发输电系统可靠性中的充裕性评估课堂笔记3

电力系统可靠性分析课堂笔记第三章发输电系统可靠性中的充裕性评估一、总述二、内容简要1、概述发输电系统可靠性(compositegenerationandtransmissionsystemreliability)是指由统一并网运行的发电系统和输电系统综合组成的发输电系统，按可接受标准和期望数量向供电点供应电力和电能量的能力的度量。其可靠性包括充裕性和安全性两个方面。充裕性是指发输电系统在系统内发、输、变电设备额定容量和电压波动允许限度内，考虑元件的计划和非计划停运及运行约束条件下连续地向用户提供电力和电能量需求的能力。充裕性指标反映在研究时间段内发输电系统在静态条件下系统容量满足负荷电力和电能量需求的程度。1.负荷供应能力负荷供应能力是发输电系统的发电容量通过输电设施后可能提供给负荷的最大功率。负荷供应能力提供了一个涉及网络影响的容量尺度。发输电系统充裕度研究的内容是计算出各种偶发事故中系统的负荷供应能力值，并与负荷需求比较，当负荷供应能力值小于负荷需求时，便可确定此偶发事故属于系统故障，导致系统电力不足，并在此基础上，计算系统的可能性指标。2.分析原理发输电系统充裕度研究的目的是从元件的可靠性数据来计算系统的可靠性指标。在此以前，必须选定可靠性准则，然后，将系统状态划分为完好和故障两大状态类型，这种检验方法称为事故模式和影响分析。事故模式和影响分析包括定义选用事件、确定研究事件、计算潮流、确定系统故障事件、计算事件概率、计算可靠性指标等步骤。一般要考虑两类故障事件:输电线故障与发电设备故障重叠;输电线路同时故障停运。故障影响分析方法与系统的规模有关，主要采用解析法和蒙特卡洛法。解析法的主要特点是可以采用较严格的数学模型和有效算法进行系统的可靠性计算，准确度较高，但计算量随着元件数呈指数增加。因此，系统规模大到一定程度时，采用解析法将有困难。蒙特卡洛法利用计算机进行随机试验，重复K次，最后，对试验结果进行统计及计算。该法的一个特点是计算结构简单，另一个特点是计算误差与KD成正比，式中D为常数，K为试验次数。为了降低误差，将显著增加计算时间，这也使其应用受到一定的限制。有机地把解析法和蒙特卡洛法结合起来，能提高计算精度、减小计算工作量和计算机存储量。3.表示充裕度的可靠性指标充裕度指标一般用年值表示，分为负荷点指标和系统指标两类。负荷点充裕度指标是对系统中每一个负荷点而言，表明事故的局部影响，并可作为分析下一级系统充裕度的依据。负荷点充裕度又可分为基本值、最大值和平均值3种，它们分别反映某种系统故障时供电点基本可靠性特征量、故障严重程度和充裕度平均水平。系统的充裕度指标反映系统的严重程度和充裕度平均水平，反映系统事故对整个发输电系统的影响，表明事故的全局影响。它包括系统停电指标、系统削减电量指标、严重性指标、每次扰动造成的平均削减负荷量、每个负荷点平均值、事故时的削减负荷与少供电量的最大值共6个指标。4.电力市场条件下对发输电系统可靠性的新要求(1)降低需求预测的不确定性。需求(demand)是指一个系统或系统的一部分在给定瞬间或任一设计的平均时间间隔中释放电能的速率，单位为kW或GW。需求与负荷(load)是不一样的。在电力市场的条件下，需求的类型包括以下8种:①瞬时需求(instantaneousdemand)，指给定瞬间能量释放的速率;②平均需求，指在任一时间段内释放的电能，它由总电能除以该时间段内的平均瞬时需求;③集成需求(integrateddemand)，指在需求时段时的平均瞬时需求;④需求时段(demandinterval)，指电能被量测的时段，通常是15min,30min或60min;⑤峰值需求(peakdemand)，指在一给定时段(即一小时，一天，一月，一季或一年)的最高电力需求，对一个电力系统来说，它等于在系统内全部量测到的发电机净输出和流入系统的线路潮流之和，减去量测到的流出系统的线路潮流;⑥合同需求(contractdemand)，指一个供应商同意送电到一个特定单位并且该单位同意购买的容量额度;⑦固定需求(firmdemand)，指一个电力供应商除了当系统可靠性受威胁或在紧急条件下应该提供的合同需求部分;⑧定单需求(billingdemand)，指基于电价计划或合同中规定的用户定单的需求。电力交易计划是要事先做出的，需求预测是电力交易计划的核心。为此要使需要预测(forecast)尽可能准确，要求把不确定性降到最低程度。(2)可靠性要面对多种电力公司。电力公司(electricutility)可以是拥有或运行发电、输电、配电设施的公司、个人、代办处授权或其他合法单位，或媒介，或出售电能的公司。电力公司的多样性对电力系统可靠性评估和管理带来新的挑战和机遇。(3)要考虑多种传输能力。频繁的商业活动使电力系统的运行方式大范围的变化，因此需要考虑多种形式的传输能力。①总传输能力（totaltransfercapability，TTC），是指能从互联输电系统的一个区域可靠地通过区域间的输电线(或通路)，在规定条件下调用或传输到另一个区域的电力额度。②输电可靠性裕度(transmissionreliabilitymargin,TRM)，是指在系统条件存在大范围不确定性的情况下，为保证互联输电网络安全所需的输电传输能力的额度。③容量效益裕度(capacitybenefitmargin,CBM)，是指电力部门为保证互联系统对发电开放，以满足发电可靠性要求所预留的传输容量备用额度。④可用传输容量(availabletransfercapacity,ATC)，是指为未来商业活动考虑超过己承诺用途条件下实际输电网络的传输能力。可用传输容量定义为总传输能力减去当前输电承诺容量(包括零售用户所需容量和容量效益裕度)，再减去输电可靠性裕度。⑤不可撤销的可用输电能力(non-recallableavailabletransmissioncapability,NATC)，指总输电能力减去输电可靠性裕度，再减去不可撤销的输电服务备用(包括容量效益裕度)。⑥可撤销的可用输电能力(recallableavailabletransmissioncapability,RATC)，指总输电能力减去输电可靠性裕度，减去可撤销的输电服务备用(包括容量效益裕度)。对于规划，可用的数据只有可撤销的和不可撤销的输电服务备用，而对运行和输电计划是己知的。可靠性评估中必须对以上6种输电能力做出定量评价。(4)要求对风险进行预测、监视，事先提出防范措施。电力市场中商业活动频繁使电力系统的运行方式经常大范围地变化，因此要求经常对风险进行预测以外，还要求以地区为基础安装扰动监视设备，如事件顺序监视设备，故障记录设备，动态扰动记录设备等。可靠性评估还要求事先提出减轻和消除风险的措施，并提出书面报告。2、充裕性评估的指标体系发输电系统可靠性是通过定量的可靠性指标来度量的。本书提出了比较完整的充裕度评估指标体系，并给出了蒙特卡洛法中的计算公式。充裕度指标分为负荷点指标和系统指标两类。负荷点指标是对系统中的每个负荷点而言，表明故障的局部性影响，并可作为下一级系统可靠性评估的依据。系统指标则是全局性的，表明故障对整个系统的影响。系统指标包括基本指标(1~6)和导出指标(7~9)。基本指标包括概率、频率、持续时间和期望值4类，导出指标是基本指标转换获得的，可以用于不同规模系统之间的比较，具有标么值意义。指标定义及公式如下，其中公式是基于元件状态持续时间抽样蒙特卡洛模拟法的计算公式。(1)切负荷概率PLC(probabilityofloadcurtailments)SiiTtPLC(3.1)式中，S是有切负荷的系统状态集合;间，两者单位一致。工夸是系统状态的持续时间，T是总模拟时(2)切负荷频率EFLC(expectedfrequencyofloadcurtailments)(次/a)FFLC=(8760/T)Ni(3.2)式中，Ni是有切负荷的状态数(如果系统状态序列中连续几个系统状态均有切负荷，将其视为一个有切负荷状态)。(3)切负荷持续时EDLC(expecteddurationofloadcurtailments)(h/a)EDLC=PLCx8760(3.3)(4)每次切负荷持续时ADLC(averagedurationofloadcurtailments)(h/次)ADLC=EDLC/EFLC(3.4)(5)负荷切除期望值ELC(expectedloadcurtailments)(MW/a)SiiCTELC8760(3.5)式中，Ci是系统状态i的切负荷量。(6)电量不足期望值EENS（expectedenergynotsupplied)(MW·h/a)iSiitCTEENS8760(3.6)由于EENS是能量指标，对于进行可靠性经济评估、最优可靠性、系统规划等均具有重要意义，因此EENS是充裕度评估中非常重要的指标。(7)系统停电指标BPII(bulkpowerinterruptionindex)(MW/MW·a-1)，是指系统故障在供电点引起的削减负荷的总和与系统最大负荷之比，它表明在一年中每兆瓦的负荷平均停电的兆瓦数，公式为BPII=ELC/L（3.7）(8)系统削减电量指标BPECI（bulkpowerenergycurtailmentindex)（MW·h/MW·a-1)，是指系统故障在供电点引起的削减电量的总和与系统年最大负荷之比BPECI=EENS/L（3.8）(9)严重程度指标SI(severityindex)(系统分)SI=BPECIx60(3.9)一个系统分相当于在最大负荷时全系统停电1min，是对系统故障的严重程度的一种度量。1983年国际大电网会议(CICRE)第39委员会OS工作组按照系统扰动对用户冲击的程度，将严重程度指标分为4个等级：0级，可接受的不可靠状态，严重程度指标小于1系统分；1级，对用户有明显冲击的不可靠状态，严重程度指标为1~9系统分；2级，对用户有严重冲击的不可靠状态，严重程度指标为10~99系统分；3级，对用户有很严重冲击的不可靠状态，严重程度指标为100~999系统分。3、考虑多重故障的充裕性评估算法和软件目前发输电合成系统充裕度评估方法分为两大类：偶发事故枚举法即解析方法、Monte-Carlo模拟法即模拟方法，一般均采用故障筛选技术。如何精确地考虑多重故障的影响是进行发输电合成系统充裕度评估迫切需要解决的问题。本书结合Monte-Carlo模拟法中元件状态持续时间抽样方法，提出将多重故障评估转换为单重故障评估来简化评估过程，并利用存储系统状态和状态评估结果来减少需要评估的系统状态数，以实现精确评估多重故障的影响，并使计算量增加不大。1、元件状态持续时间抽样法元件状态持续时间抽样法是一种时序Monte-Carlo法。假定元件运行时间和故障状态下修复时间服从某种概率分布，通常电力系统可靠性评估常用指数分布，然后根据元件的故障率和修复率确定该元件在给定时间段内的状态和状态持续时间。当给定时间段内所有元件的状态和状态持续时间确定后，就可以获得系统的状态序列和持续时间。抽样原理如图3.1所示。先通过对3个元件(A,B和C)的运行和故障状态持续时间模拟，然后获得系统状态和状态持续时间。图中给定时间段内总共模拟出11个系统状态，包含8个不同系统状态(本书指的相同系统状态指故障元件完全相同的系统状态)。从抽样原理可看出，系统状态序列中相邻两状态的区别只是单一元件的状态改变（元件故障或元件修复），因此可以将多重故障评估转换为在前一状态基础上进行单重故障评估（如状态4是3重故障，可以在状态3的基础上进行元件C单重故障评估），这样可以极大地简化多重故障的评估过程。而且抽样产生的系统状态中包含许多相同系统状态，可以通过存储系统状态和状态评估结果来减少需要评估的系统状态数，如图3.1中状态10可以直接读取状态6的状态评估结果，不必重新计算。表3.1对IEEE-RTS的模拟结果说明，在总时间200万h中出现系统