地市级可再生能源消纳责任权重目标分解方法

陈荃，吴科成，曲毅，何春庚，何润泉，谢敏

(1．广东电网有限责任公司，广州 510630；2. 华南理工大学电力学院，广州510641)

0 引言

在化石燃料紧缺及日益严重的环境污染背景下，我国在各行各业都开始重视起对环境友好且可持续发展的可再生能源[1]。自2005年可再生能源立法以来，我国一直倡导发展可再生能源，也尝试出台相关政策刺激其发展[2]。2018年3月起，国家能源局先后3次公布可再生能源电力配额制征求意见稿，并于2019年8月将配额制更名为可再生能源电力消纳保障机制，提出确定各省级区域的可再生能源电量在电力消费中的占比目标，即“可再生能源电力消纳责任权重”，每年对各省级区域可再生能源电力消纳责任权重完成情况进行考核[3]。

2020年5月，国家发展改革委、国家能源局印发通知，正式明确各省份2020年可再生能源电力消纳责任权重，有序实施可再生能源电力消纳保障机制，同时计划在9月组织开展全国可再生能源电力消纳责任权重执行情况评估，研究提出2021年可再生能源电力消纳责任权重初步安排[4]。

现阶段国家按省级行政区域确定消纳责任权重，将消纳责任分摊给各类市场主体，对承担责任的市场主体进行考核[5]。然而目前部分省级区域的可再生能源电量属于计划性电量，由电网公司统一收购和全额消纳，这就意味着市场主体只能从省电网公司购买可再生能源电量。在这种情况下，电网公司将承担所有可再生能源消纳量，并成为全省唯一考核对象，这也是这类地区完成省级消纳权重指标的主要途径。对电网公司而言，权重责任如何分摊的问题直接关系到全省目标年份指标值能否顺利实现。基于此，通过设立地市级权重分解目标值，由各地市协同完成目标年份国家下达的权重指标要求，是贯彻和推进可再生能源消纳保障机制的重要举措。

与我国可再生能源消纳责任权重相对应的是国外可再生能源配额制，不同国家配额指标分解方法有所差异。美国根据售电量的比例，每年采取存量+增量的方式对各州指标进行分解[6]，英国配额指标分解与区域经济发展水平密切相关，但区域内供电企业的配额均统一于固定值[7]，日本基于各地网架坚强情况，综合考虑网架坚强系数进行指标分解[8]，意大利不同发电企业的配额指标分解值相同[9]，而荷兰充分考虑社会需求、经济承受能力等因素来确定各成员国的可再生能源分解目标[10]。

国内学者目前针对可再生能源电力消纳责任权重指标分解研究较少。文献[11]明确指出2020年各省级区域可再生能源电力消纳责任权重，但对于该权重如何落实并未给出合理的分解方法，电网公司以什么样的方式组织消纳未明确规定。文献[12]区域间可再生能源消纳权重的由各地区可再生能源装机占比、利用小时数与历史可再生能源发电量等因素确定，忽略了区域电网运行物理特性，能源资源发展特性。文献[13]将权重目标值按照区域的售电量进行分解的方法予以确定。这种方法不考虑区域间可再生电力的交互，认为各区域可再生能源电量均是自产自销。对于发用电资源分布极度不均匀的省份，误差尤为明显，可能造成经济发达、负荷密度高的地市权重分摊目标值设置过低，完成可再生能源消纳裕度过大；而可再生能源资源丰富的偏远地市，权重分摊目标值设定过高，完成考核难度大，甚至无法完成。文献[14]基于非水可再生能源消纳责任权重的绿证交易模型来确保权重指标的完成，但是未考虑权重指标在省内不同地理分区的分解结果会对交易结果带来影响。

在这种形势下，迫切需要一种兼顾电网运行物理特性，且能够综合考虑各地市负荷、经济、能源资源发展特性的权重目标分解方法，为各地市因地制宜地制定权重目标值。本文提出了一种基于潮流跟踪的可再生能源消纳权重地市级分解方法，依据各地市节点负荷在电网中的电气连接拓扑以及实际地理位置，基于图论将复杂电力网络按地市划分，并将该方法应用到IEEE 30节点系统和某省实际电网中。结果表明，基于潮流跟踪的可再生能源消纳权重地市级分解方法适用于实际电力系统网络，考虑了线路潮流、网络拓扑结构以及地市间功率交互特性等工程实际需求，有助于各地市切实完成消纳可再生能源指标要求，促进可再生能源消纳保障机制健康长效发展。

1 可再生能源消纳责任权重概念

可再生能源电力消纳责任权重(以下简称权重)是指按省级行政区域对电力消费规定应达到的可再生能源电量比重，包括总量消纳责任权重和非水消纳责任权重，计算公式如式(1)—(2)所示。

(1)

(2)

式中：α1为非水消纳责任权重；α2为总量消纳责任权重；Qn为区域内部年生产且消纳年非水电可再生能源电量；Qw为区域内部年生产且消纳年可再生能源电量；Qe1为年净输入非水电可再生能源电量，Qe2为年净输入可再生能源电量；Qt为预计本区域年全社会用电量；Qm为本区域全社会用电量中免予考核电量。

2 基于潮流跟踪的地市级权重目标分解方法

该方法的基本思路是：依据在电网中的电气连接拓扑以及实际地理位置，通过追踪省内可再生能源电力在电网中的实际流向和分布来测算各个地市实际可能消纳的可再生能源电量；然后将全省的目标权重值按照所测算的各地市可再生能源电量比率进行分摊，即可得到各地市承担的可再生能源消纳责任权重目标值。

2.1 潮流跟踪的基本原理

潮流跟踪法[15 - 16]是在电力系统特定的运行状态下，通过潮流分析和计算,明确发电机或负荷功率在输电元件中的分布情况，据此来度量它们对输电网络的使用程度。文献[17]提出了潮流跟踪的基本原理，先在拓扑有向图中确定发电机节点和负荷节点，同时构造顺逆流分配矩阵，探寻跟踪的可行路径，最后通过标准节点测试系统证明潮流跟踪法的有效性。目前潮流跟踪法在输电成本分摊、电网经济效益等研究领域已得到广泛应用[18 - 19]，文献[20]为精确定量分析电网各部分的盈利情况，给出了一种基于潮流双向追踪的稳态电网利润分布计算方法，文献[21]从经济运行角度研究分布式电源配电网线损分摊，给出了一种基于经济运行分析的分布式电源配电网线损分摊计算方法。

潮流跟踪的关键在于分配矩阵的构建。潮流分配矩阵包含无损网络节点、支路以及负荷的连接、有功功率传输等重要信息，是建模负荷节点与发电机的有功功率解析关系的关键[22 - 24]。设矩阵A=(aij)n×n为n节点无损网络的潮流分配矩阵，其中i、j=1,2,…,n。Pij表示从节点i向节点j传输的有功功率；PTj表示节点j注入的有功功率之和，则潮流分配矩阵的构造为

(3)

在处于某一运行状态的无损网络中，PG=[PG1,…,PGn]T， 为发电机有功出力列向量，其中n表示网络中的节点数；PL=[PL1,…,PLn]T， 为负荷吸收的有功功率列向量；PT=[PT1,…,PTn]T， 为n节点电力系统网络各节点总共注入的有功功率列向量。据此可得式(4)—(7)所示的潮流分配矩阵特性。

APT=PL

(4)

ETAPTT=(PG)T

(5)

(6)

(7)

式中：PLL=diag[PL1,…,PLn]T，PGG=diag[PG1,…,PGn]T，PTT=diag[PT1,…,PTn]T分别表示发电机有功出力、负荷吸收的有功功率以及各个节点总注入的有功功率的对角矩阵，它们均为n×n阶对角矩阵；E=[1,1,…,1]T为n阶列向量。

由式(4)、式(6)—(7)可以得到发电机出力和负荷有功功率的解析表达式，如式(8)所示。

PG=PGG(PTT)-1A-1PL

(8)

式中：PGG(PTT)-1A-1为系数分配矩阵，用M=(mij)表示。任意发电机和负荷的功率解析关系[25]可表达为：

(9)

式中：Pi-j为处于节点的发电机给节点j的负荷分配的功率值；mij为节点i的发电机和节点j负荷的功率的分配系数；PLj为网络中位于节点j的负荷分配的功率值之和。

2.2 地市可再生能源权重目标值的计算

地市级可再生能源消纳责任权重目标分解问题探究的是对未来一年甚至是多年权重的目标分解，其本质上隶属电力系统规划领域。对于电力系统规划问题而言，未来的负荷、网架、电源都面临众多不确定性，无法预知，也就不能准确得到系统各个时刻的状态。本文选取规划水平年的典型(日)运行方式来进行相关分析和计算[26 - 29]。采用潮流追踪法对日内电网潮流逐时段进行计算(假定典型日的网架拓扑不变)，可以得到各地市典型日消纳的可再生能源电量；再基于等效分析原则[30]，认为各地市该季节内逐日消纳的可再生能源电量均等于典型日电量值，这样就由日电量拓展至季电量，每一季节的电量均采用这种进行计算，四季累加后即可得到该地市全年消纳的可再生能源电量值。将该值分别除以减去免考核电量后的全省全社会用电量，即可得到各地市所分摊的消纳权重预测值。最后，将设定的权重目标值按照权重预测值按比例分摊到各个负荷，即可得到各地市的总量权重目标值。如式(10)—(11)所示。

(10)

(11)

式中：z为典型运行方式序号；Dkz为第k个地市在第z个典型运行方式消纳的可再生能源电量；Pkzs为第k个地级市z典型运行方式下第s个时段消纳可再生能源功率之和；tzs为z典型运行方式下时段总数；Qdk为第k个地市所预测的权重值，Qset为设定的权重目标值；Qek为第k个地市所分摊的权重目标值。

2.3 所提地市权重目标分解方法实现流程

本文所提的基于潮流追踪的地市权重目标分解方法实现流程如图1所示。

图1 基于潮流跟踪的地市权重分解方法流程图Fig.1 Weight decomposition method based on power flow tracking

3 算例分析

首先以 1 h 作为消纳权重的目标计算时长，在IEEE 30节点系统上进行计算，以验证方法的可行性；随后，将该方法应用到某实际省级电网中，对某一年的地市权重值进行测算，以验证方法的实用性。

3.1 IEEE 30节点系统

IEEE 30节点系统潮流计算结果如图2所示(图中单位为MW)。以1 h作为消纳权重的目标计算时长，即，假设系统在1 h内运行方式保持不变。蓝色加粗数字表示支路传输的功率由数字较小的节点流向数字较大的节点，黑色数字表示支路传输的功率由数字较大的节点流向数字较小的节点。系统由30个节点、41条支路、6台发电机和20个负荷构成。其中位于节点2、节点13的发电机组是可再生能源机组，它们的有功出力分别为60.97 MW、37 MW。系统该时段除去免考核电量后的全社会用电量为189.2 MWh，可再生能源消纳责任总量权重目标值为48.50%。

图2 IEEE 30节点系统潮流计算结果Fig.2 IEEE 30 node system power flow calculation results

应用式(4)—(11)，可得负荷与发电机功率的解析关系，计算结果如表1所示。表1中，每一列表示该节点上的负荷由各台发电机提供的功率比例，如节点3上的负荷靠近发电机1，故其全部负荷均由发电机1供电；节点10位于网络中心地带，每一台发电机均给该节点上的负荷提供了电能，其中，发电机22最为靠近节点10，故节点10有42%的电力由发电机22供给。

表1 各负荷节点与发电机功率系数分配关系(IEEE 30系统)Tab.1 The power coefficient distribution relation between each load and generator for IEEE 30 system

根据图1流程计算即可得到各个负荷的总量权重目标值。结果如表2所示。由表2可见，该系统节点3、20-30节点均没有消纳可再生能源，故其相应的权重目标值为0。节点2上的发电机2为可再生能源发电机，节点2上负荷87%由该发电机供电，故其分摊的消纳权重目标值为全网最高，达9.9%。

表2 可再生能源消纳责任权重在各负荷节点的分配结果(IEEE 30系统)Tab.2 The renewable energy consumption weight value of load for IEEE 30 system

3.2 某省级实际电网算例

该省级电网由2 778个节点、3 035条支路、223台发电机和714个负荷节点构成。该省共有21个地市，将各地市级配网等值为110 kV的若干节点，作为负荷节点处理。上述电网规模为等值后结果。以某年作为消纳权重的目标计算时长，该年全省除去免考核电量后的全社会用电量为666 347.7 GWh，从外省购入电量225 586 GWh，外购电落点在8个节点上，分布在3个地市，外购电量中可再生能源占比61.94%，非水可再生能源占比0.95%。假设国家下达给该省的可再生能源消纳责任总量权重目标值为28.5%，非水权重目标值为4.5%。

3.2.1 地级市权重分解结果

首先选取该年春、夏、秋、冬4个典型日的运行方式，逐一计算典型日的潮流追踪结果，获得各地市各季节消纳的可再生能源电量，累加即可得到各地市可再生能源电量的实际可能达到的消纳量。将其分别除以减去免考核电量后的全省全社会用电量，即得到各地市权重预测值。最终将设定的权重目标值按照地市权重预测值按比例分摊到各个地市，即可得到21个地市的总量和非水权重目标值。结果如表3和图3(总量)、表4和图4(非水)所示。

表3 该省级电网各地市总量消纳权重目标值Tab.3 The provincial power grid city total consumption weight target values

表4 该省级电网各地市非水消纳权重目标值Tab.4 The provincial power grid city non-water consumption weight target values

图3 各地市总量权重分摊结果Fig.3 Total weight allocation results of each city

图4 各地市非水权重分摊结果Fig.4 Non water weight allocation results of cities

如上图表结果可见，采用潮流追踪得到全省可再生能源消纳总量权重的实际预测值为31.7%，非水权重预测值为5.03%，能够完成国家下达的权重目标值指标(28.5%，4.5%)。对于C1、C2和C4，其经济发展水平分别位于该省级电网前列，区域电力负荷需求大，可再生能源资源有限，但与外部区域电力交互频繁，其潮流追踪所得的可再生能源消纳量也大，也就需要承担的较大的消纳责任；相反，经济发展水平低的地市，如C14、C15，其承担权重值小。

3.2.2 地市消纳特性分析

根据上述结果，从各地市经济、负荷、可再生能源装机的特点、消纳权重分摊结果分析，可将21个地市分为3大类：1)外部输入类：可再生能源装机较小，可再生能源电力主要从其他地市注入，消纳的权重大。2)自给自足类：本地的可再生能源电力基本自身消纳，与其他地级市电力交互小。3)内部输出型：可再生能源装机较大，但由于本地经济相对落后，可再生能源电力大多注入其他地市，这类地区分摊的权重目标值减小。3类地市具体如表5所示。

表5 各地市分类情况Tab.5 Classification of various cities

根据潮流追踪结果，以总量权重为例，从3类地市中分别挑选典型地市进行分析。

1)外部输入类

以C1为例，该地输入的可再生能源电量为21 284.5 GWh，然而C3、C8、C12、C15、C16分别有6 714.2、29.9、6 800.9、884.8、0.2 GWh可再生能源电量注入C1所属区域，导致其消纳的可再生能源电量增大，从而使C1承担较大权重。

图5 C1电量注入情况Fig.5 Power injection condition of C1

2)自给自足类

以C18为例，该地产生的可再生能源电量为7 258.2 GWh，有340.8 GWh可再生能源电量注入C10所属区域，剩余的6 918.4 GWh可再生能源电量均在本地消纳。

3)内部输出类

以C15为例，该地生产的可再生能源电量中有884.8 GWh、8 420 GWh注入C1、C12，只有1 033.9 GWh供本地消纳，导致其实际消纳的可再生能源电量大大减少，从而C15应该承担较小的总量消纳权重。

图6 C15电量输出情况Fig.6 Power output condition of C15

3.2.3 外省购入电对权重值的影响分析

根据《关于建立健全可再生能源电力消纳保障机制的通知》，跨区域购买可再生能源电量是区域内权重值认证形式之一，是省级区域完成消纳责任权重考核要求的有效途径。在潮流追踪的实际计算中，考虑外购电时，是将等值为其在各地市落点节点处接入的等值电源点来进行计算。不考虑外省购入电，则重新计算潮流追踪结果，可以得到如图7和图8中红色细线所示的地市权重分解结果，并将其与考虑外购电的分解结果进行对比分析。

图7 外省购入电对地市总量权重分解结果的影响Fig.7 The influence of electricity purchased from other provinces on the results of the total weight decomposition of prefectures and cities

图8 外省购入电对地市非水权重分解结果的影响Fig.8 Influence of electricity purchased from other provinces on non-water weight decomposition results of prefectural cities

不考虑外购电时，该省各地市总量权重之和为8.65%，与考虑外购电计算得到的31.70%有很大差距，说明外购电对省内各地市权重分解有显著影响，该省外购电中可再生能源是该省级完成国家下达权重目标值的重要依仗。

对于非水权重，不考虑外购电计算得到的地市非水权重值之和4.69%与考虑外购电的非水权重值5.03%相差很小。可见，该省级区域基本能够不依赖外购电就能独自完成非水消纳责任权重目标值。

对比图7和图8可见，该省外购电主要成分为水电，且外购电落点所在的城市(C1、C4、C20)其总量权重指标的完成有赖于外购电。

3.2.4 与“按区域售电量分解”方法对比分析

目前电网公司可再生能源消纳分配常采用 “按区域售电量分解” 方法，即，考虑各地市辖区内可再生能源发电量均为本区域内消纳，地市净输入可再生能源电量为外购电量，按照本区域的售电量占全省售电量比例进行分摊。采用按区域售电量分解方法与本文所提的基于潮流跟踪的分解方法进行对比，结果如图9所示。

图9 潮流跟踪法和售电量方法权重分解结果对比Fig.9 Comparison of weight decomposition results between power flow tracking method and electricity sales method

对比潮流跟踪权重分解结果，按“区域售电量分解”方法所分摊的地市消纳权重目标值与各地市实情差距较大，对于发用电资源分布极度不均匀的省份，误差尤为明显。经济发达、负荷密度高的地市，如C1、C2、C20等，权重分摊目标值设置过低，完成可再生能源消纳裕度过大；而可再生能源资源丰富的偏远地市，权重分摊目标值设定过高，完成考核难度大，甚至无法完成。以C15为例，该区域虽然装机容量较大，但其位于经济较为落后地区，区域电力负荷需求较小，只有1 033.9 GWh可再生能源供本地消纳，其实际总量消纳权重应该较小。

“按区域售电量分解”方法计算过程不考虑电力系统的运行特性，认为地市间不存在可再生能源电力交换，与地市实际偏差较大；而本文方法充分考虑各地市负荷和可再生能源机组的实际地理位置、负荷水平以及源、荷在各网架拓扑上的分布情况等重要数据，将外购电等值为其在各地市落点节点处接入的等值电源点来进行计算，所分摊的地市消纳权重目标值也更为契合各地市实情。

4 结论

可再生能源消纳责任权重目标分解是国家健全可再生能源电力消纳保障机制政策背景下诞生的新问题。针对该问题，本文对可再生能源消纳责任权重的地市级分解方法进行研究，归纳如下。

1)提出一种基于潮流追踪原理的地市级可再生能源消纳责任权重目标分解方法，能够为省级区域完成国家下达的可再生能源消纳总量和非水权重目标值提供一种新的实现途径和测算依据，使各地市权重目标分解有理可依，有据可循。

2)考虑电力系统环境下可再生能源消纳主体的多元复杂特性，本文所提方法将复杂电力网络划分成多区域，然后采用潮流追踪法对各地市主体进行追踪和权重分解计算，综合考虑了各个地市的负荷、电源分布特性，以及网架拓扑结构和传输容量约束，追踪所得到的结果能够反映各个地市实际消纳可再生能源情况，为因地制宜地分配各地市的消纳责任权重目标提供有效技术实现手段。