互联电网发展阶段划分研究

田伟1,杨济如2,杨瑾2,高赐威2,曹阳1,马维青3,贾志义3  

1. 中国电力科学研究院有限公司,江苏省 南京市 210003;2. 东南大学电气工程学院,江苏省 南京市 210096;3. 国网山西省电力公司 阳泉供电分公司,山西省 阳泉市 045000

摘要

电网的互联与跨境交易能够促进资源有效配置,其发展阶段的划分能够为各区域与国家的跨境电力交易提供发展方向。因此文中就互联电网的发展阶段划分进行研究,基于调研数据总结电网互联的评价指标,并通过主成分分析提炼关键因素作为发展阶段的特征指标,通过聚合自然划分出六个发展阶段,建立起互联电网发展阶段的划分模型。

关键词 : 互联电网;全球能源互联网;发展阶段;跨境交易

国家电网公司科技项目“面向全球能源互联网的电网调度和交易模式研究”。

0 引言

形成跨区、跨国和洲际间的互联电网、建设能源互联的电力交易市场,有利于通过经济手段促进更大范围的能源流动与互动,实现全球范围内的资源优化配置。在全球化的发展下构建全球能源互联网(global energy interconnection,GEI)也是大势所趋,为了不断推进GEI发展,对于互联电网发展过程的分析必不可少。

目前在许多区域和国家已经发展出不同程度的电力互联交易,例如欧盟国家间的广泛互联、美国与加拿大、墨西哥之间长期的电力交换等。识别影响互联电网的关键因素,评价各电网所处的发展阶段,能够为其加强互联从而构建GEI指明战略性方向。中国对于互联电网的研究较多,文献[1-4]主要介绍了互联电网的可靠性管理、运行控制以及经济运行等技术性情况,文献[5-6]对现存电网的能源、供需和互联情况做出介绍,文献[7]对发展阶段做出划分,然而使用过多指标使得划分发展阶段不明确,并且通过直接建立GEI成熟度模型来划分电网互联发展阶段带有较强的主观性,不能体现GEI发展的客观过程。

因此,本文首先利用对互联电网的调研结果,自下而上地处理,筛选出阶段划分的初级指标,并进行降维处理,抽象出一套新指标以及各指标对应的评价范围。然后利用新指标对各互联电网进行聚合,从而自然得出不同的发展阶段。最终根据聚合结果和指标分析,抓住主要特征划分不同的发展阶段,得到互联电网的阶段划分模型以及不同阶段下继续发展的上升条件。

1 互联电网发展阶段划分指标筛选

1.1 阶段划分指标的初级选取

对现存互联电网所处的发展阶段进行划分,首先要根据电网的互联情况进行指标的初级选取,以作为后续评价的基础。

(1)自然因素主要包括地理环境、经济环境等客观条件,自然因素催生了跨境互联的发展,但无法直接表现出电网的互联情况,因此不作为阶段区分的评定标准,在指标的初级选取中舍弃自然环境因素。

(2)在交易的现状和电网设施方面,交易量和交易覆盖的范围是跨境交易的最直接体现,跨境联络线容量、考虑跨境交易的基础设施建设、网源规划等反映了互联电网的建设情况,可纳入阶段划分的区分标准。

(3)在市场与交易形式方面,一方面考虑电力市场类型、交易平台的建设来评价跨境交易市场是否健康活跃,另一方面根据历史交易情况评价交易电能的质量并给出相应分值。

(4)在机制和法规建设方面,由于跨境电能交易基本是由点到面的发展过程,对跨境交易进行保护与约束的相关法律法规是否健全,可看作互联电网发展阶段的高级指标。

图1 互联电网阶段划分初级指标
Fig. 1 The primary indicators of developmental stages

综上所述,选取如图1所示的互联电网发展阶段初级指标作为基本变量,并对全球现存跨境交易的电网进行基本变量的调研。

1.2 初级指标降维处理

在指标的处理过程中,一方面由于所列出的互联电网发展阶段初级指标包含难以准确量化的指标,另一方面建立多指标评价体系要求指标具备代表性、独立性和全面性,而目前指标之间的相关性使得反映的信息在一定程度上有重叠,且直接使用时维数过高,无法准确处理信息,因此对初级指标作降维处理十分必要。

主成分分析法是一种常用的多元统计方法,可用于互联电网阶段划分中的指标筛选。基本原理是将一个矩阵中的样本数据投影到一个新的空间中,将具有相关性的多重指标通过数学变换转换为另一组不相关的变量,选取方差较大的变量作为主成分,舍弃方差较小、影响力低的变量,从而用较少的主成分来解释原有数据。

在传统的主成分分析法基础上,采用乘权规格化数据的协方差矩阵为计算矩阵,具体步骤如下。

Step 1:构建初级指标体系,经数据采集和基本量化处理后的指标数据集为Xm×n,其中n为指标个数,m为样本个数。

Step 2:用主观赋权法得到各指标的重要性权重:

Step 3:对采集到的互联电网样本数据用标准化方法进行规格化处理,并对规格化数据按列乘权,得到乘权规格化数据Zm×n

Step 4:乘权规格化数据按列排列,求乘权规格化数据的协方差矩阵:

Step 5:由|cov-λIL=0求协方差矩阵的特征根λi、特征向量Li和方差贡献率αi。其中方差贡献率为:

Step 6:根据方差贡献率计算累计方差贡献率,从而确定主成分即新的指标。主成分相当于原有指标的加权和,结合原有初级指标的意义以及指标权重赋予主成分以物理意义,利用降维处理后的主成分作为互联电网发展阶段的划分依据。

1.3 阶段划分指标筛选

选取分布于世界各地的9个电网进行调研,整理并处理上述10个初级指标如表1所示。

表1 初级指标调研处理
Table 1 The primary indicator research

设置权重W将调研数据设为指标数据集X9×10。基于主成分分析法得到各成分方差及方差贡献率如表2所示。

表2 各成分方差及其贡献率
Table 2 The total variance explained

续表

特征值是反映主成分影响力度的指标,一般以1为标准,特征根小于1表示该主成分的影响力度低于初级指标,因此只提取特征值大于1的主成分。从表中可以看到有三个主成分特征值大于1,累计方差贡献率能解释90%以上的方差,因此提取成分1、2和3作为降维处理后的指标,其余成分包含信息较少,故舍去。直接分析提取出三个主成分与初级指标之间的关系,难以抽象出明确的物理意义,因此进行因子的旋转处理来获得更好的解释。旋转成分矩阵如表3所示。

表3 旋转成分矩阵
Table 3 The rotation component matrix

经过因子旋转后各成分的指向变得更明确:成分1主要和基础设施建设水平、跨境交易网源规划、跨境交易平台建设、交易电能质量、法律法规完善度和电力进口量占比呈较高的正相关性;成分2与电力跨境交易覆盖范围、跨境输电线路条数和跨境联络线容量正相关性很高;成分3主要和电力出口量占比呈较高的相关性。忽略调研数据涉及广泛造成的部分数据不准确,可以归纳如下:

主成分1为“跨境交易配套设施水平”,主要体现电网对于跨境交易的市场建设、机制构建、法律保障等因素,是互联电网发展到高级水平时的表现形式,作为阶段划分的第一指标。

主成分2为“跨境输电线路建设”,主要体现与其他电网之间的实际线路建设情况,是发展长期互联时的表现形式,作为第二指标。

主成分3为“跨境交易量”,主要体现目前已经与其他电网的交易情况,作为第三指标。

这三个主成分可以反映基本变量的90.355%,因此可以作为互联电网发展阶段的划分指标。采用回归方法计算各成分F与基本变量X之间的关系表达式如下:

2 互联电网发展阶段划分

互联电网发展阶段的划分旨在从实践出发,分析现有电网的实例,找出这一必然的发展规律,理清电网互联从形成到成熟的发展过程和阶段上升的条件,为处于较低发展阶段的电网提供发展方向。

基于对样本电网各指标状态的调研,将具备相似特征的电网划归为同一类别,作为发展的一个阶段,从而得到互联电网发展阶段划分的结果。在阶段未定、特征未知的情况下,可以利用聚类分析方法将发展处于同一层次的电网进行自然归类,然后通过对各指标的描述划分出同一阶段样本的共同特征,从而通过自下而上的方式建立起互联电网发展阶段的划分模型。

2.1 发展阶段划分

最短距离法分类,是指求出未知类别向量到要识别各类别代表向量中心点的距离,并将未知类别向量归属于距离最小一类的一种图像分类方法。其表达式如下:

式中,Fik表示第i个样本的第k个主成分指标观测值,dij表示第i个样本和第j个样本之间的欧氏距离。

利用抽取出的3个综合指标组成新的样本数据集Y10×3,对样本电网进行聚类分析,得到分类结果如图2所示。

图2 聚类结果
Fig. 2 The result of clustering analysis

可见能够较为清晰地划分出6个聚类,其特征如表4所示。

表4 聚类结果分析
Table 4 The clusters and characteristics

2.2 互联电网发展阶段划分模型

根据分类结果和所呈现出的特征,可以将互联电网发展阶段划分为6个阶段:起步阶段、初级阶段、快速发展阶段、发展阶段、较成熟阶段、成熟阶段,经过这6个阶段的发展最终实现全球电网互联成一个整体,共同达到完全成熟阶段。

(1)起步阶段

处于起步阶段的区域往往存在跨境交易,但主要是由于本国供应不能满足需求而引起的电力进口,或是由于产能过剩而不得不出口电力。起步阶段的电网特征在于,尽管存在交易,但通常是为解决本国电力问题,而不是为了电力扩张的自发性行为。因此主要依靠与其互联的其他国家电网进行互联建设,本身电力设施建设差,机制建设不完善,不能与交易相匹配。

蒙古电网是典型的起步阶段互联电网,蒙古国能源丰富,发展潜力大,但是电网基础建设水平不高,近年来用电量飞速增长,供需难以平衡。目前在中方的对接下,与中国新疆、内蒙古电网之间建设多条输电线路以解困境。

(2)初级阶段

处于发展的初级阶段的区域,存在一定的跨境交易,各方面建设一般,交易量小。处于初级阶段的电网特征在于本国电力一般不存在太大问题,发展速度较缓,跨境交易主动性不强,主要由他国引导合作。

墨西哥电力行业发展受到经济发展状况的影响,自身增长缓慢,对外跨境输电意愿不是很强烈。目前主要与邻近的美国、加拿大进行电力交换,2015年与美国共同建设跨境风电场。可认为墨西哥电网处于初级阶段。

(3)快速发展阶段

快速发展阶段的互联电网已有长期合作的跨境交易,各方面建设尚可,跨境交易量较高。处于快速发展阶段的电网特征是互联积极性强,并且存在较强的发展势头,在发展互联电网方面相对活跃,处于一个蓬勃发展的时期。

东南亚各国电网正处于较快的发展阶段,新加坡、老挝、泰国和马来西亚等国家近年来持续推进多项电能交易项目,并成立东盟国家互联电网(APE)。根据规划,APE分为3个分区,北部分区为大湄公河次区域国家,东部分区为跨婆罗洲电网,西部分区为印尼、马来西亚和新加坡。规划提出了47项跨境互联工程,目前已建工程11项,在建工程13项,已规划工程23项。其中,已建工程11项,主要是马来西亚到新加坡、泰国到马来西亚、泰国到老挝、老挝到越南、越南到柬埔寨、泰国到柬埔寨等。已建、在建和规划项目多达几十项,因此将东南亚地区的电网划归为快速发展阶段。

(4)发展阶段

发展阶段的互联电网跨境交易量相对于快速发展阶段多,已经经过发展的黄金期,发展速度逐渐放缓。

加拿大地处北美,与美国、墨西哥发展互联电网,跨境交易量较多,可认为加拿大电网处于发展阶段。

(5)较成熟阶段

较成熟阶段的区域跨境交易的主动性很强,进行中和已规划的跨境电力交易多,其特征在于,线路、配套设施、机制、市场的建设先行于交易量,发展较为完善,交易量较高。较成熟阶段与发展阶段之间的区别在于设施建设更加完备,相应市场、法规等高阶指标的完成度更高。

中国表示,实现国家间电网互联互通技术条件已基本具备,目前已与东南亚、中亚吉尔吉斯斯坦、东北亚俄罗斯、蒙古等周边国家建成跨国输电通道,未来还将在新能源、储能、大电网运行控制等领域大力推进技术创新,实现更大突破,各参与国之间实现技术共享。由于对外跨境输电范围广泛、潜力丰富、配套设施完善,并且有着长期跨境交易经验,属于较成熟阶段。

(6)成熟阶段

成熟阶段的区域形成长期稳定的跨境交易,各方面发展完善,交易量很高。

欧洲电网由于政治、经济、文化、历史等多方面因素,在方方面面形成了一个较为紧密的整体。由于资源的限制、用电的需求,除了冰岛和塞浦路斯以外的34个欧洲国家组成了ENTSO-E。截至2013年底,欧洲电网220 kV及以上输电线路总长度约30.75 万km,电网总装机容量约10.07 亿kW,发电量3.35 万亿kWh,用电量约为3.31 万亿kWh,服务人口约5.04 亿。各成员国间交换电量约为3873 亿kWh,达到用电量的12%。在长期互联下,欧洲电网已经达到了成熟阶段。

2.3 互联电网发展阶段上升条件

基于上述互联电网发展阶段的划分以及对不可量化的基本变量的综合分析,得出各阶段发展上升的条件。阶段上升的各要素与关键活动如表5所示。

表5 发展阶段上升条件
Table 5 Rising conditions of the developmental stages

3 结论

互联电网的发展将促进跨境电力交易市场的发展,对于其发展阶段的划分能够在方向上对互联电网的建设进行指导。本文研究互联电网的发展阶段划分,得出以下主要结论:

(1)通过调研分析筛选电网互联的基本表现因素,并分析得出代表互联电网各阶段特征的关键指标。

(2)利用指标和聚类分析方法对各电网进行自然的分类,从而将互联电网的发展划分为起步、初级、快速发展、发展、较成熟、成熟6个阶段。

(3)通过不同阶段的特征分析得出发展阶段上升条件和关键活动,为互联电网乃至全球能源互联网的发展提供理论依据。

参考文献

[1] 王先甲,李湘姣. 互联电网中电力交易的合作对策模型[J].电力系统自动化,2000,24(19):21-24.Wang Xianjia, Li Xiangjiao. The Cooperative Game Model for Electricity Transaction in Interconnected Power Network[J].Automation of Electric Power Systems, 2000, 24(19): 21-24(in Chinese).

[2] 雷晓蒙,刘舫,周剑,等. 欧盟国家统一电力市场化改革分析[J]. 电网技术,2014,38(2):431-439.Lei Xiaomeng, Liu Fang, Zhou Jian, et al. Analysis on the Internal Electricity Market Reform of EU Countries[J]. Power System Technology, 2014, 38(2): 431-439(in Chinese).

[3] 何金定,谢一工,朱欣春,等. 对越送电调度工作难点及相应对策[J]. 电网技术,2010,34(5):185-189.He Jinding, Xie Yigong, Zhu Xinchun, et al. Difficulties of Transnational Power Dispatching in Power Transmission from China to Vietnam and Corresponding Countermeasures[J].Power System Technology, 2010, 34(5):185-189(in Chinese).

[4] 程海花,郑亚先,耿建,等. 基于拓展网络流方法的跨区跨省交易路径优化[J]. 电力系统自动化,2016,40(9):129-134.Cheng Haihua, Zheng Yaxian, Geng Jian, et al. Path Optimization Model of Trans-regional and Trans-provincial Electricity Trade Based on Expand Network Flow[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(9):129-134(in Chinese).

[5] 宋卫东. 世界跨国互联电网现状及发展趋势[J]. 电力技术经济,2009,21(5):62-67.Song Weidong. Present Situations and Development Trends of the Transnational Interconnected Electric Systems[J]. Electric Power Technologic Economics, 2009, 21(5): 62-67(in Chinese).

[6] 李晓露,宋燕敏,唐春童,等. 全球能源互联网的跨境电力交易市场成熟度模型研究[J]. 电力信息与通信技术,2017,15(3):7-13.Li Xiaolu, Song Yanmin, Tang Chuntong, et al. Study on Cross-Border Electricity Trading Maturity Model for Global Energy Interconnection[J]. Electric Power Information &Communication Technology, 2017, 15(3): 7-13(in Chinese).

[7] Chou C H, Hsieh S C, Qiu C J. Hybrid genetic algorithm and fuzzy clustering for bankruptcy prediction[M]. Elsevier Science Publishers B. V. 2017.

The Division of Developmental Stages of Interconnected Grids

TIAN Wei1, YANG Ji-ru 2, YANG Jin 2, GAO Ci-wei 2 , GAO Yang 1 , MA Wei-qing3, JIA Zhi-yi3
(1. China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Nanjing 210003, Jiangsu Province, China;2. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China;3. State Grid Yangquan Power Supply Company, Yangquan 045000, Shanxi Province, China)

Abstract: The development of the interconnected grids and cross-border transactions can promote the effective allocation of resources. The division of the developmental stage of regional and national cross-border energy transactions will point out a developing direction. Therefore, this paper studies the division of developmental stages of interconnected grids. This paper summarizes the evaluating indicators of the grid interconnection based on research data and analyzes key factors as characteristic indicators through the principal component analysis. Through clustering analysis, the interconnected grids are divided into six developmental stages, and the division model of developmental stages is established. Furthermore, the rising conditions of each stage are given.

Keywords: interconnected grid; global energy interconnection;developmental stages; cross-border transactions


Project supported by Science and Technology Foundation of SGCC “Research on Grid Dispatching and Transaction Mode for Global Energy Interconnection”.


作者简介:

田伟

田伟(1985),女,工程师,主要研究方向为智能电网、智能调度等。E-mail:tian-wei@epri.sgcc.com.cn。

杨济如(1994),女,硕士研究生,主要研究方向为电力需求侧管理、能源互联等。

(责任编辑 张鹏)

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