电力系统调度可靠性评估指标的选择

电力系统调度可靠性评估指标的选择

0运行可靠性评估大规模互联电网规模的不断扩大，供电市场化改革的不断完善，特别是近年来国内外频繁发生的大规模停电事故，给电网的安全运行带来了严峻的挑战。如何评估电力系统在不确定性环境下的运行可靠性,实现基于运行可靠性的电力系统调度决策和控制,是亟需解决的问题。目前,电力系统运行可靠性[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]的研究已成为关注的热点,在元件条件相依和时间相依的可靠性模型、状态筛选、状态后果分析、指标体系等方面已取得了许多成果,涵盖了运行可靠性评估的主要内容。运行可靠性评估的最终目标是辅助运行人员进行调度决策,因此制定合理的决策依据至关重要。然而,常用的可靠性指标如期望缺供电量(EENS)等却难以直接作为决策判断的依据,一个可行的解决思路是研究可靠性的价值,将可靠性量化为经济指标。但目前电力系统可靠性价值方面的研究成果主要集中在如何准确估计停电损失,用以研究电网中长期规划的投资成本和可靠性效益的协调问题,没有从运行的角度综合考虑运行可靠性的成本和价值。在运行的时间框架内,文献研究了电力系统的安全价值,综合计算了运行成本和停电损失,但没有考虑元件和系统的可靠性随时间变化的特性,也没有考虑运行备用响应特性这一影响系统运行可靠性的重要因素。文献研究了旋转备用响应特性对系统可靠性的影响,但仅限于发电系统,没有考虑输电网的约束。针对以上问题,本文提出了电力系统运行可靠性成本价值的概念和指标,建立了发输电系统运行可靠性成本价值评估的模型和算法,实现了运行可靠性成本和效益的综合评价,提出了以期望社会成本最小作为决策依据,为运行人员选择最优调度方案提供了有力工具。1运行可靠性与运行成本的关系电力系统的基本功能就是按可接受的质量标准和所需数量持续、经济地向电力用户供应电能。电力系统可靠性的价值就是连续供电的价值。在运行的时间框架内,从电力公司的角度来讲,在考虑各种扰动情况下付出的系统期望运行成本可以认为是维持运行可靠性所需的成本;从用户的角度来讲,提高系统运行可靠性带来的效益表现为期望停电损失的减少,这就是运行可靠性的价值所在。一般而言,系统运行可靠性水平越高,系统运行成本就越高,而停电损失就越小。无论是从市场化还是资源节约的角度出发,都应当协调运行可靠性的成本和效益。电力系统运行可靠性成本价值评估与中长期规划可靠性成本价值评估相比,其最重要的特征在于考虑的时间尺度较短,这决定了它必须考虑时间相依的元件可靠性模型以及运行备用响应特性等因素的影响。两者在研究目标、研究内容等方面存在较大差别,如表1所示。2系统运行可靠性与综合评估本文用所有机组的期望运行成本来评估系统运行可靠性成本,用所有负荷节点的期望停电损失来评估系统运行可靠性价值,用两者之和即整个电力系统运行产生的期望社会成本来综合评估运行可靠性的成本和价值。运行可靠性成本价值评估的基本任务就是评估当前运行方式在未来t时刻的期望瞬时社会成本和时段t内产生的期望社会成本,以下定义了瞬时和时段2类指标来表征系统运行可靠性及其成本价值。2.1发电机bi系统在未来t时刻的运行可靠性期望瞬时运行成本CETOC、期望瞬时停电损失ETIC、期望瞬时社会成本CETSC和期望缺供电力QEDNS的计算公式为:CEΤΟC(t)=∑i∈ΝG∑k∈SΡk(t)FGi(ΡGik(t))(1)EΤΙC(t)=∑i∈ΝD∑k∈SΡk(t)FLi(Lik(t))(2)CEΤSC(t)=CEΤΟC(t)+EΤΙC(t)(3)QEDΝS(t)=∑i∈ΝD∑k∈SΡk(t)Lik(t)(4)式中:S为时刻t可能出现的所有状态的集合;NG为所有发电机集合;ND为所有负荷节点集合;PGik(t)为t时刻系统处于状态k时发电机i的有功出力;Lik(t)为t时刻系统处于状态k时负荷母线i的切负荷量;FGi(·)为发电机i的运行成本函数;FLi(·)为负荷母线i的停电损失函数。2.2运行成本函数系统在未来t时段内的运行可靠性运行期望成本CEOC、期望停电损失CEIC、期望社会成本CESC和期望缺供电量QEENS的计算公式为:CEΟC=∫t0∑i∈ΝG∑k∈SΡk(τ)FGi(ΡGik(τ))dτ(5)CEΙC=∫t0∑i∈ΝD∑k∈SΡk(τ)FLi(Lik(τ))dτ(6)CESC=CEΟC+CEΙC(7)QEEΝS=∫t0∑i∈ΝD∑k∈SΡk(τ)Lik(τ)dτ(8)为简化分析起见,本文运行成本函数仅考虑了如式(9)所示的发电成本,电力市场化环境下可计及更多因素,本文不做深入探讨。FGi(ΡGik(t))=ΡGik(t)CΜi(9)式中:CMi为发电机i的单位发电成本。停电损失函数的计算如下:FCi(Lik(t))=Lik(t)ΡΙEARi(10)式中:PIEARi为负荷节点i的停电损失评价率,可通过问卷调查等方法获得。3可靠性成本价值评价模型和算法的实施3.1线路等元件可靠性模型为评估电力系统在未来t时刻的运行可靠性成本价值,必须建立时间相关的元件状态概率模型。本文采用基于齐次Markov过程的元件瞬时状态概率来完整描述元件的可靠性模型。普通发电机、变压器和线路等元件的可靠性模型采用两状态Markov模型。设元件停运率为λ,修复率为μ,如果元件初始时刻处于工作状态,则t时刻处于停运状态的状态概率pf(t)为:pf(t)=λλ+μ-λλ+μe-(λ+μ)t(11)事故备用机组如快速启动机组、热备用机组等的可靠性模型也采用瞬时概率模型。t时刻系统处于状态k的瞬时概率Pk(t)为:Ρk(t)=n∏i=1(pfi(t))xi(1-pfi(t))1-xi(12)式中:n为系统元件个数;xi为元件i在t时刻的状态,xi=1表示停运状态,xi=0表示运行状态;pfi(t)为元件i在t时刻处于停运状态的概率。3.2运行可靠性价值评估设系统元件总数为n,且每个元件仅有2个状态,理论上需要枚举分析2n个系统状态,对于大系统会出现维数灾问题。实际上,不可能也没有必要进行全状态空间的枚举和分析,只要使得指标的精度达到一定的要求即可。为筛选出较大概率的状态,运行可靠性价值评估采用了快速排序技术,该方法能按状态概率的大小顺序排列出足够多的系统状态。本文以式(13)所示ETIC精度指标是否满足给定值作为状态空间截断的条件,指标公式的推导过程详见附录A。E*ΤΙC(t)=EΤΙC(t)EΤΙC(t)+(1-∑k∈SΡk(t))∑i∈ΝDFLi(ΡDi)(13)式中:S为已选系统状态的集合;PDi为母线i的有功负荷。本文算例中以E*TIC(t)>90%作为状态空间截断条件。3.3机组出力约束运行可靠性价值评估的状态后果分析采用基于交流潮流灵敏度分析的校正控制策略。若出现发电不平衡、线路潮流越限或母线电压越限,则采取校正控制措施,计算出发电出力和切负荷量。校正控制策略不仅考虑了输电网约束,即网络潮流方程约束、线路潮流约束和母线电压约束,还考虑了机组响应特性约束,即ΡGimin≤ΡGi≤ΡGimaxi∈ΝG(14)式中:PGimin和PGimax分别为发电机i的出力PGi的下限和上限。式(14)反映了系统从当前状态转移到其他状态的机组出力约束。与系统同步的旋转备用机组,其响应出力的增加是爬坡过程,t时刻机组i的最大出力PGimax为:ΡGimax={min{ΡCi,ΡGi0+RiΤΜ}t≥ΤΜmin{ΡCi,ΡGi0+Rit}t<ΤΜ(15)式中:PCi为机组i的额定容量;PGi0为机组初始时刻的有功出力;Ri为机组响应速度;TM为系统调度部门规定的备用响应极限时间,通常为10min。3.4评估算法运行可靠性成本价值评估算法流程见图1,其中求取式(5)～式(8)的时段指标采用了离散化的方法,将预测时间t划分为足够小的m个区间。4运行可靠性成本价值评估IEEERTS-79系统的总装机容量为3405MW,负荷为2850MW,机组响应速率数据见文献,机组发电机成本数据及节点PIEARi数据见文献。由于原系统给出的是规划系统数据,投入所有机组后使发电备用为16.3%,实际系统的运行中,出于经济性考虑,不会将所有备用都作为运行备用开启。为更加符合实际系统的运行情况,将系统运行备用调整为3.68%,系统容量为2955MW,即停运21号母线400MW机组和22号母线50MW机组。本文以最优旋转备用分配方案的选择来说明运行可靠性成本价值评估的应用。算例中预测时间都取为60min,并将其离散化为20个区间进行计算。以下给出3个待选的旋转备用分配方案:方案1:将系统负荷按发电机额定容量等比例分配到各台机组;方案2:18号母线容量为400MW的机组承担系统旋转备用,其他机组均满载。方案3:1号母线承担20MW、2号母线承担20MW、13号母线承担20MW、15号母线承担10MW的旋转备用,其他机组均满载。图2为方案1运行可靠性成本价值瞬时指标随预测时间的变化曲线。随着预测时间的增加,由于元件的停运概率不断增大,导致同一切负荷状态的概率增大,因而QEDNS和ETIC指标呈上升趋势;而停运的发电机不再计入系统运行成本,故CETOC指标略微下降;总的期望瞬时社会成本CETSC仍然呈上升趋势。表2列出了各时段指标。方案2和方案3的评估结果见表2。对比3种运行方案可知:方案2的运行可靠性最低,期望运行成本和社会成本最高;方案3运行可靠性最高,且期望运行成本和社会成本最低。评估结果说明,仅用1台机组作为旋转备用的运行方式无论从可靠性方面还是经济性方面进行比较,都不如多台机组同时承担旋转备用;但若所有机组都承担旋转备用,不仅运行费用会增加,而且由于机组爬坡速度的影响,其可靠性不一定最高。若采用规划可靠性的评估方法,不考虑旋转备用的响应特性,3种运行方式下计算出的QEDNS指标都是1.0335MW,无法正确区分出各种运行方式的运行可靠性水平及其成本价值。综上所述,根据期望社会成本最小的决策原则,最优的备选方案为方案3。5运行可靠性成本价值的应用价值本文提出了电力系统运行可靠性成本价值评估的概念和指标,建立了发