（电力系统及其自动化专业论文）市场环境下的电力系统安全定价研究.pdf

摘要 用机会约束规划理论来解决电力系统的安全定价方法，针对安全 成本的主要构成因素：发电侧备用容量和可中断负荷的实际运行 特点，文中将其作为随机变量来求解，约束条件以概率的形式表 示。 鉴于本文问题是一个复杂的机会约束规划，f 直接求解困难， 文中给出了基于蒙特卡罗仿真和遗传算法的求解方法，用 i e e e 3 0 节点测试系统设计了两个试验方案，通过对这两个方案 的计算论证与比较分析，验证机会约束规划方法解决该问题的有 效性。 文章最后总结了本文的主要内容、成果和结论，并指出了今 后进一步的研究方向和重点。 关键词：电力系统；安全定价；机会约束规划；遗传算法；蒙特 卡罗仿真 a b s t r a c t s e c u r i t yp r i c i n gm e t h o d o l o g yi n t h ed e r e g u l a t e de l e c t r l c l t ym a r k e t s t h ep o w e ri n d u s t r yi nc h i n ai sn o wu n d e rt h ew a yo fm a r k e tr e f o r m i n g i nt h e n e w e l e c t r i c i t ym a r k e te n v i r o n m e n t s ，t h ec o n f l i c tb e t w e e np o w e rs y s t e ms e c u r i t ya n d e c o n o m i c a l o p e r a t i o ni s m o r ea n dm o r es e r i o u s i nc o n t r a s t t o m o n o p o l y e n v i r o n m e n t s ，t h eo p e r a t i o nm o d e so f p o w e rs y s t e ma n db e h a v i o r so f e a c hp a r t i c i p a n t i nm a r k e te n v i r o n m e n t si sc o n s i d e r a b l yd i f f e r e n t ，t h es e c u r i t yo p e r a t i o no fp o w e r s y s t e mi sf a c i n g 觚u n p r e c e d e n t e dc h a l l e n g e h e n c e h o wt od e v e l o pe f f e c t i v e s t r a t e g i e st o c u r eo fp o w e rs y s t e mo p e r a t i o n sh a sb e c o m eam a j o rr e s e a r c h t o p i c t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h es t u d yo f s e c u r i t ys t r a t e g i e sa n ds e c u r i t yp r i c i n g i nt h ee l e c t r i c i t ym a r k e te n v i r o n m e n t s ，a n do b t a i n ss o m eb e n e f i c i a lr e s u l t s a sa na u x i l i a r ys e r v i c em e t h o di nt h ed e r e g u l a t e de l e c t r i c i t ym a r k e t ，as e c u r i t y p r i c i n gm e t h o di sp r o p o s e di nt h i sp a p e rt os o l v et h ep r o b l e mo fs e c u r i t yo p e r a t i o no f p o w e rs y s t e mi nt h ec o n t e x to fd e c r e a s i n gs e c 谢t yr e g i o n t h i si sa n e c o n o m i c m e t h o d i tc a ne f f e c t i v e l yt a k e sa c c o u n to ft h eb e n e f i to fe a c hp a r t i c i p a n ti nt h e m a r k e ta n dp r o v i d ead e c i s i o n - m a k i n gm e t h o df o re l e c t r i cp o w e rf a i rd i s p a t c h i n g c e n t e r f u r t h e r m o r e ，i tc a l la l s ol e a dt h el o n gt e r mc a p i t a li n v e s t m e n ti nt h ee l e c t r i c i t y m a r k e t b ya n a l y z i n gt h ec h a l l e n g e st h a ts y s t e ms e c u r i t yc o n t r o li sf a c i n gw i t h ，t h e m e t h o dg i v e sam e a s u r et os e c u r ep o w e r s y s t e mo p e r a t i o na n ds t a b i l i t y ，a n dd i s p l a y s t h ei m p o r t a n c eo f s e c u r i t ym e a s a r ea tt h ep r e d i c t i v ec o n t r o lp h a s e i no r d e rt om a i n t a i nt h es y s t e ms e c u r i t yb ym e a n so fa n c i l l a r ys e r v i c e ，s e c u r i t y p r i c i n gt h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ee l e c t r i c i t ym a r k e ti ss t u d i e d b ya n a l y 出gt h e r i s ko f s e c u r i t ya n ds t a b i l i t yi np o w e rs y s t e m s ，c o n s i d e r i n gv a r i o u se o m p o s i n gf a c t o r s i a b s t r a c t o f s e c u r i t yc o s t ，t h eb a l a n c eb c t w 1s e c u r i t yc o s ta n ds e c u r i t yp r i c i n gi ss o l v e da sm o p t i m i z a t i o np r o b l e m d u et ot h es t o c h a s t i cc h a r a c t e r i s t i c so f e a c hc o m p o s i n gf a c t o r ，s u c h 勰g e n e r a t o r s t a t u so fp o w e rp l a n t ，s t a t u so ft r a n s m i s s i o ns y s t e m ，p o w e rs y s t e m sl o a d u n c e r t a i n t y ，e t e ，t h i sp a p e rp r o p o s e sac h a n c ec o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n g ( c c p ) m o d e lt os o l v es e c u r i t yp r i c i n go f p o w e rs y s t e m s s t o c h a s t i cv a r i a b l e sa r ei n t r o d u c e d t od e s c r i b et h eg e n e r a t i n gl e s o r v ea n di n t e r m p t i b l el o a d ，a n dt h ec o n s t r a i n t sa r c e x p r e s s e di np r o b a b i l i t yf o r m sa c c o r d i n g l y t oo v e r c o m et h ed i f f i c u l t yi ns o l v i l l gc c p p r o b l e m ，ag e n e t i ca l g o r i t h mb a s e d o ns t o c h a s t i cs i m u l a t i o nt e c h n i q u ei sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h eo p t i m i z e ds e c u r i t yc o s t a n ds e c u r i t yp r i c i n g i nt h i sp a p e rt w op r o j e c t so nt h ei e e e 3 0t e s ts y s t e ma r e d e s i g n e d ，a n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo f t h em e t h o d f i n a l l y ，t h i sp a p e rs u m m a r i z et h ei m p o r t a n tc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n s ，a n dp o i n t s o u td e v e l o p m e n tr e s e a r c hi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：p o w e r s y s t e m ；s e c u r i t yp r i c i n g ： c h a n c ec o n s t r a i n e d p r o 彬瞄m i n g ；g e n e t i ca l 鲥岫；m 。n t ec a r l os i i n u l a t i o n i v 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 由于电力的特殊性质，多年以来世界各国的电力行业都是传统的垄断 性行业，无一例外地实行发、输、配、售垂直一体化的垄断性结构。随着 现代科技和经济理论的发展，自2 0 世纪8 0 年代末以来，电力行业改革的 浪潮席卷全球。电力改革的重点是建立竞争性的电力市场，打破传统的垂 直一体化的行业垄断组织结构，引入竞争机制。电力改革的目标在于提高 电力生产效率，降低电价，优化资源配置，达到社会效益最优。 从1 9 9 8 年开始，我国以“厂网分开，竞价上网”为指导方针在电力 行业进行市场化改革，我国各大区电网也正逐步进行以资源优化、提高运 行可靠性和稳定性、促进大规模电力系统安全经济运行为目标的电网互 联，从而为跨大区乃至国家级电力市场的建立创造良好的系统环境。 电力市场改革虽然能打破垄断，使电能像普通商品一样自由交易，并 通过市场机制使电能创造更大的经济效益。但是，在市场环境下，电力系 统运行的经济性与安全性的矛盾却更加突出。与垄断时期相比，电力市场 环境下各市场参与者的运营方式和经济策略有了很大的不同，电网安全运 行面临着前所未有的挑战。在提高经济效益和资源优化利用的同时如何确 保电网的安全、优质、稳定、可靠运行，已成为电力系统领域全球范围的 重大问题。 在大规模的市场化改革和跨大区电网互联的环境下，系统的运行条 件、稳定裕度、备用容量以及对突发事件的应变能力都与以前大相径庭， 这些发展给电力系统的物理及经济安全稳定性带来了严峻的挑战。在美国 继1 9 9 6 年和2 0 0 0 年的两次电力灾难之后，于2 0 0 3 年8 月1 4 日又发生了” 美加大停电事故，酿成了有史以来最大规模的停电灾难。在其后的十几天 内，伦敦电网也发生了大停电事故，这些因稳定破坏而发生的事故造成了 巨大的经济损失1 ，2 1 。为避免大停电事故的再次发生，文献【3 】中指出电力 市场稳定性与电力系统稳定性的关系，强调应该在统一的框架下考虑电力 系统经济问题和技术问题的交互作用。因此，研究适应于市场体制的电力 1 第1 章绪论 系统安全经济性问题已成为必需。近年来，对系统安伞经济性问题的探讨 正在逐渐被人们所关注 4 - 1 4 。 合理的安全可靠性水平总是与经济性相联系的。安全可靠性与经济性 的协调研究主要是分析安全可靠性水平高低与投资、运行成本大小的变化 关系，从而为定量评估安全可靠性的效益提供了一条途径。在电力市场环 境中，安全可靠性与经济性的协调研究，有更重要的意义，是规划、运行 决策的重要辅助信息。8 1 4 美加大停电发生后，人们在不断地思考事故发 生的深层次的原因。放松管制和市场化机制的强化，从本质上促使电力公 司对利润更加关注。从而有可能产生使电力企业对安全可靠性的投入弱化 的现象。现时这种短期现象的出现，最终将对电力企业长期经济性产生不 良的影响。 根据我国的电力改革形势，不断改善并保持较高电力系统安全可靠性 水平，是推进市场化改革的必要前提。而认真做好安全可靠性与经济性的 协调研究，是实现传统安全可靠性评估，管理体系向市场环境过渡的必要 纽带。在传统的一体化垄断环境中，安全可靠性与经济性协调的目标是实 现社会资源的综合优化配置，使得总成本最小；而在电力市场中，安全可 靠性与经济性协调的目标则更多定位在一定的资源基础上的利润效益最 大化。这种研究目标的变化，也给系统安全研究工作带来了新的挑战。 随着以厂网分离为主要特征的市场化改革的逐步推进，发电商、电网 公司等各机构均将追求利润最大化作为自己的主要目标，电力系统的安全 性就被放在了次要位置。要在他们追求利益最优的同时，也使电力系统的 安全得到维护，就需要有效降低系统维护安全的成本，因此本着最小化安 全成本，采用安全电价手段来解决系统安全的经济性问题有着实质性的意 义。 市场环境下影响电网安全运行的因素很多，不仅有来自电网本身的影 响，还包括大量的非技术方面( 如经济、市场对策) 的影响，它们相互作 用并对电网的安全运行产生重要影响。本文提出采用安全电价的手段束调 整电网在不安全状态下的安全运行，主要从电力系统安全稳定性的概述、 安全电价模型及意义、机会约束规划理论及其在安全电价中的应用等几个 方面详细论述了电力市场条件下保证电网安全运行的策略并建立了相应 的随机优化安全成本的模型，并基于此计算出安全电价，通过安全电价这 2 第l 章绪论 种经济杠杆来维护系统的安全稳定运行，对电力工业的发展、保障市场环 境下的电网安全稳定运行和电力市场化改革的健康发展具有现实的意义。 1 2 国内外的研究现状和发展动态 电力系统的安全问题是国内外电力系统运行研究课题的重点，在实际 的电力系统运行中，安全性也是人们关注的首要问题。对于在电力工业的 市场化改革的背景下，如何维护系统安全性研究已经引起人们的广泛关 注。但是，到目前为止，对安全定价的研究正处在一个探索阶段，还没有 形成一个权威的共识。关于定价方面的研究较多的仅是发电上网定价、输 配电定价及其它辅助服务定价等。 电力市场中的定价方法是电力市场相关理论研究的重点。因为价格作 为一个平衡市场供需关系的工具，和整个市场的结构和运营机制息息相 关，是市场经济的重要基础。一个合理的定价方法制定出来的价格必须具 备以下功能： 1 ) 、能够保证生产成本的有效回收、 润； 生产者的扩大再生产及合理的利 2 ) 、能够提供一定的经济信息，指引市场的供需平衡。 定价方法一般可以分为会计学方法和经济学方法两类，前者是以回收 成本为目的，即根据生产总成本和应得利润的大小制定出相应的电价；而 后者是以实现资源的最优配置为目的，根据系统的边际成本制定电价。这 两种方法各具特点，并都在实际中有广泛的应用。 对于电力市场而言，定价的主要对象是有功电能，目前考虑较多的是 发电和输电费用。随着电力市场的发展，辅助服务的市场化已成必然趋势， 因此作为辅助服务重要内容之一安全定价也成为一个值得讨论的课题。 1 2 1 国外研究现状 在国外，文献d s 较早的提出了安全价格的基本概念和算法的基本框 架。文献将安全性定价进行了数学性的描述，通过事故支持申报( 市场参 与者在运行时决定他在系统事故时能给予的支持容量，可以是增加发电， 也可以是减少用电。其总量构成事故申报) ，将发电商和用户( 供应侧和 3 第1 章绪论 需求侧) 公平对待，推导故障期问发电与用电的价格和故障的概率信息， 已达到通过个体经济最优的结果，但是这种方法在理论上需要进一步的探 讨和完善，在实践上仍需提高实用性。 文献 1 6 】对在电力市场环境下，电力系统安全价值进行了分析和认识。 文献 1 7 】基于风险评价技术及其应用和经济理论，分析了电力系统稳态安 全评估的确定性方法和概率方法的不同，提出了在市场环境下稳态安全定 价的一种新方法，权衡技术和经济，给出了一个数学模型。文献 1 8 运用 线性规划和动态规划，提出了以维护电力系统的安全为目的，机组重新制 定起停计划的方法。文献0 9 运用边际成本，用多目标最优潮流手段解决 系统安全定价，但是这种解决方法对市场参与者是复杂的，不透明的。 文献 2 0 、2 1 、2 2 都是基于风险的安全评估方面的文章，在文献 2 1 1 中结合事故发生的不确定性进一步提出了安全成本的发展框架。文献 2 3 1 仅考虑事故不确定性因素的安全成本评估对于市场参与者提出了一个透 明的评估方法。文献【2 4 】运用灵敏度分析法计算可用传输容量下的安全定 价在市场的作用效果。文献【2 5 】运用风险策略制定系统的安全成本，文章 提出可用传输容量的概率论方法能评估系统安全的市场交易效果。文献 【2 6 】中采用暂态能量函数的方法，提出了电力市场环境下根据发电商呈报 的发电改变量报价的发电再调度方法，该法试图在维持系统暂态稳定的同 时，使安全性控制费用最小。 在文献【2 7 】中提出了一种适合一般竞争模型的安全性定价方法。它把 电价分成三部分：发电燃料成本、辅助服务成本和系统安全成本。系统安 全成本是指在多个可信预想事故的情况下维持系统安全的成本，它能够量 化为系统部分断电的成本期望值。该文有两点不足：模型是确定性的， 没有考虑发电储备容量、负荷等的随机性因素；该方法没有考虑各种预 想事故发生的概率。 在文献 2 8 】中证明了理想的备用容量价格应该等于额外容量需求的边 际收益，并将改思想扩展应用于分散决策系统中，也同时指出了实际应用 该方法时的主要困难。文献【2 9 】提出了一种将确定性和随机性方法相结合 的方法，可以提高运行备用需求评估的有效性，并利用成本效益分析方法 得到了运行备用价格。文献 3 0 1 提出了一种基于危险性指标的系统安全性 和经济性的折衷原则，然而这些危险性指标乃是针对若干个给定的离散的 4 第1 章绪论 运行条件和一组预想事故而言的。对于在连续的可行域( 域内每一点对应 于系统一个可行的运行条件) 内寻优的情形，该文没有给出具体可行的方 法。 、 文献【3 1 】提供了一种计及暂态稳定性约束的最优发电再调度的方法， 但其目标是使临界线路潮流尽可能地接近其极限值，使发电的改变量最 小。文献【3 2 】讨论了旋转备用定价问题，这一模型通过将用户因断电而获 得的赔偿费用加入到目标函数中以体现这样一种思想：由于发电容量或传 输容量不足而造成的供电事故将导致社会总效益的减少。 1 2 2 国内研究现状 在国内，部分文献谈到了一些维护系统安全性的相关思想，文献 3 3 1 分析了市场改革给电力系统安全稳定控制系统带来了许多挑战，对维护系 统的安全提出了一些设想。文献【3 4 】从电网运行、电网规划、电力系统维 修、反事故自动装置等几方面，探讨了市场环境下电力系统的安全可靠性 问题，提出了安全性和经济性的融合，系统安全指标的执行和市场参与者 的经济预期相关联。 文献 3 5 1 对电力市场条件下的电力系统规划和可靠性问题、运行方式 与可靠性问题、辅助服务与可靠性问题、电力市场条件下的继电保护与安 全控制进行了探讨，指出必须全面审定并研究和制定新的安全运行导则。 文献【3 6 】通过美加大停电的事故剖析，从思维方式上和技术方面总结教训， 提出维护电力系统和电力市场安全稳定性的方法。文献【3 7 】提出一种电力 、市场环境下的电力系统安全成本优化模型及算法，该模型计及了暂态稳定 性约束、事故发生概率及系统失稳损失。 文献3 8 介绍了基于风险的安全性评估方法的基本原理以及如何获取 线路发生故障的概率和故障导致暂态失稳的概率，提出暂态失稳的后果模 型，并在此基础上建立完整的风险指标。文献 3 9 】以有功，无功电费最小 为目标函数，构造了适用于合同交易和非合同交易共存的电力市场安全预 防再调度和安全校正再调度数学模型，此模型可用线性规划求解。文献 f 4 0 5 0 探讨了电力市场中市场模式的设计、相关服务定价分析及数学模7 型，给本论文在定价模式与策略分析方面一些相应的启示。 综上所述，前人所讨论分析的维护系统安全性的相关经济方法和手段 第1 章绪论 存在着某种不足之处，事实七军今仍缺乏在计及静态稳定约束下寻求系统 安全性与经济性之间平衡点的系统有效方法。 1 3 本论文的研究工作及主要成果 本论文提出电力调度交易中心可以运用安全电价这个经济杠杆，使得 每一个市场参与者在追求自身最大利益的同时，还能共同维护系统的安 全。通过安全电价的刺激和信息交换，使得全社会利益最优。相对于传统 的安全管理方法来讲，通过安全定价维护系统安全，体现了电力市场环境 下公平竞争的原则，能有效激励发电商、用户参与系统安全维护。 安全定价问题所研究的内容是：在市场的环境下电力系统所面临的安 全风险；如何界定安全成本与价格；针对安全成本构成因素的特征，采取 何种手段来解决安全定价；从而通过对安全定价将系统安全性融入到经济。 性中，激励市场中所有参与者通过调节系统的供需关系，来维护系统安全。 本文的主要内容安排如下： 第1 章主要阐述了论文的研究背景及意义。 第2 章通过分析电力市场环境下的电力系统的安全控制所面对的挑 战，提出了市场环境下保证电网安全运行的应对措施及稳定控制过程，强 调了在预防性控制阶段采取安全措施的重要性。 第3 章分析了电力市场环境下安全电价理论，论述了电力市场环境下 电力系统的安全稳定风险。提出了安全成本与安全电价的定义，对安全成 本进行了数学建模及定性分析。 第4 章根据安全成本的构成因素的特点，提出了一种机会约束规划理 论，机会约束规划作为本文工作的理论基础，然后介绍求解机会约束规划 问题的遗传算法和随机模拟技术的基本原理。 第5 章重点分析了安全成本的优化计算模型，即基于随机模拟的遗传 算法的算法分析，进而求解出安全电价，并将安全电价对系统安全的物理 及经济作用予以解释。以i e e e 3 0 节点为算例，进行分析论证。 第6 章总结了本文的主要内容、成果和结论，并指出了今后进一步研 究的方向和重点。 6 第2 章电力系统安全性概述 第2 章电力系统安全性概述 本文重点分析了市场环境下安全稳定性在电力系统运行中所面临的 新问题及所采取的控制措施。在垄断的情况下，发，输：配的规划和调度 是统一进行的。传统的电力系统安全分析考虑的是最不利的情况，系统一 般都有较大裕度，其发电、输电能力没有得到充分的利用，电力系统的主 要目标是保证系统安全的情况下尽可能地满足用电的需求。 在电力市场环境下，电力系统运行的主要目标是在保证系统安全的情 况下使各参与者的经济利益最大化。为此，要最大可能的利用现有系统， 实时地了解系统确切的运行状态和安全稳定裕度，在系统出现安全问题时 快速的制定安全控制策略，尽量减小经济损失，从而增加整体经济效益。 2 。1 市场环境下电力系统安全运行面临的挑战t 目前，在世界上已有不少的电力市场投入运营，有关如何提高电力系 统安全稳定运行水平的研究成果层出不穷，但电力系统的安全稳定运行一 直是困扰电力系统工程人员的最大问题。尤其电力市场环境下，影响电网 安全的因素不仅来自电网本身的特征，还包括大量的非技术方面( 经济、 市场策略等) 的柔性影响，多方面的综合因素使电网的安全运行环境有了 很大变化。 传统电力系统的运行策略是统一集中运行的，而在电力市场环境下的 各参与者的决策是分散进行的，因此首先必须建立市场规则来有机管理市 场中各参与者的行为垆卜5 6 】。电力市场规则主要包括：电力市场运营模式、 定价方法、结算规则、电网安全运行的可靠性准则、电力市场调度运行规 则等。其中电力市场运营模式主要由竞争模式、交易模式、交易时序模式、 市场的结构模式等构成，电力市场运营模式是电力市场运营的基础。 电力市场的定价方法、结算规则包括：主能量市场的定价和结算( 如 按市场清除电价还是按实际报价来结算) 、辅助服务市场的定价和结算 5 7 , 5 s 、阻塞定价、输电定价等。不同的定价方法、结算规则对电力市场的 运行会产生不同的影响 5 9 , 6 0 1 。例如对于备用容量的定价问题，如果备用容 ， 第2 章电力系统安全性概述 量过多，定价过高，会不必要的提高边际电价；如果过低，又会在负荷低 的时段内驱使效益较低的发电机组过快退役。这样，当发生预料外的高负 荷时期，或重要设备强迫停运时，电力市场将出现不安全、不稳定现象， 进而影响电力系统的稳定性1 6 ”。 对电网运行部门来说，电力市场改革必然使输电网的空余容量得到充 分利用，从而加重电网的负担，一旦出现故障，系统中的潮流将瞬间内重 新分白，很可能导致线路过载、发电机切机和较严重的失电情况，因此需 要制定出新的电网可靠性标准和运行准则。可靠性标准包括：输电系统的 n 1 标准、备用容量、系统的静态和暂态稳定储备、电源和电网规划设计 标准等【3 4 1 。目前许多国家都在研究如何制订符合电力市场要求的可靠性准 则，其中比较典型的是n e r c ( 北美电力可靠性协会n o r t ha m e r i c a n e l e c t r i c r e l i a b i l i t y c o u n c i l ) 在1 9 9 7 年公布的( 执行细则) 【6 2 1 。 传统的电网运行调度是根据负荷预报确定开停机计划，并根据电能的 质量对负荷、发电实行统一控制。进入电力市场后，发电t 输电、配电等 成为独立核算的实体，调度、控制等都必须依据平等、经济的原则，不再 存在上下级的关系。经济性被提到了前所未有的高度，调度部门的行为都 是经济行为，不仅正常的功率缺额要受到经济惩罚，而且意外停电也要根 据有关协议进行核算，确定对损失的赔偿。电力市场环境下的经济调度迫 切需要新的电力系统经济学理论的指导，主要涉及电价政策、负荷模型、 用户响应、停电损失、最优功率交换、交易风险评估等。 传统安全约束调度是保证系统安全的前提下进行最小成本调度。电力 工业市场化改革后，安全约束调度更加复杂。出现很多独立发电厂和商业 发电商，其电力交易以双边合同形式制定并在实时市场中执行，加剧了市 场运行和系统调度的波动性，使安全约束调度更加困难。 对于市场环境下的电力系统安全运行来说，制定公平、合理、有效的 规则是至关重要的。在过去的1 0 年中，由于竞争的压力、市场规则的不 完备，一些电力公司受到成本的压力，不得不降低或取消投资，较少运行 费用，其结果在系统层次上反映为延长设备的寿命期，简化系统和变电所 的接线；在发电层次上则减少冷、热备用。这些措旌都会在一定程度上影 响对用户的服务质量。 合理的市场规则是保证系统安全的最基本条件，在短期，市场规则要 8 第2 章电力系统安全性概述 提供一种激励机制，如使发电容量、电网输电容量能被有效地使用并积极 降低电厂的地区性市场力；在长期，保证有充裕的发电容量、保证电网有 足够的投资和合理的结构。用市场规则来保证对系统安全稳定和已经出现 的安全稳定问题的责任公平地分摊，以激励有关市场参与者加强系统安全 稳定的投资和建设，增强系统的安全稳定水平。 2 2电力系统安全性的理论研究 2 2 1 电力系统安全性的概念解释 电力系统的安全性是指电力系统处于某种运行状态，在各种扰动条件 下防止扰动导致全部或部分停电的能力，以及在更严重扰动下导致停电时 恢复供电的能力。电力系统的安全性分析通常采用确定性的方法，也就是 利用潮流和稳定性程序研究电力系统的实时运行方式是否满足安全运行 条件。当讨论电力系统安全性时，由于其涉及的内容相当广泛，图2 1 可 以帮助我们更清楚地了解其内容。通常，安全性分为静态安全性和动态安 全性两部分，其中静态安全性又包含过载安全性和电压安全性，同时每一 部分又有各自的子问题。鉴于电力系统安全性的广泛面，我们在本论文中 仅从安全性中的某一予问题进行研究。 安全性一般采用确定性指标表示，例如最常采用n r l 准则，以及在某 一特定故障下能否维持稳定或正常供电等。现在也有学者在进行概率性安 全指标的研究。我国电力系统的安全准则规定于电力系统安全稳定导 则、电力系统技术导则、电力系统设计技术规程等文献中，主要内 容有： 1 ) 发电系统的总备用容量不得低于系统最大发电负荷的2 0 2 5 。 2 ) 输电系统任一电网设备( 变压器、线路、母线) 事故切除时，其他元 件不应超过事故符合的要求：对于受端主干网络，当失去任一元件时， 应保持系统稳定和正常供电；电源接入系统的送电回路失去一回路时， 一般应能保持系统稳定和正常送电，对于长距离的超高压重负荷送电 回路，必要时允许采取措施以保证事故后的系统稳定；向弱电源终端 地区供电的同级电压网络二回及以上线路中失去任- 回路后，应分别 保证地区负荷7 0 8 0 ；核电厂的送出线路中任一回路检修停运， 9 第2 章电力系统安全性概述 另一回路又突然故障，应能按维持机组安全运行的出力输电等。 图2 1 电力系统安全性 f i g 2 1s e c u r i t yo fp o w e rs y s t e m 3 ) 电力系统在运行中应有足够的静态稳定储备，要求在正常运行方式或 正常检修运行方式下，按功角判据计算的静态稳定储备系数k 。酎1 5 2 0 ) ，按无功电压判据计算的静态稳定储备系数k a _ ( 1 01 5 ) ，在事 故后运行方式和特殊运行方式下，k p _ 1 0 ，k ，8 。 4 ) 电力系统发生大扰动时的暂态安全标准分为四类描述 6 3 , 6 4 l ，这里就略 写了。 此外，在整个系统或某一局部系统失去主要电源，或因解列产生有功 功率不平衡，均不得导致频率崩溃。在负荷集中地区，当突然失去外部电 源或本地区大机组跳闸或失磁时，均不得因缺少无功功率而导致电压崩 溃。 在电力系统中有可能出现各种干扰，比如雷击等自然灾害，设备缺陷 造成的设备故障，负荷突然增加等。这些干扰都会给系统的安全运行造成 威胁。所以，一个好的电力系统必须具有经受一定程度干扰和事故的能力。 这里注意的是，在讨论电力系统安全性时，都是相对于某些特定的运行方 式和某些特定事故形式而言的，因为要求在所有可能出现的事放下都保证 安全性是不可能的，或者要求很高的经济代价。 2 2 2 影响电网安全水平的因素 i o 第2 章电力系统安全性概述 根据国内外电力系统重大事故的分析，除了自然因素外，影响电网事 故发生和发展的主要因素有电力系统规划设计方面、设备组件方面、继电 保护方面、运行管理方面、通信和信息收集系统方面、运行人员方面等。 根据我国近几年的事故统计，在稳定破坏事故中，约有1 2 3 发生在电网结 构薄弱的电力系统中。 世界上部分国家的电力系统曾发生过许多严重的大面积停电事故，造 成了重大损失。下表2 1 列举了世界上一些著名的大停电( 影响容量 5 0 0 0 m w 以上) 事故。 表2 1 世界大停电事故举例 t a b 2 1t h ee x a m p l eo fp o w e rs y s t e mb l a c k o u t si nt h ew o r l d 停电规模 事故系统发生日期 影响容量最长停电时f 事故原因 ( m w | ) 间( h ) 美国东北 输电线路过负荷连锁跳闸，系 部 1 9 6 5 1 1 92 5 0 0 01 3 统稳定破坏，频率下降 美国p j m 1 9 6 7 6 5 1 0 0 0 01 2 输电线路过负荷跳闸，连锁 系统 反应，系统失去稳定 美国纽约 多重雷击，系统解列，甩负 系统 1 9 7 7 7 1 35 8 0 02 5 荷，电缆系统过电压，发电 机跳闸 加拿大魁 1 9 7 7 9 ，2 01 0 0 0 06 5 电压互感器爆炸，母线故障， 北克系统系统失去稳定 输电线路过负荷，无功不足， 法国系统 1 9 7 8 1 2 1 92 9 0 0 08 5 电压崩溃 加拿大魁 1 9 8 2 1 2 1 41 5 3 0 07 电流互感器爆炸，多重短路， 北克系统稳定破坏 美国西部 1 9 8 2 1 2 2 2 1 2 4 0 03 5 铁塔倒塌，扩大事故 系统 l r 隔离开关故障，多重故障， 瑞典系统 1 9 8 3 1 2 2 71 1 4 0 0 5 3 母线保护动作，稳定破坏 日本东京 1 9 8 7 7 2 38 1 7 03 4 负荷增长过快，无功不足， 系统电压崩溃 加拿大魁 1 9 8 93 1 39 4 5 02 7 地磁暴 北克系统 第2 章电力系统安全性概述 在电力系统的实际运行中，事故的发生和发展往往与系统的运行方式 有很大关系。根据我国近年柬稳定破坏的事故统计，其中与运行管理有关 的约占事故的7 2 ，如表2 2 所示。所以，为了保证系统安全运行，应该 以预防为主，对运行中的系统机构和运行方式进行定期的运行预想分析， 并结合导则的规定和运行经验及具体环境条件，对选定的各种预想事故进 行分析并规定出一系列的事故处理方法。 表2 2 运行管理相关的电网安全事故统计 t a b 2 2t h ea c c i d e n ts t a t i s t i co fo p e r a t i n gm a n a g e m e n tc o r r e l a t i v ep o w e r s y s t e ms e e u r i t y 蚌一 占事故总数的比 分类 运行管理方面嗨问题 例( ) f ： 对正常或检修运行方式为进行应有的稳定计算 分析，在负荷增长或受电侧发电出力减少时， 1 6 6 静态稳定破未能控制潮流 坏 由于无功不足，线路长，负荷重，或将发电机 _ 自动调整励磁退出运行，或误减励磁造成运行l o 5。 电压大大下降，电压崩溃 对发电机失磁是否会引起稳定破坏未作分析计 1 5 7 算，未采取预防措施 暂态稳定破 高低压环网运行方式考虑不当，或环网运行时 1 4 8 未采取相应的解列措施 坏 未考虑严重的故障( 主要是三相短路) ，又未能 5 7 采取有效措施 未考虑低压电网故障对稳定的影响 8 6 其他方面事故 2 8 1 合计 1 0 0 资料柬源：中国电力百科伞书一电力系统卷，统计年：1 9 9 11 9 9 5 电网结构一旦确定下来，适时调整运行方式，继电保护和自动安全控 制装置是保证系统安全稳定运行的最基本和最有效的方法。同时，为了保 证系统安全运行，应该以预防为主，对运行中的系统结构和运行方式进行 定期的运行预想分析，并结合导则的规定和运行经验及具体的环境条件， 对选定的各种预想事故进行分析并规定出一系列的事故处理方法。预想事 第2 章电力系统安全性概述 故是最积极的反事故措施。电力系统安全分析就是用预防事故来检验安全 分析，判断系统是出于安全正常状态还是警戒状态。在运行方式的安排上， 要考虑足够的旋转备用和冷备用，以及他们的合理分布。 2 。3 电力系统的运行状态和安全控制措施 电力系统正常运行状态必须满足两个条件，即：系统中任一节点的有 功功率和无功功率应平衡；系统中各节点或各元件的某些电气参数( 如系 统频率、节点电压、线路电流，发电机负载和功角等) 不应超过允许偏差。 对电力系统的正常运行状态用两组约束条件来确定，如式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 所 刁： 1 ) 功率平衡方程式，即负荷约束条件 p - v , q ( qc o s 易+ 吃s i n 岛) = o j f q 一以q ( qs i n 0 # 一岛c o s e ) = o f ，“ 式中，i 一节点，与j 相联系，其中包括_ ，= f ； 谚，u 一节点i 的电压相位角和幅值； 口，u 一节点_ ，的电压相位角和幅值； 只，q 一节点珀q 有功和无功注入功率； q + 成一节点导纳矩阵的相应元素。 2 ) 运行约束条件 各节点的电压幅值u 、节点间电压相位差曰、 机组的功率p 及q 应在一定范围内 。 u ：董u t s u ； ( 2 一l a ) ( 2 - 1 b ) 各支路的潮流s 发电 ( 2 - 2 a ) ( 2 - 2 b ) ( 2 - 2 c ) 只卫丑。 ( 2 2 d ) 纠口j q ? j ( 2 2 e ) 式中右上角标，“，m 分别表示下限、上限和最大值。 根据对上述约束条件的满足程度，电力系统的运行状态一般可分为安 计 h 够凹 、 v i 阮b # 一 第2 章电力系统安全性概述 全正常状态、警戒状态、紧急状态和恢复状态等。随着运行条件的变化， 电力系统将在各种状态问进行转变。如图2 2 所示。 厂= 二二二二二二二= = 二= ：_ 安全正常状态 一1一 扰动 预防控制 - l 图2 2 传统电力系统运行状态分类及其转化建程 f i g 2 2t r a d i t i o n a lp o w e rs y s t e mo p e r a t i n gs t a t ec l a s s i f ya n d t r a n s l a t i o np r o c e s s 正常运行状态( n o r m a ls t a t e ) 指运行中的电力系统满足所有约束条件， 并且具有一定的安全水平。这表明电力系统能以质量( 电压和频率) 合格 的电能满足负荷的用电需求，即电力系统中总的有功和无功功率能和总的 有功和无功功率需求达到平衡；电力系统的各母线电压和频率均在正常运 行的允许偏移范围内；各电源设备和输电设备又均在规定的限额内运行。 在这种状态下，发电机输电设备均有足够的备用容量，使系统具有适当的 安全水平，能承受正常的干扰而不产生有害的结果。在遇到正常干扰时， 系统能达到新的正常运行状态。 如果由于系统运行条件的变化和负荷或干扰增大的原因，使系统的安 全水平低于某一值时，系统将进入警戒状态( a l e r ts t a t e ) ，此时系统承受干 扰的能力降低，应采取预防性控制( p r e v e n t i v ec o n t r 0 1 ) 措施，使系统回 到正常状态。在正常或警戒状态，当出现足够大的干扰时或出现异常现象 后，系统将进入紧急状态。 紧急状态( e m e r g e n c ys t a t e ) 下，电力系统偏离正常运行方式，电力供 需失去平衡，某些保证系统安全性的约束条件受到破坏( 如线路潮流或系 1 4 第2 章电力系统安全性概述 统其它组件的负荷超过极限值) ，并且由于系统的电压和频率超过或低于 允许值，直接影响对负荷的正常供电。这时，如果能及时而正确地采取一 系列紧急控制措施，就有可能使系统恢复到警戒以至正常状态。如果不及 时采取紧急措施或采取措旅不够有效，就会使系统的运行条件进一步恶 化，或者使故障扩大和发展。i 安全控制( s e c u r i t yc o n t r 0 1 ) 是根据系统的实时运行状态和安全分析的 结果所采取的以保证系统安全运行为目的的一系列调节、校正和控制措 施a 安全控制有两类：预防控制( p r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 和紧急控制( e m e r g e n c v c o n t r 0 1 ) ，分别对应于系统处于警戒状态( 不安全状态和紧急状态。如 图2 3 所示。 运行点 _ + 在电力系统正常运行时由于运行方式恶化或扰动处于警戒状态时，为 提高运行安全裕度，使电力系统恢复至安全状态而进行的控制，称为预防 控制。预防控制主要是改变了系统潮流的分布、发电机出力、负荷，使处 于警戒状态的系统的运行点移至安全区域。 电力系统由于扰动进入紧急状态，为防止系统稳定破坏，防止运行参 数严重超出允许范围，以及防止事故进一步扩大造成严重停电而进行的控 制，称为紧急控制。紧急控制是改变系统的稳定边界( 继电保护和安全装 置快速切除了故障组件，如发电机、线路、负荷等使电网结构发生了暂时 第2 章电力系统安全性概述 改变) ，使故障后的运行点仍处于稳定状念。 预防控制主要是改变系统潮流的分布、发电机出力、负荷、使处