0 引言

    電力系統(tǒng)隨機(jī)生產(chǎn)模擬是在考慮機(jī)組的隨機(jī)故障及電力負(fù)荷隨機(jī)性的情況下，通過模擬和優(yōu)化發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)運(yùn)行，計(jì)算系統(tǒng)在最優(yōu)運(yùn)行方式下不同發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量、可靠性指標(biāo)以及生產(chǎn)成本指標(biāo)等的算法^[1]。當(dāng)前，隨著資源稟賦、環(huán)境污染和氣候問題的日益嚴(yán)峻，以及清潔能源的大規(guī)模發(fā)展，提高了對(duì)時(shí)序性、互動(dòng)性、隨機(jī)性電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬技術(shù)的需求。目前，已有文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[2]圍繞電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬中可再生能源的不確定性問題，通過多場(chǎng)景隨機(jī)規(guī)劃理論反映可再生能源的不確定性，建立了隨機(jī)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型模擬系統(tǒng)運(yùn)行，并采用Benders分解法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]基于序列運(yùn)算，探索了適用于綜合資源規(guī)劃和電力市場(chǎng)的隨機(jī)生產(chǎn)模擬方法，提出了基于序列運(yùn)算理論的隨機(jī)生產(chǎn)模擬。文獻(xiàn)[5]將需求側(cè)的能效電廠納入生產(chǎn)模擬的研究范圍，為電力系統(tǒng)雙向互動(dòng)的生產(chǎn)模擬提供了方向。文獻(xiàn)[6]根據(jù)智能工程理論，用Agent模擬的方法描述機(jī)組和能效電廠，實(shí)現(xiàn)了能效電廠運(yùn)行的電力系統(tǒng)生產(chǎn)Agent模擬，并證明了有效性。

    本文將在以往研究的基礎(chǔ)上，將電力系統(tǒng)分為發(fā)-輸-配-用幾個(gè)環(huán)節(jié)，基于復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)原理，通過供需雙方資源的調(diào)度過程反映電力系統(tǒng)運(yùn)行，以可靠性為約束條件，考慮發(fā)電元件的隨機(jī)性，在可計(jì)及多態(tài)機(jī)組的情況下，建立包含傳統(tǒng)能源和可再生能源的電力系統(tǒng)時(shí)序生產(chǎn)模擬模型，并對(duì)模型進(jìn)行求解。通過模型計(jì)算結(jié)果與電力發(fā)展的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，證明其在電力發(fā)展規(guī)劃和分析研究方面的支撐性作用。

1 復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論

    復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)（Complex Adaptive System，CAS）是指由兩個(gè)以上按照一定規(guī)則或模式進(jìn)行相互作用的行為主體所組成的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)^[7]，具有以下特點(diǎn)：(1)復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)主體(Agent)的主動(dòng)性，即Agent有各自的知識(shí)和目標(biāo)等屬性，由于屬性不同，在相同環(huán)境下不同Agent可能表現(xiàn)出不同的行為方式；(2)復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)認(rèn)為Agent之間，及Agent與環(huán)境之間存在交互、影響、反饋等作用，這些作用的綜合結(jié)果是系統(tǒng)進(jìn)化、演變的動(dòng)力和原因；(3)不同主體通過特定規(guī)則相互聯(lián)系形成系統(tǒng)，而系統(tǒng)又在更宏觀的層面作為“Agent”與其他“Agent”交互成新系統(tǒng)^[8]。一個(gè)基于智能工程的簡(jiǎn)單復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)模型中包含外部環(huán)境、上層系統(tǒng)、協(xié)調(diào)系統(tǒng)和下層系統(tǒng)，這里不同的系統(tǒng)層級(jí)可以是單一Agent，也可以由多個(gè)Agent組成的系統(tǒng)。圖1展示了一個(gè)各部分都由單一Agent組成的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)。

    圖1中，上層系統(tǒng)和下層系統(tǒng)依據(jù)自身的目標(biāo)，按照知識(shí)庫和規(guī)則根據(jù)外部環(huán)境的變化進(jìn)行調(diào)整；協(xié)調(diào)層感知上下兩層的狀態(tài)，若上下兩層中的單個(gè)目標(biāo)超出允許的閾值范圍，協(xié)調(diào)層感知狀態(tài)的變化并協(xié)調(diào)上下兩層進(jìn)行調(diào)整，并將協(xié)調(diào)后的狀態(tài)返回給上下兩層，使其再次進(jìn)行調(diào)整直至整體達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)并將結(jié)果返回給外部環(huán)境，保證整體的向目標(biāo)或最優(yōu)方向進(jìn)化。

2 復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)生產(chǎn)模擬模型

2.1 系統(tǒng)模型

    電力系統(tǒng)運(yùn)行的過程實(shí)際上是供給側(cè)電源系統(tǒng)與需求側(cè)電力負(fù)荷的供需匹配過程。要實(shí)現(xiàn)這一過程需要發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)、電力市場(chǎng)和用戶四個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)配合。因此，基于復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬模型由4個(gè)模塊模擬電力系統(tǒng)功能：發(fā)電企業(yè)模塊、電網(wǎng)企業(yè)模塊、電力市場(chǎng)模塊和用戶需求模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2。

2.1.1 用戶需求模塊

    用戶需求模塊作為其他模塊需要適應(yīng)的外部環(huán)境功能存在，模擬了電力用戶的用電特征和規(guī)律。其核心功能是根據(jù)生產(chǎn)模擬需要為其他模塊提供電力負(fù)荷需求信息，用戶需求模塊的變化是系統(tǒng)發(fā)展的動(dòng)力以及其他模塊產(chǎn)生生產(chǎn)行為的目的。

    本文的生產(chǎn)模擬以小時(shí)為時(shí)間尺度，模擬目標(biāo)年全年8 760小時(shí)為模擬周期。根據(jù)模型的功能要求，電力負(fù)荷變化的特征計(jì)算公式如下：

其中，E為預(yù)測(cè)電量；P為每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的負(fù)荷，P=α×P_max，P_max為系統(tǒng)最大負(fù)荷，α為負(fù)荷的標(biāo)幺值。將最大負(fù)荷和負(fù)荷特征分開，可以方便對(duì)不同周期或時(shí)間跨度的電力系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2.1.2 電力生產(chǎn)模塊

    電力生產(chǎn)模塊模擬不同的發(fā)電機(jī)組，包括：火電、水電、天然氣、風(fēng)電、光伏和核電，其主要功能為計(jì)算和調(diào)整不同機(jī)組的發(fā)電成本并將結(jié)果發(fā)送至其他模塊；根據(jù)可再生能源特征信息生成其各小時(shí)的出力狀態(tài)；最后根據(jù)發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行生產(chǎn)模擬，計(jì)算污染物排放量、可再生能源棄電率等指標(biāo)。具體的機(jī)組報(bào)價(jià)計(jì)算和調(diào)整的原則如下：

    將發(fā)電機(jī)組i每小時(shí)的成本函數(shù)表示為二次函數(shù)，即：

    (1)風(fēng)電

    風(fēng)電的出力呈現(xiàn)隨機(jī)性，本文采用雙參數(shù)的威布爾分布來表述風(fēng)速的概率密度，而風(fēng)機(jī)的出力主要由風(fēng)輪機(jī)輪轂高度處的風(fēng)速來決定，其具體關(guān)系為：

2.1.3 電網(wǎng)調(diào)度模塊

    電網(wǎng)調(diào)度模塊以最小碳排放或最小運(yùn)行成本為目標(biāo)，根據(jù)電力市場(chǎng)模塊計(jì)算的出清價(jià)格以及電力生產(chǎn)模塊共享的機(jī)組裝機(jī)規(guī)模、報(bào)價(jià)，根據(jù)負(fù)荷信息，統(tǒng)計(jì)電力供需情況，安排發(fā)電計(jì)劃；最后根據(jù)電網(wǎng)約束條件，在時(shí)間周期T內(nèi)計(jì)算電力不足概率（Loss of Load Probability，LOLP）和電力不足期望值（Expected Energy Not Served，EENS），計(jì)算公式如下：

2.1.4 電力市場(chǎng)模塊

    電力市場(chǎng)模塊的功能為計(jì)算電力出清價(jià)格及模擬電力輔助服務(wù)市場(chǎng)生成機(jī)組停運(yùn)概率矩陣。在不考慮網(wǎng)絡(luò)約束的平衡交易市場(chǎng)中，用戶以購電成本C最小化為目標(biāo)，即

求導(dǎo)可得拉格朗日乘子λ為用戶購電成本的最小化條件為將其與功率平衡方程聯(lián)立求解可以得到系統(tǒng)的市場(chǎng)出清價(jià)格以及個(gè)發(fā)電廠商的發(fā)電出力。

    電力輔助服務(wù)市場(chǎng)方面，考慮常規(guī)機(jī)組的強(qiáng)迫停運(yùn)，在模擬時(shí)先對(duì)其的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行抽樣，然后通過多次模擬系統(tǒng)運(yùn)行來對(duì)隨機(jī)強(qiáng)迫停運(yùn)進(jìn)行近似模擬，其目標(biāo)函數(shù)如下：

    上述模型的計(jì)算流程如圖3。

3 算例分析

3.1 數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)設(shè)定

    模型通過Java和Python編程實(shí)現(xiàn)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，生產(chǎn)模擬輸入的數(shù)據(jù)中，最大負(fù)荷量、負(fù)荷需求、可再生能源出力特征、不同機(jī)組的初始規(guī)模等需要設(shè)定初始值，成本參數(shù)、補(bǔ)貼參數(shù)、電力生產(chǎn)的排放系數(shù)、機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)等均考慮為常量。

3.1.1 風(fēng)光出力數(shù)據(jù)

    本文從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度出發(fā)，收集不同地區(qū)風(fēng)、光能統(tǒng)計(jì)和歷史數(shù)據(jù)，建立風(fēng)光出力模型。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，以坐標(biāo)軸的橫坐標(biāo)為可再生能源的出力水平，縱坐標(biāo)為出力水平相應(yīng)概率，得到的風(fēng)能/太陽能模擬月度出力特性如圖4。

3.1.2 生產(chǎn)模擬數(shù)據(jù)

    模型考慮的電源機(jī)組類型包括：水電、煤電、天然氣、核電、風(fēng)電和太陽能。根據(jù)2016年中國(guó)的電力結(jié)構(gòu)，其凈發(fā)電量為59 747億千瓦時(shí)，總發(fā)電裝機(jī)容量為165 051萬千瓦，其中，煤電94 624萬千瓦、氣電7 011萬千瓦、水電33 207萬千瓦、風(fēng)電14 747萬千瓦、核電3 364萬千瓦、太陽能7 631萬千瓦。

3.2 計(jì)算結(jié)果

    在2016年裝機(jī)結(jié)構(gòu)下，不同類型機(jī)組的年發(fā)電量、年利用小時(shí)數(shù)模擬與實(shí)際值的對(duì)比結(jié)果，以及年運(yùn)行費(fèi)用結(jié)果如表1。生產(chǎn)模擬計(jì)算的失負(fù)荷小時(shí)數(shù)、失負(fù)荷率、棄電量、棄電率等可靠性指標(biāo)與實(shí)際情況的對(duì)比結(jié)果如表2。 

    2016年的電力裝機(jī)結(jié)構(gòu)下進(jìn)行的8 760小時(shí)的生產(chǎn)模擬并在結(jié)果中分別選取冬季和夏天的典型周模擬結(jié)果顯示如圖5。

3.3 結(jié)果分析

    模擬結(jié)果與實(shí)際年總發(fā)電量的相對(duì)誤差約-5.05%，火電、水電、天然氣、風(fēng)電、太陽能和核電的相對(duì)誤差分別為-16.47%、-17.36%、46.23%%、41.64%、65.51%、-4.14%。同時(shí)，根據(jù)《中國(guó)電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告2017》來看，2016年全國(guó)戶均停電時(shí)間為17.11小時(shí)，供電可靠率為99.81%；而生產(chǎn)模擬結(jié)果中的年度停電時(shí)間為20.23小時(shí)，供電可靠率為99.78%。

    從生產(chǎn)模擬結(jié)果可知，煤電機(jī)組在當(dāng)前的系統(tǒng)中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，煤電出力水平占整體的50%以上?？稍偕茉礂夒姾艽蟪潭壬鲜怯捎谠谪?fù)荷低谷時(shí)段可再生能源出力激增，而其他常規(guī)電源出力已經(jīng)壓低至最小技術(shù)出力，無法給可再生能源提供足夠的消納空間。而失負(fù)荷的原因是由于在負(fù)荷高峰時(shí)，可再生能源出力不足，即使全部常規(guī)電源出力均提高至最大依然無法滿足電力需求。

    模擬結(jié)果反映了當(dāng)前電源結(jié)構(gòu)的幾個(gè)特征：(1)煤電是當(dāng)前電力結(jié)構(gòu)中的主要電源出力形式；(2)電力需求的峰谷差較大，系統(tǒng)靈活性不足，難以單純的依靠調(diào)整電源出力規(guī)模滿足電力需求；(3)傳統(tǒng)電源固定容量占比較大，在負(fù)荷需求較低時(shí)會(huì)擠占可再生能源的消納空間，導(dǎo)致可再生能源棄電。

4 結(jié)論

    本文在復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上建立了電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬模型，并在2016年電源結(jié)構(gòu)的條件下驗(yàn)證模型的電力系統(tǒng)發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量的相對(duì)誤差約4.71%。根據(jù)模型求解結(jié)果顯示，其可以在給定電源結(jié)構(gòu)的情況下對(duì)滿足電力需求的不同機(jī)組類型發(fā)電量、污染物排放量、電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、供電可靠性、可再生能源利用效率等進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

    另外，本研究仍需深入展開如下工作：細(xì)化用戶需求和電網(wǎng)企業(yè)模塊，考慮電力負(fù)荷多樣性的特征，引入電網(wǎng)安全運(yùn)行特征分析；深化電力市場(chǎng)模塊，豐富電力市場(chǎng)交易機(jī)制；而電力企業(yè)模塊中不同機(jī)組的策略選擇單一，多場(chǎng)景方式簡(jiǎn)化模擬可再生能源發(fā)電的合理性也需要進(jìn)一步論證。

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作者信息:

黃  何，梁大鵬

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）