電力系統(tǒng)調(diào)度可靠性評(píng)估指標(biāo)的選擇

電力系統(tǒng)調(diào)度可靠性評(píng)估指標(biāo)的選擇

0運(yùn)行可靠性評(píng)估大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，供電市場(chǎng)化改革的不斷完善，特別是近年來(lái)國(guó)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(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何評(píng)估電力系統(tǒng)在不確定性環(huán)境下的運(yùn)行可靠性,實(shí)現(xiàn)基于運(yùn)行可靠性的電力系統(tǒng)調(diào)度決策和控制,是亟需解決的問(wèn)題。目前,電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]的研究已成為關(guān)注的熱點(diǎn),在元件條件相依和時(shí)間相依的可靠性模型、狀態(tài)篩選、狀態(tài)后果分析、指標(biāo)體系等方面已取得了許多成果,涵蓋了運(yùn)行可靠性評(píng)估的主要內(nèi)容。運(yùn)行可靠性評(píng)估的最終目標(biāo)是輔助運(yùn)行人員進(jìn)行調(diào)度決策,因此制定合理的決策依據(jù)至關(guān)重要。然而,常用的可靠性指標(biāo)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(gè)可行的解決思路是研究可靠性的價(jià)值,將可靠性量化為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。但目前電力系統(tǒng)可靠性價(jià)值方面的研究成果主要集中在如何準(zhǔn)確估計(jì)停電損失,用以研究電網(wǎng)中長(zhǎng)期規(guī)劃的投資成本和可靠性效益的協(xié)調(diào)問(wèn)題,沒(méi)有從運(yùn)行的角度綜合考慮運(yùn)行可靠性的成本和價(jià)值。在運(yùn)行的時(shí)間框架內(nèi),文獻(xiàn)研究了電力系統(tǒng)的安全價(jià)值,綜合計(jì)算了運(yùn)行成本和停電損失,但沒(méi)有考慮元件和系統(tǒng)的可靠性隨時(shí)間變化的特性,也沒(méi)有考慮運(yùn)行備用響應(yīng)特性這一影響系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的重要因素。文獻(xiàn)研究了旋轉(zhuǎn)備用響應(yīng)特性對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響,但僅限于發(fā)電系統(tǒng),沒(méi)有考慮輸電網(wǎng)的約束。針對(duì)以上問(wèn)題,本文提出了電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性成本價(jià)值的概念和指標(biāo),建立了發(fā)輸電系統(tǒng)運(yùn)行可靠性成本價(jià)值評(píng)估的模型和算法,實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行可靠性成本和效益的綜合評(píng)價(jià),提出了以期望社會(huì)成本最小作為決策依據(jù),為運(yùn)行人員選擇最優(yōu)調(diào)度方案提供了有力工具。1運(yùn)行可靠性與運(yùn)行成本的關(guān)系電力系統(tǒng)的基本功能就是按可接受的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和所需數(shù)量持續(xù)、經(jīng)濟(jì)地向電力用戶供應(yīng)電能。電力系統(tǒng)可靠性的價(jià)值就是連續(xù)供電的價(jià)值。在運(yùn)行的時(shí)間框架內(nèi),從電力公司的角度來(lái)講,在考慮各種擾動(dòng)情況下付出的系統(tǒng)期望運(yùn)行成本可以認(rèn)為是維持運(yùn)行可靠性所需的成本;從用戶的角度來(lái)講,提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性帶來(lái)的效益表現(xiàn)為期望停電損失的減少,這就是運(yùn)行可靠性的價(jià)值所在。一般而言,系統(tǒng)運(yùn)行可靠性水平越高,系統(tǒng)運(yùn)行成本就越高,而停電損失就越小。無(wú)論是從市場(chǎng)化還是資源節(jié)約的角度出發(fā),都應(yīng)當(dāng)協(xié)調(diào)運(yùn)行可靠性的成本和效益。電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性成本價(jià)值評(píng)估與中長(zhǎng)期規(guī)劃可靠性成本價(jià)值評(píng)估相比,其最重要的特征在于考慮的時(shí)間尺度較短,這決定了它必須考慮時(shí)間相依的元件可靠性模型以及運(yùn)行備用響應(yīng)特性等因素的影響。兩者在研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容等方面存在較大差別,如表1所示。2系統(tǒng)運(yùn)行可靠性與綜合評(píng)估本文用所有機(jī)組的期望運(yùn)行成本來(lái)評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行可靠性成本,用所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的期望停電損失來(lái)評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行可靠性價(jià)值,用兩者之和即整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的期望社會(huì)成本來(lái)綜合評(píng)估運(yùn)行可靠性的成本和價(jià)值。運(yùn)行可靠性成本價(jià)值評(píng)估的基本任務(wù)就是評(píng)估當(dāng)前運(yùn)行方式在未來(lái)t時(shí)刻的期望瞬時(shí)社會(huì)成本和時(shí)段t內(nèi)產(chǎn)生的期望社會(huì)成本,以下定義了瞬時(shí)和時(shí)段2類指標(biāo)來(lái)表征系統(tǒng)運(yùn)行可靠性及其成本價(jià)值。2.1發(fā)電機(jī)bi系統(tǒng)在未來(lái)t時(shí)刻的運(yùn)行可靠性期望瞬時(shí)運(yùn)行成本CETOC、期望瞬時(shí)停電損失ETIC、期望瞬時(shí)社會(huì)成本CETSC和期望缺供電力QEDNS的計(jì)算公式為:CEΤΟC(t)=∑i∈ΝG∑k∈SΡk(t)FGi(ΡGik(t))(1)EΤΙC(t)=∑i∈ΝD∑k∈SΡk(t)FLi(Lik(t))(2)CEΤSC(t)=CEΤΟC(t)+EΤΙC(t)(3)QEDΝS(t)=∑i∈ΝD∑k∈SΡk(t)Lik(t)(4)式中:S為時(shí)刻t可能出現(xiàn)的所有狀態(tài)的集合;NG為所有發(fā)電機(jī)集合;ND為所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)集合;PGik(t)為t時(shí)刻系統(tǒng)處于狀態(tài)k時(shí)發(fā)電機(jī)i的有功出力;Lik(t)為t時(shí)刻系統(tǒng)處于狀態(tài)k時(shí)負(fù)荷母線i的切負(fù)荷量;FGi(·)為發(fā)電機(jī)i的運(yùn)行成本函數(shù);FLi(·)為負(fù)荷母線i的停電損失函數(shù)。2.2運(yùn)行成本函數(shù)系統(tǒng)在未來(lái)t時(shí)段內(nèi)的運(yùn)行可靠性運(yùn)行期望成本CEOC、期望停電損失CEIC、期望社會(huì)成本CESC和期望缺供電量QEENS的計(jì)算公式為:CEΟC=∫t0∑i∈ΝG∑k∈SΡk(τ)FGi(ΡGik(τ))dτ(5)CEΙC=∫t0∑i∈ΝD∑k∈SΡk(τ)FLi(Lik(τ))dτ(6)CESC=CEΟC+CEΙC(7)QEEΝS=∫t0∑i∈ΝD∑k∈SΡk(τ)Lik(τ)dτ(8)為簡(jiǎn)化分析起見(jiàn),本文運(yùn)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(chǎng)化環(huán)境下可計(jì)及更多因素,本文不做深入探討。FGi(ΡGik(t))=ΡGik(t)CΜi(9)式中:CMi為發(fā)電機(jī)i的單位發(fā)電成本。停電損失函數(shù)的計(jì)算如下:FCi(Lik(t))=Lik(t)ΡΙEARi(10)式中:PIEARi為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i的停電損失評(píng)價(jià)率,可通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查等方法獲得。3可靠性成本價(jià)值評(píng)價(jià)模型和算法的實(shí)施3.1線路等元件可靠性模型為評(píng)估電力系統(tǒng)在未來(lái)t時(shí)刻的運(yùn)行可靠性成本價(jià)值,必須建立時(shí)間相關(guān)的元件狀態(tài)概率模型。本文采用基于齊次Markov過(guò)程的元件瞬時(shí)狀態(tài)概率來(lái)完整描述元件的可靠性模型。普通發(fā)電機(jī)、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(shè)元件停運(yùn)率為λ,修復(fù)率為μ,如果元件初始時(shí)刻處于工作狀態(tài),則t時(shí)刻處于停運(yùn)狀態(tài)的狀態(tài)概率pf(t)為:pf(t)=λλ+μ-λλ+μe-(λ+μ)t(11)事故備用機(jī)組如快速啟動(dòng)機(jī)組、熱備用機(jī)組等的可靠性模型也采用瞬時(shí)概率模型。t時(shí)刻系統(tǒng)處于狀態(tài)k的瞬時(shí)概率Pk(t)為:Ρk(t)=n∏i=1(pfi(t))xi(1-pfi(t))1-xi(12)式中:n為系統(tǒng)元件個(gè)數(shù);xi為元件i在t時(shí)刻的狀態(tài),xi=1表示停運(yùn)狀態(tài),xi=0表示運(yùn)行狀態(tài);pfi(t)為元件i在t時(shí)刻處于停運(yùn)狀態(tài)的概率。3.2運(yùn)行可靠性價(jià)值評(píng)估設(shè)系統(tǒng)元件總數(shù)為n,且每個(gè)元件僅有2個(gè)狀態(tài),理論上需要枚舉分析2n個(gè)系統(tǒng)狀態(tài),對(duì)于大系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)維數(shù)災(zāi)問(wèn)題。實(shí)際上,不可能也沒(méi)有必要進(jìn)行全狀態(tài)空間的枚舉和分析,只要使得指標(biāo)的精度達(dá)到一定的要求即可。為篩選出較大概率的狀態(tài),運(yùn)行可靠性價(jià)值評(píng)估采用了快速排序技術(shù),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(biāo)是否滿足給定值作為狀態(tài)空間截?cái)嗟臈l件,指標(biāo)公式的推導(dǎo)過(guò)程詳見(jiàn)附錄A。E*ΤΙC(t)=EΤΙC(t)EΤΙC(t)+(1-∑k∈SΡk(t))∑i∈ΝDFLi(ΡDi)(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(fù)荷。本文算例中以E*TIC(t)>90%作為狀態(tài)空間截?cái)鄺l件。3.3機(jī)組出力約束運(yùn)行可靠性價(jià)值評(píng)估的狀態(tài)后果分析采用基于交流潮流靈敏度分析的校正控制策略。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(jì)算出發(fā)電出力和切負(fù)荷量。校正控制策略不僅考慮了輸電網(wǎng)約束,即網(wǎng)絡(luò)潮流方程約束、線路潮流約束和母線電壓約束,還考慮了機(jī)組響應(yīng)特性約束,即ΡGimin≤ΡGi≤ΡGimaxi∈ΝG(14)式中:PGimin和PGimax分別為發(fā)電機(jī)i的出力PGi的下限和上限。式(14)反映了系統(tǒng)從當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)移到其他狀態(tài)的機(jī)組出力約束。與系統(tǒng)同步的旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組,其響應(yīng)出力的增加是爬坡過(guò)程,t時(shí)刻機(jī)組i的最大出力PGimax為:ΡGimax={min{ΡCi,ΡGi0+RiΤΜ}t≥ΤΜmin{ΡCi,ΡGi0+Rit}t<ΤΜ(15)式中:PCi為機(jī)組i的額定容量;PGi0為機(jī)組初始時(shí)刻的有功出力;Ri為機(jī)組響應(yīng)速度;TM為系統(tǒng)調(diào)度部門規(guī)定的備用響應(yīng)極限時(shí)間,通常為10min。3.4評(píng)估算法運(yùn)行可靠性成本價(jià)值評(píng)估算法流程見(jiàn)圖1,其中求取式(5)～式(8)的時(shí)段指標(biāo)采用了離散化的方法,將預(yù)測(cè)時(shí)間t劃分為足夠小的m個(gè)區(qū)間。4運(yùn)行可靠性成本價(jià)值評(píng)估IEEERTS-79系統(tǒng)的總裝機(jī)容量為3405MW,負(fù)荷為2850MW,機(jī)組響應(yīng)速率數(shù)據(jù)見(jiàn)文獻(xiàn),機(jī)組發(fā)電機(jī)成本數(shù)據(jù)及節(jié)點(diǎn)PIEARi數(shù)據(jù)見(jiàn)文獻(xiàn)。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(jī)組后使發(fā)電備用為16.3%,實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行中,出于經(jīng)濟(jì)性考慮,不會(huì)將所有備用都作為運(yùn)行備用開(kāi)啟。為更加符合實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行情況,將系統(tǒng)運(yùn)行備用調(diào)整為3.68%,系統(tǒng)容量為2955MW,即停運(yùn)21號(hào)母線400MW機(jī)組和22號(hào)母線50MW機(jī)組。本文以最優(yōu)旋轉(zhuǎn)備用分配方案的選擇來(lái)說(shuō)明運(yùn)行可靠性成本價(jià)值評(píng)估的應(yīng)用。算例中預(yù)測(cè)時(shí)間都取為60min,并將其離散化為20個(gè)區(qū)間進(jìn)行計(jì)算。以下給出3個(gè)待選的旋轉(zhuǎn)備用分配方案:方案1:將系統(tǒng)負(fù)荷按發(fā)電機(jī)額定容量等比例分配到各臺(tái)機(jī)組;方案2:18號(hào)母線容量為400MW的機(jī)組承擔(dān)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用,其他機(jī)組均滿載。方案3:1號(hào)母線承擔(dān)20MW、2號(hào)母線承擔(dān)20MW、13號(hào)母線承擔(dān)20MW、15號(hào)母線承擔(dān)10MW的旋轉(zhuǎn)備用,其他機(jī)組均滿載。圖2為方案1運(yùn)行可靠性成本價(jià)值瞬時(shí)指標(biāo)隨預(yù)測(cè)時(shí)間的變化曲線。隨著預(yù)測(cè)時(shí)間的增加,由于元件的停運(yùn)概率不斷增大,導(dǎo)致同一切負(fù)荷狀態(tài)的概率增大,因而QEDNS和ETIC指標(biāo)呈上升趨勢(shì);而停運(yùn)的發(fā)電機(jī)不再計(jì)入系統(tǒng)運(yùn)行成本,故CETOC指標(biāo)略微下降;總的期望瞬時(shí)社會(huì)成本CETSC仍然呈上升趨勢(shì)。表2列出了各時(shí)段指標(biāo)。方案2和方案3的評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)比3種運(yùn)行方案可知:方案2的運(yùn)行可靠性最低,期望運(yùn)行成本和社會(huì)成本最高;方案3運(yùn)行可靠性最高,且期望運(yùn)行成本和社會(huì)成本最低。評(píng)估結(jié)果說(shuō)明,僅用1臺(tái)機(jī)組作為旋轉(zhuǎn)備用的運(yùn)行方式無(wú)論從可靠性方面還是經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行比較,都不如多臺(tái)機(jī)組同時(shí)承擔(dān)旋轉(zhuǎn)備用;但若所有機(jī)組都承擔(dān)旋轉(zhuǎn)備用,不僅運(yùn)行費(fèi)用會(huì)增加,而且由于機(jī)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(píng)估方法,不考慮旋轉(zhuǎn)備用的響應(yīng)特性,3種運(yùn)行方式下計(jì)算出的QEDNS指標(biāo)都是1.0335MW,無(wú)法正確區(qū)分出各種運(yùn)行方式的運(yùn)行可靠性水平及其成本價(jià)值。綜上所述,根據(jù)期望社會(huì)成本最小的決策原則,最優(yōu)的備選方案為方案3。5運(yùn)行可靠性成本價(jià)值的應(yīng)用價(jià)值本文提出了電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性成本價(jià)值評(píng)估的概念和指標(biāo),建立了發(fā)