當(dāng)前世界范圍內(nèi)能源轉(zhuǎn)型加速，國家電網(wǎng)公司也提出建設(shè)具有中國特色國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)是承接國家能源安全新戰(zhàn)略，推動(dòng)電網(wǎng)和發(fā)展高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。在新時(shí)代和新戰(zhàn)略下，對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識(shí)也需要不斷深化。國網(wǎng)能源院能源互聯(lián)網(wǎng)研究所聚焦于能源互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論、綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化與市場機(jī)制、能源電力轉(zhuǎn)型發(fā)展、能源互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)新元素、城市智慧能源系統(tǒng)等領(lǐng)域開展了深入研究。本專欄圍繞能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵問題，從理論研究、模型方法和經(jīng)驗(yàn)實(shí)踐等方面展開，結(jié)合相關(guān)成果和研究思考與讀者進(jìn)行交流分享。
文章導(dǎo)讀：源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化是能源電力高質(zhì)量發(fā)展的前沿趨勢(shì)，也是能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要特征，需求側(cè)資源和儲(chǔ)能將逐漸成為電力系統(tǒng)中的重要元素。國網(wǎng)能源院能源互聯(lián)網(wǎng)研究所構(gòu)建了電力系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型，自主開發(fā)了程序代碼，支撐了《中國能源電力發(fā)展展望》及多個(gè)項(xiàng)目研究工作。本文從模型功能、模型構(gòu)成、程序開發(fā)、模型應(yīng)用等方面對(duì)該模型進(jìn)行簡介，希望同感興趣的讀者進(jìn)行交流共享。
電力系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型介紹
執(zhí)筆人：張寧
國網(wǎng)能源院
能源互聯(lián)網(wǎng)研究所
一、模型功能
國網(wǎng)能源院能源互聯(lián)網(wǎng)研究所構(gòu)建了電力系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型，自主開發(fā)了程序代碼，能夠?qū)σ?guī)劃期內(nèi)中國各區(qū)域各類電源、輸電通道、需求側(cè)資源、儲(chǔ)能等電力系統(tǒng)各個(gè)部分進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，得到電力系統(tǒng)整體最優(yōu)發(fā)展路徑。求解方式為通過建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，將規(guī)劃期內(nèi)各年份各區(qū)域各類源網(wǎng)荷儲(chǔ)元素的發(fā)展規(guī)模設(shè)為待求解變量，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)與約束條件，通過計(jì)算機(jī)編程的方式，求得一組滿足各項(xiàng)約束條件、且使得目標(biāo)函數(shù)值最小的解。
模型主要輸入包括：
● 規(guī)劃期內(nèi)逐年各區(qū)域各類電源裝機(jī)成本、運(yùn)行成本及補(bǔ)貼水平
● 各類電源電力平衡貢獻(xiàn)置信系數(shù)、利用小時(shí)范圍、最大調(diào)峰深度、爬坡速率、二氧化碳和主要污染物排放系數(shù)
● 碳排放外部成本
● 逐年各類電源存量機(jī)組退役容量
● 逐年各跨區(qū)輸電通道建設(shè)成本
● 各跨區(qū)輸電通道輸電功率變化范圍、線損率
● 逐年各區(qū)域內(nèi)部平均輸配電線損率
● 逐年各區(qū)域電量需求、最大負(fù)荷、負(fù)荷峰谷差
● 逐年各區(qū)域需求側(cè)資源激勵(lì)成本
● 各區(qū)域需求側(cè)資源的峰荷同時(shí)率、等效利用小時(shí)
● 逐年各區(qū)域各類儲(chǔ)能建設(shè)成本
● 各類儲(chǔ)能的充放電效率、SOC范圍、峰荷同時(shí)率
● 規(guī)劃期起始年各區(qū)域各類電源、跨區(qū)輸電通道、需求側(cè)資源和儲(chǔ)能的已有容量
● 各區(qū)域各類電源、跨區(qū)輸電通道、需求側(cè)資源和儲(chǔ)能的發(fā)展規(guī)模上限
● 清潔能源發(fā)電裝機(jī)占比、發(fā)電量占比等發(fā)展目標(biāo)
● 折現(xiàn)率
模型主要輸出包括：
● 規(guī)劃期內(nèi)逐年各區(qū)域各類電源裝機(jī)容量
● 逐年各跨區(qū)輸電通道容量
● 逐年各區(qū)域需求側(cè)資源容量
● 逐年各區(qū)域儲(chǔ)能裝機(jī)容量
● 逐年系統(tǒng)建設(shè)成本及運(yùn)行成本
● 逐年系統(tǒng)二氧化碳及主要污染物排放
二、模型構(gòu)成
作為非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃問題，該模型由目標(biāo)函數(shù)和約束條件構(gòu)成。
目標(biāo)函數(shù)方面，是使規(guī)劃期內(nèi)系統(tǒng)總成本凈現(xiàn)值最小化，包括電源建設(shè)成本、電網(wǎng)建設(shè)成本、需求側(cè)資源利用成本、儲(chǔ)能裝機(jī)成本、系統(tǒng)運(yùn)行成本與排放成本。
約束條件方面，包括各區(qū)域電力平衡約束、電量平衡約束、調(diào)峰能力約束、調(diào)節(jié)速率約束、輸電容量約束、輸電電量約束、源網(wǎng)荷儲(chǔ)各類元素?cái)U(kuò)展規(guī)模約束、清潔能源占比約束、二氧化碳和主要污染物排放約束等十余類約束。其中，為適應(yīng)高比例新能源發(fā)展，確保電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力與新能源發(fā)展規(guī)模相適應(yīng)，減少因系統(tǒng)對(duì)新能源接納能力不足導(dǎo)致的棄風(fēng)、棄光問題，在規(guī)劃模型中加入了調(diào)峰容量約束與調(diào)節(jié)速率約束。
圖1 源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型示意圖
三、程序開發(fā)
基于國際頂尖數(shù)學(xué)優(yōu)化建模開發(fā)環(huán)境GAMS完成模型程序開發(fā)，全部代碼為院研究人員自主編寫。目前基于中國區(qū)域尺度的規(guī)劃應(yīng)用中，模型程序包括總計(jì)10000余個(gè)公式，7000余個(gè)決策變量和53000余個(gè)非零參數(shù)。
圖2 源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型GAMS程序運(yùn)行截圖
四、模型應(yīng)用
支撐開展《中國能源電力發(fā)展展望》研究，用于中長期分區(qū)域源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各類元素優(yōu)化發(fā)展規(guī)模展望分析，模型部分代表性求解結(jié)果如下所示。支撐開展《全球能源研究統(tǒng)一平臺(tái)模型體系研究與系統(tǒng)研發(fā)》，用于電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)規(guī)劃模塊開發(fā)。支撐《智庫研究平臺(tái)全領(lǐng)域一體化仿真方法與實(shí)用技術(shù)研究》《能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)決策支撐關(guān)鍵模型研發(fā)》等國網(wǎng)公司科技項(xiàng)目推進(jìn)。支撐與IRENA聯(lián)合報(bào)告《Electrification with Renewables》編寫。相關(guān)成果曾獲得中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國能源研究會(huì)能源創(chuàng)新獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)、國家電網(wǎng)公司軟科學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
圖3 電氣化加速情景下2019—2050年全國各類
電源裝機(jī)容量
圖4 電氣化加速情景下2019—2050年全國各類
電源發(fā)電量
圖5 電氣化加速情景2035年電力流示意圖
圖6 電氣化加速情景下規(guī)劃期內(nèi)需求響應(yīng)發(fā)展情況
圖7 電氣化加速情景下規(guī)劃期內(nèi)新型儲(chǔ)能發(fā)展情況
專家介紹
張寧，國網(wǎng)能源院能源互聯(lián)網(wǎng)研究所高級(jí)研究員，電力系統(tǒng)自動(dòng)化專業(yè)博士，高級(jí)工程師。主要從事能源電力規(guī)劃、能源轉(zhuǎn)型、能源互聯(lián)網(wǎng)、綜合能源等領(lǐng)域研究。發(fā)表SCI、EI檢索論文30余篇，其中一作一區(qū)SCI4篇，一作SCI論文他引200余次，擔(dān)任《Energy》等20余個(gè)SCI期刊審稿人。主筆《中國能源電力發(fā)展展望》等著作，參編國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)。曾獲行業(yè)級(jí)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)，國家電網(wǎng)公司特等獎(jiǎng)、一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。
團(tuán)隊(duì)簡介：國網(wǎng)能源院能源互聯(lián)網(wǎng)研究所（簡稱互聯(lián)網(wǎng)所）于2015年7月份成立，主要負(fù)責(zé)能源互聯(lián)網(wǎng)市場分析及技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究、能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展政策與戰(zhàn)略規(guī)劃研究、綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行、城市智慧能源系統(tǒng)研究、綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)發(fā)展及市場分析、國際能源政策及戰(zhàn)略研究等?；ヂ?lián)網(wǎng)所內(nèi)設(shè)國際能源政策研究室、物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)研究室、綜合能源研究室，共有19名員工，平均年齡34歲，其中博士12人，具有高級(jí)職稱14人，專業(yè)覆蓋電氣工程及其自動(dòng)化、經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境科學(xué)與工程、法學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等。曾多次獲得“國家電網(wǎng)公司先進(jìn)集體”、“國家電網(wǎng)公司先進(jìn)班組”、“國網(wǎng)能源院先進(jìn)集體”、“先進(jìn)黨支部”以及“課題攻關(guān)黨員創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”等稱號(hào)。
