基于大规模新能源接入的电网规划风险预警系统研究

2023-01-11王佐

能源与环保 2022年12期

王佐

(国网黑龙江省电力有限公司大庆供电公司，黑龙江大庆 163458)

随着城市化进程的不断推进，各个城市的电网建设也开始提速，电网规划的适用性和合理性会对现代化进程的推进速度和城市的经济发展速度造成直接影响，因此必须进行科学的电网规划。而在电网规划中，城市过快的发展步伐也会带来社会、政策、经济环境的不确定性，使规划风险进一步扩大[1]。当一个城市在短期内发展过快，会带来经济环境的突变以及投融资政策和相关政策法规的不健全，此时规划的用电企业可能发生停产问题，或由于投资的撤销使区域用电负荷降低，增大规划城市电网的风险。同时还有很多其他城市发展中的风险因素会带来电网规划风险，也就是说电网规划风险是普遍存在的，基于该背景对电网规划风险的预警问题进行研究。

对电网规划风险预警系统进行研究有重大意义，有利于城市的综合发展以及城市功能的完善，同时也是保障电网稳定运行的基础[2]。通过电网规划风险预警系统能够获取电网规划环境的实际风险状态，获取市场与环境变化对电网规划产生的影响，及时发现电网规划中存在的危机与风险[3]。各国都很重视电网规划风险预警系统的研究，并在研究中应用了多种方法和技术，包括数据挖掘技术、边界值法、均匀设计法、模糊综合评价法等。然而电网的发展是日新月异的，现有研究成果的应用往往有效性较低，因此从新的角度出发对电网规划风险预警系统进行研究，设计一种考虑大规模新能源接入的电网规划风险预警系统。当前电网在改革中不断接入大量新能源，包括风电、光电等，未来还会接入更大规模的新能源，对电网的运行造成了很大冲击，更带来电网规划的巨大变革。考虑大规模新能源接入对电网规划风险预警系统进行研究与电网的发展趋势相符合，该研究有重大的现实和理论意义。

1 电网规划风险预警系统

1.1 硬件设计

1.1.1 通信模块设计

通过网络通信服务器与串口服务器的设计实现通信模块的系统通信功能[4]。网络通信服务器的通信芯片选择IXP425，核心控制处理器选择Intel Xscale Core，网络处理引擎选择NPEs，模块的结构设计如图1所示。

其中，通过扩展总线能够实现通信芯片IXP425的多种地址映射，具体如下：①队列管理器地址映射：起始地址6000_0000→终止地址63FF_FFFF，映射大小为64 MB。②2种扩展地址映射，分别为：起始地址0000_0000→终止地址0FFF_FFFF，映射大小为128 MB；起始地址5000_0000→终止地址5FFF_FFFF，映射大小为256 MB。③PCI地址映射：起始地址4800_0000→终止地址4FFF_FFFF，映射大小为128 MB。④保留地址映射：起始地址4000_0000→终止地址47FF_FFFF，映射大小为64 MB。⑤SDRAM地址映射：起始地址0000_0000→终止地址3FFF_FFFF，映射大小为2 MB。

图1 通信模块的结构设计Fig.1 Structure design of communication module

串口服务器主要由电源部分、串口电路、网络电路、指示灯电路、外围电路以及嵌入式微处理器构成[5]。其中微处理器选择的型号是STM32F103RCT6芯片。

网络电路的设计如图2所示。

图2 网络电路的设计Fig.2 Design of network circuit

在指示灯电路中设置5种颜色的预警灯用于进行风险预警[6]。

1.1.2 处理器模块设计

处理器模块由电源电路、嵌入式处理器芯片、封装电路构成。其中嵌入式处理器芯片选用的型号为XC7Z100-2FFG900I[7]。电源电路由稳压电源电路、防浪涌电路与防反接电路构成。

1.2 软件设计

1.2.1 风险识别模块设计

在风险识别模块中，通过分解分析法实现风险识别，具体识别流程如图3所示[8]。风险识别模块还可以引入核查表法或德尔菲法进行风险识别。

图3 风险识别流程Fig.3 Risk identification process

1.2.2 风险评估模块设计

在风险评估模块中，构建电网规划风险评估体系，对大规模新能源接入状态下的电网规划实施风险评估。在电网规划风险评估体系的构建中，遵循全面性、独立性、科学性、针对性、可操作性、灵活性原则对评估指标进行选取[9]。将一级指标定为电网规划风险情况，根据风险识别结果制定二级指标，分别为政策风险指标、技术风险指标、经济风险指标、管理风险指标等[10]。根据选取的二级指标对其对应的三级指标进行选取，构建电网规划风险评估体系，具体见表1。

(1)层次结构构建。通过层次结构模型的构建对复杂问题进行分解，使其变为多个相互独立的元素。

(2)判断矩阵构造。整理分析的数据以及相关资料，比较各因素的重要程度，构建两两比较矩阵[11]。

(3)获取相对于准则层的指标层权重，并进行一致性检验。

(4)通过指标权重的模糊综合评价实现电网规划风险评估。

利用层次分析法确定体系中各指标的权重。

1.2.3 数据库模块设计

在数据库模块中，设计优质的数据库表以减少数据存储的冗余性，降低存储数据的占用空间。在数据库表的设计中，需要对表结构进行优化设计，以

表1 构建的电网规划风险评估体系Tab.1 Risk assessment system of power grid planning

实现数据存储空间的压缩，还需要注意字段命名规则的规范性与表格功能上的完整性。设计的数据库表包括风险指标表、预警方案表、数据信息表、数据类型表、用户信息表、角色信息表等[12]。其中风险指标表的设计见表2。

表2 风险指标表的设计Tab.2 Design of risk index table

预警方案表的设计见表3。在设计的数据库表中，需要将导入或采集的各种类数据转换成该类数据的统一单位，再将其存储至数据库中[13]。

1.2.4 预警警报模块设计

在预警警报模块中，通过风险预警模型的构建实现系统的电网规划风险预警功能。构建的风险预警模型具体功能为以风险评估结果为依据给出综合预警等级[14]。

在预警警报模块中，还需要对各指标进行持续监测，当风险指标超出警戒范围，需要发出对应的指标预警[15]。

表3 预警方案表的设计Tab.3 Design of early warning scheme

在综合预警的过程中，需要对预警区间进行划定。具体如下：将预警区间划分为5个预警区，分别为高风险区、较高风险区、中等风险区、较低风险区以及低风险区[16]。预警的具体信息如下：①高风险区的警度为巨警，预警信号为红灯；②较高风险区的警度为重警，预警信号为紫灯；③中等风险区的警度为中警，预警信号为黄灯；④较低风险区的警度为轻警，预警信号为绿灯；⑤低风险区的警度为无警，预警信号为蓝灯。

1.2.5 风险规避模块

在风险规避模块中，通过风险控制策略的制定、贯彻以及实施来实现规避电网规划风险的目的[17]。制定的风险控制策略中使用的衍生金融工具为实物期权、保险。其中实物期权通过离散型定价方法或Black-Scholes 定价模型进行定价；保险能够实现分担风险、分摊损失以及经济补偿职能，同时能够实现防灾防损以及投资这两个派生职能。

制定的风险控制策略具体包括电网公司策略与政府部门策略。其中电网公司策略包括加强管理负荷预测风险、加强同政府部门的协调与沟通等；政府部门策略包括加强产业政策、财政政策、金融政策的协调性；加强监测民间借贷等。

2 系统性能的仿真测试

2.1 实验地区

在某地开展设计的考虑大规模新能源接入的电网规划风险预警系统的仿真测试。通过设计系统对该地区实施电网规划风险预警，在预警过程中测试系统性能。实验地区位于某省中西部，是该省的居住中心、现代商业中心、历史文化中心、行政中心。该市在加速建设城市配套基础设施的同时，也规划了一批商业、医疗卫生、教育设施。并凭借环境、功能以及区位上的优势吸引了一批社会资金与优势企业的进驻，注册的企业已经接近400家，注册资本则超过百亿元。实验地区目前的配电网存在以下问题：负荷较为集中、供电范围不明确、供电半径大、供电可靠性差、电网结构混乱、主干线额定容量与线路配变装接容量不匹配，且存在迂回供电、交叉供电的乱象。实验地区目前的配电网情况如图4所示。

图4 实验地区目前的配电网情况Fig.4 Current distribution network in experimental area

为满足该市发展下的供电需求，对其实施电网建设规划。在电网建设规划中制定了10 kV 配电方案，具体如下：构建110/10 kV 变电站，其主变容量为85 MVA，全电缆进出线。该方案的投资估算以及电网建设规模具体见表4。

表4 该方案的投资估算以及电网建设规模Tab.4 Investment estimation and grid construction scale of the scheme

在对实验地区进行电网规划风险预警时测试系统的预警性能。

2.2 预警性能测试结果

对于实验地区，设计系统的综合预警结果为红灯，系统输出的实验地区电网规划净现值实际频数分布情况如图5所示。

图5 系统输出的净现值实际频数分布情况Fig.5 Actual frequency distribution of net present value of system output

根据图5的系统输出净现值实际频数分布数据，110 kV方案的95%利润置信区间在[-4.0×104，-5.0×104]；10kV方案的95%利润置信区间在[-1.4×102，-2.8×102]。可见二者在财务上都是亏损的。因此，才会出现红色警报。实验结果说明，实验地区电网规划不够合理，同时说明设计系统有良好的电网规划风险预警能力。