基于时序运行模拟的电网运营效率评估方法

黄俊辉，谢珍建，祁万春，葛毅

(江苏省电力公司电力经济技术研究院，南京市 210008)



基于时序运行模拟的电网运营效率评估方法

黄俊辉，谢珍建，祁万春，葛毅

(江苏省电力公司电力经济技术研究院，南京市 210008)

电网运营效率体现了电网运营的精益化水平，对于电网企业的经营效益具有重要影响。对面向未来电网规划方案的电网运营效率进行科学评估对电网建设具有重要的指导意义。该文从发电侧与输电侧2个角度出发，设计了电网运营效率评价指标集。基于电力系统时序运行模拟技术，提出了电网运营效率评价指标的计算方法，能够充分考虑电力系统运行的复杂边界条件以及多种运行场景，全面准确地反映电力系统的运营效率。采用江苏电网2018年的规划方案实际数据进行了实证分析，研究了晋北——南京特高压直流工程以及江苏千万kW级风电基地对电网运营效率的影响。结果表明，晋北直流的建设会在一定程度上增加系统网损和输电阻塞，对运营效率有一定负面影响，风电间歇性也会增加与风电距离较近的线路阻塞进而降低电网运营效率。

时序运行模拟；运营效率；电网规划；线损率；利用率

0 引 言

近年来，我国电网跨入了大规模、大容量、高电压、高参数的现代化互联电网时代。随着电网的不断发展，电网规划的难度不断增加：一方面，电网规划需要考虑的电源、负荷、外来电等外部因素不断增加，使电网规划问题日益复杂，这些因素客观上要求电网适应性更强、安全裕度更大；另一方面，电网建设又涉及巨额的投资，直接影响到电网企业的经济效益，电网结构不合理、冗余度过高都会降低电网的运营效率。以往我国在电网规划中注重对安全性的考察，对电网运行经济性的分析与论证并不充分，导致国内的输电网利用率较国外的低[1]。电网的运行效率体现了电网规划与运行的精益化水平，对于电网企业的经营效益具有重要影响。如何在保证电网规划安全可靠的同时提高未来电网在运行层面的效率，成为电网规划工作需要关注的内容。在电网规划层面深入分析未来电网运行的经济效率，对于电力企业具有十分重要的现实意义。

目前电网运营效率并没有公认的定义以及统一的评价方法，电网运营效率受到电源、电网、负荷等多方面因素的影响，多种因素作用的机理比较复杂。从空间角度来看，电源布局、负荷的分布将影响电力系统潮流的分布，电网的阻塞将会影响系统的发电成本以及线损；从时间角度来看，负荷的波动、间歇性能源将影响机组开机方式进而影响系统成本；此外，电网的运营中并非单纯追求经济性，对系统安全性、设备利用率、新能源的消纳、外来电的接纳都反映了电网运行精益化水平。可见，电网运营效率并非单纯的经济性评价，而是多维度的评价问题。

现有的电网运营效率评估方法通常从电网设备运行、电网安全性、电网可靠性、电网经济性4个方面进行考虑[2-4]，主要评估手段包括系统安全性校核[5-6]、可靠性评估[7-8]、随机生产模拟[9]以及时序运行模拟[10]等。传统评价方法只需对若干个典型运行状态进行校核，针对典型运行状态的校核基本能够框定全年的各种运行场景。对于系统运行的经济效率的评估并不充分，特别是在对系统运行的经济效率进行评估时，往往需要进行长时间的时序运行模拟。

时序运行模拟技术能够弥补典型运行方式刻画电网的缺陷，其本质上是大规模多时段机组组合技术。它能够根据电力系统电网规划方案及电源装机规划，结合系统负荷预测、一次能源情况形成电力系统运行边界条件，选择一定的调度目标，在一系列运行约束下模拟系统一段时间的运行过程。

本文从发电侧与输电侧2个角度，设计了电网规划方案运营效率的评价指标集，基于电力系统时序运行模拟技术，提出了电网运营效率评价指标的计算方法。运行模拟方法能够充分考虑电力系统运行的复杂边界条件以及多种运行场景，能够较为全面准确地刻画电网运行状况，提高了电网运营效率评价的科学性。

本文第1节描述建立的指标体系，第2节提出了运行效率指标体系的评分方法，第3节针对江苏电网2018年的规划方案进行实证分析，并给出晋北—南京特高压直流工程(简称晋北直流)以及江苏千万kW级风电基地(简称风电)对江苏电网运营效率的影响分析。

1 电网规划方案运营效率评估指标集

1.1 指标集的建立

根据系统性、全面性原则，本文从发电侧、输电侧分别建立运营效率评估指标，全面直观地刻画电力系统的运营效率。在指标集建立过程中，充分考虑电网未来发展的若干特点，包括大规模新能源并网、大规模强交强直外来电、大规模潮流转移等。评价维度上，全面包含系统运行经济性、安全性以及高效性等多个方面，建立指标集如表1所示。

表1 电网规划方案运营效率评估指标集

Table 1 Evaluation index set for operation efficiency of power grid planning scheme

1.2 各指标的具体含义

(1)新能源消纳率。

由于风电等新能源的波动性和间歇性，以及电网建设的滞后，新能源的发电量可能并不能完全被电网消纳。新能源消纳率定义为新能源消纳电量占总电量的比率，即新能源的发电上网比例，反映了系统对新能源的消纳能力。

(1)

式中：η为新能源消纳率；Enet为新能源的上网电量；Egen为新能源的发电量。

(2)外来电消纳率。

我国未来电网将呈强交强直特高压互联的格局，部分地区将大量受入外来电，因此，是否能够充分消纳外来电也是电网规划中需要考虑的重要问题，因此

定义外来电消纳率指标，该指标反映了在满足安全约束下的消纳量占额定消纳量的比重。

(2)

式中：ξ为外来电消纳率；Es为满足电网安全约束的外来电送电量；En为外来电额定送电量。

(3)阻塞成本增长率。

电网阻塞会迫使高发电成本发电厂发电，进而提高系统运行成本。该指标反映了有系统线路/断面潮流安全约束运行模拟结果相比无约束下运行模拟结果对应的系统发电成本的相对增长，即

(3)

式中：ζ为发电成本增长率；Cgrid为有考虑系统线路/断面潮流安全约束的系统发电成本；Cpure为无网络约束的系统发电成本。

(4)输电线损率。

该项指标是系统输电网线损电量与全社会用电量的比值，表征线路损耗的能量占用电量的比重：

(4)

式中：α为输电线损率；Eloss为损耗电量；Euse为用电量。

(5)线路(变压器)利用率。

对于各电压等级线路，其利用率为线路实际传输电量绝对值与线路经济电流对应5 000h的传输电量的比值：

(5)

式中：ft为线路t时刻潮流；Cline为线路经济电流密度对应的输电容量，由线路电压等级、导线横截面积以及经济电流密度确定：

(6)

式中：λ为经济电流密度，本报告中，经济电流密度取为1.15A/mm2；A为导线横截面积；U为导线电压等级。

对于各级变压器，其利用率按变压器下送电量与变压器额定容量对应的8 760h传输电量的比值计算：

(7)

式中：ft为变压器t时刻潮流；Ctrans为变压器额定容量。

(6)重过载线路(变压器)比率。

该项指标指重载与过载线路(变压器)的数目比上线路(变压器)的总数，表征线路(变压器)系统运行安全裕度的大小，即

(8)

式中：γ为重过载线路(变压器)比率；nheavy为重过载线路(变压器)数量；nall为线路(变压器)总数。

判断重过载的准则设计如下：

(9)

式中：Pmax为线路(变压器)时序运行模拟结果的最大潮流值；Pup为线路(变压器)潮流容量；I为表征是否重过载的布尔量。

1.3 指标评分体系

由于指标的量纲不同，取值范围不同，不同指标之间往往无法直接比较。此外，不同指标的价值取向不同，有些指标越大越好，而有些指标则越小越好，导致多个指标的综合优劣难以直接判断。为此，本文提出了一系列指标标准化与归一化方法。

综合评分法是指标综合中的常用方法，评价时，先分别按不同指标的评价标准对各评价指标进行评分，然后采用加权相加求得总分。该方法的优点是能够在制定指标的评分标准中融入人工经验，为每个指标制定合理的指标值——分数的映射，科学掌握每个指标对整体结果的相对影响力，避免某个指标掩盖其他指标的作用。

本文将运营效率评价指标计算结果评为0～5分，分数越高表明该项运营效率指标越优。各指标评价标准设计如下。

新能源消纳率：根据能源局的统计，我国2014年平均弃风率为8%，弃风率最高的省份弃风率为15%，最低省份为0%[10]，因此，将新能源平均消纳率92%计为3分，平均消纳率85%为0计分，100%计为满分5分进行设计，以3%为一个计分阶梯。

外来电消纳率：主要考察直流外来电的接纳能力，直流的设计利用小时数均在6 500h以上，外来电的消纳率要达到75%以上，以75%为0分，100%为5分，5%为一个记分阶梯。

阻塞成本增长率：按照4%为1分，0%为5分进行评价系统阻塞成本，1%为一个记分阶梯。

输电线损率：参考山东电网输电线损率的评价结果(1.69%)[11]，本报告中线损0.9%记为满分，线损1.7%以上记为0分，0.2%为一个记分阶梯。

线路平均利用率：以小于20%为0分，大于60%记为5分，以10%为一个记分阶梯。

重过载线路比率：以大于10%为0分，小于2%记为5分，以2%为一个记分阶梯。

综上，设计6个指标的打分区间如表2所示。

表2 电网规划方案运营效率评估指标评分标准

Table 2 Evaluation index scoring criteria for operation efficiency of power grid planning

2 基于运行模拟的运营效率评价方法

本文提出的运营效率指标中涉及线路年容量因子、系统年运行成本、年弃风/弃光电量等参数，需要掌握系统全年的运行情况。现有电力系统经济性评价方法中，往往只采用典型运行方式分析，对这些量的估计准确性较差，因此，本文采用电力系统运行模拟的方法计算电网运营效率评价的各指标。

电力系统运行模拟是根据电源的出力特性、电网的拓扑特性、负荷分布特性等边界条件，以经济性最优为目标，以安全运行为约束的模拟实际电力系统运行的机组组合与经济调度模型。

运行模拟中，分别建立火电、燃机、水电、抽蓄、风电、核电、热电等多种电源的运行约束，使运行模拟中能够充分考虑不同机组的运行特性，在此基础上，根据系统电网规划建立输电系统拓扑结构，使运行模拟中能够充分考虑线路与断面的输电约束。整体运行模拟模型组成了一个大规模混合整数规划问题，本文采用严格数学优化方法求解。

时间尺度上，本文采用逐日电力系统运行模拟实现全年8 760 h的计算，再现规划方案中的电力系统在未来的运行状况，包括各个小时的电源出力，线路和变压器上的潮流等重要信息。这些重要信息可以用来进行统计评价所需要的指标，实现精细化评价电力系统运营效率。

本文采用的运行模拟详细数学模型参见文献[9]。

3 江苏电网2018年规划方案实证分析

3.1 基准方案分析

根据江苏电网2018年运行模拟结果，计算了2018年规划方案的运营效率指标，并根据本章提出的运营效率指标评价标准对指标进行打分，结果如表3所示。

表3 江苏电网2018年规划方案运营效率指标得分

Table 3 Operation efficiency index scoring of Jiangsu power grid planning scheme in 2018

根据运行模拟结果，其中新能源消纳率为98.06%，得5分；外来电吸纳率为92.88%，得5分；阻塞成本增长率为1.01%，得4分；输电线损率为0.95%，得4分；线路利用率为33.57%，得2分；重过载线路比率为2.42%，得4分。将其画成雷达图如图1所示。

图1 江苏2018年电网规划方案运营效率指标评分雷达图Fig.1 Radar map of operation efficiency index scoring of Jiangsu power grid planning scheme in 2018

根据计算结果可知，江苏电网2018年运营效率的综合得分为4分。从图1可以直观地看出江苏电网2018年规划方案在新能源消纳率和外来电吸纳率上获得满分，说明江苏电网对新能源和外来电适应性较强；在重过载线路比率、阻塞成本增长率和网损率上表现良好，获得了4分，说明江苏电网局部还存在不合理的地方，部分线路还存在重载及阻塞的情况，一方面阻塞引起系统运行成本上升，另一方面增加了线路损耗；在线路利用率上表现较差，只获得了2分，主要原因包括：(1)特高压电网建设初期利用率较低；(2)部分500 kV线路及220 kV线路的利用率较低。综上所述，江苏电网在未来面对大规模外来电后，电网运行方式的改变较大，部分线路利用率降低、部分线路将产生阻塞，因此需要针对外来电规划，优化省内电网结构以适应新的运行方式。

3.2 晋北直流的建设对运营效率的影响分析

晋北直流是起点山西北部、落点江苏南京江北的直流输电工程，根据国家电网规划，自2018年其向江苏电网输送电力8 000 MW。为分析其对江苏电网的运营效率的影响，构造了去除晋北直流的电网规划方案，并进行时序运行模拟，将其结果整理如表4。

表4 去除与保留晋北直流运营效率指标得分

Table 4 Operation efficiency index scoring of removing and keeping Jinbei HVDC

由表4可知，去除晋北直流之后，综合得分为4.5分，比基准方案高0.5。将其整理成雷达图如图2所示。

图2 去除与保留晋北直流运营效率指标评分雷达图Fig.2 Radar graph of operation efficiency index scoring of removing and keeping Jinbei HVDC

由图2可知，去除晋北直流之后重过载线路比率、阻塞成本增长率、输电线损率均表现更佳，只有线路利用率还是保持低位。表明晋北直流带来经济效益的同时也一定程度上降低了电网运营效率。

3.3 风电间歇性对运营效率的影响分析

江苏拥有国家千万kW级风电基地，装机容量占总装机的7%。而风电具有间歇性和波动性，为分析风电间歇性对电网运营效率的影响，构造了去除风电间歇性的方案，即把风电机组按照平均利用小时数全年水平出力。进行时序运行模拟，将结果整理如表5所示。

表5 去除与保留风电间歇性运营效率指标得分

Table 5 Operation efficiency index scoring of removing and keeping wind power intermittent

由表5可知，去除风电间歇性之后，综合得分为4.3分，比基准方案高0.3分。将其整理为雷达图如图3所示。

图3 去除与保留风电间歇性指标评分雷达图Fig.3 Radar graph of operation efficiency index scoring of removing and keeping wind power intermittent

由图3可以直观地看出，去除风电间歇性和波动性之后，重过载线路比率、阻塞成本增长率有所改善，而新能源消纳率、外来电吸纳率、线路利用率变化不大。由此可见，风电本身出力特性(波动性和间歇性)会降低电网的部分运营效率，尤其是线路的阻塞、过载有比较大的影响。

4 结 论

本文提出了一种电网规划方案运营效率评估方法，从发电侧与输电侧2个角度，设计了电网规划方案的运营效率的评价指标集。该评估方法所采用的时序运行模拟技术弥补了传统典型方式计算法的不足。

本文针对江苏电网2018年规划方案进行了实证分析，分析结果表明江苏电网2018年规划方案整体表现良好，尤其是新能源和外来电接纳方面，电网在局部有阻塞，且线路利用率较低的情况下。晋北直流的建设会降低一定的运营效率，主要表现在网损和阻塞方面。风电间歇性也会对电网运营效率有所影响，主要表现为增加了与风电距离较近的线路阻塞。

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(编辑：张媛媛)

Operation Efficiency Assessment Approach for Power Grid Based on Sequential Operation Simulation

HUANG Junhui, XIE Zhenjian，QI Wanchun, GE Yi

(Jiangsu Electric Power Company Economic Research Institute, Nanjing 210008, China)

The operation efficiency of power grid reflects the fine level of power system operation, which has significant influence on the revenue of power grid enterprises. The scientific evaluation on the operation efficiency of future-proofed power grid planning scheme provides significant guidance for the construction of power grid. The evaluation index set of power grid operation efficiency was designed from two aspects: generation and transmission. The calculation method for the evaluation index of power grid operation efficiency was proposed based on the sequential operation simulation technology of power system, which could fully consider the complex boundary conditions and various operating scenarios of power system operation, and comprehensively accurately reflect the operation efficiency of power system. The empirical analysis was carried out on the actual data of Jiangsu power grid planning scheme in 2018, and the impacts of Jinbei-Nanjing UHVDC project and 10 GW wind power base in Jiangsu province on the operation efficiency of power grid were studied. The results show that the construction of Jinbei-Nanjing DC project will increase the network loss and transmission congestion of the power system to some extent, and have a negative effect on the operation efficiency. The integration of wind power will increase the line blocking near the wind farm and thus reduce the operation efficiency of power grid.

sequential operation simulation; operation efficiency; power grid planning; line loss rate; utilization ratio

国家电网公司科技项目(GHJS1500009)。

TM 715

A

1000-7229(2015)10-0123-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.10.019

2015-07-06

2015-08-17

黄俊辉(1964)，男，本科，高级工程师，主要从事电力系统规划设计方面研究工作；

谢珍建(1980),男，硕士，高级工程师，主要从事电力系统能源电力规划方面研究工作；

祁万春(1979)，男，硕士，高级工程师，主要从事电力系统规划设计方面研究工作；

葛毅(1987)，男，博士，工程师，主要从事电力系统规划及能源经济方面研究工作。