適應電力現貨市場運營的省級電網安全校核實現方案

路 軼，蔡 幟，張國芳，丁 強，肖 暢，熊志杰

（1.國網四川省電力公司，四川省成都市 610041；2.電力調度自動化技術研究與系統評價北京市重點實驗室（中國電力科學研究院有限公司），北京市 100192）

0 引言

中國當前省級電力現貨市場改革已進入深水區和關鍵期，第1批8家試點省份已完成結算試運行［1-2］。因此，須深化現貨市場試點建設完善和運行分析，為下一階段改革深化和其他省份開展現貨市場建設提供借鑒參考。隨著電力市場化的不斷推進，市場的交易規模和交易電量將逐步增加，市場電量比例不斷擴大，計劃空間逐步縮小，計劃編制將逐步被市場交易結果替代。市場和電價對發用電行為的引導增大了電網運行的不確定性，電網潮流形態、系統可調備用均衡性等方面都會受到較大程度的影響，進一步壓縮電網的安全裕度。電網和市場安全穩定運行要求以及阻塞成分對電價的直接影響，都對安全校核計算精度提出了更高的要求［3-5］。

安全校核作為電力市場和調度計劃的重要模塊，目前已有不少研究。文獻［6-7］通過算法優化、并行計算、數據復用、多場景并發管理機制等方法，進一步提高安全校核計算速度以滿足相關應用的實用化需求。文獻［8-9］研究了面向服務的安全校核功能，為計劃編制和電網調度操作提供可定制的支持多任務并行的安全校核服務。文獻［10-12］設計了市場化條件下考慮安全校核的省調業務框架，提出了總體架構、功能框架和關鍵技術。目前，在電力市場環境下對安全校核的功能要求和性能提升有了一定研究，但是隨著電力市場發展，需要針對省級電力現貨市場特點進行設計，以進一步提高安全校核的精確性。

本文基于中國電網的調度管理方式，從電網模型、算法流程和輔助信息3個方面，全面提升了安全校核計算的精確性，實現電力市場的精細化運行，有效降低電網安全風險。本文的主要貢獻包括：①提出了低電壓等級電廠并網和聯絡線等值計算方法，分析并設計了停運設備復役操作和設備的未來態工況計算；②提出了市場出清、斷面限額計算與安全校核混合迭代計算流程；③建立了設備與斷面、斷面與斷面之間的關系，并提出了各區域斷面和全網的備用計算方法。

1 安全校核精確性因素分析

由市場交易結果確定的電網運行方式可能存在設備或輸電斷面（以下簡稱“斷面”）越限的情況，導致電網安全裕度下降。而安全校核能夠快速識別電網運行風險，是保證市場出清結果滿足電網安全運行要求的重要手段。因此，在市場模式下要求優化出清和安全校核閉環迭代，獲取一致的機組計劃、負荷預測、檢修計劃、聯絡線計劃等各類基礎數據，智能生成斷面限額，采用適應市場化交易的安全校核模型與計算方法，模擬未來電網運行場景，量化分析電網越限情況并提供輔助信息，保證電網安全裕度處于規定范圍之內。提高安全校核的精確性對省級電力現貨市場運行的主要意義如下。

1）計劃編制將逐步變化為以市場交易結果為主，電網潮流更加復雜多變，增加了電網安全調度運行的壓力。因此，提高安全校核的精確性是電力市場環境下保障電網安全運行的基本條件。

2）多數省份的電力現貨市場采用了節點電價的計算方法，而節點電價中的阻塞成分是由線路或斷面的潮流越限造成的，如果潮流計算不夠準確，將對電力市場的電價產生極大的影響。提高安全校核的精確性，能夠有效保證電價結果的合理性。

3）在市場環境下，市場電固化了系統調節資源，市場電量比例越高，系統的可調備用容量越難以保證。為了對斷面進行更精準的控制，需要獲得各斷面與機組、斷面與斷面之間的關系以及斷面的備用情況，以便能夠有效應對斷面越限情況。

從安全校核的內容可知，其準確計算包括3個方面。

1）電網模型要完整、準確，參與市場出清的機組都要有效納入建模，連接外網的各交流聯絡線都要盡可能參與潮流計算而不是簡單等值，電網內各設備的未來運行狀態要全面掌握。目前，隨著調控云的推廣，國家電力調度控制中心（以下簡稱“國調”）系統內各省級電網均已將模型、數據延伸至35 kV及以上電壓等級電網全模型（部分省份進一步延伸至10 kV配電網）。同時，國調周期性下發全網狀態估計結果和七大類計劃數據給各省級調控中心，使得各省級調控中心具備了全網潮流計算的數據基礎。

2）算法流程是保證安全校核計算精確的基礎。要充分利用交流潮流計算的精確性、直流潮流計算的可線性化和快速性以及斷面限額自動匹配，同時為保證交易結果的執行滿足電網安全穩定運行要求，加入動態安全校檢，綜合提升安全校核算法準確性。

3）采用靈敏度計算可能會因為不同的平衡節點選擇而導致潮流計算偏差，本文為此提出了基于區域斷面與機組、區域斷面之間關系的有功備用計算方法，為調度員提供更為準確的斷面越限調整信息。

由此可知，安全校核的改進可以從電網模型完整構建、算法流程優化、輔助信息精確化分析3個方面來全面提升安全校核計算結果的精確性和實用性，如圖1所示。中國各省調度采用的電網模型和數據結構類似，因此本文提出的方案可以適用于大部分省級現貨市場技術支持系統。

圖1 安全校核精確性提升方案Fig.1 Improvement scheme of security check accuracy

2 電網模型精細化構建

2.1 設備未來態工況分析

組成電網的各類設備運行工況構成了電網的拓撲結構，是交直流潮流計算的基礎，其決定了各電廠發電能力及其對各支路的靈敏度以及各送受斷面輸送能力等現貨運營邊界條件。因此，準確分析出設備工況對現貨優化出清和安全校核均有重要作用。而傳統用于計算的電網拓撲通常采用當前狀態下的電網運行工況，與電力現貨市場主要面向電網未來態的需求并不匹配。此時需要確定未來的設備狀態，然后對相應的開關和刀閘進行操作，使得設備能正確接入電網或從電網斷開。

停運的設備有不同的停運原因，需要根據其原因來分析確定其未來各時刻點的狀態，本文總結了設備具體工況狀態，如圖2所示。主要是依據檢修計劃和調度日志，形成13種具體狀態，為未來態潮流提供狀態信息。主要定義如下。

圖2 設備工況狀態分類Fig.2 Classification of operation conditions of equipment

1）運行態、孤島運行態：設備處于帶電運行狀態，其中與主網分離的帶電設備為孤島運行。

2）備用態：閉合本廠非檢修、非故障或安控動作的開關和刀閘即可投入運行的設備，分為熱備和冷備。

3）停用態：閉合本廠非檢修、非故障或安控動作的開關和刀閘仍然無法帶電的設備。根據停運原因可以分為檢修、檢修陪停、故障、故障陪停、緊急停運、緊急陪停、安控停運、安控陪停、未知原因停運。

基于設備的狀態信息，可以推斷出設備的未來態。未來態潮流計算主要研究設備是否可用，可用則接入電網，不可用則從電網斷開。未來可用態主要為運行、孤島運行、熱備、冷備；未來不可用態主要為檢修、檢修陪停、故障、故障陪停、緊急停運、緊急陪停、安控停運、安控陪停、未知原因停運。

在確定設備的工況狀態后，計算未來態潮流時針對不同設備的處理如下。

1）線路和變壓器分成2類：一類是部分線路和變壓器形成的支路處在網絡中間（即不影響電廠送出），為了保持某種電網運行方式而運行或停運，對這種線路和變壓器的狀態如無檢修申請不做處理；另一類是部分線路和變壓器形成的支路處在某電廠唯一送出通道上，對這種線路和變壓器須根據電廠檢修狀態斷開或閉合直接相連的開關或刀閘，以保證電廠檢修結束后能夠正確并網。

2）當前態為運行但在未來態為檢修或檢修陪停的機組和負荷，閉合機組或負荷直連的開關或刀閘。

3）當前態為停運但在未來態為可用的機組和負荷，需要進行復役操作，以便使其參與潮流計算，具體步驟如下。

步驟1：基于未來態母線接排方式，按照最短拓撲路徑搜索并閉合本廠站未檢修開關和刀閘直至帶電節點。其中，未來態母線接排方式由人工根據檢修或方式調整需求確定，在復役操作過程中不得改變其狀態。

步驟2：如本廠站內未搜索到帶電節點，則按照最短拓撲路徑搜索與機組/負荷有相連關系的電廠出線對端的直連開關，按照工況的狀態定義，將其連上電網。

值得說明的是，多數省級電網的母線負荷為220 kV（或330 kV）變壓器高壓側，其停電計劃可能由地調維護，如果省調無法獲得其停電計劃而無法得知其未來工況狀態，則對于所有當前停運的地調變壓器母線負荷進行站內連網，即實行上述步驟1，盡可能保證母線負荷上網（如實際中檢修可使其預測值為0），但為了不影響電網的運行方式不進行步驟2。

2.2 低電壓等級機組接入電網模型

對于省級電網來說，多以220 kV（或330 kV）變電站高壓側作為母線負荷，而參與電力市場的電廠可能位于110 kV或更低電壓等級，沒有在省級電網模型中建模。而這種建模方式形成的母線負荷含有發電成分，需要將這部分計入模型計算。

母線負荷預測對象根據組成成分表現出不同的源荷特性，可能包含可調度發電機組、預測原形、純負荷等，母線負荷的成分表示為：

式中：Pbus為220 kV母線實際下網負荷功率（即預測原形）；Ppure為母線非可調用戶凈負荷功率；Pu為參與市場報價的機組出力；Pw為不參與報價的機組出力，主要包括新能源機組、無庫容的小水電等，此部分出力應由預測模塊給出。

母線非可調用戶凈負荷功率Ppure為220 kV母線上除去發電成分Pu、Pw后的凈負荷需求。只有排除發電資源對母線負荷的擾動，才能準確預測母線凈負荷，正確引導用戶側負荷響應，進而合理安排發電機組計劃平抑母線負荷波動，實現供需平衡及電網安全。

母線負荷預測一般在主變壓器高壓側進行等值，根據其掛接的源荷情況，將對應的機組Pu、Pw也掛于此節點上，形成虛擬發電機節點。

2.3 聯絡線支路潮流計算

省級電網的直流聯絡線功率可控，因此一般可以等值為負荷，但交流聯絡線計劃通常是多條線路或變壓器的聯合計劃，上級調度中心一般只提供聯絡線交換計劃總值，而各線路的潮流則與電網運行方式和潮流分布相關。為了計算潮流，常規的聯絡線等值方法通過歷史相似日信息形成各條聯絡線支路功率的分配系數，但該分配系數每日都不一致。中國特高壓聯絡線輸送大量電力，分配系數的差別會導致很大的潮流偏差。為此，本文通過網絡模型自適應調整進行聯絡線外網等值，具體步驟如下。

1）電網模型自適應調整。為了更準確得到聯絡線路潮流，在本省調度區域的基礎上，基于國（分）調定時下發的全網狀態估計結果（QS文件），依據聯絡線路將電網模型向外擴展至和聯絡線路相關的外部區域，并結合已經獲取的外部電網計劃數據，通過交流潮流計算得到各條聯絡支路潮流計劃值。

2）聯絡線有功功率再調整。通過上述步驟，可以初步求得各個聯絡線路的有功功率，但是由于計算誤差、預測偏差等原因，各個聯絡線路有功功率累加和交換計劃總值會存在偏差。因此，需要對聯絡線有功功率再調整，使之和交換計劃總值一致。將功率偏差按照已經計算的聯絡線功率進行分配，計算方法為：

3）聯絡線等值。獲得各聯絡線支路最終計劃值后，根據電網等值方法將聯絡線等值成機組或者負荷，完成外網等值，再和本區域網絡模型、檢修計劃拼接得到完整的網絡拓撲模型。

值得一提的是，每次市場出清之后都需要重新計算各聯絡線的分配功率，因為在不同的市場出清結果下聯絡線的分配可能是不同的。

3 算法流程優化

斷面是指為電網安全穩定分析和管理定義的一組設備集［13］，對斷面潮流監視和越限分析是中國廣泛使用的調度管理方式。

現貨運行過程中，實際生效的斷面限額值是由未來態電網運行方式和現貨出清潮流結果與預先制定的斷面限額集匹配，并經動態安全校核計算決定的。因此，有必要將斷面結果及時反饋給市場出清流程，實現市場出清、斷面限額計算與安全校核的混合迭代，為電網安全運行增加技術評判手段。市場出清、斷面限額計算與交直流安全校核的關系如圖3所示。

圖3 市場出清、斷面限額計算與安全校核的關系Fig.3 Relationship among market clearing,cross-section limit calculation and security check

市場的出清校核對以上模塊進行整合，具體設計需要考慮以下因素。

1）市場出清和直流潮流都通過線性化處理，從而進行統一優化，而交流校核和斷面限額計算是非線性計算，難以與市場出清模塊同時優化。

2）因直流潮流計算精度相對交流潮流有所偏差。為更精確地計算設備越限情況，采用交流校核結果對越限信息進行迭代校正以滿足出清結果精確化要求。

3）利用D5000系統在線安全分析（DSA）模塊已有關鍵斷面識別和斷面極限可行域計算功能進行動態安全校驗。現貨系統交流潮流計算模塊向DSA提供出清周期內電網潮流計算結果。DSA模塊根據潮流結果計算出出清周期內斷面及限額與預先制定的斷面限額集進行匹配，并將斷面及限額變化情況反饋給市場出清、安全校核環節。

通過以上分析，本文設計了一種算法流程，如圖4所示。該流程為三閉環結構，內環是市場出清和直流潮流安全約束的迭代，外環是靜態安全校核的交流精確潮流計算，最外環是動態安全校核。內環為兩外環提供出清結果，兩外環為內環提供新生成的越限約束信息，實現市場出清與安全校核的高效迭代優化。

圖4 市場出清與安全校核流程圖Fig.4 Flow chart of market clearing and security check

4 輔助信息精確化分析

4.1 區域割集斷面與機組的關系分析

中國的調度方式關注對穩定斷面的控制，一般的輔助信息是基于各機組對越限斷面的靈敏度，但是靈敏度的大小與平衡節點的選擇有關，尤其是對于能夠劃分區域割集的重要斷面（以下簡稱“區域割集斷面”），如圖5所示。設區域割集斷面S0是區域A的外送斷面，斷面中包括水電區域外送斷面Sh、新能源區域外送斷面Sw、負荷斷面Sd等。當選用單平衡節點位于區域A外時，uh、uw等機組對S0的靈敏度為1，當位于區域A內時，各機組對S0的靈敏度為0，當選用準穩態多平衡節點［14］時，各機組對斷面S0的靈敏度與區域A內的平衡節點承擔比例有關，可能不接近于1，區域A范圍較大甚至達到0.7～0.8。但實際調度中，區域內機組不進行聯動時可認為區域A的機組對斷面S0的靈敏度都應為1，因此，平衡節點附近的靈敏度會有較大失真，即使是準穩態靈敏度也不能消除此誤差。

為此，本文提出對于區域割集斷面應當通過拓撲關系和斷面潮流方向來獲得斷面與機組的關系，即通過把斷面的支路成員斷開將區域割集島從主島分離出來。根據斷面潮流方向，區域島內機組對該斷面的靈敏度均為1或－1，區域島外機組對該斷面的靈敏度均為0。以圖5所示機組為例，可建立機組與斷面以及斷面之間的從屬關系為：

值得一提的是，本方法僅適用于能夠形成區域割集的重要斷面，對于無法形成電網割集的斷面，建議采用準穩態或距離較遠的單平衡節點來提供靈敏度輔助信息。

4.2 區域割集斷面及全網的有功備用分析

中國電網在設計區域割集斷面時一般不存在交叉，而是以嵌套的關系。由4.1節分析可以得到區域割集斷面與機組以及區域割集斷面之間的關系，如圖6所示。其中，U表示機組，S表示斷面，下標的第1位數字為從屬關系的等級，第2位字母是序號。機組不重復計算，例如機組U0a同時屬于S1a和S2a，但只按較低等級的S1a備用計算，因為在計算S2a備用時會考慮S1a的整體備用，而不需要再單獨計入S1a的下層機組U0a。

圖6 斷面與機組之間的從屬關系Fig.6 Subordinate relationship between units and cross-sections

區域斷面的外送能力一方面受到區域內機組剩余發電能力的限制，另一方面受到斷面限額的限制。因此，區域斷面的電力備用是兩者的最小值。通過圖6可以計算各斷面和全網的備用，方法如下。

按照從屬等級從1至N依次計算各等級的斷面備用：

5 應用成果分析

以中國某省電網為例，該省電網網架薄弱，“強直弱交”穩定問題突出，交直流電網耦合特性復雜，對安全校核的計算精度要求高。

豐水期該省水電通道運行能力與區外開機、斷面限制因素緊密耦合，重要通道及斷面長期大功率運行，實時運行中控制斷面多、控制難度大。2018年豐水期，多個水電通道送出存在不同程度受限，整體受阻約14.5 GW，最為嚴重的斷面受阻達48%，水電通道內的電廠參與市場受到較大限制。

本文所提的安全校核方案于2019年6月在該省現貨調電試運行期間［15］正式投入運行。對于省內模型，進行電網設備未來態工況分析并將110 kV及以下電壓等級電廠等值到220 kV變電站主變壓器高壓側，構建涵蓋現貨各參與主體的精細化未來態電網拓撲模型；對于省間聯絡線，將模型根據聯絡線落點關系擴展至相鄰省級電網，完成模型拼接。基于此，完成現貨優化出清和安全校核計算基礎模型搭建。在出清計算時，獲取最近時刻的國調QS文件，結合交換計劃總功率值計算各聯絡線支線功率計劃值。以2020年9月21日實際算例進行驗證，驗證以下3個方面結論。

1）電網模型精細化構建。截取11：30時刻，相鄰省份電網運行方式變化導致各聯絡線支路傳輸功率占比變化較多，由于傳統方案采用前一天聯絡線占比進行支路潮流分配，導致各聯絡線支路功率預測準確性較本文方案差，如表1所示。

表1 各聯絡線功率分布準確性對比Table 1 Comparison of power distribution accuracy for each tie line

此刻，選取特高壓直流近區500 kV斷面A、水電送出500 kV斷面B、500 kV斷面C以及網內關鍵卡口500 kV斷面D，在表2中比較了斷面實際潮流值、使用本文方案計算而得的斷面潮流值、使用傳統方案計算而得的斷面潮流結果。可以看出，由于對聯絡線功率分布的準確預測，本文所提方案有效提高了現貨優化出清和安全校核的準確性。

表2 安全校核的交直流潮流迭代準確性對比Table 2 Comparison of AC-DC power flow iteration accuracy for security check

2）算法流程優化。由于受用電負荷需求及電廠報價策略影響，斷面C出清結果在限額4 100 MW附近。采用本文提出的混合迭代算法流程，使得斷面潮流預測結果更加符合電網實際，釋放該斷面內水電電量29.41 MW·h，減少了斷面C區域內棄水。

3）輔助信息精確化分析。在實際運行時，11：40時斷面C出現越限77 MW，需要調整出力，此時通過安全校核輔助信息模塊可知另外兩鄰近水電送出斷面備用比較充足，因此通過將2個斷面內機組增加80 MW以及斷面C內機組減少80 MW來消除越限情況。斷面的功率變化情況證明本文提供的區域割集斷面靈敏度和備用分析結果與實際符合。

6 結語

安全校核要全面分析電力市場運營下的電網運行安全水平，是保證電網安全穩定的一道重要防線，也是保障市場安全、穩定、優質、經濟運行的重要基礎。本文提出了適應電力市場運營的省級電網安全校核實現方案，通過對低電壓等級機組并網、聯絡線支路潮流計算、設備未來態工況分析來提高電網模型的準確性。同時，為了使市場出清能夠有效考慮電網的安全約束，整合了考慮靜、動態的斷面限額計算、安全校核與市場出清計算流程，提高了現貨出清和安全校核的準確性。此外，建立了設備與斷面以及斷面之間的關系，提出了對于區域割集斷面相關輔助信息的準確算法。本文提出的安全校核方案在某省級電力現貨市場取得了很好的應用效果，可為國內省級電力市場建設和運營提供參考。

目前，兩級現貨市場建設的背景下，跨省區現貨交易頻繁，交易電量不斷提高，需要進一步研究如何有效銜接兩級現貨市場出清和安全校核算法和流程。