（电力系统及其自动化专业论文）电力市场下电力系统安全风险评估.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 电力工业市场化改革在给电力工业带来活力的同时，也给电力工业的许多方面带来 了巨大冲击，尤其是电力系统的安全稳定运行，如何在市场环境下评估电力系统的安全 性成为电力工业市场化改革的重要内容之一。传统的电力系统安全性评估采用的是确定 性方法，这类方法对全系统的总体安全水平缺乏定量的度量，无法满足市场下电力 系统运行经济性的要求。近年来针对传统方法的不足而提出的风险评估方法，可以突 破确定性方法的局限性，向运行人员提供有关系统安全性的定量评估。本文沿着这一方 向，将风险评估理论应用到安全性评估之中。论文首先介绍了市场环境下电力系统运 行的安全稳定风险，提出了一种市场下处理系统安全稳定问题的方法。然后，基于 风险评估理论，重点分析一种新的暂态失稳风险指标，并给出详细的风险评估流程。最 后，从风险的角度将电力系统受到大扰动后的暂态安全风险划分为暂态失稳风险和暂态 稳定风险两个方面，提出了市场环境下一种电力系统暂态安全风险评估方法。 关键词：风险评估，暂态稳定性，电力市场，电力系统安全评估 a bs t r a c t t h ed e r e g u l a t i o no fp o w e ri n d u s t r yb r i n g sa c t i v i t yt op o w e ri n d u s t r y , b u ti ta l s ob r i n g s s t r o n gi m p a c to nm a n ya s p e c t s ，e s p e c i a l l y , p o w e rs y s t e ms e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo p e r a t i o n h o wt oa s s e s st h ep o w e rs y s t e ms e c u r i t yb e c o m e so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o n t e n tu n d e r e l e c t r i cp o w e rm a r k e te n v i r o n m e n t t h et r a d i t i o n a la n a l y t i c a la p p r o a c hi sd e t e r m i n i s t i c a p p r o a c h ，w h i c hi sl a c ko fq u a n t i t a t i v em e a s u r ef o rs y s t e ms e c u r i t yl e v e la n dd o e sn o tm e e t t od e m a n do f p o w e rs y s t e mo p e r a t i n ge c o n o m y r i s ka s s e s s m e n ta p p r o a c hc a nc o n q u e r t h i s d i s a d v a n t a g ea n db r i n gq u a n t i t a t i v em e a s u r eo fp o w e rs y s t e ms e c u r i t yl e v e rt oo p e r a t o r s i n t h i sp a p e r , w ea p p l yr i s ka s s e s s m e n tt h e o r yt oa s s e s sp o w e rs y s t e ms e c u r i t y f i r s t l y , w e a n a l y z et h er i s ko fp o w e rs y s t e ms e c u r i t ya n ds t a b i l i t yu n d e rm a r k e te n v i r o n m e n t ，a n d i n t r o d u c ea na p p r o a c hw h i c hd e a l sw i t hp r o b l e m so fs y s t e ms e c u r i t ya n ds t a b i l i t y s e c o n d l y , b a s e do nr i s ka s s e s s m e n tt h e o r y , w em a i n l ya n a l y z ean e wt r a n s i e n ti n s t a b i l i t yr i s ki n d e xa n d g i v eo u td e t a i l e da s s e s s m e n tp r o g r e s s f i n a l l y , f r o mt h er i s kp e r s p e c t i v e ，t r a n s i e n ts e c u r i t y r i s ka f t e ra l a r g ed i s t u r b a n c ei sc l a s s i f i e di n t ot w oa s p e c t s ，w h i c ha r et r a n s i e n ti n s t a b i l i t yr i s k a n dt r a n s i e n ts t a b i l i t yr i s k ，a n di n t r o d u c e sa na p p r o a c ht oa s s e s sp o w e rs y s t e mt r a n s i e n t s e c u r i t yr i s ku n d e re l e c t r i cp o w e rm a r k e te n v i r o n m e n t w a n gw e i ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gl i z i k e yw o r d s ：r i s ka s s e s s m e n t ，t r a n s i e n t s t a b i l i t y ，e l e c t r i cp o w e rm a r k e t ， e l e c t r i cp o w e r s y s t e ms e c u r i t ya s s e s s m e n t 声明卢 口h 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力市场下电力系统安全风险评估， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：韭 导师签名： 日期：日 衫游k _ 华北 u j j 人学硕i j 学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 电力工业是能源工业的重要组成部分，也是国民经济的重要基础行业。在百余 年的发展过程中，有两项变革对电力工业产生了深远的影响。第一项变革是信息技 术的飞速发展，电子传感、远程通信、工业控制、计算机技术逐步成熟并成功应用 到电力工业，使电力技术得到了飞速发展；第二项变革是管制的逐步解除。以前电 力工业国有并由垂直的管制机构运营，用户很少或几乎没有选择权，技术与经济间 的平衡问题未得到重视。第二项变革使得电力投资决策分散化和用户选择的多样化 等。 如今，英国、美国、澳大利亚、北欧和南美等国家与地区都不同程度地展开了 电力市场化改革【1 】。改革的目的是引入竞争、提高效率、降低供电成本、改善服务 和促进可持续发展等。一些国家和地区的实践已经表明：设计良好、正常运营的电 力市场可以带来巨大的效益。 必须指出：尽管电力市场改革可通过竞争来提高效率、降低成本【2 】，却不可避 免会对系统的安全稳定有所影响。电力系统运行的经济性和安全性是一对固有的矛 盾，无论多么完善的电力市场也无法根本地解决“经济与安全 这一对矛盾。尽管 美加8 1 4 大停电的直接原因是：未能保持足够的无功功率支撑、未能保证系统在安 全极限内运行、植被管理不够、计算机系统出现故障、系统缺乏统一、有效的调度， 但是其发生的根本原因正是美国在电力市场化进程中没有处理好“经济和安全”这 一对矛盾美国电力市场中各公司竞争激烈，为了降低成本，获得经济利益，这 些公司不惜减少系统备用容量、减少对输电线路的投资、减少维修次数，造成电网 设备严重老化，线路输送能力不足，系统经常运行于安全极限的边缘。并且在电力 市场中，经济性和安全性不再表现为两个独立的指标，安全性将融入经济性中，因 此迫切需要种可以将市场环境下电力系统运行中经济性和安全性两个指标结合 起来的评估方法。 电力系统安全性评估方法分为确定性方法和不确定性方法两大类。 确定性的电力系统安全评估方法以预想事故分析为代表，这类方法往往只就代 表系统最严重情况求得针对某一个具体预想事故的系统安全稳定裕度( 如能量裕度 或时间裕度) 3 - 6 j 。由于不能充分考虑电力系统的复杂性和随机性，忽略了非限制性 的事故，这类方法对全系统的总体安全水平缺乏定量的度量，不能对安全区域内的 风险进行量化，使系统的安全裕度过大，无法满足电力市场下电力系统运行经济性 华北电力大学硕十学位论文 的要求，造成电力资源的浪费。 不确定性方法考虑到各个事故的随机性及其发生的概率，通过对所有事故的综 合分析可以实现对全系统安全性的评估，其评估方法主要分为概率分析方法和风险 评估方法。概率分析方法通常利用一个系统的期望安全概率来评估全系统的安全水 平【_ 7 。1 0 】，由于其只考虑了系统故障的随机性和不确定性，没有考虑系统故障所造成 的后果影响，无法将系统的安全性和经济性指标结合起来考虑系统的安全状况，难 以适应电力市场发展的需求。 风险评估方法则是对系统的风险及其相关影响进行综合评价。4 1 。i e e e 标准 l o o 一1 9 9 2 将风险定义为对不期望发生的结果的概率和严重性的度量，通常采用概率 和后果乘积的表达形式【1 5 l 。这样就可以给出系统在某一运行条件下获得的经济效益 和安全风险，可以将电力系统运行的经济性和安全性两个指标结合起来进行电力系 统的安全评估3 1 ，显然，基于风险的安全评估方法的研究对于保障电力市场良好运 行具有重要的意义。 1 2 基于风险的电力系统安全评估理论与应用概述 风险理论是一种考虑系统不确定性因素，将导致灾害的可能性和这种灾害的严 重度相结合的理论。风险评估是指采用一系列逻辑步骤，使设计人员和安全工程师 能够以一种系统的方式检查由于设备的使用而产生的灾害，从而可以选择适合的安 全措施【l6 1 ，该法已应用于经济、工程等多个领域，如对股票价格的预测、财产保险、 核电站安全等方面【l7 1 。通常被安全工程师所采用的风险评估理论方法包括如下6 个 步骤【l8 】：辨认什么元件可能发生事故；确定发生事故的频率；计算事故产生 的后果；估算风险的程度；评估风险的可接受程度；采取行动来减少不可接 受的风险。 电力系统的安全风险指标应能够定量地把握事故的可能性和严重性这两个决 定系统安全性的因素，从而能够比较全面的反映事故对整个电力系统的影响。 1 2 1 基于风险的电力系统安全评估的基本原理 决定系统安全等级的因素主要有两个： 全性分析中，为了定量地衡量这两个因素， 生的后果的乘积15 1 。 通常用于计算系统风险值的公式为： 2 事故的可能性和严重性。在电力系统安 将风险定义为事故发生的概率与事故产 鹕t d “ze c “ 、墨 “巨 p tij巨f j k i l 、- 、墨 c尺 中式 上 华北电力人学硕i 。学位论义 e ，为第i 个系统事故； x 为故障f j 的系统运行状态； x 为下一时间段的系统运行状态； c 为不确定事故后的系统状态； p ( 骂，置+ 。阮) 为在置下e 和五+ 。出现的概率； i ( c i e ，x 川) 为在e 和置+ 。下的事故后果； r ( c i x ，) 为风险指标值。 在实际应用中，e ，通常是一些离散的事件，x ，是一些离散的时间断面，因此， 式( 1 一1 ) 常常可用如下的简化形式替代。 r ( c i x ，) = 尸( e ，x ，+ i x ，) i ( c i e ，x ，+ ) 】 ( 1 2 ) ， 要计算电力系统风险指标，首先要计算事故发生的概率和量化事故后果。事故 发生的概率即事故发生的可能性，电力系统中的事故包短路事故、过负荷事故等等。 从统计数据可知事故概率基本上符合泊松分布【1 5 】。事故后果即事故对电力系统安全 产生的影响，事故发生后电网会出现某些特殊状念，包括母线电压下降、线路过载、 甩负荷、频率崩溃、电压崩溃等。因此定义相应的后果要结合特定的系统、特定的 要求以及风险类型进行建立。在电力市场中，各市场成员更多关心的是自己的经济 利益，因此描述事故后果，要结合经济损失和系统安全两个方面，这样才能全面反 映事故对系统的影响。 1 2 2 基于风险的电力系统安全评估的特点 基于风险的电力系统安全评估方法有如下特点【”】： ( 1 ) 在安全性和经济决策制定之间架起一座桥梁。从对风险的定义来看，就能 了解到这种风险指标可以衡量不确定性事故所产生的经济性后果，因而对系统的安 全性可以从经济性上进行分析； ( 2 ) 是一个重要的状态指示器。风险指标最基本的应用是利用现有的相关信息 来决定未来几分钟几小时乃至几周的情况，因而可以对系统的状态进行指示； ( 3 ) 风险可以组合。由于风险是按照每一个安全问题、每一起事故和每一个元 件计算的，因此可以把对每个元件的风险分析组合成对整体的风险评估； ( 4 ) 风险可以累计。如果能按照时间的顺序提供一个连续的运行状况曲线，就 可以先对每一个运行状况计算风险指标，然后再累计成规定时间范围内总的风险指 标； ( 5 ) 风险优先可以被包括在相应的决策制定中。基于风险的电力系统安全评估 方法在分析安全性的同时又兼顾了经济性，因而在制定决策时可以将其作为优先考 虑的因素。 华北电力人学硕l ：学位论义 1 2 3 基于风险的电力系统安全评估的研究现状 当讨论电力系统安全性时，由于其涉及的内容相当广泛，下图可以帮助我们更 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。目前基 于风险的电力系统安全评估方法主要是对安全性中各自的子问题进行研究，并取得 了一定的成果。 功角失稳 _ 乜瓜誊纠 ：- 频率矣i 讲墓 一k 萎蜒1 广 互 图1 1 电力系统安全性 f i g u r e1 - 1s e c u r i t yo fp o w e rs y s t e m ( 1 ) 基于风险的电力系统在线静态安全评估 文献【1 1 提出了建立风险严重性表达式的6 个原则：简洁；能反映出不同 问题的特性；能反映出损失的严重程度：不应涉及事故后调度员的发电再调度 过程；用调度员可以直观理解的方式表达；与确定性的决策准则相联系以便调 度员接受。基于以上原则，文献 1 1 ，1 9 设计了静态电压稳定边界、节点电压、线路 潮流和连锁故障的损失严重性表达式，并给出了相应的风险指标。文献 2 0 】基于传 统可靠性理论，用故障枚举和概率抽样相结合的算法计算停电风险指标。文献 2 1 】 采用的是概率抽样方法，主要以离线计算运行方式，与面向规划的传统可靠性方法 相似。文献 2 2 基于风险理论评估电力系统脆弱性，其建立的风险指标充分考虑了 电力系统的不确定性，有效反映了电力系统脆弱性的重要方面，量化了电力系统的 安全状态，并给出了新英格兰3 9 节点系统的算例。 ( 2 ) 基于风险的电压稳定评估 系统发生故障时，发生电压稳定性事故的可能性会增大。基于风险的电压稳定 评估所要解决的问题是：运行条件变化前后风险如何变化；如何综合考虑电压稳定 风险和为了减小此风险所需付出的代价。 文献 2 3 分析了传统的电力系统电压崩溃评估方法存在的缺陷，论述了在电力 市场环境下进行电压崩溃风险评估的必要性，提出了一种进行电力系统电压崩溃风 险评估的方法。该方法综合考虑了电压崩溃的概率和后果，量化了风险指标，通过 4 华北电力大学硕上学位论文 兼顾j x l 险指标和经济效益为确定系统的最佳运行方式提供了依据。文献【2 4 】在文献 【2 3 】的基础之上，将脆弱性理论引入到了电力系统电压评估，应用了电压脆弱性概 念：该概念综合反映了电压的安全水平以及系统运行条件变化对其的影响；并用电 压j x l 险指标和风险指标变化率分别表示电压的安全水平以及系统运行条件变化对 其的影响；采用模糊推理方法，结合运行人员的经验，由电压风险指标和风险指标 变化率推理出电压的脆弱度，为运行人员决策提供了有力支持。 ( 3 ) 基于风险的暂态稳定评估 基于风险的暂态稳定评估所要解决的问题是：在给定的运行方式下，针对可能 发生故障导致系统暂态失稳的概率及其后果损失，计算出系统所处的暂态失稳风险 水平。与暂态稳定分析的确定性方法和概率性方法相比：它是在确定性方法上的 一种发展。对于某一个特定的运行方式和扰动而言。，所使用的时域仿真等核心分析 方法是一样的，区别在于它进一步对扰动的不确定性因素进行了定量评估。它是 在暂念稳定分析概率性方法上的一种发展。它进一步详细分析了各种故障下系统暂 态失稳的后果损失，得到的风险指标可以为调度员提供直观的决策支持。 文献【2 5 】介绍了一种计算电力系统暂态失稳风险的方法。该方法将暂态失稳的 风险定义为在系统发生暂态失稳的概率和暂态失稳后果的乘积，给出了线路发生故 障、故障地点以及故障类型的概率模型。并简要的给出了系统暂态失稳的后果模型， 同时还考虑了紧急控制对暂态稳定的作用，以及考虑紧急控制作用的电力系统暂态 失稳的后果。 文献【2 6 禾1 j 用预想事故的时间裕度和发生概率定义了预想事故的绝对风险指 标、相对风险指标以及综合指标，并定义了度量系统在特定事故集合下的暂念安全 风险指标，然后据此提出了一种对系统进行暂态安全评估的方法。该方法使得将某 类型预想事故的评价结果联合起来评估全系统在该类型预想事故集合下的暂态安 全性成为可能。 文献 2 7 】对于稳定控制措施中的快关气门、切火电机组、电厂的出力全切、切 核电、系统解列以及全系统失稳给出了不同的经济评价量，并考虑了为防止失稳而 切机后调度中心购买紧急备用能源( u p 所谓替换电力) 以及切负荷的赔偿损失。 ( 4 ) 基于风险的安全域分析 在基于风险的安全评估的安全域分析中，需要研究负荷变化和故障发生后随机 性的安全域可视化表达。其难点在于安全域是高维的，难以快速计算。 文献 2 8 以一个4 节点的小系统为例阐明其理论，重点分析了在计及风险计算 条件下的安全域变化情况。如果以金字塔形来形容，元件开断数多的事故对应的安 全域处于“靠近”项部的位置，该区域的风险等于此种事故出现的概率与比它位置 “低”的其他层的概率之和。该方法借鉴了发电系统可靠性分析种机组容量停运模 型累积状态的研究思路。 s 华北电力人学硕士学位论文 1 2 4 基于风险的电力系统安全评估的应用范围 基于风险的电力系统安全评估方法所要解决的最主要问题就是将安全性等级 和采用该等级而带来的费用或利益综合起来进行评估，也就是综合电力系统运行的 安全性和经济性进行评估。因此在电力系统中能够使用这种评估方法的地方还是很 多的，具体说明如下： ( 1 ) 在运行中，当系统运行人员在对涉及经济性安全性交易做出运行决定 时，基于风险的电力系统安全评估方法可以为运行人员提供更加精确的评估，并且 还能利用风险指标作为影响市场行为的价格信号； ( 2 ) 在运行规划中，线路、变压器和发电机的额定容量不仅由正常情况决定， 潜在的停电事故状况也对其有影响，所以基于风险的电力系统安全评估方法可以为 确定这些额定容量和限制提供决策标准； ( 3 ) 在电网规划和电源规划中，基于风险的电力系统安全评估方法可以对候选 的新规划方案在风险上的影响进行比较，从而规划人员可以从中选出更经济、更可 靠的方案； ( 4 ) 为了处理不确定性问题，就需要搜集大量的数据，而基于风险的电力系统 安全评估方法可以在数据搜集之前就能决定搜集数据所能带来的利益是否超过搜 集数据本身所需要的费用，从而决定是否进行数据搜集活动。 1 3 本文的研究工作及主要成果 纵观2 0 0 3 年世界范围内发生的几起大面积停电事故，使我们必须认真思索电 力市场改革进程中，电力系统的安全稳定问题。本文借鉴风险理论的方法，对市场 环境下电力系统的安全性进行评估，本文的工作主要集中在以下三个方面： ( 1 ) 介绍了电力市场下电力系统运行的安全稳定风险；从大停电出发，分析了 美国电力市场改革对电力系统安全稳定性的影响，以及美国区域输电组织对市场下 电力系统安全稳定问题的处理方法；最后提出了一种市场下处理电力系统安全稳定 问题的方法； ( 2 ) 分析了暂态稳定分析中传统确定性方法存在的问题，以及市场环境下概率 性暂态稳定分析方法的不足，在此基础上引入了暂态稳定分析中的风险评估方法。 重点介绍了暂态稳定分析中的随机性因素和相应的建模方法，并从市场化的角度提 出了一种实用暂态失稳后果评价模型，建立了一种暂态失稳风险指标，给出了该指 标的详细计算流程，并着重分析了新英格兰1 0 机3 9 节点系统，最后对暂态稳定分 析中的确定性方法、概率性方法以及风险评估方法进行了系统性的比较； ( 3 ) 从风险的角度将电力系统受到大扰动后的暂态安全风险划分为暂态失稳风 6 f 仁北 乜力人学硕十学位论文 险和暂态稳定风险两个方面，建立了市场条件下系统暂态失稳和稳定给发电方、输 电方以及用户造成损失的后果模型，并从发电方、输电方、用户以及整个系统四个 方面提出了暂态安全风险指标。在此基础上将系统中的故障和继电保护不j 下确动作 看作系统的风险，提出了一种计算线路发生故障，考虑主保护拒动远后备保护动作 切除故障的电力系统暂态安全j x l 险指标的方法。最后结合w s c c 9 系统，说明了该 方法的应用。 7 华北电力人学硕i ：学位论文 第二章电力市场下电力系统的安全稳定性 随着社会经济的发展，科学技术的进步及人民生活水平的不断提高，人们对电 力的需求和依赖性越来越大，对安全稳定供电的要求越来越强。然而，由于受到电 力系统自身原因和外部干扰的影响，电网事故时有发生，这不但使电力经营企业的 经济效益受到损失而且对电力用户和整个社会都将造成严重的影响。自2 0 世纪6 0 年代以来，世界各国均发生过因电力系统稳定破坏而导致的大面积停电事故，并且 在世界各国推行电力市场改革后，世界范围内的大停电事故更是接二连三的发生， 如1 9 9 6 年7 8 月美国西部接连2 次大停电事故【2 9 1 、2 0 0 3 年下半年在北美和加拿大、 英国伦敦、丹麦瑞典、意大利以及2 0 0 6 年在西欧都先后发生过大面积停电事故 3 0 - 3 3 1 ，震惊世界。特别是2 0 0 3 年8 月1 4 同美加大停电波及5 0 0 0 万人口的供电范 围，造成重大经济损失，是美国历史上最严重的停电事故。 在我国，近2 0 年来，各大电网发生的大停电事故有1 0 0 余起。随着我国电力 市场改革的推进，在西电东送，南北互供的条件下，我国将形成全国联网的巨型电 力系统，但目前我国电网还存在很多的问题，如果出现电力系统重大事故，其规模 和造成的损失有可能大幅度增加。 以上世界范围内触目惊心的大停电事故以及我国目前电力工业发展的形势使 我们必须认真思索电力市场下电力系统运行的安全稳定问题。 2 1 电力市场概述 当前，电力工业在全世界范围内发生着深刻的变化。电力工业的改革目标在于 提高电力生产效率，使电价形成机制合理化，提供高质量、更安全的电力产品，促 进电力工业本身的良性发展，并使全社会从改革中得到更好的经济效益和社会效 益。智利、阿根廷、英国、美国、澳大利亚等国的电力市场改革给其电力工业带来 了活力，并激励了世界上其他各国的市场化进程。 2 1 1 电力市场的定义哺刮 电力市场是电的买方和卖方相互作用以决定其电价和电量的过程。更具体的来 讲，电力市场是采用经济等手段，本着公平竞争、自愿互利的原则，对电力系统中 发电、输电、配电、用户等各成员组织协调运行的管理机制和执行系统的总和。 开放性、竞争性、网络性和协调性是电力市场的基本特征。与传统的垄断电力 系统相比，电力市场具有开放性和竞争性。与普通的商品市场相比，电力市场具有 网络性和协调性； 8 华北电力大学硕1 ：学位论文 2 1 2 电力市场目标m 1 引入竞争机制、使电价形成机制合理化、优化资源配置、提供优质服务、促使 电力工业的可持续发展是电力市场建设的总体目标。实施电力改革、建立竞争性电 力市场是一个复杂的过程，因为改革有多重目标，且相互之间有矛盾，这些复杂的 目标包括： ( 1 ) 用户希望低电价、高服务质量和安全稳定供电； ( 2 ) 电力公司希望公司获得发展和采用新技术； ( 3 ) 政府希望实施全国性的能源政策和与经济发展相适应的电力工业可持续发 展方针； ( 4 ) 环境保护组织希望减少污染； ( 5 ) 燃料供应商希望保护其市场的投资。 电力改革必须使上述具体目标相互平衡，根据经济发展的不同阶段和电力发展 的不同水平，确立改革的主要目标和次要目标。 发展中电力市场的特点是：在电价方面交叉补贴现象较为普遍；用电客户对电 价上调的承受能力有限；对建设和扩充电力设施所需的资本有很大的要求。而成熟 的电力市场的特点是：电价水平一般反映了成本和投资的回报率；用电客户有较高 的电价承受能力；有限的用电需求增长；有限的筹措资金的要求。 在电力市场的不同发展阶段，改革的着眼点和目标是不同的。因此，需要针对 不同发展阶段的电力市场，确定不同的改革焦点和具体任务。对于发展中的电力市 场，改革的焦点是电力设施的扩建，改革的首要目标是吸引电力投资，建设充足的 发电容量，基础设施扩建和升级，系统的安全性和可靠性。而降低电价、提高效率 和为客户提供更多的选择则成为改革的次要目标。对于成熟的电力市场，改革的焦 点是降低电价。改革的首要目标是降低电价，提高效率，为客户提供更多的选择， 系统的安全性和可靠性。而充足的发电容量，基础设施扩建和升级、吸引投资成为 改革的次要目标。 2 1 3 电力市场的基本原则4 1 在一个充满竞争的电力市场中，参与者之间都是平等的，所以电力市场最基本 的原则是公平。对于发电厂，平等的环境能够促进竞争，激励各发电厂提高生产效 率，降低成本，增加活力；对于用户，按真实的供电成本收费，尽量减少用户间补 贴是保证用户间平等的根本点。为了保证电力市场公平竞争的原则，必须做到： ( 1 ) 电力市场要有公开性( 包括成本、定价、计量等) ，以便监督； ( 2 ) 扩大自由选择权力，保证电网的开放； ( 3 ) 必须制定有关法令、规约，以便使竞争规范化； 9 华北电力大学硕十学位论文 ( 4 ) 电网安全性和商品无库存性； ( 5 ) 发电厂问平等竞争； ( 6 ) 用户间平等。 2 2 电力系统的安全性 电力系统是由发、输、变、配、用五个重要环节组成的一个结构复杂的大网络 大系统。发电、输配电和用电是一个同时进行的一体化的连续生产过程，要求随时 保持能量的平衡。随着大规模联合电力系统的出现，系统的结构和运行方式越来越 复杂多变，特别是很多远距离大功率输电线路和系统问弱联系的出现，增加了发生 系统性事故和导致大面积停电的可能性。在电力系统中任一点发生故障，都将在不 同程度上影响整个电力系统的正常运行。因此，保证电力系统安全供电已成为电力 系统正常运行的首要问题 3 6 , 3 7 】。 2 2 1 电力系统安全性的定义 电力系统的安全性是指系统在发生故障情况下，系统能保持稳定运行和正常供 电的风险程度p 引。传统的电力系统安全性主要是在发生故障情况下，研究电力系统 本身的动态特性，包括系统的功角稳定性、电压稳定性、频率稳定性、系统解列、 热过载等。这类研究一般是针对单一故障的，而大面积停电事故则通常是连锁事故 的复杂序列。 随着现代通信技术和信息技术的发展，为了保障大电网的安全和经济运行，各 种信息系统，如调度自动化( s c a d a j e m s ) 、配电网自动化系统( d a ) 和变电站综合 自动化系统( s a ) ，电力市场技术支持系统等在电力系统领域里得到了广泛应用。图 2 - l 给出了现代电力系统的整体框架，电力系统与信息系统、通信系统已经融合成 为高度集成的混杂系统，电力系统的监测和控制越来越依赖于信息系统和通信系统 的可靠运行。信息系统中的计算机系统是核心，计算机系统的维护不当是8 1 4 美加 大停电的基本原因之一。一个关键通信系统发生故障会使整个系统陷于瘫痪，进而 失去可控性和可观测性。 1 0 华北i u 力人学硕上学位论文 图2 1 现代电力系统整体框架 f i g 2 一lf r a m e w o r ko fm o d e mp o w e rs y s t e m 2 2 2 影响电力系统安全性的主要因素 影响电力系统安全性的因素很多，对于组成现代电力系统的基础设施而言，可 分为内部因素和外部因素。 ( 1 ) 内部因素： 电力系统主要元件故障：发电机、变压器、输电线故障； 控制和保护系统故障：保护继电器的隐性故障【3 9 1 、断路器误动作、控制故 障或误操作等； 计算机软、硬件系统故障； 信息、通信系统故障：与e m s 系统失去通信、不能进行自动控制和保护、 信息系统的故障( 造成信息的缺损或者得到的信息不可靠) 或拥塞、外部侵入信息通 信系统( 如黑客的入侵) ； 电力市场竞争环境的因素：电力市场中各参与者间的竞争与不协调、在更 换旧的控制和保护系统或发电装置上缺少主动性； ( 2 ) 外部因素： 自然灾害和气候因素：雷电、地震、冰雹、风暴、洪水、热浪、森林火灾 等： 人为因素：操作人员误操作，控制和保护系统设置错误、蓄意破坏( 包括战 争或恐怖活动等。 2 2 3 电力系统的运行状态 电力系统的运行条件一般用三组方程式来描述1 3 7 】：一组微分方程式来描述电力 系统元件及其控制设备的动态行为；另两组代数方程式则分别构成电力系统运行的 等式和不等式约束条件，如式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 所示。 1 l 牛北i 乜力大学硕上学位论文 功率平衡约束条件即等式约束条件( 包括系统的有功和无功平衡) ： f 圪，一吃一必= o 1 圭q 伍一量一a q , ：0 但1 l i j 式中：、如为发电机或其它电源设备的有功、无功功率；屹、线为负荷的 有功、无功功率；a p 、a q 为有功、无功的总损耗。 运行约束条件即不等式约束条件( 包括节点电压约束、发电机有功、无功约束和 线路潮流约束) 可用下式表示： u f u 严 p g f p g 缸 a饼ql尹(2-2) s 矿s 0 懈 式中：、印“、u 严为母线f 电压及其上、下限；尼，、学、学为发电机有功 出力及其上、下限；、鲫“、q l 尹为发电机无功出力及其上、下限；品、筇妯、 s 为线路i ，的功率潮流及其上、下限。 根据对上述约束条件的满足程度，电力系统的运行状态可分为以下几种： ( 1 ) 正常状态( n o r m a ls t a t e ) 在此状态下，功率平衡约束条件和运行约束条件同时得到满足。对处于正常状 态的系统，如承受一个合理的预想事故扰动后，仍不违反上述两组约束条件，则该 系统满足安全约束条件，称该系统处于安全正常状态( s e c u r en o r m a ls t a t e ) ，或 简称安全状态( s e c u r es t a t e ) 。如果在一个合理的预想事故扰动后，不能完全满足 负荷约束和运行约束条件，则该系统不满足安全约束条件，称该系统处于不安全正 常状态( i n s e c u r en o r m a ls t a t e ) ，或简称为警戒状态( a l e r ts t a t e ) 。 ( 2 ) 紧急状态 在此状态下，运行约束条件不能完全满足。紧急状态可以是静态的，此时系统 某些参数超过允许范围，如某些设备过负荷，某些节点电压过低等，但这些参数仍 能暂时维持不变，电力网一般仍能保持其完整性。紧急状态也可以是暂态的，此时 系统某些参数不仅超出允许范围，而且在不断发展变化，如功角不断增大，频率或 电压不断下降等，电网结构也难以保持完整性。 ( 3 ) 恢复状态( r e s t o r a t i v es t a t e ) 在此状态下，系统参数一般尚能符合运行约束条件，但可能已损失部分负荷或 电网某些部分已解列，通过紧急处理后，系统运行状态虽不再继续恶化，但正常状 态尚未确立。 电力系统承受扰动后，可能从一种状态转为另一种状态。为了维持系统安全稳 1 2 一 一 一 o ( 3 - 3 ) x ( ，q z 兀二( t 八d = 赤晰学) + 去e x p ( - 譬) ( 3 - 4 ) 一般来说，可以假定继电保护和断路器动作需要的时间或总的故障清除时间服 从正态分布。正态分布的两个参数( 均值和标准差) 可以从历史数据通过统计分析来 确定。仅当故障清除时间大于临界故障清除时间时，系统才失去暂态稳定。 ( 5 ) 重合闸不成功的概率模型【6 9 】 高压架空线路一般装有重合闸装置。如果重合闸成功，瞬时性故障不会产生严 重后果。只在重合闸失败时才需要第二次清除故障。从概念上说，重合闸失败的概 率也可以根据历史统计数据来计算。但是，大多数的故障数据管理系统不记录重合 闸成功的信息，但提供故障原因的记录。典型的统计分析表明：故障原因与自动重 合成功的概率有密切关系。由雷击引起的故障，9 0 以上的重合闸是成功的，而其 他原因造成的故障，只有5 0 的重合闸是成功的。重合闸失败的概率能够用下面的 条件概率公式估计： 2 7 华北电力大学硕十学位论文 匕= p ( l ) p ( ul ) + p ( o ) p ( uo )( 3 5 ) 式中，已是重合闸失败的概率；p ) 和p ( d ) 分别是故障由雷击和其他原因引起的 概率，这两个概率很容易从历史数据中获得；p ( u i l ) 和p ( u i o ) 分别是故障由雷击和 其他原因引起的条件下，重合闸失败的条件概率。这些概率可以通过典型的统计分 析得到。如果由充分的历史数据，条件概率公式( 3 5 ) 可以扩展到考虑更多故障原因 的情形。 ( 6 ) 故障前系统的运行状态 故障前系统的运行状态由系统的网络拓扑、发电机运行方式、检修情况和负 荷水平确定。 充裕性评估常用的非序贯蒙特卡罗仿真方法可以用来确定系统的网络拓扑和 发电机运行方式。 系统负荷随时间而波动，在确定性方法中，故障前的负荷水平一般都只考虑一 年或一季的峰荷。实际上，由于各变电站负荷的非同时性，某一条线路上的最大负 载水平并不一定出现在系统峰荷时段，因此在暂态稳定的风险评估中，必须考虑负 荷曲线，一般假设负荷波动近似满足正态分布，利用负荷预测技术能够获得负荷分 布的均值和方差。 三n ( l ，盯2 ) ( 3 6 ) 式中，为系统负荷，从和仃：分别为负荷分布的均值和方差。 3 2 2 暂态失稳概率 计算线路f 发生短路故障导致系统暂态失稳的概率公式为： 尸( k ) = p ( e 妒( ( 彳= 刀) l e ，) p ( k i e ，n ( a = 力) ) ( 3 7 ) 月= l 式中：p ( e ，) 为线路f 发生故障的概率；p ( ( 么= n ) i e ，) 为线路f 发生故障，各种短路故 障所占的比例，其中a = i ，a = 2 ，a = 3 ，a = 4 分别为单相接地故障、两相故障、两 相接地故障和三相故障；p ( k l e ，n ( a = ，1 ) ) 为线路f 发生故障在四种类型故障中暂 态失稳的概率。 3 2 3 暂态失稳概率仿真方法 评估暂态失稳的概率有两种基本方法：解析法和m o n t e c a r l o 法。 ( 1 ) 解析法以条件概率理论为基础，其优点是：如果能枚举状态空间中的全部 状态，就可以得到准确的结果。解析法通常用以建立给定故障下系统失稳概率与某 个系统参数之间的量化关系【6 9 。7 1 】。当系统规模较大时，基于条件概率的解析法的运 算量很大，当需要考虑故障前运行状态的不确定性时，解析法甚至可能会失效。其 计算流程图如图3 1 所示。 2 8 华北电力大学硕十学位论文 分别给定不确定参数值 0 暂态稳定仿真 0 不稳定的条件概率 上 暂态失稳概率 图3 1 解析法框图 f i g 3 - 1f l o wc h a r to fa n a l y t i c a la p p r o a c h ( 2 ) m o n t e c a r l o 仿真法以统计实验为理论基础，通过采样和分析样本数据来获 取所需结果。研究表明，对随机选定的故障前状态，需要考虑所有可能的故障事件 及其影响时，m o n t e c a r l o 仿真法更适用，也更可行。但是要取得状态样本特征， 达到一定的计算精度，m o n t e c a r l o 仿真法同样需要大量的运算【6 9 1 ，其评估过程如 图3 2 所示。 扰动的概率模型 保护动作的概率模型 纳矩阵修改 时域仿真或能量函数 图3 2 蒙特卡罗模拟方法流程图 f i g 3 - 2f l o wc h a r to fm o n t e - c a r l os i m u l a t i o na p p r o a c h 3 3 暂态失稳后果评估 3 3 1 后果 一般而言，绝大多数情况下风险评估中的后果模型很难确定。传统方法是用一 些系统运行指标来定性地描述暂态失稳的严重程度，这些指标包括线路过载、母线 电压过低等等。而随着电力市场化改革的推进，将会出现各种不同的市场成员，各 2 9 华北i l 三力大学硕i ：学位论文 成员更多关心的是自己的经济利益，因此对暂态失稳的后果进行经济性量化是非常 有必要的。 在我国电力系统编制的安全稳定控制策略表中，各种暂态稳定控制措施都是对 那些导致系统暂态失稳的预想事故进行离线或者准实时计算，得到可以使系统在这 些预想事故下保持暂态稳定的控制措施。在非连锁故障下，对于导致系统暂态失稳 的故障，通过执行策略表中的稳定控制措施基本上都可以使系统在这些故障中保持 稳定，因此用这些可以使系统由暂态失稳转为稳定的稳定控制措施以及继电保护动 作切除线路对系统所造成的经济性影响来评估系统暂态失稳的后果是比较合理的。 这些紧急控制措施以及继电保护动作切除线路对电力系统造成的损失常常涉 及以下方面： ( 1 ) 切发电或切负荷造成的损失； ( 2 ) 设备损坏； ( 3 ) 系统传输能力降低，导致电网企业收入减少； ( 4 ) 连锁失效，甚至造成灾难性后果； ( 5 ) 违反互联电网规程或协议的惩罚。 3 3 2 暂态失稳后果评估的分类 ( 1 ) 按受影响方分类 该分类将提供现有运行状态不同安全问题下哪些参与方受到影响，每方受多大 程度的影响，分为如下三类： 发电方 当机组失步或切负荷时，发电方将遭受经济损失； 输电方 当系统紧急故障导致输电线路过载或变压器过载或切负荷时，输电方将遭受经 济损失； 终端用户 当系统紧急事故导致切负荷时，终端用户不可避免将遭受经济损失。 ( 2 ) 按受影响元件分类 该分类说明后果由哪些部分组成。分为如下三类： 切负荷 当系统紧急事故导致负荷侧电能质量很差时，需切负荷； 元件受损 设备受损对受损设备的维修、替代成本以及机会成本进行量化； 元件停用 元件停用指当系统缺少某元件时附件损失。 3 0 华北 乜力人学硕i j 学位论文 ( 3 ) 按成本类分类 该分类说明了系统受不同安全问题影响到什么程度。该分类方法基于系统中哪 部分安全受威胁。如输电线路过载会导致线路寿命缩短、安全间隙击穿；变压器过 载则会导致变压器寿命缩短、故障。分为如下4 类： 线路寿命缩短、安全间隙击穿 由导体运行温度过高引起； 变压器寿命缩短、变压器故障 由变压器运行温度过高引起； 电压崩溃 由于系统中缺乏无功支持； 发电机失步、频率下降、电压下降 由系统大扰动引起。 3 3 3 一种实用暂态失稳后果评估方法 在目前我国的电力市场环境下，稳定控制措施以及继电保护动作切除线路对系 统造成的经济性后果可从发电方、输电方( 电网公司) 和用户三个方面来分析。 ( 1 ) 发电方( 发电公司) 稳定控制措施以及继电保护动作切除线路将导致发电机和负荷的切除，发电方 的经济损失，。为： i 朋= ( 兄l 一五) p h 一( 五i a 2 ) 最h + + l ( 3 8 ) 式中：五、元、以分别为单位发电成本、上网电价以及替代备用电价；只h 为稳定 控制措施切除的发电量中能由替代备用机组完成的电量；p h 为稳定控制措施切 除的发电量；，和，分别为发电机的维修及启动费用。 ( 2 ) 输电方( 电网公司) 由于发电机和负荷的切除，输电方将遭受经济损失，其经济损失，耐为： i =