CN112036031B - 一种计及灵活性承载度的电网评估与扩展规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计及灵活性承载度的电网评估与扩展规划方法，包括S1：通过分析电网线路层面的灵活性供需传输过程，基于节点间多路径资源传输机理，建立电力系统灵活性供需传输模型；S2：根据步骤S1建立的电力系统灵活性供需传输模型，构建灵活性承载度指标；其中，所述灵活性承载度指标用于量化电网线路对灵活性供需传输模型的承载能力；S3：根据步骤S2获得的灵活性承载度指标，构建基于灵活性承载度的两阶段输电网扩展规划方法，用其求解出符合条件的规划方案。本发明在评估、规划阶段改进模型，从灵活性资源和传输通道两个角度分析灵活性供需平衡情况，有效解决传输通道限制导致的灵活性不足，有利于RES的消纳与电网安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及电网评估与扩展规划技术领域，具体涉及一种计及灵活性承载度的电网评估与扩展规划方法。
背景技术
当前资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化，高比例可再生能源(RenewableEnergy Sources，RES)发电成为解决全球能源危机的有效手段。截至2019年，中国RES发电装机容量约占全部电力装机的40.8％，同比上升8.5％，RES的清洁替代作用日益突显。国内外学者已经意识到，出现这些现象的本质是电力系统灵活性不足。可见，全新场景下，灵活性已成为电力系统运行的核心和关键。因此，全面评估电力系统灵活性，分析其影响因素，进而针对系统薄弱环节进行改进和升级，具有重要意义。
在新形势下，围绕灵活性量化，各国学者已有一定研究，如从功率调节范围，RES出力和负荷的波动特性、电网容量充裕度及电源接纳适应性等角度进行分析，并针对灵活性的不同特征，提出多种评价指标，如可用灵活性资源与峰值需求的比值、系统所能适应的最大不确定性变化范围等。部分学者从概率角度出发，提出爬坡资源不足概率(IRRP)、爬坡资源不足期望(IRRE)、灵活性包络线等一系列评价指标。以上指标可为评估电力系统灵活性提供依据。
基于灵活性定量评价方法，国内外学者开始探索革新系统规划框架，进而提高系统灵活性。在需求侧响应、风水气火多种电源、源荷储多类型灵活性资源等被纳入灵活性规划模型的背景下，电网技术第42卷第6期1760-1767段构建了嵌入先校验失负荷概率(LOLP)约束的网架规划模型，为灵活性规划计算奠定基础。电力系统自动化第42卷第11期32-40段建立了融合多场景的分层协同优化模型，可有效提升系统运行灵活性。电力系统自动化第42卷第5期56-63段建立了基于运行状态的灵活性指标，提出考虑网源协调的输电网灵活性规划模型。
然而，对于电力系统灵活性评价与规划方法的研究众多且从不同角度出发，但不足之处在于现有研究主要集中于灵活性供需匹配层面，缺乏对灵活性供需传输过程的分析，忽略了电网线路传输承载能力对灵活性供需传输的影响。而实际运行中，系统能用于调节的灵活性资源并不直接等同于各灵活性资源的累加，节点间的灵活性供需交互在传输通道具有充足传输承载能力时才可完全实现。否则，即使系统提供的灵活性资源在容量上满足总灵活性需求，仍可能发生“灵活性资源不可用”导致灵活性不足的情况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有电力系统灵活性评价与规划方法主要集中于灵活性供需匹配层面，缺乏对灵活性供需传输过程的分析，忽略了电网线路传输承载能力对灵活性供需传输的影响；而实际运行中，系统能用于调节的灵活性资源并不直接等同于各灵活性资源的累加，节点间的灵活性供需交互在传输通道具有充足传输承载能力时才可完全实现；否则，即使系统提供的灵活性资源在容量上满足总灵活性需求，仍可能发生“灵活性资源不可用”导致灵活性不足的情况。
本发明目的在于提供一种计及灵活性承载度的电网评估与扩展规划方法，基于上述分析，本发明在评估、规划阶段改进模型，从灵活性资源和传输通道两个角度分析灵活性供需平衡情况，将有效解决传输通道限制导致的灵活性不足，有利于RES的消纳与电网安全运行。
本发明通过下述技术方案实现：
一种计及灵活性承载度的电网评估与扩展规划方法，该方法包括以下步骤：
S1：通过分析电网线路层面的灵活性供需传输过程，基于节点间多路径资源传输机理，建立电力系统灵活性供需传输模型；
S2：根据步骤S1建立的电力系统灵活性供需传输模型，构建灵活性承载度指标；其中，所述灵活性承载度指标用于量化电网线路对灵活性供需传输模型的承载能力；
S3：根据步骤S2获得的灵活性承载度指标，构建基于灵活性承载度的两阶段输电网扩展规划方法，得到电网规划方案、电网扩展规划结果；所述基于灵活性承载度的两阶段输电网扩展规划方法包括：第一阶段的电网态势评估、第二阶段的电网扩展规划；包括：
S31：第一阶段的电网态势评估，通过建立灵活性评价指标体系，判断当前电力系统灵活性供需是否匹配；分析并得出电网灵活性评估结果，所述评估结果为电力系统灵活性是否充足；
S32：根据第一阶段的电网态势评估得到的评估结果，通过第二阶段的电网扩展规划，指导第二阶段的电网规划建设，使电力系统状态朝有利灵活性提升的方向进行调整；且电网每扩建一次，均返回第一阶段的电网态势评估，进行重新评估，直到求解出符合条件的电网规划方案。
工作原理是：基于现有电力系统灵活性评价与规划方法主要集中于灵活性供需匹配层面，缺乏对灵活性供需传输过程的分析，忽略了电网线路传输承载能力对灵活性供需传输的影响问题。本发明考虑到了灵活性资源和传输通道两个方面对于电力系统灵活性供需平衡的影响，并使用灵活性承载度这一概念对电网线路传输灵活性供需的承载能力进行量化，更加符合电力系统的实际情况。具体地，本发明首先通过分析电网线路层面的灵活性供需传输过程，基于节点间多路径资源传输机理，建立电力系统灵活性供需传输模型；然后，定义灵活性承载度以量化电网线路对灵活性供需传输的承载能力；在此基础上，提出计及灵活性承载度的供需平衡评估方法，该方法可动态反映电网的运行状态和灵活性资源传输情况，完善灵活性供需平衡机理，阐明电网灵活性缺额成因，有效辨识系统薄弱环节。最后，提出基于灵活性承载度的两阶段输电网扩展规划方法，并在实施例中利用Garver-18节点系统验证合理性和有效性。
本发明所计及灵活性承载度的电网评估与扩展规划方法可挖掘线路输送潜力，扩展线路灵活运行空间，有效提升电力系统灵活性；可有效展示电网态势，识别电网薄弱环节，辨识灵活性不足成因，为扩展规划提供针对性指导，既能避免输电线路传输限制导致的灵活性不足，又能防止过度建设造成不必要的资源浪费，提高投资效率。
进一步地，步骤S1中电力系统灵活性供需传输模型，具体过程如下：
电力系统的灵活性供需平衡关系受制于节点灵活性资源的充裕程度及电网线路传输承载能力。节点处的灵活性资源既可就近满足该节点处的灵活性需求，又可通过电网线路向其他出现灵活性需求的节点提供支撑与供应。
因此，在灵活性供需平衡过程中，需综合考虑灵活性资源与电网线路的配合作用，通过合理的电网结构实现对分散节点灵活性资源的空间传导与优化调度，最终满足电力系统的灵活性需求。
1.1、电力系统节点灵活性供给模型
节点灵活性供给能力与该节点处灵活性资源的爬坡能力和调节能力密切相关。以可调机组为例，电力系统节点灵活性供给量为该节点处所有可调机组灵活性供给量之和，表示如式(1)～(2)所示：
式中，
分别为电力系统节点上、下调灵活性供给量；τ为可再生能源出力预测步长，即灵活性需求时间尺度；
分别为第m台机组上、下调节功率的速率；
Pg,m(t)分别为第m台机组最大、最小和当前输出功率。
1.2电力系统节点灵活性需求模型
节点灵活性需求主要来源于净负荷功率波动与其对应的预测误差。本发明假设预测误差均服从正态分布，且期望为零，则t时刻节点净负荷范围，如式(3)所示：
式中，
分别表示t时刻节点净负荷实际值与预测值，δ表示误差限。净负荷功率边界即为节点灵活性需求边界，如式(4)～(5)所示：
式中，
分别为节点上、下调灵活性最大需求。
若灵活性资源能满足边界处的灵活性需求，则必定能满足系统中可能出现的所有灵活性需求。节点灵活性需求边界如图2所示。
1.3电力系统灵活性供需传输模型
基于节点间多路径资源传输机理，可知节点处的灵活性资源将按照一定的分配比例通过线路传输至灵活性需求处，实现灵活性供需的转移。节点与线路之间存在大量传输通道，二者可通过灵活性供需分配比例建立联系。
本发明定义灵活性资源转移分布因子(Flexible Resource Shift DistributionFactor，FRSDF)以表征节点灵活性供给量在线路上的分配情况。FRSDF是指在实现灵活性供需平衡的过程中，节点处可调机组有功输出功率改变引起的线路潮流变化量。因此，t时刻线路i的上、下调灵活性供给传输量表示如式(6)～(7)所示：
式中，
分别为t时刻线路i的上、下调灵活性供给传输量，k表示系统中节点数。
同理，定义灵活性需求转移分布因子(Flexible Demand Shift DistributionFactor，FDSDF）以表征节点灵活性需求量在线路上的分配情况。t时刻线路i的上、下调灵活性需求传输量表示如式(8)～(9)所示：
式中，
分别为上、下调灵活性需求传输量。
1.4电力系统灵活性供需平衡条件
本发明采用风电基地-负荷中心的简单系统分析灵活性供需平衡情况，具体如图3所示。
其中，灵活性资源由风电基地A内部可调机组提供，灵活性需求来源于系统净负荷波动与误差。电力系统灵活性供需平衡描述如下式所示：
式中，FD,t、
分别表示t时刻电力系统灵活性供需平衡情况、经FRSDF折算出的灵活性供给传输量、输电线路B实际传输能力、经FDSDF折算出的灵活性需求传输量。
当FD,t≥0时，代表灵活性供给实际传输量可匹配灵活性需求实际传输量，系统灵活性充足。反之，当FD,t<0时，系统灵活性不足，原因有二：1.风电基地A内部可调机组提供灵活性资源不足2.输电线路B传输能力受限。
综上所述，当灵活性资源供给能实现对边界处灵活性需求的包络，且具备同样水平的传输承载能力时，说明线路实际灵活性供给传输量可匹配需求传输量，即系统灵活性充足。
进一步地，步骤S2中的构建灵活性承载度指标，并计及灵活性承载度的供需平衡评估方法，计及灵活性承载度的供需平衡评估方法供步骤S3中的第一阶段的电网态势评估使用。具体过程如下：
2.1灵活性承载度
电网线路作为支撑平台，本身不提供或消耗灵活性资源，但会影响灵活性资源的传输情况与利用效率。当前研究普遍将线路最大允许传输容量作为灵活性传输能力的边界，而对灵活性传输过程的考虑较少。若仅将线路传输容量作为约束分析，无法准确量化线路传输限制对灵活性的影响程度及潮流分布的变化情况。
本发明将灵活性概念适当外延，提出灵活性承载度(flexibility carryingcapacity，FCC)的概念，用于定量描述电网线路在电力系统灵活性供需平衡中的作用。定义如下：在所关注时间尺度的有功平衡中，电网线路在系统优化调配各类可用资源，实现灵活性供需平衡中的传输承载能力。
灵活性承载度除具有方向性、多时空性、概率性、状态相依性等特性外，结构特性尤为突出。其取值与线路在电网拓扑结构中的空间分布及电网实际运行状态密切相关，应由线路灵活性供需传输情况决定。
因此，本发明首先定义线路上、下调灵活性调节容纳量
来表示线路在当前时刻还能容纳的灵活性调节量，如式(11)～(12)所示：
式中，Pi,Lmax为线路i的最大允许传输容量，
为线路前一时刻的传输功率值。
与此对应，定义线路上、下调灵活性需求传输量
如式(13)～(14)所示：
综上，本发明构建考虑结构和状态的灵活性承载度指标
如式(15)～(16)所示：
灵活性承载度与节点灵活性的关系如图4所示。在节点侧，将灵活性供给与需求分别视为正向和反向能量流入，受灵活性资源供给空间分布的限制，节点需依靠线路，按照FRSDF和FDSDF完成灵活性供需转移；在网络侧，需以灵活性承载度作为转移过程中的限制条件，从而实现线路层面灵活性供需匹配。
2.2计及灵活性承载度的供需平衡评估方法
当系统灵活性供需平衡时，各传输通道上也应处于平衡状态。为了更加清晰的判断电力系统灵活性不足成因，辨识系统薄弱环节，本发明以单条线路为例，说明计及灵活性承载度的电力系统灵活性供需平衡评估方法。
定义线路灵活性Fi t如式(17)所示：
定义线路灵活性资源供给度
如式(18)所示：
定义线路灵活性承载度
如式(19)所示：
线路运行状态与灵活性供需关系示意图如图5所示。图上A、B、C、D是经过FDSDF折算后线路当前灵活性需求传输量的运行点，当运行点高于曲线2时表示系统灵活性不足成因是灵活性承载度短缺；当运行点高于曲线1时表示系统灵活性不足成因是灵活性资源短缺。
运行点与灵活性指标的对应关系如表1所示。
表1运行点与灵活性指标的对应关系表
进一步地，步骤S3中，根据步骤S2获得的灵活性承载度指标，构建基于灵活性承载度的两阶段输电网扩展规划方法，用其求解出符合条件的规划方案。具体如下：
为更加全面地评估电力系统灵活性，建立计及系统级灵活性、灵活性资源、线路灵活性传输情况的多类灵活性指标。系统级的灵活性指标能够反映当前灵活性供需是否匹配，如果系统灵活性不足，则应能够通过灵活性资源指标、输电线路灵活性指标定位薄弱环节。
步骤S3中所述第一阶段的电网态势评估，通过建立灵活性评价指标体系，判断当前电力系统灵活性供需是否匹配；其中，灵活性评价指标体系包括电力系统灵活性评价指标、拟扩建灵活性资源评价指标、拟扩建线路评价指标。
3.1电力系统灵活性评价指标
定义电力系统上、下调灵活性不足率分别为η、μ如式(20)～(21)所示：
式中，TU,suf、TU,ins分别表示上调灵活性充足、不足时间；TD,suf、TD,ins分别表示下调灵活性充足、不足时间。
3.2拟扩建灵活性资源评价指标
定义电力系统线路灵活性资源供给平均不足量Qi如式(22)所示：
式中，TR,ins为出现灵活性资源不足的时段之和。
定义拟扩建灵活性资源收益/投资比εg如式(23)～(24)所示：
式中，PFxi指在节点i处扩建机组xi后，利用评估阶段运行模拟出系统在规划年内的总收益；Fxi指机组扩建费用的等额年金；Ci为机组xi的扩建投资现值，r为银行年复利利率，n为工程经济适用年限。该指标可反映拟扩建灵活性资源盈利能力。
3.3拟扩建线路评价指标
定义线路灵活性承载度平均不足量Ai如式(25)所示：
式中，TC,ins为出现灵活性承载度不足的时段之和。该指标可反映灵活性承载度缺额严重程度。
定义线路灵活性承载度不足量离散程度Bi如式(26)所示：
式中，t为出现灵活性承载度不足的时段。该指标可反映灵活性承载度缺额的冲击程度。
拟扩建线路的灵活性传输情况要综合考虑承载度缺额平均水平与缺额离散程度。定义线路灵活性承载度不足综合指标Hi如式(27)所示：
Hi＝Ai+λBi (27)
式中，λ为对线路灵活性承载度缺额离散程度赋予的权重因子，其可有效避免单纯求平均缺额造成的遮蔽现象。
线路综合指标越高，则灵活性承载度缺额越多，系统实际运行状态较平均运行状态的偏移程度越大，线路越容易出现“短时大量”灵活性缺额，给系统带来的冲击更强，表明线路的灵活性传输承载能力受限越严重。
根据线路上、下调灵活性承载度不足程度与理想化目标的接近程度建立拟扩建线路综合指标
如式(28)所示：
定义拟扩建线路收益/投资比ε，以此反映拟投建线路盈利能力，计算方法类似于εg.。
3.4基于灵活性评估的两阶段输电网扩展规划
输电网规划是大规模、高维度、非线性的问题，具有较高求解难度。因此，本发明提出了基于灵活性评估的两阶段输电网扩展规划方法，具体规划思路如图6所示。
第一阶段根据经济性指标、灵活性指标显示电网当前态势和未来发展趋势，得到电网评估结果，并反馈至规划方向。在此基础上，第二阶段利用收益/投资比、拟扩建线路综合指标、灵活性资源指标进行针对性地扩展规划。每扩建一次，均需回到第一阶段，重新评估。两阶段之间相互影响，相互迭代，直到求解出符合条件的规划方案。
进一步地，所述第一阶段的电网态势评估采用多时段直流最优潮流对电网系统态势进行运行模拟，得到电网评估结果；具体包括：
步骤A，以机组每个时段的发电成本Fu1、电网上调灵活性不足成本Fu2及下调灵活性不足成本Fu3之和最小为优化目标，目标函数如式(29)～(30)所示:：
min Fu1+Fu2+Fu3 (29)
式中，s为选取的典型运行场景；NG为调节机组集合；Nw为风电场集合；Nd为所有节点集合；ck2、ck1、ck0为发电机成本参数；
为s场景下t时刻调节机组的实际出力；
分别为弃风和切负荷成本费用；wi,s、ri,s分别表示弃风容量和切负荷容量；
步骤B，构建目标函数相应的约束条件如式(31)～(37)，式(31)表示潮流平衡约束；式(32)、式(33)分别表示灵活性机组容量和爬坡速率约束；式(34)、式(35)表示弃风、切负荷容量约束；式(36)表示运行潮流约束；式(37)为N-1运行状态下，机组及线路的运行状态约束。
-Bθs+PG,s+PW,s+PF,s+ws+rs＝Ds s∈NF (31)
0≤wi,s≤PWi,s i∈NW (34)
0≤ri,s≤Di,s i∈ND (35)
式中，NF为典型运行场景集合；B，θs，PG,s，PW,s，PF,s，ws，rs，Ds分别为系统节点导纳矩阵、节点电压相角向量、系统节点常规发电机出力向量、RES出力向量、灵活性资源出力向量、弃风容量向量，切负荷容量向量，负荷功率向量；其中，对于灵活性资源出力向量，上调灵活性出力为正，下调灵活性出力为负；
分别为s场景下t时刻调节机组出力的上、下限；PWi,s、Di,s分别表示风电场出力和切负荷容量限制；
为调节机组的爬坡速率；Pij和
分别为线路(i,j)的实际功率与最大容量；
为N-1运行状态下线路(i,j)的实际功率；
为N-1运行状态下机组i的出力；
分别为N-1运行状态下的线路集合和系统机组集合；
步骤C，根据步骤A和步骤B，求解步骤A中的目标函数。
进一步地，步骤S32根据第一阶段评估结果，指导本阶段电网规划建设，使系统状态朝有利灵活性提升的方向进行调整，包括如下子步骤：
S321，根据所述第一阶段的电网态势评估识别出的电网系统薄弱环节，形成待建灵活性资源集合G0与拟扩建线路集合S0；
S322，按照拟扩建灵活性资源收益/投资比εg由高到低排序，在满足新建机组数目h小于d处待建机组数最大值hdmax的前提下，对待建灵活性资源进行投建；每扩建一次，需回到所述第一阶段的电网态势评估，重新评估电网，直到拟扩建灵活性资源集G0中所有待选机组均不满足约束条件，则结束灵活性资源扩建；
S323，在满足拟扩建线路收益/投资比ε大于给定阈值ε0的前提下，对大于综合指标阈值
的线路集合，按照
由高到低进行扩建；每扩建一次，需回到所述第一阶段的电网态势评估，重新评估电网，直到拟扩建线路集S0中所有待选线路均不满足要求，则结束电网线路扩建，且当前确定的扩建方案即为最终规划方案。
本发明的关键点如下：
(1)、计及灵活性承载度的供需平衡评估方法。现有的电网灵活性研究主要集中于灵活性供需匹配层面，忽略了电网线路传输承载能力对灵活性供需传输的影响，无法准确反映实际情况。鉴于此，本发明提出灵活性承载度这一概念，定义为在所关注时间尺度的有功平衡中，电网线路在系统优化调配各类可用资源，实现灵活性供需平衡中的传输承载能力。并且站在灵活性资源和传输通道两个角度分析灵活性供需平衡情况，提出计及灵活性承载度的供需平衡评估方法，此方法定义了线路灵活性、线路灵活性资源供给度、线路灵活性承载度三个指标，通过比较该指标的正负，可判断电网灵活性缺额成因，辨识系统薄弱环节。
(2)、基于灵活性评估的两阶段输电网扩展规划。本发明基于第一点的评估方法，建立了灵活性评价指标体系，能够判断当前灵活性供需是否匹配，并定位系统薄弱环节。相比于传统的输电网规划方法，本发明综合考虑传统经济性、以及计及灵活性承载度的灵活性，构建了两阶段输电网扩展规划方法；第一阶段对电网态势进行评估，第二阶段对电网扩展规划，两阶段之间相互影响，相互迭代。该方法可挖掘线路输送潜力，扩展线路灵活运行空间，有效提升电力系统灵活性；可有效展示电网态势，识别电网薄弱环节，辨识灵活性不足成因，为扩展规划提供针对性指导。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明其考虑到了灵活性资源和传输通道两个方面对于电力系统灵活性供需平衡的影响，并使用灵活性承载度这一概念对电网线路传输灵活性供需的承载能力进行量化，更加符合电力系统的实际情况。实验仿真结果表明，本发明所提评估规划方法可挖掘线路输送潜力，扩展线路灵活运行空间，有效提升电力系统灵活性；可有效展示电网态势，识别电网薄弱环节，辨识灵活性不足成因，为扩展规划提供针对性指导，既能避免输电线路传输限制导致的灵活性不足，又能防止过度建设造成不必要的资源浪费，提高投资效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种计及灵活性承载度的电网评估与扩展规划方法流程图。
图2为本发明节点灵活性需求边界示意图。
图3为本发明电力系统灵活性供需平衡情况分析示意图
图4为本发明节点灵活性与灵活性承载度关系图。
图5为本发明线路运行状态与灵活性供需关系示意图。
图6为本发明构建的基于灵活性承载度的两阶段输电网扩展规划方法的两阶段输电网灵活性扩展规划思路图。
图7为本发明的基于灵活性承载度的两阶段输电网扩展规划方法的求解流程图。
图8为本发明实施例中规划前后各时段上、下调灵活性承载度不足量。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例
如图1至图8所示，本发明一种计及灵活性承载度的电网评估与扩展规划方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1：通过分析电网线路层面的灵活性供需传输过程，基于节点间多路径资源传输机理，建立电力系统灵活性供需传输模型；
S2：根据步骤S1建立的电力系统灵活性供需传输模型，构建灵活性承载度指标；其中，所述灵活性承载度指标用于量化电网线路对灵活性供需传输模型的承载能力；
S3：根据步骤S2获得的灵活性承载度指标，构建基于灵活性承载度的两阶段输电网扩展规划方法，用其求解出符合条件的规划方案；图7为本发明的基于灵活性承载度的两阶段输电网扩展规划方法的求解流程图；所述基于灵活性承载度的两阶段输电网扩展规划方法包括：第一阶段的电网态势评估、第二阶段的电网扩展规划；包括：
S31：第一阶段的电网态势评估，通过建立灵活性评价指标体系，判断当前电力系统灵活性供需是否匹配；分析并得出电网灵活性评估结果，所述评估结果为电力系统灵活性是否充足；
S32：根据第一阶段的电网态势评估得到的评估结果，通过第二阶段的电网扩展规划，指导第二阶段的电网规划建设，使电力系统状态朝有利灵活性提升的方向进行调整；且电网每扩建一次，均返回第一阶段的电网态势评估，进行重新评估，直到求解出符合条件的电网规划方案。
根据上述方法步骤进行实施：
1、实施案例描述：本发明以西南地区某风电场的历史预测、实测数据等为基础，采用GMM方法聚类，形成4个典型风电出力预测场景。利用修改后的Garver-18节点系统进行仿真。
2、现有电网评估结果：
2.1现有电网评估结果，现有电网评估结果如表2所示：
表2现有电网评估结果
| 指标名称 | 数值 |
| 总成本/万元 | 1.1362×10<sup>8</sup> |
| 上调灵活性不足成本/万元 | 5.4245×10<sup>7</sup> |
| 下调灵活性不足成本/万元 | 5.9338×10<sup>7</sup> |
| 上调灵活性不足率/％ | 44.67 |
| 下调灵活性不足率/％ | 48.36 |
| 系统上调灵活性资源不足量/(MW·h) | 3.5982×10<sup>4</sup> |
| 系统下调灵活性资源不足量/(MW·h) | 3.7715×10<sup>4</sup> |
| 系统上调灵活性承载度不足量/(MW·h) | 4.5982×10<sup>6</sup> |
| 系统下调灵活性承载度不足量/(MW·h) | 4.7932×10<sup>6</sup> |
由表2结果可知，1)现有电网存在较大灵活性不足，上、下调灵活性不足率分别达到44.67％、48.36％。现有电网无法应对强不确定性，电网安全运行受到威胁，亟需进行扩展规划建设。2)出现灵活性承载度不足，说明线路缺乏足够的支撑承载能力，会破坏电网灵活性传输；灵活性承载度不足量显著高于灵活性资源不足量，说明系统灵活性不足的主要原因是灵活性资源传输承载受限，灵活性资源层面的不足影响相对较小。同时，证明了本发明所提指标与理论的正确性。
由此可推论，传统的灵活性规划方法未考虑电网线路传输承载能力，无法准确分析电网灵活性不足成因。因此，有必要在灵活性规划中计及线路灵活性承载度。
2.2影响灵活性传输的主要线路
不同线路的灵活性传输承载能力不同，对系统灵活性的影响存在差异。本发明通过计算分析线路灵活性承载度与灵活性资源相关指标，可得到制约电网灵活性传输的主要线路，辨识出电网薄弱环节。
现有电网部分线路指标如表3所示：
表3现有电网部分线路指标
表3结果表明：
1)所列线路均存在不同程度的灵活性传输不足，相比较而言，支路10-18、9-10、17-18、16-17的灵活性承载度平均缺额及拟扩建线路综合指标都较高，为制约电网灵活性传输的主要线路，亟需扩建。支路7-13、8-9对灵活性传输影响相对较小，支路1-2则几乎无影响。
2)由支路17-18与支路16-17结果对比可知，支路17-18综合指标更高，而平均缺额更小，说明支路17-18灵活性承载度缺额波动更严重，冲击程度高，实际灵活性传输受限更严重。表明所提综合指标可同时表征灵活性承载度缺额严重程度与缺额的冲击程度。
3)支路8-9灵活性资源供给平均不足量几乎为零，而灵活性承载度平均缺额较高。传统方法将认为此时系统灵活性资源不足，但实际制约支路8-9灵活性供需平衡的主要因素是线路灵活性传输承载能力。
4)支路1-2的灵活性承载度平均缺额几乎为零，灵活性资源供给平均不足量较高。表明实际制约支路1-2灵活性供需平衡的主要因素是灵活性资源供给情况。
5)由支路8-9与支路1-2的结果对比，可证明本发明所提方法在辨识线路灵活性不足成因，识别薄弱环节的有效性，证明灵活性资源供给与线路传输承载能力将同时影响灵活性供需平衡。
3、规划结果
根据以上结果呈现，综合分析可知，现有电网存在灵活性资源不足与线路灵活性承载度不足双重问题，亟需进行扩展规划。利用本发明基于灵活性承载度的两阶段输电网扩展规划方法，得到电网规划方案、电网扩展规划结果如表4、表5所示：
表4电网扩展规划方案及机组建设情况
表5电网扩展规划结果
| 指标名称 | 数值 |
| 总成本/万元 | 5.3401×10<sup>6</sup> |
| 上调灵活性不足成本/万元 | 1.6234×10<sup>5</sup> |
| 下调灵活性不足成本/万元 | 1.7328×10<sup>5</sup> |
| 上调灵活性不足率/％ | 4.92 |
| 下调灵活性不足率/％ | 6.98 |
| 系统上调灵活性资源不足量/(MW·h) | 4598.50 |
| 系统下调灵活性资源不足量/(MW·h) | 5242.39 |
| 系统上调灵活性承载度不足量/(MW·h) | 1.6093×10<sup>4</sup> |
| 系统下调灵活性承载度不足量/(MW·h) | 1.7256×10<sup>4</sup> |
由表5与表2数据对比可知，规划后电网总成本显著下降，灵活性资源、灵活性承载度缺额显著降低，上、下调灵活性不足率下降至4.92％、6.98％。可见，所得扩建方案付出了有效的建设成本，通过少量线路建设和灵活性机组建设，缓解了电网输送压力。上、下调灵活性承载度不足量分别下降99.65％、99.64％，显著提高各类灵活性指标，能更好地抵御RES波动。
规划前后某一线路灵活性承载度指标在同一天中的变化如图8所示。可知，规划前几乎每个时段下都会出现线路灵活性承载度缺额，无法满足系统应对不确定性的要求。而规划后出现灵活性缺额的时段显著减少，即使出现缺额，缺额量也显著下降，改善效果明显。
综上所述，本发明所提基于灵活性承载度的两阶段输电网扩展规划方法，可有效识别电网薄弱环节，挖掘线路输送潜力，扩展线路灵活运行空间，提升电力系统灵活性。既避免输电线路传输限制导致灵活性不足，又防止过度建设，提高投资效率。验证了规划的有效性与合理性。
4、灵活性承载度指标灵敏度分析
规划阶段各类参数具有一定不确定性，将影响灵活性承载度指标最终结果。因此，需要进行灵敏度分析。本发明以Garver-18节点系统为例，利用本发明所得规划方案，讨论以下几个方面的灵敏度分析：①风电容量渗透率②风电出力预测误差。
4.1风电容量渗透率对灵活性承载度的影响
本发明分析不同风电容量渗透率下，灵活性承载度指标计算结果，如表6所示：
表6不同风电容量渗透率下灵活性承载度不足量
可以看出，随着风电容量渗透率的增加，净负荷波动将更剧烈，并逐渐扩大灵活性需求边界，进而导致灵活性需求传输量明显上升。然而，受线路传输能力限制，灵活性容纳量变化不大，表现为1)灵活性承载度不足量明显上升；2)不足量增幅逐渐加快，增加比例明显。4.2风电出力预测误差对灵活性承载度的影响
本发明分析不同风电出力预测误差下，灵活性承载度指标计算结果，如表7所示：
表7不同风电出力预测误差下灵活性承载度不足量
可以看出，随着风电出力预测置信度的增加，风电出力预测误差增大，实际风电波动幅度增大，系统需要更强的调节能力来应对不确定性，导致灵活性需求传输量显著上升，但由于电网线路传输承载能力有限，系统无法适应增加的需求，表现为1)灵活性承载度不足量明显上升；2)不足量增幅逐渐加快，增加比例明显。
综合分析可知，规划人员可采用本发明方法，通过调整RES接入比例，综合评估RES出力预测误差水平，合理配置灵活性机组，改变电网规划的建设规模和布局，制定更加合理的规划方案。
因此，本发明方法考虑到了灵活性资源和传输通道两个方面对于电力系统灵活性供需平衡的影响，并使用灵活性承载度这一概念对电网线路传输灵活性供需的承载能力进行量化，更加符合电力系统的实际情况。实验仿真结果表明，本发明所提评估规划方法可挖掘线路输送潜力，扩展线路灵活运行空间，有效提升电力系统灵活性；可有效展示电网态势，识别电网薄弱环节，辨识灵活性不足成因，为扩展规划提供针对性指导，既能避免输电线路传输限制导致的灵活性不足，又能防止过度建设造成不必要的资源浪费，提高投资效率。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种计及灵活性承载度的电网评估与扩展规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：通过分析电网线路层面的灵活性供需传输过程，基于节点间多路径资源传输机理，建立电力系统灵活性供需传输模型；
S2：根据步骤S1建立的电力系统灵活性供需传输模型，构建灵活性承载度指标；其中，所述灵活性承载度指标用于量化电网线路对灵活性供需传输模型的承载能力；
S3：根据步骤S2获得的灵活性承载度指标，构建基于灵活性承载度的两阶段输电网扩展规划方法，得到电网规划方案、电网扩展规划结果；所述基于灵活性承载度的两阶段输电网扩展规划方法包括：第一阶段的电网态势评估、第二阶段的电网扩展规划；包括：
S31：第一阶段的电网态势评估，通过建立灵活性评价指标体系，判断当前电力系统灵活性供需是否匹配；分析并得出电网灵活性评估结果，所述评估结果为电力系统灵活性是否充足；
S32：根据第一阶段的电网态势评估得到的评估结果，通过第二阶段的电网扩展规划，指导第二阶段的电网规划建设，使电力系统状态朝有利灵活性提升的方向进行调整；且电网每扩建一次，均返回第一阶段的电网态势评估，进行重新评估，直到求解出符合条件的电网规划方案。
2.根据权利要求1所述的一种计及灵活性承载度的电网评估与扩展规划方法，其特征在于，步骤S1中建立电力系统灵活性供需传输模型，t时刻线路i的上、下调灵活性供给传输量表示公式为：
式中，
为t时刻线路i的上调灵活性供给传输量，
为t时刻线路i的下调灵活性供给传输量，k表示系统中节点数；FRSDF为灵活性资源转移分布因子，指在实现灵活性供需平衡的过程中，节点处可调机组有功输出功率改变引起的线路潮流变化量；
分别为电力系统节点上、下调灵活性供给量；τ为可再生能源出力预测步长，即灵活性需求时间尺度；
t时刻线路i的上、下调灵活性需求传输量表示公式为：
式中，
为上调灵活性需求传输量，
为下调灵活性需求传输量；FDSDF为灵活性需求转移分布因子，以表征节点灵活性需求量在线路上的分配情况；
分别为节点上、下调灵活性最大需求。
3.根据权利要求2所述的一种计及灵活性承载度的电网评估与扩展规划方法，其特征在于，步骤S2中的灵活性承载度指标
公式为：
式中，
为上调灵活性承载度；
为下调灵活性承载度；
为电网线路上调灵活性调节容纳量，
为电网线路下调灵活性调节容纳量；
为电网线路上调灵活性需求传输量，
为电网线路下调灵活性需求传输量；具体地：
式中，Pi,Lmax为线路i的最大允许传输容量，
为线路前一时刻的传输功率值。
4.根据权利要求1所述的一种计及灵活性承载度的电网评估与扩展规划方法，其特征在于，步骤S3中所述第一阶段的电网态势评估，通过建立灵活性评价指标体系，判断当前电力系统灵活性供需是否匹配；其中，灵活性评价指标体系包括电力系统灵活性评价指标、拟扩建灵活性资源评价指标、拟扩建线路评价指标。
5.根据权利要求4所述的一种计及灵活性承载度的电网评估与扩展规划方法，其特征在于，所述电力系统灵活性评价指标为电力系统上、下调灵活性不足率，分别为η、μ，公式分别为：
式中，TU,suf、TU,ins分别表示上调灵活性充足、不足时间；TD,suf、TD,ins分别表示下调灵活性充足、不足时间。
6.根据权利要求4所述的一种计及灵活性承载度的电网评估与扩展规划方法，其特征在于，所述拟扩建灵活性资源评价指标为收益/投资比εg，公式如下：
式中，PFxi指在节点i处扩建机组xi后，利用评估阶段运行模拟出系统在规划年内的总收益；Fxi指机组扩建费用的等额年金；Ci为机组xi的扩建投资现值，r为银行年复利利率，n为工程经济适用年限。
7.根据权利要求4所述的一种计及灵活性承载度的电网评估与扩展规划方法，其特征在于，所述拟扩建线路评价指标
公式为：
Hi＝Ai+λBi
式中，Hi为线路灵活性承载度不足综合指标，λ为对线路灵活性承载度缺额离散程度赋予的权重因子，Bi为线路灵活性承载度不足量离散程度，Ai为线路灵活性承载度平均不足量，t为出现灵活性承载度不足的时段，TC,ins为出现灵活性承载度不足的时段之和，
为灵活性承载度指标。
8.根据权利要求1所述的一种计及灵活性承载度的电网评估与扩展规划方法，其特征在于，步骤S31中的所述第一阶段的电网态势评估采用多时段直流最优潮流对电网系统态势进行运行模拟，得到电网评估结果；具体包括：
步骤A，以机组每个时段的发电成本Fu1、电网上调灵活性不足成本Fu2及下调灵活性不足成本Fu3之和最小为优化目标，目标函数为：
min Fu1+Fu2+Fu3
式中，s为选取的典型运行场景；NG为调节机组集合；Nw为风电场集合；Nd为所有节点集合；ck2、ck1、ck0为发电机成本参数；
为s场景下t时刻调节机组的实际出力；
分别为弃风和切负荷成本费用；wi,s、ri,s分别表示弃风容量和切负荷容量；
步骤B，构建目标函数相应的约束条件，约束条件如下：
-Bθs+PG,s+PW,s+PF,s+ws+rs＝Ds s∈NF
Ps g,imin(t)≤Ps g,i(t)≤Ps g,imax(t) i∈NG
0≤wi,s≤PWi,s i∈NW
0≤ri,s≤Di,s i∈ND
式中，NF为典型运行场景集合；B，θs，PG,s，PW,s，PF,s，ws，rs，Ds分别为系统节点导纳矩阵、节点电压相角向量、系统节点常规发电机出力向量、RES出力向量、灵活性资源出力向量、弃风容量向量，切负荷容量向量，负荷功率向量；其中，对于灵活性资源出力向量，上调灵活性出力为正，下调灵活性出力为负；Ps g,imax(t)、Ps g,imin(t)分别为s场景下t时刻调节机组出力的上、下限；PWi,s、Di,s分别表示风电场出力和切负荷容量限制；
为调节机组的爬坡速率；Pij和
分别为线路(i,j)的实际功率与最大容量；
为N-1运行状态下线路(i,j)的实际功率；
为N-1运行状态下机组i的出力；
分别为N-1运行状态下的线路集合和系统机组集合；
步骤C，根据步骤A和步骤B，求解步骤A中的目标函数。
9.根据权利要求1或8所述的一种计及灵活性承载度的电网评估与扩展规划方法，其特征在于，步骤S32包括如下子步骤：
S321，根据所述第一阶段的电网态势评估识别出的电网系统薄弱环节，形成待建灵活性资源集合G0与拟扩建线路集合S0；
S322，按照拟扩建灵活性资源收益/投资比εg由高到低排序，在满足新建机组数目h小于d处待建机组数最大值hdmax的前提下，对待建灵活性资源进行投建；每扩建一次，需回到所述第一阶段的电网态势评估，重新评估电网，直到拟扩建灵活性资源集G0中所有待选机组均不满足约束条件，则结束灵活性资源扩建；
S323，在满足拟扩建线路收益/投资比ε大于给定阈值ε0的前提下，对大于综合指标阈值
的线路集合，按照
由高到低进行扩建；每扩建一次，需回到所述第一阶段的电网态势评估，重新评估电网，直到拟扩建线路集S0中所有待选线路均不满足要求，则结束电网线路扩建，且当前确定的扩建方案即为最终规划方案。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 考虑灵活性供需平衡的输电网扩展规划;刘万宇 等;《电力系统自动化》;20180310;第42卷(第5期);56-63 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112036031A (zh) | 2020-12-04 |
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