基于灵活性评估指标的输电网供需平衡规划

张正文，袁 博，钟 成，李 津

（国网雄安供电公司，河北 保定 071000）

1 输电网灵活性供需平衡特征分析

1.1 输电网灵活性特征需求分析

输电网中的灵活性特征需要体现在由于其自身的不确定性导致的电力系统功率发生的变化，功率的变化集中在电源侧的出动波动上以及负荷上，并且其变化规律是不可预测的[1-2]。电源侧的灵活性特征需求主要来自于可再生能源的出力波动，而可再生能源的出力波动又可分为预测值和预测误差值，其公式表示为：

其中，P(t)表示为在t时刻可再生能源的出力；PF(t)表示为可再生能源出力的预测值；PE(t)表示为可再生能源出力的预测误差值[3]。预测值将预测步长设为采样周期进行滚动预测所获取的数值[4]。如果采样周期为定指，且预测方法恒定，认为预测值的平均绝对百分误差F为固定不变的数值。再以F为基础，计算各个时刻可再生能源对输电网灵活性特征需求，其表达式为：

其中，PE,AVE代表可再生能源的处理预测平均误差值；τ代表预测步长；E(t,τ)表示为在某一时刻t至下一时刻t+τ输电网的灵活性特征需求量。

输电网的运行状态受其失负荷情况的影响，当输电网发生运行故障时，就会失去部分电荷，则其灵活性需求分析表达式为：

其中，PL(t)表示为电力系统的负荷；PLOAD表示为电力系统的总负荷；PL,F(t)表示为在某一时刻t由于电力系统故障造成的失负荷量；Edown(t,τ)表示为向下的灵活性特征需求；LOLP表示为失负荷概率，其数值与电力系统的运行状态有关。

1.2 输电网灵活性资源需求分析

当下，可调机组是输电网中实用性最强的灵活性资源。可调机组中水电机组以及火电机组是具备调节能力的发电机组，在平稳运行的状态下，可调机组能够通过对出力的调节，控制向上和向下的灵活性[5]。其公式为：

其中，Eup(t,τ)表示为可调机组提供的向上的灵活性大小；Edown(t,τ)表示为可调机组提供的向下的灵活性大小；Rup表示为可调机组向上的调节功率的速率；Rdown表示为可调机组向下的调节功率的速率；Pmax表示为可调机组最大输出功率；Pmin表示为可调机组最下的输出功率；P(t)表示为在某一时刻t可调机组的输出功率。需要注意的是，在水电机组当中，调节能力的大小还与周围环境因素相关，如季节变化、蓄水量多少等。

2 构建输电网供需平衡灵活性评估指标

2.1 电力系统供需灵活性指标构建

当ED(t,τi)≥0 时，在时间段τi内，电力系统较为灵活；当ED(t,τi)＜0 时，在时间段τi内，电力系统灵活性较差。

当灵活性不足期望时平均不足度Ed为：Ed=ED(t,τi)/TD，其中TD表示为灵活性不足的总时长。该定义表达的含义为在电力系统灵活性不足的情况下，平均每分钟出现的灵活性缺额数值。

当灵活性充裕时平均充裕度Ea为：Ea=ED(t,τi)/TD，该定义表达的含义为在电力系统灵活性充裕的情况下，平均每分钟出现的灵活性充裕量。

2.2 输电网运行灵活性指标构建

通过本文叙述总结出电力系统的灵活性指标可以体现电力系统对于不确定因素的耐受程度。而在输电网中，电路的负载率越均匀，网络结构中对于不确定因素的承载能力越强，因此发生输电网故障的概率越低。基于对电力系统指标进行构建可以提出对输电网运行灵活性的指标构建：

其中，F1表示为输电网中所有输电线路负载率的标准差；F2表示为输电网中所有输电线路负载率的极差；fi表示为线路i的负载率；fave表示为线路i的负载率平均值；l表示为输电网当中输电线路的总数。其中，F1和F2为该输电网中电网均匀性指标。上述输电网灵活性指标能够反映出输电网的最大均匀度，也能从侧面体现其所能承受的最大干扰能力。

3 输电网供需平衡规划设计

3.1 上层规划模型设计

在上层规划模型中，对投资成本及输电网平稳运输的灵活性指标进行规划，该上层规划模型可表示为：E=min{E1,E2}，其中，E1为建设输电网维修的总成本；E2表示为输电网平稳运行时的灵活性。输电网平稳运行时的灵活性要考虑到输电网工程的经济使用年限、可调机组的建设容量、待建设机组的集合灵活性的调用总量以及输电网正常状态下电力系统线路集合。在对上层规划模型进行设计时还要考虑到输电网的各约束条件。

3.2 下层规划模型设计

下层规划模型的设计可以对上层规划模型设计的起到验证作用，在下层规划模型中，利用输电网供需平衡灵活性评估指标对上层决策进行优化。基于灵活性机组的构建以及各灵活性资源的调用，对灵活性指标的供需进行优化，以此保证输电网平稳运行的过程中在保证网源平衡的同时，减少对灵活性资源的调用，再将其返回到上层规划模型中，完成对上层决策的优化。下层的规划模型为：f={f1, -f2, -f3}，其中f1为灵活性平均不足度函数；f2为灵活性平均充裕度函数；f3为灵活性供应充裕率函数。

4 对比实验

4.1 实验准备

为了验证本文构建的输电网供需平衡灵活性评估指标以及输电网供需平衡规划模型的有效性，首先构建一个虚拟的电网系统，并对电网系统供需平衡进行规划。以本文方法为实验组，传统方法为对照组，通过对结果进行综合的评估计算出各自的适应度。

在保证两组方法在同一环境状态下，分别对实验组及对照组的实验结果进行适应度求解，然后根据结果计算出两种方法规划后的输电网各结构的灵活性指标，并进行记录。

4.2 实验结果及分析

表1 为两种方法下输电网中各结构的灵活性指标实验结果。

表1 实验结果

通过实验可以看出，实验组各结构的灵活性指标均优于对照组，且运行状态也更加灵活。因此，通过实验证明，本文设计使电力系统的稳定性更高，有实际的应用价值。

5 结 论

本文基于灵活性评估指标对输电网供需平衡规划进行设计，并通过仿真对比实验证明了该方法的有效性。本文构建的上、下两层规划模型不仅可以更好的满足清洁能源发电并网的需要，而且可以改善输电网的网架结构，使电力系统中的潮流分布更加均匀，保证输电网运行的安全、稳定性。