能源转型背景下电力系统不确定性及应对方法综述

在可再生能源迅速发展、能源结构低碳化转型的背景下,电力系统正由确定性系统向强随机性系统转变,在电力系统分析、规划与运行等各个领域出现了各类应对不确定性的方法与手段。文中分别从不确定性因素建模、不确定性因素影响评估、不确定性环境下决策以及不确定性平抑措施等4个方面,总结已有成果、阐述研究难点、探讨该领域的未来研究方向。指出多学科交叉与融合是不确定性分析方法的发展方向,在广义范围内实现能源平衡是应对不确定性因素的重要手段。     

特约主编寄语

在可再生能源迅速发展、能源结构低碳化转型的背景下,电力系统正由确定性系统向强随机性系统转变,在电力系统分析、规划与运行等各个领域出现了各类应对不确定性的方法与手段.文中分别从不确定性因素建模、不确定性因素影响评估、不确定性环境下决策以及不确定性平抑措施等4个方面,总结已有成果、阐述研究难点、探讨该领域的未来研究方向.指出多学科交叉与融合是不确定性分析方法的发展方向,在广义范围内实现能源平衡是应对不确定性因素的重要手段.     

关于能源转型分析的评述：(一)转型要素及研究范式

提炼能源转型问题的要素,强调应重视政策制定者、能源供应者等不同利益相关者行为的影响;梳理能源转型研究的不同目的,即解释(explanation)、预测(prediction)、推演(projection)及优化(optimization)等,研究的要点及面临的挑战;归纳能源转型研究范式的现状与不足;提出基于技术—经济—行为统计学模型—真实人混合交互仿真及反复推演,协调优化转型目标与路径的新范式。其续篇将讨论能源转型研究中的不确定性因素及分析方法。     

计及不确定性的电力系统区间分析研究综述

电力系统的不确定性逐步增强,如何合理表征不确定性因素并分析其对电力系统带来的影响是目前和未来研究的突出问题。对比常见不确定性分析方法,以不确定性区间分析方法为重点,将系统分析问题分为不确定性稳态区间分析和不确定性动态区间分析2个方面。首先,对电力系统不确定性因素的区间预测框架和方法进行了阐述;其次,针对不确定性稳态区间问题,从区间潮流和区间不确定性决策2个方面进行概括,并讨论了现有的不确定性稳态区间分析方法;然后,针对不确定性动态区间问题,从动态波动区间分析和稳定区间分析2个方面进行概括,并讨论了现有的不确定性动态区间分析方法;最后,对计及不确定性的电力系统区间分析研究进行展望。     

可再生能源电力不确定性预测方法综述

开展可再生能源电力不确定性预测对于提升可再生能源的消纳能力,保证电力系统安全稳定运行具有重要意义。不确定性预测是当前的研究热点,主要包括区间预测、概率预测和场景预测。相比于确定性预测,不确定性预测能够提供更丰富的信息,可以从变化区间、发生的概率以及可能出现的场景等更多维度去反映可再生能源电力的不确定性。论文以区间预测、概率预测和场景预测为线索,对可再生能源电力不确定性预测技术进行了归纳、总结和梳理。从相关文献发表的数量、年份、期刊的分布等多个方面对可再生能源电力不确定性预测的发展现状及趋势进行了分析;从预测结果的形式对不确定性预测的内容进行了分类介绍;阐述了区间预测、概率预测与场景预测的理论与模型,并对不确定性预测的评价指标进行了总结分析;最后结合可再生能源电力预测的研究现状和发展趋势,提出了未来值得关注的研究内容。研究成果为可再生能源电力不确定性预测研究提供参考。     

综合能源系统能流计算方法述评与展望

能流计算是综合能源系统分析与优化工作的重要基础。由于广泛涉及电/气/热/冷等多种能源形式耦合,综合能源系统能流计算面临诸多挑战。文中从确定性能流计算和不确定性能流计算2个角度系统性地归纳总结了现有研究成果,对其基础理论、数学模型及求解方法等进行全面评述并分析对比了其优缺点。其中,确定性能流计算旨在根据已知信息求解系统在某一确定工况下的运行状态,并从稳态计算和动态计算2个方面进行论述;不确定性能流计算以确定性能流计算为基础,旨在基于不确定因素的影响获取系统状态量的分布特征,并从概率能流、区间能流和模糊能流3个方面进行论述。最后,结合综合能源系统未来发展要求对能流计算的研究方向进行了展望。     

考虑可再生能源接入的综合能源系统规划评述与展望

建设多能耦合的综合能源系统是解决可再生能源消纳问题的有效途径之一。可再生能源的接入大大增强了综合能源系统的不确定性,如何合理分析并应对不确定性带来的影响是综合能源系统规划研究中的重要课题。文章首先总结了可再生能源接入下综合能源系统的典型结构。然后,梳理了综合能源系统多能负荷预测方法和多能流分析技术的研究成果,进一步从能源站规划、能源网络规划和站网联合规划3个方面归纳总结了考虑可再生能源接入的综合能源系统规划研究进展。最后,从可再生能源消纳新场景探索、考虑可再生能源接入的多能流分析技术、考虑多重不确定性的综合能源系统规划和考虑多能需求侧管理的综合能源系统规划4个角度展望了未来可能的研究方向。     

高比例可再生能源新型电力系统长期规划综述EI北大核心CSCD

大力发展风电、光伏等可再生能源是实现电力系统低碳转型的重要途径。由于可再生能源出力具有波动性与不确定性,为应对大规模可再生能源并网给电力系统长期规划带来的挑战,近年来相关研究成果不断推出。为全面综述该领域的研究现状,该文首先分析新型电力系统的主要技术特征,然后,从能源供应的经济–政策不确定性与低碳转型带来的能源供应安全两个方面分析新型电力系统长期规划模型所面临的挑战。并从长期不确定性、短期不确定性、电力系统充裕性、电力系统安全性4个方面,综述当前新型电力系统长期规划研究成果,分析其中需要关注的重点、难点问题。最后,对新型电力系统长期规划模型的构建与应用进行总结与展望。     

含天然气压力能利用的综合能源系统优化调度模型

天然气压力能的不确定性与其管网负荷随机波动性,限制了综合能源系统中压力能利用效率的提高.提出一种天然气调压站压力能发电与制冷的综合利用模式及系统架构.首先,为解决天然气管网流量波动导致压力能不稳定、供需不平衡的问题,通过研究调压站综合能源系统中的压力与负荷不确定性因素,分析压力能不确定性及综合能源系统与调压站集成系统相关性对综合能源系统优化调度的影响,确立综合能源系统不确定性因素与模型.然后,在此基础上,将气体作为冷能传输介质,考虑气、冷、热不同能量的传输特性,分析该系统分时间尺度能量平衡关系,并兼顾经济性与低碳性建立含天然气调压站的综合能源系统优化调度模型,进而采用混合整数非线性规划法进行求解.最后,通过某实际调压站综合能源系统验证了所提优化调度模型的可行性与有效性.     

综合考虑经济-环境-社会因素的多能耦合系统高维多目标规划

提高能源系统运行经济性、减少污染排放、改善能源利用效率是我国未来能源系统发展的重要目标.但是,在实际能源系统规划中,由于上述不同目标之间具有复杂的关联性,因此当问题的目标函数数量多于3个且存在不确定性参数时,现有方法往往难以实现对该类问题的有效求解.为应对上述挑战,该文提出一种面向多能耦合系统规划的高维多目标优化分析框架.首先,在深入剖析多能源系统中源荷耦合特性及其对系统运行影响的基础上,提出了综合考虑经济-环境-社会因素的综合能源系统多目标规划范式;然后,鉴于不同规划目标之间存在的天然矛盾性并充分考虑系统中供需侧行为的不确定性,分别以投资运行成本最小、用能效率最高、碳排放最小以及供能不满意度最小作为目标,构建了针对多能系统规划的高维多目标优化模型,该模型综合考虑系统元件容量配置以及终端负荷管理,并利用区间方法计及各不确定性因素的影响,从而使最终规划方案可有效兼顾最优性与鲁棒性;接着,根据所建模型的特点,利用模糊偏好函数法分别对目标函数和约束条件进行处理,将其转换为确定性优化问题,采用基于降维分解的带精英策略非支配排序遗传算法(DNSGAⅡ)对此进行求解;最后,通过相关算例分析,验证所提方法的有效性.     

基于蒙特卡罗法的测量不确定度评定

当采用不确定度传递律进行测量不确定度评定（GUM方法）有困难或不方便时,蒙特卡罗法是实用的替代方法。在建立数学模型、设定输入量概率密度函数的基础上,通过对概率分布随机采样进行分布传递,确定输出量的概率密度函数,从而得到输出量的估计值、标准不确定度以及在指定包含概率下的包含区间,实现对测量不确定度的评定。通过小功率座校准因子测量不确定度评定示例,说明了采用蒙特卡罗法进行测量不确定度评定的实现方法,并与GUM方法进行了比较。     

大型电力变压器损耗测量不确定度分析

为指导大型电力变压器损耗测量设备的选用,实现精确损耗测量,分析了造成大型变压器损耗测量不确定度的各种因素,并对这些因素造成的不确定度进行定量计算,最终对单个因素造成的不确定度进行合成,得到整体测量系统的测量不确定度.基于对损耗测量不确定度的分析,确定测量系统的相位测量精度是影响测量不确定度的最主要因素.定量分析和比较了使用不同测量系统进行损耗测量的不确定度,结果表明,使用0.01级的电压和电流互感器配合 Fluke Norma5000型功率分析仪(或性能接近的功率分析仪产品),大型电力变压器损耗测量的不确定度可控制在2%以内,是适合于大型变压器损耗测量的测量系统     

虚拟仪器测量不确定度研究

对虚拟仪器的测量不确定度进行了研究.首先分析了虚拟仪器的结构及工作原理,详细论述了其测量不确定度的来源.着重研究了测量不确定度的评定方法,特别是不确定度分量的估计和合成不确定度的计算.强调了传感器环节带来的不确定度的根本性意义,指出虚拟仪器的B类不确定度必须用标准仪器进行校验.以多次测量取均值测直流电压的实例说明了多次测量取均值会将测量精度大大提高.该方法已经在某低频电参数综合校准设备中应用,验证了其正确性.     

计及不确定性的电力系统电压波动分析方法

针对输电网中新负荷需求和新能源发电出力不确定性带来的电压波动问题,基于电流方程比功率方程非线性程度低、线性化误差小的特点,提出了一种基于注入电流灵敏度的电压波动区间分析方法。该方法有效计及了新负荷有功和无功需求的不确定性以及新能源发电输出功率的不确定性,并采用注入电流灵敏度减小了对潮流方程直接线性化带来的误差,然后利用区间线性方程组高斯消去法进行迭代求解,从而准确快速地得到功率不确定情况下各节点电压的波动区间。通过新英格兰10机39节点系统和某500 kV实际输电网进行仿真分析,并与蒙特卡洛法计算结果进行对比,验证了所提方法的高效性和精确性。     

电网建设项目投资不确定因素分析与对策

电力市场化和电网企业发展方式转变的逐步深化,新能源发电波动性以及外送工程主体的多样化,使得投资决策因素复杂化、不确定影响因素增加和决策主体多元化等新特点,成为电网建设投资项目的评估决策新的问题和挑战。因此,面对这样大的投资规模,在大力发展可再生能源并网的趋势下,重点分析面临的不确定性因素,并给出了相应的应对措施。     

基于稀疏多项式混沌展开的孤岛微电网全局灵敏度分析

随着可再生能源的渗透率和电动汽车的接入比例不断提高,微电网运行的不确定性因素显著增加,准确评估不确定性因素对微电网状态的影响,有利于提高系统的安全稳定运行水平。计及孤岛微电网中的源荷不确定性,构建了孤岛微电网的概率潮流模型,引入了全局灵敏度分析指标,提出了基于稀疏多项式混沌展开的孤岛微电网全局灵敏度分析方法,用于准确、快速地辨识影响系统运行状态的关键输入随机变量。通过对含分布式电源的40节点孤岛微电网系统进行仿真,验证了所提方法的准确性和高效性,分析了源荷不确定性对微电网潮流的影响,获得了输入随机变量的重要性排序结果。     

A new approach combing connection number and fuzzy simulation to calculating power flow of distribution network considering uncertainty

The power flow calculation considering uncertainty is the most basic way for solving the security issue of the system under uncertain conditions. As the renewable energy characterized by randomness and uncertainty, such as wind and solar power, has been applied to the distribution network, it is especially essential to study on power flow of distribution network considering uncertainty. The traditional models of uncertainty have the problem of singleness in expressing uncertainties while the uncertainty objectively shares two or more than two kinds of characteristics. A new model for describing the uncertainties, which combines connection number and fuzzy number and describes the interval quality and fuzziness of uncertain information comprehensively, is presented. Through improving the calculation of sample value and possibility measure, the traditional fuzzy simulation is modified and then applied to the power flow calculation in consideration of wind and solar power output uncertainty and load uncertainty. Two definitions, which are satisfaction index and degree of uncertainty, are introduced to measure the results accuracy with sample number changing and to represent the variation range of uncertain parameters respectively. The proposed model and modified algorithm are verified by case studies based on IEEE 33-bus system. The results are compared with those obtained from Monte Carlo simulation and proved to be correct. In addition, several other numerical examples are presented and discussed in order to achieve the influences of sample number, degree of uncertainty and membership function change on results. Through analysis of the power flow results considering uncertainty, we may find out the weak links of network, which can provide references for making electrical accident premeditation and then adjusting operation scheme.     

考虑不确定性的微网日前经济优化调度区间线性规划方法

微网中的可再生能源发电出力和负荷功率都具有不确定性特征,在微网的经济优化调度中如何考虑这些不确定性因素的影响值得深入研究。为了能够表征微网中的这些不确定性因素,采用区间数学对风速以及光照强度变化的不确定性进行了区间数描述,并结合对负荷不确定性的区间描述,提出了微网日前经济优化调度的区间线性规划模型。然后,结合分时电价,考虑微网与外部电网的电能交换问题,应用CPLEX优化软件结合C++编程实现了区间线性规划求解方法。最后,以微网中储能对系统经济运行的影响分析为例,讨论了考虑可再生能源发电出力和负荷功率的不确定性对优化结果产生的影响。算例结果验证了所提模型和方法良好的鲁棒性能,显示了对不确定性优化问题求解的有效性。