數據進行系統分析處理，減少對物理模型的依賴。