郭元萍，徐敏，郭祚剛，談嬴杰，李義

（1. 貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司畢節(jié)供電局，畢節(jié)551700；2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州5106633）

隨著新能源迅速發(fā)展，地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度管轄范圍內(nèi)的風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站愈來(lái)愈多。新能源并網(wǎng)形成輸電斷面嵌套分層結(jié)構(gòu)，正常運(yùn)行方式下可能存在斷面越限，在電網(wǎng)檢修方式或電網(wǎng)-1 事故情況下，斷面越限更加嚴(yán)重，導(dǎo)致新能源出力受限時(shí)出現(xiàn)不合理?xiàng)夛L(fēng)、棄光的現(xiàn)象。多能源混合和輸電斷面的嵌套分層結(jié)構(gòu)特征給日前發(fā)電計(jì)劃制定帶來(lái)困難。風(fēng)力發(fā)電具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性，光伏在夜間不具備發(fā)電條件，僅在白天發(fā)電，具有明顯的間歇性。風(fēng)電和光伏為主的多能源并網(wǎng)，其出力特性不同，使得各風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站功率如何公平分配成為一個(gè)難點(diǎn)。

文獻(xiàn)［5］以調(diào)度工作評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)作為分配新能源出力的依據(jù)，以棄風(fēng)率和棄光率一致作為衡量調(diào)度公平性的指標(biāo)，提出了新能源棄風(fēng)率、棄光率基本一致的兩階段雙層次調(diào)度新方法。文獻(xiàn)［6］提出一種大規(guī)模風(fēng)電分層斷面的實(shí)時(shí)有功控制方法，實(shí)現(xiàn)各風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電能力的轉(zhuǎn)移。文獻(xiàn)［7］基于大規(guī)模風(fēng)電接入的情況，提出一種發(fā)電計(jì)劃兩階段優(yōu)化的方法，第一階段為不嚴(yán)格保證電力平衡的無(wú)約束期望計(jì)劃編制，第二階段以常規(guī)機(jī)組發(fā)電計(jì)劃偏差成本和風(fēng)電棄風(fēng)成本優(yōu)化目標(biāo)。文獻(xiàn)［8］建立了全周期變時(shí)段優(yōu)化模型，提出約束自適應(yīng)選擇策略。文獻(xiàn)［9］提出現(xiàn)有“三公”調(diào)度評(píng)價(jià)指標(biāo)存在的問(wèn)題及改進(jìn)思路，并提出一種考慮煤價(jià)波動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。文獻(xiàn)［10］定義了修正后的合同電量完成率，提出基于修正加權(quán)變異系數(shù)的合同電量執(zhí)行公平性指標(biāo)。文獻(xiàn)［11］在制定了調(diào)度公平性評(píng)價(jià)原則的基礎(chǔ)上，從主題、管理、業(yè)務(wù)三個(gè)維度構(gòu)建了一種新的調(diào)度公平性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。文獻(xiàn)［12］兼顧系統(tǒng)運(yùn)行公平與經(jīng)濟(jì)性，提出一種將基尼系數(shù)作為約束條件，將發(fā)電成本作為目標(biāo)函數(shù)的“三公”調(diào)度模型。

本文利用深度搜索越限斷面的方法，從內(nèi)層到外層的優(yōu)先級(jí)順序逐步降低進(jìn)行搜索，保證斷面不超過(guò)穩(wěn)定極限，計(jì)算出新能源場(chǎng)站所能發(fā)電的最大空間。提出基于信息熵的公平性調(diào)度出力分配策略，利用經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域中信息熵的概念指導(dǎo)評(píng)價(jià)調(diào)度公平性的量化指標(biāo)，構(gòu)造一種公平性計(jì)算方法，計(jì)算出受限斷面下相關(guān)電廠(chǎng)的出力受限分配權(quán)值和系數(shù)，在保證斷面潮流接近穩(wěn)定極限的情況下，合理公平進(jìn)行各個(gè)電廠(chǎng)的有功功率分配。

1 方法概述

多能源混合的電廠(chǎng)日前發(fā)電計(jì)劃需要考慮輸電斷面的安全約束，根據(jù)可就地消納的負(fù)荷預(yù)測(cè)、輸電斷面的輸送能力等因素，計(jì)算斷面安全約束條件下的風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站的可接納空間，當(dāng)該斷面下各個(gè)電廠(chǎng)的發(fā)電預(yù)測(cè)功率超過(guò)該接納空間時(shí)，輸電斷面越限，需對(duì)風(fēng)電和光伏的發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行出力限制。

在保證所有斷面功率不越限的情況下，使斷面得到最大化利用，實(shí)現(xiàn)各光伏、風(fēng)電最大化消納。本文提出一種新方法，包括深度搜索越限斷面和多能源調(diào)度公平性的出力受限分配，基本思路是：（1）電廠(chǎng)初始分配的日前發(fā)電計(jì)劃功率均以其出力預(yù)測(cè)為準(zhǔn)，采用深度優(yōu)先搜索越限斷面的方法，從內(nèi)層到外層的優(yōu)先級(jí)順序逐步降低進(jìn)行搜索，計(jì)算該斷面下電廠(chǎng)發(fā)電的最大空間和出力受限值；（2）基于熵值法計(jì)算同一越限斷面下各電廠(chǎng)的出力受限分配權(quán)重得分，對(duì)各電廠(chǎng)重新進(jìn)行有功功率的計(jì)算。該方法主要特點(diǎn)在于：（1）不存在剩余調(diào)節(jié)功率重新分配的情況，每個(gè)斷面僅進(jìn)行一次有功功率控制；（2）充分利用了新能源送出斷面，同時(shí)保證了各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站出力受限的公平分配。

2 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)某風(fēng)電和光伏混合的新能源輸電斷面由分層嵌套的多個(gè)輸電線(xiàn)路組成，如圖1 所示，其對(duì)應(yīng)的變電站母線(xiàn)接有風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站和用電負(fù)荷，無(wú)儲(chǔ)能裝置，電廠(chǎng)未接入AGC 控制。最外層的是斷面1 和斷面2，處于第2 層的是斷面3，處于第3層的是斷面4，處于第4層的是斷面5。

圖1 某輸電斷面結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of a transmission section

系統(tǒng)目標(biāo)是保證各個(gè)斷面滿(mǎn)足安全約束條件，且各個(gè)斷面機(jī)組出力按最大可接納空間進(jìn)行分配。

設(shè)某斷面相關(guān)的電廠(chǎng)總出力優(yōu)化目標(biāo)為'，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可表達(dá)為：

等式約束條件為：

不等式約束條件為：

式中：為算法規(guī)則；為斷面相關(guān)變電站（當(dāng)前斷面及子斷面）在時(shí)刻總的負(fù)荷預(yù)測(cè)；為斷面當(dāng)前變電站在時(shí)刻的負(fù)荷預(yù)測(cè)；為斷面相關(guān)電廠(chǎng)在時(shí)刻的總出力預(yù)測(cè)；為斷面電廠(chǎng)在時(shí)刻的出力預(yù)測(cè)；β為斷面的深度系數(shù)；P為斷面的有功限值。

3 出力優(yōu)化算法

斷面出力優(yōu)化算法流程如圖2 所示。根據(jù)調(diào)度相關(guān)規(guī)定可直接將電廠(chǎng)出力預(yù)測(cè)作為分配初始值，達(dá)到新能源最大化消納的目的。

圖2 算法流程示意圖Fig.2 Flow chart of the algorithm

斷面相關(guān)電廠(chǎng)出力分配后和相關(guān)變電站負(fù)荷預(yù)測(cè)進(jìn)行計(jì)算，預(yù)計(jì)斷面功率=-，采用深度優(yōu)先搜索算法，從內(nèi)層到外層的優(yōu)先順序校驗(yàn)所有斷面，從而搜索越限的斷面，若不滿(mǎn)足≤P，則將斷面目標(biāo)功率設(shè)置為P，電廠(chǎng)出力目標(biāo)值設(shè)置為P+，計(jì)算出越限斷面最內(nèi)層所需限制的出力，按考慮調(diào)度公平性的出力受限分配方法對(duì)該斷面下相關(guān)的電廠(chǎng)進(jìn)行出力限制，達(dá)到有功功率重新分配的目的。

每一次控制斷面功率后，根據(jù)各電廠(chǎng)分配的最新出力，重新計(jì)算各斷面功率，用相同的方法再次校驗(yàn)是否存在越限斷面。

4 出力受限分配策略

本文提出基于信息熵的公平性調(diào)度出力受限分配策略，利用經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域中信息熵的概念指導(dǎo)評(píng)價(jià)調(diào)度公平性的量化指標(biāo)，構(gòu)造公平性計(jì)算方法，計(jì)算出受限斷面下相關(guān)電廠(chǎng)的出力受限分配系數(shù)。

將電廠(chǎng)的出力預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率、裝機(jī)容量、合同電量完成率、發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)四個(gè)指標(biāo)要素納入調(diào)度公平性指標(biāo)。將出力預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率納入負(fù)向指標(biāo)，將裝機(jī)容量、合同電量完成率和發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)納入正向指標(biāo)，當(dāng)斷面超穩(wěn)定極限時(shí)，負(fù)向指標(biāo)越低，電廠(chǎng)出力受限程度也就越高，而正向指標(biāo)值越大，對(duì)出力受限的貢獻(xiàn)就越大。

風(fēng)電和光伏晝夜發(fā)電的不同特征可由設(shè)備利用小時(shí)數(shù)體現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電不分晝夜，夜間光伏不發(fā)電，給風(fēng)電留出了裕度，因此將設(shè)備利用小時(shí)數(shù)作為調(diào)度公平性指標(biāo)，在白天時(shí)段光伏可多留一定裕度，合理利用風(fēng)光資源。電廠(chǎng)出力預(yù)測(cè)作為日前發(fā)電計(jì)劃的計(jì)算基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確率直接影響到出力受限分配的準(zhǔn)確性，因此將出力預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率納入調(diào)度公平性指標(biāo)。裝機(jī)容量作為日前發(fā)電計(jì)劃的邊界條件，裝機(jī)容量較大時(shí)，出力受限程度相應(yīng)增加。合同電量完成率作為電廠(chǎng)考核的指標(biāo)之一，在斷面越限進(jìn)行出力受限時(shí)，合同電量完成率較低的電廠(chǎng)可適當(dāng)少限制出力。

4.1 指標(biāo)無(wú)量綱化

指標(biāo)無(wú)量綱化將各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，本文選擇極值法，如式（5）和式（6）所示：

對(duì)于正向指標(biāo)：

對(duì)于反向指標(biāo)：

式中：x為斷面電廠(chǎng)的指標(biāo)；m為斷面電廠(chǎng)中最小的指標(biāo)；M為斷面電廠(chǎng)中最大的指標(biāo)。

4.2 熵值法

計(jì)算斷面相關(guān)電廠(chǎng)指標(biāo)下電廠(chǎng)的特征比重。

熵值計(jì)算：

差異性系數(shù)計(jì)算：

確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重w：

計(jì)算綜合得分：

計(jì)算出力受限：

式中：K為斷面需受限的出力；X為斷面電廠(chǎng)受限的出力。

5 算例驗(yàn)證

以某實(shí)際區(qū)域的110 kV電網(wǎng)斷面結(jié)構(gòu)為算例進(jìn)行分析，如圖3 所示。電廠(chǎng)1 和電廠(chǎng)3 為風(fēng)電，電廠(chǎng)2 為光伏，總裝機(jī)容量為197 MW，變電站所供負(fù)荷多為居民用電，負(fù)荷較輕，就地消納能力較弱。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為環(huán)網(wǎng)線(xiàn)路，本文計(jì)算分析時(shí)將上級(jí)電網(wǎng)到變電站3 的線(xiàn)路作為開(kāi)口點(diǎn)，此時(shí)新能源場(chǎng)站均通過(guò)斷面1 并入主網(wǎng)，斷面1、斷面2、斷面3的線(xiàn)路有功限值為90 MW，斷面4 為100 MW。深度優(yōu)先搜索越限的斷面，以斷面功率接近穩(wěn)定極限值運(yùn)行，最終保證所有斷面不超穩(wěn)定極限，達(dá)到斷面的最大化利用。

越限斷面下相關(guān)電廠(chǎng)的綜合得分是四個(gè)指標(biāo)對(duì)出力受限的綜合影響，電廠(chǎng)得分越高，出力受限程度越高。將表1 中出力預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率、裝機(jī)容量、合同電量完成率、發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)四個(gè)調(diào)度公平性指標(biāo)進(jìn)行熵值法計(jì)算，得出每個(gè)斷面下各個(gè)電廠(chǎng)的綜合得分。

圖3 某實(shí)際電網(wǎng)斷面結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the transmission section of an actual power grid

表1 各斷面電廠(chǎng)出力受限權(quán)重表Tab.1 Weight table of output limitation of power plant for each section

首先將各電廠(chǎng)發(fā)電計(jì)劃初始值設(shè)置為出力預(yù)測(cè)值，斷面功率初始值也由電廠(chǎng)的出力預(yù)測(cè)值計(jì)算，從內(nèi)層到外層的優(yōu)先順序搜索越限斷面，判斷出斷面3、斷面2、斷面1 越限，如圖4 至圖7 所示。從最內(nèi)層即斷面3 開(kāi)始重新分配出力，保持?jǐn)嗝娼咏€(wěn)定極限值，同一個(gè)電廠(chǎng)可屬于不同斷面，多個(gè)斷面功率進(jìn)行控制時(shí)，一個(gè)電廠(chǎng)存在多次出力受限分配的情況。各斷面控制后的功率如圖4至圖7所示，斷面1、3、4 均運(yùn)行在初始功率的下方，斷面2 在出力受限時(shí)穩(wěn)定在極限值運(yùn)行，整體實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電斷面的最大化利用。

根據(jù)表1 綜合得分計(jì)算出各電廠(chǎng)受限的出力，如表2 所示，僅列舉新能源出力受限的時(shí)段，考慮調(diào)度公平性與考慮裝機(jī)容量相比較，光伏電站在白天時(shí)段限制的有功功率有所減少，風(fēng)電受限出力有所增加。白天時(shí)段風(fēng)電給光伏留出一點(diǎn)裕度，夜間光伏不發(fā)電，風(fēng)電可占用光伏的全部發(fā)電空間，一定程度上合理利用了風(fēng)光資源，體現(xiàn)了多能源電廠(chǎng)出力受限的調(diào)度公平性。各電廠(chǎng)最終發(fā)電計(jì)劃曲線(xiàn)如圖8至圖10所示。

圖4 斷面1功率曲線(xiàn)Fig.4 Power curve of the section 1

圖5 斷面2功率曲線(xiàn)Fig.5 Power curve of the section 2

圖6 斷面3功率曲線(xiàn)Fig.6 Power curve of the section 3

6 結(jié) 論

圖7 斷面4功率曲線(xiàn)Fig.7 Power curve of the section 4

表2 各斷面電廠(chǎng)出力受限情況Tab.2 Table of output limitation of power plant for each section

本文提出從內(nèi)層到外層的優(yōu)先級(jí)順序逐步降低搜索越限斷面的算法模型，提出基于信息熵的出力受限分配策略，為解決復(fù)雜斷面和混合新能源發(fā)電調(diào)度控制難題提供了新方法，實(shí)現(xiàn)了斷面最大化利用和清潔能源能源最大化消納，同時(shí)也保證了電廠(chǎng)日前發(fā)電計(jì)劃的公平性，具有較強(qiáng)的實(shí)用意義。

該方法已實(shí)際應(yīng)用于某地區(qū)電網(wǎng)日前96 時(shí)段發(fā)電計(jì)劃，取得較好的日前發(fā)電計(jì)劃結(jié)果，但仍需進(jìn)一步完善新能源混合并網(wǎng)發(fā)電的調(diào)度公平性指標(biāo)體系。在后續(xù)的研究工作中，可以契合未來(lái)電力市場(chǎng)發(fā)展方向，進(jìn)一步建立包括發(fā)電成本及電力市場(chǎng)機(jī)制等在內(nèi)的調(diào)度公平性指標(biāo)體系。

圖8 電廠(chǎng)1功率曲線(xiàn)Fig.8 Power curve of power plant 1

圖9 電廠(chǎng)2功率曲線(xiàn)Fig.9 Power curve of power plant 2

圖10 電廠(chǎng)3功率曲線(xiàn)Fig.10 Power curve of power plant 3