学术︱计及电压调节效应的电力系统协同调度
2015第二届轨道交通供电系统技术大会
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山东大学电网智能化调度与控制教育部重点实验室的研究人员孙东磊、韩学山，在2015年第17期《电工技术学报》上撰文，动力系统是机（包括位能、动能、光能、热能等外力）和电（电磁能）关联的有机构成，电力系统是其重要组成部分之一，其功能是完成一个机-电-机的动力平衡。
电力系统调度涉及满足机功率平衡的经济调度和以电功率为核心的、牵制这一机功率平衡的电压支撑问题，两者间有机关联，不能分离。由此，以应对不确定性为背景，以源（发电与负荷间机功率）平衡的实现为线索，提出一种新的电力系统调度模型，该模型充分计及电压调节效应，并有效考虑备用响应，统筹考虑源平衡及其电压支撑，目的在于挖掘电力系统消纳不确定性的协同能力。
针对该模型，给出了带精英策略的快速非支配排序遗传算法和蒙特卡洛模拟非线性优化并行组合求解方法。算例分析表明了调度中计及电压调节效应以增强源平衡能力的正确性和有效性。
从动力系统角度，电力系统是承接机（包括位能、动能、光能、热能等外力）功率平衡的载体，而电（电磁能）则为实现该平衡的媒介，由此，电力系统的功能是完成一个机-电-机的动力平衡。通常所称的电力系统（实际归属动力系统）调度研究可追溯至20世纪20年代，近百年来经历了由静态到动态、由以等耗量微增率为基础的经典优化理论到强调调度与控制间协调的现代调控理论、由确定性到不确定性的发展历程，如今在理论与实践上已相对成熟[1-6]。
电力系统调度涉及满足机功率平衡的经济调度和以电功率为核心的、牵制这一机功率平衡的电压支撑问题，两者间有机关联，不能分离。电功率与电压、频率相关，假设频率为额定频率不变，电功率就仅与电压相关，故称电压支撑，在调度中，其就对应如何考虑电压水平等制约问题，1962年，法国学者Carpentier[7]首次提出了考虑电压安全的电力系统优化潮流概念，掀起了对这一问题经久不衰的研究[8-11]。
然而，传统的调度体系主要是应对负荷的不确定性，由于负荷具有周期性的波动规律，一直以来经济调度和电压支撑问题是分离进行研究[12]的，即经济调度决策中并没有考虑电功率的牵制，而电压支撑决策或以无功功率概念为核心的电压调控则是基于给定的源（发电与负荷间机的功率）平衡模式进行的。而即使是考虑了有功与无功功率之间的牵连，优化潮流也仅是从网络流的角度进行遵从电气规律的数学意义上的刚性优化[13]，而对节点上源的柔性调节机制则很少涉及。
新形势下，电力负荷呈现多元化发展，其需求的波动性日益增加；风光等可再生能源发电以分布或集中式逐渐地、且有迅猛发展趋势地并入电网，增加了发电侧的不确定性；传统的火电等化石能源发电（主动电源）处于减缓或遏制的态势[14]，电力系统调度运行面临有限的主动电源应对强不确定性接纳能力的挑战。与此同时，源网（电功率的载体）间的矛盾日益突出，源平衡的电压支撑面临应对被动量（指常规负荷和可再生能源发电等）不确定性程度日趋增加的考验。
对此，许多学者从不同角度进行了研究，这些研究分为两类，一类是应对不确定性下源平衡的经济调度策略的研究[15-20]，如多时间尺度协调消纳风电的调度策略，计及机组备用响应能力的区间经济调度，安全性与经济性协调的鲁棒区间调度，考虑系统调控能力的可再生能源发电接纳范围研究，以及计及频率调节效应的协同调度等研究，该研究从应对不确定性的策略或优化方法着手，取得了较好的效果，然而却均是在刚性的电网电压水平这一假设条件下实现的，使电压支撑的关联不能显现，有一定的局限性。
另一类是考虑电压支撑影响的有功与无功牵连的潮流优化方法或策略的研究[21-25]，如考虑电压控制以提升风电接纳的概率潮流，考虑备用响应并计及风电的优化潮流，计及风电功率不确定性的模糊潮流，考虑被动量相关性的概率优化潮流，以及考虑二次备用响应机制的实时调度研究等，该研究在一定程度上考虑了电压支撑对源平衡的牵制，但均认为源功率是刚性的，独立于电压水平，实际上，电力系统运行时允许电压在一定范围内变化，而且源自身带有自愈性的电压调节效应，这是人造电力系统在一定条件下实现自动平衡的根本，若忽视这一特性必将造成调度结果的保守性。
目前国内外对事故或扰动情况下考虑电压调节效应以调动系统自动的平衡能力达成了共识，文献[26]提出在事故后有功缺额较大时通过降低系统电压来减少负荷需求、维持功率平衡的方法；文献[27]提出大规模间歇式电源接入背景下调压辅助调频以减少系统备用配置的思路；文献[10]提出扰动情况下考虑系统的频率、电压调节效应来维持频率质量的优化潮流模型。而至今，正常运行状态下，在短期运行调度中考虑电压调节效应尚未开始。
实现源平衡是电力系统调度与控制的目标，如何实现调控一体，即在调度中考虑控制，控制中计及调度是电力系统消纳不确定性的关键，充分挖掘电力系统自身电压支撑的协同潜力以增强不确定性下源平衡能力是本文研究的宗旨。
为此，以应对不确定性为背景，以源平衡的实现为线索，提出一种新的电力系统调度模型，该模型充分考虑电压调节效应，备用的配置及其响应机制一体化决策，统筹考虑源平衡及其电压支撑，以充分挖掘电力系统消纳不确定性的协同能力。针对该模型，给出求解方法，并进行了算例验证，算例分析表明了此研究的可靠性和有效性。
图4 修改的IEEE9节点系统接线图
结论
为应对新形势下电力系统中日趋增加的不确定性因素，提出了计及电压调节效应的电力系统协同调度模型，充分计及电压调节效应，并有效考虑备用响应，统筹考虑源平衡及其电压支撑，以挖掘电力系统消纳不确定性的协同能力，随之给出了求解方法并进行了算例验证分析。结论如下：
1）源功率受电功率牵制，且具有自动的电压调节效应，电压水平决定源平衡的方式，要想调度电能，则调度量就是电压，这样做会使调度更符合实际，以在更大范围内适应电力系统面临的不确定性；
2）将电网电压调节效应引入调度模型，以在决策层面上调动了自动的电压调节的协同能力，有效增强了源平衡能力，缓解了在调度中切负荷或放弃可再生能源发电的情况；
3）计及电压调节效应的电力系统协同调度能更好地实现调度与控制的友好衔接，从而明确备用为谁而备，使得备用配置有的放矢。
本研究是电力系统协同调度理论研究的重要组成部分。进一步会将电压协同效应融入到考虑时间耦合约束的动态优化决策问题中，以在时变过程中揭示协同调度的价值，如分析电压调节效应对缓解机组爬坡约束的影响机制等，预期会促进新形势下电力系统调度理论的发展。
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