（技术经济及管理专业论文）电力市场环境下安全电价及需求弹性理论与实证研究.pdf

华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 摘要 电力工业市场化改革给电力工业的许多方面带来了巨大冲击，尤其是给 电力系统的安全维护带来了风险，如何解决这一问题是电力工业市场化改革 的重要内容之一。本论文对这一问题进行了探讨，提出安全电价理论。论文 首先对安全电价进行了定义和界定，然后在安全电价的定性分析的基础上， 建立了安全电价的数学模型，并结合算例验证了该模型的正确性。此外，基 于电力需求价格弹性理论的研究，从经济学角度，本论文对安全电价的意义 和作用进行了解释。最后，采用通用、高效的软件开发工具d e l p h i 7 . d ，开 发了电力市场环境下安全电价的辅助决策支持系统。 关键词:电 力市场; 系统安全定价;电 力需求价格弹性 abs tract t h e d e r e g u l a t i o n o f p o w e r i n d u s t ry b r i n g s a s t r o n g i m p a c t o n m a n y a s p e c t s o f p o w e r i n d u s t r y , e s p e c i a l l y , t h e r i s k o n t h e m a i n t e n a n c e o f s y s t e m s e c u r i t y . h o w t o m a i n t a i n s e c u r i t y i s o n e o f t h e k e y i s s u e s i n t h e e l e c t r i c i t y m a r k e t . t h e p r o b l e m i s a d d r e s s e d a n d t h e p a p e r p r e s e n t s s e c u r i t y p r i c e t h e o r y . f i r s t l y , s e c u r i t y p r i c e i s d e f i n e d . t h e n , o n t h e b a s i s o f t h e q u a l i t a t i v e a n a l y s i s o f s e c u r i t y p r i c e , t h i s p a p e r p re s e n t s t h e m a t h e m a t i c m o d e l s o f s e c u r i t y p r i c i n g t o c a l c u l a t e t h e s e c u r i t y p r i c e , a n d a l s o p r o v i d e s a n u m e r i c a l e x a m p l e t o v e r i f y t h e f e a s i b i l i t y o f t h e s e m o d e l s . i n a d d i t i o n , b y r e s e a r c h i n g t h e t h e o r y o f p r i c e e l a s ti c i t y o f e l e c t r i c d e m a n d i n t h e p a p e r , f u n c t i o n o f s e c u r i t y p r i c e i s e x p l a i n e d f r o m t h e e c o n o m i c a n g l e . f i n a l l y , b a s e d o n t h e a p p l i c a ti o n d e l p h i 7 . 4 , s e c u r i t y p ri c e s u p p o r ti n g s o f t w a re i s d e v e l o p e d . z h a n g e n y u a n ( t e c h n o l o g i c a l e c o n o m i c a n d ma n a g e m e n t ) d i r e c t e d b y p r o f . z h a o h u i r u k e y wo r d s : e l e c t r i c i t y m a r k e t ; s y s t e m s e c u r i t y p r i c i n g ; p r i c e e l a s t ic i t y o f e l e c t r i c d e ma n d 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 绪论 0 . 1 电力市场环境下安全电价的研究背景以及意义 随着社会的发展， 人类对电的依赖越来越强， 电能被人们称为继阳光、 空 气、 水之后的人类生存的第四要素。 电力工业是关系国计民生的重要基础产 业和公用事业， 电力的安全稳定供应不仅关系到经济的发展， 同时也与社会 稳定和人民生活密切相关， 一旦发生电网事故，会造成重大的社会影响和巨 大的经济损失。例如，2 0 0 3 年 8 月 1 4日的美加大停电， 据美国的经济专家 预测， 给国内生产总值带来的损失每天约 2 5 0 亿到 3 0 0 亿美元。大停电带给 这些地区的不仅仅是经济方面的损失， 也不仅仅是给人们生活带来极大不便 更为可怕的是，它还极易引发社会动荡， 极大影响社会稳定。 与此同时， 在世界范围内电力工业正经历着一场前所未有的改革。 这场 改革的重点是建立竞争性电力市场， 放松管制， 打破电力工业传统的垂直一 体化的行业组织结构和管理模式， 按照产业链将发电、 输电、 配电和售电分 成四个独立的业务。 电力市场的建立， 可以利用经济的手段实现电力系统资 源的优化配置，促进电力企业间的公平竞争，给电力工业带来了活力。 在传统的垂直垄断的电力系统中， 发、 输、 配等等各个环节的所有设备 都属于同一所有者， 实施统一调度， 分层管理，安全稳定性是被看作提供电 能的基本要求， 安全稳定的维护放在第一位， 安全裕度很大， 最大限度的保 证了系统的安全， 稳定运行可靠性高于经济性，同时， 系统保证供电质量和 安全水平都是无偿的。 但是在电力市场环境下， 所有权分散到了不同的所有 者手中，进行安全控制的各种辅助服务， 如调频、 备用、电压控制等都不能 再无偿获得， 必须在双方 ( 或多方)自愿的前提下按经济原则进行购买。 确 定各方都认可的公平合理的辅助服务定价方案，是进行安全稳定控制的前 提。 所以，电力工业的市场化改革对电力工业的管理、 经营、 体制、电力规 划及调度等都将产生深层的影响和巨大的冲击， 更为重要的是， 这场改革给 电网的安全稳定问题提出了巨大的挑战。 在我国正处于电力工业市场改革的 初期， 有些地方就出现了电厂拒不执行电网调度的情况， 给中国电力市场背 景下的电网安全敲响了警钟。 这就引发了一个新的问题: 在电力市场的环境下， 如何维护电网的安全 稳定运行?如何激励市场的参与者在追求利益最大化时参与系统安全维 护?本论文在此背景下， 通过系统的理论和实证研究， 提出了通过启动安全 电价机制，来激励市场中的各个参与者积极参与系统安全维护的 “ 经济活 动” ，同时也赋予他们追求利益最大的权利，使电力系统的安全得到有效维 护， 社会效益达到最优。 安全电价也可以发挥其经济杠杆作用， 缓解输电网 i 华北电力大学 ( 北京) 硕十学位论文 络阻塞和短期容量不足问题。 显然， 在电力市场条件下， 对电力系统安全性 的重新认识， 有利于解决安全性和经济性之间的矛盾， 研究如何运用安全电 价这种经济手段去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意义。 0 . 2目前国内外关于本课题的研究现状及发展动态 电力系统的安全问题一直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， 安全性也是调度人员关注的首要问题。 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的研究也已经引起了人们的 关注。 但是， 到目前为止，对安全电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。 在国外， 文献 1 7 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。 其总量构成事故支持申报) ， 将发电商和用户( 供应侧和需求侧) 公平对待， 推导故障期间发电与用电的价格和故障的概率信息， 以达到通过 个体经济最优的努力获取社会利益最优的结果。 但是这种方法在理论上需要 进一步的探讨和完善， 它也没有对安全电价如何实施进行研究， 在实践上仍 需提高实用性。文献【 z 对在市场环境下，电力系统安全价值进行了分析和 认识。文献仁 3 1 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【 4 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。 在国内，文献【 5 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【 创从电网运行、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 7 从风险管理理论和公共物品理论 对电力市场下的安全问题进行了再认识， 指出电力系统的安全实质是一个风 险性质的问题， 可以用风险管理的方法来管理电力市场的安全， 同时电力市 场的安全还具有公共物品的性质， 可以用类似社会保险的方式来统一负责提 供电力市场的安全服务， 并基于安全性和经济性的优化平衡， 确定最优的安 全服务价格。 文献对电力市场下安全服务的性质的认识令人信服， 但是安全 服务价格的确定仍需探讨。文献 s 讨论了电力市场环境下输电线路的阻塞 华北电力大学 北京)硕 卜 学位论文 管理和阻塞因子的确定方法。文献1 9 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 2 3 , 2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 , 2 8 1 探讨了电力市场中一个重要的组成部分 一辅助服务市场的定义、市场模式的设计、相关服务定价分析及数学模型。 文献仁 2 9 , 3 0 通过加州电力市场失败的原因分析， 对电力工业改革面对的一 些有争议的问题进行了一些启发式的探讨，例如:是否应该设置电价上限， 现有的容量市场和辅助服务市场的关系、 政府和监管机构应该扮演的角色等 等。 0 . 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， 使得在 每一个市场参与者都试图获得自身利益最大时， 来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， 通过安全电价维护系统安全， 体现了电力市场环境下公平竞争 的原则， 有效激励发电商、 用户参与系统安全维护， 这种理论无疑是一种创 新。 安全价格问题研究内容是: 在电力市场的环境下如何重新认识安全问题; 如何通过对安全定价，将安全性融入经济性中，用经济手段解决安全问题; 如何公平对待市场中所有参与者， 通过安全价格的激励来调节系统中的供需 关系， 维护系统安全。目标是设计一种价格机制以刺激电力市场中各个成员 积极参与维护系统安全。 例如， 当某发电机突然停机可能对系统的安全构成 威胁， 通过附加一个安全价格鼓励其他发电机增加出力， 同时降低用电需求 ( 对电力需求弹性系数大的用户，其作用明显)来维护系统安全。 本论文在前人的研究基础上， 结合当前电力市场改革的背景， 对安全电 价进行了探索性的研究。主要的研究工作和成果总结如下: ( 1 )给出安全电价的完整定义。安全电价是一种在电力市场环境下能 够及时反映系统安全状况， 并且试图通过它激励市场参与者积极维护系统安 全的电价机制。 ( 2 )通过对电力系统安全稳定控制措施的分析和电力系统运行状态的 认识， 界定附加安全电价的条件。 安全电价实质就是在系统处于警戒状态时， 调整系统运行点回到正常状态范围内， 电力调度交易中心所采取的预防控制 手段的 “ 市场化” 。 ( 3 )对安全电价进行定性和定量分析，建立了安全电价的数学模型 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 并且结合一个算例，验证其正确性。 ( 4 )利用经济学中供给一需求理论可以对安全电价进行解释。安全电 价是基于实际存在的电力供需弹性，引导电力市场中供求双方进行安全维 护。 ( 5 ) 采用通用、 高效的软件开发工具d e l p h i 7 . 0 进行开发安全电价支 持系统软件。 在系统运行状态分析和安全支持报价的基础上， 可以快速、 方 便的求解出安全电价， 利用安全电价， 可以对给定区域内的系统安全状况进 行分析。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章电力系统安全稳定控制理论及控制措施概述 现代电力系统由能量转换系统、 控制系统和信息系统组成， 是一个复杂 的非线性动力系统， 它的安全、 稳定运行是电力系统的基本要求。电力系统 安全管理的目的是保证电力系统能以质量合格的电能充分地对用户连续供 电， 要达到这个目的， 需从电力系统规划设计与电力系统运行两个方面实现。 1 . 1 电力系统安全性的定义 电力系统的安全性 ( 安全水平) 是指电力系统承受突然发生的扰动的能 力， 又称动态可靠性， 就是在动态条件下电力系统经受住突然扰动并不间断 供电的能力。 与可靠性研究不同， 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，它在电力系统调度运行管理中的经常运用。 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。 这些千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， 也就是 说，当出现规定性质和规模的干扰或事故后，电力系统仍能保持连续供电。 例如， 在一双回路供电的电力系统中， 要求在一回线路故障断开后， 仍能维 持连续供电。 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的特定的事故形式而言的。 因为要求在所有可能出现的 事故下都保证安全性是不可能的，或者要求很高的经济代价。 在实际运行中， 一方面要求系统能经受特定的事故， 另一方面， 要求在 出现超出规定的事故时， 系统能够采取措施防止事故扩大， 或者能迅速消除 事故所造成的后果， 恢复正常供电。 电力系统的安全性与可靠性的研究有所 不同， 它通常是采用确定性的分析方法， 也就是利用潮流和稳定性程序分析 电力系统的实时运行方式是否满足安全运行条件。 安全性一般是采用确定性指标表示。 它是由系统的实时运行情况和外界 条件确定的。 具体来说， 就是静态稳定储备系数 ( 安全储备系数) 和干扰出 现的概率确定的。 在正常情况下， 干扰出 现的 概率较小， 就有一定的 静态稳 定储备系数的电力系统可以认为是安全的。但是在异常条件下，如暴风雪， 则需要有更大的储备系数才能保证系统的安全运行。 因为这些异常条件不仅 增加了严重干扰的概率， 而且增加了一系列连锁性千扰的概率。 它们的积累 效应往往是很严重的。 所以， 在实际的运行中， 调度中心要随时对系统的运行情况作安全分析， 以确保系统运行的安全性。由此可以看出， 在正常运行的情况下， 电力系统 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 不应该经常在接近稳定极限的情况下运行， 而应保持一定的静态稳定储备系 数是非常重要的。静态稳定储备系数的确定公式是: p m - p a x 1 0 0 % 尸。 ( 1 ) 式中 ，k p 为 静 态 稳定 储备 系数，p ， 为 系 统可 调 最大出 力 ，p 。 为 某一 运 行方式情况下的输送功率。 要求电力系统运行时要有多大的储备系数， 必须 从技术和经济等方面综合考虑。 若储备系数定得较大， 则要减小正常运行时 发电 机 输 送的 功 率尸 。( 当 稳定 极限 变 化 不 大时 ) 因 而限 制了 输 送能 力， 恶 化输电的经济指标。 储备系数定得过小， 虽然可以增大正常运行的输送功率， 但是运行的安全可靠性较低， 若出现稳定破坏事故， 那么将造成经济上的损 失。 电力系统不仅要求正常运行下有足够的稳定储备， 而且要求在非常运行 方式下 ( 例如切除故障线路后) 也应有一定的稳定储备系数，当然， 这一储 备可以比正常运行时的小些。我国现行的 电力系统安全稳定导则规定: 正常运行方式和正常检修运行方式下，k p -1 5 % -2 0 % ; 事故后运行方式和特殊运行方式下，k p 1 0 % 0 1 . 2 影响电网安全水平的因素 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2 / 3 发生在电网结构薄弱的 电力系统中， 下表 1 - 1 说明了在较弱电网结构中发生的安全事故占总事故的 总数的比例。 表 1 - 1在弱联系电网结构中的安全事故统计 结构方式比例 ( % ) 距离过长或联系阻抗过大的单回线路 3 8 . 6 高低压环网结构 1 9 . 0 弱联系大环网 5 . 7 过弱的受端系统 2 . 9 主要电源 t 接 0 . 5 其他方面事故 3 3 . 3 合计 1 0 0 资料来源:中国电力百科全书一 电力系统卷，统计年:1 9 9 1 -1 9 9 5 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 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。 根据我国近年来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 1 - 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 1 - 2运行管理相关的电网安全事故统计 分类运行管理方面的问题 占事故总数的比例 ( %) 静态稳定 破坏 对止常或检修运行方式未进行应有的稳定计算分析， 在 负荷增长或受电侧发电处理减少时，未能控制潮流 1 6 . 6 由于无功不足，线路长， 负荷重， 获将发电机自动调整 励磁装置退出运行，或误减励磁造成运行电压大大下 降，电压崩溃 1 0 。 5 暂态 稳定 破坏 对发电机失磁是否会引起稳定破坏未作分析计算， 未采 取预防措施 1 5 , 7 高低压环网运行方式考虑不当， 或环网运行时未采取相 应的解列措施 1 4 . 8 未考虑严重的故障 ( 主要是三相短路) ，又未能采取有 效措施 5 . 7 未考虑低压电网故障对稳定的影响 8 . 6 其它方面事故 2 8 . 1 合计 1 0 0 资料来源:中国电力百科全书一 电力系统卷，统计年:1 9 9 1 -1 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。 预防事故是最积极 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， 因考虑足够的 旋转备用和冷备用，以及它们的合理分布。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 1 . 3 电力系统的运行状态分类 电力系统的运行状态即电力系统在不同运行条件( 系统接线、 出力配置、 负荷水平、 故障等) 下的运行情况。 电力系统的运行条件一般可采用三组方 程式来描述。 一组微分方程式用来系统组件及其控制的动态规律; 两组代数 方程式则分别为电力系统运行等式和不等式约束条件。 等式约束条件就是系 统发出的有功和无功负荷 包括电网损耗) 相等。 这是电力系统正常运行的 必要条件，可用下列数学公式表示: 干 p g + 一 y- p lj7一 l a p . 一 。 干 q 。 一 千 q lj - j a q , = 。 式 中 p g ; 飞为 发 电 机 或 其 它 电 源 设 备 发 出 的 有 功 和 无 功 功 率 ; p 14 , q 。 为 各 种负 荷的 有功 和 无功功率;a p , , a q , 为电 力系 统中 各 种 有 功 和无 功 功率 损耗。 不等式约束条件就是涉及系统安全运行的某些参数 ( 如母线电压、线 路功率潮流等) ， 应处于系统或设备安全运行的允许范围之内( 上限及下限) ， 可用下列数学公式表示: u ; m m (u i 毛u 二 、( 4 ) p g i-毛 p c 蕊 p c i m ax ( 5 ) q g ，二蕊q g i 成q g i m ax( s ) s ij m i. 共 j ij 提 s j m a x ( 7 ) 大 * 。 蕊f(f i m e.( 8 ) 式中u i u im ax u i、分别为母线电 压及其 上、 下限 值; p g r p g in m x p g 二 分 别 为 发电 机 有 功出 力 及 其 上、 下 限 值; q g i q g i m ,x q g e、分 别 为 发电 机 无功出 力 及 其上、 下限 值;s j 凡 m ex s j m ;， 分 别为 线 路i - - j 的 功 率潮 流 及其 上 下限 值;f，人 。 二 ，f i*分别为 频率 及其上、 下限 值。 根据不同的运行条件，一般可将电力系统的运行状态分为正常运行状 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 在各种状态间进行转变，如图1 - 1 所示。 正常运行状态系指运行中的电力系统满足上述所有约束条件， 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 负荷的用电需要， 也就是说， 电力系统中总的有功和无功功率能和总的有功 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 和无功功率的需求达到平衡; 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， 是系统具有适当的安全水平， 能承受正常的干扰( 如正常开断一条线路或发电机) 而不产生有害的后果( 如 设备超载) 。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， 是系统的安全 水平低于某一值时，系统将进入警戒状态，此时系统承受千扰的能力降低， 应采取与预防性控制措施， 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施不 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， 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 从而有可能使系统失去稳定而解列成几个子系统， 并大量切除负荷及发电机 组， 从而导致大面积停电和系统崩溃。 所以在电力系统紧急状态时， 要迅速 抑制事故及异常现象的发展和扩大; 尽量缩小故障延续时间， 及其对电力系 统其它非故障部分的影响，使电力系统能维持和恢复到一个合理的运行水 平。 这种紧急的控制措施一般分为: 选择性切除故障阶段和防止事故扩大阶 段。 在第一阶段， 借助各种继电保护和自 动装置， 有选择性的快速切除部分 发生故障的电力系统组件， 如发电机、 线路、 负荷等，以避免对电力系统正 常工作部分的影响和个别发电机的失步。 在第二阶段， 即故障切除后， 如继 续出 现紧急状态， 不能立即恢复到警戒和恢复状态， 除了需要采取各种安全 措施外， 允许对部分用户停止供电， 以免发生连锁性的故障或电力系统的瓦 解。同时，应尽可能缩小停电范围，使对用户造成影响最小。 当采取各种控制措施使系统稳定下来时， 则系统可进入恢复状态。 因采 取各种恢复出力和送电能力的措施， 迅速而平滑的对用户恢复供电， 使无计 划解列的系统重新并列。 根据系统的实际情况， 从这种状态可以恢复到正常 状态或警戒状态。 1 . 4电力系统警戒状态再讨论 所谓警戒状态，是指运行中的电力系统虽然满足功率平衡约束和安全运 行约束， 但是安全水平较低， 对外界干扰的抵抗能力较弱， 在一个不能预测 的干扰出现或渐进性的负荷增长的条件下， 就有可能使某些不等式约束越限 ( 如某些设备超载) ，使系统的安全运行受到威胁或破坏，进入紧急状态。 通常，电力系统受到灾难性干扰，从正常运行状态直接进入紧急状态 的情况时不多的， 大量的情况是在正常状态下一系列小干扰的积累效应， 使 电力系统总的安全水平逐渐降低而进入警戒状态。 导致电力系统由正常状态 向警戒状态转移的因素很多，主要是如下三点: ( 1 )系统中可用出力减少。如计划外负荷增长，燃料供应不足，发电机计 划外停役以及某些外界条件 ( 如循环水温升高)等都会使发电机出力降低， 而辅机故障同样会使发电机出力备用减少。 a 输送能力减少。计划外输电线或变压器断开，负荷的不正常分配以及 高温等自 然现象都会使输电能力减少。 ( 3 )干扰的概率增大。风暴、水灾、地震等自 然灾害，以及社会治安等因 素。 当系统处于警戒状态时， 应采取一些预防性的控制措施， 如增加和调整 发电机出力，调整负荷的配置， 改变运行方式、 切换线路等， 提高系统的抗 干扰能力， 使系统尽快恢复到正常运行状态。 如果找不到适当预防控制措施， 华北电力大学 ( 北京)硕十学位论文 或者在进行这种预防性控制以前就发生一个足够严重的千扰， 如短路或切除 大容量机组等， 那么系统将进入紧急状态， 某些不等式约束受到破坏。 这时， 如果能及时而正确的采取一系列控制措施，就有可能使系统恢复到警戒状 态。 如果不及时采取控制措施， 或措施不够有效， 使得相等于不相等的约束 条件均遭到破坏， 则系统有可能失去稳定， 解列成几个系统， 并不得不大量 切除负荷及发电机，从而导致全系统的崩溃，系统进入待恢复状态。 1 . 5电力系统的安全稳定控制措施 飞 ， 51 电力系统安全稳定控制过程 在现代电力系统中，保证电力系统的安全运行是由三部分组成的，即: 安全状态监测、安全水平分析、安全控制措施。 图1 - a 电网安全监控框图 图1 - z 是电网安全监控过程。 安全状态监测就是通过电力系统信息收集 系统， 采集电力系统运行的实时信息， 如: 线路有功功率和无功功率、 频率、 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 母线电压、 断路器状态及继电保护动作情况、 变压器分接头位置等等， 并且 根据这些实时数据，判断系统的运行状态 ( 安全、不安全、紧急、恢复) ， 监视系统运行。 安全水平分析就是在安全状态监测的基础上， 对实时状态及 预测的未来状态作分析和判断， 校验其安全水平。 利用网络， 在短时间内对 系统的实时状态和未来时间里可能出现的多种事故以及造成的后果作出分 析，为系统实施安全控制提供依据. 1 . 52电力系统安全稳定控制措施 安全控制是指根据系统的实时运行状态和安全分析的结果所采取的以 保证系统安全运为目的的一系列调节、校正和控制措施。安全控制有两类: 预防控制和紧急控制， 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1 - 3 所示。 故障 控制 运 行 点 、 _ 一 汉 卜 控制 安 全 域边界 ， 一 卜 原稳定边界 警戒域 稳定域边界一 新稳定边界 ( a )预防控制 ( b ) 紧急控制 图1 - 3电力系统安全稳定控制 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改变)， 使故障后的运行点仍处于稳定状态。 显然，预防控制一般是经常处于工作状态的连续工作方式， 而紧急控制 是在事故扰动下才启动工作的断续工作方式。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 预防控制主要是改变系统潮流的分布、 发电机出力、 负荷， 使处于警戒 状态 ( 不安全状态) 的系统的运行点移至安全区域内， 一般是经常处于工作 状态的连续工作方式。 紧急控制是改变系统的稳定边界( 继电保护和安全装 置快速切除故障组件，如发电机、 线路、负荷等， 使电网结构发生暂时的改 变) ，使故障后的运行点仍处于稳定状态，它是在事故扰动下才启动工作的 断续工作方式。 加强预防性控制是最经济、 积极的控制方法， 它不仅减少了事故出现的 概率， 而且即使故障出现也可减少其严重程度。 电力系统的安全分析就是通 过对尚未出现故障、处于正常运行中的系统进行各种预想事故下的安全校 核， 并对安全水平低的系统提出预防性控制措施， 来达到预防事故或减少事 故影响的目的。 在电力市场环境下， 在实施预防措施之前， 电力调度交易中 心必须进行可能发生的事故造成的赔款和实施预防控制措施的成本之间权 衡。 同样， 竞争的发电公司和用户也将在参与安全维护带来的收益和不参与 安全维护的经济损失或可能承担的处罚费用之间做出选择。 所以， 在竞争的 市场条件下， 参与安全维护来自经济利益的驱动。 在某种意义上， 传统的安 全稳定控制系统己不能适应电力市场的要求， 必须全面审定并研究和制订新 的安全运行规则， 详细规定各个市场参与者的责、 权和利， 促进公平有序竞 争。 同时对市场规则的实施要加强监督， 对未履行义务影响了安全稳定的市 场成员要进行一定的处罚。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章电力市场环境下安全电价理论研究 2 . 1 电力市场环境下电力系统的安全稳定风险 现代电力系统突飞猛进的发展， 电网逐步变成了结构越来越复杂、 分布 面广的互联系统， 在促进电力资源的经济、 合理利用的同时， 电网安全问题 更加趋于复杂。 安全稳定问题是电力系统运行中的重要问题。 在垂直垄断的 情况下， 发、 输、 配的规划和调度是统一进行的， 传统的安全分析主要是离 线的分析， 所用的数据不全面、不精确，模型也很粗糙， 考虑的是最不利的 情况， 系统一般都有很大的裕度， 没有充分利用现有的发电、 输电能力，电 力系统的主要目标是在保证系统安全的前提下，尽可能的满足用电需求。 然而，在电力市场的环境下，其主要目 标是在保证系统安全的情况下， 是各参与者的经济利益最大化。 为了获取最大利益， 必须实时地了解系统确 切的运行状态和安全稳定裕度， 最大可能地利用现有系统， 在系统出现安全 问题时快速地制定安全控制策略，尽量减少经济损失，或增加经济效益。 电力工业的市场化， 就像一把双刃剑， 在给电力工业注入了新的活力的 时候， 却给电网的安全性的维护带来了更大的风险与挑战。 高收益伴随着高 风险。一方面大规模互联系统的出现，系统的结构和运行方式越来越复杂， 特别是远距离大功率输电线路和系统弱联系的出现， 增大了电力系统运行的 风险。 而另一方面， 随着电力市场化改革的不断深入， 市场的参与者的行为 发生质的变化，传统电力系统中的安全性指标能否贯彻及贯彻到什么程度， 要看是否能给相应的市场参与者带来经济利益而定。 所以， 电力工业的市场 化改革对电力工业的管理、 经营、 体制、 规划及调度等都将产生深层的影响 和巨大的冲击， 更为重要的是， 这场改革给电网的安全稳定问题提出了巨大 的挑战。 电力市场的实行，使安全分析的环境有了很大的变化。具体来说，可概 括为以下几个方面: ( 1 )为了追求最大的经济利益，将尽可能平等地使用现有的设备， 系统将运行在更加接近临界稳定点的状态，系统的安全裕度将 变小。 c 2 )垂直垄断企业的解体，使发电、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，不存在上 下级的关系。 t 3 )为了各自的经济利益，远距离、大规模的功率传输大大增加。 c 4 运行方式不能预先确定且变化频繁，要求能快速地进行安全分 析并提出解决方案。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 ( 5 )市场的参与者众多，自由权增加，电力系统运行中的不确定因 素增加。 ( 6 )安全控制设备可能分散在不同的所有者手中。 电力系统安全稳定控制系统在电力市场下面临许多挑战，如相关法律、 规范的制定，输电阻塞的管理，系统状态和安全性的量化评估，各种经 济指标的计算，方便、灵活的系统控制方法， 数据的测量、传输和建模， 快速的计算方法，电力系统的规划和发展等。 2 . 2 安全电价的定义及分析 在传统的垂直垄断的电力系统中， 实施统一调度， 分层管理，安全放在 第一位， 安全裕度很大， 最大限度的保证了系统的安全， 稳定运行可靠性高 于经济性，同时，系统保证供电质量和安全水平都是无偿的。 电力市场就是采用法律， 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， 供电、 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。 因此，电力市场首先是一种管理机制。 这种管理机制和传 统的行政命令的机制不同， 是主要采用经济的手段进行管理。 电力市场的基 本原则是公平竞争、自愿互利。 与传统的垄断的电力系统相比， 电力市场具 有开放性和竟争性。 与普通的商品市场相比， 电力市场具有计划性和协作性。 电力市场是相互紧密联系的， 任何一个成员的操作， 均将对电力系统产生影 响。 所以要求电力市场中的电力生产、 使用、 交换具有计划性。同时由于电 力系统要求随时做到供需平衡， 所以要求电力市场中的供应者之间、 供应者 与用户之间相互协调。 电力市场要采用经济手段管理各个市场成员， 电价则 是体现管理思想的工具。 在电力市场中，可靠性服务于经济性， 维持电网安全可靠运行的动力来 自市场各参与方对经济利益的追求， 而非来自 各种安全、可靠类的规程。传 统中的这种 “ 无偿义务” 显然违背了市场原则， 不可能再要求发电公司和用 户仍然无偿的提供这种辅助服务， 这就要求必须建立科学、 合理的辅助服务 定价机制确保安全成本的回收。 所以， 在电力市场环境下， 保证电力系统的 安全则是电力调度交易中心重要职责。 电力市场下各个参与者的目 标更确切 的说应该是确保系统安全稳定的前提下追求利润最大化。 整个电力系统在电 磁上是相互祸合和连续的， 所以在电力系统中， 任何一点发生故障现象，都 会在瞬间影响和波及全系统，有时会引起连锁式的反应，导致事故的扩大， 在严重的情况下， 会使系统发生大面积停电事故。 这就要求所有市场成员应 当相互协作配合， 共同承担维护电网安全的义务， 以确保电力系统安全稳定 运行。所以说电力系统的安全问题和每一个市场成员息息相关。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 电力调度交易中心负责电力系统的运行、 操作和事故处理， 协调各种交 易， 采取一切必要措施维持系统的安全运行。 在系统安全方面， 主要具体职 责是交易中心按照市场运营程序规则， 结合市场供求关系和各个发电公司的 报价， 按照购电费用最小原则做出预调度计3 n i ， 然后将预调度计划送到调度 中心进行安全检验。 安全检验主要是根据当日的设备检修计划作出各时段的 功率分布计算， 如有设备过负荷或超过稳定极限， 则调整发电计划和购电计 划， 同时检验是否满足继电保护和系统安全自 动装置的要求。 调度中心把修 改后的预调度计划再返回交易中心; 电力调度交易中心确定发电机组和负荷 调度潜在的制约条件，评估制约条件对电力系统安全性和可靠性造成的影 响，当存在网络制约时，电力调度交易中心必须合理修改调度计划， 确保系 统安全; 对发电机组事故备用容量和无功备用容量的可用率和充裕性进行评 估， 采取合理步骤使备用达到要求的可用性; 确定短期备用容量和中期备用 容量要求， 根据系统充裕性评估对实际的短期备用容量和中期备用容量进行 评估; 尽早向市场成员预报或通报严重影响电力系统安全的信息; 当短期备 用容量和中期备用容量不足时， 及时向市场成员通报这一信息; 将了解到的 严重威胁电力系统安全，而处理责任却不在电力调度交易中心的有关信息， 提交给其认为合适的市场成员; 利用提供的辅助服务或其它有效的方法来维 持或恢复电力系统的安全运行; 命令市场成员采取必要的行动以确保、 维持 或恢复电力系统的安全运行状态; 在电力供应不足或系统瓦解时， 发布拉限 电命令。 研究可能出现的重大电力系统事故， 制定应急措施; 确保电力调度 交易中心与之紧密联系的电网调度运行人员， 使得配电网及其它输电的运行 不会危及本电力系统的安全。 安全电价是一种在电力市场环境下能够及时反映系统安全状况，并且试 图通过它激励市场参与者积极维护系统安全的电价机制。 也就是说， 当系统 出现扰动， 使系统运行点偏离安全稳定区域时或者说系统运行受到安全约束 时， 通过安全电价一方面及时反映系统运行状态， 调整市场供求关系， 使系 统运行点回到安全稳定区域内; 另一方面， 通过安全电价刺激各个市场成员 改善经营管理， 优化配置资源。 通过充分发挥市场中价格的杠杆作用， 维护 电力系统的安全。同时，市场参与者因有效参与安全维护而得到经济补偿， 而且经济补偿必须大于他们参与安全维护的成本。 所以， 在电力市场环境下， 市场成员参与系统安全维护的最终目的， 并不是为了维护系统的安全性， 而 是出于各自的经济性的考虑。 当系统出现扰动， 使系统运行点偏离安全稳定区域时或者说系统运行受到 安全约束时， 通过安全电价调整市场供求关系使系统运行点回到安全稳定区 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 域内。 根据电力系统安全运行中各个运行状态的分析， 在系统处于警戒状态 时，安全电价应当发挥调节供需作用，调整系统运行点回到正常工作状态。 所以安全电价也可理解为:将系统处于警戒状态时所采取的预防控制手段 “ 市场化” 。 注意这里假定电力市场各个成员是经济人，并且电力供求受价 格和供求弹性系数的影响无时间上的滞后， 否则， 这个经济手段将失去作用 或不能及时发挥作用。 2 . 3安全电价的界定 这里可能需要进一步解释一个问题: 为什么在警戒状态下启动安全电价 而不是在正常状态和紧急状态? 首先， 电力市场的本质是在电力工业内部引进竞争机制， 它是电力工业 经营管理和市场原则结合的综合体。 电力市场既有竟争的一面， 又有统一协 调的一面， 不能脱离电力系统运营的技术特点空谈电力市场。 所以， 分析安 全电价必须先分析系统的运行状态， 继而分析在何种状态下发挥安全电价的 作用切实起到维护系统安全效果; 其次， 预防事故是最积极的反事故措施， 预防事故所采取的预防性对策 的实施就是预防控制， 通常预防控制也被纳入了安全分析的范围之内。 安全 分析就是通过对尚未出现故障， 处于正常运行中的系统进行各种预想事故下 的安全校核， 分析在当前的运行方式下， 电力系统对一组预想事故冲击的响 应情况， 判断在这种预想事故下系统是否安全。 在此基础上， 并对安全储备 系数低的系统提出预防性控制措施，来达到预防事故或减少事故影响的目 的。 对警戒状态提出预防性控制对策， 在事故情况下提出紧急控制对策。 显 然， 与其他安全措施相比， 加强预防性控制是最为经济的控制方法， 它不仅 减少了事故出现的概率， 而且即使故障出现也可减少其严重程度。 所以， 在 警戒状态启动安全电价实质就是采取预防性控制方法对系统中各个市场成 员责权进行量化，这也正是电力调度交易中心和各个市场成员所希望的; 最后， 如前文对电力系统运行状态的分析可知， 当电力系统处于正常状 态运行， 系统的等式约束条件和不等式约束条件都是满足的， 系统有足够储 备， 同时可以实现经济运行。 在正常状态下，电力系统对不大的负荷变化的 反应， 可以认为是电力系统从一个正常运行状态连续变化到另一个正常运行 状态。 正常运行状态是系统的安全状态， 所以它又称为安全正常状态或简称 安全状态。电力系统的运行管理就是要尽量维持电力系统处于正常运行状 态。 在正常状态下， 市场交易正常进行