電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性-電源規(guī)劃

多類型新能源發(fā)電綜合消納的關(guān)鍵技術(shù)電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性電源規(guī)劃與電力電量平衡2021/5/91本節(jié)提綱2021/5/92第一節(jié)概述一、電源結(jié)構(gòu)二、各類發(fā)電站的特性三、電力電量平衡2021/5/93一、電源結(jié)構(gòu)電源結(jié)構(gòu)就是指在電力系統(tǒng)中各種類型的電廠之間的發(fā)展比例。電力系統(tǒng)電源凝汽式燃煤火電廠熱電廠水電廠常規(guī)電源新興電源抽水蓄能水電站地?zé)岢毕娬撅L(fēng)能核能電站2021/5/94影響電源結(jié)構(gòu)的因素

受各地區(qū)動(dòng)力資源儲(chǔ)量及開發(fā)條件等制約。電力系統(tǒng)中電、熱負(fù)荷增長(zhǎng)速度和分布情況對(duì)各種資源的開發(fā)有很大影響。各種電源本身的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響。2021/5/95確定合理的電源結(jié)構(gòu)的原則和做法在確定電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該遵循我國(guó)電力建設(shè)的有關(guān)方針政策，在以煤炭為基礎(chǔ)的常規(guī)能源中，優(yōu)先發(fā)展水電，核電積極起步和建設(shè)的方針。大力發(fā)展可再生能源。電源規(guī)劃中，合理的選擇各類電源的做法：根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果，確定各規(guī)劃水平年電力系統(tǒng)所需要的總裝機(jī)容量；根據(jù)規(guī)劃區(qū)內(nèi)動(dòng)力資源情況和負(fù)荷分布情況、可能發(fā)展速度及增長(zhǎng)需要，選擇具備建主電廠條件的電廠廠址。要優(yōu)先確定下那些具有防洪、灌溉、航運(yùn)等綜合利用的水利樞紐用來(lái)發(fā)電的容量，對(duì)于現(xiàn)有的有條件擴(kuò)建的電廠，應(yīng)在技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的基礎(chǔ)上確定其合理的擴(kuò)建規(guī)模；以及根據(jù)熱負(fù)荷情況確定的熱電廠的容量。2021/5/96合理確定各種電廠在系統(tǒng)工作中的地位由于各類電廠的工作特性不同，因而他們?cè)谌肇?fù)荷曲線上所承擔(dān)的任務(wù)也不同。我們將電源也對(duì)應(yīng)的分為三類即承擔(dān)基荷的電源、承擔(dān)腰荷的電源以及承擔(dān)峰荷的電源。2021/5/97峰荷電源腰荷電源（1）抽水蓄能水電（6）不完全年調(diào)節(jié)水電（2）燃?xì)廨敊C(jī)組（7）經(jīng)濟(jì)性較高的火電（3）日調(diào)節(jié)水電（4）多年調(diào)節(jié)水電（5）不經(jīng)濟(jì)火電（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（8）（9）（10）（11）P6121824t(h)0各類電源在負(fù)荷曲線中的工作位置基荷電源（8）經(jīng)濟(jì)性較高的火電（9）熱電廠（10）核能電廠（11）徑流式水電2021/5/98二、各類發(fā)電站的特性按照發(fā)電站的工作狀況，可以分為：基荷發(fā)電站：核電站、大型凝汽式電站、徑流式水電站等；腰荷發(fā)電站：中型凝汽式電站，部分水電站；峰荷發(fā)電站：水電站、抽水蓄能電站、小型凝汽式電站、燃汽輪機(jī)電站等。2021/5/991、火電站火電站背壓式機(jī)組抽壓式機(jī)組凝氣式火電站（燃煤式火電站）供熱式火電站（熱電站）按汽輪機(jī)分出力穩(wěn)定、最小出力限制40-80%啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)，出力調(diào)節(jié)慢跟蹤速率1%-5%。額定容量是經(jīng)濟(jì)性好。盡可能承擔(dān)穩(wěn)定負(fù)荷，必要時(shí)可參與調(diào)峰，并可參與二次調(diào)頻。無(wú)熱負(fù)荷不發(fā)電，以熱定電；主要向電力用戶和工業(yè)企業(yè)低通低壓蒸汽與凝汽式相似，中間可抽氣1-2次，抽氣量可調(diào)，不供熱時(shí)與凝汽式運(yùn)行特性一致。2021/5/9102.燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠主要設(shè)備有燃?xì)廨啓C(jī)、燃燒室、發(fā)電機(jī)燃料噴嘴射泵、各種換熱器和冷卻裝置。燃料與壓縮空氣在燃燒室內(nèi)混合、燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)饨?jīng)燃?xì)鈬娮熳兂筛嬖V氣流推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，做功后的燃?xì)饨?jīng)煙囪排入大氣。設(shè)備簡(jiǎn)單、占地少、基建時(shí)間短、造價(jià)低；污染少，噪聲輕。燃亮為液體或氣體，價(jià)格高，因此發(fā)電成本高，電價(jià)高。在無(wú)外電源的情況下可迅速冷態(tài)啟動(dòng)，一般2-2-分鐘可滿載并網(wǎng)，因此廣泛用于承擔(dān)電網(wǎng)高峰負(fù)荷和做事故備用。2021/5/9113、常規(guī)水電廠1）壩式（見圖3-1-5）壩后式水電站：廠房建在壩下游，不承受上游水壓，高壩劉家峽、豐滿河床式水電站：廠房成為擋水建筑的一部分，低壩獲取水頭富春江、葛洲壩圖3-1-5壩式水電站(a)壩式水電站(b)河床式水電站1—抬高后的水位；2—原河；3—壩；4—廠房水力發(fā)電是利用天然水流的水能來(lái)生產(chǎn)電能，其發(fā)電功率與河流的落差及流量有關(guān)。根據(jù)開發(fā)河段的水文、地形、地質(zhì)等自然條件，水電站可分為以下三類壩式水電站往往形成較大的水庫(kù)，因而能進(jìn)行流量調(diào)節(jié)（徑流調(diào)節(jié)）。發(fā)電出力能比較好地符合電力系統(tǒng)的要求當(dāng)不能形成徑流調(diào)節(jié)所需的較大水庫(kù)時(shí)，則只能按天然流量發(fā)電，稱為徑流式水電站。

2021/5/912圖3-1-6引水式水電站(a)無(wú)壓引水式水電站(b)有壓引水式水電站1—引水道；2—原河；3—能坡線；4—廠房2）引水式（見圖3-1-6）無(wú)壓引水式水電站：沿岸修筑坡降平緩的明渠或無(wú)壓隧道來(lái)集中落差有壓引水式水電站：用有壓隧道或管道來(lái)集中落差引水式水電站不會(huì)形成水庫(kù)，多為徑流式水電站。天生橋水電站位于廣西隆林各族自治縣原祥播鄉(xiāng)、椏杈鎮(zhèn)與貴州省安龍縣德臥鎮(zhèn)接壤處南盤江的雷公灘段峽谷上。2021/5/9133）混合式（見圖3-1-7）圖3-1-7混合式水電站1—壩；2—引水道；3—廠房；4—能坡線大部分混合式水電站可以進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)。河段ABC有落差HAC。BC段上不宜建壩，但落差HBC可以利用。

獅子灘水電站位于重慶市長(zhǎng)壽區(qū)長(zhǎng)壽湖鎮(zhèn)。建在新中國(guó)第一條梯級(jí)開發(fā)的河流--龍溪河，是我國(guó)第一個(gè)五年計(jì)劃重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。由蘇聯(lián)支援建設(shè)。電站興建于1954年,建成于1957年。第一臺(tái)機(jī)組于1956年10月1日并網(wǎng)發(fā)電,電站原裝有4臺(tái)單機(jī)容量為12MW的水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)年均發(fā)電量為2.06億kW．h。2021/5/9143）梯級(jí)式開發(fā)水電站圖3-1-7混合式水電站1—壩；2—引水道；3—廠房；4—能坡線通常建在落差過(guò)大或淹沒(méi)損失過(guò)多的河流，或技術(shù)經(jīng)濟(jì)不合適集中開發(fā)時(shí)采用。獅子灘水電站位于重慶市長(zhǎng)壽區(qū)長(zhǎng)壽湖鎮(zhèn)。建在新中國(guó)第一條梯級(jí)開發(fā)的河流--龍溪河，是我國(guó)第一個(gè)五年計(jì)劃重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。由蘇聯(lián)支援建設(shè)。電站興建于1954年,建成于1957年。第一臺(tái)機(jī)組于1956年10月1日并網(wǎng)發(fā)電,電站原裝有4臺(tái)單機(jī)容量為12MW的水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)年均發(fā)電量為2.06億kW．h。2021/5/915水電站的運(yùn)行特性水電站最突出的運(yùn)行特性是其出力和發(fā)電量隨天然徑流量的情況而變化。水電站有時(shí)還可能由于水頭太低，使水輪發(fā)電機(jī)達(dá)不到其額定出力。水電站的另一特點(diǎn)是啟停機(jī)迅速方便。水電站適合在電力系統(tǒng)擔(dān)任調(diào)峰和調(diào)頻任務(wù)。水電站的運(yùn)行費(fèi)用幾乎與生產(chǎn)的電量無(wú)關(guān)。2021/5/916水電站的容量裝機(jī)容量重復(fù)容量：水電廠為了利用季節(jié)性電能，節(jié)省火點(diǎn)燃了二額外增加的裝機(jī)容量，這部分容量只在豐水期發(fā)電，其余時(shí)間不能利用。不參與電力平衡。預(yù)想出力：由于水文條件限制某一時(shí)段的最大出力。受阻容量：額定-預(yù)想出力保證出力：枯水期的平均出力。強(qiáng)迫出力：由于下游用水量必須的最小出力。2021/5/917水電廠的運(yùn)行方式盡可能充分利用水資源。有調(diào)節(jié)能力的水電廠枯水期調(diào)峰，豐水期防止棄水，基荷；無(wú)調(diào)節(jié)能力：基荷；日調(diào)節(jié)：峰荷和腰荷；年調(diào)節(jié)：峰、腰、基荷；多年調(diào)節(jié)：基本上全年在峰荷工作?？梢宰龆握{(diào)頻和負(fù)荷備用。工作容量計(jì)算：2021/5/9184、抽水蓄能電站-填谷調(diào)峰按其運(yùn)行周期可以分為：日抽水蓄能：以日為運(yùn)行周期；周抽水蓄能：以周為運(yùn)行周期；季抽水蓄能：將汛期多余水量抽蓄到上水庫(kù)里，供枯水期增加發(fā)電量。

日抽水蓄能電站的工作情況2021/5/919抽水蓄能電站特性—唯一的填谷調(diào)峰電源運(yùn)行靈活、可靠，主要用來(lái)調(diào)峰填谷（全停到滿載5min，抽滿8min）擔(dān)任系統(tǒng)備用容量擔(dān)任系統(tǒng)調(diào)頻任務(wù)擔(dān)任調(diào)相任務(wù)使水電站更好地發(fā)揮綜合利用效益循環(huán)效率：抽水到發(fā)電的循環(huán)中，能量利用率0.7-0.752021/5/9205、核電站圖3-1-8核電站的構(gòu)成1—壓水反應(yīng)堆；2—堆芯；3—控制棒傳動(dòng)裝置；4—一次回路；5—冷卻劑桌；6—蒸汽發(fā)生器；7—二次回路；8—加壓器；9—反應(yīng)堆安全殼；10—高壓氣缸；11—低壓氣缸；12—發(fā)電機(jī)；13—脫水器；14—冷卻水；15—冷凝器；16—冷凝水泵；17—給水加熱器；18—給水泵；19—給水加熱器；2021/5/921核電站的運(yùn)行特性核電站的主要優(yōu)點(diǎn)是核燃料以少勝多核電站需要連續(xù)地以額定功率運(yùn)行，在電力系統(tǒng)中總是分擔(dān)基荷。

可適度降低出力跟蹤負(fù)荷調(diào)整出力。在有核電站的電力系統(tǒng)中需要設(shè)置較大的發(fā)電機(jī)組備用容量，并要求有抽水蓄能機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰配合。核電站在缺少能源且交通運(yùn)輸緊張的地區(qū)無(wú)疑具有廣闊的發(fā)展前景。節(jié)能、環(huán)保；檢修時(shí)間長(zhǎng)，年需停運(yùn)15天；檢修時(shí)間30-40天。周期18月。2021/5/9226.風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)由風(fēng)能到機(jī)械能和由機(jī)械能到電能兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的裝置，風(fēng)輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從風(fēng)能到機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。2021/5/923風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性1、風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響：大規(guī)模風(fēng)電接入可能影響電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。短路電流可能超過(guò)附近原有變電站的遮斷容量。2、風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響：風(fēng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性以及風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中受湍流、尾流和塔影效應(yīng)影響，產(chǎn)生電壓波動(dòng)和閃變。變速風(fēng)電機(jī)組帶來(lái)諧波。3、風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響：風(fēng)電的間歇性和隨機(jī)性，且出力多具有反調(diào)節(jié)特性，由于目前不能有效預(yù)測(cè)，需要留有更多備用容量。4、風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)輸電通道的影響：風(fēng)電的年利用小時(shí)數(shù)較常規(guī)電場(chǎng)少，大部分時(shí)間輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于額定容量，按額定容量設(shè)計(jì)投資大。2021/5/924電網(wǎng)接納風(fēng)電能力問(wèn)題1、主要調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)壓；調(diào)峰問(wèn)題突出影響接納能力的因素：

電力系統(tǒng)的規(guī)模

負(fù)荷水平和負(fù)荷峰谷差；

非風(fēng)電電源的總量和構(gòu)成、調(diào)節(jié)特性和運(yùn)行備用。

風(fēng)電場(chǎng)自身特性，包括出力調(diào)節(jié)、出力概率、風(fēng)電場(chǎng)分布、

風(fēng)電場(chǎng)的預(yù)測(cè)性和觀測(cè)性。2.風(fēng)電場(chǎng)的可信度

一般小與0.253.風(fēng)電場(chǎng)電量效益：全額收購(gòu)，參與電力平衡。

2021/5/9253.電力電量平衡1.電力系統(tǒng)備用容量

任何時(shí)候發(fā)電都要與負(fù)荷平衡。系統(tǒng)裝機(jī)容量應(yīng)等于系統(tǒng)最大發(fā)電負(fù)荷?？紤]事故和負(fù)荷波動(dòng)，裝機(jī)容量必須大于最大發(fā)電負(fù)荷。

按照《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》備用容量可按照最大發(fā)電負(fù)荷的15-20%考慮。低值大系統(tǒng)，高值小系統(tǒng)。備用容量分為負(fù)荷備用、事故備用和檢修備用。

負(fù)荷備用稱為調(diào)頻備用，用來(lái)調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)中短期負(fù)荷隨機(jī)波動(dòng)和負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差而設(shè)定的。一般取2%-5%。低值大系統(tǒng)，高值小系統(tǒng)。事故備用是指發(fā)電機(jī)組發(fā)生強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)，用來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)發(fā)電容量缺額，避免發(fā)生頻率波動(dòng)和失去穩(wěn)定。一般取8-10%，低值大系統(tǒng)，高值小系統(tǒng)。不得小于系統(tǒng)最大一臺(tái)發(fā)電機(jī)容量。檢修備用是發(fā)電機(jī)組能夠進(jìn)行計(jì)劃?rùn)z修而設(shè)置的備用，它與系統(tǒng)年負(fù)荷曲線有關(guān)，與檢修策略有關(guān)等很多因素有關(guān)。大修和小修。低負(fù)荷曲線處。不低于5%。熱備用和冷備用：

負(fù)荷備用-熱備用；事故備用一半熱一半冷。檢修-冷。

負(fù)荷備用要分布合理。優(yōu)先考慮有調(diào)節(jié)能力的水電廠。

2021/5/9263.電力電量平衡

事故備用在火電和水電之間分?jǐn)?。徑流式可作為自己電廠的備用。水電廠做備用必須考慮水電廠的分布、庫(kù)容和送電線路能力。

負(fù)荷備用和檢修備用必須用發(fā)電可靠性計(jì)算得出。

備用容量確定以后，就可以加上系統(tǒng)的最大負(fù)荷得到系統(tǒng)裝機(jī)容量。2.電力系統(tǒng)電力電量平衡

電源規(guī)劃中包括電力、電量和調(diào)峰。電源規(guī)劃必須先做的工作，可以從宏觀上把握裝機(jī)容量、系統(tǒng)備用率、發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)和調(diào)峰幅度等參數(shù)，進(jìn)而確定電源結(jié)構(gòu)。

枯水年：枯水年的電力平衡時(shí)系統(tǒng)裝機(jī)確定的依據(jù)。

平水年：平水年電量預(yù)測(cè)是系統(tǒng)燃煤電廠的發(fā)電量確定依據(jù)。電量平衡

豐水年：調(diào)峰容量確定。線路過(guò)載核算。

特枯水年：裝機(jī)是否充足，電量平衡。電力平衡：

C:發(fā)電機(jī)裝機(jī)N:發(fā)電廠個(gè)數(shù)P：系統(tǒng)最大負(fù)荷系統(tǒng)備用率。2021/5/9273.電力電量平衡

電量平衡：

各發(fā)電廠發(fā)電量電量盈虧燃煤電廠平均利用小時(shí)數(shù)燃煤電廠非燃煤電廠

調(diào)峰平衡：最大峰谷差日旋轉(zhuǎn)備用率2021/5/928第二節(jié)電源規(guī)劃中的隨機(jī)生產(chǎn)模擬2021/5/929研究隨機(jī)生產(chǎn)模擬問(wèn)題的原因電源規(guī)劃中的隨機(jī)生產(chǎn)模擬問(wèn)題，是對(duì)方案中的運(yùn)行成本逐年進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化計(jì)算的問(wèn)題.規(guī)劃期內(nèi)存在不確定因素：非計(jì)劃強(qiáng)迫停運(yùn)、未來(lái)電力負(fù)荷的隨機(jī)波動(dòng)、水電廠來(lái)水.考慮這些因素影響的生產(chǎn)模擬就是隨機(jī)生產(chǎn)模擬.通過(guò)隨機(jī)生產(chǎn)模擬，可獲得方案中各機(jī)組的期望生產(chǎn)電能、生產(chǎn)費(fèi)用及電源可靠性指標(biāo)，為電源規(guī)劃的決策提供準(zhǔn)確的反饋信息.

2021/5/930等效持續(xù)負(fù)荷曲線在隨機(jī)生產(chǎn)模擬技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，等效持續(xù)負(fù)荷曲線（ELDC）將發(fā)電機(jī)組的隨機(jī)停運(yùn)和隨機(jī)負(fù)荷模型巧妙的結(jié)合在一起，是隨機(jī)生產(chǎn)模擬中最重要的概念。等效持續(xù)負(fù)荷曲線是從一般的負(fù)荷曲線中發(fā)展而來(lái)的。2021/5/931持續(xù)負(fù)荷曲線橫坐標(biāo)表示系統(tǒng)的負(fù)荷縱坐標(biāo)表示持續(xù)時(shí)間T為研究周期，根據(jù)具體情況可以是年、月、周等.曲線上任何一點(diǎn)(x，t)表示系統(tǒng)負(fù)荷大于或等于x的持續(xù)時(shí)間為t.兩端除以T

兩端除以T系統(tǒng)總電量系統(tǒng)負(fù)荷平均值系統(tǒng)負(fù)荷大于或等于x的概率2021/5/932持續(xù)負(fù)荷曲線設(shè)系統(tǒng)在該期間投入運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組的總?cè)萘繛镃t，系統(tǒng)負(fù)荷大于發(fā)電機(jī)組總?cè)萘康某掷m(xù)時(shí)間為：相應(yīng)的電力不足概率LOLP為：在這種情況下，圖中陰影部分的負(fù)荷電量不能滿足要求，其面積就是電量不足期望值：Ct和xmax的關(guān)系2021/5/933等效持續(xù)負(fù)荷曲線考慮發(fā)電機(jī)組的隨機(jī)故障因素等效持續(xù)負(fù)荷曲線是把發(fā)電機(jī)組的隨機(jī)故障影響當(dāng)成等效負(fù)荷對(duì)原始持續(xù)負(fù)荷曲線不斷修正的結(jié)果。當(dāng)發(fā)電機(jī)組故障時(shí)，系統(tǒng)的等效負(fù)荷就要增大。2021/5/934等效持續(xù)負(fù)荷曲線的形成

是原始持續(xù)負(fù)荷曲線，表示系統(tǒng)中所有機(jī)組應(yīng)承擔(dān)的負(fù)荷。設(shè)第一臺(tái)發(fā)電機(jī)首先帶負(fù)荷，其容量為C1，強(qiáng)迫停運(yùn)率為q1當(dāng)這臺(tái)發(fā)電機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，它和其他發(fā)電機(jī)組應(yīng)承擔(dān)的負(fù)荷由來(lái)表示當(dāng)發(fā)電機(jī)組1故障時(shí)，表示的負(fù)荷應(yīng)由除去發(fā)電機(jī)組1以外的其他機(jī)組承擔(dān)這就相當(dāng)于發(fā)電機(jī)組1和其他發(fā)電機(jī)組共同承擔(dān)了向右平移了C1的負(fù)荷曲線中的負(fù)荷2021/5/935

與相比：最大負(fù)荷大了C1，負(fù)荷電量增加了，正好等于發(fā)電機(jī)組1故障而少發(fā)的電量等效持續(xù)負(fù)荷曲線由于發(fā)電機(jī)組1的強(qiáng)迫停運(yùn)率為，正常運(yùn)行的概率為，所以考慮發(fā)電機(jī)組1的隨機(jī)停運(yùn)影響以后，系統(tǒng)的隨機(jī)負(fù)荷曲線應(yīng)由下式表示是發(fā)電機(jī)組1的隨機(jī)停運(yùn)與持續(xù)負(fù)荷曲線的卷積公式，其結(jié)果就是考慮該機(jī)組隨機(jī)停運(yùn)因素以后系統(tǒng)的等效持續(xù)負(fù)荷曲線。2021/5/936等效持續(xù)負(fù)荷曲線對(duì)于第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組，上述結(jié)論可推廣為在發(fā)電機(jī)組逐個(gè)卷積過(guò)程中，等效持續(xù)負(fù)荷曲線也在不斷變化，最大等效負(fù)荷在不斷增大。設(shè)系統(tǒng)中共n臺(tái)發(fā)電機(jī)組，其容量為。當(dāng)全部機(jī)組卷積運(yùn)算結(jié)束后，等效持續(xù)負(fù)荷曲線為，最大等效負(fù)荷如圖。系統(tǒng)電力不足概率系統(tǒng)電量不足期望值2021/5/937隨機(jī)生產(chǎn)模擬過(guò)程建立了等效持續(xù)負(fù)荷曲線概念以后，就可以進(jìn)一步研究隨機(jī)生產(chǎn)模擬的過(guò)程。隨機(jī)生產(chǎn)模擬需要的原始資料包括負(fù)荷資料和發(fā)電機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。負(fù)荷數(shù)據(jù)主要用來(lái)形成研究期間的原始持續(xù)負(fù)荷曲線及年最大負(fù)荷曲線最大負(fù)荷曲線是指每月或每周的最大負(fù)荷按時(shí)間序列形成的曲線，它的用途是安排檢修計(jì)劃。2021/5/938發(fā)電機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)火電機(jī)組的數(shù)據(jù)通常包括：發(fā)電機(jī)組的類型、容量；發(fā)電機(jī)組的臺(tái)數(shù)；各發(fā)電機(jī)組的平均煤耗率；燃料價(jià)格；發(fā)電機(jī)組的強(qiáng)迫停運(yùn)率；發(fā)電機(jī)組的最小輸出功率；發(fā)電機(jī)組所需的檢修時(shí)間。水電機(jī)組與火電機(jī)組有很大差別。首先，水電機(jī)組的發(fā)電量是由水文條件和水庫(kù)調(diào)度決定的，因此在發(fā)電調(diào)度中水電機(jī)組的發(fā)電量是給定的已知量；其次，由于水庫(kù)上下游水位變動(dòng)，水電機(jī)組的發(fā)電功率可能達(dá)不到銘牌容量。這種由水力條件決定的水電機(jī)組的實(shí)際發(fā)電能力稱為預(yù)想輸出功率。2021/5/939隨機(jī)生產(chǎn)模擬的步驟

為了簡(jiǎn)單起見，以下討論假定電力系統(tǒng)只包含火電機(jī)組，且檢修計(jì)劃已知，因此參與運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組已全部確定。處理負(fù)荷資料，形成原始持續(xù)負(fù)荷曲線。確定發(fā)電機(jī)組帶負(fù)荷的優(yōu)先順序。按帶負(fù)荷順序安排發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，計(jì)算其發(fā)電量。修正等效負(fù)荷曲線。按照式LOLP和EENS公式計(jì)算系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。根據(jù)各發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量計(jì)算系統(tǒng)燃料消耗量并進(jìn)行發(fā)電成本分析。2021/5/940例:已知某電力系統(tǒng)的日負(fù)荷曲線如圖4-4及表4-1所示。該系統(tǒng)共有3臺(tái)發(fā)電機(jī)組參加運(yùn)行，其中前兩臺(tái)機(jī)組型號(hào)相同，容量為40MW，平均煤耗率為400g/kWh,強(qiáng)迫停運(yùn)率為0.10。第3臺(tái)發(fā)電機(jī)組容量為20MW，平均煤耗為450g/kWh,強(qiáng)迫停運(yùn)率為0.20。試對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)生產(chǎn)模擬。2021/5/941首先，根據(jù)持續(xù)負(fù)荷曲線定義，求出該系統(tǒng)的原始持續(xù)負(fù)荷曲線f(0)(x)2021/5/9422021/5/943系統(tǒng)的負(fù)荷電量由下式可以求出按照平均煤耗率應(yīng)首先讓兩臺(tái)40MW發(fā)電機(jī)組帶負(fù)荷，然后再讓20MW發(fā)電機(jī)組帶負(fù)荷。2021/5/944現(xiàn)在我們來(lái)安排第一臺(tái)40MW發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，其發(fā)電量應(yīng)從f(0)(x)求得，即式中P1=0.90。積分代表圖4-5中f(0)(x)曲線下面的從x=0到x=40之間的面積。由表4-2可知然后按下式2021/5/945對(duì)發(fā)電機(jī)1進(jìn)行卷積計(jì)算，求等效負(fù)荷持續(xù)曲線f(1)(x)。必須注意，表4-2中，f(0)(x)，f(0)(x-40)，f(1)(x)的值比實(shí)際值大24倍。2021/5/946以下僅舉出圖中幾個(gè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)明建立f(1)(x)的過(guò)程:當(dāng)x=40時(shí)，f(0)(x)=21/24f(0)(x-40)=f(0)(0)=24/24

故知f(1)(40)=0.9×21/24+0.1x24/24=21.3/24當(dāng)x=80時(shí)，f(0)(x)=1/24f(0)(x-40)=f(0)(40)=21/24

故知

f(1)(80)=0.9×1/24+0.1x21/24=3/24當(dāng)x=100時(shí)，f(0)(x)=0.0f(0)(x-40)=f(0)(60)=16/24

故知f(1)(100)=0.9×0.0+0.1x16/24=16/242021/5/947在求得了f(1)(x)后，即可安排第二臺(tái)40MW發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，它的發(fā)電量應(yīng)為式中P2=0.90。積分代表圖4-5中f(1)(x)曲線下面的從x=40到x=80之間的面積。2021/5/948由表4-2可知對(duì)發(fā)電機(jī)組2的卷積運(yùn)算按下式進(jìn)行其運(yùn)算過(guò)程及結(jié)果表示在表4-3中。2021/5/949由表4-3可以看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)組2參與運(yùn)行之后，等效持續(xù)負(fù)荷曲線f(2)(x)的最大負(fù)荷已達(dá)162MW。2021/5/950在求得了f(2)(x)后，就可以安排第3臺(tái)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，它的發(fā)電量應(yīng)由下式?jīng)Q定式中P3=0.80。由表4-3知為了出可靠性指標(biāo)，我們還需對(duì)20MW發(fā)電機(jī)組進(jìn)行卷積計(jì)算2021/5/9512021/5/952在求得f(3)(x)后，即可計(jì)算可靠性指標(biāo)。由表4-4有2021/5/953我們還可以由另一種方法求EENS。由于三臺(tái)發(fā)電機(jī)組發(fā)電量的總和為而系統(tǒng)總負(fù)荷電量為1465MWh，故知在求得各發(fā)電機(jī)組發(fā)電量以后，不難求得各機(jī)組的燃料消耗量，并進(jìn)一步進(jìn)行成本分析。2021/5/954由本例可以看出，利用遞歸卷積計(jì)算公式進(jìn)行隨機(jī)生產(chǎn)模擬時(shí)計(jì)算量很大。目前國(guó)內(nèi)外隨機(jī)生產(chǎn)模擬很少直接采用這種方法。但是，這個(gè)方法引出的等效持續(xù)負(fù)荷曲線以及遞歸卷積運(yùn)算等都是隨機(jī)生產(chǎn)模擬的基本概念，其它算法都是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。2021/5/955隨機(jī)生產(chǎn)模擬計(jì)算方法簡(jiǎn)介隨機(jī)生產(chǎn)模擬的計(jì)算方法：傅里葉級(jí)數(shù)法，用50~100項(xiàng)傅里葉級(jí)數(shù)描述持續(xù)負(fù)荷曲線，然后在傅里葉領(lǐng)域進(jìn)行卷積計(jì)算；標(biāo)準(zhǔn)卷積法，將概率學(xué)中對(duì)隨機(jī)變量概率分布函數(shù)的卷積計(jì)算公式作為算法的核心；半不變量法，用隨機(jī)分布的數(shù)字特征——半不變量來(lái)描述系統(tǒng)的持續(xù)負(fù)荷曲線和各發(fā)電機(jī)組的隨機(jī)停運(yùn)；等效電量函數(shù)法，先求出電力系統(tǒng)在不同負(fù)荷水平下的電量需求（形成電量函數(shù)），然后在考慮發(fā)電機(jī)組故障時(shí)直接修正各負(fù)荷水平所需的電量（即修正等效電量函數(shù)），完成隨機(jī)生產(chǎn)模擬計(jì)算。2021/5/956第三節(jié)

電源規(guī)劃中的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法2021/5/957

NorthChinaElectricPowerUniversity電源規(guī)劃的任務(wù)電源規(guī)劃的任務(wù)確定在何時(shí)、何地興建何種類型、何種規(guī)模的發(fā)電廠在滿足負(fù)荷需求并達(dá)到各種技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的條件下，使規(guī)劃期內(nèi)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行且投資經(jīng)濟(jì)合理。投資決策原則：2021/5/958

NorthChinaElectricPowerUniversity投資決策原則：經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法：2021/5/959數(shù)學(xué)優(yōu)化方法的難點(diǎn)從數(shù)學(xué)上，電源規(guī)劃的一個(gè)方案是包含許多電廠或機(jī)組的有序組合，即排序問(wèn)題高維數(shù)：各種類型的發(fā)電機(jī)組，長(zhǎng)時(shí)間的電源過(guò)渡，涉及的決策變量多。非線性：目標(biāo)函數(shù)（投資現(xiàn)值、年運(yùn)行費(fèi)用），約束條件（如可靠性約束）。隨機(jī)性：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（負(fù)荷預(yù)測(cè)、燃料、設(shè)備價(jià)格、水電廠水文數(shù)據(jù)、貼現(xiàn)率）因此，嚴(yán)格最優(yōu)解幾乎不可能得到目前的都在數(shù)學(xué)的嚴(yán)格性和計(jì)算量中折中，采取了一些簡(jiǎn)化方法。2021/5/960電源規(guī)劃的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法混合整數(shù)規(guī)劃法分解協(xié)調(diào)技術(shù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法模擬進(jìn)化方法2021/5/961混合整數(shù)規(guī)劃法由于電力系統(tǒng)中機(jī)組是一臺(tái)一臺(tái)安裝的，電廠特別是水電廠是一個(gè)一個(gè)建設(shè)的，將它們作為連續(xù)變量處理，會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題，最后規(guī)整處理又將降低結(jié)果的最優(yōu)性。為解決矛盾，將一些變量設(shè)為整數(shù)，另一些變量設(shè)為連續(xù)變量。這種變量設(shè)置的數(shù)學(xué)模型稱為混合整數(shù)規(guī)劃。模型中的整數(shù)變量只表示電廠或機(jī)組投入運(yùn)行或未投入運(yùn)行（0，1變量），或表示機(jī)組裝了幾臺(tái)或第幾次裝機(jī)。每次計(jì)算容量時(shí)，將每臺(tái)機(jī)組容量乘以此整數(shù)變量即得出裝機(jī)容量。2021/5/962分解協(xié)調(diào)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）將大系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)后，求解問(wèn)題規(guī)模變小，提供工作效率和節(jié)省時(shí)間；（2）各子系統(tǒng)可以選用自己適合的模型，更符合實(shí)際情況；（3）使進(jìn)行并行處理成為可能。電源規(guī)劃模型一般分解為電源投資決策和生產(chǎn)優(yōu)化兩個(gè)子問(wèn)題，可分別采用不同的優(yōu)化技術(shù)由于兩個(gè)子問(wèn)題不要求用相同的優(yōu)化算法，可利用它們的特點(diǎn)采用不同算法2021/5/963動(dòng)態(tài)規(guī)劃法運(yùn)籌學(xué)的重要分支，是解決多階段決策過(guò)程最優(yōu)化的一種方法用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法解決電源規(guī)劃問(wèn)題，一般方法如下：（1）階段。按時(shí)間、按投入運(yùn)行的新建電廠數(shù)目（2）狀態(tài)。是系統(tǒng)原有和待建電廠的某種組合，對(duì)于某一階段Xi，狀態(tài)可表示為2021/5/964（3）狀態(tài)轉(zhuǎn)移和決策變量。根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理，在某一階段i，若初始狀態(tài)為xi-1，也就是上一階段的一個(gè)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)這一階段采取某種策略di后轉(zhuǎn)移到本階段末的狀態(tài)xi，這種轉(zhuǎn)移可表示為決策變量可能是本階段投入的新電廠或機(jī)組，這樣狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程可簡(jiǎn)單表示為2021/5/965（4）目標(biāo)函數(shù)和遞推公式電源規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)是使系統(tǒng)總支出最小，根據(jù)具體情況而定。費(fèi)用遞推公式如下：（5）約束條件從i-1階段狀態(tài)xk轉(zhuǎn)移到i階段狀態(tài)xi所采用策略的新增機(jī)組有關(guān)費(fèi)用從i-1階段狀態(tài)xk至起點(diǎn)的最小費(fèi)用2021/5/966模擬進(jìn)化方法模擬進(jìn)化算法通過(guò)對(duì)生物進(jìn)化機(jī)制的模擬發(fā)展而來(lái)，運(yùn)算過(guò)程與生物進(jìn)化過(guò)程相仿，其哲學(xué)基礎(chǔ)是達(dá)爾文”適者生存，優(yōu)勝劣汰“的自然選擇學(xué)說(shuō)。優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：（1）與傳統(tǒng)的單點(diǎn)搜索策略不同，模擬進(jìn)化算法采用群體搜索策略，同時(shí)對(duì)多個(gè)解進(jìn)行評(píng)估。具備較好的全局搜索性能，避免陷入局部最優(yōu)。（2）用適應(yīng)度函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)個(gè)體，不僅不受連續(xù)可微的限制，而且定義域可以任意設(shè)定，特別適于求解非連續(xù)變量的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題。（3）采用的不是確定性的原則，而是概率變遷規(guī)則來(lái)指導(dǎo)它的搜索方向。（4）可求出一組解，包括全局最優(yōu)和局部最優(yōu)，可讓規(guī)劃者自行選擇。2021/5/967基于遺傳算法的電源規(guī)劃模型隨機(jī)確定待建電源的一組投入次序，經(jīng)染色體編碼后形成一個(gè)染色體，若干個(gè)體即可構(gòu)成遺傳算法的初始種群；綜合考慮現(xiàn)有電源資料、負(fù)荷資料及有關(guān)約束條件，對(duì)種群中各個(gè)體進(jìn)行運(yùn)行模擬計(jì)算，確定個(gè)體中各待建電源的投入年限和年運(yùn)行費(fèi)用；考慮新建電源的投資及其他有關(guān)費(fèi)用，計(jì)算各個(gè)體在規(guī)劃期的總計(jì)算費(fèi)用，并計(jì)算各各個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)；以個(gè)體總費(fèi)用或適應(yīng)度函數(shù)值作為判據(jù)，檢驗(yàn)迭代過(guò)程的收斂性?？傮w流程：2021/5/968基于遺傳算法的電源規(guī)劃模型染色體編碼實(shí)例2021/5/969基于遺傳算法的電源規(guī)劃模型目標(biāo)函數(shù)2021/5/9702021/5/971

NorthChinaElectricPowerUniversity【主要內(nèi)容】電源規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型目標(biāo)函數(shù)約束條件投資決策問(wèn)題生產(chǎn)模擬問(wèn)題第二節(jié)、電源規(guī)劃數(shù)學(xué)模型2021/5/972對(duì)于可行的電源規(guī)劃，通常認(rèn)為有相同的效益，因此在滿足負(fù)荷需求和各種約束條件及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下，總投入最小的方案就是最經(jīng)濟(jì)的方案。2021/5/9732021/5/9742021/5/9752021/5/9762021/5/9772021/5/9782021/5/9792021/5/9802021/5/981目標(biāo)函數(shù)實(shí)例最小費(fèi)用法，費(fèi)用除了投資、燃料費(fèi)及運(yùn)行維修費(fèi)以外，還包括停電損失費(fèi)用。此外，考慮到各類機(jī)組使用壽命不同，投建時(shí)間不同，在規(guī)劃期末將出現(xiàn)不同的剩余使用年限，所以應(yīng)把有關(guān)投資項(xiàng)目的折余值當(dāng)成殘值處理，從總費(fèi)用中減去。目標(biāo)函數(shù)為:規(guī)劃方案j總費(fèi)用的現(xiàn)值;投資費(fèi)用;投資的折余值燃料費(fèi)用運(yùn)行維修費(fèi)用;停電損失費(fèi)用;2021/5/982目標(biāo)函數(shù)中各項(xiàng)費(fèi)用的具體計(jì)算方法為了換算這些費(fèi)用的現(xiàn)值，采取了以下的假定:1)所有投資都在各年度初發(fā)生;2)所有投資折余值都發(fā)生在水平年末;3)燃料費(fèi)用、運(yùn)行維修費(fèi)用及停電損失費(fèi)用都發(fā)生在各年度的中點(diǎn)。2021/5/983目標(biāo)函數(shù)中各項(xiàng)費(fèi)用的具體計(jì)算方法1.投資費(fèi)用與折余費(fèi)用對(duì)方案j在第t年所有擴(kuò)建發(fā)電機(jī)組k的投資費(fèi)用求和;發(fā)電機(jī)組k每兆瓦的平均投資;發(fā)電機(jī)組k的容量，MW;一發(fā)電機(jī)組k在水平年末的折余系數(shù);應(yīng)該指出，在這里WASP無(wú)形中假定各發(fā)電機(jī)組在年初投資，當(dāng)年參加運(yùn)行，忽略了各發(fā)電機(jī)組本身的投資過(guò)程及相應(yīng)的時(shí)間價(jià)值。2021/5/9842.燃料費(fèi)用目標(biāo)函數(shù)中各項(xiàng)費(fèi)用的具體計(jì)算方法考慮的水文條件數(shù)水文條件h的概率水文條件為h時(shí)，所有火電站及核電站的總?cè)剂腺M(fèi)用?？?cè)剂腺M(fèi)用由隨機(jī)生產(chǎn)模擬求得。在計(jì)算中考慮了火電機(jī)組隨機(jī)停運(yùn)的影響，但對(duì)水電站則采用了強(qiáng)迫停運(yùn)率FOR為零的假定。2021/5/985目標(biāo)函數(shù)中各項(xiàng)費(fèi)用的具體計(jì)算方法對(duì)第t年系統(tǒng)中全部發(fā)電機(jī)組l的運(yùn)行維修費(fèi)用求和;機(jī)組l單位固定運(yùn)行維修費(fèi)用，元/MW;機(jī)組l單位變動(dòng)運(yùn)行維修費(fèi)用，元/kWh;機(jī)組l在第t年發(fā)電量的期望值3.運(yùn)行維修費(fèi)用2021/5/986目標(biāo)函數(shù)中各項(xiàng)費(fèi)用的具體計(jì)算方法常數(shù)，為每千瓦時(shí)的費(fèi)用，是輸入數(shù)據(jù);第t年在水文條件h時(shí)的電量不足期望值，kWh系統(tǒng)在第t年的總電能需求量，kWh這里所需的有關(guān)數(shù)據(jù)也是由隨機(jī)生產(chǎn)模擬計(jì)算求得。4.停電損失費(fèi)用2021/5/987約束條件實(shí)例電源規(guī)劃模型的約束條件包括電力平衡和可靠性約束條件。1.電力平衡約束條件設(shè)為規(guī)劃方案j在第t年參與運(yùn)行的各類型發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)，它應(yīng)滿足j方案在第t年指令性計(jì)劃擴(kuò)建的臺(tái)數(shù)向量;j方案在第t年計(jì)劃退役的臺(tái)數(shù)向量;j方案在第t年準(zhǔn)備增加的機(jī)組臺(tái)數(shù)向量，它應(yīng)滿足為給定數(shù)據(jù)為待求量，稱為系統(tǒng)布局2021/5/9881.電力平衡約束條件

為了更細(xì)致地模擬負(fù)荷和水電站季節(jié)性特點(diǎn)和更準(zhǔn)確地處理火電站的檢修要求，把每年分為相等數(shù)目的時(shí)段。每年中的可用發(fā)電容量與電力峰荷差值最小的時(shí)段叫做關(guān)鍵時(shí)段。設(shè)電力系統(tǒng)在關(guān)鍵時(shí)段的可用發(fā)電容量為，則可行的系統(tǒng)布局應(yīng)滿足在關(guān)鍵時(shí)段系統(tǒng)的貯備系數(shù)應(yīng)在給定的最小貯備系數(shù)與最大貯備系數(shù)之間。式中，為第t年關(guān)鍵時(shí)段的峰荷。2021/5/9892可靠性約束條件系統(tǒng)布局的可靠性用LOLP指標(biāo)衡量。對(duì)一年內(nèi)各個(gè)時(shí)段及每種水文情況都進(jìn)行隨機(jī)生產(chǎn)模擬計(jì)算，把所有各時(shí)段的LOLP相加