发输电系统可靠性中的充裕性评估课堂笔记

1、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(composite generation and transmission system reliability)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

2、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

3、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

4、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

5、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:瞬时需求(instantaneous demand)，指给定瞬间能量释放的速率;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;集成需求(integrated demand)，指在需求时段时的平均瞬时需求;需求时段(demand

6、interval )，指电能被量测的时段，通常是15 min, 30 min或60 min ;峰值需求(peak demand)，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;合同需求(contract demand)，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;固定需求(firm demand)，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;定单需求(billing demand)，指基于电价计划或合同中规定

7、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。总传输能力（total transfer capability，TTC），是指能从互联输电系统的一

8、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。输电可靠性裕度( transmission reliability margin,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。容量效益裕度( capacity benefit margin, 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。可用传输容量(available transfer capacity,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

9、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。不可撤销的可用输电能力(non-recallable available transmission capability,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)。可撤销的可用输电能力(recallable available transmission capability,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

10、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

11、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(79)。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(probability of load curtailments) (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(expected frequency of load cu

12、rtailments)(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(expected duration of load curtailments)(h/a)EDLC=PLCx8760 (3.3) (4)每次切负荷持续时ADLC(average duration of load curtailments)(h/次) ADLC=EDLC/EFLC (3.4) (5)负荷切除期望值ELC(expected load curtailments)(MW/a) (3

13、.5) 式中，Ci是系统状态i的切负荷量。 (6)电量不足期望值EENS（expected energy not supplied) (MWh/a) (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(bulk power interruption index)(MW/MWa -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（bulk pow

14、er energy curtailment index)（MWh/MWa -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(severity index)(系统分) SI=BPECI x 60 (3.9) 一个系统分相当于在最大负荷时全系统停电1 min，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19系统

15、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100999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

16、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

17、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中出现系统状态为113 748个，其中不同系统状态为14 943个，只占13.4%，因此通过存储系统状

18、态和状态评估结果，可以极大地减少需要评估的系统状态数，减少计算量，代价是占用内存，这就是“以空间换时间”的思想。图3.1 元件状态持续时间抽样法原理图表3.1 不同模拟总时间下的IEEE-RTS 79可靠性评估结果2、算法流程图 发输电系统充裕度评估中精确评估多重故障的算法如图3. 2所示。 图3. 2中几个主要模块如下： (1)单一状态评估模块。出现这种情况的原因在于某一元件恢复运行，产生的新状态尚未评估，如图3. 2状态1的情况。处理方法是将该状态转换为连续单重故障形成的子状态序列并进行评估。例如将状态1转换为“无故障元件A故障元件C故障”内含3个子状态的序列，实际上需要评估的是两次单重故

19、障。 (2)单重发电机故障评估模块。单重发电机故障时，系统结构没变，可直接进行潮流计算，基本步骤如图3. 3所示。 (3)单重线路故障评估模块。单重线路故障如果系统没有解列，可以采用速度较快的补偿法开断潮流计算；如果造成系统解列，则需要对所有新形成的电气岛均进行电气岛潮流计算，基本步骤如图3. 4所示。 实现多重故障转换成单重故障进行评估，并保证评估结果与直接进行多重故障评估一致的前提是，在任意系统状态下单重状态的潮流计算均收敛，且在采取适当的发电机功率调整和切负荷措施后无元件过负荷发生。为了实现这一前提，采取的措施有： (1)在单重发电机故障中，造成潮流计算发散的原因在于由发电机故障引起的较

20、大不平衡功率，超过了平衡节点的平衡能力。因此对发电机故障，首先需要进行不平衡功率的调整。为了使发电机功率调整和切负荷更为合理，采用了灵敏度分析方法，而不是就近调整法。当故障发电机支路功率降至零时，故障发电机的出力也将降到零，此时切除故障发电机不会对系统造成大的影响。如果此时潮流计算仍不收敛，则可以调整灵敏度分析步长，分几步将不平衡功率降至零，保证每步调整潮流收敛。 (2)在单重线路故障中，如果系统未解列，则由于开断的线路功率较大，其传输功率无法全部被转移，故障后潮流计算可能不收敛。此时采取灵敏度分析调整发电机出力和切负荷逐步降低开断线的功率，直到故障后潮流计算收敛。极端的情况是使开断线路上的功

21、率降至零，此时移去故障线路不会对系统造成影响。 在单重线路故障中，如果系统发生解列，则为了使电气岛潮流收敛，首先应该进行不平衡功率调整，方法是采取灵敏度分析，并调整发电机出力和切负荷降低开断线路功率至零，这样线路故障后电气岛不存在不平衡功率，潮流计算基本能够收敛。如果经过不平衡功率调图3. 2发输电系统充裕度评估算法流程图整后，电气岛潮流计算仍不收敛，原因在于故障前后系统状态偏离过大，此时可以分几步进行不平衡功率调整，逐步调整故障前系统状态接近故障后系统状态。图3. 3单重发电机故障评估算法流程图 为了使后续单重故障仍能进行，当系统解列时对所有的电气岛均需进行潮流计算，且保证其收敛，并且在存储

22、时按照电气岛状态进行存储。 通过采取以上措施，原则可以解决任意系统状态下单重故障的潮流计算收敛问题，通过IEEE-RTS算例，表明所有评估的系统状态均保证收敛。图3. 4单一重线路故障评估算法流程图3、算例验证及分析根据已提出的算法，对IEEE-RTS系统进行了评估。IEEE-RTS为24根母线，7I个元件的系统，见图3.5。对IEEE-RTS进行可靠性充裕度评估的结果比较如表3. 2所列，其中A列和B列是本书的计算结果，C列是R. Billinton等人的计算结果。评估结果表明，虽然采取了不同的评估算法，本书的计算结果与R. Billinton等人的计算结果基本一致。由于C列己经考虑了3重线

23、路故障和5重发电机故障，所评估的系统状态概率己经大于0. 997，所以评估结果相差不大。但由于多重故障往往造成更严重的后果，即使概率很小，也需要在可靠性评估中给以考虑，从表3. 2的评估结果说明，由于C列采用解析法计算，并采用了故障筛选技术，忽略了部分多重故障影响，可靠性指标偏小，结论偏乐观，故A列比B列的BPII指标大7. 7%。由于Monte-Carlo模拟法自身的特点，对于发生概率很小的多重故障，需要较长的模拟时间才可能发生，因此模拟时间越长，考虑的多重故障状态数越多，获得的可靠性指标越接近实际系统运行。如表3. 2中A列模拟40万h，B列模拟200万h；而B列的可靠性指标比A列大5%9

24、%，说明多重故障的影响是不能低估的。表3.2 IEEE-RTS可靠性评估结果比较注:表中计算条件是:A列和B列是本章的计算结果。它基于元件状态持续时间抽样的Monte-Carlo模拟法、交流潮流计算法和直流潮流的灵敏度分析的负荷控制策略。计算环境是微机P11400，Windows N T。其中，A列模拟时间段为40万h; B列模拟时间段为200万h。C列是R. Billinton等人的计算结果。它采用偶发事故枚举法，线路故障计算到3重，发电机故障计算到5重;使用交流潮流计算法；用基于直流潮流的优化方法计算团负荷。计算环境是小型机VAX-6330。*:用偶发事故枚举法计算确团系统团负荷频率比较困

25、难，因此C列采用系统切负荷次数(expected number of load curtailments, ENLC)来近似计算系统切负荷频率(EFLC)。而基于元件持续时间抽样的模拟法的特点之一是能够计算系统的确切频率，这是木书与R. Billinton等人计算的频率指标有差别的原因所在。 从计算时间来看，虽然不具备可比的计算环境，但本书的算法速度是有优势的。模拟时间段40万h，实际需要评估的不同系统状态为4 835个；模拟时间段200万h，实际需要评估的不同系统状态为14 934个，远远少于解析法需要评估的系统状态数（3重以内系统状态数59 711个），更重要的是可以转换为单重故障以加速计

26、算。由于采取了存储系统状态和评估结果的技术，故如果对同一系统进行多次评估，则计算速度更快。例如进行第二次评估，模拟时间段40万h，计算时间8s；模拟时间段200万h，计算时间为67 s。 基于“以空间换时间”的思想，提出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，以加速可靠性评估过程;结合Monte-Carlo模拟法中元件状态持续时间抽样方法，将多重故障评估转换为单重故障评估来简化评估过程，既实现了精确评估多重故障的影响，又使计算量增加不大。 基于灵敏度分析的负荷控制策略，提出了保证任何系统状态下单重故障潮流计算收敛的措施，使多重故障能够顺利转换成单重故障计算。 通过IEEE-R

27、TS算例表明，算法在精确评估多重故障影响并保持较快计算速度方面具有优势。4、发输电系统可靠性试验系统 非管制化和电力市场是电力工业面临的新课题。而降低运行费用、增强可靠性、提高电能质量是当前的发展方向。高水平的计算机仿真手段与工程师的经验技巧相结合，可以相当准确地预测各电力系统的可靠性水平。发输电系统可靠性仿真可用来分析未来的性能和可能存在的瓶颈，预测出可靠性指标，这是科学运营发输电系统以满足快速变化的电力市场需求的必不可少的技术手段。为完成发输电系统的可靠性仿真，需要创造3个条件：开发高效的应用软件；建立各种电力系统元件可靠性基础数据库；建立可靠性测试系统。 本节将对建立可靠性测试系统的必要

28、性和可能性进行论述，并提出适合中国国情的发输电系统可靠性测试系统TH-RTS 2000。1、国际上的两个测试系统 测试系统对发输电系统可靠性仿真的意义在于：测试新开发的应用软件的准确性和可用性；比较不同应用软件的差别及可信程度;测试不同地区、不同系统结构乃至不同国家的电力系统可靠性水平。为比较提供科学依据，IEEE曾公布过两个发输电测试系统及一个配电测试系统。 在电力系统可靠性技术的发展过程中，测试系统起到了很好的作用，推动了可靠性技术的发展。美国电气电子工程师学会(IEEE)已公布过两个发输电测试系统及一个配电测试系统。 测试系统一般提供以下数据：接线图；电源单机容量和可靠性数据；输电线电气

29、参数、发热容量限制和可靠性数据;系统的最大负荷及年小时负荷曲线；系统总装机容量。 图3. 5是IEEE-RTS 79系统主接线示意图。IEEE-RTS 96实际上是由3个相同的IEEE-RTS 79系统互联而成。图3. 5 IEEE-RTS 79系统主接线示意图 表3. 3列出IEEE-RTS 79及IEEE-RTS 96的主要原始数据。 仔细研究IEEE-RTS 79及IEEE-RTS 96两个测试系统可以看出以下几个特点： IEEE-RTS 79发表于1979年，IEEE-RTS 96发表于1996年，两者相距17年。 从20世纪70年代末期到90年代中期电力系统向大机组，长距离，大容量，

30、交直流共存方向发展。1996年的测试系统将1979年的测试系统的规模扩展为3倍，并加入DC联络线。单机容量及线路距离没有变化。表3. 3 IEEE的两个发输电测试系统的原始数据注:IEEE-RTS 96的电压等级为AC:138 kV/230 kV加DC输电线 两个测试系统的年小时持续负荷曲线是一样的。 机组容量太小，未能反映现代电力系统的特点。 地区间电力交换不明显。 尽管如此，IEEE-RTS 79及IEEE-RTS 96提供了测试新开发软件的试验平台，提供了比较不同系统结构、不同地区电力系统可靠性的测试手段，在历史上起到了重要作用。2、清华发输电系统可靠性测试系统 为了在中国建立起完整的电

31、力系统可靠性研究和应用体系，使可靠性技术更好地融入工程建设和电力市场管理运营之中，建立2000年清华发输电系统可靠性测试系统(Tsinghua-reliability test system, TH-RTS 2000)是很必要的。 建立TH-RTS 2000的原则如下： 符合中国国情，体现中国跨大区发输电系统的特点。 反映大机组、高电压、远距离和大系统容量的特点。 反映省际之间的大量电力交换。在我国的发输电系统中，有一部分以火电为主，如华东、华北、东北等。还有一部分火、水电都有，水电占相当比例，如华中、西北等。本书提出的TH-RTS 2000主要适用于以火电为主的电力系统。TH-RTS 200

32、0电气接线图见图3.6；负荷数据见表3.5；元件可靠性参数见表3.6；500kV线路与发电参数见表3.7和表3.8。图3.6 TH-RTS 2000电气接线图表3.4 TH-RTS 2000日负荷表3.5 TH-RTS 2000典型日的小时负荷数据表3.6 TH-RTS 2000元件可靠性参数表3.7 TH-RTS 2000 500 kV线路参数3 、IEEE-RTS 79可靠性评估结果 运用清华大学自主开发的软件TH-BESREP(bulk electricity system reliability evaluation program developed by Tsinghua Univ

33、ersity ,2000)对IEEE-RTS 79进行评估，并与R. Billinton开发的软件对IEEE-RTS 79的评估结果进行比较，见表3. 9 。表3.9 IEEE-RTS 79评估结果比较从表3. 8的比较结果可以看出：应用TH-BESREP软件计算IEEE-RTS 79的可靠性指标的结果与R. Billinton的结果基本一致，说明TH-BESREP软件是可用的；R. Billinton所用的是解析法，需对多重故障截尾。本书所用的是模拟时间为7 . 43 min，而R. Billinton所用的时间为53 . 3 min。前者为后者的14%，随着系统规模增大，本书所开发的软件的精度和计算速度优势还会增加；Billinton对IEEE-RTS 79的计算结果与用TH-BESREP软件计算结果相比一般偏小。其原因是：IEEE-RTS 79对多重故障截尾，舍弃3重及以上故障概率，分析表明，舍弃的概率约为0. 164以上;筛选掉一部分故障状态。4 、TH-RTS 2000可靠性评估结果 运用清华大学自主开发的软件TH-BESREP对TH-RTS 2000 , IEEE-RTS 79 ,IEEE-RTS 96进行了评估，并进行比较，结果分别见表3. 10