考虑断面负载率的县域内部新能源电力自平衡交易调度策略研究

路尧，顾晓希，尹硕，陈兴，金曼

（1.国网河南省电力公司经济技术研究院，郑州 450052；2.国网河南省电力公司营销服务中心（计量中心），郑州 450052）

0 引言

近年来，针对全球气候变暖问题，节能减碳一度成为各国专家学者持续关注研究的主题。随着碳达峰、碳中和步伐的加快，2021 年我国首次提出构建以新能源为主体的新型电力系统，新能源在未来电力系统中的主体地位首次得以明确。

随着新能源装机不断增加，大规模并网接入将给系统稳定带来更多的安全隐患。一是区域新能源出力与需求不匹配会导致弃风弃光［1］；二是剩余电量通过区外联络线造成的联络线断面负载率升高，造成网络阻塞［2］，增加系统备用成本和运行风险。

构建新型电力系统的目标下，实现区域内部全新能源绿色用电，新能源就地消纳，逐步实现区域电力供需平衡。文献［3］提出了一种电气互联系统联络线功率波动调控策略。文献［4］提出了一种协调性更好的省间联络线控制考核策略。文献［5］提出了一种风光储微电网并网联络线功率控制策略。文献［6］提出了一种源-荷-储协同的电热微网联络线功率平滑策略。文献［7］提出一种区域内部考虑市场主体利益最优的市场交易优化策略。但文献［1-6］单从物理技术层面研究对联络线功率的控制，并未涉及通过交易手段的控制策略。文献［7］从交易层面研究对区域内部能源资源的优化配置，但未提及对断面联络线功率的影响。

本文聚焦县域内部，以县域内部自平衡为切入点，提出一种考虑断面负载率的县域内部新能源电力自平衡交易调度策略，考虑通过市场交易的手段来达到县域内部新能源电力资源的优化平衡，建立一种考虑断面负载率的日前-实时双层交易联合优化模型。

算例验证表明，该交易策略相比于仅运用储能技术的单纯物理方法可以有效降低县域与外部联络线断面负载率，提升内部新能源消纳水平。

1 县域自平衡交易调度框架

本文考虑建立包含县域电网运营商、新能源发电商（风力发电、光伏发电、蓄电池、生物质发电）、负荷聚集商［8］（储能系统、需求响应）等的县域自平衡交易调度框架，如图1所示。

图1 县域自平衡交易调度框架Fig.1 County-level self-balance transaction scheduling framework

按照“集中优化、分散控制”设计思路，推进风电、光伏、电网、储能、用能设备等智慧物联［9］和多源信息感知，基于大数据云计算平台和能量管理系统，构建县域自平衡交易调度框架，形成县域内部能源资源协同优化运行策略，促进新能源就地就近消纳。

县域自平衡交易调度层级示意如图2所示。整个县域自平衡交易调度系统通过大数据云计算仿真平台［10］，实现县域内部源、荷、储等各类可控资源的数据接入、数据处理，开展源网荷储协同运行特性建模、可视化时序仿真模拟，提供评估类服务、生产类服务、电网资源可调控能力及交易能力评估、可调负荷应用服务等辅助决策；通过构建能量管理系统［11］，制定优化运行策略，进行能量控制，实现县域内部新能源资源监测和调控。

图2 县域自平衡调度层级示意Fig.2 Hierarchy of the county-level self-balance scheduling strategy

2 县域市场交易主体架构

2.1 县域电网经营商

对于由县域市场交易主体组成的县域自平衡电网来说，需要具备一个独立单元，即县域电网经营商，其对县域内部市场交易的有序可靠运营进行行为管控。

本文构建了以县域电网经营商为主体的县域主体电力交易构架，对外部电力市场，其类似于虚拟电厂［12］（VPP），作为独立交易主体进行电力交易；对内部电力市场，其根据市场供需及各市场主体的交易意愿情况制定交易规则，达到电力资源实现就地消纳、优化配置的目的。限于研究内容，本文仅考虑对内电力市场场景。

2.2 新能源发电商

县域借助独有的地域资源优势，拥有着丰富的风光、生物质等新能源资源。在“双碳”目标下，新能源发电将掀起新一轮热潮。越来越多的投资商将目光投向炙手可热的新能源行业，逐步发展成为县域市场主体。

针对新能源出力随机性、波动性等不稳定特性，新能源发电商需要具备出色的新能源出力预测技术［13］、参与电力市场交易、参与电力系统调峰［14］等方面的能力。

新能源发电市场正面临全新的发展时期，不同模式上的不同角色都要重新审视自身链条及角色的商业价值，新能源发电商仍需更精细、更高效率的运营，才能够最大化地发挥综合效能。

2.3 负荷聚集商

县域内部的各种负荷诸如工业、商业及居民负荷等给电力市场交易运营带来不便，同时对电力调度运行带来安全隐患。负荷聚集商在用户负荷资源聚合管理方面起着提升效益、降低风险等重要作用。

县域用户侧需求响应包括企业级用户、蓄热式电锅炉、分布式储能［15］、虚拟电厂、电动汽车充电站为主的区域特色可调节负荷［16］资源库，通过构建分层级、分时段、分梯度的可调节负荷控制集群，紧密跟踪电网运行需求，来提升负荷侧有序用电能力，实现可调节负荷资源的最佳配置。

考虑建立县域需求响应长效激励机制，借助出台县域需求响应［17］支持政策和交易规则，以价格信号引导各类主体常态化参与需求响应，来实现成本和收益的合理分配。

2.4 储能系统

在新能源并网规模日益增大的趋势下，为更好平抑风光等新能源发电给电网带来的波动性，提高新能源消纳渗透率，维护电力市场有序运营，县域电网电源侧需要合理配置储能，集中式风电光伏、整县推进分布式光伏按一定比例配置储能。

县域电网需要通过灵活布局电网末端、偏远地区、负荷中心等关键节点，来发挥规模化储能参与电网调峰、调频及紧急功率的支撑作用。县域电网需要通过建设用户侧储能示范项目来灵活布局用户侧储能，探索开展电动汽车与电网互动新技术［18］（V2G）应用，发展典型新能源汇集站共享储能［19］，为做好储能并网服务和指导奠定基础［20-23］。

2.5 交易主体资产股权架构

县域市场交易主体资产股权架构如图3 所示。县域一体化运营项目吸纳县域多元化投资主体和社会资本等多渠道资金，其中电网公司具备绝对控股权，负责对县域一体化运营主体的要素投入，县域一体化运营主体则负责对县域主体项目的代理运营。

图3 县域主体资产股权架构Fig.3 Shareholding structure of the main assets of the county

3 考虑断面负载率的多市场主体自平衡电力交易调度策略

本文基于断面负载率，构建包含日前和实时交易的双层联合优化模型，首先基于断面负载率，建立日前市场交易出清优化模型，然后根据日前市场中系统运行最小化实时调整情况，构建考虑断面负载率的日前-实时双层交易联合优化模型。

3.1 考虑断面负载率的日前交易联合优化策略

3.1.1 双目标日前交易联合优化收益模型依照风光出力预测曲线，首层交易策略以县域市场主体交易经济效益、断面负载率最优为目标，协调调度内部各市场主体出力情况，构建考虑断面负载率的双目标日前交易联合优化效益模型，并将优化后的结果作为第2 层交易优化的基础，为方便起见，本文均以断面净潮流绝对值表征断面负载率情况，其目标函数为

式（1）前半部分表示整个县域t时刻电力供需差的最小算数差值，即联络线功率最小值；后半部分表示整个县域日前市场交易运行收益最大值。

3.1.2 其他约束条件

（1）调度功率平衡约束。

式中：Il，t为微网支路电流的幅值，由节点电压和导纳矩阵求得；ΩL为所有支路的集合。

（3）生物质发电出力约束。

（6）储能机组充放电和电量约束。

式中：PGE，GSE分别为与电网和天然气网的功率转化值；上标max，min分别代表上、下限值。

（7）储能约束。

式中：Pst，max，POC，max分别为储能最大充放电功率和荷电状态。

3.2 考虑断面负载率的县域主体实时市场交易优化策略

3.2.1 日前市场系统最小化实时调整费用模型

为最大化减少双层交易策略模型衔接带来的费用偏差等误差成本，依照首层交易策略优化结果，结合日前市场系统最小化实时调整费用偏差情况，其相应目标函数为

3.2.2 考虑断面负载率的实时市场收益模型

根据上层交易优化结果，依据日前-实时市场运行产生的实际偏差数据，构建考虑实时市场断面负载率的县域主体最大化效益模型，其目标函数为

4 算例分析

4.1 参数设定

本文选取某县域电网夏季大负荷日（8 月5 日）进行案例分析，为更好地研究县域新能源消纳能力，假定县域电源装机为新能源和生物质机组，其中新能源装机90 MW，夏季大负荷日最大负荷56 MW，分别通过2 个方案进行验证。方案1：通过在用户侧配15 MW/30 MW·h 的储能系统；方案2：采用本文提出的双层调度策略。本例采用Matlab 优化工具箱进行优化求解，相关参数见表1—3。

表1 风电机组和光伏阵列单元参数Table 1 Parameters of the wind turbine and PV array

表2 储能蓄电池单元参数Table 2 Parameters of the battery cell

表3 生物质发电单元机组参数Table 3 Parameters of the bio-mass generator

4.2 结果分析

光伏和风电出力大发时刻和最大负荷时刻不在同一时段，此时联络线断面上会产生潮流交换。

方案1 运用储能对其进行平抑后，断面净潮流绝对值有所下降，但总体下降范围比较有限。

方案2 通过双层市场交易策略优化过后，整个交易时段的断面净潮流绝对值呈现规模性下降，说明通过运用市场手段对县域供需资源进行整体优化配置，产生了比较宏观整体的资源调度结果。

结合实时市场主体设备运行状态，对日前时段设备出力进行修正，从而提高了设备的利用率，校准了市场主体预测精度，日前/实时市场出清电价如图4所示，日前/实时市场中标电量如图5所示。

图4 日前/实时市场出清电价Fig.4 Day-ahead/real-time market clearing price of electricity

图5 日前/实时市场中标电量Fig.5 Day-ahead/real-time bidding quota of electricity

方案1 优化前后联络线功率曲线如图6 所示。方案2优化前后联络线功率曲线如图7所示。

图6 方案1优化前后联络线功率曲线Fig.6 Tie-line power curve before and after the optimization schedule 1

图7 方案2优化前后联络线功率曲线Fig.7 Tie-line power curve before and after the optimization schedule 2

5 结束语

本文通过市场手段，提出了一种考虑断面负载率的县域内部新能源电力自平衡交易调度策略。首先介绍了县域内部自平衡市场机制和组成架构，分别建立了基于系统安全稳定约束的日前交易联合优化和考虑断面负载率的日前-实时双层交易联合优化模型，通过仿真分析，验证了该调度策略能显著提升新能源高比例消纳水平、高水准实现新能源就地平衡，减少电网阻塞及波动，降低联络线断面负载率，维护大电网稳定性，减少电网投资，对于理清输配电价定价传导机制、提高电网投资能力有着重要意义。