考虑吸纳风电能力的电网调度模型研究

吴 磊

（云南电网公司曲靖供电局，云南 曲靖 655000）

考虑吸纳风电能力的电网调度模型研究

吴 磊

（云南电网公司曲靖供电局，云南 曲靖 655000）

智能电网的特征之一是充分吸纳可再生能源。风力发电随机性强，给电网带来诸多不确定因素。为了最大程度吸纳风电能量，同时兼顾电网安全性，必须舍弃传统的基于N-0或N-1考量的调度计划制定方法，而应在计及输电元件故障概率的基础上构建含风电的电网调度模型。该模型追求电网静态安全与风电吸纳能力的协同优化。算例以不同风况为背景，计算了小风、中风、大风情形下的风电最大容许上网功率。研究表明，通过科学的调度优化，能够让风电起到对电网的支撑作用，同时避免风电随机性对电网造成的影响。

智能电网；风电吸纳；电网调度；静态安全；故障概率

风电是重要的可再生能源，随着能源格局的变动，越来越多的风电被并入电网。风电上网一方面缓解了用电紧张局面，给电网以电源支撑；另一方面也给电网调度带来新问题，如风电随机性给电网带来的冲击等。在保证电网安全运行前提下，提升风电吸纳能力成为当前调度运行的研究热点。

文献[1-2]从提高风电出力预测精度的层面出发，构建渐进优化式的经济调度模型。文献[3]将风速不确定所带来的发电成本增加进行量化，并在此基础上确立短期调度运行模型。文献[4-5]将风电火电统筹考虑，以综合煤耗量和正/负旋转备用约束来计算电网允许的风电接入所造成的波动。文献[6]分析了风电随机注入功率对支路潮流变化量的扰动。文献[7]建立风电火电打捆送出模型，但该模型以风电优先，存在一定的运行风险。

综合上述，当前研究多集中于功率平衡基础上的风电火电协调运行，且只限于电网正常状态。实际上，电网吸纳风电的能力与电网静态安全息息相关，因此，调度计划的制定应充分考虑输电元件的故障概率。

1 问题的提出

某个阶段电力系统运行风险可用式（1）[4]表示，即

式中，Xt,f表示电网在t阶段的调度方式，Xt,j表示第j个可能的负荷水平，Pr(Xt,j|Xt,f)表示j负荷水平在t阶段的出现几率，Pr(Ek)表示第k个预想异常出现几率，Sev(Ek,Xt,j)表示第 j个负荷水平存在情况下出现第k个事故对电网所造成的严重性。

因风电具有强波动性，其并网运行将使电网的运行风险呈现走高趋势。突出体现在[6]：

1）虽然电网负载可精确预测（尤其是短时区段），但风电出力较难把握，因此在风电入网后系统等效负荷水平将变得模糊，这使传统的优化调度模式失去执行基础。

2）风电功率的随机波动势必导致电网潮流的快速变化，在调度计划制定时将对输电元件考虑更多的安全因素和边界限制。也就是说，输电元件的故障将影响电网对风电的吸纳水平。

3）在现阶段，风电尚处于火电补充的地位，在调度计划构建时仍要考虑常规电源的输出调节特性等问题，这就使得目标函数与约束集合的设计难度有所增加。

综合上述，在大规模风电被接入后，使得电网在优化调度时需要统筹协调的因素大幅增加。我们追求的目标是：在既有网络状况（包括电源、负荷、网架等）前提下，将电网吸纳风电能力和电网保持静态稳定进行捆绑考虑，使得调度计划科学、合理、先进。

2 调度模型构建

2.1 建模说明

电网有效供电依赖输电元件的正常运行。通常在调度方案制定时以刚性“N-1”准则来对方案的事故适应能力进行检验。虽然这种方式可保证任一输电元件故障情况下电网的安全运行，但明显存在裕度考量过宽、方案不够精细化等不足。原因：每个输电元件的故障几率不一样，发生故障后造成的后果也不一样。因此，应该将输电元件的故障概率引入至调度模型，并以数学期望的方式进行目标函数构建。这样，就不会因为小概率事件而牺牲电网运行经济性。在包含风电的输电网络中，由于风电出力随机性，使得电网运行的概率特点更加明显，因此更需要调度模型基于输电元件故障概率考虑。

2.2 目标函数

根据前文对含风电网络的调度期望，建立如式（2）所示的目标函数，即

其中，

式（2）中， NC指针对输电元件的预想事故数，Pr(E0)指电网正常运行几率，Pr(Ek)为第k个输电元件故障概率，WPAC(E0)指电网无异常时的风电吸纳能力，WPAC(Ek)为第 k个输电元件故障情况下的风电吸纳能力。式（3）中，表示Ek状态下第n座风电场的上网功率计划，NWind为风电场数量。

以上目标函数突出了风电吸纳期望的最大化，同时考虑电网状态的正常与否，实现了既定之关切。

2.3 约束条件

约束包括两大层面。

1）基于直流潮流的电网潮流约束集合

式中，上/下标或括号内标号为0的指电网正常态，为k的指预想第k个输电元件故障而引起的电网事故后状态；A(0)、A(k)为指有功注入与线路潮流的关联矩阵；T(0)、T(k)指线路有功传输矢量；指火力大机组有功输出矢量；指风电场调度计划上网功率矢量；指风电场申报的预测最大功率矢量；rk为切负荷矢量；为火力机组的出力上下限矢量；为输电元件的容量限值矢量。

（2）火力、风电、母线负载之间的耦合限制

式中，rU和 rD分别为火力机组的增/减爬坡速率矢量；ΔT火力机组在外界出现故障时的出力调整时间，一般取ΔT=5min。

2.4 模型解析

首先对传统的基于N-0或N-1预想的调度模式进行分析。

1）N-0预想。在这种情况下，因约束条件少（只考虑满足电网正常运行态），火力电源的下调潜力可被充分挖掘，即风电可以占据尽可能大的发电空间。但当遭遇输电元件断开情况，电流转移可能突破正常线路的容量限值，因此，基于N-0预想的包含风力发电的调度计划制定是存在较高风险的。

2）N-1预想。在这种情况下，电网静态安全得到一定程度的保障（增加单一元件故障后的边界约束），但由于风电输出的单向特性，为硬性满足电N-1要求，常规火电将“被迫”承担很大的发电空间。也就是说，这种方式的柔性不足，会在很多情况下不必要地挤压风电上网功率。

其次将文章所建模型与以上两种模式进行比对：该模型本质上也是N-1考量，但引入了概率优化机制，以期望方式追求风电吸纳最大，并将常规火电的紧急再调节能力纳入调度策略，这样不但保证电网的静态安全性，而且将传统N-1调度策略里的弹性空间进行最大程度释放，使调度方式更具智能化。

3 算例

3.1 计算结果

采用如图1所示6节点测试系统作为计算背景。算例中的火电机组和风电场数据见表1、表2。另外，输电元件相关参数（含故障发生概率）参照文献[8]，BUS4、BUS5、BUS6的负荷需求暂时以中等负荷水平设计（定为80MW），中断负荷惩罚系数取1000。表2中的“Case1”意指小风场合，“Case2”意指中风场合，“Case3”意指大风场合。

图1 算例的网络拓扑

表1 火电机组特性参数

表2 风电场的预测功率申报（MW）

依据给定网络及参数，以前文建立的调度模型为依托，得到调度计划结果见表3（为了增加对比，特将单纯基于 N-0和 N-1的调度结果进行一并列示）。表中“基于N-1”和“本文模型”的栏均指输电元件故障前的调度结果。

3.2 结果分析

对于小风场景：基于既定的网源结构和负荷需求，小风场景下的申报功率被全部吸纳，即静态安全约束没有对该场合下的风电吸纳能力形成影响。

表3 各种风电场景下的风/火调度结果展示（MW）

对于中风场景：基于“N-0”考量的调度能将申报风电悉数吸纳；基于“N-1”考量的调度出于保证电网事故状态下的刚性静态安全性诉求，对风电上网功率进行限制，因此申报风电不能被全部吸纳；而基于本文模型的调度由于将刚性“N-1”约束转化为基于概率的柔性约束，合理释放了部分安全裕度，使得在设定负荷需求下仍能全部吸纳风电申报功率。

对于大风场景：

1）基于“N-0”考量的调度仍可实现风电的全部吸纳，但其未考虑输电元件故障的负作用也将显现。在此调度计划下，若输电线路 1—4、1—5、2—4、3—6中有出现异常的，则风电输出仅单向可调，那么为了维持调度计划中的风电功率，其余输电线路将需承担过大的风电电流，可能导致过载而使电网出现故障扩大的趋势。

2）该场景下的基于“N-1”考量的调度结果与中风场景下是一致的，说明对于该测试系统，为保证静态安全性的刚性满足，风电吸纳能力不能超过38.75MW，这显然违背了智能电网关于充分利用分布式能源的初衷。

3）“基于本文模型”的调度方法利用概率工具对电网有可能出现的故障的发生几率和发生后造成的严重程度进行均衡协调，并在此基础上追求风电吸纳期望的最大化，因此使风电接纳能力上升至73.26MW。

4）优越性分析。“基于本文模型”的方法与基于“N-1”考量的调度计划相比，存在一定风险（如输电线路2—4故障将引起其他线路的过载），但这种风险是经过科学评估的，在经济性上是合理的（也就是一旦故障发生导致切负荷所造成的损失比少吸纳风电所带来的损失要小）；与基于“N-0”考量的调度计划相比，虽然吸纳风电能力略有下降，但安全性大幅提升（基于“N-0”方式的隐患线路有 4条，基于“本文模型”的仅1条，从概率上来讲明显优化）。

3.3 拓展计算

以上算例设计时仅考虑中等负荷情况，为了凸显本文所建模型对各种负荷水平的适应性，特选取一个低负荷值（BUS4—BUS6每段母线消耗50MW）和一个高负荷值（BUS4—BUS6每段母线消耗130MW）进行从新计算（其余计算参数不变），将这两种负荷水平下的风电吸纳率和对应的隐患线路数列示于表4中。其中，风电吸纳率指的是列入电网调度方案的风电功率与风场上报功率之比（针对具体风量场合）；隐患线路数指的是单一输电元件故障会导致其余线路超载的情况个数。

表4 各类负荷水平下风电部分的调度情况

由表4可知，由于火电机组存在最小出力限制，因此不同“风量-负荷”情况下的风电吸纳率有所起伏（因涉及风电与火电的起/停组合，且为非线性问题）。但从总体上看，每种情况下均以“基于本文模型”的调度方案为综合最优。

4 结论

大规模风电并网的目的是为了可再生能源的方便利用。但风电输出的随机性和调节能力的单向性给电网科学调度带来了困难。文章构建了均衡协调电网安全性与风电吸纳能力的概率优化调度计划模型，该模型能在综合采集网架拓扑、网源参数、风电申报功率和负荷需求的基础上，制定出基于安全优化的最大吸纳风电的调度计划，从而切实提高了风电的实际利用率。

[1]Venkata S P,Istvan E,Kurt R,et al.A stochasticf model for the optimal operation of a wind-thermal power system[J].IEEE Trans on Power Syst,2009,24(2): 940-950.

[2]王洪涛,何成明,房光华,等.计及风电预测误差带的调度计划渐进优化模型[J].电力系统自动化,2011,35(22): 131-135.

[3]任博强,彭鸣鸿,蒋传文,等.计及风电成本的电力系统短期经济调度建模[J].电力系统保护与控制,2010,38(14): 67-72.

[4]李智,韩学山,杨明,等.计及接纳风电能力的电网调度模型[J].电力系统自动化,2010,34(19): 15-19.

[5]周玮,彭昱,孙辉,等.含风电场的电力系统动态经济调度[J].中国电机工程学报,2009,29(25): 13-18.

[6]张昭遂,孙元章,李国杰,等.计及风电功率不确定性的经济调度问题求解方法[J].电力系统自动化,2011,35(22): 125-130.

[7]华文,徐政.风电火电打捆送出时的输电容量优化方法[J].电力系统保护与控制,2012,40(8): 121-125,130.

[8]孙惠娟,彭春华,易洪京.大规模风电接入电网多目标随机优化调度[J].电力自动化设备,2012,32(5): 123-128.

Study on Power Grid Dispatching Model Considering the Capability of Wind Power Generation

Wu Lei
(Yunnan Power Grid Company Limited of Qujing Power Supply Bureau,Qujing,Yunnan 655000)

One of the characteristics of smart grid is to fully absorb renewable energy.Wind power generation randomness is strong,to the power grid brings many uncertainties.In order to maximize the absorb wind energy,taking into account the safety of power grid,must abandon the traditional scheduling plan based on the N-1 or the consideration of the formulation methods,but should be in and transmission component failure probability based on the construction of power grid scheduling model and the model of the pursuit of power system static security and wind power capacity to absorb collaborative optimization.Examples in different wind conditions as the background,the maximum allowable wind power,wind surfing,wind stroke case calculation.The research shows that,through scientific scheduling optimization,the wind power can play a supporting role to the grid,while avoiding the impact of wind power on the grid.

smart grid; wind power absorption; power network dispatching; static security; failure probability

吴 磊（1981-），男，工程师，本科学历，主要从事电网调度运行、电网调度通信方面的工作。