摘要：伴随电力工业的不断发展及市场化的日益深入，考虑电力系统运行中不确定性因素的运行调度理论研究已成为当前的热点问题。通过不同风况下的风电场预测申报功率场景分析，对比电网确定性与概率性安全下的风电最大容许上网功率，论证了该模型能够以风险均衡方式有效协调电网静态安全与接纳风电能力，从而提升电力系统调度计划制定的科学性。
关键词：电力系统；概率；优化调度
随着风电并网容量的持续快速攀升，大规模风电给电网调度运行带来的影响越来越大。在现有的电源条件、电网拓扑和负荷需求水平下，如何提高电网运行条件下风电接纳能力的优化调度计划制定方法，是目前电网调度运行领域的热点研究问题。对于电网运行条件下，风电接纳能力与调度计划制定的电网静态安全考虑程度存在紧密关联性，为此以协调电网接纳风电能力与静态安全的电网调度计划制定为研究目标，构建了协调电网接纳风电能力与静态安全的概率优化调度模型，通过采用确定性与概率性方式考虑电网输电元件故障，揭示了电网静态安全性对风电接纳能力的影响。
一、电网调度运行难度增加
对电力系统所面临的不确定性因素，给出其可能性与严重性的综合度量，是电力系统运行风险的基本定义。其基本运算表达式为：
风电功率具有很强的随机波动性，无疑将增大电力系统运行中面临的不确定性因素，在确保电网一定安全水平的前提下，为最大化接纳风电，电网调度运行方式Xt,f 的优化制定难度变得越来越大，突出体现在：
（1）与变化趋势规律性较强和预测精度较高的负荷相比，风电功率预测难以达到与负荷预测等同的精度水平，系统等效负荷水平Xt,j 的变化态势难以准确把握；
（2）风电功率随机波动带来电网潮流的快速变化，电网输电元件负载率水平将变得不均衡，调度计划Xt,f 制定时需综合考虑系统运行中的各类安全因素和边界限制，这对调度计划方式应对电网预想事故的综合防御能力与协调调整性能提出了更高要求；
（3）大规模风电使得调度计划优化制定的目标与安全约束集合的协调构建、以及目标与约束的牵制关系变得更加复杂，需要统筹考虑常规电源输出功率的调节性能、电网安全运行水平、接纳风电能力等多重因素的牵制，均衡协调各类因素之间的牵制挤兑关系，使得优化调度模型的目标与约束集合的综合设计与构建难度不断增大，大规模风电使得电网优化调度计划制定中需要统筹协调考虑的因素越来越多，调度计划制定中的目标与约束协调构建难度越来越大，在一定的现有电网结构、电源条件和负荷水平下，均衡协调电网接纳风电能力与电网静态安全性的优化调度计划问题是本文的研究重点。
二、概率优化调度模型构建
1、目标函数。该目标是电网事故前后各状态下风电接纳能力的概率期望最大值，即依据风电场预测功率的申报信息，考虑电网静态安全运行约束和输电元件事故发生概率，优化制定电网调度计划，使风电期望上网功率达到最大。
2、约束集合。约束集包括电网事故前后各状态下的等式约束、不等式约束集合，以及输电元件事故前后状态之间对应的耦合关联约束，具体描述如下。
1）基于直流潮流的电网输电元件事故前/后各状态的潮流平衡等式与不等式约束集合。
2）常规发电机组、母线负荷和风电场输出功率在电网正常运行状态与第k 个输电元件事故状态之间的耦合牵制约束。
因此，以上由式所构成的模型即为在给定风电场短期预测申报最大上网功率的基础上，以全网期望风电接纳能力最大为目标，计及电网输电元件N-1 静态安全约束的概率优化调度模型。
3、模型分析。对以上所构建模型进行分析，可知该模型将包含以下情况。
方式1：若考虑电网N-0 静态安全性，即只满足电网正常运行状态的各类约束，可通过充分挖掘系统内常规电源的下调能力来让出发电空间，调度计划将以最大化方式安排风电的上网功率来共同满足负荷需求，但该方式未考虑输电元件断开后的潮流转移，该方式防御电网输电元件预想事故的能力较弱，易发生输电元件过载和负荷中断损失，电网运行面临的风险较高。
方式2：若以确定性方式考虑电网输电元件N-1静态安全性，即同时满足电网正常运行状态和输电元件停运事件状态下的各类边界约束，该调度计划方式对电网静态运行安全性进行了强化，由于风电场输出功率只具有单向调节能力，为满足电网N-1静态运行安全的要求，具备上/下调节能力的常规电源将不得不承担更大的发电空间，因而该调度方式下电网的静态安全性将能够得到保障，从而确保电网运行的刚性静态运行安全，但风电上网功率则势必会受到挤压。
方式3：若在考虑电网N-1 静态安全性时，将输电元件故障事件发生概率纳入考虑，即满足一定的电网运行风险水平，以风电接纳能力期望最大为调度目标，并考虑常规电源在输电线路故障状态下的输出功率紧急再调节能力，将能通过概率均衡方式来协调电网静态安全性与风电接纳能力之间的相互牵制，改善由于确保电网N-1 刚性静态安全而导致的接纳风电能力被压缩。
三、算例验证与分析
以下采用节点测试系统，该系统包含单重输电元件故障数11 个。需求侧母线节点4～节点6 的负荷需求均为80MW，中断负荷惩罚系数取值为1000。
对图所示的输电网络，两座等值风电场位于节点1 和节点3，风电装机容量均为50 MW，风电场预测功率的申报数据，其中Case1～Case3 分别对应着风电场在小风和大风情况下的预测申报功率结果。依据风电场在不同风况下的预测申报功率，以电网运行条件下的接纳风电上网功率最大为优化目标，考虑不同的电网静态安全约束，各方式下的调度计划结果如表所示。Case1 小风情景下的调度计划结果分析。
表为小风情景下的发电调度计划结果，其中方式2 和方式3 均为电网输电元件事故前状态的调度计划结果。方式1 考虑电网N-0 正常运行状态约束，方式2 以确定性方式考虑电网N-1 输电元件安全约束，方式3 进一步考虑了电网输电元件的单重故障发生概率和电源输出功率再调整能力。对表中三种方式调度计划结果对比可知，对于该测试系统的网源结构和负荷需求，风电场在小风情景下的预测申报功率均能被电网全部接纳，即电网N-0 和N-1 静态安全约束不会对该情景下的风电接纳能力产生影响。
表为大风情景下的发电调度计划结果，其中方式1 仍可实现电网N-0 安全约束下风电场申报功率全部被接纳上网，但由于未考虑电网输电元件预想事故的牵制影响，从该调度计划结果出发，在输电元件1－4、1－5、2－4、3－6 发生停运事故时，将造成电网其他输电元件发生过载，带来电网负荷可能中断的风险。方式3 考虑了输电元件故障发生概率，以概率方式将输电元件故障可能性与严重性进行了均衡协调，以电网接纳风电能力期望最大化为优化目标的调度计划结果，此时全网最大风电接纳能力为71.67MW，风电最大接纳能力介于方式1 和方式2 之间，此时输电元件2－4 发生停运事故后，将面临线路输电元件过载和负荷中断风险，即为在承受一定概率的电网运行风险下的调度计划。
本文构建了均衡协调电网安全性与风电接纳能力的概率优化调度计划模型，通过对给定网架拓扑结构、电网参数、电源调节性能和负荷需求的测试系统进行分析，揭示了电网N-0、N-1 静态安全性与风电接纳能力之间的牵制关系，分析了考虑输电元件故障发生概率的调度计划制定方式能够协调电网静态安全性与风电接纳能力。因此，通过本文的概率优化调度方法，能够以风险均衡方式实现电网静态运行安全性与接纳风电的相互协调，从而优化电网调度计划制定，提升实际电网运行条件下的风电接纳能力。
参考文献
[1]吴栋梁,郭创新.电力市场环境下考虑风电预测误差的经济调度模型[J].电力系统自动化,2012,36(6):23-27.
[2]查浩,韩学山,王勇.电力系统安全经济协调的概率调度理论研究[J].中国电机工程学报,2013,29(13):16-22.
[3]Wood A J, Wollenberg B F.发电、运行与控制[M].北京:清华大学出版社,2013.
论文作者:马兴
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/22
标签：电网论文; 风电论文; 元件论文; 方式论文; 静态论文; 能力论文; 概率论文; 《电力设备》2018年第15期论文;