输电网外部需求评估指标集构建

陈睿，何光宇，刘铠诚，黄文英，邓兆云，邓勇

(1.清华大学电机系电力系统国家重点实验室，北京市100084;2.广东电网电力调度控制中心，广州市510600;3.国网福建电力调度控制中心，福州市350003)

0 引言

构建一套科学、全面、系统的输电网运行指标体系，是定量评估输电网运行状态的重要基础。通过该指标体系的建立，可以实现对输电网的全面监测和评估，从而对其运行状态和薄弱环节进行分析和识别，为输电网的运行管理提供决策依据［1-2］。

目前国内已开展很多针对单一运行目标的评估方法及指标体系的研究工作。文献［3］设计了一套包括安全供电能力、静态电压安全性、拓扑结构脆弱性、暂态安全性、风险指标5个方面的电网安全评价指标体系;文献［4］探讨了电力市场条件下可靠性研究的新方向、可靠性指标评价的新标准、最优可靠性对指标体系的新要求及大电网可靠性灵敏度分析等问题，并提出要建立一个能够将可靠性与经济性紧密结合的新指标体系;文献［5］从发、输、配、用、调度等环节出发，梳理了电力低碳领域的相关指标。

文献［6］指出，由于电网运行目标的复杂性，单一领域的指标无法有效评估输电网运行的整体情况，提出了一种系统的输电网运行评估方法和评估指标体系的总体架构，从结果和原因2个层面对输电网运行进行评估，在评估输电网运行状态的基础上，进一步挖掘运行状态产生的原因，以构建覆盖输电网各个运行目标的指标体系。

本文基于文献［6］提出的输电网运行评估指标体系的总体架构和构建方法，分析与输电网外部相连的各类实体对输电网运行的需求，构建外部需求评估指标集，评估输电网是否满足其外部利益相关者的电能输送需求，提供高质量的电能输送服务。本文的第一部分将简要介绍文献［6］提出的外部需求的评估方法和思路;然后，针对省级电网的500kV/220kV输电网，具体分析外部利益相关者的需求，应采用怎样的指标进行评估;最后，根据上述分析，根据指标选取原则选取评估指标，给出单时间断面及统计周期时间段的外部需求指标集。

1 评估方法及思路

结果评估反映了输电网的整体运行状态，是输电网运行评估指标体系中最主要的部分，其总体架构如图1所示。一方面，调度中心做出合理的控制决策依赖于对电网运行状态的分析和预测，对电网运行状态进行准确、及时、全面的评估是进行有效决策的前提;另一方面，决策后电网运行状态也反映了调度中心的控制效果，可以作为调度中心决策后评估的依据。

图1 结果评估的架构Fig.1 Architecture of result evaluation

评估电网运行状态的优劣即为评估输电网利益相关者的需求的满足程度。输电网的利益相关者包括配电网企业、发电企业、互联输电网企业以及输电网企业自身。它们可以分为外部利益相关者及输电网企业自身2类，对应着外部需求和内部需求的2类需求。外部需求即指配电网企业、发电企业、互联输电网企业对输电网运行的需求。输电网为配电网企业、发电企业、互联输电网企业提供输电服务，满足外部需求是输电网运行的主要功能。同时，外部需求的变化也影响着输电网的运行状态和调控措施。

结果评估指标集的构建遵循“需求分析—指标选取—指标统计”的思路。特别地，针对外部需求，评估指标集的构建思路如图2所示。外部利益相关者的内部组成复杂，如发电厂就包括火电、水电、风电、核电等多种发电形式，其需求不可一概而论。它们与输电网通过为数众多的节点相连，输电网或向节点提供电能，或从节点接纳电能，在节点间建立电能传输的路径。这3类利益相关者的需求具体体现在每一节点上。分析这3类利益相关者的需求，可将其分解、落实到与输电网相连的每个相关节点的需求上。进而，按需求的类型对各个相关节点的具体需求进行分析、归纳，选取合理的指标评估单个节点短期及长期时间内的需求满足程度。最后，对单节点指标在全网范围进行统计，从而得到评估输电网整体运行状态的指标。

图2 外部需求评估指标集构建思路Fig.2 Flow chart of constructing external demand evaluation index set

2 外部节点类型

按照节点连接的对象，与输电网相连的节点可分为与发电机互联的节点(简称发电节点)、与配电网互联的节点(简称配电网节点)以及与输电网互联的节点(简称联络线节点)。

2.1 发电节点

发电节点指输电网与集中式发电厂的联络节点，包括火电节点、水电节点、风电节点、核电节点、光伏发电节点、大型储能电站节点等等多种类型。根据其发电形式的不同，各种发电节点有着不同需求。

如对于一次能源不可储存的风电、光伏发电等新能源发电，实时出力取决于风力、光照等自然因素，其一次能源不可储存，发电功率随时间波动性较强，它们期望输电网能够提高接纳能力［7］。对于部分不可调节的径流水电，其特性和需求也类似于上述新能源发电。

而对于火电、核电以及调节式水电站等，由于一次能源可以储存，能够制定较为明确的发电计划，根据机组启停特性和电厂的特点，常安排部分水电、火电厂承担中间负荷、尖峰负荷［8-9］。调度中心根据负荷情况，可以在一定范围内调节这些电厂的机组出力或启停机组，以维持功率平衡。它们期望能够减小备用容量，提高发电设备的利用率。而核电站通常维持发电出力稳定在额定值附近，承担基本负荷，其发出功率不可调节。调度中心应按照其申报的功率过程曲线安排发电负荷，保证核电站安全运行。

2.2 配电网节点

配电网节点指输电网与配电网之间的联络节点。

传统电网中，配电网单方面从输电网接收电能并向用户供应负荷，配电网本身无发电能力、可控性较弱，向配电网传输的电能主要取决于随机波动的负荷。故传统配电网节点的功率是不可调节的，输电网需在任意时刻适应负荷的波动，向配电网供应充足的电能，否则将造成电力用户无法使用电能。

而智能电网强调用户的参与，鼓励用户和电网之间的双向互动，用户从一个单纯的电力消费者变成电网中的一员，不仅可以根据自身的需求定制相应的供电服务，也可根据电网的实际运行状态对自身用电情况和所安装的分布式发电设备运行状态进行调整［10］。随着分布式发电、智能用电设备、电动汽车等在配电网的逐步接入以及需求侧管理技术的发展，负荷将可以在一定程度上进行调节，即配电网对于输电网的功率需求将不完全取决于电力用户的用电情况。输电网供应的电能可以在一定范围内调节，再由配电网进一步采取控制措施，满足终端用户的电能需求。

2.3 联络线节点

联络线节点主要指输电网与互联输电网之间的联络线节点。联络线分为交流联络线和直流联络线。各区域电网应分别调整各自内部的有功平衡，以实现整个互联电网有功电力的瞬间平衡。与本地电网互联的输电网期望本地电网能够维持功率平衡，联络线输送功率维持在计划值附近。节点类型如图3所示。

3 外部节点的需求

图3 输电网的外部节点类型分类Fig.3 External node types of transmission network

输电网或向节点提供电能，或从节点接纳电能，在节点间建立电能传输的路径。基于自身特点，节点的需求可能各有不同。这些需求可以概括为:在特定的时间，向特定的节点，以特定的质量标准，提供或接纳特定数量的电能。在特定的时间和节点上，各节点电力需求均包含相互关联但又有本质差别的2个量:质量和数量。质量，指节点处的电能质量;数量，是指节点需要发出或接纳的容量。电能的质量一般采用电压和频率进行衡量;数量则一般采用有功和无功进行衡量。因此，对于输电网与外部相连接的节点，一般可以用频率、电压以及有功、无功等表征其需求，进而评估需求的满足程度。

应指出的是，关于无功功率，发电方、配电网以及互联电网，对其本身并无需求，但无功是影响电压质量的一个重要因素。无功功率经线路和变压器向负荷传输，将产生电压损耗，使得末端电压降低，输送距离越远，造成的电压降低也越严重。因此，在针对电压的评估上，已考虑了此种因素，无须再对无功进行评估。下文分析的节点功率需求，主要指的是节点的有功需求。

3.1 节点的质量需求

节点对于电能质量的需求可以从频率和电压2个方面进行分析。

(1)频率。发电节点、配电网节点和联络线节点，均对全网频率有所要求。应指出的是，直流联络线节点，对全网频率并没有要求。

(2)电压。为保证电力系统中各电力设备的正常运行，发电节点、配电网节点和联络线节点的节点电压均应符合电压允许偏差范围的要求。

3.2 节点的数量需求

输电网并非产生电能的来源，而是传输电能的通道，输电网从发电节点接纳电能，向配电网节点供应电能。因此，输电网外部节点的功率需求和输电网运行之间的关系，与一般意义上的客户需求和企业运营之间的关系并不完全一致:

(1)输电网满足各节点的功率需求，其时效性要求很高。电能的发、输、配、用同时进行，瞬间完成。输电网应在任一时刻保证对发电的充分接纳、对配电网的可靠供电以及维持联络线交换功率稳定。

(2)同时，电力系统的物理特性要求发电和负荷功率保持平衡。对发电节点接纳电能的需求、对配电网节点供应电能的需求以及联络线节点的功率需求，应时刻保持平衡。

因此，节点对于输电网而言有双重含义:节点是输电网的服务对象，输电网应根据节点的需求，安排电能输送;同时，节点是输电网的可调控资源，输电网应采取合理的调控策略，平衡各节点的需求。例如，输电网应充分接纳发电机组发出的电能，同时，通过调节发电机组的出力，向负荷侧供应充足的电能;输电网应尽可能地满足负荷侧的用电需求，同时，也可以通过需求侧管理等手段，削峰平谷，提高发电效率。

输电网通过调节各节点及运用其他调控手段，以满足节点对输电网需求。毫无偏差地满足所有节点的任何功率需求是不现实的。分析节点的功率需求，对其接纳或供应的电能进行适当的调节和平衡，以合理安排发电和输电，正是输电网应当完成的工作。

结合调度中心可采用的对节点功率的调控措施，在对功率需求的分析中，可以将节点分为两类:第一类节点，其发出或接受的功率对于调度中心而言是不可调节的，此类节点的需求可认为是刚性的;第二类节点，调度中心可以在一定范围内调节其发出或接受的功率，此类节点的需求可认为是柔性的。在这里，节点功率的可调节性分为2个层次，首先，节点功率从物理层面是否具有可调节的能力;其次，节点与输电网之间是否达成了功率可调节的协议。

由上文对各种类型节点的分析可知，发电节点中，风电、光伏发电等新能源发电节点以及核电节点、径流式水电节点的功率是不可调节的，而火电、有库容的水电则参与调峰调频;配电网节点中，传统配电网节点的功率是不可调节的，而新型配电网则具有一定的功率调节能力;联络线节点的功率也应尽量维持在计划值。

对于功率不可调节点，一般采用点值P0或E0来表征功率或能量的需求量，评估有功的实际值满足需求值的程度。对于功率可调节点，一般采用区间值［PMIN，PMAX］或［EMIN，EMAX］来表征功率或能量的需求量，实际值在区间内均认为其需求得到满足，超出区间的部分即为不满足的程度。

根据节点类型不同，节点有功需求、相应的需求值或需求区间的选取也有所不同，见表1。

表1 节点类型及其有功需求Tab.1 Node types and real power demand

由此，外部利益相关者的在各节点的需求分类总结见图4，包括质量和数量2方面的需求。

4 节点需求评估指标选取

上文已明确了节点需求为何，下面选取和设计相应的指标评估节点需求的满足程度。节点需求评估指标应包括指标名、指标作用、指标计算方法、指标界、指标值、指标对象、计算时段等属性。其指标对象为单个节点;其计算时段既有当前断面的，也有统计周期时间的;且应尽量选用相对指标进行评估。

图4 外部节点需求的分类Fig.4 Classification of external demands

4.1 节点需求的单时间断面评估指标

在单时间断面内，节点的电压偏差应符合相应的行业标准，电压值越上限或下限则说明节点电压不合格。频率是全网量，无须在节点处进行评估，故无节点频率指标。

而对于短期(5 min)内的有功功率需求，将节点实际功率与功率需求区间对比，求实际功率相对于功率需求区间的越限值。对于某节点i，设其当前功率交换值 Pi，功率需求区间为特别地，对功率不可调节点则有:

该节点的短期(5 min)内的有功功率需求满足程度的评估指标Ii1为

式中:Pmin，i、Pmax，i的取值根据节点类型的不同参照表1，具体指标见表2。

表2 单节点的单时间断面的外部需求评估指标Tab.2 Instantaneous and single-node evaluation index of external demand

由表2可知:可调节点的出力需求值为出力区间，由机组特性及购电合同得到，若出力不越限，则评估指标值为0，反之则为越限的大小。不可调节点的功率需求值由当前一次能源情况下满发出力表征，出力接纳缺额为单节点实时出力与出力需求值的差值，可以评估输电网对于不可调电源节点的有功出力在短期的接纳程度。可调节点的负荷需求值为负荷区间，由配电网特性或需求侧管理得到，可调负荷节点的调节量越限值表征了由于输电网运行不佳造成的中断负荷。不可调节点的负荷需求值以负荷预测值表征，实际供电负荷与预测负荷之差反映了输电网向不可调节负荷节点供应电能的充足性。

4.2 节点需求的统计时间段评估指标

在统计时间段内，可以选取和设计单节点的指标见表3。统计时间段的指标常是对于相应的单时间断面指标在持续时间的曲线的分析，如平均值、波动幅度、频率以及越限/合格持续时间等。例如，节点电压合格率为节点电压合格时间与总时间的相对指标。

表3 单节点的统计时间段的外部需求评估指标Tab.3 Time-period and single-node evaluation index of external demand

5 外部需求评估指标集

对表2、3的指标在全网范围内进行统计，得到评估全网外部需求的单时间断面和统计时间段的评估指标，见表4、5。一般来说，在全网范围内统计，是指将全网范围内的同类型节点对于某一需求的满足程度进行统计。如将全网风电节点的出力进行统计，可以得到全网风电出力接纳比例，评估输电网对于风电出力的接纳程度。

表4 全网的单时间断面的外部需求评估指标Tab.4 Instantaneous and entire-network evaluation index of external demand

表5 全网的统计时间段的外部需求评估指标Tab.5 Time-period and entire-network evaluation index of external demand

6 结论

外部需求指的是输电网运行的外部利益相关者(即配电网企业、发电企业、互联输电网企业)对输电网运行的需求。外部需求满足程度的评估反映了输电网是否满足其外部利益相关者的电能输送需求，提供高质量的电能输送服务，是输电网运行结果评估的重要部分。

本文将输电网运行的外部需求概括为:在特定的时间，向特定的节点，以特定的质量标准，提供或接纳特定数量的电能。本节阐述了外部需求满足程度的评估方法，总结了外部节点的类型，具体分析了节点的质量和数量需求。最后，选取了合理的指标评估在当前断面和统计时间段上的节点的外部需求的满足程度，并由单节点指标出发，统计得到系统的评估指标，从而最终构建了输电网运行评估指标体系的外部需求评估指标集，反映外部需求在实时及阶段的满足程度。

本文所构建的外部需求评估指标集是输电网运行评估指标体系的一部分。在本文工作的基础上，将继续分析输电网企业在输电网运行中的需求，构建内部需求指标集，从而构成输电网运行的结果评估指标集，全面评估输电网运行的状态是否满意。进一步，沿用文献［6］的方法，构建结果评估指标的分解指标集和相应的决策链，并对决策链进行评估，从而完成原因评估，以挖掘输电网运行状态异常的原因。

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