区域电网电力平衡度评价模型与方法

2017-07-31温晓强

综合智慧能源 2017年7期

关键词：跨区省域火电

温晓强

(秦皇岛供电公司，河北秦皇岛 066000)

区域电网电力平衡度评价模型与方法

温晓强

(秦皇岛供电公司，河北秦皇岛 066000)

提出区域电网平衡度概念，建立基于灰色关联分析方法的平衡度评价模型，并进行主客观组合赋权，对某5省域电网的资源优化友好程度进行综合评价，并提出省域电网资源优化友好度模型，验证分析提出的平衡度模型的正确性。结果表明，该模型不但能够反映区域电网不同运行状态下的电力平衡水平，并且具有通用性、可操作性好等优点。

区域电网；平衡度；资源优化；组合赋权；灰色关联分析

0 引言

区域电网电力平衡与否关乎电网能否正常、安全运行。随着间歇式能源的参与，区域电网的电力平衡不再是简单的传统意义上的供需平衡问题。省域电网是电能生产、电能传输以及供电服务的运行主体，研究电力平衡问题应该从省域电网入手。发电环节存在着常规火电最优机组出力与最优备用问题，间歇式能源发电不稳定性、弃电现象严重；输配电环节，网损仍占很大比例，分布式发电、跨区输电加大了系统平衡的复杂性；用电环节负荷高峰时期频现拉闸限电，储能设备利用率较低。基于上述问题，省域电网的电力平衡问题是一个难题与热点，若上述因素处理不好，无法实现资源的优化配置，能源结构的成功转型更是纸上谈兵。

国内外对电网电力供需平衡主要从以下2方面进行研究：一方面从整体上对电力平衡进行分析[1-3]，夏清分析了电力供需不平衡的原因以及相应的措施，黄强提出了通过加强电力供需资源的全过程协调管理，来满足日益增长的社会用电需求，王芝茗提出了电力供需平衡指数，用来衡量电网的平衡情况；一方面是某一因素对电力平衡影响的分析[4-5]，傅旭和胡兆兆基于电力平衡分别对电网最大接纳风电能力和核电能力进行了分析。然而，上述研究主要局限于对电力平衡进行定性分析，没有综合全面的考虑省域电网中各个指标对电力平衡的贡献；没有从发、输配、用电环节入手选取相关平衡指标，分析其对省域电网整体运行情况的影响。本文根据区域电网的自身属性、特点提出1种评价电网“平衡度”的数学模型，首次将区域电网的平衡度进行定义并给出平衡度量化指标。构建区域电网平衡度评价模型，旨在相关部门更科学地监管区域电网资源优化配置友好程度，激励区域电网实现电网运行安全性与经济性的整体最优。

1 区域电网电力平衡度综合评价指标体系

本文首次为区域电网的平衡度进行了定义，选取、量化了平衡度评价指标。区域电网在保证区域电力系统正常运行、发电侧与用电侧功率供需平衡的情况下，发电、输配电、用电环节的资源配置优化的综合友好程度，称为区域电网的平衡度。

以电能优化配置友好角度A1为出发点，从影响电能供需平衡层面分别在发、输配以及用电环节选取平衡度相关指标：火电常规机组可增发功率与火电装机总差比K11、清洁能源调度弃电与清洁能源机组装机总差比K12、跨区输电与跨区计划功率总差比K13、分布式可增发电量与分布式总装机比K14、网损与上网电量比K15、拉闸限电功率与总负荷比K16以及清洁电动汽车充电站可充电容量与最大容量总差比K17。区域电网平衡度评价体系框架如图1所示。

基于此，本文建立了1套对区域电网的整体运行情况进行客观评价的平衡度模型。本文所建立的区域电网平衡度评价模型为定量化模型，具有实际意义，旨在促进区域电网资源的优化配置，具有科学性、通用性、完整性与可操作性的优点。具体的区域电网平衡度指标阐述如下：由于火电装机占总装机的份额最大，发电量最多，火电机组压负荷运行状况体现区域电网经济运行的好坏；新能源发电市场份额不断提高，但面临着种种问题，导致上网困难，弃电现象严重；大电网、跨区互联迎合我国电网的发展方向，跨区输电的效率、输电通道的利用率是相关部门所关心的；拉闸限电多少是衡量区域电网建设安全稳定好坏的1个重要标志，是体现用户用电满意度、电网成熟度的1个风向标；分布式电源在电力市场的参与度在一定程度上体现了智能电网的发展水平；销售电量与上网电量总差比这一指标是用来衡量输配电网的电力不平衡度，包括网损、网络节点潮流阻塞等；普及清洁电动汽车，以储能方式提高区域电网平衡度，因此有必要选取充电站可充电容量与总容量为平衡度评价指标。

图1 区域电网平衡度评价体系框架

(1)火电常规机组(火电、油电)可增发功率与火电装机总差比

(1)

式中：n表示区域电网中火电厂的个数，m表示第i个火电厂中火电机组的个数；Pi,j-max表示第i个火电厂第j个机组的出力最大限值，Pi,j,t-火电表示t时段内第i个发电厂第j个机组的出力。

(2)清洁能源调度弃电与清洁能源发电装机总差比

(2)

式中：n表示区域电网中弃电电源的类别，m表示区域电网中第i类电源的机组总数；Pi,j,t-max表示第i类电源第j台机组t时段最大出力值，Pi,j,t-实际表示第i类电源第j台机组t时段实际出力值。

(3)跨区输电功率与跨区计划功率总差比(跨区计划与实际输入总差功率等于跨区消纳电能的最大值与实际电能输入值之差)

(3)

式中：n表示联络点的个数，P最大值-i,t表示跨区传输电能合同最大值，P实际输电-i,t表示t时段第i个联络点输入电能实际值，以跨区输入电能为正方向。

(4) 分布式电源可增发电量与分布式总装机电量比

(4)

式中：i=1,2,…,n表示分布式上网节点。

(5)网损与上网电量比

(5)

式中：i=1,2,…,n表示区域电网上网电量节点，j=1,2,…,m表示区域电网销售电量节点。

(6)拉闸限电功率与总负荷比

(6)

式中：i=1,2,…,n表示各负荷节点；Pi,t-限电表示t时段负荷节点i的拉闸限电功率。

(7)充电站可充电容量与最大容量比

(7)

式中：i=1,2,…,n表示区域电网第i个电动汽车充电站数。

2 区域电网电力平衡度评价方法

灰色关联分析是挖掘数据内部规律的有效方法，通过对灰色系统中有限数据列的分析，寻求系统内部诸多因素之间的相互关系，找出影响目标值的主要因素，进而从总体上把握系统动态运动规律。

区域电网是个复杂大系统，电源结构、能源结构、电网建设情况、运行情况以及用电情况均不相同。以省域电网为研究对象，所选平衡度指标数据信息量大，数据类型较多，且含有部分难于量化或统计的指标，所得数据存在一定灰度。灰色关联分析法[6]的1个最大优点就是能够处理信息不完全明确的灰色系统，对于小样本无规律指标的评价问题准确性较高，因此灰色关联分析法适合于区域电网平衡度综合评价。

本文利用灰色关联度分析方法对区域电网平衡度模型进行综合评价，并基于组合赋权法，使计算结果更加科学、准确，实用性强。区域电网平衡度灰色分析评价[7]的步骤如下。

(1)评价指标、参考数列确定。从各评价对象的同一指标中选出最优值，构成最优指标集，将其作为各评价对象比较的基准，记为X0=(x01,x02,…,x0n)。

(2)数据的无量纲化处理。由于参评指标通常具有不同的量纲，需对其进行无量纲化处理，常用式(8)进行无量纲化处理。

表1 区域电网平衡度评价指标 %

(8)

(3)评价矩阵的确定。将无量纲化处理后的数据代入式(9)可以得到第i个评价单位第k个指标的灰色关联系数为

(9)

式中：ρ为分辨系数，是介于0与1之间的数，一般取ρ=0.5；i=0,1,2…,m；k=1,2,…,n；各关联系数组成评价矩阵E=(εij)m×n。

(4)评价指标权重的确定。本文利用主客观赋权法对区域电网平衡度模型进行赋权，避免了主、客观单独赋权值时的缺点，利用熵值法[8-9]和层次分析法[6,10]相结合，对绿色度评价模型进行组合赋权[11-12]，组合权重计算公式为

(10)

式中：ωj1为熵值法求得的平衡度评价模型的权重，ωj2为层次分析法求得的权重，α和β根据决策者对ωj1，ωj2的偏好程度进行调整。

(5)灰色综合评价。由评价矩阵E和权重系数向量R，得到灰色综合评价结果为

(11)

最后，根据最大关联度原则进行评价，即与di中最大者相对应的平衡度最佳的选择。

3 基于灰色关联分析法的区域电网电力平衡度综合评价模型

本文提供了1种基于灰色关联分析方法的区域电网平衡度综合评价模型。以某5省域电网(G1，G2，G3，G4，G5)2013年7月的实际运行数据进行评价，具体的平衡度指标及其数据见表1。其中负号表示跨区输出电能。

从表1中可以得出，G1的火电机组备用率最高，调度弃电也最多，仍然存在拉闸限电现象，说明G1的电网建设有待完善；发、输配环节调度空间剩余较大，电网稳定性良好，但资源过于浪费；因为处于暑期高峰时期，跨区输电的利用率较大，但仍有改善空间；网损率较大，充电站利用率有待提高，经济性需要进一步提高。

首先，利用熵值法和层次分析法确定区域电网平衡度评价指标的权重，α=0.4，β=0.6。平衡度指标权值见表2。

表2 平衡度指标权值

基于灰色关联分析方法的区域电网平衡度评价结果见表3。

表3 平衡度评价结果

根据基于灰色关联的平衡度模型最终的评价可知，G4的平衡度好于其他电网。其原因是该电网的常规火电可增发总功率指标最好，跨区输电通道、充电站利用率较高，平衡度最好；G2的清洁能源机组弃电率最低，并且分布式发电、充电站利用率最好，网损最低，在组合权重下排在第二位；G3的拉闸限电率最低，并且网损率也较低，平衡度较G2差；G1的网损较小，但其他指标均较差，排在最后一位，G5次之。

以上结果表明，区域电网平衡度的好坏取决于资源的优化配置好坏，所建立的平衡度评价模型为区域电网进行资源的优化管理提供依据和方向。依据电网企业通过进行电力平衡度模型，可以全面、客观地了解区域电网整体运行情况，包括各类电源的出力情况(常规火电可增发功率、新能源弃电功率)，跨区输电情况、网损情况以及分布式发电、拉闸限电、储能情况，有助于电力企业建立科学有效地电力平衡管理体系。4种评价方法的对比结果见表4。

表4 评价排序

从表3和表4结果可知，基于组合赋权的灰色关联分析评价方法能够正确地评价区域电网平衡度好坏情况，基于灰色关联分析的平衡度评价模型得到的综合指数体现区域电网整体资源优化情况的好坏，并且模型能够突显各指标对最终结果的贡献情况。从结果可以看出，5省区域电网资源优化友好度排序为：G4>G2>G3>G5>G1，与基于灰色关联的平衡度模型评价结果一致。尽管电网4的资源优化度最好，但存在清洁能源调度弃电严重，网损率较大等不足。不论是量化的资源优化友好度模型，还是未量化的区域电网平衡度评价模型，都反映出各省域电网资源配置的优劣情况。将该方法与综合指数法、理想点法以及包络分析法等方法进行比较，除综合指数法的评价结果出现了差异，其他3种评价方法的评价结果一致。说明评价的结果能够为区域电网进行平衡度管理提供导向，为衡量区域电网整体资源优化情况提供科学依据。

4 结束语

本文首次将区域电网的平衡度进行定义并给出平衡度量化指标，构建了省域电网的平衡度数学模型，并利用某5省域电网实际数据进行验证分析；量化了区域电网资源优化友好度这一指标，验证了本文所提平衡度模型的正确性及可行性。构建区域电网平衡度评价模型，可使相关部门更科学地监管区域电网资源优化配置友好程度，激励省域电网实现电网运行的安全性与经济性的达到整体最优。

[1]夏清，彭涛，周安石，等.保证电力供需长期均衡的措施研究[J].电力系统自动化，2004，28(6)：1-5.

[2]黄强.电力供需综合资源的全过程协调管理[J].华东电力，2004，32(5)：42-44.

[3]王芝茗，苏安龙，鲁顺.基于电力平衡的辽宁电网接纳风电能力分析[J].电力系统自动化，2010，34(3)：86-90.

[4]傅旭，黄明良.基于电力平衡的西北电网核电接纳能力分析[J].电网与清洁能源，2011，27(10)：60-65.

[5]胡兆兆.电力供需指数研究[J].中国电力，2007，40(7)：5-7.

[6]翁嘉明，刘东，何维国，等.基于层次分析法的配电网运行方式多目标优化[J].电力系统自动化，2012，36(4)：56-61.

[7]罗毅，周创立，刘向杰.多层次灰色关联分析法在火电机组运行评价中的应用[J].中国电机工程学报，2012，32(17)：97-103.

[8]崔和瑞，葛静.基于熵权的河北省节能减排效果模糊综合评价[J].电力学报，2012，27(5)：484-489.

[9]齐敏芳，付忠广，景源，等.基于信息熵与主成分分析的火电机组综合评价方法[J].中国电机工程学报，2013，33(2)：58-64.

[10]董富贵，刘慧美，贾朝辉.火力发电厂燃煤供应商评价及选择模型[J].中国电机工程学报，2013，33(2)：65-71.

[11]张翼舟，白泉涌.基于组合权重的火电项目环境影响后评价研究[J].华东电力，2010，38(5)：668-670.

[12]艾胜芳，林湘宁，万云飞，等.考虑V2G模式的含多个电动汽车充电站有源配电网规划研究[J].中国电机工程学报，2013，33(34)：122-129.