面向能源互联网的电力系统时空多维规划及运营模式研究

“十三五”时期是我国小康社会建设的决胜期、全面深化改革的攻坚期。而电力是关系国计民生的基础产业,电力供应和安全事关国家安全战略,事关社会经济发展全局。电力发展,规划先行。在此背景下,2016年11月7日,国家发改委、国家能源局正式发布了《电力发展“十三五”规划》,内容涵盖了核电、水电、煤电、气电、风电、太阳能发电、输配电网建设等方方面面,为电力工业的发展提供了基本遵循。然而,能源互联网等新技术、新理念的发展将使电力系统物理架构、信息交互方式、电力市场运营模式发生改变,给传统电力系统规划和运营工作带来了新挑战。对此,本文建立了一套面向能源互联网的电力系统时空多维规划方法及市场运营模式,旨在回答:什么是能源互联网?能源互联网将给电力系统规划和运营带来哪些影响及挑战?如何从不同维度来应对?应该设计怎样的配套机制?希望通过回答这些问题,为未来电力系统相关工作提供新思路、新方法、新工具。本文的主要工作总结如下:首先,提出了能源互联网的演化过程及其对电力系统的影响。从能源互联网提出的背景和意义出发,明确了能源互联网的定义、特征和基本架构,重点剖析了能源互联网物理层、信息层、市场层三个层级的架构元素,刻画了能源互联网市场从微观层级到市场层级再到多市场层级的演化过程和市场体系,重点提出了能源互联网交易的五个特点、三类产品和三种基本交易模式。结合传统电力系统规划和运营面临的瓶颈及不足,明确了能源互联网的发展给电力系统规划和市场运营带来的时间维度、空间维度、多能源系统维度、市场运营角度等多方面的影响,并提出了改进思路,为提出面向能源互联网的电力系统规划方法和运营模式奠定理论基础。其次,基于能源互联网给电力系统带来的影响分析,分别从时间维度、空间维度、多能源系统维度提出了面向能源互联网的电力系统规划方法。在时间维度上,结合能源互联网的多阶段特性、博弈形态和系统清洁低碳化要求,基于Stackelberg博弈理论提出了以社会福利最大化为主目标,运行阶段个体收益最大化和规划阶段发电商总体收益最大化为辅目标,重点关注主体博弈、系统低碳特性和可再生能源发电的电力系统源-网多阶段协调规划模型及求解算法。在空间维度上,鉴于能源自平衡单元内规划与系统多自平衡单元之间规划存在着主从递阶关系,根据双层规划模型设计原理,首次提出了面向能源互联网的电力系统多区域综合规划模型:上层模型以系统可靠性最大为目标,以RMI为评判指标,下层模型以自平衡单元成本最小化为目标,上层和下层优化规划存在耦合迭代特征。在多能源系统维度上,通过扩展自平衡单元的能源组件将多能源自平衡单元从电力系统扩展到多能源综合系统,基于不同能源子系统特征,以综合成本最小化为目标构建了天然气网络设施规划模型、电动汽车充电设施规划模型、电力系统网源规划模型。寻求天然气网络、交通网络、电力系统的耦合点,首次将三个系统模型整合形成面向能源互联网的综合能源系统规划模型,使其能在统一框架下实现优化规划;同时,三个系统模型与总模型之间有反馈机制,当总模型方案无法满足子系统模型时将进行重置,并利用改进的Garver测试系统验证了模型的有效性。第三,针对传统电力系统规划评价体系与新电力系统规划方法不匹配的、不适用的问题,提出了面向能源互联网的电力系统规划综合效益评价方法。结合能源互联网框架下电力系统规划需要体现的特点和要求,借助系统动力学揭示了面向能源互联网的电力系统规划所带来的综合效益增益内在逻辑。在此基础上,从规划的清洁低碳效益、经济效益、智能高效效益和安全稳定效益四个指标维度,设计并建立了面向能源互联网电力系统规划综合效益评价指标体系及指标的数学表达,并采用改进ELECTRE算法求解面向能源互联网的电力系统规划综合效益评价问题,以提升评价体系在实际工作中的适用性。第四,为了保证在能源互联网环境下,规划结果能够与市场运营更好的衔接,本文对面向能源互联网的电力市场运营模式展开了研究。通过总结电力市场化改革措施、刻画改革后的电力市场架构,结合能源互联网的基本特征和交易特点,从市场主体、交易模式、市场结构、市场监管四个方面设计了面向能源互联网的电力市场运营模式。此外,为保障电力市场健康有序高效发展和运营,提出了面向能源互联网的电力市场监管模式及保障措施,明确了在能源互联网背景下电力市场监管的基本原则、监管重点和保障措施。