（电力系统及其自动化专业论文）基于市场环境下的可靠性电价与可靠性赔偿.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着电力市场管制的逐步解除，用户获得了选择供应商的机会，并迫切要求供 应商能按不同供电可靠性水平进行相对合理的可靠性定价与停电经济赔偿，以体现 公正、公平、公开的市场原则。本文以城市配电系统为研究对象，通过对用户可靠 性属性的分析，提出了一种用模糊聚类的方法对系统内不同可靠性属性的用户进行 分类，并依照此分类构建了虚拟负荷点：进而，将虚拟负荷点引入到制定可靠性电 价与建立经济赔偿机制的过程中。通过对r b t s b u s 4 配电系统的算例分析表明， 该聚类方法合理的反映了用户的可靠性属性，设计出的可靠性电价与赔偿机制不仅 实现了优质优价、停电赔偿的思想，而且更具有可操作性与可控性。 关键词：电力市场，可靠性电价，赔偿机制，模糊聚类，虚拟负荷点 a b s t r a c t w i t ht h ee l e c t r i c i t ym a r k e td e r e g u l a t e ds t e pb ys t e p ，c u s t o m e r sg e tt h eo p p o r t u n i t y t oc h o o s ep o w e rs u p p l i e r sa n dt h e yu r g e n t l yw a n tt h es u p p l i e r st od e c i d eo np o w e rp r i c e a n dc o m p e n s a t ec o m p a r a t i v e l yr e a s o n a b l ei nt e r m so fd i f f e r e n tp o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y l e v e l st oe m b o d yt h er i g h t e o u s ，i m p a r t i a la n do p e nm a r k e tp r i n c i p l e an o v e lm e t h o df o r t h es e t t i n go fr e l i a b i l i t yl e v e li nad i s t r i b u t i o ns y s t e mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h en e w m e t h o da p p o r t i o n st h er e l i a b i l i t yl e v e lb a s e do naf u z z yc l u s t e r i n gc a t e g o r i z a t i o no f c o n s u m e r s t h e nv i r t u a ll o a dp o i n ti sp r o p o s e di nt h i sp a p e rb a s eo nt h er e s u l to ff u z z y c l u s t e r i n g l a s tv i r t u a ll o a dp o i n th a sb e e nu s e di ne s t a b l i s h i n go fr e l i a b i l i t yp o w e r p r i c e a n dc o m p e n s a t i o nm e c h a n i s mw h i c ha r es e a s o n e dw i t h e l e c t r i c i t ym a r k e t e n v i r o n m e n t t h es e t t i n gm e t h o dp r e s e n t e di nt h i sp a p e rh a v eb e e nu s e dt oa n a l y z e r b t s - b u s 4a n dt h er e s u l t ss h o wi t sa v a i l a b i l i t ya n dr e a l i z et h ei d e a so fh i g hp r i c eo n l y b a s e do ng o o dq u a l i t ya n db l a c k o u tc o m p e n s a t i o n b a ig u o l i a n g ( 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 ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ，r e l i a b i l i t yp o w e rp r i c e ，c o m p e n s a t i o n m e c h a n i s m ，f u z z yc l u s t e r ，v i r t u a ll o a dp o i n t 1 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于市场环境下的可靠性电价及 可靠性赔偿，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，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 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：囱因集 日期： 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) 日 期：型! ! 蟛 日期： 华o 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 电力系统的根本任务是尽可能经济而可靠地向用户供电。安全、经济、优质、 可靠是对电力系统的基本要求。但是，现代电力系统的结构日益复杂，系统所包含 的元件数量越来越多，自动化程度越来越高，而且系统不断向高电压、远距离和大 容量方向发展。因此，由于系统元件出现的随机故障而引起系统功能部分甚至全部 丧失，给现代社会正常的生产和生活带来巨大的经济和社会损失。电力系统可靠性 研究正是由此而从电力系统规划、设计和运行等活动中提出的一项具有巨大经济价 值和重大社会意义的前沿性课题【l j 。 无论是在管制环境下的电力系统前期规划和实际运行过程中，还是在市场环境 下的电力系统前期规划和实际运行过程中，如何协调可靠性与经济性这一对矛盾都 是永恒的话题。 在未来的电力市场中，电能可靠性应该成为市场交易的一个方面。不同的客户 对电能质量的要求会不同，愿意为电能可靠性支付的费用也有所不同。对发电商而 言，不同的发电商提供的电能可靠性不同，对其付费也应该有所区别。要实现上述 目标，就需要建立一种交易模式，使得电能的供给与需求与可靠性联系起来，通过 市场的供给需求理论来指导系统可靠性的提高。传统的通过行政指令迫使电力企业 增加投资、保证系统可靠性的模式，对用户征收可靠性费用的透明度不高，使得交 易双方都处于被动状态。若通过市场机制引导用户和发电商以及供电商，可靠性的 保证就可以过渡到自然和谐的方式，这样更加有利于系统可靠性的提高。 合理的电价是电力市场成功运行的关键所在。关于电价的讨论，不管是从国内 和国外的研究来看，都倾向于这样一种认识：从经济学的边际成本理论出发，不同 环境下( 包括时间和空间两神因素) 的电能应具有不同的价值，电力商品的价格应 体现电力这一商品的价值。合理的电价设计，应该考虑两方面因素：一是在供应侧 能反映生产成本；二是在需求侧能反映用电特性。现行的定价方式尽管考虑了不同 的供电时段具有不同的发电成本，并因此制订了时间电价和季节电价。但是这种定 价方式只反映供应侧成本，而将电力商品视为同一品质属性的商品，没有考虑用户 的用电特性和供电不足时用户的缺电成本。这里所说的品质属性是指供电可靠性， 即可停电时间、时段、次数和提前通知时间。总之，销售侧实行统一分类电价，从 广义的价格歧视( 价值相同的同一商品以不同的价格销售，不同价值的同一商品以 华北电力大学硕士学位论文 同一价格出售) 的角度来讲，这实际上存在大量的各种价格歧视：既有不同用户类 别之间的价格歧视，也有同一类别之间用户的交叉补贴。 1 2 市场环境下电力系统可靠性研究概况 无论是在传统的电力体制还是在电力市场机制下，在电力系统规划设计、运行 中如何协调可靠性与经济性这一对矛盾都是永恒的话题。1 9 7 4 年诺贝尔经济学奖获 得者a 哈耶克曾说过：“我们实际上要找到一套制度，从而使人们能根据自己的选 择和决定其普遍行为的动机，尽可能地为满足所有他人的需要贡献力量。，【5 j 由此 可见，市场环境下维护可靠性光靠标准和指令性措施是不行的，必须找到一种符合 市场规律的机制。 电力市场的最基本原则是公平原则。电价机制作为电力市场的支点与核心，其 制定应尽可能体现市场的公平原则。因此，合理的电价应兼顾以下两个方面：一是 在供应侧反映电力生产成本；二是在需求侧反映负荷特性。【4 】 可靠性电价是除单一制电价、两部制电价、峰谷分时电价和季节性电价外的一 种电价。随着电力市场的持续发展，如何兼顾市场供用电双方的经济利益，基于不 同用户的可靠性需求制定相对合理的可靠性电价与赔偿机制，将是一项具有重要意 义的工作。为此，国内外相关学者针对如何进行可靠性定价以及如何设计科学有效 的可靠性经济赔偿进行了大量的研究。 在可靠性电价方面先后出现了一些如中断电价( s t r i k ep r i c e ) 、缺电成本( o u t a g e c o s t ) 、分级电价( p r i o r i t yp r i c i n g ) 、可靠性综合定价等方面的研究。 ( 一) 缺电成本 文献 1 中简要的介绍了世界各国停电损失费用的估算方法包括混合用户、工 业用户、住宅用户停电的损失估算及v o l l 法；同时并提出了几个适用于我国的停 电损失评估方法包括平均电价折算倍数法、产电比法和总拥有费用法。 文献 4 提出了用户停电损失费用函数( c d f ) 这个关键概念，并列举了通过这 个函数计算用户损失费用的算例。该文将可靠性指标和用户费用联系起来考虑，突 破了以往在研究可靠性问题时仅仅考虑整个大电力系统的总体指标而忽视用户差 别的做法。该文提出的c d f 为用户评估自身的可靠性价值以及在将来可能的可靠性 市场中采取正确的市场策略提供了理论依据，具有非常重要的实用价值。 ( 二) 中断电价一基于可靠性的实时电价【2 叫 基于可靠性的实时电价以社会利润的最优化为目标，把供电可靠性和经济运行 概念融合在对可中断负荷的管理之中。它成功地把作为电力市场一大基础的实时电 价理论和电能质量最重要的一项因素一一可靠性结合在一起，通过对用户行为及社 2 华北电力大学硕士学位论文 会利润的详细模型分析，不但可以兼顾容量扩展投资费用等长期运行成本，而且能 够提高供电效益，从而在实践中可能达到比其它电价体系更加优越的经济目标。但 是，尽管它直接给出了量化的用户中断管理方案而不需要等待其需求响应，但有可 能导致较长时间的停电，因而结合提前通知用户，使其自动降低负荷的措施会更有 效。另外，它虽然考虑了可靠性质量的价格公平性，但仍然可能不足以实现收益平 衡，必须借助于r a m s e y 电价方案。 ( 三) 分级电价“州 我国对分级电价的研究最早始于1 9 9 7 年，文献 2 8 1 首先提出了分级电价的概念 和制订策略，但是没有给出相应的模型。文献【2 9 】在文献【2 8 】的基础上，将供电可靠 度分成若干个等级，通过构造电力充足概率来衡量不同的可靠度等级，并以此分摊 容量成本。从用户的利益出发，在边际电量成本中，考虑了边际缺电成本。应用边 际定价理论，给出了分级定价的数学模型。 相比于传统依据单一可靠性水平的容量成本平均分摊，基于可靠度的分级定价 模型以满足不同用户的不同需求，使用户的付出与所得相匹配为基本点，提出了容 量成本按用户可靠度等级在用户之间进行分摊，改变了用户间不合理用电利益的转 移。应该说，这是一种进步。但是，如果不建立一种相应的赔偿机制，上述可靠性 定价模型的应用将受到一定的质疑。我们知道，不同的电网建设或改造方案将会出 现以下两种情况：电网投资不同，总体可靠性相同；电网投资相同，总体可靠 性不同。如何使电网投资性价比最高，关键在于电力公司是否具有电网投资的风险 意识，当然这将与市场管理机制密切相关。市场管理机制越完善，电力公司的投资 风险意识越强，电网投资性价比越高；反之，市场机制存在不同程度的缺陷，特别 是对电力公司的投资风险约束不够，电网投资的性价比将越低。因此，如果市场管 理者没有促使电力公司在执行可靠性定价的同时建立相应的赔偿机制( 以作者的观 点，相对于对电力市场持续发展的贡献，赔偿机制的建立应该先于可靠性电价机制 的建立) ，仅通过容量成本的各种不同分摊方式( 包括基于可靠度的分级定价) ，电力 公司的任何投资( 包括错误或重复投资) 均能得到1 0 0 的回收，电力公司没有任何 投资经营风险，也就没有采用先迸技术、引迸先进经验来规划与管理电网的动力； 同时，当电力公司将投资风险全部转移给用户后，长此以往，用户也就提不起对电 力体制改革的信心，如果出现新的电力替代能源，用户将有可能降低或抛弃对原有 电能的使用，电力市场的基础必将受到严重冲击。可以说，建立相应的赔偿机制已 成为电力市场改革的当务之急。 ( 四) 基于可靠性的用户侧电价【9 ，l 价格是市场的杠杆，电价制定原则对电力市场的形成与发展有举足轻重的作 用。合理的电价应该兼顾两个方面：在供应侧能反映生产成本，在需求侧反映负荷 华北电力大学硕士学位论文 特性。现行的电价制度在考虑了不同时段具有的不同发电成本和负荷特性后，制定 了峰谷电价。但这种定价方式只反映了供应侧成本，将电力产品视为同一品质属性 的商品，而没有考虑到用户的用电特性。不同的用户对电能质量的要求是不一样的， 对不同质量的电能用户应该支付不同的电价。文献 9 】提出了一种对用户和发电商双 方都有利的电价方案，体现“按质论价”的思想，根据l o l p ( 失负荷率) 的大小 来制定电价。文献 1 1 应用价值工程理论提出了一种基于用户可靠性需求的综合定 价方法。在文中，作者利用该方法对r b t s b u s 6 系统中的各个负荷点进行了可靠性 定价及可靠性经济赔偿机制的设计，其前提假设是系统中各个负荷点下的用户具有 同一的可靠性需求，将每个负荷点等效为一个大用户。实际的配电系统中，由于负 荷点数目众多，这样势必带来可靠性电价种类繁多复杂。因此并不需要针对每一个 负荷点进行可靠性定价，而只需要制定出几组可靠性水平对应的可靠性电价即可。 在可靠性经济赔偿机制设计方面，先后出现了供电可靠性承诺赔偿法、基于 性能的费用风险管理以及基于用户价值函数的可靠性经济赔偿法等方面的研究。 ( 一) 供电可靠性承诺，赔偿法1 3 l j 供电可靠性承诺赔偿法基于成本，效益分析，按照市场经济原则对电力这种特 殊商品的价格进行分析，可用于城网改造的效益评估。这种方法将电价机制与可靠 性有机地结合起来，为建立优质优价、停电赔偿的新电价体制提供了理论支持，以 努力达到电力公司和用户双赢的目标。 但是，供电可靠性承诺赔偿法的制定仍存在以下不足：供电企业对用户的可 靠性承诺主观随意性较大，可以将自身运营风险降得很低( 例如文中算例改造前计算 所得的用户可用率k a s a i = 9 9 8 6 6 ，但电力公司承诺的可用率却为9 9 8 0 ，相 当于用户预先遭受了0 0 6 6 的利益损失) ，没有真正体现市场公平的原则。供电 企业对用户的任何可靠性承诺均要收取不同的可靠性电费，导致用户的可靠性电价 将可能高于电价改革前的原始电价，未对低可靠性需求的用户制定相应的电价优惠 政策，不易激励起用户对电价改革的信心。 ( 二) 基于性能的费用风险管理【5 9 6 0 “】 放松管制导致了基于性能( 这里，性能通常以平均用户停电信息为依据，比较典 型的是用系统平均停电频率s a i f i 和系统平均停电持续时间s a i d i 这两个可靠 性指标来表征) 的费用p b r ( p e r f o f i a n c e b a s e dr a t e s ，p b r ) 的出现。p b r 是以系统的 可靠性为依据对电力公司进行奖惩的协议，即电力公司供电可靠性高将会得到奖 励，反之，可靠性低就会被处以罚款。这些协议既可以以系统的平均可靠性为依据， 也可以以个别用户的可靠性作为依据。无论是哪种情况，电力公司都将面临由于系 统可靠性的不确定而带来的财务风险。实施p b r 的一般方法就是划定一个保留区， 在这个区域内既不进行处罚也不迸行奖励。如果可靠性低于保留区边界，就要罚款。 4 华北电力大学硕士学位论文 罚金随着可靠性的恶化程度而增加并在最大金额处封顶。对高可靠性的奖励也采用 类似的方法。如果可靠性高于保留区边界，就给予相应的奖励。奖金额随着可靠性 的提高而增加并在最大金额处封顶。所有的p b r 都有一个处罚体系，有时同时拥 有处罚体系和奖励体系。基于s a i f i 的p b r 曲线如图1 - 1 。 l a a - a ：o n s 撇知“时 “d “ 图l 一1 基于s a l f i 的p b r f = 燕 l 剐l i _ j 文献5 9 提出了评估系统可靠性的一种方法，并讨论了如何利用这一信息来对 p b r 风险进行管理。该方法可以用于建立公平合理的p b r ，计算p b r 所产生的 财务影响的期望值并制订风险最小而利润最大的方案。文献【6 0 】应用可靠性指标概 率分布概念为服从p b r 的电力公司建立了可靠性改善和成本节约的平衡，分析了 用户与电力公司间的服务中断赔偿协议。事实上，文献 5 9 ，6 0 对封顶的奖励与惩罚 额度没有进行科学合理的论述阐明；并且仅提出了一个电力公司奖励或罚款的期望 值公式，未给出准确的用户可靠性电价及其赔偿机制。 ( 三) 基于用户价值函数k ，的可靠性经济赔偿法【3 叫 用户价值趋近函数吆是在用户价值理论的基础上，建立商品价格动态调整模 型，使价格驱动的商品用户价值最大程度地接近理想的用户价值，从而更好地满足 用户的需求，不断地提高商品的竞争力。其表达式如下： 几；：垒：! ! 坐生：墨z 鱼 ( 1 1 ) 。 c 目8 7 6 0 lj xp j + a c l j 式( 1 - 1 ) 中，最，代表用户，希望获得的赔偿费用，主要包括电力供应商因未诚 实报价和实际提供的电力商品功能末达到用户可靠性需求而对其进行的综合经济 赔偿，单位：元；三，代表用户- ，的负荷量，单位：k w ；只，代表用户的可靠性电 价( 希望支付价格) ，单位：元( k w ) ，a c l ，代表电力公司未满足用户，的可靠 性需求，给其造成的理论停电损失增量( 用户_ ，的实际停电损失与其可靠性指标需 求的理论停电损失之差) 。 基于用户价值函数的可靠性经济赔偿函数 华北电力大学硕士学位论文 用户对商品的选择主要依据用户价值来衡量。因此，商品若要在激烈的竞争中 求得生存和发展，就必须尽可能使用户价值趋近于1 。也就是将公式( 1 - 1 ) 恒定为 1 ，设计出符合用户意愿的可靠性经济赔偿函数。具体的可靠性经济赔偿函数如下 所示： p 0 = p 0 l + 岛2 = 8 7 6 0 x l ，( 只p o ，) + a c l ， ( 1 2 ) 式( 1 2 ) 中，等式右端的一项表示供应商偏离正常成本报价的超额利润。第二 项表示负荷点，理论可靠性不满足其用户可靠性需求时，对用户造成的理论停电损 失增量。从表达式结构看，两项组合完整地表达出负荷点，用户应获得的经济赔偿， 可方便用户进行电力供应商的选择，也为供应商进行配电系统改造提供参考。但在 具体应用中，该文的前提假设是系统中各个负荷点具有同一的可靠性需求目标( 系 统的可靠性指标值) ，因此将负荷点的可靠性需求单一化了，没有将负荷点的可靠 性需求多样化考虑进去。总之，系统中负荷点的可靠性需求是有差别的，应针对不 同的可靠性需求水平，设计出不同的可靠性经济赔偿机制。 综观以上国内外基于供电可靠性的定价与赔偿机制的研究我们发现，几乎所有 的可靠性定价或赔偿机制都是不完整的，还未实现两者的统一或提出令人信服的完 整可靠性电价与赔偿机制。随着电力市场的深入发展，特别是用户自我保护意识的 逐步提高，建立一种完整的符合市场双方( 供应商和用户) 意愿的可靠性电价与赔偿 机制已成为目前我国电价体制改革的当务之急。 1 。3 本文的主要研究工作 无论是在传统的电力体制还是在电力市场机制下，电力系统规划设计、运行如 何协调可靠性与经济性这对矛盾都是永恒的课题。本文将紧密围绕电力市场运营 的电价理论这一主线，对在市场环境下协调电力系统可靠性与经济性进行探索研 究，主要对适应电力市场运营环境的可靠性电价与赔偿机制问题进行了深入的研 究。本文研究的主要内容包括以下几个方面： 1 电力市场化改革对电力系统可靠性的影响分析及可靠性定价综述 2 负荷点可靠性指标的模糊聚类 可靠性指标具有多样性，有的表征负荷点停电的持续性( 停电持续时间) ，有 的表征负荷点停电的频率( 停电频率) ，有的表征负荷点停电的容量等。因此在进 行可靠性定价的时候需要对用来表征负荷点可靠性水平的指标进行综合考虑。本文 在使用可靠性评估软件得到各个负荷点可靠性指标的基础上，依据模糊数学中的模 糊聚类理论对负荷点进行可靠性水平的模糊聚类。 3 虚拟负荷概念的提出 6 华北电力大学硕士学位论文 在模糊聚类得到几组负荷组合的基础上，将属于同一组的负荷点通过归一化， 得到一个用来表征该组负荷可靠性特性的虚拟的负荷。虚拟负荷的使用有利于依据 可靠性对系统内负荷进行收费，有利于可靠性定价机制逐步在实际中应用。 4 不同可靠性等级的可靠性定价 基于也”的可靠性电价制定方法【3 3 1 ，研究对象是系统的每一个负荷点，这样势 必造成可靠性电价体系的繁锁复杂。本文在该方法的基础上通过引入虚拟负荷点替 代具体的单个负荷点，提出了一种改进的基于价格功能弹性系数p p f 的可靠性电价 制定方法。通过应用该方法最后得到三组可靠性等级水平的可靠性电价。 5 可靠性经济赔偿机制的建立 以文献0 3 提出的可靠性经济赔偿机制为基础，通过引入虚拟负荷点，将系统 负荷点的可靠性指标替代为虚拟负荷点的指标，最终得到了适合于三组不同可靠性 水平的、改进的负荷点可靠性经济赔偿枫制。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力系统可靠性指标体系和评估 如何协调电力系统可靠性与经济性这一对矛盾是人们研究电力系统一个永恒 话题。随着电力市场化改革步伐的迈进，电能质量( 包括可靠性) 市场规划、建设 及其推出是电力市场化改革的必然结果。电力系统可靠性指标体系及其评估方法是 电能质量市场规划、建设及其推出的前提条件。下面对电力系统可靠性指标体系及 其评估方法简要介绍。 2 1 概述 电力系统的供电可靠性是电力系统设计、运行和管理中的重要问题。供电可靠 性指标是用来衡量供电可靠性的特性指标，它表示电力系统可靠工作的概率是评价 电力系统设计、运行和管理的重要指标。 对电力系统可靠性指标的制定有一定要求。科学的可靠性指标体系，不仅可以 客观的反映系统的可靠程度，面且有利于找出系统存在的薄弱环节，以便采取相应 的增强性措施，因此所制定的这些定量指标既要能反映系统的运行、控制特性，又 要便于系统间的比较，并且还要易被人们接受。 可靠性( r e l i a b i l i t y ) 是一个早已存在于人们生产和生活之中的基本概念，是一个 衡量系统和产品质量及功能的重要指标。所谓可靠性，是指元件或系统在规定的条 件下和规定的时间区间内完成规定功能的能力。可靠性工程作为一项新兴的边缘学 科，涉及元件失效数据的统计、系统可靠性的定量评估、运行维护、可靠性与经济 性协调等方面的内容。2 0 世纪6 0 年代中后期，随着电力工业的发展，可靠性理论 逐步引入电力系统并得到了广泛的应用，电力系统可靠性也应运而生。 电力系统可靠性是对电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电 力用户供应电力和电能量之能力的度量。电力系统可靠性包括充裕度与安全性两个 方面。( 1 l 充裕度( a d e q u a c y ) 是指电力系统维持连续供给用户总的电力需求和总的电能 量的能力，同时考虑到系统元件的计划停运及合理的期望非计划停运。充裕度又称 静态可靠性。也就是在静态条件下，电力系统满足用户对电力和电能量的能力。 安全性( s e c u r i t y ) 是指电力系统承受突然发生的扰动，例如突然短路或未预料 到的系统元件丢失的能力。安全性也称动态可靠性，即在动态条件下电力系统经受 住突然扰动，并不间断地向用户提供电力和电能量的能力。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 2 可靠性指标 电力系统可靠性包括充裕度和安全性两个方面。电力系统可靠性充裕度评估是 评价系统中发电、输电和配电各设备的可用性，以判断系统是否能够连续地为负荷 点提供所需要的电能，它是对系统长期的静态的分析；而电力系统可靠性安全性评 估是以系统的角度来分析系统的动态行为，即在动态条件下电力系统经受住突然扰 动并不间断地向用户提供电力和电能量的能力。这两种情况都是应用概率论的方法 来表达系统的状态，但所采用的模型是不同的。前者是根据长期的系统稳态概率而 定的；而后者则是在短期的基础上来指导系统的运行。 配电系统可靠性是指供电点到用户，包括变电所、高低压线路及接户线在内的 整个配电系统及设备按可接受标准及期望数量满足用户电力及电能量需求能力的 度量。配电系统可靠性主要评估充裕度，它通过可行指标来体现。 配电系统可靠性指标是用来定量评估配电系统可靠性的尺度。目前，我国和世 界上许多国家都按照各自的国情，定义了数目不同的可靠性指标。本文采用的可靠 性指标如下： ( 1 ) 用户平均停电频率指标c a i f l 用户平均停电频率指标是指每个受停电影响的用户在每单位时间里经受的平 均停电次数。它可以用一年中观察到的用户停电次数除以受停电影响的用户数来估 计。 一= 菇篙揣 ， ( 2 ) 用户平均停电持续时间指标c a i d l 用户平均停电持续时间指标是指年中被停电的用户经受得平均停电持续时 间。它可以用一年中用户停电的持续时间的总和除以该年停电用户总户数来估计。 例删= 等裟筹 - ， ( 3 ) 系统平均停电频率指标s a i f i 系统平均停电频率指标是指每个由系统供电的用户在每单位时间内的平均停 电次数。它可以用一年中用户停电的积累次数除以系统供电的总用户数来估计。 蹦册= 鼍警 s ， ( 4 ) 系统平均停电持续时间指标s a i d i 9 华北电力大学硕士学位论文 系统平均停电持续时间指标是指每个由系统供电的用户在一年中经受的平均 停电持续时间。它用一年中用户经受的停电持续时间的总和除以该年中由系统供电 的用户总数来估计。 s a i d i = 型甾瓣堂 协4 ， ( 5 ) 平均供电可用率指标a s a l 平均供电可用率指标是指一年中用户经受的不停电小时数与用户要求的总供 电小时数之比。 删= 器黯黼 沼 ( 6 ) 电量不足期望值e e n s 电量不足期望值是指在研究的一段时间内( 一年) ，由于系统随机故障引起的 负荷停电所造成负荷点_ ，损失的电量期望值。 e e n s i = l i x c a i f i jxc a i d i i ( 2 6 ) 可靠性指标体系的确定是进行可靠性评估的基础前提。指标体系确定后为合理 有效的进行可靠性定价，需通过可靠性评估软件来确定相应的系统及负荷点的可靠 性指标。 2 3 电力系统可靠性的评估 电力系统是一个复杂的大系统，对其整体进行可靠性评估是十分困难的。通常， 电力系统充裕性评估将其划分为子系统加以研究【lj 。按照电力系统的组成结构，可 划分为发电系统可靠性评估、输电系统可靠性评估和配电系统可靠性评估三部分。 在此基础上，又可以将不同的子系统组成不同的分层级别( h i e r a r c h i c a l l e v e l ) 加以研 究，分层级别越高，包含的评估系统越多，相应地，可靠性评估越困难。一般地， 电力系统充裕性评估可分为以下三种分层级别，即： 分层级别i ( h i e r a r e h i c a ll e v e li ) 仅考虑发电设备可靠性，假定输电和配电设备 完全可靠，电源点的电能可以不受传输限制输送到负荷点。故分层级别i 被称为发 电系统可靠性评估( r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no fg e n e r a t i o ns y s t e m ) 或电源可靠性评估。 发电系统可靠性评估是评估统一并网运行的全部发电机组按可接受标准及期望数 量满足电力负荷电力和电量需求的能力的度量，即在发电机组额定值和电压水平限 度内，考虑到机组的计划和非计划停运及降低出力，向用户提供总的电力和电量需 1 0 华北电力大学硕士学位论文 求的能力。研究发电系统可靠性的主要目标是确定电力系统为保证充足的电力供应 所需的发电容量。发电系统可靠性指标反映了发电设备可靠性对负荷点的影响。 分层级别i i ( h i e r a r c h i c a ll e v e li i ) 包括发电和输电设备，不仅考虑发电容量和发 电位置的约束，而且考虑输电网络的过负荷及节点电压约束，但忽略了配电设备故 障，相应地，分层级别i i 被称为发输电组合系统可靠性评估( r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n o fc o m p o s i t eg e n e r a t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 或大电力系统可靠性评估 ( r e l i a b i l i t ye v a l u m i o no fb u l kp o w e rs y s t e m ) ，即评估发输电组合系统按可接受标准 和期望数量向供电点供应电力和电量的能力的度量，其可靠性指标反映了发电和输 电设备可靠性对负荷点的联合影响。 分层级别l l i ( h i e r a r c h i c a ll e v e li i i ) 是最高级可靠性评估，包括发电、输电以及 配电设备，被称为整体可靠性评估( i n t e g e rr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n ) ，即评估发、输、配 电系统按可接受标准和期望数量向供电点供应电力和电量的能力的度量，其可靠性 指标反映了发、输、配电对负荷点的整体影响。 配电系统处于电力系统末端，直接与用户相连，是电力系统向用户供应电能和 分配电能的重要环节，一旦配电系统设备故障或计划检修，往往就会同时造成系统 对用户供电的中断。同时，配电系统大多采用放射状的网状结构，对单故障比较敏 感。据不完全统计，用户停电故障中大约有8 0 以上是由配电系统所引起的【8 】。 因此，配电系统可靠性指标是整个电力系统结构及运行特性的集中反映。 目前，用于定量评估配电系统可靠性的方法可分为三类：解析法、m o n t ec a r l o 模拟法和人工智能算法。 解析法的基本思想是根据元件的概率参数，对预想的停电事件进行逐个评估和 计算，通过数值方法得到系统的可靠性指标。故障模式后果分析法( f a i l u r em o d ea n d e f f e c ta n a l y s i sm e t h o d ) 、最小路法( m i n i m a lp a t hm e t h o d ) 是解析法比较有代表性的 方法。解析法原理简单、模型准确，己广泛应用于辐射状配电系统的可靠性评估， 而且便于有针对性地进行不同元件性能对电网可靠性的影响分析。 m o n t ec a r l o 模拟法通过模拟元件寿命的实际情况，根据元件寿命的概率分布 对系统的状态进行若干时间的抽样，并对每个抽样状态进行分析和计算，最终得到 可靠性指标。模拟法能够计及相关事件的影响，并且计算复杂性受系统规模的影响 很小，适合于求解比较复杂的系统，但其计算精度与计算时间紧密联系，为了获得 较高的计算精度必然需要耗费大量的计算时间，另外模拟法也不便于进行有针对性 的分析。 近年来，人们尝试将人工智能的方法引入到可靠性分析领域，出现了人工神经 网络评价可靠性的方法以及模糊可靠性评估方法。神经网络方法由于其设计比较困 难，隐含层中的节点数的选取不能很好解决，目前进展不大。模糊可靠性评估方法 华北电力大学硕士学位论文 是应用模糊集合论里的模糊数表示设备的故障率、修复率、设备状态概率等数值上 的模糊不确定性，并通过相应的模糊集合运算，得出电网的模糊可靠性指标。用模 糊数隶属函数描述可靠性指标的可能性分布，可以为规划人员提供更多的科学决策 信息。 总之，系统可靠性指标的评估是进行可靠性定价及可靠性赔偿的基础，系统可 靠性评估为后续的可靠性定价及可靠性赔偿提供基础数据( 可靠性指标) 。 2 4 配电系统可靠性评估算例数据啪3 r b t s b u s 4 系统是一个配电系统，该系统为一带子馈线的复杂中压配电系统， 有负荷3 8 个，用户4 7 7 9 户，总平均负荷为2 4 5 8 m w 。系统接线图，电气参数和 元件可靠性参数参见文献1 2 0 。对r b t s b u s 4 系统进行可靠性分析( 未计及3 3 k v 配电变压器设备影响) ，系统可靠性指标计算结果见表2 - 1 ，系统部分节点可靠性指 标见表2 - 2 。系统及负荷点的可靠性指标取自文献 2 0 1 。 表2 - 1r b t s - b u s 4 的系统可靠性指标【交流潮流法】 项目停电频率s a i f ls a m i停电持续时间供电可用率 次( 年用户)小时( 年用户)c a i d i 小时，( 次 a s a i ( ) 用户) 可靠性指标 0 1 6 0 4 82 7 61 7 2 1 2 9 9 9 6 8 表2 - 2r b t s b u s 4 系统负荷节点的可靠性指标 负荷点 a s a l ( ) c a i f i ( 次年)c a i d i ( d 、时次)u ( 小时年) e e n s ( k w h 年1 1 9 9 9 5 2 4 6 0 1 6o 1 8 72 2 2 74 1 62 2 6 9 6 4 7 0 5 2 9 9 9 5 0 4 0 6 0 5o 1 9 32 2 5 14 3 42 3 6 7 7 1 4 3 5 3 9 9 9 5 2 4 6 0 1 60 1 8 72 2 2 74 1 62 2 6 9 6 4 7 0 5 49 9 9 4 9 714 0 4o 1 9 52 2 5 94 4 1 2 4 0 0 7 5 2 2 5 59 9 9 5 0 4 0 6 0 5o 1 9 32 2 5 14 3 4 2 1 7 2 ，2 1 5 6 9 9 9 4 9 7 1 4 0 4 0 1 9 5 2 2 5 9 4 4 1 l8 2 8 0 9 5 7 5 7 9 9 9 5 0 4 0 6 0 50 1 9 32 2 5 l4 3 41 8 0 2 9 3 8 4 5 8 9 9 9 8 8 7 6 1 6 4o 1 1 28 7 90 9 89 8 4 4 8 9 9 9 9 8 6 7 18 2 6o 1 1 89 8 61 1 61 7 4 5 2 2 l o 9 9 9 8 6 0 2 7 4o 1 2 01 0 2 01 2 21 2 2 4 1 2 华北电力大学硕士学位论文 1 l9 9 9 4 9 9 2 3 6 3 o 1 8 92 3 2 l4 3 92 3 9 0 7 4 6 0 5 1 29 9 9 5 0 6 2 4 3 2 o 1 8 72 3 1 34 3 32 3 5 7 2 9 3 9 5 1 39 9 9 5 0 6 2 4 3 20 1 8 7 2 3 1 34 3 32 3 5 7 2 9 3 9 5 1 49 9 9 5 2 6 6 3130 1 8 12 2 9 1 4 1 52 0 7 3 3 5 5 1 59 9 9 5 0 6 2 4 3 20 1 8 72 3 1 3 4 3 32 1 6 2 6 5 5 1 6 9 9 9 5 2 6 6 313 0 1 8 l2 2 9 1 4 1 5 17 2 0 8 8 4 6 5 1 79 9 9 5 0 6 2 4 3 20 1 8 72 3 1 34 3 31 7 9 5 0 0 3 6 5 1 89 9 9 5 0 2 7 7 7 4o 1 9 7 2 2 1 14 3 62 3 7 3 8 4 0 1 5 1 99 9 9 5 2 3 3 7 21o 1 9 12 1 8 6 4 1 82 2 7 5 5 1 6 7 2 09 9 9 5 0 2 7 7 7 40 1 9 7 2 2 1 14 _ 3 62 3 7 3 8 4 0 1 5 2 l9 9 9 5 0 2 7 7 7 40 1 9 7 2 2 1 14 3 6 2 3 7 3 8 4 0 1 5 2 29 9 9 5 2 3 3 7 2 1o 1 9 l2 1 8 64 1 82 0 8 7 6 3 2 39 9 9 5 0 2 7 7 7 40 1 9 72 2 1 14 3 62 1 7 7 8 3 5 2 4 9 9 9 5 0 2 7 7 7 4 0 1 9 72 2 1 14 3 618 0 7 6 0 3 0 5 2 59 9 9 5 2 3 3 7 2 10 1 9 12 1 8 6 4 1 8l7 3 2 7 3 2 9 2 69 9 9 8 6 7 8 4 4 70 1 1 69 9 8 1 1 6 1 1 5 7 6 8 2 79 9 9 8 6 0 9 8 6 3o 1 1 81 0 3 21 2 21 2 1 7 7 6 2 89 9 9 8 8 8 3 6 7 6o 1 l o8 8 90 9 89 7 7 9 2 9 9 9 9 8 8 5 6 3 70 1 1 88 4 91 0 01 0 0 1 8 2 3 09 9 9 8 6 51 0 0 5o 1 2 49 5 31 1 81 1 8 1 7 2 3 1 9 9 9 8 8 5 6 3 7 0 1 1 8 8 4 91 0 01 5 0 2 7 3 3 29 9 9 4 9 8 5 1 60 1 9 12 3 0 04 3 92 3 9 4 1 8 5 3 39 9 9 4 9 8 5 1 6o 1 9 12 3 o o4 3 92 3 9 4 1 8 5 3 49 9 9 5 2 5 9 9 6 60 1 8 32 2 6 94 1 52 2 6 2 9 8 7 1 5 3 5 9 9 9 4 9 8 51 6 0 1 9 i 2 3 o o 4 3 9 2 3 9 4 1 8 5 3 69 9 9 5 2 5 9 9 6 6o 1 8 32 2 6 94 1 52 0 7 6 1 3 5 3 79 9 9 4 9 8 5 1 60 1 9 12 3 0 04 _ 3 92 1 9 6 5 3 89 9 9 5 2 5 9 9 6 60 1 8 32 2 6 94 1 5 1 7 2 3 1 9 2 0 5 华北电力大学硕士学位论文 第三章负荷点的模糊聚类分析 实际的电力系统中用户与负荷点的数目众多，为每个用户和负荷点都制定一个 可靠性电价及相应的可靠性经济赔偿机制是不现实的，同时也与电价制定的原则相 违背。因此，在进行可靠性定价的制定与可靠性经济赔偿机制的设计时，一个重要 的步骤就是得将系统中的负荷点、用户依据可靠性水平之间的差异归类为“高”、 “中”、“低”几个等级类别。对于这种带有模糊特征的事物进行聚类可以采用模 糊数学中的模糊聚类分析方法。本章首先简要介绍了一下模糊聚类理论，进而就如 何应用模糊聚类理论对负荷点聚类分析进行了探索。 3 1 模糊聚类基本概念 聚类分析是对事物按不同水平进行分类的方法。换言之，聚类分析是将事物根 据一定的特征，并且按某种特定的要求或规律进行分类的方法。显然，聚类分析的 对象必定是尚未分类的群体。例如，对一个班的学生学习成绩做“优”、“良”、 “一般”、“差”四个等级的分类。工厂检验科将某种产品按质量分为“特等品”、 “一等品”、“二等品”、“等外品”和“次品”等等。 对带有模糊特征的事物进行聚类分析，显然应当采用模糊数学的方法，因此称 其为模糊聚类分析法。模糊聚类分析有许多具体的方法，它们大致可分为三大类： ( 1 ) 系统聚类法：是一类基于模糊关系的分类法。其中包括基于模彻等价关 系的聚类方法( 传递闭包法) 、基于模糊相似关系的聚类方法( 直接法) 、最大树方法( 直 接法) 等等。 ( 2 ) 逐步聚类法( 迭代聚类法) 。 ( 3 ) 混合法：通过参考数据的分布规律及某些经验、要求等进行分类。 从集合论的观点来看，聚类分析实际上是将作为论域的集合中的元素，依据其 一些表征特性来进行划分、组类。 3 2 模糊聚类分析的基本步骤陉2