电网运行趋势预测与调度优化具体路径探究

国网河南省电力公司安阳县供电公司 武术静

1 引言

发电、输配电、用电属于复杂的系统工程，电力单位需要制定日调度计划，实现各部分之间的协调运行，而前瞻性的潮流数据是制定相关计划的主要依据之一。进入大数据时代，依托各种算法工具，企业可借助历史数据、近期的负荷与发电计划、停电检修计划等，以较高的精度预测某一输电断面的潮流。此类预测算法具有显著的工程应用价值，可改善电网的调度模式。

2 电网运行趋势预测

2.1 电网运行趋势基础数据

电网运行趋势预测从当前运行点出发，对其在短时间（小时级）内的负荷、新能源消纳情况、断面潮流、电压、安全性等进行预测。因此在预测之前，应该以当前运行点为参考，收集基础数据，进而生成电网运行趋势数据。基于当前运行点的基础数据涵盖电网拓扑模型、断面潮流、电网模型指定故障集、负荷预测数据、新能源发电预测数据、电压参数及控制模式等[1]。

2.2 电网运行趋势预测方法

2.2.1 趋势预测的判断依据在电力调度工作中，联络电源中心和负荷中心之间的输电线路数量及拓扑结构稳定不变，某一输电断面的线路潮流之和称为断面潮流，该指标是电力调度的重要判断依据。电网运行趋势预测涉及众多基础数据，为了将发电计划、电网检修计划、新能源消纳情况以及电力负荷等数据整合在一起，可依据断面潮流进行运行趋势预测，因为潮流数据中综合了各种电网运行的影响因素，能够体现功率、电压、电能等电网稳态运行指标，潮流断面如图1所示。

图1 电网潮流断面

2.2.2 电网运行趋势估计算法

一是算法实现原理，电网运行趋势估计算法根据历史潮流数据和电网的计划运行数据，估算其在短期内的潮流变化。算法的实施流程包括采集电网真实潮流数据、采集电网运行计划数据、将数据输入算法模型、搜索并选择相似断面、估算运行趋势，当分配结果中存在不平衡功率时，需要再次进行功率分配，重新回到电网运行趋势估计环节，直至消除不平衡功率问题[2]。

二是搜索相似的传输断面，搜索相似传输断面的主要目的在于筛选出与计划断面最为接近的电力传输断面，由于两个断面高度相似，可借助相似断面的数据预测计划断面，这一方法能够显著提高运行趋势预测的准确性。搜索依据为电网中某一特定断面（计划断面）的计划运行数据，主要包括气象数据、电力负荷、发电计划、检修计划等[3]。将这些计划数据作为参考值，从已知断面的潮流数据中寻找与其最为接近的真实数据，从而确定相似传输断面。为了提高搜索精度，设置两个判断相似性的指标，分别为潮流相似性和网络拓扑相似性。

网络拓扑相似性计算方法：

假设根据计划运行数据初步确定了相似断面a，将该断面的邻接矩阵记为S1，计划断面b的邻接矩阵记为S2。邻接矩阵表示顶点间的相邻关系，以特定的顺序存储顶点信息图。网络拓扑相似性的计算表达式：

式中，tr为对两个矩阵进行迹运算；T为矩阵的转置。

sim（S1，S2）的计算值越小，说明相似性越显著。

潮流相似性计算方法：

潮流相似性计算用于判断计划断面的功率数据与相似断面的潮流数值是否达到高度匹配，计算表达式：

式中，将计划断面中的功率节点集合记为S，则其中的任一节点记为i（iS），Psc（i）和Psi（i）分别为节点i的计划输出功率、相似断面中对应节点的功率。

相似断面的匹配方式：相似断面和计划断面在较长的时段内（比如24h）存在一定的变化，当电网中并入新能源发电方式后，由于太阳能、风能的不稳定性，电网潮流数据通常会随之发生变化。另外，用电负荷也能影响相似性判断，而用电负荷属于不稳定的数据。鉴于此，在相似断面匹配中，按照不同的时间点，选取多个计划日传输断面，再进行相似日多时刻断面匹配，以此来提高断面选取的精确性[4]。

三是估算电网运行趋势，电网运行趋势估算重在产生未来较短时间内的断面潮流数据，在估算时需要获取一系列量化的基础数据，具体包括发电计划中的有功功率和无功功率、预测用电负荷中的有功和无功功率、相似断面的真实潮流数据等。估算方法的重点在于抗差估计，因为基础数据中有可能存在超过限值的粗差，容易导致估计结果出现偏差。为了排除粗差的影响，可运用最大交叉熵估计方法，计算表达式：

式中，I为交叉熵；zi为相似断面节点i的测量数据；hi（x）为计划断面对应节点的估计值；m为测量数据的种类；K为核函数。

将高斯核函数代入式（3），即可获得最大交叉熵的表达式：

式中，δ为测量值的标准差。

高斯核函数能够限制测量值的残差范围，进而显著降低粗差对目标函数的影响。

四是传输线路的功率计算方法，在潮流断面中存在若干条传输线路，不同线路的功率有所差异，相应的计算式为：

式中，Pij为节点i到节点j的有功功率；g为传输线路上的电导率；vi、vj为节点i和节点j的电压值；θij为电压相角差；b为线路电纳。

五是不平衡功率再分配，在初次的潮流分配中，一方面要满足计划断面各节点的计划数据（如电压、负荷），另一方面要达到断面的传输功率要求。但初次分配的计划潮流数据有可能造成不平衡功率，与相似断面的真实潮流数据以及计划断面的真实潮流数据仍然存在一定的偏差。为此，在算法训练阶段应该评估是否存在功率不平衡，若存在该问题，则需要进行功率再分配，可采用极限学习机（Extreme Learning Machine，ELM）实现这一训练目标[5]。ELM是一种神经网络模型，由输入层、隐含层和输出层构成，可利用相似断面的真实潮流数据训练该模型，消除功率不平衡问题。

3 基于运行趋势预测的调度优化路径

电网运行趋势预测能够产生具有前瞻性的断面潮流数据，并且综合了发电、负荷、检修、气象等一系列影响因素，能够为电力企业制定调度计划和措施提供较为可靠的参考依据，可在其基础进行预调度，并且制定一系列安全管理预案。

3.1 基于运行趋势预测实施预调度

预调度属于新一代电力调度技术，目前已经在部分省份投入应用。以国网江苏电网为例，其2022年上线的“电网大脑”新增了预调度功能，能够根据区域发电预测数据、区域用电预测数据、停电计划、新能源预测数据、气象预测数据等进行模拟推演，帮助电力企业制定具有前瞻性的调度措施，规避调度风险，电网运行趋势预测在预调度功能中发挥了关键作用。从实现路径来看，预调度功能需要收集的基础数据见表1，电力企业获取基础数据后，借助运行趋势预测算法处理相关数据，生成预调度场景，再进行相应的数据计算，掌握潜在的风险断面，形成调度方案。

表1 基于电网运行趋势预测的基础数据

3.2 基于运行趋势预测评估电网运行的安全性

电网运行趋势预测不仅能够提供断面潮流方面的数据，还能在电网安全性预测方面发挥作用。预测方法为建立电网运行安全性评价指标体系、分别开展状态评价和趋势评估。状态评价用于判断电网当前的运行状态，具有实时性。趋势评估用于判断电网在未来一段时间内的安全性。电网安全状态评价指标体系示例见表2，采集相关数据，构建电网运行安全预测模型，根据指标数据计算出三种安全趋势，分别为安全状态、紧急不安全状态、非紧急不安全状态，每一种状态对应不同的调度措施。例如，紧急不安全状态具有较高的风险，此时应准备应急预案，进行风险防控。在安全风险预测中，关键要把握冲击性事件，以量化方式评估相应事件的危险程度。

表2 电网安全状态评价指标示例

3.3 基于运行趋势预测制定临时性的调度方案

电力输电线路以及杆塔受到人为活动、风力、鸟害、雷击、洪灾等因素的影响，有可能出现突发的故障，导致断面潮流出现畸变。在这一情况下，电力企业应根据实际情况，作出快速响应，以运行趋势预测为基础，综合断面潮流预测、安全预测、故障类型、故障线路等信息，电力企业的调度管理人员可制定出临时性的调度方案，以满足安全预案之外的特殊险情防控。

4 结语

为了生成准确的电网潮流数据，本研究利用算法工具，从电网的历史数据中搜索相似的潮流断面，配合用电负荷计划数据、发电计划数据、停电及检修计划等，提出了针对计划断面的潮流预测方法，较为准确地满足了输配电需求，同时消除了不平衡功率问题。在其基础上分析了优化电网调度的路径，包括紧急情况下制定临时调度方案、评估电网的安全状态和运行风险、实现预调度功能。