電力系統(tǒng)調度可靠性評估指標的選擇

電力系統(tǒng)調度可靠性評估指標的選擇

0運行可靠性評估

大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，供電市場化改革的不斷完善，特別是近年來國內(nèi)外頻繁

發(fā)生的大規(guī)模停電事故，給電網(wǎng)的安全運行帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。如何評估電力系統(tǒng)在不確

定性環(huán)境下的運行可靠性,實現(xiàn)基于運行可靠性的電力系統(tǒng)調度決策和控制J,是亟需解決的

問題。

目前,電力系統(tǒng)運行可靠性［1,2,3,4,5,6,7,8,9,10］的研究已成為關注的熱點,在元件條件

相依和時間相依的可靠性模型、狀態(tài)篩選、狀態(tài)后果分析、指標體系等方面-取得了許多

成果，涵蓋了運行可靠性評估的.主要內(nèi)容。運行可靠性評估的最終目標是輔助運行人員進

行調度決策，因此制定合理的決策依據(jù)至關重要。然而,常用的可靠性指標如期望缺供電量

(EENS)等卻難以直接作為決策判斷的依據(jù)，一個可行的解決思路是研究可靠性的價值，將可

靠性量化為經(jīng)濟指標。但目前電力系統(tǒng)可靠性價值方面的研究成果主要集中在如何準確估

計停電損失，用以研究電網(wǎng)中長期規(guī)劃的投資成本和可靠性效益的協(xié)調問題,沒有從運行的

角度綜合考慮運行可靠性的成本和價值。在運行的時間框架內(nèi)，文獻研究了電力系統(tǒng)的安

全價值,綜合計算了運行成本和停也損失,但沒有考慮元件和系統(tǒng)的可靠性隨時間變化的特

性，也沒有考慮運行備用響應特性這一影響系統(tǒng)運行可靠性的重要因素。文獻研究了旋轉

備用響應特性對系統(tǒng)可靠性的影響，但僅限于發(fā)電系統(tǒng),沒有考慮輸電網(wǎng)的約束。

針對以上問題，本文提出了電力系統(tǒng)運行可靠性成本價值的概念和指標，建立了發(fā)輸電系統(tǒng)

運行可靠性成本價值評估的模型和算法,實現(xiàn)了運行可靠性成本和效益的綜合評價,提出了

以期望社會成本最小作為決策依據(jù)，為運行人員選擇最優(yōu)調度方案提供了有力工具。

1運行可靠性與運行成本的關系

電力系統(tǒng)的基本功能就是按可接受的質量標準和所需數(shù)量持續(xù)、經(jīng)濟地向電力用戶供應電

能。電力系統(tǒng)可靠性的價值就是連續(xù)供電的價值。

在運行的時間框架內(nèi)，從電力公司的角度來講,在考慮各種擾動情況下付出的系統(tǒng)期望運行

成本可以認為是維持運行可靠性所需的成本;從用戶的角度來講，提高系統(tǒng)運行可靠性帶來

的效益表現(xiàn)為期望停電損失的減少，這就是運行可靠性的價值所在。一般而言，系統(tǒng)運行可

靠性水平越高,系統(tǒng)運行成本就越高,而停電損失就越小。無論是從市場化還是資源節(jié)約的

角度出發(fā)，都應當協(xié)調運行可靠性的成本和效益。

電力系統(tǒng)運行可靠性成本價值評估與中長期規(guī)劃可靠性成本價值評估相比,其最重要的特

征在于考慮的時間尺度較短，這決定了它必須考慮時間相依的元件可靠性模型以及運行備

用響應特性等因素的影響。兩者在研究目標、研究內(nèi)容等方面存在較大差別，如表1所示。

2系統(tǒng)運行可靠性與綜合評估

本文用所有機組的期望運行成本來評估系統(tǒng)運行可靠性成本,用所有負荷節(jié)點的期望停電

損失來評估系統(tǒng)運行可靠性價值,用兩者之和即整個電力系統(tǒng)運行產(chǎn)生的期望社會成本來

綜合評估運行可靠性的成本和價值。運行可靠性成本價值評估的基本任務就是評估當前運

行方式在未來t時刻的期望瞬時社會成本和時段t內(nèi)產(chǎn)生的期望社會成本，以下定義了瞬

時和時段2類指標來表征系統(tǒng)運行可靠性及其成本價值。

2.1發(fā)電機bi

系統(tǒng)在未來t時刻的運行可靠性期望瞬時運行成本CETOC、期望瞬時停電損失ETIC、期望

瞬時社會成本CETSC和期望缺供電力QEDNS的計算公式為：

CETOC(t)=EieNGEkeSPk(t)FGi(PGik(t))(1)ETIC(t)=EieNDEkeSPk(t)F

Li(Lik(t))(2)CETSC(t)=CETOC(t)+ETIC(t)(3)QEDNS(t)=EieNDEkeSPk(t)Li

k(t)(4)

式中:S為時刻t可能出現(xiàn)的所有狀態(tài)的集合;NG為所有發(fā)電機集合;ND為所有負荷節(jié)點集

合:PGik(t)為t時刻系統(tǒng)處于狀態(tài)k時發(fā)電機i的有功出力：Lik(t)為t.時刻系統(tǒng)處于狀

態(tài)k時負荷母線i的切負荷量;FGi(?)為發(fā)電機i的運行成本函數(shù);FLi(?)為負荷母線i

的停電損失函數(shù)。

2.2運行成本函數(shù)

系統(tǒng)在未來t時段內(nèi)的運行可靠性運行期望成本CEOC、期望停電損失CE1C、期望社會成

本CESC和期望缺供電量GEENS的計算公式為：

CEOC=/tOEieNGEkeSPk(i)FGi(PGik(T))di(5)

CEIC=/tOLiGNDLkeSPk(i)FLi(Lik(i))dT(6)CESC=CEOC+CEIC(7)QEENS=ft

OEieNDEkeSPk(T)lik(T)dx(8)

為簡化分析起見,本文運行成本函數(shù)僅考慮了如式(9)所示的發(fā)電成本，電力市場化環(huán)境下

可計及更多因素,本文不做深入探討。

FGi(PGik(t))=PGik(t)CMi(9)

式中:CMi為發(fā)電機i的單位發(fā)電成本。

停電損失函數(shù)的計算如下：

FCi(Lik(t))=Lik(t)PIEARi(lO)

式中：PIEARi為負荷節(jié)點i的停電損失評價率,可通過問卷調查等方法獲得。

3可靠性成本價值評價模型和算法的實施

3.1線路等元件可靠性模型

為評估電力系統(tǒng)在未來t時刻的運行可靠性成本價值,必須建立時間相關的元件狀態(tài)概率

模型。本文采用基于齊次Markov過程的元件瞬時狀態(tài)概率來完整描述元件的可靠性模型。

普通發(fā)電機、變壓器和線路等元件的可靠性模型采用兩狀態(tài)Markov模型。設元件停運率

為入，修復率為口，如果元件初始時刻處于工作狀態(tài)，則t時刻處于停運狀態(tài)的狀態(tài)概率

pf(t)為：

pf(t)=X,X+ji-XX+ue-(X+p)t(ll)

事故備用機組如快速啟動機組、熱備用機組等的可靠性模型也采用瞬時概率模型。

t時刻系統(tǒng)處于狀態(tài)k的瞬時概率Pk(t)為：

Pk(t)=nni=l(pfi(t))xi(1-pfi(t))1-xi(12)

式中：n為系統(tǒng)元件個數(shù);xi為元件i在t時刻的狀態(tài),xi=l表示停運狀態(tài),xi=0表示運行

狀態(tài);pfi⑴為元件i在t時刻處于停運狀態(tài)的概率。

3.2運行可靠性價值評估

設系統(tǒng)元件總數(shù)為n,且每個元件僅有2個狀態(tài),理論上需要枚舉分析2n個系統(tǒng)狀態(tài),對于

大系統(tǒng)會出現(xiàn)維數(shù)災問題,實際上,不可能也沒有必要進行全狀態(tài)空間的枚舉和分析,只要

使得指標的精度達到一定的要求即可。

為篩選出較大概率的狀態(tài):運行可靠性價值評估采用了快速排序技術,該方法能按狀態(tài)概率

的大小順序排列出足夠多的系統(tǒng)狀態(tài)。本文以式(13)所示ETIC精度指標是否滿足給定值

作為狀態(tài)空間截斷的條件,指標公式的推導過程詳見附錄Ao

E*TIC(t)=ETIC(t)ETIC(t)+(l-EkeSPk(t))LisNDFLi(PDi)(13)

式中:S為已選系統(tǒng)狀態(tài)的集合;PDi為母線i的有功負荷。

本文算例中以E*TIC(t)>90%作為狀態(tài)空間截斷條件。

3.3機組出力約束

運行可靠性價值評估的狀態(tài)后果分析采用基于交流潮流靈敏度分析的校止控制策略。若出

現(xiàn)發(fā)電不平衡、線路潮流越限或母線電壓越限，則采取校正控制措施,計算出發(fā)電出力和切

負荷量。校正控制策略不僅考慮了輸電網(wǎng)約束，即網(wǎng)絡潮流方程約束、線路潮流約束和母

線電壓約束,還考慮了機組響應特性約束，即

PGiminWPGiWPGimaxi￡NG(14)

式中:PGimin和PGimax分別為發(fā)電機i的出力PGi的下限和上限。

式(14)反映了系統(tǒng)從當前狀態(tài)轉移到其他狀態(tài)的機組出力約束。

與系統(tǒng)同步的旋轉備用機組,其響應出力的增加是爬坡過程,t時刻機組i的最大出力

PGimax為：

PGimax={min{PCi,PGiO+RiTM)TMmin{PCi,PGiO+Rit}t<TM(15)

式中:PCi為機組i的額定容量;PGiO為機組初始時刻的有功出力;Ri為機組響應速度:TM

為系統(tǒng)調度部門規(guī)定的備用響應極限時間，通常為10mino

3.4評估算法

運行可靠性成本價值評估算法流程見圖1,其中求取式⑸?式(8)的時段指標采用了離散化

的方法,將預測時間t劃分為足夠小的m個區(qū)間。

4運行可靠性成本價值評估

IEEERTS-79系統(tǒng)的總裝機容量為3405MW,負荷為2850MW,機組響應速率數(shù)據(jù)見文獻，

機組發(fā)電機成本數(shù)據(jù)及節(jié)點PIEARi數(shù)據(jù)見文獻。由于原系統(tǒng)給出的是規(guī)劃系統(tǒng)數(shù)據(jù)，投入

所有機組后使發(fā)電備用為16.3%,實際系統(tǒng)的運行中，出于經(jīng)濟性考慮,不會將所有備用都作

為運行備用開啟。為更加符合實際系統(tǒng)的運行情況，將系統(tǒng)運行備用調整為3.68%,系統(tǒng)容

量為2955MW,即停運21號母線400MW機組和22號母線50MW機組。

本文以最優(yōu)旋轉備用分配方案的選擇來說明運行可靠性成本價值評估的應用。算例中預測

時間都取為60min,并將其離散化為20個區(qū)間進行計算。

以下給出3個待選的旋轉備用分配方案：

方案1：將系統(tǒng)負荷按發(fā)電機額定容量等比例分配到各臺機組；

方案2:18號母線容量為400MW的機組承擔系統(tǒng)旋轉備用，其他機組均滿載。

方案3:1號母線承擔20MW、2號母線承擔20MW、13號母線承擔20MW、15號母線承擔

10MW的旋轉備用，其他機組均滿載。

圖2為方案1運行可靠性成本價值瞬時指標隨預測時間的變化曲線。隨著預測時間的增加,

由于元件的停運概率不斷增大，導致同一切負荷狀態(tài)的概率增大，因而QEDNS和ETIC指標

呈上升趨勢；而停運的發(fā)電機不再計入系統(tǒng)運行成本，故CETOC指標略微下降;總的期望瞬

時社會成本CETSC仍然呈上升趨勢。表2列出了各時段指標。

方案2和方案3的評估結果見表2。對比3種運行方案可知:方案2的運行可靠性最低，期

望運行成本和社會成本最宓;方案3運行可靠性最高,且期望運行成本和社會成本最低。評

估結果說明，僅用1臺機組作為旋轉備用的運行方式無論從可靠性方面還是經(jīng)濟性方面進

行比較,都不如多臺機組同時承擔旋轉備用；但若所有機組都承擔旋轉備用，不僅運行費用

會增加,而且由于機組爬坡速度的影響,其可靠性不一定最高。

若采用規(guī)劃可靠性的評估方法,不考慮旋轉備用的響應特性,3種運行方式下計算出的

QMNS指標都是1.0335皿,無法正確區(qū)分出各種運行方式的運行可靠性水平及其成本價

值。綜上所述,根據(jù)期望社會成本最小的決策原則，最優(yōu)的備選方案為方案3。

5運行可靠性成本價