（电力系统及其自动化专业论文）基于概率不安全指标的电力市场安全性定价.pdf

a b s t r a c t t h e r ea r em a n yd i s t u r b a n c e sa f f e c t i n gp o w e rs y s t e m s t h ep r o b a b i l i t ya n dt h e i r c o n t r i b u t i o no fd i f f e r e n td i s t u r b a n c e st ot h ei n s e c u r i t yl e v e lo fp o w e rs y s t e m sa r e d i f f e r e n t i nt h ee n v i r o n m e n to f p o w e rm a r k e t s ，e a c hp a r t i c i p a n tp a r t i c i p a t e si nm a r k e t b yd e c e n t r a l i z e dd e c i s i o n - m a k i n g ，w i t ht h ee s s e n t i a la i mt om a x i m i z e t h e i rb e n e f i t s ， a n dt h i sd e c e n t r a l i z e dd e c i s i o n - m a k i n gm a yd e c l i n et h es y s t e ms e c u r i t yl e v e l t o r e s o l v et h e s ep r o b l e m s ，s y s t e md i s p a t c h e r s ，o rt h ei s o s ，m u s tr e d i s p a t c hg e n e r a t i o n o u t p u t st om a i n t a i ns y s t e ms e c u r i t y , a n dt or e a c ht h es a m es e c u r i t yl e v e lt h e r em a y h a v ed i f f e r e n tr e d i s p a t c hs c h e m e s t os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s ，as e c u r i t yp c i n gm o d e li nt h ee n v i r o n m e n t so f p o w e rm a r k e t sb a s e do nd y n a m i cp r o b a b i l i t yi n s e c u r i t yi n d e xi sp r e s e n t e d ，w h i c h t a k e si n t oa c c o u n tp o w e rs y s t e ms e c u r i t ya n dp o w e rm a r k e te c o n o m y 嬲aw h o l e i s o r e l e a s es y s t e ms e c u r i t yi n f o r m a t i o no ft h en e x tt i m es e c t o r , b a s e do nw h i c hm a r k e t p a r t i c i p a n t sa 肖u s tt h e i rd e c i s i o n - m a k i n g ，t h u sb o t hs y s t e ms e c u r i t ya n d t h es o c i a l l y o p t i m a ls o l u t i o na r ea s s u r e d t h e p a r t i a ld e r i v a t i v e so ft h ec o s t so fs y s t e ms e c u r i t y l o s s t on o d ep o w e r i n j e c t i o n sa r er e g a r d e d a ss e c u r i t yp r i c e si nt h em o d e l t oc o m p u t ec o n s u m e rp o w e ro u t a g ec o s t su s e di nt h em o d e l ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fc o n s u m e ro u t a g ec o s t sf o rv a r i o u sk i n d so fc o n s u m e r sa r ci n v e s t i g a t e d , a n da m e t h o dt oe s t i m a t ec o n s u m e ro u t a g ec o s tu n d e rc o n d i t i o n sw h e nl a r g em o u n t so f n e c e s s a r ys t a t i s t i c a ld a t aa r en o ta v a i l a b l e u s i n gt h ep r e s e n t e dm e t h o d ，t h ei n d u s t r i a l a n dc o m m e r c i a lc o n s u m e ro u t a g ec o s tf u n c t i o n so f t i a n j i na r ee s t i m a t e d r e s u l t so ft e s t so nt h ei e e e4g e n e r a t o r s 一11 n o d e st e s ts y s t e ms h o wt h a tt h e p r e s e n t e ds e c u r i t yp r i c i n gm o d e li sr e a s o n a b l ea n dp r a c t i c a l k e yw o r d s ：p o w e rm a r k e t ，d y n a m i cs e c u r i t yr e g i o n ，p r o b a b i l i s t i ci n s e c u r i t y i n d e x ，s e c u r i t y p r i c i n g ，o u t a g ec o s t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得墨鲞盘堂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。 学位敝储躲秀嘶签字吼锣多年月舢 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一弛缸仁 签字日期：渺辟月肿日 导师签名： 畚i 咖聋， 签字日期：跏年2 月卅日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 当前，由于经济的飞速发展，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，但是电力工业过于垄断的模式已经越来越不适应国民经 济的整体发展环境：一方面垄断导致电力工业本身缺乏内在的发展动力，生产经 营效率不高，阻碍了技术进步乃至社会生产力的提高；另一方面，在发电领域， 各种产权性质的利益主体之间的矛盾已经出现，圄于传统体制因素产生了很多棘 手问题。因此着眼于电力工业在新形势下的新发展，“厂网分开、竞价上网”、推 进电力市场化改革已经成为共识【”】。 从国际、国内的发展形势看，电力工业市场化是历史的必然。电力走向市场， 就是要将电力工业纳入到市场经济的框架中，通过市场竞争资源，达到资源的最 优配置。但是，电力的生产、运输又有其独特的特点。首先，电能不能大量储存， 生产、运输、消费过程必须同时实现；其次，电力系统作为统一的、不可分割的 系统，需要维持电压、频率的稳定，并保证在各种扰动下满足系统的安全性要求。 所以电力市场建设又具有其独特性和复杂性，有许多闯题世界各国都还没有很好 解决，都正处在一个探索完善的过程中【6 ，7 j 。 市场的本质是竞争，通过竞争来提高整个电力工业的资源优化配置，而竞争 的前提是公平，公平是市场机制的基本原贝u t s l 。电力市场机制的引入对经济形体 提出了高的要求，需要在统一协调安全性和经济性的前提下，切实保证市场规则 对所有市场参与者公平、公正、公开。 深刻的体制变革给电力系统的运行和规划带来了巨大的挑战。在电力市场环 境中，发电商与电网公司成为公平买卖、进行电力交易的平等市场成员，电力及 其服务成为商品。这样，传统的基于粗放管理和行政手段的一系列规划、调度和 控制方案，势必无法适应充满竞争的市场环境，必须用全新的视角重新审视电力 系统运行控制及规划工作的各个环节，引入市场调节手段。 电力市场化改革是一场深刻的“机制转变”。机制转变带来的利益，一是效 率的提高，二是服务的改善。电力市场化改革不仅仅是“改革电力企业”，而且 是“改革政府”。在市场化改革初期，必须首先改革政府的电力管理体制和方式f 9 1 。 电力市场化改革的推动者必须是代表消费者利益和协调兼顾电力企业利益的政 第一章绪论 府。电力市场化改革最大的受益者应该是电力消费者，电力企业得到的主要是竞 争压力，它将迫使电力企业提高运行效率和服务质量，以期在竞争中生存和获益。 我国电力工业市场化改革所遵循的总体目标就是打破垄断，引入竞争，提高 效率，健全电价形成机制，优化资源配置，提供优质服务，促进电力工业的可持 续发展。实施厂网分开，重组发电和电网企业，实行竞价上网，建立政府监管下 的符合我国国情的电力市场体系和运营机制，是社会主义市场经济体制的客观要 求 目前，电力市场化改革已成为我国电力工业界的热门话题，有关的研究和实 践工作已经比较深入地开展，也取得了大量的理论和实践成果。这项改革是一项 复杂的系统工程，将会对我国电力工业乃至国内政治、经济等领域产生重大影响。 对我国电力市场的研究，必须从我国的国情出发，从技术和经济两方面进行。尤 其是我国电力工业长期处于高度计划的经济体制、发电输电配电一体化的环境 下，如何平稳过渡到电力市场体制已经成为备受关注的课题，其中涉及国家法律 法规的重新制定，国家能源政策和财政政策的制定以及电力新技术的应用等等。 在电力市场建设初期，一定要考虑可操作性和平稳过渡，如原有的合同关系、新 老机组的还贷及电价的形成机制、网络不发达情况下的系统安全等等。 当前，我国的电力市场化改革迈出了厂网分开的第一步，成立了五大发电集 团和三峡发电公司，输电分为国家电网公司和南方电网有限公司等，这些改革措 施已初见成效。随着电力市场研究的不断深入和成熟，市场化改革必将给电力工 业的发展注入新的活力。 1 2 电力市场环境下的阻塞管理1 1 柳 电力市场与其他商品市场的不同在输电环节表现得尤为突出：电能输送通过 结构复杂的输电系统进行，要遵守基尔霍夫定律，同时必须满足多种物理约束， 输电路径十分复杂，且不能人为指定，因此输电服务及定价，特别是输电成本回 收、网损分摊及阻塞管理与定价，已成为电力市场研究的热点。1 9 9 2 年美国颁 布的能源政策法案( e p a e t ) ，提出了输电网开放的概念，其目的是为发电市场提 供一个规范而公平的竞争环境。1 9 9 4 年i e e e 的输电网开放工作组在当年的i e e e 冬季会议上就这一问题进行了专题讨论。 随着输电网开放以及跨区域电能交易的日益增多，特别是我国大区联网、西 电东送等工程的实施，输电阻塞问题将日益严重。输电系统阻塞的原因是：输电 线的热容量限制和系统的稳定性限制。系统输送容量的限制带来的影响是使系统 2 第一章绪论 的安全性和稳定性受到威胁，使电能交易计划无法实现，影响资源的优化配置和 利用，还可能导致市场力的滥用，引起电价的扭曲。 阻塞管理的目标是制定一系列规则，有效控制发电机和负荷，使系统的短期 运行具有一定的安全和可靠性裕度，同时为系统的长期投资规划提供有效信息。 从短期而言，阻塞管理需要制定一个公平的削减交易的计划和制定新的调整准 则，从而实现电力系统的最优安全经济调度，保证系统安全可靠运行；从长期而 言，阻塞管理应该通过价格信号为系统的长期健康发展提供激励。 由于电力商品具有无法大量存储、必须实时平衡等特点，所以目前所有的电 力市场都设立了系统运行机构( i s o ) ，以负责系统的安全调度、执行阻塞管理等 任务。短期阻塞管理是交易计划调整策略的制定问题，即最优调度问题，它决定 系统资源的短期优化配置并确保系统的安全性。 电力市场存在多种交易模式【l9 】，如联营体交易模式、双边和多边交易模式， 以及联营体和双边混合交易模式。在不同的交易模式下，系统调度人员将面对不 同的优化问题。 对于联营体和双边混合交易模式，存在着远期合同市场( f o r w a r dc o n t r a c t m a r k e t ) 和现货市场( s p o tm a r k e t ) ，包括目前市场( d a ya h e a d ) 和时前市场( h o u r a h e a d ) ，以及实时平衡市场( r e a l - t i m eb a l a n c i n gm a r k e t ) 。在进行调度时需要考虑远 期合同和现货市场的权重( 即优先级) 。系统运行人员根据大家共同接受的交易计 划，调整规则及权重等调整交易计划，最后得到可行的计划。 目前的优化调度大多是以最优潮流为出发点的。以下对不同交易模式下的最 优调度分别进行讨论。 1 2 1 单纯联营体交易模式的阻塞调度 在单纯联营体交易模式中，发电公司( 有些电力市场大用户也参与投标) 向市 场组织者提交下一交易时段所能提供的电力和价格曲线，组织者根据负荷预测及 所有投标，按照满足负荷要求、供需平衡且生产成本最低原则确定发电计划和交 易价格。 联营体交易模式下的阻塞管理方法可分为两类：一类是考虑各种系统约束， 直接利用最优潮流( o p f ) 得到满足约束条件的最优发电计划；另一类在投标确定 的市场出清价( m a r k e tc l e a r i n gp r i c e ，m c p ) 基础上，根据某种原则对发电计划进 行安全校正。 文献 2 0 1 提出的以经济调度为基础的实时电价理论，已经隐含了p o o l 模式的 雏形，提出了节点电价模型( n o d a lp r i c i n g ) 和p o o l e o 交易模式，其阻塞管理的实 第一章绪论 质就是一个基于集中调度的最优潮流问题。 最优潮流的数学模型可描述为确定一组使目标函数最小的最优控制变量， 并满足等式和不等式约束条件： r a i n c ( x ，“) ( 1 - 1 ) s t f ( x ，甜) = 0 ( 1 - 2 ) h ( x ，) s 0 ( 1 - 3 ) 式中x 和甜分别为状态变量和控制变量。 式( 1 - 2 ) 为潮流方程等式约束，式( 1 - 3 ) 包括发电机发电功率约束、支路 潮流约束和电压约束等。 联营体交易模式中的最优调度与传统的最优潮流的最大区别在于以发电厂 和用户的投标数据替代了实际成本及效益数据。根据市场开放程度的不同，o p f 模型的目标函数也有所不同。 对于仅允许发电侧投标的单一买方市场，o p f 的目标函数为购电成本最小 即： 旦兰 m i n g ( 岛) + g ( 乇) ( 1 - 4 ) “d 式中e ( 圪) 为发电机g f 的成本函数：g ( ，) 为平衡节点的成本函数。 而对于允许负荷侧投标的市场，o p f 的目标函数则变为社会效益最大，即以 最小的电能生产成本获得最大的收益。即： 黪= 目( q ) 一；c f ( g ，) ( 1 - 5 ) 式中巧( q ) 为负荷q 的收益函数；c ( g f ) 为发电机g f 的收益函数。 联营体阻塞管理的特点是能够较为准确地确定发电计划，同时提供节点电价 等经济信息，这是联营体阻塞管理方法的显著优点。其缺点除o p f 本身的算法 复杂性及透明性不够外，另一个不容忽视的问题是联营体阻塞管理假设用户投标 信息反映了其成本和收益，而实际情况是，发电商在利益最大化的驱动下，会采 用策略性的投标行为，尤其当竞争对手较少时，会出现操纵市场的情况( 如早期 英国电力市场) 。这使得以成本最小为目标的优化模式遇到了困难。为了解决此 问题，需要从市场设计方面，寻找更为有效的交易模式 1 2 2 双边交易模式的阻塞调度 电力市场的双边交易模式是指发电商和用户直接签订购售电交易计划。大量 4 第一章绪论 的双边交易很难保证同时可行，i s o 必须对双边交易进行校核。因此双边交易阻 塞管理是调整和削减双边交易，不同的调整目标即有不同的调整模式。 文献 2 1 弓1 k 支付因子( w i l l i n g - t o - p a y ) 作为衡量交易重要程度的指标，并建立 了如下的交易调整模式： m i n f ( u ，功= 【( “一“o ，棚w 【( 一“o ) 7 4 r ( 1 - 6 ) 式中w 为支付因子矩阵，表示交易商为避免交易被调整所愿意付的价格；甜为调 整后的交易量：o 为原始交易量；4 为调整策略矩阵。 文献【2 2 】也分析了双边交易的阻塞调度直流模式，优化目标为发电机的调整 成本最小。即： m i n c + a p + - c 一址】 ( 1 - 7 ) s j 日a p + z z m “ ( 1 - 8 ) a p = p + 一尸一( 1 - 9 ) a p + o a p 一0( 1 - 1 0 ) 式中c + 和c 一为发电机的微增成本和微减成本投标；日为节点一支路灵敏度矩阵； = 和z 一分别为初始潮流和潮流限值；p + 和，为发电机发电功率调整量。由 于电力商品必须实时平衡，因而完全的双边交易模式的电力市场通常都与其他交 易模式相配合。 文献 2 3 1 分析了多边交易调整的公平性问题，提出了公平的调整准则：对所 有交易削减同样电量，或按同样比例削减。但前者对小交易商有失公允，而后者 的削减计划又比较保守，因此该文作者又提出了满足最大交易量的削减准则。 1 2 3 联营体和双边交易混合模式的阻塞调度 联营体和双边交易混合模式是目前几乎所有电力市场都采用的交易模式。在 此模式下，既存在发电商和用户之间的双边长期供电合同，也设立日前( d a ya 1 1 e a d ) 和时前( h o u ra h e a d ) 联营体模式现货投标市场，同时为保证系统的安全，频率和负 荷平衡，还设立了实时平衡市场( r e a l - t i m eb a l a n c i n gm a r k e t ) 。 目前对混合模式下阻塞管理的研究主要集中在两个方面：当预测到阻塞发生 时按照何种原则进行调整和削减各种交易；实时平衡市场如何调度，在此不再多 述。 第一章绪论 1 3 电力系统概率安全性构想2 铡 1 3 1 电力系统的安全性i ，yl i a e e o 构想 电力系统稳定性描述的是系统经历扰动后获得可接受的运行平衡点的能力， 是属于非线性动力学系统稳定性的一种。而安全性是相对于一组称之为预想事故 集的随机事件而定义的，预想事故集是一个可能发生的扰动的集合。如果一个系 统处于正常状态，并且没有任何一个预想事故能把它转移到紧急状态，则称这个 系统是安全的。t e d yl i a c c o 等人最早给出了校验电力系统安全性的一个构想 搿】。该构想中电力系统被看作是处于两组约束下运行的：负荷约束和运行约束， 由于约束条件的变化，使电力系统处于各种不同的运行状态。图1 一l 示出了各种 运行状态和由于偶然事故及控制作用相结合的状态转移。下面进行详细介绍。 图l - id yl i a c c o 电力系统安全性构想 1 3 2 电力系统的运行状态 电力系统正常运行必须满足两个约束，即负荷约束和运行约束。若忽略损耗， 负荷约束就是电力系统发出的总的有功功率和无功功率应每时每刻与系统中随 第一章绪论 机变化着的总的有功负荷和无功负荷相等，因此负荷约束也称为等式约束。这是 电力系统正常运行的必要条件，可用下面的公式表示： 圪一乃= o ( 1 一1 1 ) 如一岛= o ( 1 - 1 2 ) 式中、如为发电机发出的有功和无功功率；吃、q 。为负荷有功和无功功 率；运行约束表示在系统正常运行条件下涉及系统安全运行的某些参数( 如母线 电压、线路潮流等) ，应处于系统或设备安全运行的允许范围之内，因此运行约 束也称为不等式约束。例如： 巧巧吁 ( 1 - 1 3 ) 呓圪呓 必s 鲂璐 岛唠 ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) 式中k 、巧7 、巧“为母线电压及其上、下限值；、呓、呓为发电机有功出力 及其上、下限值；耍岛、醵、重暑为发电机无功出力及其上、下限值；岛、嘭、 睇为线路i j 的相位差及其上、下限值。 根据上述约束条件的满足程度，电力系统的运行状态可以分为以下几种： ( 1 ) 正常状态 在此状态下，负荷约束和运行约束条件同时得到满足。这表明电力系统能以 质量合格的电能满足负荷的用电需求。对于处于正常状态的系统，如果承受可信 的预想事故( 构成预想事故集) 的扰动后，仍不违反上述两组约束条件，则称系统 处于安全正常状态，简称安全状态。如果在一系列预想事故中任何一个发生后， 不能满足负荷约束条件或运行约束条件，则称该系统处于不安全正常状态，或简 称警戒状态。在安全状态下，系统有足够的备用储备，即发电及输变电设备均具 有足够的备用余量和必要的调节手段，使系统能承受正常的干扰而不产生影响正 常运行的后果。在这种状态下，电力系统对不大的负荷变化的反应，可以认为是 从一个安全状态连续变化到另一个安全状态。在不安全状态下，各种约束条件还 是满足的，但系统的安全备用大大减少，对外界干扰的抵抗能力也削弱了。所以 在一个新扰动的作用下，就有可能使某些不等式约束条件不满足或造成系统失 稳，而使系统的安全运行受到威胁或破坏。 ( 2 ) 紧急状态 电力系统在遭受一个严重的干扰后，运行参数将偏离正常运行状态，某些不 第一章绪论 等式约束条件已不能满足，更严重的情况下，系统即将失去稳定( 功角稳定或电 压稳定1 ，这时电力系统就进入紧急状态。紧急状态时电力系统可能出现以下两 类危机： 稳定性危机( s t a b i l i t yc r i s i s ) ： 电力系统暂态过程中积蓄的能量可能破坏其 运行稳定性，即不能再回到初始状态或停留在一个容许的新状态，这一过 程很短，如几秒钟，最典型的就是暂态功角失稳。 持久性危机( v i a b i l i t yc r i s i s ) ：局部或整个电力系统发电、送电和负荷不平 衡，导致运行参数大幅偏离正常值，可能破坏对用户的持续供电。这一过 程历时较长，如几分钟。这种现象比较典型的就是线路过负荷。 ( 3 ) 恢复状态 在紧急状态后，如果借助继电保护和自动装置，使故障隔离，事故停止扩大， 电力系统基本上可以稳定下来，则电力系统进入恢复状态。这时对于仍接在电力 系统中的设备，等式约束条件已能满足。但是，部分用户仍然停电；部分发电机 和线路仍处于断开状态；在严重情况下电力系统可能已经被解列成几个孤立的部 分。所以，应借助一系列操作尽快对用户恢复供电。至于从这种状态是恢复到安 全状态，还是警戒状态，则要根据电力系统的实际情况来确定。 传统的静态安全性分析方法主要有以下几种：( 1 ) 直流潮流法；( 2 ) 故障排 序法。 1 3 3 传统安全性分析方法的不足 无论是传统的静态安全性分析方法还是传统的动态安全性分析方法，它们都 具有如下受方法本身的局限而难以克服的不足： 1 传统的安全分析方法均是在给定节点注入功率的前提下开展安全性评估 的，因而难以计及负荷预测、发电机投入和切除等的不确定性因素，而这 些不确定性在实践中总是存在的。 2 传统的安全分析方法只能给出系统安全或不安全的结论，它们很难对控 制决策给出较多的指导性信息，也无法获得系统的整体安全性测度。 3 由于电力系统网络结构是随机变化的，而传统的安全分析方法是针对某 个确定的网络结构开展研究的，不能考虑这种随机因素的影响。 1 。3 4 概率的安全性分析构想 电力系统的安全性是随时间变化的，是对于即将来临扰动的系统强度的函 8 第一章绪论 数在d yl i a e c o 所建立的用于确定性的静态安全性分析的构想中，是用相对于 一组选出的偶然性事故的潮流来检验系统强度的。因为将来面临的扰动所固有的 不确定性，采用安全分析的概率构想更为适宜。又因为大多数重大的电力系统事 故是同系统的动态响应有关的，所以在安全性分析中应该使用系统的动态模型。 因此，有必要把o yl i a e e o 所建立的构想扩展到概率的动态安全性分析。 1 3 5 动态安全性的概率分析 动态安全性分析是基于暂态稳定性的。有许多扰动会破坏系统的暂态稳定 性最常见的扰动影响是线路事故，特别是在重负荷线路上发生的扰动。这些扰 动发生的可能性不一样，产生的影响也不同。因而在动态安全性分析中应该包括 偶然事故的概率。下面分别讨论几种重要的偶然事故的概率方面： ( 1 ) 故障类型 影响暂态稳定的系统短路事故主要有如下四类：三相短路、两相间短路、两 相对地短路、单相对地短路。暂态稳定研究主要是针对三相或是两相短路故障进 行的，而这些事故在实际系统中发生的可能性是比较小的。最可能发生的是单相 对地短路故障。 ( 2 ) 故障地点 一个给定短路故障的严重性，随着距发电机距离的增加而减小。当故障发生 在发电机母线上时情况最坏。对于给定的发电机输出功率，当事故远离电源时转 移导纳和临界清除时间增加。因而应把故障发生的地点同故障发生的概率分布结 合起来考虑。 ( 3 ) 故障切除时间 在稳定性的研究中，故障切除时间是一个重要的因素。例如三相短路故障同 单相对地短路故障比较，必须在较短的时间内切除。通常把故障切除时间取为主 保护和信号传输的最慢组合再加上断路器的操作时间。不稳定的危险性同主保护 的失败和断路器断开的失败有关。用考虑同主保护和断路器有关的危险性来获得 切除时间的概率分布。 ( 4 ) 系统参数和运行方式 几乎系统中的所有物理元件都影响系统的稳定性，但基本的因素是：实际的 网路拓扑和它的相关阻抗、解列的基本特点( 包括开关站和保护元件) 、系统内 的发电单元和负荷。影响稳定性的发电单元的基本参数是阻抗和惯性。系统的稳 定性还和故障发生时系统内的运行条件有关系。在未来某个时刻，系统的运行方 式在性质上是概率的，并且影响系统的稳定性。 第一章绪论 针对确定型d yl i a c c o 构想的不足，加州大学b e r k e l e y 分校的f f w u 等提出 了概率的安全性分析构想 2 7 2 9 。在该构想下，安全性被看作是系统运行的一个 条件，它是相对于即将来临的扰动的系统强度的函数。一个系统的安全性依赖于 系统的图形、事故、功率注入等因素。当系统图形不变且在设备不过负荷的情况 下能保证对负荷的供电时，我们称系统为静态安全的。当系统中发生了事故，且 系统是暂态稳定的时候，我们称系统为动态安全的。 电力系统不断地经受各种扰动，这些扰动可分为负荷扰动和事件扰动。负荷 扰动是负荷需求的小的随机波动；事件扰动包括发电机停运、变压器或输电线路 的开合以及突然大的负荷改变等等。事件扰动结果是系统结构或图形发生改变。 鉴于两次相邻的系统图形改变之间的时间，比起与物理元件有关的系统变量 ( 如电压和电机角度) 改变的时间长得多，且在性质上前者基本上是离散的，而 后者则是连续的，因而在概率的动态安全性分析中可以采用两层模型：第一层模 型是系统结构状态的估计；第二层模型描述同元件的动态有关的系统变量的轨 迹。这两层模型是耦合的。在此模型的基础上，文献 2 8 ，2 9 使用了到不安全时间 作为系统安全性的测度。由于负荷分布和事件发生的随机性质，决定了到不安全 时间是一个随机变量，它的概率分布可以通过解一组线性微分方程来得到。微分 方程组的系数可用元件的事故率、修复率、注入和安全域表示，称之为安全转移 率。 在上述概率的安全性分析构想中，第二层模型所描述的系统变量的变化起因 于节点功率注入( 发电和负荷) 的变化。在这样的场景中，如果用传统的确定型 的安全分析方法进行安全分析，由于需要逐点计算，其实际工作量及所需时间都 是难以承受的。考虑到尽管系统图形的状态空间发生了改变，可是注入空间是保 持不变的，为此可以将安全区域定义在注入空间上，这恰好满足了概率的安全性 分析的要求。 根据传统的静态稳定分析和暂态稳定分析的不同，安全域可相应地划分为静 态安全域( s t e a d y s t a t es e c u r i t yr e g i o n ) 和动态安全域( d y n a m i cs e c u r i t yr e g i o n ) 。 本文的研究内容将围绕与暂态稳定性密切相关的动态安全域而展开。 当分析由系统中的短路事故所造成的暂态稳定性时，可认为一个电力系统的 图形是由事故前系统i 、经事故中系统凡到事故后系统，的。这一过程可用如 下一组微分方程来描述： 南= z ( x o ，j ，) 一 t 0 ( 1 - 1 7 ) 毫= 后( 毛，) 0 t f 毫= 乃( 而，) f t 佃 1 0 ( 1 1 8 ) ( 1 1 9 ) 第一章绪论 式中，x o ，i l ，1 2 均为状态向量，y 表示有功和无功注入，f 为事故清除时间 对于稳态系统f ，式( i - 1 7 ) 退化为潮流方程；式( i - 1 8 ) 描述了事故瞬间忙o ) 到清除时刻的事故中系统f 的动态；式( i - 1 9 ) 描述了事故后系统，的动态。 若事故后系统的解从初始状态k ( o ) 直接渐近稳定到式( i - 1 9 ) 的稳定平衡 点1 2 。，则称系统是暂态稳定的，从而是动态安全的。因此，可以借助事故后系 统的暂态稳定域来定义事故前系统的动态安全域：动态安全域珐o ，j ，f ) 是功率 注入空间上的集合，当且仅当系统f 的注入向量y 位于该集合内时，系统i 经受 持续时间为f 的给定事故后，系统，不致失去暂态稳定。 如上定义的动态安全域是离线计算的，它不仅可用于前述的概率的动态安全 性分析，而且可以用于确定型模型安全性的在线评估。此外，借助安全域还能够 给出安全裕度( 即距离边界的远近) ，从而为控制决策提供帮助。图i - 2 给出了 安全域的应用示意图： 图l _ 2 安全域应用示意图 从图中可以看出，应用安全域进行安全分析实际上是d yl i a c c o 安全性构想 在“域”中的实现，而其在线应用时更为简明、迅速和直观。 1 4 安全性定价分析 在传统的垂直垄断的管理模式下，电力系统的运行强调安全第一，经济性服 从于安全性。所以，在进行安全分析及制定相应的安全控制措施时，系统调度往 往考虑的是运行中可能发生的最为不利的情况，系统具有较大的安全裕度。但在 电力市场环境下，发电、输电、配电、用电等分别隶属于不同的独立市场参与者， 第一章绪论 其目标是为了追求自身利益最大化，这就必然给电力系统的安全控制带来了很大 的挑战和风险【明。为解决这一矛盾，加州大学b e r k e l e y 的f e l i xfw u 提出了基于 概率安全统计的安全性定价思想。 该思想提出由发电商和用户等市场参与者进行市场经济决策，由i s o 进行系 统安全决策，各参与者平等参与市场交易，i s o 发布下一时段的系统安全状况信 息并制定合理的安全电价，引导市场参与者自觉维护系统安全，同时获取经济利 益最优。 在f e l i xfw u 研究成果的基础上，本文将概率不安全指标的计算方法引入到 安全电价的制定中，把实时电价同安全电价相结合，从而将安全性定价由定性分 析上升到定量计算阶段。 5 本文的主要工作 在电力市场环境下，在概率不安全指标研究成果的基础上，同时考虑到电力 系统的安全性与电力市场的经济性，提出了一种基于概率不安全指标的市场安全 性电价方法，将系统的安全性同市场的经济性有机的结合在一起，确保电力系统 在安全运行的同时，各参与者利益最大。 本文主要进行以下几个方面的研究工作： 1 ) 研究基于概率不安全指标的电力市场安全性定价模型。通过引入电力系 统概率不安全指标，计及负荷波动、故障的不确定性等各主要不确定因 素的影响。研究怎样通过i s o 发布安全价格信息，引导市场参与者合理 决策，达到通过分散决策保证整个系统安全性和经济性的目的，使社会 总收益最大化。 2 ) 初步研究包括用户的用电效益、发电成本、输电成本、市场辅助服务成 本和安全损失费用等的计算方法。 3 ) 研究在缺乏必要的用户停电统计数据的条件下，估算电力用户停电损失 函数的简便方法。 第二章输电系统概率不安全指标简介 第二章输电系统概率不安全指标简介 电力系统运行始终把安全性放在第一位，在传统方式下，对于系统故障通常 选取最严重的线路两端的三相短路故障进行安全性校验。但实际系统最可能发生 的是单相对地短路故障，而三相短路故障发生的概率是非常小的，系统往往具有 较大的安全裕度，过大的安全裕度是以牺牲参与者的经济利益为代价的。因此， 传统方式的安全控制措施在电力市场环境下往往具有很大的保守性。本文在概率 不安全指标研究成果的基础上，引入动态安全性分析方法，定量化给出各种故障 对系统安全性的影响，从而为系统安全控制决策提供更为丰富的信息。本章首先 介绍动态安全域的基本概念及其快速计算方法，在此基础上对概率不安全指标模 型作简单介绍，然后分析计及故障地点和故障电阻的指标计算方法。 2 1 动态安全域及其快速计算简介 传统的电力系统大扰动稳定性研究的方法是逐点法，即对事故前的一种给定 注入和既定事故过程进行动态仿真或采用能量函数法等方法判断其稳定性。小扰 动稳定性研究则是对在既定平衡点处的线性化方程进行特征值分析。就注入空间 安全域而言，它也是一种逐点分析法。逐点法的缺点是无法获得对稳定机理的深 刻认识，无法获得系统的整体稳定性测度，也不适合概率安全性分析和调度中的 各种最优化的需要。而域的方法是同目前广泛使用的逐点法截然不同的方法学， 域的方法与传统逐点法相比较具有如表2 - 1 所示的明显的优越性。 表2 1 安全域的方法与传统逐点法相比较具有明显的优越性 传统逐点法域的方法 可加深对电力系统安全域边界 只见局部不见整体，可能造成误判断 的性质与规律的认识，从而减少误判断 只能提供安全或不安全的二元信息， 口j 器供糸玩压仃点征露生域甲 对安全监视、评估与优化所提供的信息太少的相对位置，从而获得各种必要信息 在计及不确定性的安全性评信时可用解析法， 只能用蒙特卡洛法，计算量很大 从而使计算量降低若干个数量级 在各种与调度相关的最优化问题中对可使各种与调度相关的最优化问题中 稳定性约束的计算缺乏有效的方法稳定性约束的计算变得十分简易 1 3 第二章输电系统概率不安全指标简介 2 1 1 动态安全域的定义p 田 电力系统发生短路事故之后，经保护装置识别并切除事故，系统经历了事故 前、事故中和事故后三个阶段，这三个阶段可以用动力系统的一组微分方程来描 述： 南= z ( x o ，y ) 一o o t 0( 2 l a ) 主i = ，瓴，) 0 s t f 南= 乃，” f t 佃 ( 2 1 b ) ( 2 1 c ) 式中，i 、只j 分别表示事故前、事故中和事故后的网络结构，事故中的f 可由 i 、j 得到，x o 、x a 、南均为状态向量，y 表示有功和无功注入，r 为事故清除时间。 对于稳态系统f ，式( 2 1 a ) 退化为潮流方程；式( 2 1 b ) 描述了事故瞬n ( t - - o ) 9 0 清除时刻( 仁r ) 的事故中系统f 的动态；式( 2 - l c ) 描述了事故后系统，的动态。 若事故后系统的解从初始状态毛( o ) 直接渐近稳定到式( 2 1 c ) 的稳定平衡点 而，则称系统是暂态稳定的，从而是动态安全的。因此，可以借助事故后系统 的暂态稳定域来定义事故前系统的动态安全域：动态安全域q 。( f ，f ) 是功率注 入空间上的集合，当且仅当系统f 的注入向量y 位于该集合内时，系统i 经受持 续时间为r 的给定事故后，系统，不致失去暂态稳定。即： 如( j ，工力皇 y i 乃( y ) a ) ) ( 2 - 2 ) 其中，屯( y ) 是故障清除时刻的状态，一 ) 是由注入y 决定的故障后状态空间中 稳定平衡点周围的稳定域。对于给定的注k y ，稳定域4 ) 是确定的。q 。( f ，j ，f ) 的边界用a q 。( f ，j ，f ) 表示。 式( 2 2 ) 中给出的动态安全域是针对大扰动下的暂态稳定性而言的，它定义在 全注入空间上。而在实际电力系统运行中，各节点注入功率总是处在一定的约束 下，例如发电机出力存在最大、最小值，负荷节点也有最大、最小值等等。通常 定义注入功率的约束集为： w ：皇 y r “i y y y ”) ( 2 - 3 ) 式中，y 一、y 分别表示注入y 的上、下限。 于是式( 2 2 ) 中动态安全域的定义可修正为如下形式： q d q , j ，f ) 皇( y i h ( y ) a ( y ) n w 皇 y r ”i y 一 2 0 0 时，z ( ，) “0 ，散取积分区 第二章输电系统概率不安全指标简介 间为f o ，2 0 0 1 ，令步长i = 2 0 ，的取值如表2 - 4 所示 对于外重积分，取线路，上均匀分布的1 1 个故障点，故垃= 3 0 ，x 的取值 如表2 - 5 所示。 因此，需要计算1 1 1 l = 1 2 1 个线路故障对应的动态安全域，我们用2 1 节介 绍的拟合法求解这些动态安全域的超平面系数。这里只给出同一故障电阻( ，1 ) 不同故障地点( x 1 x 1 1 ) 和同一故障地点( x 1 ) 不同故障电阻( ，1 ，1 1 ) 对应的 动态安全域超平面系数，用于分析线路故障地点和故障地点对系统安全性的影 响，分别示于表2 - 6 和表2 - 7 。 基于这些动态安全域我们可以算出各个线路故障的安全性测度磁( 力。 图2 - 3z ( ，) 曲线图 表2 4 内重积分r 取值( 单位：q ) i 序号 r lr 2r 3r 4r 5r 6，7 r 8 r 9r 1 0r 1 1 i ，值 o 2 04 06 08 01 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 01 8 02 0 0 表2 - 5 外重积分x 取值( 单位：公里) i 序号工1 x 2石3x 4工5 x 6 工7 工8x 9x l ox l l i 工值 o3 06 09 01 2 01 5 01 8 02 1 0 2 4 0 2 7 03 0 0 第二章输电系统概率不安全指标简介 表2 - 6r = 0 时不同故障地点对应的超平面系数 d l口24 3a 4口5口6 x l0 3 9 3 70 5 9 6 30 1 4 7 40 0 0 5 70 3 4 2 30 4 5 0 2 工2o 3 9 0 9 o 5 8 4 3_ o 1 5 5 80 0 1 0 30 3 5 2 10 4 4 5 7 j 30 3 8 4 0 0 5 8 2 2- o 1 5 4 70 0 1 3 50