陳睿,何光宇,劉鎧誠,黃文英,鄧兆云,鄧勇
(1.清華大學(xué)電機系電力系統(tǒng)國家重點實驗室,北京市100084;2.廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心,廣州市510600;3.國網(wǎng)福建電力調(diào)度控制中心,福州市350003)
構(gòu)建一套科學(xué)、全面、系統(tǒng)的輸電網(wǎng)運行指標(biāo)體系,是定量評估輸電網(wǎng)運行狀態(tài)的重要基礎(chǔ)。通過該指標(biāo)體系的建立,可以實現(xiàn)對輸電網(wǎng)的全面監(jiān)測和評估,從而對其運行狀態(tài)和薄弱環(huán)節(jié)進行分析和識別,為輸電網(wǎng)的運行管理提供決策依據(jù)[1-2]。
目前國內(nèi)已開展很多針對單一運行目標(biāo)的評估方法及指標(biāo)體系的研究工作。文獻[3]設(shè)計了一套包括安全供電能力、靜態(tài)電壓安全性、拓撲結(jié)構(gòu)脆弱性、暫態(tài)安全性、風(fēng)險指標(biāo)5個方面的電網(wǎng)安全評價指標(biāo)體系;文獻[4]探討了電力市場條件下可靠性研究的新方向、可靠性指標(biāo)評價的新標(biāo)準(zhǔn)、最優(yōu)可靠性對指標(biāo)體系的新要求及大電網(wǎng)可靠性靈敏度分析等問題,并提出要建立一個能夠?qū)⒖煽啃耘c經(jīng)濟性緊密結(jié)合的新指標(biāo)體系;文獻[5]從發(fā)、輸、配、用、調(diào)度等環(huán)節(jié)出發(fā),梳理了電力低碳領(lǐng)域的相關(guān)指標(biāo)。
文獻[6]指出,由于電網(wǎng)運行目標(biāo)的復(fù)雜性,單一領(lǐng)域的指標(biāo)無法有效評估輸電網(wǎng)運行的整體情況,提出了一種系統(tǒng)的輸電網(wǎng)運行評估方法和評估指標(biāo)體系的總體架構(gòu),從結(jié)果和原因2個層面對輸電網(wǎng)運行進行評估,在評估輸電網(wǎng)運行狀態(tài)的基礎(chǔ)上,進一步挖掘運行狀態(tài)產(chǎn)生的原因,以構(gòu)建覆蓋輸電網(wǎng)各個運行目標(biāo)的指標(biāo)體系。
本文基于文獻[6]提出的輸電網(wǎng)運行評估指標(biāo)體系的總體架構(gòu)和構(gòu)建方法,分析與輸電網(wǎng)外部相連的各類實體對輸電網(wǎng)運行的需求,構(gòu)建外部需求評估指標(biāo)集,評估輸電網(wǎng)是否滿足其外部利益相關(guān)者的電能輸送需求,提供高質(zhì)量的電能輸送服務(wù)。本文的第一部分將簡要介紹文獻[6]提出的外部需求的評估方法和思路;然后,針對省級電網(wǎng)的500kV/220kV輸電網(wǎng),具體分析外部利益相關(guān)者的需求,應(yīng)采用怎樣的指標(biāo)進行評估;最后,根據(jù)上述分析,根據(jù)指標(biāo)選取原則選取評估指標(biāo),給出單時間斷面及統(tǒng)計周期時間段的外部需求指標(biāo)集。
結(jié)果評估反映了輸電網(wǎng)的整體運行狀態(tài),是輸電網(wǎng)運行評估指標(biāo)體系中最主要的部分,其總體架構(gòu)如圖1所示。一方面,調(diào)度中心做出合理的控制決策依賴于對電網(wǎng)運行狀態(tài)的分析和預(yù)測,對電網(wǎng)運行狀態(tài)進行準(zhǔn)確、及時、全面的評估是進行有效決策的前提;另一方面,決策后電網(wǎng)運行狀態(tài)也反映了調(diào)度中心的控制效果,可以作為調(diào)度中心決策后評估的依據(jù)。
圖1 結(jié)果評估的架構(gòu)Fig.1 Architecture of result evaluation
評估電網(wǎng)運行狀態(tài)的優(yōu)劣即為評估輸電網(wǎng)利益相關(guān)者的需求的滿足程度。輸電網(wǎng)的利益相關(guān)者包括配電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、互聯(lián)輸電網(wǎng)企業(yè)以及輸電網(wǎng)企業(yè)自身。它們可以分為外部利益相關(guān)者及輸電網(wǎng)企業(yè)自身2類,對應(yīng)著外部需求和內(nèi)部需求的2類需求。外部需求即指配電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、互聯(lián)輸電網(wǎng)企業(yè)對輸電網(wǎng)運行的需求。輸電網(wǎng)為配電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、互聯(lián)輸電網(wǎng)企業(yè)提供輸電服務(wù),滿足外部需求是輸電網(wǎng)運行的主要功能。同時,外部需求的變化也影響著輸電網(wǎng)的運行狀態(tài)和調(diào)控措施。
結(jié)果評估指標(biāo)集的構(gòu)建遵循“需求分析—指標(biāo)選取—指標(biāo)統(tǒng)計”的思路。特別地,針對外部需求,評估指標(biāo)集的構(gòu)建思路如圖2所示。外部利益相關(guān)者的內(nèi)部組成復(fù)雜,如發(fā)電廠就包括火電、水電、風(fēng)電、核電等多種發(fā)電形式,其需求不可一概而論。它們與輸電網(wǎng)通過為數(shù)眾多的節(jié)點相連,輸電網(wǎng)或向節(jié)點提供電能,或從節(jié)點接納電能,在節(jié)點間建立電能傳輸?shù)穆窂?。這3類利益相關(guān)者的需求具體體現(xiàn)在每一節(jié)點上。分析這3類利益相關(guān)者的需求,可將其分解、落實到與輸電網(wǎng)相連的每個相關(guān)節(jié)點的需求上。進而,按需求的類型對各個相關(guān)節(jié)點的具體需求進行分析、歸納,選取合理的指標(biāo)評估單個節(jié)點短期及長期時間內(nèi)的需求滿足程度。最后,對單節(jié)點指標(biāo)在全網(wǎng)范圍進行統(tǒng)計,從而得到評估輸電網(wǎng)整體運行狀態(tài)的指標(biāo)。
圖2 外部需求評估指標(biāo)集構(gòu)建思路Fig.2 Flow chart of constructing external demand evaluation index set
按照節(jié)點連接的對象,與輸電網(wǎng)相連的節(jié)點可分為與發(fā)電機互聯(lián)的節(jié)點(簡稱發(fā)電節(jié)點)、與配電網(wǎng)互聯(lián)的節(jié)點(簡稱配電網(wǎng)節(jié)點)以及與輸電網(wǎng)互聯(lián)的節(jié)點(簡稱聯(lián)絡(luò)線節(jié)點)。
發(fā)電節(jié)點指輸電網(wǎng)與集中式發(fā)電廠的聯(lián)絡(luò)節(jié)點,包括火電節(jié)點、水電節(jié)點、風(fēng)電節(jié)點、核電節(jié)點、光伏發(fā)電節(jié)點、大型儲能電站節(jié)點等等多種類型。根據(jù)其發(fā)電形式的不同,各種發(fā)電節(jié)點有著不同需求。
如對于一次能源不可儲存的風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電,實時出力取決于風(fēng)力、光照等自然因素,其一次能源不可儲存,發(fā)電功率隨時間波動性較強,它們期望輸電網(wǎng)能夠提高接納能力[7]。對于部分不可調(diào)節(jié)的徑流水電,其特性和需求也類似于上述新能源發(fā)電。
而對于火電、核電以及調(diào)節(jié)式水電站等,由于一次能源可以儲存,能夠制定較為明確的發(fā)電計劃,根據(jù)機組啟停特性和電廠的特點,常安排部分水電、火電廠承擔(dān)中間負荷、尖峰負荷[8-9]。調(diào)度中心根據(jù)負荷情況,可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)這些電廠的機組出力或啟停機組,以維持功率平衡。它們期望能夠減小備用容量,提高發(fā)電設(shè)備的利用率。而核電站通常維持發(fā)電出力穩(wěn)定在額定值附近,承擔(dān)基本負荷,其發(fā)出功率不可調(diào)節(jié)。調(diào)度中心應(yīng)按照其申報的功率過程曲線安排發(fā)電負荷,保證核電站安全運行。
配電網(wǎng)節(jié)點指輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)節(jié)點。
傳統(tǒng)電網(wǎng)中,配電網(wǎng)單方面從輸電網(wǎng)接收電能并向用戶供應(yīng)負荷,配電網(wǎng)本身無發(fā)電能力、可控性較弱,向配電網(wǎng)傳輸?shù)碾娔苤饕Q于隨機波動的負荷。故傳統(tǒng)配電網(wǎng)節(jié)點的功率是不可調(diào)節(jié)的,輸電網(wǎng)需在任意時刻適應(yīng)負荷的波動,向配電網(wǎng)供應(yīng)充足的電能,否則將造成電力用戶無法使用電能。
而智能電網(wǎng)強調(diào)用戶的參與,鼓勵用戶和電網(wǎng)之間的雙向互動,用戶從一個單純的電力消費者變成電網(wǎng)中的一員,不僅可以根據(jù)自身的需求定制相應(yīng)的供電服務(wù),也可根據(jù)電網(wǎng)的實際運行狀態(tài)對自身用電情況和所安裝的分布式發(fā)電設(shè)備運行狀態(tài)進行調(diào)整[10]。隨著分布式發(fā)電、智能用電設(shè)備、電動汽車等在配電網(wǎng)的逐步接入以及需求側(cè)管理技術(shù)的發(fā)展,負荷將可以在一定程度上進行調(diào)節(jié),即配電網(wǎng)對于輸電網(wǎng)的功率需求將不完全取決于電力用戶的用電情況。輸電網(wǎng)供應(yīng)的電能可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié),再由配電網(wǎng)進一步采取控制措施,滿足終端用戶的電能需求。
聯(lián)絡(luò)線節(jié)點主要指輸電網(wǎng)與互聯(lián)輸電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線節(jié)點。聯(lián)絡(luò)線分為交流聯(lián)絡(luò)線和直流聯(lián)絡(luò)線。各區(qū)域電網(wǎng)應(yīng)分別調(diào)整各自內(nèi)部的有功平衡,以實現(xiàn)整個互聯(lián)電網(wǎng)有功電力的瞬間平衡。與本地電網(wǎng)互聯(lián)的輸電網(wǎng)期望本地電網(wǎng)能夠維持功率平衡,聯(lián)絡(luò)線輸送功率維持在計劃值附近。節(jié)點類型如圖3所示。
圖3 輸電網(wǎng)的外部節(jié)點類型分類Fig.3 External node types of transmission network
輸電網(wǎng)或向節(jié)點提供電能,或從節(jié)點接納電能,在節(jié)點間建立電能傳輸?shù)穆窂?。基于自身特點,節(jié)點的需求可能各有不同。這些需求可以概括為:在特定的時間,向特定的節(jié)點,以特定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),提供或接納特定數(shù)量的電能。在特定的時間和節(jié)點上,各節(jié)點電力需求均包含相互關(guān)聯(lián)但又有本質(zhì)差別的2個量:質(zhì)量和數(shù)量。質(zhì)量,指節(jié)點處的電能質(zhì)量;數(shù)量,是指節(jié)點需要發(fā)出或接納的容量。電能的質(zhì)量一般采用電壓和頻率進行衡量;數(shù)量則一般采用有功和無功進行衡量。因此,對于輸電網(wǎng)與外部相連接的節(jié)點,一般可以用頻率、電壓以及有功、無功等表征其需求,進而評估需求的滿足程度。
應(yīng)指出的是,關(guān)于無功功率,發(fā)電方、配電網(wǎng)以及互聯(lián)電網(wǎng),對其本身并無需求,但無功是影響電壓質(zhì)量的一個重要因素。無功功率經(jīng)線路和變壓器向負荷傳輸,將產(chǎn)生電壓損耗,使得末端電壓降低,輸送距離越遠,造成的電壓降低也越嚴(yán)重。因此,在針對電壓的評估上,已考慮了此種因素,無須再對無功進行評估。下文分析的節(jié)點功率需求,主要指的是節(jié)點的有功需求。
節(jié)點對于電能質(zhì)量的需求可以從頻率和電壓2個方面進行分析。
(1)頻率。發(fā)電節(jié)點、配電網(wǎng)節(jié)點和聯(lián)絡(luò)線節(jié)點,均對全網(wǎng)頻率有所要求。應(yīng)指出的是,直流聯(lián)絡(luò)線節(jié)點,對全網(wǎng)頻率并沒有要求。
(2)電壓。為保證電力系統(tǒng)中各電力設(shè)備的正常運行,發(fā)電節(jié)點、配電網(wǎng)節(jié)點和聯(lián)絡(luò)線節(jié)點的節(jié)點電壓均應(yīng)符合電壓允許偏差范圍的要求。
輸電網(wǎng)并非產(chǎn)生電能的來源,而是傳輸電能的通道,輸電網(wǎng)從發(fā)電節(jié)點接納電能,向配電網(wǎng)節(jié)點供應(yīng)電能。因此,輸電網(wǎng)外部節(jié)點的功率需求和輸電網(wǎng)運行之間的關(guān)系,與一般意義上的客戶需求和企業(yè)運營之間的關(guān)系并不完全一致:
(1)輸電網(wǎng)滿足各節(jié)點的功率需求,其時效性要求很高。電能的發(fā)、輸、配、用同時進行,瞬間完成。輸電網(wǎng)應(yīng)在任一時刻保證對發(fā)電的充分接納、對配電網(wǎng)的可靠供電以及維持聯(lián)絡(luò)線交換功率穩(wěn)定。
(2)同時,電力系統(tǒng)的物理特性要求發(fā)電和負荷功率保持平衡。對發(fā)電節(jié)點接納電能的需求、對配電網(wǎng)節(jié)點供應(yīng)電能的需求以及聯(lián)絡(luò)線節(jié)點的功率需求,應(yīng)時刻保持平衡。
因此,節(jié)點對于輸電網(wǎng)而言有雙重含義:節(jié)點是輸電網(wǎng)的服務(wù)對象,輸電網(wǎng)應(yīng)根據(jù)節(jié)點的需求,安排電能輸送;同時,節(jié)點是輸電網(wǎng)的可調(diào)控資源,輸電網(wǎng)應(yīng)采取合理的調(diào)控策略,平衡各節(jié)點的需求。例如,輸電網(wǎng)應(yīng)充分接納發(fā)電機組發(fā)出的電能,同時,通過調(diào)節(jié)發(fā)電機組的出力,向負荷側(cè)供應(yīng)充足的電能;輸電網(wǎng)應(yīng)盡可能地滿足負荷側(cè)的用電需求,同時,也可以通過需求側(cè)管理等手段,削峰平谷,提高發(fā)電效率。
輸電網(wǎng)通過調(diào)節(jié)各節(jié)點及運用其他調(diào)控手段,以滿足節(jié)點對輸電網(wǎng)需求。毫無偏差地滿足所有節(jié)點的任何功率需求是不現(xiàn)實的。分析節(jié)點的功率需求,對其接納或供應(yīng)的電能進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)和平衡,以合理安排發(fā)電和輸電,正是輸電網(wǎng)應(yīng)當(dāng)完成的工作。
結(jié)合調(diào)度中心可采用的對節(jié)點功率的調(diào)控措施,在對功率需求的分析中,可以將節(jié)點分為兩類:第一類節(jié)點,其發(fā)出或接受的功率對于調(diào)度中心而言是不可調(diào)節(jié)的,此類節(jié)點的需求可認為是剛性的;第二類節(jié)點,調(diào)度中心可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其發(fā)出或接受的功率,此類節(jié)點的需求可認為是柔性的。在這里,節(jié)點功率的可調(diào)節(jié)性分為2個層次,首先,節(jié)點功率從物理層面是否具有可調(diào)節(jié)的能力;其次,節(jié)點與輸電網(wǎng)之間是否達成了功率可調(diào)節(jié)的協(xié)議。
由上文對各種類型節(jié)點的分析可知,發(fā)電節(jié)點中,風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電節(jié)點以及核電節(jié)點、徑流式水電節(jié)點的功率是不可調(diào)節(jié)的,而火電、有庫容的水電則參與調(diào)峰調(diào)頻;配電網(wǎng)節(jié)點中,傳統(tǒng)配電網(wǎng)節(jié)點的功率是不可調(diào)節(jié)的,而新型配電網(wǎng)則具有一定的功率調(diào)節(jié)能力;聯(lián)絡(luò)線節(jié)點的功率也應(yīng)盡量維持在計劃值。
對于功率不可調(diào)節(jié)點,一般采用點值P0或E0來表征功率或能量的需求量,評估有功的實際值滿足需求值的程度。對于功率可調(diào)節(jié)點,一般采用區(qū)間值[PMIN,PMAX]或[EMIN,EMAX]來表征功率或能量的需求量,實際值在區(qū)間內(nèi)均認為其需求得到滿足,超出區(qū)間的部分即為不滿足的程度。
根據(jù)節(jié)點類型不同,節(jié)點有功需求、相應(yīng)的需求值或需求區(qū)間的選取也有所不同,見表1。
表1 節(jié)點類型及其有功需求Tab.1 Node types and real power demand
由此,外部利益相關(guān)者的在各節(jié)點的需求分類總結(jié)見圖4,包括質(zhì)量和數(shù)量2方面的需求。
上文已明確了節(jié)點需求為何,下面選取和設(shè)計相應(yīng)的指標(biāo)評估節(jié)點需求的滿足程度。節(jié)點需求評估指標(biāo)應(yīng)包括指標(biāo)名、指標(biāo)作用、指標(biāo)計算方法、指標(biāo)界、指標(biāo)值、指標(biāo)對象、計算時段等屬性。其指標(biāo)對象為單個節(jié)點;其計算時段既有當(dāng)前斷面的,也有統(tǒng)計周期時間的;且應(yīng)盡量選用相對指標(biāo)進行評估。
圖4 外部節(jié)點需求的分類Fig.4 Classification of external demands
在單時間斷面內(nèi),節(jié)點的電壓偏差應(yīng)符合相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),電壓值越上限或下限則說明節(jié)點電壓不合格。頻率是全網(wǎng)量,無須在節(jié)點處進行評估,故無節(jié)點頻率指標(biāo)。
而對于短期(5 min)內(nèi)的有功功率需求,將節(jié)點實際功率與功率需求區(qū)間對比,求實際功率相對于功率需求區(qū)間的越限值。對于某節(jié)點i,設(shè)其當(dāng)前功率交換值 Pi,功率需求區(qū)間為特別地,對功率不可調(diào)節(jié)點則有:
該節(jié)點的短期(5 min)內(nèi)的有功功率需求滿足程度的評估指標(biāo)Ii1為
式中:Pmin,i、Pmax,i的取值根據(jù)節(jié)點類型的不同參照表1,具體指標(biāo)見表2。
表2 單節(jié)點的單時間斷面的外部需求評估指標(biāo)Tab.2 Instantaneous and single-node evaluation index of external demand
由表2可知:可調(diào)節(jié)點的出力需求值為出力區(qū)間,由機組特性及購電合同得到,若出力不越限,則評估指標(biāo)值為0,反之則為越限的大小。不可調(diào)節(jié)點的功率需求值由當(dāng)前一次能源情況下滿發(fā)出力表征,出力接納缺額為單節(jié)點實時出力與出力需求值的差值,可以評估輸電網(wǎng)對于不可調(diào)電源節(jié)點的有功出力在短期的接納程度??烧{(diào)節(jié)點的負荷需求值為負荷區(qū)間,由配電網(wǎng)特性或需求側(cè)管理得到,可調(diào)負荷節(jié)點的調(diào)節(jié)量越限值表征了由于輸電網(wǎng)運行不佳造成的中斷負荷。不可調(diào)節(jié)點的負荷需求值以負荷預(yù)測值表征,實際供電負荷與預(yù)測負荷之差反映了輸電網(wǎng)向不可調(diào)節(jié)負荷節(jié)點供應(yīng)電能的充足性。
在統(tǒng)計時間段內(nèi),可以選取和設(shè)計單節(jié)點的指標(biāo)見表3。統(tǒng)計時間段的指標(biāo)常是對于相應(yīng)的單時間斷面指標(biāo)在持續(xù)時間的曲線的分析,如平均值、波動幅度、頻率以及越限/合格持續(xù)時間等。例如,節(jié)點電壓合格率為節(jié)點電壓合格時間與總時間的相對指標(biāo)。
表3 單節(jié)點的統(tǒng)計時間段的外部需求評估指標(biāo)Tab.3 Time-period and single-node evaluation index of external demand
對表2、3的指標(biāo)在全網(wǎng)范圍內(nèi)進行統(tǒng)計,得到評估全網(wǎng)外部需求的單時間斷面和統(tǒng)計時間段的評估指標(biāo),見表4、5。一般來說,在全網(wǎng)范圍內(nèi)統(tǒng)計,是指將全網(wǎng)范圍內(nèi)的同類型節(jié)點對于某一需求的滿足程度進行統(tǒng)計。如將全網(wǎng)風(fēng)電節(jié)點的出力進行統(tǒng)計,可以得到全網(wǎng)風(fēng)電出力接納比例,評估輸電網(wǎng)對于風(fēng)電出力的接納程度。
表4 全網(wǎng)的單時間斷面的外部需求評估指標(biāo)Tab.4 Instantaneous and entire-network evaluation index of external demand
表5 全網(wǎng)的統(tǒng)計時間段的外部需求評估指標(biāo)Tab.5 Time-period and entire-network evaluation index of external demand
外部需求指的是輸電網(wǎng)運行的外部利益相關(guān)者(即配電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、互聯(lián)輸電網(wǎng)企業(yè))對輸電網(wǎng)運行的需求。外部需求滿足程度的評估反映了輸電網(wǎng)是否滿足其外部利益相關(guān)者的電能輸送需求,提供高質(zhì)量的電能輸送服務(wù),是輸電網(wǎng)運行結(jié)果評估的重要部分。
本文將輸電網(wǎng)運行的外部需求概括為:在特定的時間,向特定的節(jié)點,以特定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),提供或接納特定數(shù)量的電能。本節(jié)闡述了外部需求滿足程度的評估方法,總結(jié)了外部節(jié)點的類型,具體分析了節(jié)點的質(zhì)量和數(shù)量需求。最后,選取了合理的指標(biāo)評估在當(dāng)前斷面和統(tǒng)計時間段上的節(jié)點的外部需求的滿足程度,并由單節(jié)點指標(biāo)出發(fā),統(tǒng)計得到系統(tǒng)的評估指標(biāo),從而最終構(gòu)建了輸電網(wǎng)運行評估指標(biāo)體系的外部需求評估指標(biāo)集,反映外部需求在實時及階段的滿足程度。
本文所構(gòu)建的外部需求評估指標(biāo)集是輸電網(wǎng)運行評估指標(biāo)體系的一部分。在本文工作的基礎(chǔ)上,將繼續(xù)分析輸電網(wǎng)企業(yè)在輸電網(wǎng)運行中的需求,構(gòu)建內(nèi)部需求指標(biāo)集,從而構(gòu)成輸電網(wǎng)運行的結(jié)果評估指標(biāo)集,全面評估輸電網(wǎng)運行的狀態(tài)是否滿意。進一步,沿用文獻[6]的方法,構(gòu)建結(jié)果評估指標(biāo)的分解指標(biāo)集和相應(yīng)的決策鏈,并對決策鏈進行評估,從而完成原因評估,以挖掘輸電網(wǎng)運行狀態(tài)異常的原因。
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