席晟哲 王振华 张霄
国网安阳供电公司 河南安阳 455000
摘要：新能源的大规模并网，给电力系统的调度运行带来困难和挑战[1]。一方面，新能源出力预测精度低，使得调度计划与实际运行偏差大，导致调度计划调整幅度大甚至不能平衡实际功率；另一方面，新能源固有的随机波动特性，使得电力系统的调峰容量、调频容量以及备用容量难以准确确定，容易造成弃风、弃光、切负荷等现象。因此，研究适合于大规模新能源并网的电力系统优化运行调度系统，实现多种强随机电源作用下电力系统的功率实时平衡，尽量减少和避免弃风、弃光、切负荷等现象，对促进和发展新能源电力的大规模使用，具有重要意义。
关键词：新能源并网；负荷优化；调度研究
1传统多时间尺度电力系统调度模式
1.1传统调度模式
传统的日前/日内/实时多时间尺度协调运行的工作过程如图1所示。图1中，DP表示t1时刻的日前计划负荷，P表示t1时刻的实际负荷，DP表示t1时刻的日内修正负荷(通过滚动超短期负荷预测进行修正)，DP表示t1时刻日前计划负荷与实际负荷的偏差，PAGC表示t1时刻日内修正计划负荷与实际负荷的偏差，此部分偏差由AGC机组承担，PNAGC表示t1时刻通过滚动预测而缩小的偏差。下面以t1时刻(实心点所在时刻)为例，对传统的功率平衡过程进行说明。日前优化计划：基于短期负荷预测结果，以系统运行成本最小为目标、系统安全运行限制为约束，在各机组的出力限制范围内，建立日前最优调度计划模型。
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图 1 传统多时间尺度调度模式
1.2传统调度模式存在的不足
(1)调度计划按照“满足预测负荷”的原则来制定，仍属于“确定性计划”。虽然通过滚动优化在一定程度上修正了“计划”与“实际”的偏差，但由于新能源预测误差较大，调度计划在实际运行中调整的幅度较大。
(2)电力系统的安全运行区域未知，调度人员工作被动。依赖于设置一定比例的旋转备用容量应对新能源的波动性和不确定性，未能根据新能源的变化计算系统鲁棒运行的区域。调度人员不易判断当前的运行充裕度，以便及时准确地制定出应对措施，主动调控新能源的能力较差。因此，传统的滚动优化模式难以应对“多组随机变量”的电力系统的功率平衡。基于此，本文提出一种面向大规模新能源并网的电力系统多时间尺度鲁棒调度模式。
2鲁棒的多时间尺度电力系统调度模式
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图 2 电力系统鲁棒有功调度模式
(1)日前鲁棒调度计划和鲁棒运行域。根据日前的负荷和新能源电力的区间预测结果，制定能平衡在预测区间内变化的负荷和新能源电力的鲁棒的机组开停机计划。同时，根据所制定的开停机计划，计算系统具有的旋转备用容量、调峰容量和调频容量，计算系统所能应对的新能源电力范围。基于此，组成如图3所示的鲁棒运行区域。图2中的空心圆圈为t1时刻的鲁棒调度计划。
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图 3 鲁棒运行域示意图
(2)日内/实时修正调度计划和鲁棒运行域。根据日内/实时的负荷和新能源电力的区间预测结果，修正能平衡在预测区间内变化的负荷和新能源电力的鲁棒机组开停机计划，同时修正鲁棒运行域。从图2中看出，通过修正，t1时刻的鲁棒调度计划与实际运行情况更为接近。且由于预测精度提高，鲁棒运行区域也随之缩小，节省了运行成本。与传统的调度模式(图1)相比，所提的调度模式(图2)具有如下优点。
(1)图2的调度计划为鲁棒调度计划。根据日前/日内/实时预测的净负荷和新能源出力的变化区间，建立能适应于该区间内变化的鲁棒调度计划优化模型，解算出鲁棒的开停机方式，如图2的调度计划/修正计划。鲁棒调度计划与传统的仅能应对某一预测场景的调度计划相比，具有更好的鲁棒性和灵活性。避免了传统的确定性优化中，机组的频繁启动或不能及时启动带来的功率不平衡等问题。
(2)提供鲁棒运行域。计算鲁棒的开机方式下系统具有的正、负备用容量，获得可以应对的新能源出力的范围以及波动的范围。并基于此，组成鲁棒运行域，如图2中的实心填充部分。当新能源出力随机变化，系统运行接近边界，则提前预警，事先制定出应对措施。运行人员可以根据当前的运行状态，判断系统运行的安全裕度，提前做出应对的措施，大大减轻了实时调度的压力，可以及时主动地应对新能源的变化，实现主动调控新能源。
3鲁棒调度模式的实施过程
所提的鲁棒调度模式的具体实施过程为：短期负荷、新能源区间预测→鲁棒调度计划制定→鲁棒运行域计算→超短期负荷、新能源区间预测→鲁棒调度计划修正→鲁棒运行域修正(边界)→实时AGC控制→输出调度指令，如图4所示。
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图 4 多时间尺度鲁棒有功调度实施过程
所涉及的主要计算模块如下。(1)新能源特性分析/概率预测。基于新能源特性分析的预测，预测新能源出力，预测给定置信度下的新能源出力区间。例如文献[18]提到的风电功率波动性分析，提到的风电功率相关特性分析。(2)鲁棒调度计划制定。鲁棒调度计划制定的模型与方法已有不少研究报道[8-10]。一种基于新能源出力场景的鲁棒调度计划制定模型。该模型采用离散的场景代表新能源电力的随机特性，所得的调度计划可以满足所有场景的变化。模型中，不含难以处理的概率性约束，计算简单、实用。
4尚需研究的关键技术
4.1新能源的特性预测和特性分析
与传统出力稳定可控的发电机相比，新能源电力具有很强的随机波动性，定量描述风电出力的随机特征并加以利用，是主动调控新能源的关键技术之一。这远不足以全面描述风电随机特性，仍需要挖掘更多的特性指标，更全面地反映和刻画风电出力的随机特性。
4.2含随机电源的优化调度技术
对于新型电力系统优化调度问题，在原来确定型变量的基础上，引入了风电出力、光伏发电出力等不可控的随机变量。相应地，其约束在传统模型约束的基础上，增加了表征风电随机特征的概率函数约束和均值函数约束。此外，还可能包含有刻画随机变量特性如出力特性、波动特性、相关特性的概率分布等约束。对于随机规划问题的求解，虽然数学上有随机规划方法和鲁棒优化方法的分支，但数学方法对求解问题的性质有要求，例如假设随机变量服从某种常见的分布，因此直接采用并不能求解实际问题，这就需要对实际电力系统优化问题或数学方法加以改进，使之相适应。因此，如何处理优化模型中的随机变量成为求解问题的关键。
4.3制定调整量最小的鲁棒调度计划
应对新能源随机波动的鲁棒调度计划，已有不少的研究报道。对鲁棒调度计划进行调整，可以适应不同新能源电力出现场景的变化。不同的鲁棒调度计划，针对不同的新能源电力的场景，其调整量是不相同的，如何制定出总体调整量最小的鲁棒调度计划，对减轻调度人员的压力，保证电力系统安全稳定运行有重要意义。
4.4鲁棒运行域的可视化研究
电力系统的安全运行区域需要采用多种因素指标进行衡量，如前面所述的旋转备用容量、调峰容量、调频容量等等，如何将这些因素用直观的可视化方法进行表征，使得调度人员可以方便地了解当前系统运行的状态，可为主动调控新能源电力提供重要的辅助信息。
4.5不同时间尺度运行计划的协调
随着时间尺度的不断逼近，预测精度的不断提高，各时间尺度之间的调度计划和安全运行区域需要不断协调修正。如何协调各级之间的调度计划和安全运行区域，既充分利用“时间尺度越短，预测精度越高”的优势，又使得调度计划平滑过渡，调整量小，实现以最小代价换取系统最安全的运行，达到安全性和经济性最佳协调，也是关键技术之一。
结论
本文构建了一种新的面向新能源大规模并网的电力系统的鲁棒优化调度模式，设计了鲁棒调度系统的基本模块，提出了实现鲁棒调度运行的关键技术。在调度过程中引入“鲁棒调度计划”+“鲁棒安全域”的思想，与原来传统的“单一固定”的调度计划相比，鲁棒调度计划具有更好的适应性。
同时，提供了电力系统安全运行区域，为运行调度人员判断系统运行状态，了解当前系统旋转备用容量、调峰容量、调频容量所能应对的新能源出力的波动范围，提前做出应对措施，实现主动调控新能源提供了新的思路和途径。
参考文献
[1]汪春,吴可,张祥文,等.规模化电动汽车和风电协同调度的机组组合问题研究[J].电力系统保护与控制,2015,43(11):41-48.
[2]贺建波,胡志坚,刘宇凯.大规模多目标水-火-风协调优化调度模型的建立及求解[J].电力系统保护与控制,2015,43(6):1-7.