本发明涉及一种新能源规划技术领域，特别是关于一种提升电力系统安全运行水平的新能源富集电网电源规划方法及系统。
背景技术：
近年来，新能源的开发和利用取得了跨越式发展，大力推动清洁替代和环境替代，风电、光伏等新能源持续大规模高速发展在一定程度上缓解了能源危机和环境污染问题。但是清洁能源规模剧增带来的是传统发电的规模下降，其中火电等具有较强系统支撑能力的电源类型越来越少，系统安全稳定运行风险逐日升高。因此，亟需一种在规划之初就兼顾保障电网安全稳定水平和新能源电力消纳的电源规划方法，实现系统安全与系能源消纳水平的同步提高。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的是提供一种新能源富集电网电源规划方法及系统，其能有效提升电力系统安全运行水平。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种新能源富集电网电源规划方法，其包括：第一阶段规划处理和第二阶段规划处理；所述第一阶段规划处理是基于电力系统安全稳定运行为前提的电源规划方法：基于规划网架结构，将线路或断面潮流最大作为优化目标，满足电压、频率运行约束条件，对网络元件进行n-1，n-2稳定校核，形成满足电力系统安全稳定要求的电源规划方案；所述第二阶段规划处理是在第一阶段电源规划成立的基础上，通过建立各类电源等效替代关系，对电源布局规划中不同类型电源的配置位置及配置数量进行优化，然后针对所选电源布局规划方案，以运行成本最小为目标函数，以资源约束、负荷需求及机组出力特性、运行成本特征为边界约束，进行电力电量平衡机新能源消纳水平分析，形成最优的布局方案。
进一步，所述第一阶段规划处理的电源规划方法包括以下步骤：
10.1)基于预先选定的运行方式，设置新能源开机出力水平和负荷水平；
10.2)提升线路或断面潮流；
10.3)设定约束条件，对全网n-1、n-2进行故障扫描；
10.4)判断，是否出现电压或频率越限情况；若出现，则对电压薄弱点进行分电压等级排序，进入步骤10.5)，并优先对高电压等级电网中的电压薄弱节点新增规划电源，分析能源禀赋、建设运行成本，以低成本为最优；
若未出现，则将线路或断面潮流提升5％，直至区外受电达到最大限值，线路或断面潮流无法上涨，输出电源规划方案；
10.5)薄弱点电源规划，根据扫描存在的问题类别，若是单纯的电压越限的问题，则优先规划动态无功设备；若是仅出现频率越限，或电压与频率同时越限的问题，则在薄弱点优先规划具有转动惯量的水电、光热、火电以及核电电源；
10.6)结合资源量、电源实际接入系统情况、机组自身调节特性进行横向对比，以故障后稳态电压恢复水平和系统频率偏差作为校核标准，建立各电源替代关系，形成包含规划电源的新电网系统，返回步骤10.3)；
10.7)根据电源替代关系，以清洁能源优先、低造价成本优先，在满足系统稳定要求的情况下选取结果最优的电源规划方案。
进一步，所述步骤10.2)中，根据目标年电网情况，基于预设的运行方式安排并按照设定原则优化区域内线路和断面的输电能力。
进一步，所述运行方式安排中，光伏发电出力pw按照历史装最高出力水平的80％设置，风电发电出力ppv按照历史最高出力水平的50％设置，水力发电出力phydro按照枯期水利资源情况设置开机水平，火力、热力发电出力pthermal按照冬季供热负荷需求保证最小开机水平；负荷选取为系统内最大负荷，跨区外送直流按照规划年最大输送功率选取；运行方式设置如下：
式中，ppvmax是光伏历史最高出力；pwmax是风电历史最高出力；rhyrdo是本地区枯期水利资源，fhydro是根据水利资源计算水电机组出力水平的函数；pl是负荷功率，fthermal是根据负荷功率折算供热需求功率的函数。
进一步，以断面输电能力最大为目标函数进行优化，目标函数为：
式中，plinei表示第i个线路或断面的传输功率。
进一步，所述步骤10.3)中，约束条件为：
式中，ui表示节点电压，ui0表示故障前该节点的稳态电压；f0表示故障前的系统稳态频率，f表示表示故障后系统稳态频。
进一步，所述第二阶段规划处理的基于电力电量平衡的电源规划评估方法包括以下步骤：
20.1)加入通过第一阶段规划处理得出的规划新增电源；
20.2)输入规划年份各新能源电源装机规模，从历年其中随机选取一年的各新能源8760小时出力标幺值曲线，分别对应相乘得到规划年份新能源出力曲线；
20.3)输入规划年份系统负荷规模，选取最近一年的负荷8760小时标幺值曲线，相乘得到规划年份负荷曲线；
20.4)设置各电源机组、线路、断面的外特性参数以及各类机组分时段运行成本；
20.5)进行逐日生产模拟。
20.6)根据逐日生产运行模拟结果，结合规划地区弃电水平要求，校验新能源弃电水平，若新能源弃电率低于5％或预先设定值，则不作进一步调整，输出储能规划方案；若新能源弃电率高于5％或预先设定值，则规划新增储能电源，其储能功率和容量按照对应方法进行选取，返回步骤20.5)。
进一步，所述步骤20.3)中，根据最近一年的8760小时负荷标幺值曲线近似作为目标年份负荷曲线，乘以目标年份负荷总量，得出规划目标年份的8760小时实际负荷曲线。
进一步，所述步骤20.5)中，设置边界条件，以运行成本最低为优化目标进行逐日生产运行模拟；
所述边界条件包括电源发电功率约束、线路和断面交换功率约束，以及区域内部电力和电量平衡约束；
目标函数为：
其中，pkm表示电源k在第时段发电功率，ckm表示电源k在第m小时的综合运行成本；
约束条件为：
式中，pk表示电源k的功率，pint表示区外受入功率，pl为负荷功率；tk，tint，tl分别为电源k、区外受入和负荷的等效运行时间。
一种新能源富集电网电源规划系统，其包括：第一阶段规划处理模块和第二阶段规划处理模块；
所述第一阶段规划处理模块基于规划网架结构，将线路或断面潮流最大作为优化目标，满足电压、频率运行约束条件，对网络元件进行n-1，n-2稳定校核，形成满足电力系统安全稳定要求的电源规划方案；
所述第二阶段规划处理模块是在第一阶段电源规划成立的基础上，通过建立各类电源等效替代关系，对电源布局规划中不同类型电源的配置位置及配置数量进行优化，然后针对所选电源布局规划方案，以运行成本最小为目标函数，以资源约束、负荷需求及机组出力特性、运行成本特征为边界约束，进行电力电量平衡机新能源消纳水平分析，形成最优的布局方案。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用制约故障遍历的方式，针对电压稳定的无功电源补强和针对功角稳定的高转动惯量的电源优化，以系统安全稳定为约束，生成最优电源组合。2、本发明能提高系统安全稳定运行水平和降低新能源弃电水平的储能电站规划方法，有效降低了新能源弃电量，提高了网内新能源外送能力。
附图说明
图1是本发明的第一阶段规划处理流程示意图。
图2是本发明的第二阶段规划处理流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的第一实施方式中，提供一种新能源富集电网电源规划方法，其包括第一阶段规划处理和第二阶段规划处理。第一阶段规划处理是基于电力系统安全稳定运行为前提的电源规划方法：基于规划网架结构，将线路或断面潮流最大作为优化目标，满足电压、频率等运行约束条件，对关键网络元件进行n-1，n-2稳定校核，形成满足电力系统安全稳定要求的电源规划方案。第二阶段规划处理是在第一阶段电源规划成立的基础上，以提高新能源消纳能力的储能电源规划：通过建立各类电源等效替代关系，对电源布局规划中不同类型电源的配置位置及配置数量进行优化，然后针对所选电源布局规划方案，以运行成本最小为目标函数，以资源约束、负荷需求及机组出力特性、运行成本等特征为边界约束，进行电力电量平衡机新能源消纳水平分析，形成最优的布局方案。
如图1所示，第一阶段规划处理的电源规划方法包括以下步骤：
10.1)基于预先选定的运行方式，设置新能源开机出力水平和负荷水平；
将规划电网目标年份的风电、光伏等新能源计划装机布置在对应地区电网，将预测负荷作为边界条件计入对应地区电网，完成规划线路或改接线路等网架结构变化设置；
10.2)提升线路或断面潮流；
根据目标年电网情况，基于预设的运行方式安排并按照设定原则优化区域内线路和断面的输电能力；
其中，运行方式安排中，光伏发电出力pw按照历史装最高出力水平的80％设置，风电发电出力ppv按照历史最高出力水平的50％设置，水力发电出力phydro按照枯期水利资源情况设置开机水平，火力、热力发电出力pthermal按照冬季供热负荷需求保证最小开机水平。负荷选取为系统内最大负荷；跨区外送直流按照规划年最大输送功率选取。运行方式设置如下：
式中，ppvmax是光伏历史最高出力；pwmax是风电历史最高出力；rhyrdo是本地区枯期水利资源，fhydro是根据水利资源计算水电机组出力水平的函数；pl是负荷功率，fthermal是根据负荷功率折算供热需求功率的函数。
以断面输电能力最大为目标函数进行优化，目标函数为：
式中，plinei表示第i个线路或断面的传输功率。
10.3)设定约束条件，对全网n-1、n-2进行故障扫描；
考虑系统电压、频率约束，以故障后节点电压恢复至故障前0.9pu以上，稳态系统频率偏差不超过0.1hz为约束条件。通过机电暂态仿真，对全网线路、变压器等元件进行n-1、n-2故障校核。约束条件为：
式中，ui表示节点电压，ui0表示故障前该节点的稳态电压；f0表示故障前的系统稳态频率，f表示故障后系统稳态频率。
10.4)判断，是否出现电压或频率越限情况；
若出现，则对电压薄弱点进行分电压等级排序，进入步骤10.5)，并优先对高电压等级电网中的电压薄弱节点新增规划电源，分析能源禀赋、建设运行成本，以低成本为最优。
若未出现，则将线路或断面潮流提升5％，直至区外受电达到最大限值，线路或断面潮流无法上涨，输出电源规划方案。
10.5)薄弱点电源规划，根据扫描存在的问题类别，若是单纯的电压越限的问题，则优先规划新增调相机或svg等动态无功设备；若是仅出现频率越限，或电压与频率同时越限的问题，则在薄弱点优先规划具有转动惯量的水电、光热、火电以及核电等电源。
10.6)结合资源量、电源实际接入系统情况、机组自身调节特性进行横向对比，以故障后稳态电压恢复水平和系统频率偏差作为校核标准，建立各电源替代关系，形成包含规划电源的新电网系统，返回步骤10.3)。
10.7)根据电源替代关系，以清洁能源优先、低造价成本优先，在满足系统稳定要求的情况下选取结果最优的电源规划方案。
上述各步骤中，电源规划先后顺序以水电、光热等清洁能源优先，火电、燃气等传统能源其次。其中水电、光热等电源受周边地理位置和周边资源禀赋制约，在电源规划中作为决定性因素，若条件不满足，则一票否决，不再根据成本造价进行进一步比选。
上述各步骤中，规划电源的接入系统方式需按照通常情况进行设计，如火电、水电可接入220kv或更高电压等级，而光热等电源一般考虑其装机容量较小，接入330kv或以下电网。不同电源类型、接入点及接入电压等级对节点电压和系统频率的提升效果不同，可以据此建立电源替代关系，并结合实际资源禀赋、建设成本合理规划新增电源组合。
本发明的第一阶段规划处理方法是结合机电仿真，将不同类型电源的实际接入系统方式纳入考虑，尤其是对于节点电压和系统频率约束。一般的电源规划没有将电压、频率约束作为电源规划的先决约束条件，而仅是作为系统校核的一个步骤。
如图2所示，第二阶段规划处理的基于电力电量平衡的电源规划评估方法包括以下步骤：
20.1)加入通过第一阶段规划处理得出的规划新增电源；
20.2)输入规划年份各新能源电源装机规模，从历年其中随机选取一年的各新能源8760小时出力标幺值曲线，分别对应相乘得到规划年份新能源出力曲线；
具体为：对于每日的出力曲线，从历年其中随机选取一年的出力曲线作为目标年份该日的出力曲线，依次应用至年内365日。根据该随机选取拟合的8760小时出力标幺值曲线，分别乘以各自类型电源的装机规模，拟合得出规划目标年份的新能源8760小时实际出力曲线。
20.3)输入规划年份系统负荷规模，选取最近一年的负荷8760小时标幺值曲线，相乘得到规划年份负荷曲线；
具体为：根据最近一年的8760小时负荷标幺值曲线近似作为目标年份负荷曲线，乘以目标年份负荷总量，得出规划目标年份的8760小时实际负荷曲线。
根据最近一年区外断面功率交换的8760小时标幺值曲线，乘以本区内目标年与最近一年的负荷总量比值，得出目标年份区外断面功率交换的8760小时实际出力曲线。
20.4)设置各电源机组、线路、断面的外特性参数以及各类机组分时段运行成本等；其中，外特性参数包括最大、最小功率限值等；
将新增规划电源外特性参数纳入考虑，若机组为风电或光伏，则参照同地区其他出力曲线设置，若为火电、水电，则按照机组外特性曲线进行设置，同时设置新增规划电源的运行成本参数。
20.5)进行逐日生产模拟。
具体为：设置边界条件，以运行成本最低为优化目标进行逐日生产运行模拟。边界条件包括电源发电功率约束、线路和断面交换功率约束，以及区域内部电力和电量平衡约束。
目标函数为：
其中，pkm表示电源k在第时段发电功率，ckm表示电源k在第m小时的综合运行成本。
约束条件为：
式中，pk表示电源k的功率，pint表示区外受入功率(受入为 )，pl为负荷功率；tk，tint，tl分别为电源k、区外受入和负荷的等效运行时间。
在约束条件中，系统层面上任意时刻的发电加上区外断面受入功率之和需大于等于用电负荷功率、全年所有时段的发电和区外受入电量之和需大于负荷电量。此外，各发电机和线路功率需在允许的范围内。
20.6)根据逐日生产运行模拟结果，结合规划地区弃电水平要求，校验新能源弃电水平，若新能源弃电率低于5％或预先设定值，则不作进一步调整，输出储能规划方案；若新能源弃电率高于5％或预先设定值，则规划新增储能电源，其储能功率和容量按照对应方法进行选取，返回步骤20.5)；
具体为：在得到逐日生产运行模拟结果之后，其各类电源的全年利用小时数均会发生变化，清洁能源弃电水平可能会一定程度上升高。若如新增规划电源为火电、水电、核电等机组，由于其开机状态下的最小出力要求，导致在电量平衡方面需要压缩新能源的上网电量，导致清洁能源弃电水平上升。若新增规划电源为光热、抽水蓄能等机组，由于其具备一定的储热、蓄水的储能功能，在其储能容量允许的情况下进行储能，则会降低清洁能源的弃电水平下降；若其储能容量已储满时系统内已然电力富裕，则会在原本清洁能能源弃电的基础上，进一步增加该规划新增电源的弃电电力，导致系统弃电水平上升。
在得到新增规划电源后的电力电量平衡结果，以新能源弃电率不高于5％作为评价标准，也可结合不同地区实际情况进行设置弃电率。若平衡结果显示弃电率高于要求标准，则在系统内规划新增储能电源，储能电站的额定功率按照日均弃电电力选取(无弃电情况下弃电电力取0)，储能的额定容量按照日均弃电电量选取。规划新增储能按照其建设运行成本最低为目标进行配置。配置后重新进行电力电联平衡分析，若仍不满足要求，则储能功率和容量增加10％，重复校核，直至满足要求。
在本发明的第二实施方式中，提供一种新能源富集电网电源规划系统，其包括：第一阶段规划处理模块和第二阶段规划处理模块；
第一阶段规划处理模块基于规划网架结构，将线路或断面潮流最大作为优化目标，满足电压、频率运行约束条件，对网络元件进行n-1，n-2稳定校核，形成满足电力系统安全稳定要求的电源规划方案；
第二阶段规划处理模块是在第一阶段电源规划成立的基础上，通过建立各类电源等效替代关系，对电源布局规划中不同类型电源的配置位置及配置数量进行优化，然后针对所选电源布局规划方案，以运行成本最小为目标函数，以资源约束、负荷需求及机组出力特性、运行成本特征为边界约束，进行电力电量平衡机新能源消纳水平分析，形成最优的布局方案。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
1.一种新能源富集电网电源规划方法，其特征在于，包括：第一阶段规划处理和第二阶段规划处理；所述第一阶段规划处理是基于电力系统安全稳定运行为前提的电源规划方法：基于规划网架结构，将线路或断面潮流最大作为优化目标，满足电压、频率运行约束条件，对网络元件进行n-1，n-2稳定校核，形成满足电力系统安全稳定要求的电源规划方案；所述第二阶段规划处理是在第一阶段电源规划成立的基础上，通过建立各类电源等效替代关系，对电源布局规划中不同类型电源的配置位置及配置数量进行优化，然后针对所选电源布局规划方案，以运行成本最小为目标函数，以资源约束、负荷需求及机组出力特性、运行成本特征为边界约束，进行电力电量平衡机新能源消纳水平分析，形成最优的布局方案。
2.如权利要求1所述规划方法，其特征在于，所述第一阶段规划处理的电源规划方法包括以下步骤：
10.1)基于预先选定的运行方式，设置新能源开机出力水平和负荷水平；
10.2)提升线路或断面潮流；
10.3)设定约束条件，对全网n-1、n-2进行故障扫描；
10.4)判断，是否出现电压或频率越限情况；若出现，则对电压薄弱点进行分电压等级排序，进入步骤10.5)，并优先对高电压等级电网中的电压薄弱节点新增规划电源，分析能源禀赋、建设运行成本，以低成本为最优；
若未出现，则将线路或断面潮流提升5％，直至区外受电达到最大限值，线路或断面潮流无法上涨，输出电源规划方案；
10.5)薄弱点电源规划，根据扫描存在的问题类别，若是单纯的电压越限的问题，则优先规划动态无功设备；若是仅出现频率越限，或电压与频率同时越限的问题，则在薄弱点优先规划具有转动惯量的水电、光热、火电以及核电电源；
10.6)结合资源量、电源实际接入系统情况、机组自身调节特性进行横向对比，以故障后稳态电压恢复水平和系统频率偏差作为校核标准，建立各电源替代关系，形成包含规划电源的新电网系统，返回步骤10.3)；
10.7)根据电源替代关系，以清洁能源优先、低造价成本优先，在满足系统稳定要求的情况下选取结果最优的电源规划方案。
3.如权利要求2所述规划方法，其特征在于，所述步骤10.2)中，根据目标年电网情况，基于预设的运行方式安排并按照设定原则优化区域内线路和断面的输电能力。
4.如权利要求3所述规划方法，其特征在于，所述运行方式安排中，光伏发电出力pw按照历史装最高出力水平的80％设置，风电发电出力ppv按照历史最高出力水平的50％设置，水力发电出力phydro按照枯期水利资源情况设置开机水平，火力、热力发电出力pthermal按照冬季供热负荷需求保证最小开机水平；负荷选取为系统内最大负荷，跨区外送直流按照规划年最大输送功率选取；运行方式设置如下：
式中，ppvmax是光伏历史最高出力；pwmax是风电历史最高出力；rhyrdo是本地区枯期水利资源，fhydro是根据水利资源计算水电机组出力水平的函数；pl是负荷功率，fthermal是根据负荷功率折算供热需求功率的函数。
5.如权利要求4所述规划方法，其特征在于，以断面输电能力最大为目标函数进行优化，目标函数为：
式中，
6.如权利要求2所述规划方法，其特征在于，所述步骤10.3)中，约束条件为：
式中，ui表示节点电压，ui0表示故障前该节点的稳态电压；f0表示故障前的系统稳态频率，f表示表示故障后系统稳态频。
7.如权利要求1至6任一项所述规划方法，其特征在于，所述第二阶段规划处理的基于电力电量平衡的电源规划评估方法包括以下步骤：
20.1)加入通过第一阶段规划处理得出的规划新增电源；
20.2)输入规划年份各新能源电源装机规模，从历年其中随机选取一年的各新能源8760小时出力标幺值曲线，分别对应相乘得到规划年份新能源出力曲线；
20.3)输入规划年份系统负荷规模，选取最近一年的负荷8760小时标幺值曲线，相乘得到规划年份负荷曲线；
20.4)设置各电源机组、线路、断面的外特性参数以及各类机组分时段运行成本；
20.5)进行逐日生产模拟。
20.6)根据逐日生产运行模拟结果，结合规划地区弃电水平要求，校验新能源弃电水平，若新能源弃电率低于5％或预先设定值，则不作进一步调整，输出储能规划方案；若新能源弃电率高于5％或预先设定值，则规划新增储能电源，其储能功率和容量按照对应方法进行选取，返回步骤20.5)。
8.如权利要求7所述规划方法，其特征在于，所述步骤20.3)中，根据最近一年的8760小时负荷标幺值曲线近似作为目标年份负荷曲线，乘以目标年份负荷总量，得出规划目标年份的8760小时实际负荷曲线。
9.如权利要求7所述规划方法，其特征在于，所述步骤20.5)中，设置边界条件，以运行成本最低为优化目标进行逐日生产运行模拟；
所述边界条件包括电源发电功率约束、线路和断面交换功率约束，以及区域内部电力和电量平衡约束；
目标函数为：
其中，pkm表示电源k在第时段发电功率，ckm表示电源k在第m小时的综合运行成本；
约束条件为：
式中，pk表示电源k的功率，pint表示区外受入功率，pl为负荷功率；tk，tint，tl分别为电源k、区外受入和负荷的等效运行时间。
10.一种新能源富集电网电源规划系统，其特征在于，包括：第一阶段规划处理模块和第二阶段规划处理模块；
所述第一阶段规划处理模块基于规划网架结构，将线路或断面潮流最大作为优化目标，满足电压、频率运行约束条件，对网络元件进行n-1，n-2稳定校核，形成满足电力系统安全稳定要求的电源规划方案；
所述第二阶段规划处理模块是在第一阶段电源规划成立的基础上，通过建立各类电源等效替代关系，对电源布局规划中不同类型电源的配置位置及配置数量进行优化，然后针对所选电源布局规划方案，以运行成本最小为目标函数，以资源约束、负荷需求及机组出力特性、运行成本特征为边界约束，进行电力电量平衡机新能源消纳水平分析，形成最优的布局方案。
技术总结