電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性-發(fā)輸電系統(tǒng)

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)劃與可靠性發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評估本節(jié)提綱1.輸電網(wǎng)規(guī)劃中的可靠性準(zhǔn)則

國外電網(wǎng)規(guī)劃中的可靠性準(zhǔn)則介紹歐洲、北美、俄羅斯，共同特點(diǎn)：發(fā)生出現(xiàn)機(jī)率較高的單一故障時保證對用戶電力的連續(xù)供給；發(fā)生嚴(yán)重的、出現(xiàn)機(jī)率較低的故障時，防止系統(tǒng)大面積的崩潰。

我國輸電網(wǎng)規(guī)劃導(dǎo)則-電力系統(tǒng)穩(wěn)定導(dǎo)則N-1檢驗(yàn)：（

N-1原則：正常運(yùn)行方式下的電力系統(tǒng)中任一元件（如線路、發(fā)電機(jī)、變壓器等）無故障或因故障斷開，電力系統(tǒng)應(yīng)能保持穩(wěn)定運(yùn)行和正常供電，其他元件不過負(fù)荷，電壓和頻率均在允許范圍內(nèi)。這通常稱為N－1原則。N-1原則用于電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析(單一元件無故障斷開)，或動態(tài)安全分析(單一元件故障后斷開的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析)。

當(dāng)發(fā)電廠僅有一回送出線路時，送出線路故障可能導(dǎo)致失去一臺以上發(fā)電機(jī)組，此種情況也按N－1原則考慮。）1.輸電網(wǎng)規(guī)劃中的可靠性準(zhǔn)則嚴(yán)重故障校驗(yàn)：根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)進(jìn)行校核。尤其不能造成大面積停電。

未來發(fā)展方向

確定性校核（N-1，嚴(yán)重故障校驗(yàn)）+風(fēng)險評價—效益成本分析2.輸電網(wǎng)規(guī)劃中可靠性分析和故障排序N-1分析目的：全部線路中任意開斷一跳線路后，系統(tǒng)的各項運(yùn)行指標(biāo)仍能滿足給定的要求。規(guī)劃初期，主要使網(wǎng)絡(luò)不出現(xiàn)過負(fù)荷，既滿足安全輸送電力的要求。N-1主要用于過負(fù)荷檢驗(yàn)。暫態(tài)校核通過故障帥選。

不滿足標(biāo)準(zhǔn)：引起系統(tǒng)其它線路出現(xiàn)過負(fù)荷或者系統(tǒng)解列

處理方法：擴(kuò)展規(guī)劃，重新校核。故障排序方法：

元件多導(dǎo)致N-1計算量很大。因此采用故障排序的方法，把嚴(yán)重的故障排前面，對系統(tǒng)影響不大的排后面。校驗(yàn)故障時從前面取。

怎樣衡量什么故障對系統(tǒng)影響較大呢？2.輸電網(wǎng)規(guī)劃中可靠性分析和故障排序Pl為線路有功潮流，

為線路傳輸功率。當(dāng)系統(tǒng)中沒有過負(fù)荷時，

小于1，PI指標(biāo)較小。當(dāng)系統(tǒng)中有過負(fù)荷時，過負(fù)荷線路的

大于1，正的指數(shù)項將使PI指標(biāo)變大。因此這個指數(shù)可以概括的反應(yīng)系統(tǒng)安全性。為了突出地反映系統(tǒng)過負(fù)荷的情況，甚至可以用高次指數(shù)項代替式中的平方項。

通過分析PI指標(biāo)對各線路導(dǎo)納變化的靈敏度就可以反映出相應(yīng)線路故障對系統(tǒng)安全性的影響。建立平價的標(biāo)量指標(biāo)：2.輸電網(wǎng)規(guī)劃中可靠性分析和故障排序

該指標(biāo)的值越大，PI增加的越多，說明線路K故障引起系統(tǒng)過負(fù)荷的可能性越大。

通過求解每條線路故障的PI的變化值，變化大的排前面，掃描N-1從前面開始，后面值小的可以忽略。

靈敏度就可以反映出相應(yīng)線路故障對系統(tǒng)安全性的影響。當(dāng)線路K故障時，PI指標(biāo)的變化為：3.發(fā)輸電系統(tǒng)概率可靠性評價上述的N-1靜態(tài)或者暫態(tài)分析都是在特定的場景下的。都是確定性準(zhǔn)則，沒有量化考慮故障發(fā)生的概率。（概率大-后果不嚴(yán)重），因此采用基于概率指標(biāo)的方案對比分析，綜合考慮概率和后果兩個因素。評價模型和邊界條件：發(fā)輸電系統(tǒng)中包括位于不同地點(diǎn)的發(fā)電機(jī)和負(fù)荷，以及輸電網(wǎng)。如果發(fā)電機(jī)全部可用，有可能由于線路單一或多重失效引起電壓越線而消減負(fù)荷。因此中間涉及潮流計算、故障分析以及消除過載、發(fā)電重新調(diào)度、消減負(fù)荷和切換開關(guān)的校正措施。----比較復(fù)雜3.1概述

發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性是指統(tǒng)一并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)綜合組成的發(fā)輸電系統(tǒng)，按可接受標(biāo)準(zhǔn)和期望數(shù)量向供應(yīng)點(diǎn)供應(yīng)電力和電能量的能力的度量。包括充裕性和安全性兩個方面。充裕性是對系統(tǒng)的靜態(tài)特性進(jìn)行概率評價；安全性則是對系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行評價。發(fā)輸電系統(tǒng)風(fēng)險評估的系統(tǒng)分析并非是簡單的連通性問題,它涉及到潮流計算、故障分析以及諸如消除過載、發(fā)電重新調(diào)度、負(fù)荷削減和切換操作等校正措施。其系統(tǒng)狀態(tài)選擇中需要考慮的問題有：系統(tǒng)元件的獨(dú)立停運(yùn)，共因、電站相關(guān)和其他相關(guān)停運(yùn)，氣候影響，母線負(fù)荷的不確定性和相關(guān)性，降額狀態(tài)模擬，以及系統(tǒng)的其他約束條件等。3.發(fā)輸電系統(tǒng)概率可靠性評價3.發(fā)輸電系統(tǒng)概率可靠性評價發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評估隨其要求和目的不同，存在以下三種情況：1.發(fā)電和輸電元件失效均被考慮，這是一種常見的情況。2.只考慮輸電元件的失效，而假設(shè)發(fā)電機(jī)組100%可靠，這既是輸電系統(tǒng)的評估。在這種情況下，針對特殊的研究目的，某些變電站電氣主接線也可以并入到系統(tǒng)評估中一起加以考慮。3.只考慮發(fā)電機(jī)組的失效，而假設(shè)輸電元件100%可靠。應(yīng)當(dāng)清楚，這種情況與發(fā)電-負(fù)荷需求系統(tǒng)風(fēng)險評估并不相同，因?yàn)樵谶@里的評估中仍然要考慮輸電網(wǎng)的約束。3.2充裕度評價的指標(biāo)體系

充裕度指標(biāo)分成負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)和系統(tǒng)指標(biāo)兩類。切負(fù)荷概率PLC

S是有切負(fù)荷的系統(tǒng)狀態(tài)集合；是系統(tǒng)狀態(tài)i的持續(xù)時間，T為總模擬時間。切負(fù)荷頻率EFLC

是有切負(fù)荷的狀態(tài)數(shù)。充裕度評價的指標(biāo)體系(續(xù)）切負(fù)荷持續(xù)時間EDLC每次切負(fù)荷持續(xù)時間ADLC負(fù)荷切除期望值ELC電量不足期望值EENS3.3評估方法基本步驟：1)

元件失效模型2)負(fù)荷曲線模型3)故障分析4)負(fù)荷削減的最優(yōu)化模型5)狀態(tài)枚舉6)狀態(tài)抽樣法——非序貫蒙特卡羅仿真1)基本步驟發(fā)輸電系統(tǒng)風(fēng)險評估主要包括四個方面：確定元件失效模型和負(fù)荷模型；選擇系統(tǒng)狀態(tài)；識別并分析系統(tǒng)問題；進(jìn)行可靠性指標(biāo)計算。方法：狀態(tài)枚舉和蒙特卡羅仿真2)元件失效模型發(fā)電機(jī)組使用兩態(tài)（運(yùn)行和停運(yùn)）或多態(tài)（計入降額狀態(tài)）模型來模擬。當(dāng)使用蒙特卡羅模擬法時，所有發(fā)電機(jī)的狀態(tài)或狀態(tài)轉(zhuǎn)移都可直接抽樣而無需簡化；當(dāng)使用狀態(tài)枚舉法時，系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)隨發(fā)電機(jī)臺數(shù)及其降額狀態(tài)數(shù)呈指數(shù)增長；輸電元件包括架空線路、電纜、變壓器、電容器和電抗器等，通常用兩狀態(tài)（運(yùn)行和停運(yùn)）模型來模擬這些元件；高壓直流輸電（HVDC）線路有時要求用多態(tài)模型來計入一個或多個降額狀態(tài)；3)負(fù)荷曲線模型當(dāng)使用序貫蒙特卡羅仿真時，直接利用時序負(fù)荷曲線作為負(fù)荷模型；對于狀態(tài)枚舉法或狀態(tài)抽樣法，則利用非時序負(fù)荷曲線。使用單一負(fù)荷曲線；某些母線上的負(fù)荷可能在全部研究時間內(nèi)保持恒定；將各個母線負(fù)荷按其遵循的不同負(fù)荷曲線分類為相應(yīng)的母線組；4)故障分析

發(fā)電機(jī)組的預(yù)想故障分析簡單直觀。如果在每個發(fā)電機(jī)母線上余下的發(fā)電容量可以彌補(bǔ)同一母線上由于失去發(fā)電機(jī)而引起的不可用容量，則無需削減負(fù)荷；否則，就應(yīng)當(dāng)使用最優(yōu)化潮流模型來研究發(fā)電容量的重新調(diào)度。

輸電預(yù)想故障分析較為復(fù)雜。其目的是計算一個或多個元件失效后的線路潮流和母線電壓，以識別是否引起線路過載、電壓越限、母線孤立或系統(tǒng)分離成孤島等問題。發(fā)輸電系統(tǒng)風(fēng)險評估中常用的分析輸電故障的兩個基本方法?；诮涣鞒绷鞯撵`敏度法

研究一個輸電系統(tǒng)中線路i—j停運(yùn)情況，假設(shè)i—j停運(yùn)前兩端的潮流是

和，停運(yùn)前母線i和j上有兩個外加注入功率，用和表示。如果外加注入功率完全與線路i—j的停運(yùn)等效?？梢宰C明，線路i—j的潮流和停運(yùn)前狀態(tài)的外加注入功率存在以下關(guān)系：

在母線i和j的這一外加注入功率可通過求解上述方程得出。然后可求解下式獲得由線路i—j停運(yùn)引起的母線電壓幅值增量和相角增量：式中，是停運(yùn)前狀態(tài)的潮流方程雅克比矩陣；是電壓幅值增量，它的元素；是電壓相角增量矢量，其元素是，定義如下：得到母線電壓后，即可計算線路i—j停運(yùn)后的線路潮流。類似方法可以適用于多條線路停運(yùn)的情況?；诮涣鞒绷鞯撵`敏度法（續(xù)）基于直流潮流的故障分析

基于直流潮流的預(yù)想故障分析提供線路停運(yùn)后快速而有足夠精度的有功潮流，風(fēng)險評估中需要考慮大量的這種停運(yùn)情況。多重線路停運(yùn)后的節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣可以由停運(yùn)前的節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣直接計算：式中，、分別是線路停運(yùn)前和停運(yùn)后的節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣，其中忽略了全部線路的電阻；括號中的0和S分別表示系統(tǒng)正常和停運(yùn)狀態(tài)；W是對角線矩陣，其中的對角線元素是停運(yùn)線路的電抗；M是由節(jié)點(diǎn)-線路關(guān)聯(lián)矩陣中對應(yīng)于停運(yùn)線路的列所組成的子矩陣。基于直流潮流的故障分析

線路停運(yùn)后的潮流可由下式計算：是停運(yùn)狀態(tài)的有功潮流矢量；PG和PD分別是發(fā)電輸出和負(fù)荷功率矢量；是停運(yùn)狀態(tài)S的有功潮流和注入功率間的關(guān)系矩陣，其第m行可計算如下：是線路m的電抗；下標(biāo)r和q分別表示線路m的兩端節(jié)點(diǎn)編號；和分別是的第r和第q行。5）負(fù)荷削減的最優(yōu)化模型當(dāng)停運(yùn)引起系統(tǒng)問題時，通過專門的最優(yōu)潮流（OPF）模型進(jìn)行發(fā)電重新調(diào)度，以消除系統(tǒng)約束違限；同時盡可能避免負(fù)荷削減，或者在無法避免時使負(fù)荷削減最小。有兩種模型：基于交流潮流的最優(yōu)潮流模型基于直流潮流的最優(yōu)潮流模型基于交流潮流的最優(yōu)潮流模型是母線i的負(fù)荷削減量；ND、NG、N和L分別是系統(tǒng)中負(fù)荷母線、發(fā)電母線、所有母線以及所有支路的集合?；谥绷鞒绷鞯淖顑?yōu)潮流模型

與基于交流潮流的最優(yōu)潮流模型相比，直流模型中略去了全部與無功功率相關(guān)的量。大量計算表明，對發(fā)輸電系統(tǒng)風(fēng)險評估而言，這是一個可接受的合理簡化。6）狀態(tài)枚舉法主要步驟如下：建立多級水平負(fù)荷模型，對每一級負(fù)荷水平進(jìn)行枚舉；利用枚舉技術(shù)選擇系統(tǒng)狀態(tài)；進(jìn)行預(yù)想故障分析；風(fēng)險指標(biāo)計算公式：負(fù)荷削減概率PLC

是狀態(tài)s的概率；是多級負(fù)荷模型中第i個負(fù)荷水平下系統(tǒng)全部失效狀態(tài)的集合；是第i個負(fù)荷水平的時間長度；NL是負(fù)荷水平分級數(shù)；T是負(fù)荷曲線的時間期間全長。期望缺電電量EENS是狀態(tài)s的負(fù)荷削減量。狀態(tài)枚舉法（續(xù)）期望負(fù)荷削減頻率EELC是元件離開狀態(tài)s的第j個轉(zhuǎn)移率；是離開狀態(tài)s的轉(zhuǎn)移率總數(shù)。

負(fù)荷削減平均持續(xù)時間ADLC實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)枚舉法應(yīng)注意：（1）所有被枚舉的系統(tǒng)狀態(tài)之間必須是互斥的；（2）對于包含有大量元件的系統(tǒng)，要枚舉所有的系統(tǒng)狀態(tài)在計算上是不現(xiàn)實(shí)的。（3）狀態(tài)枚舉法不能模擬時序相關(guān)事件。7）狀態(tài)抽樣法——非序貫蒙特卡羅仿真

狀態(tài)抽樣法常常用于發(fā)輸電系統(tǒng)風(fēng)險評估，尤其是適用于研究復(fù)雜運(yùn)行措施和模擬負(fù)荷不確定性和相關(guān)性，或研究氣候影響等特殊要求的情況。主要步驟如下：建立多級水平負(fù)荷模型，對每一級負(fù)荷水平進(jìn)行枚舉；利用蒙特卡羅模擬選擇系統(tǒng)狀態(tài)；利用正態(tài)分布隨機(jī)變量以計及母線負(fù)荷的不確定性；元件狀態(tài)（運(yùn)行、停運(yùn)或降額）利用均勻分布隨機(jī)變量來模擬；進(jìn)行預(yù)想故障分析，如果必要則還要進(jìn)行最優(yōu)潮流分析，以估計所選擇狀態(tài)需要削減的負(fù)荷量；狀態(tài)抽樣法——非序貫蒙特卡羅仿真（續(xù)）主要風(fēng)險指標(biāo)計算公式負(fù)荷削減概率PLC

是抽樣中狀態(tài)s的發(fā)生數(shù)；是抽樣總數(shù)。期望缺電電量EENS期望負(fù)荷削減頻率EELC負(fù)荷削減平均持續(xù)時間ADLC3.4算例分析——狀態(tài)枚舉法例子例（輸電系統(tǒng)可靠性分析）：系統(tǒng)接線圖如下圖所示，各母線節(jié)點(diǎn)的發(fā)電、負(fù)荷數(shù)據(jù)和輸電線路數(shù)據(jù)如表。發(fā)電和負(fù)荷母線數(shù)據(jù)母線號發(fā)電負(fù)荷額定容量MW調(diào)度出力MW%MW110010010.58020031.624032002005.24040021.116050031.6240675046000總計1050760100760輸電線路數(shù)據(jù)線路號母線節(jié)點(diǎn)起至號長度Km阻抗最大傳輸容量MWRX11--2400.10.410021--4600.150.68031--5200.050.210042--3200.050.210052--4400.10.410062--6300.080.310072--6300.080.310082--6300.080.310093--5200.050.2100103--5200.050.2100114--6300.080.3100124--6300.080.3100135--6610.150.61100停運(yùn)線路號母線節(jié)點(diǎn)號LSC系統(tǒng)供電能力不足MW正?！?75011--2867021--4865031--5879042--3879052--4874062--67362472--67362482--67362493--58030103--58030114--6649111124--6649111135--67910確定導(dǎo)致系統(tǒng)故障的事件

停運(yùn)線路號原始數(shù)據(jù)MTTR(h)MTBF(h)停運(yùn)率正?！?0.6450021——182000.040.02687510.0033593928133.30.060.04117040.00514629384000.020.01316330.00164541484000.020.01316330.00164541582000.040.02687510.0033593968266.70.030.01994850.0024935778266.70.030.01994850.0024935788266.70.030.01994850.00249357984000.020.01316330.001645411084000.020.01316330.00164541118266.70.030.01994850.00249357128266.70.030.01994850.00249357138133.30.060.04117040.00514629系統(tǒng)停運(yùn)數(shù)據(jù)及狀態(tài)概率、狀態(tài)頻率算例分析——狀態(tài)枚舉法例子計算結(jié)果(續(xù)1)確定性可靠性指標(biāo)發(fā)電利用系數(shù)輸電儲備系數(shù)最小負(fù)荷供應(yīng)能力MW最大電力不足MW最大電量不足kW·h概率性可靠性指標(biāo)電力不足概率（LOLP）電力不足頻率（FLOL）電量不足期望值（EENS）單位負(fù)荷缺電率（BPII）單位負(fù)荷電量不足率（BPECI）

算例分析——狀態(tài)枚舉法例子計算結(jié)果(續(xù)2)3.4算例分析——狀態(tài)抽樣法算例IEEE-RTS年度化指標(biāo)蒙特卡羅法和狀態(tài)枚舉法計算結(jié)果比較可靠性指標(biāo)蒙特卡羅仿真狀態(tài)枚舉樣本數(shù)目發(fā)電機(jī)停運(yùn)層次100001000004層5層ENLC54.7534257.9268147.9665354.21938EDLC698.88737.23102657.78259711.28967PLC0.080.084390.07530.08142EDNS13.9704514.8720811.99383