新型电力系统规划新问题及解决思路

张斌，杨胜伟，杜源

（1.云南电网有限责任公司文山马关供电局，云南 文山 663300； 2.云南电网有限责任公司楚雄供电局，云南 楚雄 675000； 3.云南电网有限责任公司曲靖供电局，云南 曲靖 655000）

0 前言

博鳌论坛《可持续发展的亚洲与世界2022年度报告——绿色转型亚洲在行动》提出，亚洲是全球重要的碳增长引擎，碳排放已超过世界总排放量的一半，控制碳排放量，对全球经济绿色复苏和公正转型意义重大。亚洲多国做出碳中和承诺，政府、企业和民间社会都在积极采取行动。当下，作为碳排放大户的电力企业，更应加强新能源的开发利用，合理规划构建以新能为主体的新型电力系统，促进绿色投融资，减少全产业链“碳足迹”[1]。针对于此，本文从源-荷不确定性、低碳电力市场化发展、碳水平评估、新能源的运行模拟、多主体协同规划等方面着手，分析新型电力系统规划存在的问题；从负荷精细化预测、低碳市场机制、碳水平评估技术、大数据运行与模拟等关键技术分析，理清新型电力系统规划思路及研究重点，旨在为电力行业清洁低碳转型提供指导性建议。

1 新型电力系统规划新问题

1.1 源-荷不确定性加剧

在电源侧波动性和用户侧含源负荷随机性的共同作用下，不确定性将广泛存在新一代电力系统各个环节，如何对源-荷不确定性准确建模，并建立能够体现多样运行场景的电源出力预测和负荷预测方法是支撑新型电力系统规划的前提。

1.2 低碳电力市场化发展

电力系统低碳要求为电力市场化改革赋予了新的内涵，碳交易市场将逐渐成为电力市场的重要组成部分。作为新型电力系统的基本应用场景，有必要对现有电力市场及碳市场交互方法开展分析研究，提出能够适应低碳电力市场场景的规划模式。

1.3 碳水平评估

传统规划方法中电源规划是在满足电力平衡的前提下以经济性为目标；电网规划则是在满足一定的稳定性或可靠性要求下，提高方案经济性。碳交易环境下的新型电力系统规划除需考虑可靠性和经济性外，还应将碳水平计入评估体系，其模型的评估决策实质是经济指标、可靠指标和环境指标的三方博弈。如何将碳水平评估问题与电力系统规划决策问题相结合，建立低碳评价体系是支撑新型电力系统规划面临的重要问题。

1.4 新能源的运行模拟

新型电力系统包含风光水火多种电源形式，其物理运行环境多样、决策环境复杂等特点对系统灵活性提出了新的要求。为有效辨识规划方案在运行层面的潜在问题，需要建立针对新型电力系统的运行模拟方法，评估规划方案在海量运行场景下的运行指标，以适应新型电力系统的随机性与波动性。

1.5 多主体协同规划

传统的电力系统规划一般是电源规划、输电网规划、配电网规划分别进行。而新型电力系统在电源侧、电网侧和负荷侧均具备灵活多变的运行策略，且参与电量平衡的利益主体更多。仅考虑某一环节的规划思路已无法适应源网荷储各环节的互动深度，需要考虑包括储能在内的多主体协同规划理论。

2 基础规划模型及技术框架

与传统电力系统规划类似，新型电力系统规划是在已知规划对象运行特性和边界条件的基础上，建立能够描述对象运行特性的数学模型并求解，进而得出满足各项指标的规划方案。明确模型应用场景、约束条件和规划目标是开展新型电力系统规划研究的前提。结合新型电力系统相关要素及特点，从主要规划对象层面将新型电力系统规划划分为发-输协同规划、源-网-荷-储协同规划、考虑多能流协同运行的配网规划3个环节，其具体规划流程如图1所示。发-输协同规划以提高新能源消纳能力和传输能力为目标；源-网-荷-储协同规划的目标是在配网层面加强网-荷间双向支撑能力，满足用户差异化的负荷需求，考虑多能流协同运行的配网规划以在保证供能可靠性的前提下提高清洁能源消纳率和多能互补能力为目标；与综合能源系统规划模型和主动配电网规划模型类似，新型电力系统基本规划模型一般是一个以投资变量为主要决策变量的规划问题，如式(1)所示。

图1 新型电力系统规划流程

式中：T为规划时间尺度；M为设备类型；N为设备投建数量；αt为第t年的成本年折算系数；δIC为与网络拓扑、系统容量等物理参数相关的投资边界；δED为与运行参数相关的运行边界；δEENS为系统稳定运行边界；新型电力系统基本规划模型的决策变量包括投建变量Ii,j,t、运行变量Oi,j,t和投建设备容量变量Pi,j,t；目标函数f（Ii,j,t，Oi,j,t，Pi,j,t）多考虑规划方案的经济性、可靠性和低碳水平；约束条件由投资约束g（Ii,j,t，Oi,j,t）、运行约束h（Ii,j,t，Oi,j,t，Pi,j,t）和可靠性约束k（Ii,j,t，Oi,j,t，Pi,j,t）构成。

基础规划模型明确了新型电力系统规划问题的基本形式，但在解决具体问题时应结合应用场景对基础模型的决策变量、目标函数和约束条件进行修改。

在已有规划模型的基础上，新型电力系统规划还应融合大数据理论分析、多时间尺度运行模拟、低碳评估方法等关键技术，其技术框架分为数据驱动层、运行模拟层和输出指标层。结合源-荷精细化预测和低碳电力市场机制，生成新型电力系统协同规划方案；另一方面，为应对源-荷不确定性带来的功率匹配问题，通过数据驱动层生成典型运行场景，利用多时间尺度运行模拟和低碳评价体系评估协同规划方案可行性，提高规划方案在高比例可再生能源接入场景的灵活性。

3 新型电力系统规划关键技术分析

3.1 源-荷预测精细化预测

精细化预测技术主要应用于源-荷预测，新型电力系统的灵活性不断增强，与此同时清洁能源的多样化预测趋势逐渐呈现。例如风能、太阳能等自然清洁能源，其不稳定性主要来自自然因素的影响如风速、光照等，因此其预测架构需要考虑多种自然因素来对电力系统规划做出精准预测。气象条件涉及多种专业设备和预测方法，相关研究离不开深入且广泛的智能探索。从气候条件、地理环境条件以及区域布局因素来看，国内外的相关探索已经有很多，而且摸索出一些成熟的规范技巧，能够运用统计学方法和智能学习性方法对预测模型提出针对性策略。和传统的配电网固定模式不同，新型电力系统的电网调度需要运用不同比例的容量配置协调异质化能源流比例，从而符合差异化的负荷需求。系统运行对大规模的能源应用场景来说，智能化技术与大数据支撑是深入发展配电网络的重要推动力。

3.2 低碳市场机制

低碳电力市场是新型电力系统操作运转的主要阵地和工作场景，《京都议定书》的签署是业界研究的焦点，开启了各国碳交易市场探索的开端，同意了国际范围内碳交易市场原则，将交易方式分为免费分配和拍卖两种途径。市场机制的完善到达一定程度则可归纳相关运营技术，通过交易原则和定向技术约束碳市场交易活动。电力市场和碳市场的天然关联性和对称相关性可以对新型电力系统的规划展开关联性分析和深入的系统研究。传统的规划模型充分考虑了碳排放量的数额大小，而新型电力系统的规划运行研究则更加倾向于碳排放的结构和电网配置结构优化。随着能源互通互联趋势不断增强，低碳市场普及程度也越来越高，相关文献对碳交易机制专业技术展开了细致分析，考虑了光伏规模度量与碳排降级价值协调数据关联。总体来看，规划角度的宏观技术分析不足，但是微观的低碳电力市场要素分析较为充分。

3.3 碳水平评估技术分析

碳排量的测算和度量是新型电力系统的创新点和变革点。新型电力系统使用范围已经逐步扩张，宏观碳排方法和微观碳排观念都已经实现均衡性、有效性和实测性。具体的排放因子碳排测算公式是根据碳排量额，燃料消费量额、燃料低热指数以及碳排放因子共同构成。不同的能源使用方式不同因此碳排测算因子也不同，要根据能源使用和能源品位的实际情况采用特定的碳排计算方式和数额选取。根据能源生产行为的投入产出比例和具体数据测算碳排数额符合理论上的碳排研究策略，但是学界还没有形成一致的方法论。实地探测法已经较为成熟，主要是运用具体的数据检测设备对碳排放源头进行现场观测，通过探测数据结果对碳排放量进行核算。这种方法较为精准，也比较有实操性。低碳电网研究成果为新型电力系统低碳评价体系的建设提供了思路。依据新型电力系统时空运行特征，可从时间尺度或空间尺度两个角度设计低碳评价体系，具体方法如图2所示。应从时间尺度分析新型电力系统碳排放影响因素，从发-输-配-供等空间环节归纳已有低碳电网各项指标，结合新型电力系统特点建立低碳评价体系，从各方面评估电力系统的发展水平，实现不同维度的反馈控制，对制定新型电力系统规划方案具有指导意义。

图2 低碳评价体系设计方法

3.4 大数据运行与模拟

新型电力系统的另外一大核心支撑点就是大数据系统和数据处理分析系统，电力数据和环境检测信息的处理与相关分析可以给低碳水平提供定量的技术支持。几年来国家电网有限公司通过政策扶持和检测技术的加持，实现了碳排检测的技术创新。同时运用可再生能源的优势与电子设备运行的深刻变革满足了新型电力系统的经济性能和安全性能等诉求。通过有效识别电力系统规划过程中的环节问题并归纳对应解决途径，对各项指标实现了边界稳定效果。数据处理和分析、数据融合和学习技术已经成为新型电力系统区别与传统电力系统的主要特征，充分运用大数据摘取和相关数据模拟技术满足了数据运营的准确性和时效性要求。扁平化的电力系统结构新模型要求对应的数据存储和挖掘场景分散性的排布布局，大数据技术的高效工作效率能够充分识别可行性规划的实施与框架搭建。数据驱动的精准化运行和精确化模拟技术满足海量信息的分布现状，可以有效解决低碳能源技术体系下的问题规制。

4 结束语

目前国内外针对新一代电力系统低碳规划问题的研究仍处于起步阶段，需要进一步的完善和发展。本文从源-荷不确定性加剧、低碳电力市场化发展、碳水平评估、新能源的运行模拟、多主体协同规划五个方面对新型电力系统规划新问题进行了分析，探索出合理有效的解决思路，通过对新型电力系统规划的基础模型与流程框架，以及支撑新型电力系统规划的关键技术领域研究成果的研究，以期为低碳发展目标下的电网规划决策研究提供参考。