未來高比例可再生能源的時空分布特性將給電力系統規劃帶來前所未有的挑戰，電力系統基本形態與運行特性將發生根本性變化。高比例可再生能源的交直流輸電網規劃主要包括網源協同規劃、輸電網柔性規劃、與配電網協同的輸電網規劃、輸電規劃方案綜合評價與決策方法幾個方面。從柔性規劃角度來看，高比例間歇性可再生能源的接入將給電網帶來更強的不確定性。處理電網規劃中的不確定性因素主要方法有隨機規劃方法和魯棒最佳化方法。
基本介紹
- 中文名：高比例可再生能源的交直流輸電網規劃
- 外文名：Planning of AC / DC Transmission Network withHigh Proportion of Renewable Energy
- 學科：電氣工程
- 領域：能源利用
- 特點：大規模、高維度、非線性
- 套用：含高比例可再生能源電網規劃
背景,研究現狀,關鍵科學問題,網源協同與交直流輸電網柔性規劃方法,研究主線,交直流輸電網多目標規劃方法,網源協同規劃,輸電網柔性規劃,與配電網相協同的輸電網規劃,規劃方案綜合評估與決策,挑戰與展望,網源協同規劃難點與解決思路,輸電網柔性規劃難點與解決思路,輸電網規劃難點與解決思路,規劃方案綜合評估與決策難點與解決思路,結語,
背景
目前能源安全和氣候變化是人類社會而臨的兩大嚴峻挑戰。大力發展風電、太陽能、水電等可再生能源，實現可再生能源逐步替代傳統能源是中國乃至全球實現能源與經濟可持續發展的重大需求。高比例可再生能源併網將成為未來電力系統的重要特徵。然而，在高比例可再生能源接入的未來電力系統中，作為電力供應重要支柱的風電和太陽能，其時空分布特性和不確定性將導致電力系統運行方式發生巨大改變，函待重新探討電力系統規劃和運行機制曰。在當前可再生能源併網的場景下，系統己經出現嚴重棄風棄光現象。《2016上半年全國風電併網運行情況》指出，上半年風電棄風電量32.3 TW·h，同比增加14. 8 TW·h，平均棄風率21%，同比上升6個百分點。2016年上半年全國風電平均利用小時數917 h，同比下降85 h。棄風棄光現象極大地阻礙了中國可再生能源的健康持續發展。解決可再生能源併網消納問題成為國家的重大需求。
對於輸電網，高比例可再生能源接入將使電力系統運行方式多樣化、電網交直流連線複雜化。儘管國內外對含有可再生能源的輸電網規劃己有一定研究基礎，但仍缺乏高比例可再生能源接入對規劃的影響機理研究和成熟的規劃方法。本文圍繞高比例可再生能源接入的輸電網規劃問題，首先，在充分調研研究現狀的基礎上，提出高比例可再生能源接入下的輸電網規劃而臨的科學問題。然後，從以下三方而闡述輸電網規劃理論的研究架構:①網源協同規劃方法;②輸電網柔性規劃方法;③與配電網相協同的輸電網規劃方法。接著，針對高比例可再生能源接入的輸電網規劃決策複雜化問題，闡述基於安全校核與生產模擬融合技術的規劃方案綜合評價與決策方法。最後，針對高比例可再生能源併網的輸電網規劃提出展望與總結。
研究現狀
輸電網連線著電源與負荷，其規劃決策直接影響可再生能源的消納，是電力系統中極為重要的基礎性工作。在高比例可再生能源接入的背景下，輸電網規劃的理論與方法更需要重點研究。
從網源協同角度來看，電網規劃與電源規劃都是大規模、高維度、非線性的混合整數規劃問題，最佳化計算非常困難。在傳統電力規劃中源端不確定性因素相對較少，因而電源規劃與電網規劃的求解可以分開進行。隨著強不確定性可再生能源的不斷滲透，電源與電網分開最佳化的不協調、不匹配使得棄風和棄光等問題日益凸顯，需要研究含高比例可再生能源的網源協同規劃方法。現有文獻基於不同角度構建網源協同規劃模型。例如:有獻提出了考慮分散式電源的網源協同規劃模型，並在實際大規模系統中測試;也有文獻將可靠性指標納入網源協同規劃模型中;有研究提出了考慮調節機組與電網規劃相結合的網源協同規劃模型。
從柔性規劃角度來看，高比例間歇性可再生能源的接入將給電網帶來更強的不確定性。柔性規劃方法計及規划過程中的不確定性因素，以尋求靈活性更強和適應性更好的柔性規劃方案。
目前，處理電網規劃中的不確定性因素主要有兩類方法:隨機規劃方法和魯棒最佳化方法。輸電網隨機規劃研究較為成熟。有文獻套用多場景機率的方法考慮風電出力和負荷變化等不確定性因素，並提出了計及大型風電場的輸電系統規劃方法;另外有文獻採用了基於極端場景集的場景法取代了基於蒙特卡洛仿真的場景法，在計算時間和精度方而均有所改善。也有用對多個可能發生場景的確定性來描述風電的不確定性，並在規劃場景內基於直流潮流等約束給出了以線路投資成本、發電成本、停電成本、負荷削減量最小為目標函式的最優潮流計算模型。有研究文獻根據風速分布與風力發電機風速功率曲線推導出風力發電機功率的機率分布函式和機率密度函式。也文獻利用不考慮和考慮風電場間發電出力的相關性比較分析了其對輸電網規劃方案的影響，並在此基礎上構造了一種計及間歇性電源接納能力的輸電網規劃兩層模型。基於多場景技術的輸電網規劃是目前的主流方法，但仍存在大規模問題求解困難、低頻事件隨機特性難以獲取等問題。不同於隨機規劃方法，魯棒最佳化方法在輸電網規劃中的套用尚處於初步研究階段，其不需要不確定參數的機率分布，求解規模與隨機規劃相比相對較小。有文獻提出了考慮可再生能源出力與負荷不確定性的輸電網魯棒規劃方法，通過構建不確定性集合描述不確定性因素。魯棒最佳化方法所得規劃方案的魯棒特性可抵抗惡劣場景，但同時也存在規劃方案過於保守的問題，自適應魯棒最佳化、輕魯棒最佳化等方法是解決其保守性問題的途徑之一，有文獻則將魯棒最佳化與隨機規劃相結合以改善保守性。
從輸配電網協調角度來看，輸配電網的協調程度是電力系統安全性和經濟性的重要基礎。為保證各電壓等級電網的充分協調，既不形成瓶頸，也不產生過大浪費，研究輸配電網協調模型，對提高電網間各個部分之間的協調程度具有重要意義。在中國，各電壓等級的電網往往由不同層級的電網企業或供電企業規劃、由不同的部門管理。各級電網應相互支援，協調最佳化規劃，確保電網的可靠性和經濟性，避免不同電壓等級電網之間容量不匹配、供電能力不協調等問題。在中國全而建設以特高壓電網為骨幹網架、各級電網協調發展的堅強智慧型電網的大背景下，加快各級電網協調問題的研究是形勢所趨。目前，己有少量文獻研究輸配電網協調性，在與配電網相協同的輸電網規劃方而尚無文獻報導。
關鍵科學問題
網源協同與交直流輸電網柔性規劃方法
當非水可再生能源比例超過一定比例時，電力系統結構形態將會從量變走向質變。電力系統將出現電力電量平衡機率化、電力系統運行方式多樣化、電網潮流雙向化、電力系統穩定機理複雜化、電力系統靈活資源稀缺化、輸配電系統源荷界限模糊化等特徵叫。可再生能源占比是指可再生能源發電量占負荷電量的比例；對於電源基地，可再生能源占比是指可再生能源發電量占當地發電總量的比例。
在源端強波動性、隨機性與荷端大量含源負荷的共同作用之下，輸配電網路的規劃與運行特徵也將發生根本性變化。具體地，對源端和荷端，通常需要對中長期和短期的可再生能源出力和負荷進行預測，為電力系統的規劃和運行提供相應的邊界條件，而可再生能源出力多時空藕合具有較大的不確定性；另外分散式可再生能源的接入對“淨負荷”的預測也帶來了極大的挑戰;系統運行方式多樣化、分散化、複雜化，如何使輸電網規劃能夠包容所有的運行狀態，同時還具有經濟性，是輸電網規劃而臨的重要科學問題。需要革新考慮高比例可再生能源的網源協同規劃與交直流輸電網柔性規劃方法，以適應多時空強不確定性。
未來高比例可再生能源併網將使電力系統運行特性發生根本性變化。與此同時，隨著多端直流及直流電網的發展，未來交直流混聯電網將給電力系統帶來一系列關於拓撲結構、經濟性評估、安全性評估、可靠性評估、最佳化規劃等關鍵技術問題。目前輸電網運行與規劃問題主要針對交流電網，如何在輸電網運行與規劃中考慮交直流混聯的特性是需要研究的重點。具體地，直流電網的併入必然導致電網整體拓撲結構發生改變，同時併入大量電力電子設備，其控制策略與運行特性將對電網運行方式產生重要影響。交直流混聯電網的潮流計算方式、各類約束條件的表示形式都將有所不同，其經濟性評估、安全性評估、可靠性評估都需要對電力系統中的電力電子設備建立合適的數學模型。在高比例可再生能源併網與交直流混聯的新型電網形態下，輸電網規劃方案的多維度精細化運行模擬與綜合評價方法是函待研究與解決的關鍵問題。
研究主線
針對高比例可再生能源併網、交直流混聯的新型電網形態，本文提出了考慮高比例可再生能源的輸電網規劃理論研究脈絡，分為以下四個方向：①考慮高比例可再生能源時空分布特性的網源協同規劃；②基於隨機規劃和魯棒最佳化的輸電網柔性規劃；③與配電網相協同的輸電網規劃;①規劃方案綜合評價與決策方法。其中前三點是輸電網規劃方法研究，最後一點為規劃方案的綜合評價方法研究。
交直流輸電網多目標規劃方法
網源協同規劃
風電、光伏等可再生能源出力具有強波動性、隨機性與時序性特點，直接將其海量的發電場景納入網源協同規劃，計算工作量巨大。基於海量發電場景的聚類方法，可以實現發電場景的歸類削減，大幅降低網源協同規劃的求解規模，但是容易遺漏對系統電力平衡和調峰平衡影響重大的關鍵場景。因此，需要考慮可再生能源發電場景與負荷的藕合特，提出可再生能源發電聚類場景與關鍵場景的篩選與聚類方法，建立可再生能源發電的多場景時序與機率分布模型。
運行模擬的基本任務是客觀地模擬規划水平年電力系統的運行方式，校驗網源協同規劃方案的可行性，並計算相關經濟技術指標。高比例可再生能源併網將帶來複雜、多維度、不確定性的電力系統運行形態。需要研究新的網源協調運行模擬方法，以適應高比例可再生能源併網、交直流混聯網源協同規劃的海量方案評估的需求。此外，網源協同規劃建模應充分考慮高比例可再生能源發電的強波動性和隨機性特點，以及電力系統的經濟性、安全性和環保性。因此，網源規劃的協同機制是模型最佳化求解的研究重點。
輸電網柔性規劃
（1）基於多場景技術的輸電網隨機規劃
基於多場景技術的輸電網隨機規劃的主要思想是將不確定因素作為具有機率分布的隨機變數，由離散化取值過程生成場景集合。將原不確定性最佳化問題轉化為在場景集合下的確定性最佳化問題。其關鍵在於場景集合的生成與削減，以及規劃模型建立和求解。
在新型輸電網形態下，隨著可再生能源併網比例提高，不確定因素成倍增加，場景數量將呈指數增長。為解決場景數量驟增問題，當前研究者們提出了若干隨機規劃中的場景削減技術，按其思想方法可以劃分為以下兩類。
1)按因聚類，其數學原理可以簡單地理解為通過比較不同場景之間的“距離”，從而合併相近的場景。該方法在數學上有相對完備的理論依據，但是沒有充分利用隨機最佳化問題本身的性質特點，因而變成了相對獨立於隨機最佳化求解的過程。
2)按果聚類，該方法利用最佳化問題的信息對場景進行削減，如對基於單場景問題的目標函式最佳化值進行場景削減，通過衡量各種場景對於目標函式值的影響，在隨機最佳化問題下削減獲得具有代表性的場景。相較於按因聚類方法的嚴格數學推導，按果聚類的場景削減方法更好地利用了原問題的信息，但缺乏堅實的理論依據，屬於一種經驗式、啟發的方法。
綜合考慮場景之間的差異性及最佳化問題的特殊，將場景削減主要分為兩步:場景聚類和代表場景選擇。K-均值、K-中心、層次聚類和模糊聚類等均是主流聚類方法，主要思路是選擇機率最大的場景。然而小機率極端事件可能會被排除在外，適當保留極端場景，其方案才會更加魯棒。對於代表場景選擇，需要研究評估是選擇機率最高的己有場景，還是將所有方案合成一個最具代表性的場景。
基於多場景技術的輸電網規劃的最佳化變數一般為線路投資決策變數及系統運行變數。目標函式一般包括線路投資成本及系統運行成本。約束條件包含投資約束及系統運行約束。系統運行約束一般僅考慮經濟調度模型而不考慮機組啟停狀態約束。在系統運行約束中需要建立考慮線路投資狀態的線路潮流約束。同時採用大M法將其約束轉化為線性約束。進而使整個規劃模型變成混合整數線性規劃(MILP)模型。
（2）高比例可再生能源併網的輸電網魯棒規劃
輸電網魯棒規劃是一種基於魯棒最佳化理論的輸電網規劃方法。不同於隨機規劃，魯棒最佳化通過不確定集合描述不確定因素，不需要不確定因素的機率分布信息。其中不確定集合的設計與構建對模型的準確度和複雜度有著重要影響。輸電網魯棒規劃模型通常為三層最佳化模型：上層目標函式為投資費用、運行費用最小，決策變數為線路投資整數型變數，以確定線路投資方案;中層目標函式為運行費用最大，以確定上層投資方案下的最差運行場景，決策變數為新能源出力與不確定性負荷，或其他不確定因素；下層問題為最優潮流問題，目標函式為運行費用最小，確定在上層投資方案下的最差場景中的最優潮流。
現有輸電網魯棒規劃方法中將可再生能源出力和預測負荷的不確定性以區間模型表征，但是並未考慮可再生能源出力間的相關性及節點負荷間的相關性。因此需要考慮不確定因素的相關性，建立表征可再生能源出力與預測負荷相關性的魯棒規劃模型。輸電網柔性規劃研究架構如圖所示。
輸電網柔性規劃
輸電網柔性規劃與配電網相協同的輸電網規劃
（1）價值指標
輸電網規劃中的價值指標通常由成本和收益所構成的函式關係來量度，月。這種函式關係既可以為二者的差值，也可以為二者的比值。由差值關係導出的價值指標表示淨收益的大小，但是它僅適用於成本與收益具有相同量綱的情況;由比值關係導出的價值指標表示單位成本所獲得的收益，雖然其適用於成本與收益量綱不一致的情況，但比值關係易引入非線性，嵌入規劃模型中時將增加模型的求解難度。
全壽命周期成本（LCC）是指在產品壽命周期或預期的有效壽命周期內，產品設計、研究投資、使用、維修及產品保障中發生的或可能發生的一切直接的、間接的、派生的或非派生的所有費用的總和。LCC較傳統經濟性指標更為準確、全面。有文獻針對輸電網建立了包括時間維度、元件維度和費用維度的三維LCC層級模型，提出了基於LCC的電力系統經濟性評估策略。而LCC建模的難點與關鍵在於系統費用構成體系或分解結構，保證既不遺漏又不重複。現有LCC模型僅考慮了設備故障的不確定性，沒有考慮間歇式可再生能源等不確定性因素，因此需要研究多不確定因素環境下的輸電網規範方案LCC模型。
（2）風險指標
電力系統中的風險評估是辨識不確定性事故發生的可能性及事故後果的嚴重程度，其本質是對不確定性因素的進一步量度以實現電網投資的風險可控。從電網規劃的角度來看，風險主要存在於規劃方案的可行性和最優性兩方面。規劃方案的可行性方而存在技術風險，技術風險因系統運行模擬所需參數的不確定性產生，主要涉及規劃方案在未來環境中對安全穩定性約束條件的滿足，如存在電網規劃方案對各項安全穩定運行約束可能越限等。規劃方案的最優性方而存在經濟風險，經濟風險因市場的不可精確預測和各參與方市場行為的不確定性產生，如因市場交易中報價參數的波動性使得電網收益不確定等情況。
有效的風險評估依託於風險指標的構建，即對風險的描述。目前電力系統中對於風險的描述方式主要分為確定性和機率性兩類：一類是利用隨機變數的期望值和方差等數學特徵;另一類是借鑑金融學中用於風險管理的風險價值與條件風險價值。風險使得電網規划過程更加複雜，通過適當架線來合理控制系統風險己成為電網規劃規避風險的重要研究方向。
（3）輸配電網協調性指標
目前，輸配電網協調性評估體系還未成型，有待深入研究。合理的輸配電網協調性評估應從可靠、經濟性、技術性等方而來構造輸配電網協調性指標體系。在評價體系中的各類指標中，又可以分為輸電網指標、配電網指標和輸配電網指標，前兩者是以輸、配電網作為兩個單獨的研究對象構建協調性指標，而後者是以輸、配電網作為一個整體來構建協調性指標。指標應具有明確的物理意義與簡潔清晰的數學表達，指標間的關聯與篩選是需要重點考慮的內容。所構建的輸配電網協調性指標體系同時又可以作為輸配電網協調性定義的有力支撐，二者相輔相成。
（4）與配電網相協同的輸電網多目標規劃
在價值指標、風險指標、輸配電網協調性指標的基礎上，建立與配電網相協同且考慮經濟性與安全的交直流輸電網多目標規劃方法。
規劃方案綜合評估與決策
為建立考慮網路拓撲與可再生能源隨機性的電力系統運行模擬模型，首先需要分析網路約束和調峰約束對高比例可再生能源棄電量的影響，提出基於精細化運行模擬的電力系統電力電量平衡分析方法。
1)考慮可再生能源發電的時空特性，建立規劃可再生能源基地的時序出力模型，提出滿足生產運行模擬精度要求的可再生能源出力生成技術。
2)提出考慮可再生能源海量運行場景的時序生產模擬技術，提高電力、電量平衡分析的準確度。
3)提出計及電網拓撲結構及輸電能力的運行模擬方法，為適應高比例多地區可再生能源出力和負荷特性差異模擬的要求，提出可再生能源棄電量的網路約束和調峰約束的精細計算方法。
為有效、合理地銜接電力系統運行模擬和電網規劃中電氣計算分析，提取滿足高比例可再生能源消納的電網安全裕度相對小的運行方式，充分考慮可再生能源出力特性，需要提出適應高比例可再生能源時空分布特性的安全校核、時序生產模擬與電氣計算的深度融合技術。具體包括：①建立滿足電力負荷預測、電源規劃、電網規劃等多來源規劃數據融合要求的數據模型；②提出基於時序運行模擬結果數據的潮流數據自動生成技術，提出考慮高比例可再生能源和高壓直流(HVDC')的電網交流潮流無功最佳化調整方法及提高病態潮流收斂性的方法，改善電網規劃潮流計算的收斂性；③提出滿足規劃人員工作需求的電網典型方式提取方法。最後，構建包融多種規劃模型、多維評價指標的電網規劃方案綜合決策理論和方法。
挑戰與展望
網源協同規劃難點與解決思路
海量可再生能源發電場景納入網源協同規劃模型，計算工作量巨大，需要通過聚類方法實現場景削減。常規聚類方法容易遺漏機率小且對電力系統運行影響較大的場景。可在場景聚類與篩選過程中，考慮可再生能源發電與電力系統負荷的藕合特性，增加對系統電力平衡和調峰平衡影響較大的關鍵場景，與聚類場景一起構成可再生能源發電的多場景時序與機率分布模型。
網源協同規劃模型是大規模、高維度、非線性的混合整數規劃問題，計算求解難度較大。一方面，通過研究相應的協同機制，將大規模的網源規劃問題進行協調分解，形成若干個易於求解的子問題;另一方面，可以基於全局搜尋能力強的智慧型最佳化方法和局部尋優效率高的數學最佳化方法，研究網源協同規劃模型的高性能混合最佳化方法。
輸電網柔性規劃難點與解決思路
由於可再生能源和負荷等因素的不確定性，常規電網規劃方法所制訂的規劃方案難於實施或具有較大偏差。目前基於多場景技術的輸電網規劃的主要挑戰在於：①如何考慮交直流電網的建模及運行控制方式；②雖然採用場景削減技術，但規劃模型仍規模較大，因此需要研究規劃模型的高效求解技術。電力系統魯棒規劃理論的建立是研究難點，國內外可借鑑的研究成果不多，需在深入研究魯棒最佳化、魯棒控制和電力系統魯棒調度的理論和方法的基礎上，建立電力系統魯棒規劃的系統理論。在電力系統魯棒規劃中對於間歇式電源隨機性的處理，一種方法是根據間歇式電源出力的機率模型將系統運行狀態歸結為多個場景(不確定集)，並採用混合整數規劃方法求解。模型求解可考慮充分利用CPLEX等商業數學最佳化軟體進行算法研究。另一方而，還可研究電力系統魯棒規劃的博弈論方法。
輸電網規劃難點與解決思路
與配電網相協同的交直流輸電網規劃模型為複雜的大規模非線性混合整數規劃模型，難以獲得最優解。現代啟發式最佳化算法在求解非線性混合整數規劃模型方而具有一定的優勢，可考慮現代啟發式最佳化算法和原對偶內點法相結合的方法求解規劃模型，其中現代啟發式最佳化算法用於規劃方案的形成和最佳化，原對偶內點法用於校驗規劃模型的安全性。
此外，無論是效益還是成本，其計算在很大程度上依賴於數據的準確程度。數據不僅隨時間變化，還同社會、經濟發展、政策息息相關，很難準確獲得。在成本部分，LCC技術在電力系統規劃中的套用並不多見，其各成本元素涉及的因素非常多，各因素的典型取值尚無定論。在效益部分，現有電網作為一個整體，不同電壓等級電網的效益很難區分。
研究LCC中各成本元素的取值和影響，同時緊跟國家、行業、企業的政策標準制定。例如:在電力市場尚未完全放開、售配電價還未區分的場景下，採用最優潮流收益模型可計算得到財務收益，而隨著《中共中央國務院關於進一步深化電力體制改革的若干意見》正式下發，電力系統效益計算方式受到很大影響，需要提出新的直接利用電價計算經濟效益的方法。
規劃方案綜合評估與決策難點與解決思路
基於生產運行模擬運行結果，很難自動生成收斂性較好的潮流數據，為電氣計算奠定數據基礎。在大規模可再生能源併網下，可再生能源的隨機特性決定了電力系統運行方式的多樣性，沒有顯著的典型場景與極端場景。傳統的人工調整潮流方式難以適應海量潮流方式分析的要求，需要研究基於生產運行模擬運行結果的潮流自動生成技術。潮流自動生成技術主要是將生產運行模擬運行結果的直流潮流數據轉換為滿足特定的仿真計算軟體(如BPA)交流潮流計算所需的方式數據。將BPA交流潮流與直流潮流輸入數據對比可知，主要差別在於一個是包含無功平衡的有功無功潮流計算，一個是不包含無功平衡的有功潮流計算。因此，潮流自動生產技術針對每個生產運行模擬運行結果的直流潮流方式數據，依據各節點的有功出力計畫及其功率因數等方而的約束，採用基於節點的九宮格方法，計算發電與負荷等具有無功負荷節點或設備的無功計畫初值;在此基礎上，計算系統的無功平衡情況，對於不平衡情況，結合靈敏度係數，進行初值的調整最佳化，作為無功出力計畫的初值修改值，實現生產運行模擬運行結果與潮流自動生成技術的融合。
同時，針對自動化批量生成的電網規劃潮流數據中的病態潮流問題，為實現批量含新能源及大規模HVDC的交流潮流的精細化、自動化計算，提出系統的解決方案，包括不合理潮流數據辨識技術、潮流輔助分析技術、無功規劃及區域無功最佳化調整技術等，有效改善電網規劃潮流計算數據的收斂性。
結語
介紹了新型電網形態下輸電網規劃而臨的科學問題，基於國內外研究現狀，闡述了考慮高比例可再生能源併網的輸電網規劃研究方向與內容。從考慮高比例可再生能源時空分布特性的網源協同規劃、基於隨機規劃和魯棒最佳化的輸電網柔性規劃、與配電網相協同的輸電網規劃，以及規劃方案綜合評價與決策方法四個方而提出了輸電網規劃研究架構及技術路線。
