新型电力系统中的规划运营与电力市场:研究进展与科研实践

“碳达峰、碳中和”战略目标下,能源结构清洁化—可再生能源并网比例不断提高、能源要素多元化—发输配用各环节海量灵活性资源接入两大趋势带来的挑战,对电力规划、调度运营、电力市场产生了重大影响。规划中如何综合考虑海量运行场景与多元化要素,运营中如何高效调度多样灵活性资源,市场如何设计机制激励主体提供灵活性,都是新型电力系统建设亟待解决的问题。该文从电力规划、调度运营、电力市场3个层面出发,对近年来新型电力系统中规划运营与电力市场的相关研究进展进行系统梳理,涵盖基础理论、机制设计、应用研究、系统研发等多类型研究文献。进一步从规划、调度、市场3个方面展望未来研究趋势,如新型要素接入下的电网韧性、电碳耦合调度理论与高效求解技术、辅助服务与容量市场交易品类、考虑储能等新型主体的市场交易机制等,以期为我国新型电力系统的建设提供有益参考。

面向新型电力系统运行的数据-物理融合建模综述

构建新型电力系统是我国实现碳达峰、碳中和目标的关键,将给电力工业带来深刻变革与挑战。数据-物理融合建模(简称融合建模)是一类新兴的建模技术,能够同时发挥物理机理与数据的价值,有望成为新型电力系统重要的分析工具。为此,该文首先梳理融合建模的相关概念与应用场景,讨论近年来国内外的研究趋势与热点。进而从技术特征和融合模式两方面,提出针对融合模型的分析框架。同时,聚焦于新型电力系统运行领域,全方位总结整理融合建模在应对现有技术挑战方面的潜在优势及不足,并展望未来研究与工程实践的重点发展领域。

基于云模型综合相似度的电力物联网关键技术综合评价

目前电力物联网关键技术应用的综合评价具有单评价对象的特点,传统评价方法无法适用.为全面评价电力物联网项目建设水平和运营成效,在综合考量电力物联网不同建设和运营阶段及其关键要素基础上,建立电力物联网关键技术综合评价指标体系,根据其单评价对象场景的特点,提出基于云模型综合相似度的评价模型.通过对逼近理想解排序方法的改造构建单评价对象的决策矩阵,提出以兼顾云模型的形状-距离综合相似度为度量,表征逼近理想解排序方法的相对贴近度,进而实现对单评价对象的精准评价.应用所提方法综合评价某电力物联网示范工程,验证了所提综合评价体系和评价方法的客观性与全面性.

新型电力系统背景下抽水蓄能和新型储能协同发展研究

抽水蓄能和新型储能协同发展对实现能源结构转型有积极推动作用,但适应新型电力系统建设进程的抽水蓄能和新型储能如何协同发展尚无定论。结合新型电力系统不同时间尺度储能需求和储能发展现状分析明确抽水蓄能和新型储能功能定位和发展趋势,并适应新型电力系统建设需求基于规划定位—技术创新—运维管理—运营策略架构提出抽水蓄能和新型储能协同发展建议,为推动储能行业发展决策制定、促进储能行业良性发展提供战略支撑。

广东电网节能发电调度潜力分析

我国电力行业已经逐步推行节能发电调度,提前分析电力系统实施节能发电调度的节煤潜力具有重要意义。作者从研究均衡发电调度与节能发电调度之间的关系入手,引入均衡调度指数作为均衡发电调度的评价指标。基于不同负荷水平下均衡调度指数与发电平均煤耗之间的关系曲线,建立了节能潜力分析模型和评价方法,并基于作为我国5个节能发电调度试点省份之一的广东电网实际数据进行了算例分析。研究表明,该方法能够直观地反映均衡发电调度转向节能发电调度时所形成的优化空间,适用于分析不同调度模式下的节煤潜力和效益。

以直流联络线运行方式优化提升新能源消纳能力的新模式

在大规模新能源接入的互联电网中,充分利用直流联络线的调整能力,将极大地促进更大空间范围内的新能源消纳。为此,文中提出了一种以直流联络线运行方式优化提升新能源消纳能力的新模式。该模式将联络线交换功率作为可优化的资源,在满足联络线功率调整各种特性要求的前提下,通过联络线功率的调整促进互联电网的新能源消纳。建立了直流联络线运行优化的数学模型,考虑了联络线功率调整的各类约束条件,包括日交换电量不变、联络线功率曲线阶梯化、短时间内不得反方向调节等。基于国内某跨区直流输电通道的实际运行数据开展了算例分析,计算结果表明了所提出模式的有效性。

降低网损和消除阻塞的有序用电模式与方法

我国长期面临高峰时期电力不足的问题,为此提出了有序用电的模式、模型与方法。通过在时间维度上有序移动负荷,实现削峰填谷,保证用户的电量需求;同时,通过各节点负荷移峰在空间上的配合,实现降低网损、消除阻塞。时间与空间两个维度的优化用电赋予需求侧管理新的内涵,有利于充分利用有限的电力资源、提高电网的安全与经济运行水平。为了尽可能少地改变用户用电习惯,对用户采取就近移峰;对于节点负荷移峰的空间配合,提出了内嵌网损和安全约束的模型与方法,但模型中的二次约束使这一问题难以直接优化求解,维持采用分段线性化的方法实现了模型的高效求解。IEEE-30节点系统的算例结果表明,所提方法能够在兼顾降低网损、消除阻塞的情况下实现有序用电。

激励风电场提升功率预测精度的机制设计

提高风电预测精度是减少弃风、降低新能源消纳成本的重要手段之一。如何从机制设计入手,提高电网消纳新能源能力,降低全社会消纳新能源成本,成为亟待解决的问题。设计一种激励风电场提升功率预测精度、进而促进新能源消纳的机制,提出了支撑该机制运行的相应模型与方法。采用区间数方法精细量化为消纳新能源而增加的系统运行成本,并设计其在各风电场之间公平、非线性化分摊的机制。该机制满足激励相容原理,能够促使风电场提高日前上报预测出力精度,优化运行管理。基于IEEE 30节点系统的计算验证了该机制与方法的有效性。

美国得州2021年极寒天气停电事故分析及启示

2021年2月8日至20日,美国得克萨斯州经历了由极寒天气诱发的停电事故,这也是美国近10年内发生的第4次因极端低温天气引起的停电事故。事故期间,负荷轮停持续时间最长达到4天,峰值达到20 GW,超450万得克萨斯州居民遭遇停电。事故造成的直接和间接的经济损失高达800~1300亿美元。美国联邦能源管制委员会(FERC)、北美电力可靠性委员会(NERC)及区域电力可靠性组织于2021年11月16日公开了此次事故的调查报告,分析了此次停电事故的主要原因,并对发电企业、调度机构等多方提出了全面、详尽的建议。文中结合该事故调查报告,总结了事故的概况及发展过程,分析并梳理了事故的成因及核心建议,最后分析了事故对中国电力行业的启示。

中国推进售电侧市场化的制度设计与建议

回顾了中国电力体制改革的历史进程,剖析了当前形势下中国推进售电侧改革的困难所在,研究了售电侧改革在电力体制改革中的定位,揭示了售电侧改革对形成市场化交易机制、促进分布式能源发展和开展需求响应的重要意义。在此基础上,提出了中国稳步推进售电侧改革的制度设计与建议,其中包括采用管制化与市场化相结合的方式培育售电主体、采用互联网手段加强用户侧的培育、分类建立差异化的售电主体准入机制、采用市场机制激励售电商提供多样化的增值服务、建立公益性售电商应对托管状态下的用电需求、建立公平透明的售电监管和信息披露制度等。

中国推广大用户直购电交易的制度设计与建议

回顾了以大用户直购电为核心的中国电力市场发展进程,剖析了大用户直购电交易对中国电力工业可持续发展和提升资源优化配置水平的重要意义,分析了开展大用户直购电对当前电网调度运行的影响,提出了科学设计大用户直购电制度的重要原则。在此基础上,开展了市场准入、交易方式、交易品种、合同交割、输电定价、市场体系等制度创新设计,其中包括培育大用户直购电市场的激励机制、考虑中国产权制度非市场化的交易方式、大用户直购电二级市场、有利于电网安全的输配电价格机制、大用户直购电交易的金融交割方式,以及大用户直购电交易的配套措施。

安全约束机组组合理论与应用的发展和展望

安全约束机组组合作为编制发电计划的核心环节,在国外电力市场中已经得到广泛的应用。随着中国电网全面推进精益化的调度管理和节能发电调度的实施,电网运行部门对安全经济运行的要求日益提高,安全约束机组组合的研究和应用也越来越受到重视。总结了安全约束机组组合的模式、数学模型和主要求解方法;在综述国内外最新研究动态和工业应用现状的基础上,展望了未来有待进一步研究的内容。希望本文的工作能够为推动中国发电计划领域的研究和应用提供重要参考。

电量协调与成本控制的日内滚动发电计划

由于日前风电预测存在较大误差,采用日内滚动发电计划消纳风电波动性已成为业内的共识。然而,在我国现行的"三公"调度模式下,日内滚动发电计划须考虑电量完成进度的滚动协调和风电消纳成本的控制。为此,提出了日内滚动发电计划的2种实现模式,即电量完成进度滚动协调模式和风电消纳成本控制模式。针对电量完成进度滚动协调模式,提出了目标电量日内滚动计算模型,滚动修正剩余时段机组目标电量,并以该目标电量为约束实现机组电量完成进度的滚动协调,提升了发电调度的公平性。针对风电消纳成本控制模式,在调度模型中增加了风电消纳成本控制的约束条件,以决策可接受消纳成本下的弃风电量,在出现概率较大的风电波动区间内,以合理成本消纳风电。文章建立了统一的全景日内滚动发电计划模型,能够在跟踪日前计划的基础上,通过约束条件的选择,分别适应2种模式下滚动发电计划的编制。算例分析表明,提出的模型与方法能够满足2种模式所期望的目标,实现公平与成本控制的风电消纳。

动态无功优化的多阶段求解方法

动态无功优化是保障电网安全经济运行的重要手段之一。然而,动态无功优化属于大规模、多时段、强耦合的非线性混合整数规划问题,直接求解困难。为处理无功优化问题中包含的离散变量及时段耦合约束,基于动态无功优化问题的物理本质,提出了动态无功优化模型的多阶段求解方法。第1阶段以系统网损最小化为目标,松弛离散变量和无功设备全天动作次数约束,基于内点法计算得到动态无功优化问题的初始解。第2阶段以网损增量最小化为目标,基于目标函数对控制变量的灵敏度,将子问题在当前解附近线性化,构建以无功控制设备全天动作次数为约束的混合整数规划模型,由此决策无功设备全天动作次数约束下的离散控制变量优化解。在此基础上,将第2阶段得到的优化结果代入到第1阶段的优化模型当中,得到多阶段动态无功优化问题的优化结果。Ward&Hale 6节点算例系统和国内某省网实际系统计算结果验证了所提模型和求解方法的高效性和适用性。

机组检修与运行组合的协同优化

机组检修计划和机组运行组合都是电力系统电源运行结构优化的重要组成部分。风电等新能源的大规模接入和智能电网调度的推进对电力系统电源运行结构优化提出了新的要求。为了进一步提高电网运行的安全性,提高电网消纳新能源的能力,提升电网调度的精确化、智能化水平,文中提出一种内嵌N-1安全校核的月度电源运行结构优化的新模式。该模式在更长的时间尺度、更广的空间维度充分挖掘机组检修与机组组合的协同优化空间,内嵌考虑N-1安全校核,有效提高了机组检修计划与发电计划的安全性与经济性。IEEE 30节点系统和某省级电网的算例分析揭示了实现机组检修计划与运行组合协同优化的效益。

新型电力系统的六要素分析

面向碳中和目标,能源电力系统的安全高效、绿色低碳转型及数字化智能化技术创新已成为全球发展趋势及我国能源科技创新的关键抓手。该文从国家宏观战略层面探讨了能源革命对建设新型电力系统的要求,阐述了新型电力系统的变革历程,从化石能源为主导的传统电力系统,到高比例新能源和高比例电力电子为主要特征的“双高”电力系统,再到新能源为主体的新型电力系统,分析了演化过程中不同阶段电力系统的关键要素。在此基础上,总结凝练了新型电力系统的六大关键要素“源网荷储碳数”,阐述了六要素之间的耦合关系。最后,聚焦“碳”与“数”2个新兴的关键要素,分别从低碳化与数字化2个视角对建设新型电力系统的关键技术进行了探析与展望。

基于优化理论市场化的日前电力市场机制设计

如何降低电力市场的价格风险是电力市场领域的难题。其核心问题之一,即市场成员成本的信息不对称问题常常导致电力市场中的资源错配。为确保电力市场高效有序的运行,文中提出了基于优化理论市场化的新型市场机制。该机制让市场成员融入传统的Lagrange松弛法迭代计算过程,将原来的数学迭代计算过程转化为一种市场均衡过程;在此均衡过程中,市场成员可权衡其收益与约束条件的满意程度,必要时改变相应的报价策略。这种以市场机制协同传统优化方法的迭代计算出清机制,能够激励市场成员理性报价,发现和权衡优化可行域,消除成本信息不对称导致的竞争不充分,在更大的可行域内真实地实现电力市场各要素的帕累托最优。基于IEEE 30节点系统的算例模拟计算表明,这种新型的市场机制可有效地解决市场成员成本信息不对称问题,并且利用边界条件的弹性化可在更大的可行域内得到比传统机制更优的出清结果。

全网统筹电力电量平衡协调优化方法

大规模互联电网为大范围的能源资源优化配置提供了可能。文中提出了全网统筹电力电量平衡国省两级协调优化的模式、模型与方法。以省级电网的历史贡献率为优先级进行平衡决策,从而促进省级电网参与电力交易的积极性。提出了两种国级与省级电力电量平衡决策目标:一是在电力富余时最小化发电成本;二是在电力紧缺时合理分配电力缺口,实现在时间和空间上均衡缺电。以等效发电成本曲线为关键优化信息,建立了协调优化数学模型,分层决策省间送受电方案和各省发电机组出力计划,实现能源资源的进一步优化调配。提出了以电量受限成本增量修正省级电网发电成本的求解方法,精细考虑火电机组因电量受限所带来的额外成本。基于三区域IEEE RTS96系统和华北—华东—华中(简称"三华")电网的计算充分表明了该方法的有效性。

基于全成本电价的安全约束经济调度

在智能电网的研究中,人们通常关注电源与负荷的互动以消纳更多的新能源,而电源、负荷对电网资源的利用程度则考虑较少,未能充分发掘源–网–荷三者互动的深层次效益与价值。为此,提出基于全成本电价的电源、电网、负荷的互动模式与方法。对于电源侧,在优化经济调度时考虑输电成本的影响;对于负荷侧,计算基于潮流追踪法的全成本电价,明确负荷对电源和电网资源的使用情况,体现"谁受益,谁承担成本"的原则,并引入需求侧响应体现全成本电价的意义和价值。基于IEEE30节点系统的算例分析验证了文中方法能够根据用户对电网资源利用程度的大小合理地分摊电网的成本,从而提升电网投资与运行的高效性、公平性、有序性与安全性。

基于用户互动能力的优化用电模式与方法

现阶段有序用电存在一定的主观性和经验性,可能导致电力用户不公平承担供电缺口的问题。为此,提出一种基于用户互动能力的优化用电模式与方法。在分析用户负荷特性和用电约束的基础上,归类为4种优化用电类型,供用户匹配选择。通过分层序列法(lexicographic method),综合考虑用户负荷特性与社会效益,动态生成电力用户的优化用电序位表。由于用户数量较大,为高效求解优化用电形成的大规模混合整数规划模型,文章提出一种动态可行域优化的高效求解算法。根据优化用电序位表,确定优化用电的寻优空间,通过迭代逐步扩展寻优空间,在不牺牲精度的前提下高效制定用户的优化用电计划。基于某省工业园区配电系统的算例分析表明,提出的模式与方法能够高效制定优化用电方案,确保电力用户公平均衡参与优化用电,有效消除配电网供电阻塞。