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第五章系统安全与辅助服务0系统安全与辅助服务基本内容5.1简介5.2辅助服务需求5.3辅助服务的获取5.4辅助服务的购买5.5辅助服务销售5.6推荐阅读材料1系统安全与辅助服务5.1简介•电能市场的良好运营的重要前提条件是必须有一个坚实的物理电力系统。与其他商品相比，电力市场成员只能通过已有电力系统进行电能买卖。•系统使用者必然希望电力系统具有一定的可靠性，也就是系统的所有组成元件都应当运行在安全范围内。•对于一个由成千上万个元件组成的系统来说，单个元件发生故障是很常见的事。•如：输电线路出现负荷过载，造成线路松弛下垂发生短路事故；输电线路还会受到恶劣天气的影响。2系统安全与辅助服务简介•为了能够解决可能发生的事故，系统运行人员需要考虑同时采用预防和校正措施。–制定预防措施是为了对可能事故做出预先处置，即使真的发生事故，也能确保系统稳定运行–在发生扰动之后需要采取校正措施，其目的是将扰动的影响限制在一定的范围内•随着竞争性电力市场的建立，其中完成校正措施的有些资源已经分流到另外一些行业成员手中。对于系统运营商来说，这类资源已经变成一种需要进行付费购买的商业服务，称其为辅助服务。系统安全与辅助服务3简介•辅助服务的作用是保证电能的顺利交易。专门建立有针对性的机制，确保辅助服务的有效供应与成本回收。•首先分析电力系统中的扰动类型及不同类型的扰动对系统安全的影响，选择所需的辅助服务。•然后，将讨论如何确定每类辅助服务的必需数量，并思考应建立怎样的获取机制。•最后，将从辅助服务供应商这一角度出发，考察应当怎样将辅助服务与电能交易进行整合，从而实现经营效益最大化。系统安全与辅助服务4基本内容5.1简介5.2辅助服务需求5.3辅助服务的获取5.4辅助服务的购买5.5辅助服务销售5.6推荐阅读材料5系统安全与辅助服务5.2.1系统平衡•为了简化整个系统范围内的发电与负荷平衡问题，假设所有的发电机与负荷都连接在同一条母线上。如果研究对象是一个互联系统，那么该母线应当还连接所有其他地区与国家联铬线的共同端点。•作出上述简化假设后，仅需要考虑发电、负荷、频率与电能交换数量这几个系统变量。•只要满足生产等于消费这一条件，系统频率及跨区电能交换量就恒定不变。系统安全与辅助服务6系统不平衡的影响•发电与负荷的平衡经常会受到多种因素的干扰，如负荷发生变化、发电机出力控制不准确、偶发性的发电机组或互联系统故障停运等。–在孤立系统中，发电过剩将促使系统频率上升，相反发电短缺将导致频率下降。系统不平衡会引发频率变化，变化程度取决于系统内所有发电机与旋转负荷所具有的转动惯量。–在互联系统中，局部性不平衡将影响与相邻地区连接的联络线以及系统其余线路上的潮流。如果频率偏差很大的话，系统可能会崩溃。系统安全与辅助服务7自动发电控制服务•自动发电控制的作用在于解决快速负荷波动与难以预测的较小程度发电变化问题。它可以使系统频率稳定在正常值或接近正常值的水平，减少与其他电力系统之间的不当交换。•一般而言，自动发电控制服务主要由那些可以快速增减出力的机组提供。此类机组必须与电网相连，需要装设一个调速器，并且它们常常需要在自动发电控制模式下运行。系统安全与辅助服务8负荷跟踪服务•负荷缓慢波动，尤其是那些电能市场没有考虑到的各交易时段内的负荷波动，则可以通过发电机组的负荷跟踪服务进行处理。•自动发电控制的动作相对小一些，负荷跟踪动作比较容易预测。•这两种服务可将系统不平衡限制在接近于0的很小范围内，使系统的频率接近正常值，通常被用作预防性安全措施。系统安全与辅助服务9备用服务•备用服务主要用来消除那些可能危害系统稳定的和难以预测的大电能偏差•备用服务可以分为旋转备用与补充事故备用–提供旋转备用的机组需要能够立即对频率变化作出响应，拟定提供的全部备用容量必须在很短的时间内实现供应–提供补充事故备用的机组则无需马上作出响应•随着系统规模与可靠性标准的不同，上述参数可能会出现相当大的变化系统安全与辅助服务10平衡电能与平衡辅助服务的获取•平衡电能与平衡辅助服务都会通过现货电能市场交易，理想情况是能在两者之间划定一个清晰的界限。•然而各电力市场的规则设计存在相当大的差异，这使得不可能清楚地对平衡电能与平衡辅助服务进行界定。•总的来说，若是开放市场关闭时点距离实时运行时间很短，系统运营商将能够通过现货电能市场购得大部分的平衡需求。然而如果开放市场是日前的，需要建立一套复杂的平衡服务获取机制。系统安全与辅助服务11备用响应•在考察机组的平衡服务供应能力时，出力调整速度是最重要的影响因素。•在许多时候，机组在电网中的位置也有可能会影响它的平衡辅助服务供应能力。•如果机组通过某一输电走廊与系统主网架相连，但该输电通道常常发生阻塞，机组的出力调整程度受到输电线路约束的限制，那么它就不是一个合适的平衡辅助服务备选机组。•例[5-3]：系统在大规模发电停运事故后的频率与备用响应情况系统安全与辅助服务125.2.2网络问题潮流传输限制•在真实的电力系统中，用户与生产者分布在一个广袤的地理范围内，他们之间通过电网连接在一起。随着负荷与发电的变化，网络各支路上的潮流和各节点上的电压也会发生波动。基于电力系统的不同状态，扰动可能表现为以下几种形式：•网络中的某条支路停运之后，该支路所承载的潮流会在网络其他部分重新分配。由于潮流超过热容量限值，网络中可能会有一条或多条支路发生过载。随着越来越多的支路发生过载，最终可能导致整个系统完全崩溃。系统安全与辅助服务13电力系统中的扰动形式•在发电机组或无功补偿设备突然停运时，系统可能会缺少足够的无功支持。同样，某条重要线路停运可能会导致网络无功损耗增加，达到超过系统所能提供的水平。此时，一部分地区甚至是整个网络，可能会发生电压崩溃。•过载十分严重的线路发生故障可能会导致一部分发电机的转角增加，这可能会引发局部网络与系统其他部分动态分离，进而出现发电与负荷不平衡，最终使部分或整个区域发生系统崩溃。运行人员必须采取一定的预防性措施，避免此类事情的发生。系统安全与辅助服务14潮流传输限制•有些预防性措施的实施成本可能会非常低，或者可以忽略不计。例如，系统运行人员可以通过调整变压器抽头的位置、发电机电压设定值，投切电容器或电抗器等手段，使电压稳定边界得以提高。通过使用移相变压器，他们还可以改变系统中的有功潮流分布，避免系统在故障后出现过载。•随着系统负荷水平的增加，一旦到达某一临界点，唯一能保证系统安全运行的手段只能是限制某些支路上的有功潮流。实际上，有功潮流约束的成本是真实存在的，有时还会非常高。例[5-4]系统安全与辅助服务15电压控制与无功支持服务•为了增加电力网络的潮流传输容量，系统运行人员会调用各种无功资源。•其中有一些资源与无功控制设备、如机械投切式电容器与电抗器、静止无功补偿器、调压变压器等，通常由系统运行人员直接控制，可以被任意使用。•发电机组是实现电压控制的最佳选择，系统运行人员有时需要调用这些属于发电公司的资源，为此需要定义一种电压控制服务以反映此类情况。还可以引入一项专门的业务，即出售无功支持或电压控制服务。系统安全与辅助服务16电压控制服务•电压控制服务的定义不仅需要考虑系统在正常状态下的运行情况，还应当考虑那些难以预测的停运可能产生的影响。在正常的运行条件下，通过凋用无功资源，系统运行人员可以将各母线上的电压控制在接近正常值的很小范围内:0.95p.u.≤U≤1.05p.u.p.u.为标幺值的缩写：标幺值=有名值/基准值•将输电电压控制在这一范围内，一方面是为了方便在配电网中进行电压调整，同时也是为了使输电系统的运行更加安全。设置电压上限的目的是为了减少绝缘失败风险，而电压下限的设置则比较随意。系统安全与辅助服务17电压控制与无功支持服务•在正常情况下维持较高的电压水平，它将有利于避免系统在出现突发性停运时发生电压崩溃。但是良好的电压水平并不能保证系统的电压安全，如果某一重载输电线路停运，它就会增加系统其他线路上的无功损耗，如果不能及时补充无功，系统就会发生电压崩溃。•与正常运行相比，系统在停运事故后所需要的无功数量要大得多，因此电压控制服务反映的不仅仅是正常运行状态下的电压调整能力，同时它还需要能在紧急状态下提供足够的无功。•因此，电压控制服务常常被称为无功支持服务。例[5-5]：系统进行无功支持后的变化情况。系统安全与辅助服务18稳定服务•有些系统运营商还可以通过发电机获得其他网络安全服务。–例如，联锁跳闸方案可以解决暂态稳定问题。这些方案不会影响电力系统的当前状态，但是在系统发生故障时，它们可以自动实现一些发电机与负荷的解列，从而确保系统的安全稳定•同样地，电力系统稳定器能够对发电机出力进行微小调整，抑制电力网络中可能出现的振荡。此类稳定器可以增加系统中传输的潮流数量。系统安全与辅助服务195.2.3系统恢复•即使系统运行人员已经竭尽所能，但还是有极个别扰动最终会脱离他们的控制，最终导致整个电力系统崩溃。此时系统运行人员需要尽可能迅速地将系统运行恢复到正常情况。然而重新启动大型火力发电机组需要相当数量的电能，而在整个系统发生崩溃时很难实现这一要求。然而有些类型的发电机（如水力发电机组，以及一些小型柴油发电机）可以手工启动，或者通过贮存在电池中的电能实现启动。•为保证系统在任何情况下都可以快速恢复运行，系统运行人员需要保证有足够的系统恢复资源可供调用。这种辅助服务通常被称为黑启动能力。系统安全与辅助服务20基本内容5.1简介5.2辅助服务需求5.3辅助服务的获取5.4辅助服务的购买5.5辅助服务销售5.6推荐阅读材料21系统安全与辅助服务辅助服务的获取系统运行人员获取辅助服务的方式有两种：•强制要求其他行业成员提供一部分辅助服务；•将辅助服务的供应市场化。系统安全与辅助服务225.3.1辅助服务的强制供应采用该方法时，一部分行业成员会被强制要求提供特定类型的辅助服务，这是他们能够接入电力系统的先决条件。如要求所有联网的发电机组：•装设调差系数为4%的调速器。确保所有机组均会对频率调整起到相同的作用。•在功率因数位于0.85(超前）到0.9(滞后）这一范围内时，能够正常运行，并且应当安装自动电压凋节器。确保系统电压稳定。系统安全与辅助服务23辅助服务的强制供应的不足尽管强制供应方法非常简单，但它并不是一个很经济的做法，并且会带来一些操作上的困难：•上述强制规定可能会引发不必要的投资，造成辅助服务资源供应量超过实际需要。例如，并不需要所有的机组都参与频率控制，维护系统安全。•该方法很难鼓励技术或商业革新。因为它规定需要采用已有的技术提供辅助服务，所以行业成员没有兴趣去研究，而系统运行人员也没有动力去寻找更新、更为有效的辅助服务供应方法。系统安全与辅助服务24辅助服务的强制供应的不足•对于辅助服务供应者来说，强制供应方法要求他们提供辅助服务，但由此引发的成本不能回收。例如，有发电商抱怨生产无功出力会增加同步发电机的损耗，有时甚至会减少他们所能生产与销售的有功电能数量。•有些成员可能难以提供部分辅助服务，或者不能以经济的方式提供服务。例如，核电机组就无法迅速调整有功出力适应负荷的快速变化。另外，也不能为了获得备用服务，强制要求高效率的机组只带部分负荷。系统安全与辅助服务255.3.2辅助服务市场强迫行业成员参与辅助服务的供应是一种缺乏经济效率的方法，并且也存在实际操作困难，因此需要建立一套市场供应机制。市场机制的实现形式与辅助服务的特性有关：•对于需求量在很长时间内基本不变或变化很小的辅助服务，以及那些供应能力主要取决于设备参数的辅助服务，长期合同是一种更为合适的手段。•有些辅助服务一天之内都会产生相当大的波动，或者它们的报价数量与电能市场存在紧密关联，此类辅助服务则应当通过现货市场进行交易。系统安全与辅助服务26辅助服务市场•与强制供应相比，市场机制是一种更具有灵活性、也更经济的辅助服务获取方法。•不是所有的辅助服务都适用于市场方法。例如在输电网络的某些偏远部分，可能只有一台发电机能在事故状态下提供有效的无功支持服务。所以无功市场也必须