引言

輸電網(wǎng)規(guī)劃的目的是在保證電網(wǎng)可靠性的前提下盡可能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的用電需求,促使電網(wǎng)發(fā)展的因素主要有:

(1）負荷增長:

（2）新電源的建設(shè):

（3）設(shè)備老化:

（4）與鄰近電網(wǎng)間的聯(lián)系加強等。

其中,前兩個因素是目前電網(wǎng)規(guī)劃的主要動因,即源荷的發(fā)展推動了電網(wǎng)的發(fā)展。另外,高比例可再生能源并網(wǎng),使源荷發(fā)展的規(guī)律越來越不清晰。

總之,在新背景下的輸電網(wǎng)規(guī)劃主要需要應(yīng)對以下兩方面的不確定性:

（1）源荷平衡的不確定性。輸電網(wǎng)規(guī)劃需要滿足目標年的運行要求,在規(guī)劃目標年的運行模擬中,因為強不確定性可再生能源的不斷滲透,系統(tǒng)運行方式多樣化、分散化、復(fù)雜化,輸電網(wǎng)規(guī)劃需要在能夠包容所有可能的運行方式的同時盡量追求經(jīng)濟性。本文通過建立輸電網(wǎng)柔性規(guī)劃模型,計及了規(guī)劃過程中的不確定性因素,實現(xiàn)了靈活性和適應(yīng)性更強的柔性規(guī)劃方案。

（2）源荷發(fā)展的不確定性。源荷發(fā)展規(guī)律的預(yù)測是輸電網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ),以往大電源的規(guī)劃建設(shè)周期長,規(guī)律性較強,輸電網(wǎng)規(guī)劃可以配合大電源規(guī)劃進行大修大改:而在高比例可再生能源并網(wǎng)的背景下,大量分布式接入電網(wǎng)的小電源建設(shè)周期短,導(dǎo)致源荷發(fā)展規(guī)律難以預(yù)測,尤其是前瞻時間越長,其規(guī)律越不清晰。在這種背景下,輸電網(wǎng)規(guī)劃既需要亦步亦趨地跟隨源荷發(fā)展的規(guī)律進行小修小補,又需要有一定的前瞻性,盡量不妨礙長期規(guī)劃的建設(shè)目標,而且在做長期規(guī)劃時,要考慮到電源發(fā)展規(guī)律的模糊性?；诖?本文提出了輸電網(wǎng)漸進規(guī)劃框架,利用較清晰的短期預(yù)測立足于短期規(guī)劃,同時量化當前規(guī)劃決策與可預(yù)見的長期規(guī)劃的沖突程度,將帶有主觀判斷因素的權(quán)重系數(shù)加入規(guī)劃模型中衡量長短期沖突量的價值,擴展了多階段規(guī)劃的概念。

為應(yīng)對以上兩方面的不確定性,本文在輸電網(wǎng)漸進規(guī)劃的框架內(nèi)嵌入了柔性規(guī)劃模型,建立了輸電網(wǎng)漸進柔性規(guī)劃體系。

1計及源網(wǎng)協(xié)同效應(yīng)的輸電網(wǎng)柔性規(guī)劃模型

電網(wǎng)柔性規(guī)劃是一種基于不確定性數(shù)學(xué)理論的電網(wǎng)靈活規(guī)劃方法。

該方法基于實際運行檢驗,將規(guī)劃過程中的不確定性因素合理量化,建立考慮不確定性因素的電網(wǎng)規(guī)劃模型,提高規(guī)劃方案的靈活性和適應(yīng)性。需要指出的是,電網(wǎng)柔性規(guī)劃方法不是用來求解未來某個確定性場景的最優(yōu),而是用于求解未來多個不確定性場景的綜合最優(yōu),通過提出適應(yīng)未來環(huán)境變化的柔性規(guī)劃方案,以最小的代價彌補環(huán)境變化造成的經(jīng)濟損失。

本文將多場景技術(shù)融入到電網(wǎng)柔性規(guī)劃中,通過設(shè)計多個確定場景將因素的不確定性轉(zhuǎn)化為場景的多元性,然后再采用傳統(tǒng)的確定性規(guī)劃方法進行求解。

1.1輸電網(wǎng)柔性規(guī)劃模型

目標函數(shù)綜合考慮投資成本、運行成本、機組啟動成本、棄風懲罰成本,如式（1）所示:

式中,0表示場景+的集合:m+表示場景+發(fā)生的概率:Nw表示線路數(shù)量:NT表示總時段數(shù):NL表示發(fā)電機數(shù)量:Nw表示風機（光伏）數(shù)量:P+,s,g為在場景+中發(fā)電機s在1時刻的出力:AP+,t,g表示在場景+中風機（光伏）t在1時刻的棄風量:cl表示線路投資成本:cs表示發(fā)電機的出力成本:sUCs表示機組s的啟動成本:ct表示風電的棄風（棄光）懲罰成本:K+,s,g表示0-1變量,反映機組的啟動狀態(tài),1表示啟動,0表示未啟動。

模型約束如下:

（1）系統(tǒng)視在功率平衡式:

式中,視在功率平衡式中包括有功平衡和無功平衡。為方便敘述,下述表述中均為相應(yīng)量在場景+中1時刻的值。P+,s,g為風機（光伏）t的有功出力:Pi,g為節(jié)點i有功負荷:0+,s,g為機組s的無功出力:0+,t,g為風機（光伏）t的無功出力:0i,g為節(jié)點i的無功負荷。

（2）節(jié)點視在功率平衡式:

式中,節(jié)點視在功率平衡式包括節(jié)點有功平衡式和節(jié)點無功平衡式。6i表示與節(jié)點i相連的發(fā)電機集合:。i表示與節(jié)點i相連的風機（光伏)集合:分別表示流入和流出i節(jié)點的支路有功功率之和:分別表示流入和流出i節(jié)點的支路無功功率之和。

（3)支路功率計算式:

式中,Pg,ij,s、0g,ij,s分別表示從i節(jié)點流向j節(jié)點的有功功率和無功功率:vg,i,s為i節(jié)點上的電壓,Gij、Bij和θg,ij,s分別為支路ij的電導(dǎo)、電納和兩端的電壓相角差。

（4)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電壓幅值約束:

其中,電壓幅值上下限波動范圍為5%。

（5)支路視在容量約束:

為優(yōu)化線路視在容量,則:

式中,sij,max為流過支路ij的復(fù)功率。

1.2模型線性化方法

本小節(jié)將把上一節(jié)的非線性約束公式進行線性化處理,將非線性模型轉(zhuǎn)化為線性化模型,然后調(diào)用CPLEx線性求解器求解。線性化處理可以提高計算速度和算法穩(wěn)定性,并保證獲得全局最優(yōu)解。

支路潮流方程式的線性化,設(shè)電網(wǎng)滿足0.95≤vi≤1.05（標幺值)和|θij≤409|的使用條件。

結(jié)合三角函數(shù)公式cogθij≈l_θEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(,則支路潮流表達式（6)、式（7)為:

此時上式中由于θEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(的存在仍然不是線性方程,因此,還需要對θEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(進行線性化。本文將首先通過預(yù)處理方法得到θEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(的初值,然后再在運行點附近進行線性化。具體如下:

考慮到θij的物理含義是網(wǎng)絡(luò)中兩條線路之間的電壓相角差,而這個值一般較小,平方后的值則更小,因此可忽略上式中的θEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(,得到如下的預(yù)處理表達式:

隨后,將上式代入數(shù)學(xué)模型中進行計算,得到基于預(yù)處理模型的相角差初值θij0。由于原模型θij和預(yù)處理模型θij0的值非常接近,因此可對θEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(進行如圖l所示的運行點線性化。

即用預(yù)處理的θij0上的直線斜率yij（θij0)去代替實際運行點θij的斜率,得到下述幾項線性方程:

這樣就把上一節(jié)的非線性模型通過線性化處理轉(zhuǎn)化為了線性化模型。

2輸電網(wǎng)漸進柔性規(guī)劃體系

2.1漸進規(guī)劃模型

漸進規(guī)劃模型是在多階段規(guī)劃模型的基礎(chǔ)上考慮了短期規(guī)劃與長短期規(guī)劃沖突程度的協(xié)調(diào),并且在決策中主觀賦予不同的權(quán)重。首先需量化長期規(guī)劃對于當前短期規(guī)劃的影響,定義長、短期規(guī)劃最小成本沖突量為:

式中,C0,ghors,C0,/onI分別為從當前（0年)到規(guī)劃目標年（短期、長期)的規(guī)劃成本:Cghors,/onI表示在短期規(guī)劃已經(jīng)完成的基礎(chǔ)上完成長期規(guī)劃成本:min[C0,ghors+Cghors,/onI」表示通過先進行短期規(guī)劃,再在其基礎(chǔ)上進行長期規(guī)劃（兩階段規(guī)劃)的最小成本:min[C0,/onI」表示直接進行長期規(guī)劃（單階段規(guī)劃)的最小成本:Cconf/ics表示兩階段規(guī)劃最小成本與單階段規(guī)劃最小成本之差,可以反映短期規(guī)劃與長期規(guī)劃的一致程度。

下面通過一個簡單例子來具體說明沖突量的含義,長短期規(guī)劃示意如圖2所示。

圖2中,狀態(tài)0表示當前源荷狀態(tài):狀態(tài)5、20分別表示預(yù)測的未來第5年和第20年的源荷水平。通過式（l8)可以計算沖突量Cconf/ics,如果Cconf/ics為0,說明短期規(guī)劃與長期規(guī)劃是一致的,先執(zhí)行最優(yōu)的短期規(guī)劃并不會妨礙長期規(guī)劃的最優(yōu)成本:如果Cconf/ics不為0,說明短期規(guī)劃最優(yōu)成本的實現(xiàn)需要以長期規(guī)劃成本的升高為代價,或者說對于長期規(guī)劃而言,短期規(guī)劃的結(jié)果可以看作是"走了彎路"。對于長短期規(guī)劃存在沖突的情況,由于沖突量Cconf/ics量化了具體沖突的嚴重程度,可以通過分配其具體權(quán)重系數(shù)y（y≥0)來控制漸進規(guī)劃中對于長短期沖突的重視程度,給出漸進規(guī)劃的優(yōu)化模型:

2.2漸進柔性規(guī)劃模型

依據(jù)上述漸進規(guī)劃模型,在其內(nèi)嵌2.1中的柔性規(guī)劃,可得漸進柔性規(guī)劃模型如下:

式中,l表示第一階段規(guī)劃:ll表示第二階段規(guī)劃:C0為長期單階段規(guī)劃結(jié)果常數(shù)項。

3算例分析

本節(jié)以RTS二79系統(tǒng)為基本算例,對規(guī)劃周期簡單分為兩段,在節(jié)點17、節(jié)點23分別接入1臺300Mw容量風電機組,在節(jié)點8接入1臺300Mw容量光伏電站,無功電源主要由常規(guī)機組提供,不計風光無功出力,選取3個風光典型有功出力場景,并將漸進規(guī)劃與傳統(tǒng)多階段規(guī)劃進行對比。

選取典型日各節(jié)點負荷有功、無功功率,如圖3、圖4所示。

選取典型日中3個不同場景下風光出力預(yù)測如圖5所示,其中場景scenl概率為0.46,場景scen3概率為0.16,場景scen3概率為0.38。

假設(shè)第二階段有功各節(jié)點負荷增加30MV,無功增加20%,風電光伏出力增加50%,設(shè)置漸進規(guī)劃權(quán)重系數(shù)值為0.7,通過GAMs調(diào)用Cp1ex求解,線路最優(yōu)容量結(jié)果如表l所示。

由表l可知,漸進規(guī)劃與多階段規(guī)劃相比,線路最優(yōu)輸電容量除少數(shù)幾個線路外,其余線路容量均不相同,這是因為通過權(quán)重系數(shù)設(shè)定體現(xiàn)主觀決策對當前階段的重視,算例中更側(cè)重當前階段規(guī)劃與運行最優(yōu),因而漸進規(guī)劃第1階段相比多階段投資成本略高。

總的來說,采用漸進規(guī)劃,可充分利用不同規(guī)劃時間級以及它們之間的關(guān)聯(lián),使得后期擴建時能根據(jù)負荷電源變化及時進行動態(tài)調(diào)整,同時部分線路容量可延時投資,提高輸電線路利用率和使用年限,并更能凸顯未來規(guī)劃對當前規(guī)劃的影響與制約,利用權(quán)重系數(shù)體現(xiàn)規(guī)劃者主觀對不同階段的側(cè)重與預(yù)測精度信任度,建立動態(tài)的、考慮過程化的全局優(yōu)化決策。

4結(jié)語

高比例可再生能源并網(wǎng)減少了電網(wǎng)的可控資源,增加了電網(wǎng)源荷平衡的不確定性和源荷發(fā)展的不確定性。本文對輸電網(wǎng)柔性規(guī)劃思想及模型進行了詳細介紹,并提出了將模型線性化的方法:擴展了多階段規(guī)劃的概念,在多階段規(guī)劃的基礎(chǔ)上提出了漸進柔性規(guī)劃模型:算例分析表明,漸進柔性規(guī)劃與多階段規(guī)劃相比,漸進規(guī)劃可以充分利用不同規(guī)劃時間級以及它們之間的關(guān)聯(lián),使得后期擴建時能根據(jù)負荷電源變化及時進行動態(tài)調(diào)整,更能顯示出未來規(guī)劃對當前規(guī)劃的約束,建立動態(tài)的、考慮過程化的全局優(yōu)化決策。