考虑可调综合资源的新型输电网规划研究

陶 冶，孙文健，林俊杰，赵 毓，王雨晴，高 冲

（1.江苏科能电力工程咨询有限公司，江苏 南京 210036；2.华北电力大学（保定），河北 保定 071003）

0 引言

2021 年3 月，习总书记提出构建以新能源为主的新型电力系统，然而，当前基于现状和规划的常规电源规模及规划年度最大负荷、不考虑新能源利用的传统电网规划方法，不能满足高比例可再生能源并网运行下的新型电力系统规划要求，容易造成投资偏大、利用率不高等问题［1-3］。因此，开展适用于新型电力系统的输电网规划研究，充分利用可再生能源+储能、需求响应资源等可调综合资源在电网规划运行中的调节作用［4］［5］，对于提升新能源消纳能力，提高输变电工程投资效益具有重要意义。

目前，国内外学者已在新型输电网规划方法方面开展了一系列研究。文献［6］-文献［10］阐述了新能源发展为输电网规划带来的挑战和变革，并对未来的输电网规划方法进行了展望；文献［11］-文献［12］建立了考虑可再生能源和特高压接入影响的输电系统规划评价模型；文献［13］-文献［16］以新能源消纳能力、全寿命周期成本和环境效益为目标函数，建立了省级输电网多目标规划模型。文献［17］-文献［20］分析了需求响应资源对电网规划的影响。综上，现有研究大多仅考虑可再生能源或需求响应单一类别资源对输电网规划的影响，鲜有研究将新能源、储能和需求响应资源作为可调综合资源，统一纳入输电网规划，提出适用于实际电网规划工作的输电网规划思路与方法。

鉴于此，本文考虑可调综合资源影响，开展多场景下的新型输电网规划研究，分析可调综合资源发展下的输电网规划模式转变需求，在此基础上阐明新型电力系统下以考虑可再生能源+储能置信容量及需求响应资源负荷削减效果为重点的新型输电网规划思路，进而重点介绍可再生能源置信容量评估与负荷预测两种新型输电网规划中的关键方法，并建立新型输电网规划方案经济性评价模型，最后通过算例验证本文所提规划方法的有效性和可行性。

1 可调综合资源发展下的输电网规划模式转变需求分析

在新型电力系统建设下，可再生能源、储能、需求响应等可调综合资源的快速发展将对输电网规划产生巨大影响［21-23］，具体包括：1）高比例可再生能源并网将导致潮流随机波动的增强和规划目标的增多，电网规划既要增加可靠性投资，也需考虑环保性的要求，在网架结构方面，随着新能源发电占比的提高，以及电力电子设备的大量使用，至使传统电力系统的频率、电压稳定性呈现下降的趋势，电网稳定性的内在机理也发生了相应的变化；在负荷预测方面，大量分布式可再生能源的接入使得线路潮流由单向变为双向，供电区域内的最大负荷预测需考虑分布式可再生能源发电倒送的影响，增加了负荷预测的复杂程度与难度；2）储能的应用可使部分出力具有随机性的可再生能源转变为相对稳定的可调电源，可减少电网在安全可靠性方面的投资，但同时也使得电网规划的电源边界由静态变成一个动态区间；3）引入需求响应资源可提高资源的优化配置能力，减少系统成本：一方面，需求响应有效降低尖峰负荷，延缓电网投资；另一方面，需求响应在一定程度上弥补可再生能源出力的波动性，减少安全可靠性投资。

传统电力规划基于现状和规划的常规电源规模及年度最大负荷，开展规划年电力平衡分析和变电容量需求计算，进行规划年潮流和短路电流计算，通过增加输变电容量和优化加强电网结构来平衡电源和最大负荷［24-26］。其主要存在的问题如下：一是在进行电力电量平衡规划时，供应侧仅考虑传统能源装机与出力情况，未将可再生能源出力纳入考虑范围，且在负荷预测时未考虑需求侧资源在削峰填谷、改善负荷曲线、提高电能利用效率等方面的作用，因此容易造成电网投资偏大、利用率不高等问题。二是电网建设面临土地资源、环境保护、建设资金等多方面制约，电网规划落地难度大。因此，结合可调资源对电网规划的影响，对电网规划具体的改进需求分析：1）在规划思路方面，应充分考虑新的规划资源，重视可调综合资源的引入对电力系统运行与发展产生的影响。2）在规划流程方面，应开拓新的规划工作机制，形成充分考虑市场因素的动态规划过程。3）在规划方法方面，应提出面向可调综合资源的输电网规划理论与方法，加入对经济性、环保性以及技术适应性等方面的考虑。

2 考虑可调综合资源的输电网规划思路

构建基于可调综合资源的新型输电网规划模式，应以建设新型电力系统、适应经济社会发展总体规划以及满足用户日益增长的用电需求为基本目标，在规划中考虑可调综合资源的特性及其影响，合理安排各级电网的建设，促进电网网架结构优化，实现电网的高效化运转，同时实现可靠供电，降低电力损耗，确保电网可持续发展。具体思路如下：

1）以满足用电需求为根本任务

通过不断提升电网可靠性以及电能质量，最大限度满足社会对电力的需求，在实现社会效益的前提下，达到发展企业、完善电网、提升收益的目标。

2）考虑可调综合资源特性及影响

鉴于“新能源+储能”的出力组合可以提供相对稳定的电力供应，有利于实现电力电量的平衡，对于可调综合资源中的可再生能源和储能资源，应将其纳入分区域电力电量平衡的考虑，根据其预期出力情况，采用置信容量评估等方法，将可再生能源和储能等效为常规机组，纳入输电网规划。除此之外，对于可调综合资源中的需求响应资源开展负荷预测，并将负荷预测的结果作为输电网规划的参考。

3）选择合理时间断面开展安全校核

考虑可再生能源出力的波动性与不确定性，根据其出力曲线选择出力稳定性最差和出力最小的节点作为时间断面，例如夏季高峰负荷新能源满出力、夏季高峰负荷新能源零出力、冬季低谷负荷新能源满出力、冬季低谷负荷新能源零出力等多种极端情况时间断面，开展电网安全校核。

4）输电网规划方案经济性评价要考虑需求响应成本

考虑到需求响应资源引入电网规划会带来一系列的参与者成本和系统成本，应将需求响应成本考虑到输电网规划方案经济性评价中，更有效衡量新型规划模式的有效性和经济性。

5）促进上、下级电网之间的协同配合

下级电网和上级电网作为两个阶梯的单位，上级电网作出规划指导，负责对下属的单位进行宏观指导；下级电网作为规划基础，负责执行与落实相关任务。

3 考虑可调综合资源的输电网规划关键方法

3.1 可再生能源置信容量评估

新能源置信容量是指在等可靠性前提下新能源机组可以替代的常规机组的容量［27］。其可使具有间歇性的风电、光伏发电与常规机组装机容量之间在同一水平上进行相互比较，常用的置信容量定义方法有4类，分别为等效确定容量、等效承担负荷容量、等常规机组和保证出力［28］。本文采用等效常规机组容量评估风光储联合发电系统的置信容量，即采用具有随机停运率的机组来替代可再生能源，当替代后的系统可靠性与含可再生能源的系统可靠性相等时，此时替代的具有随机停运率的机组容量极为等效常规机组容量。

考虑风、光、储之间的互补效益，在新型电网规划模式下，将每个220 kV变电站所接入的风电、光伏、储能视为一个风光储联合发电系统，其置信容量定义为在同等可靠性下，风光联合发电系统可以等效的常规机组容量的大小，其计算方法如下。

设风光储联合发电系统输出的功率为Ph，则：

式（1）中，PW、PPV、Xdc分别为风电机组、光伏发电机组和储能电站的输出功率。若满足式（2），则认为风光联合发电系统的置信容量Cun与等效机组的装机容量为Cna相等。

式（2）中，f{Cr，CPV，CW}表示系统在含有的常规机组容量为Cr、风电的装机容量为CW和光伏发电的装机容量为CPV时系统的可靠性，f{Cr，Cna}表示系统在含有常规机组的容量为Cr等效机组的装机容量为Cna时系统的可靠性。此时可以定义联合发电系统的容量可信度为：

在系统的可靠性度量方面，本文以电量不足期望值（expected energy not served，EENS）作为参考指标。系统的电力不足期望（EENS）因负荷PL和机组状态而异［29］，具体如下：

式（4）中，Phmax和Phmin风光储联合发电最大值和最小值。

3.2 考虑需求侧资源的负荷预测

将需求响应资源纳入电网规划有利于提高资源的优化配置能力，减少系统成本［30］，本文在传统负荷预测的基础上，提出考虑需求侧资源负荷削减效果的负荷预测修正模型，实现考虑需求侧资源的区域最大负荷预测。

考虑需求侧资源的区域最大负荷预测值为：

其中：

综上所述，通过需求侧资源作用前后最大负荷的变化，能够计算得出可延缓投建的变电容量，如式（8）所示。

式（8）中，ΔC表示考虑需求侧资源后可避免或者可延缓投建的变电容量，MVA；R表示容载比。

4 新型输电网规划经济性评价模型

考虑综合可调资源的新型输电网规划主要从建设投资维度和全寿命周期成本维度两个维度对规划方案进行经济性评价。其中，建设投资维度主要选取单位投资增供电量和单位投资增供负荷作为衡量方案经济性的两个主要指标；全寿命周期成本维度主要考虑包括建设投资、运维成本、可调综合资源调用成本在内的全寿命周期总成本。

4.1 建设投资维度经济性评价

建设投资维度经济性评价主要选取单位投资增供电量和单位投资增供负荷两个指标，具体计算方式如下：

式（9）-式（10）中，ISUI和ILUI分别表示规划单位投资增供电量和规划单位投资增供负荷；S和L分别表示规划期末供电量和规划期末供电最大负荷；S0和L0分别表示上一规划期末供电量和上一规划期末供电最大负荷；CC表示建设投资。

4.2 全寿命周期成本维度经济性评价

全寿命周期成本除建设成本外，还将考虑电网运维成本及可调综合资源调用成本等，计算方式如下：

式（11）中，CC表示项目建设投资，包括线路及设备等各项投资，CO表示运维成本，CL表示网损费用，CD表示需求响应成本，CR表示运营期末固定资产折旧残值。各项成本计算方式如下：

1）项目建设投资

项目建设投资CC包括线路建设投资Cline和公用网建设工程相关设备投资Cequ，具体表示如下：

其中：

式（13）-式（14）中，Cline-e表示线路扩建投资：根据负荷增长情况和线路断面的极限输送容量，当负荷超过线路断面极限输送容量时，扩建一条线路而产生的投资；若无扩建，则该线路投资为0。

Cline-d表示线路折旧投资：由于线路达到了折旧年限，需要重新建设而产生的投资，没有达到折旧年限时，该线路投资为0。

Cequ-e表示主变压器扩建投资：根据负荷增长情况和主变压器断面的极限输送容量，当负荷超过主变压器断面极限输送容量时，扩建一台主变压器而产生的投资；若无扩建，则主变压器投资为0。

Cequ-d表示主变压器折旧投资：由于线路达到了折旧年限，需要重新建设而产生的投资；没有达到折旧年限时，该年投资为0。

2）运维成本

运行维护成本包括线路和主变压器的运行维护费用。

式（15）中，A为该年的固定资产总额，包括线路和主变压器；N为运营期时长，i为年利率。

3）网损费用

网损费用CL包括：线路损耗费用CL-line和主变压器费用损耗CL-equ。①线路损耗费用

式（16）、式（17）中，ΔPmax为最大负荷时的线路损耗；NL为该年的线路条数；IL为单条线路上的电流值；Lmax为该年的最大负荷。

②主变压器损耗费用

式（18）中，NT为该年的主变压器台数；T为变压器运行时间，假设T=8 760 h。

4）本年可调综合资源利用成本

需求响应费用CD包括转移负荷费用CD-S和削减负荷费用CD-C。

①转移负荷费用

转移负荷费用CD-S包括：固定投资费用CD-S，fix和转移电量导致的电费收入减少量CD-S，price：

式（20）、式（21）中，L'max为该年负荷预测的最大负荷。

②削减负荷费用

削减负荷成本CD-C即为削减负荷补偿费用：

5）固定资产折旧残值

固定资产折旧残值CR是指到达折旧年限时固定资产的剩余价值，等于折旧残值比乘以固定资产投资（下标L表示线路，下标T表示主变压器）。

固定资产折旧余值CR-n是指计算期末而未到达折旧年限时固定资产的剩余价值，采用平均年限法计算固定资产折旧余值。

5 算例分析

5.1 基础数据

以某市220 kV电网试点为例，在原电网规划的负荷及电源水平的基础上，考虑需求侧响应等可调资源对该电网负荷的影响及新能源电站与储能电站对电源出力的影响。可根据储能配置比例和需求响应参与比例的不同，划分成5种场景，详情如表1所示。

表1 情景设置情况Table 1 Scenario settings

5.2 规划方案分析

对算例进行500 kV 电力平衡分析及220 kV 容载比分析，根据不同情景下500 kV及220 kV变电容量需求，校核原电网项目的必要性，优化其建设时序进行，形成如下5种不同情景下电网容量规划。图1-图2分别表示原电网规划及5种情景下容量项目数量及变电容量需求情况和各情景下电网规划容量项目安排。

图1 不同情景下电网规划项目数量情况Fig.1 Number of network projects under different scenarios

图2 不同情景下电网规划项目容量情况Fig.2 Capacity of power grid planning projects under different scenarios

由图1-图2可知，考虑可调综合资源后，5个情景下的电网规划数量及容量都有所改善，规划项目建设数量最多的为情景5的7个，最少的为情景4的2个，与原规划报告的14个相比，数量减少了一倍以上。且情景5 电网规划项目容量由原规划的4 184 MW 减少至1 064 MW，减少了3 120 MW；情景4 电网规划项目容量减少至288 MW，减少了3 896 MW。除此以外，情景1 电网规划项目容量比原规划中减少了3 312 MW，情景2减少了3 264 MW，情景2减少了3 512 MW。

5.3 规划方案经济性评价

对5种不同情景下的电网规划方案的经济性进行评价，设定运营期为30年、固定资产转化率为95%、电网运维率为2%、削减负荷补偿价格为10 元/kW、折现率为8%，其中年可调资源利用成本主要考虑需求响应成本。利用规划期内的总投资以及全寿命周期成本指标对各情景的经济效益进行计算和对比分析，结果如表2所示。

对比表2 中5 个设定情景与原规划报告在规划期的总成本，可以发现考虑综合可调资源的5 个情景在规划期的总成本更低，因此，将综合可调资源纳入输电网规划可以在一定程度上降低规划期的电网投资费用。另外，考虑可调综合资源的各规划情景在投资效率都有了较为明显的提升。在单位投资增供负荷方面，其中投资效率提升最为明显的都是情景4，其次是情景3和1，情景5最差。

表2 各情景规划方案经济性对比Table 2 Economic comparison of various scenarios planning schemes

通过对不同情景下的规划方案进行敏感性分析可知，在本次输电网规划中，储能容量每增加1 MW，建设投资平均降低39.08万元、全寿命周期总成本平均降低46.55万元；需求响应容量每增加1 MW，建设投资平均降低87.21 万元、全寿命周期总成本平均降低91.12 万元。总体来看，需求响应资源利用对电网规划投资的节约效果优于储能配置，且需求响应资源利用几乎不需要前期项目投入。

综上，考虑综合可调资源的规划思路有利于提升电网运行经济性，其中需求响应参与比例最高的情景4 经济性最好，可为电网公司带来更高的投资效率和更大的经济效益。

6 结语

本文提出了基于可调综合资源的新型电网规划模式，并以某市级电网为例，应用新型电网规划方法开展规划，规划结果表明，可再生能源、储能、需求响应等可调综合资源在电网规划中对传统电力都具有一定的替代作用，其中需求响应资源的可利用潜力及将其纳入电网规划后产生的影响都较大。因此，本文对输电网规划工作提出以下相关建议：1）重点考虑可调资源在电网规划中的替代作用，将其作为一种发电侧的替代资源来进行综合规划；2）在未来输电网规划过程中，可适当加强需求响应激励，进一步挖掘需求响应潜力；3）基于大数据的电力系统规划问题，可通过对采集的电力大数据进行系统分析处理，减少对物理模型的依赖。