（电力系统及其自动化专业论文）基于风险的电力系统安全评估、决策和市场运作.pdf

r i s k - b a s e da s s e s s m e n t ，d e c i s i o na n d o p e r a t i o n o f p o w e r s y s t e ms e c u r i t y i np o w e rm a r k e t a b s t r a c t m a n y c o u n t r i e sf i r ei n t r o d u c i n gc o m p e t i t i o nt op o w e ri n d u s t r yi no r d e rt od e v e l o p i n gp o w e r m a r k e t ，w h i c hi s ah i s t o r i c a lr e f o r mi nt h ei n d u s t r y a l t h o u g hp o w e rm a r k e tc o u l dp r o m o t ee f f i c i e n c ya n dd e c r e a s ec o s tt h r o u g h c o m p e t i t i o n ，i tc e r t a i n l yi m p a c t so ns y s t e ms e c u r i t y i ti sa s s u r i n gt h a tt h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e ne c o n o m ya n d s e c u r i t yw i l ln o th ef u n d a m e n t a l l yr e s o t v e di na n ym a r k e t ，o b v i o u s l y , w h e t h e rp o w e rm a r k e ti sp r a c t i c e d0 1 7n o t , s e c u r i t ys h a l lb ei nt h ef i r s tp l a c e a sw ea l lk n o w , m a r k e tr e f o r mi nm o t h e r - l a n di sd i f f e r e n tf r o mt h o s ei no t h e r s b e c a u s ei ti sm u l t i 。l a y e r t h u s ，n o to n l yd o s ei tg u a r a n t e es m o o t hi m p l e m e n t a t i o no f m a r k e tm e c h a n i s mb u ta l s o a f f e c tc o n f i d e n c e t a k e n b yd e c i s i o n - m a k e r w h e t h e r t h ec o n t r a d i c t i o n b e t w e e n e c o n o m y a n ds e c u 6 t yc a n b es e t t l e d i nn e we n v i r o n m e n t , t h et m d i f i o n a ls e c u r i t yi n d e xw i l ln o tm e e te c o n o m i c a lr e q u i r e m e n t ；c u f f e n f l ys y s t e m o p e r a t o r s a r ca v a i l a b l eo fn ow e l l d e s i g n e dt o o la n dd od e c i s i o n s a c c o r d i n gt h e i ri n t u i t i o no re x p e r i e n c et h a t d o e s n tm e e tm a r k e tr e q u i r e m e n tt o ob u tr e s e a r c hw o r ki ss e l d o ma b o u ti ta n dm a r k e t o p e r a t i o no fs y s t e m s e c u r i t yi sl i m i t e dt oa n c i l l a r ys e r v i c ec o m b i n i n gw i t ht h er e s e a r c ho nc h i n ap o w e rm a r k e tt r e n d sa n db a s e do n r i s k ，t h e s i sw i l ls p e c i a l l yd i s c u s st r a n s i e n ts e c u r i t ya s s e s s m e n t ，d e c i s i o no ns e c u r i t ya n dm a r k e to p e r a l i e no f s e c u t i t y ， f i r s t l gt h e s i sw i l la n a l y z et h en e c e s s a r yf a c t o r st oc o n s t r u c tp o w e rm a r k e lg e n e r a l i z et h er e f o r mr o a do f d o m e s t i cp o w e ri n d u s t r y , a n dt a l ka b o u tm a r k e td e v e l o p m e n tt r e n d s r e g i o n a lp o w e r m a r k e tw i l lb e p a r t i t i o n e d t o t h r e e p h a s e s i - e - p r e l i m i n a r yr e g i o n a lp o w e rm a r k e ld e v e l o p i n gr e g i o n a lp o w e rm a r k e ta n da d v a n c e d r e g i o n a lp o w e rm a r k e ta st oi n d i v i d u a lp h a s e , s y s t e ms e c u r i t yc o o r d i n a t i o nw i l lb ed i s c u s s e di nd e t a i l s s e c o n d l y , b a s e do nr i s ka s s e s s m e n tt h e o r y , i tw i l lm a i n l ya n a l y z ean e wt r a n s i e n ts e c u r i t yi n d e xa n dg i v eo a t d e t a i l e da s s e s s m e n tp r o g r e s st h ei n d e xc o n s i s tt r a n s i e n ti n s e c u r i t yp r o b a b i l i t ya n do u t c o m et o o b t a i nb a l a n c e b e t w e e nt e c h n o l o g ya n de c o n o m mb a s e do nc o n d i t i o n a lp r o b a b i l i t yt h e o r y , i td e d u c e st h ep r o b i l i t yi n r e s p o n s e t o p r o b a b i l i t yd i s v i b u d o no fs y s t e mo p e r a t i o nc o n d i t i o na n df a u l ti ns o m es y s t e mo p e r a t i o nc o n d i t i o na sf o r o u t c o m ee v a l u a t i o n ，t w om e t h o d sa r ea d v a n c e d t h ef i r s t i sn a m e di n v e s t i g a t i o no n eb yo n e ，a n dt h eo t h e ri s c a j l e df a c i l i t ym e t h o d f o l l o w i n gt h ea b o v e ，a i m i n ga tt h ed e f i c i e n tc u r r e n td e c i s i o nl e v e lo fs y s t e mo p e r a t o ra n de s p e c i a l l yt o b a l a n c et e c h n i c a ls e c u r i t ya n de c o o o m y , b a s e do nt h ef o r e g o i n ge v a l u a t i o n ，i tw i l lp r a c t i c a l l ye x p a t i a t ea n ds t r i c t l y p r o v er i s kd e c i s i o n t h e o r y r i s k d e c i s i o n t h e o r ya b o u t d y h e r o i n s e c u r i t y i s a l s o p u t f o r w a r d i nt h el a s tp a r t ，t h e s i sw i l ld i s c u s sh o wt oh a n d l ep o w e rs y s t e ms e c u r i t yt h r o u g hm a r k e t a f t e rs h o w i n gt h e s i g n i f i c a n c eo fi t ，i tw i l lp r o b ei n t os p e c i f i co p e r a t i o nm o d ea n dc o m p a r t m e n t a l i z et h em a r k e ti n t ot h r e el e v e l s s u b s e q u e n t l y , s e e u r i t yi n s u r a n c em e c h a n i s mo nd e m a n ds i d ew i l lb ec o n s t r u c t e d a n dt h er e l a t e ds y s t e m sa b o u t o r g a n i z a t i o n ，f u n c t i o na n di n f o r m a t i o na r ec o n s t r u c t e dr e s p e c t i v e l y m e a n w h i l e ，i tw i l lf o r mi n s u r a n c ef e et h a ti sa b r i d g eb e t w e e nc o n s u m e r sa n dp o w e ru t i l i t i n s k e y w o r d s ：p o w e rm a r k e t ；s e c u r i t y ；r e g i o n a lp o w e rm a r k e t ；r i s k ；d e c i s i o n ；i n s u r a n c e 第1 i 育 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 签名：之l 鱼丛日期：主型扛 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名： 导师签名：2 羔! 旦堡日期：! ：! ：至 兰王墨竺竺兰：至兰耋= 兰兰：銎兰竺= 兰苎兰兰主兰兰兰圭 符号说明 i故障前系统运行状态 第，条线路 n系统中线路编号最大数 口稳定指标 三线路 ，线路j 上发生故障的位置 川线路，上的分段数 f 故障 u 故障编号 p 有功功率 p d f概率密度函数 x 故障率 五，线路j 上的故障率 z阻抗 零序阻抗 z负序阻抗 岛不稳定事件 砌 后果影响或损失 砌s机组修理和启动成本 砌d机会成本 拥d负荷损失 加c连锁事件 c 维修成本 c 。皂动成本 g 。故障期间的单位发电成本 c w故障前的单位发电成本 c 。 单位功率的处罚因子 h 故障持续时间 且。，停运机组应供应的电力 岛基准功率 基准电压 发电机直轴暂态电抗 乃发电机的惯性时间常数 d m 决策者 s 各选方案 丁 备选方案集合 0 自然状态 第v i 贾 符号说明 丹自然状态出现的概率 口 益损值 f乐观系数 第v i i 页 苎三墨竺兰兰2 至兰兰竺兰苎：兰兰竺主丝兰! 兰主兰竺兰三 1 1 背景和意义 第一章绪论 电力工业是能源工业的重要组成部分，作为国民经济的重要基础行业，其重要性比交通、 航空更大。经过百余年的发展，电力工业己进入了一个相对成熟和稳定的时期。但过去二十 年发生的两项变革，对电力工业产生了深远的影响。第一项变革是信息技术的飞速发展，电 子传感、远程通信、工业控制、计算机技术逐步成熟并成功应用到电力工业；第二项变革是 管制的逐步解除。传统的观念认为：电力工业应该国有并由垂直的管制机构运营，用户很少 或几乎没有选择权，技术与经济间的平衡问题未得到重视。第二项变革要求人们重新审视上 述观念。事实上，管制的解除导致了决策的分散化、用户选择的多样化等。 如今，英国、美国、澳大利亚、北欧、南美、泰国等国家与地区都不同程度地展开了电 力市场化改革”j 。改革的目的是引入竞争、提高效率、降低电价、改善服务、可持续发展等。 一些国家和地区的实践已经表明：设计良好、正常运营的电力市场可以带来巨大的效益。 众所周知，电能难以储存使其需要即时平衡；且电力系统非常复杂、庞大纠。这些特点 使得电力非同般商品，因而电力改革需要多种理论非常好的配合，这些理论包括电力系统 经典理论、控制论、信息理论及经济理论等。此外，各国的实际情况差异很大，每个国家应 针对本国特点因地制宜进行市场化改革。由此可见，电力市场改革是一项复杂、艰巨的任务， 不能一蹴而就，面对挫折甚至失败应当有思想准备和应对措施。 2 0 0 0 年夏季和2 0 0 1 年初发生的美国加卅i 电力危机给我们敲响了警钟，但是这不应作为 否定电力市场化的借口p “。加州的失败是一系列的必然因素和偶然因素同时发生并叠加造 成的结果，诸如：电源和输电线路的建设，缺少远期合约，复杂的市场规则，无限制的发电 侧电价和固定的零售电价，用户缺乏价格信号的指导，天然气价格剧烈变动和居高不下等。 我国进行电力市场改革的复杂程度大大超出了其它国家，因此必须从各国吸取经验教训，谨 慎行事，不断丰富和完善市场设计、监管的水平和能力，方可以最小代价取得改革成功。 必须指出：虽然电力市场改革可通过竞争来提高效率、降低成本【l “，却不可避免会对 系统的安全稳定有所影响。相信无论多么完善的电力市场也无法根本解决“经济与安全”这 一对矛盾。但这并不代表系统的安全稳定性会受到市场化运营的破坏。实际上，市场可把过 度的安全裕度转变为经济利益，同时仍能保障系统所需的合理的安全裕度。 很显然，没有系统的安全，市场难以开展，因此在电力体制改革中，系统安全应置于首 要位置，作为开展电力市场的前提。我国进行的电力改革不同于其它国家或地区，为多层电 力市场。所谓多层电力市场，即在市场上存在多层电能交易中心；与此相对应的是单层市场， 即市场上只存在一个电能交易中心。相对而言，安全问题在单层市场较容易解决，原因在于 只有一个中心机构。而多层市场存在多个机构负责安全，每个机构不仅要负责单层市场的职 责，还要与相邻或上下层间进行安全协调。该问题的解决好与坏，直接关系着电力市场能否 顺利进行也影响到我国进行电力市场改革的信- t l , 与决心。 传统的安全可靠性指标有l o l p 、l o l e 等，这些指标通常单独从失稳概率或失稳后果 来分析，并没有综合该两要素“1 。在市场环境下，不仅要分析系统安全的概率性( 失稳概 率) ，也需考虑经济因素( 失稳后果) ，因此很有必要设计一种新的有效的安全指标。该指标 不仅能反应系统真实的安全水平，还能计及安全服务的成本费用和市场参与者因系统安全问 第1 贾 苎主墨竺兰兰兰至竺竺三兰竺：立苎= 兰兰兰! 兰主竺苎兰圭 题而遭受的经济损失。无疑，这不仅能保证系统的安全，为系统运行员提供可信的系统安全 指标同时也能保证市场的正常运转。 一个市场运营的好与坏，由多方面因素决定。其中系统运行员的决策水平是很重要的 环。目前，系统运行员决策时尚无很好的工具，往往相当保守。此时系统虽能正常运行，但 安全裕度过大，经济效益不是很理想。市场环境下，无论是发电公司。还是用户，抑或电网 公司，都将追求各自的经济效益最佳，过度的安全裕度将造成很大的浪费，特别是峰荷时期。 故而适当地减小安全裕度可获得很大的盈利空间。这就需要系统运行员有一合适的安全指 标，并有相关的决策工具。 事实上在市场环境下，系统的安全、可靠性也必须用市场“看不见的手”进行调节。系 统安全所涉及到的市场有多方面：( 1 ) 系统所需的安全服务市场：( 2 ) 由于系统安全的缘故 导致用户的损失，应基于市场机制采用市场手段进行调节；( 3 ) 特殊用户特殊安全可靠性要 求的市场。如此，一方面可确保系统安全，能保证电力市场乃至全社会正常有序；另一方面， 能通过市场机制获取最佳社会效益，使得电力市场之路能通畅。 1 2 电力系统安全对策 1 2 1 处理系统安全的传统方法 随着大容量机组和远距离输电线路的出现，电力系统的不断扩大和发展，电力系统的稳 定性阀题目益突出，所以从电力系统的规划设计到日常的运行都必须考虑电力系统的稳定 性，并提出相应的提高和控制稳定的措施【l “”i 。 系统运行状态图 电力系统的运行条件一般用三组方程式来描述1 2 s - 2 5 1 ：一组微分方程式来描述电力系统元 件及其控制设备的动态行为；另两组代数方程式则分别构成电力系统运行的等式和不等式约 束条件。如式( i i ) 、式( 1 2 ) 所示。 f p g ，一毛一啦= o j i ， j 1 绕，一一q = o 式中；圪；、馥，为发电机或其它电源设备的有功、无功功率；吃、0 。为负荷j 的有功、 无功功率；厶p 、q 为有功、无功的总损耗。 u ? ms u ? s u ? 4 甾“s 名，磁“ ( i - 2 ) 鲻”茎幺，q 笋 s ：7 ”s s 口| s ：。 式中：u ，、r - ：7 ”、w “为母线f 电压及其上、下限；、磁“、篇。为发电机有功出力 第2 页 及其上、下限；( k 、旦：第、q y 为发电机无功出力及其上、下限；墨，、黠”、s 彳“为 线路口的功率潮流及其上、下限。 根据式( 1 - 1 ) 和式( i - 2 ) 是否能满足，将电力系统的运行拭态进行分类，以便于进行 系统分析和控制策略决策。现有四种分类方法：三种状态 、四种状态【”1 、五种状态p 、 七种状态口；分别由图l - l 图1 - 4 所示。彼此间大同小异，有的分类详细，有的则简单： 但分类的目的一致，通过状态转移的图示化，可较清楚地确定不同运行状态下系统的控制对 镱。 扰动 届抗$ j 眦w f 起n 女“ 图1 - 1 三种状态的电力系统运行状态图 f i gl 1 - 3s t a t e so f p o w e rs y s t e mo p e r a t i o n 扰 动 图1 2 四种状态的电力系统运行状态图 f i g1 - 2 4s t a t e so f p o w e rs y s t e mo p e r a t i o n j “雕幔_ # 图1 - 3 五种状态的电力系统运行状态图 f i g 1 。3 5s t a t e so f p o w e rs y s t e mo p e r a t i o n 第3 贫 苎三墨竺兰竺兰墨苎耋兰兰竺：奎墨= ：兰兰立! 圭竺兰= 圭 广疆忑豆 r i i 百 图1 - 4 七种状态的电力系统运行状态图 f i g ，l 一4 7s t a t e so f p o w e r s y s t e mo p e r a t i o n 计算机监控系统 现阶段，电力系统监控系统( 又称之为电网调度自动化系统) 主要是能量管理系统 ( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，简称e m s ) 。e m s 包括监测控制与数据采集( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n d d a t a a c q u i s i t i o n ，简称s c a d a ) 、自动发电控制( a u t o m a t i c g e n e r a t i o n c o n t r o l ， 简称a g c ) 、网络分析( n a ) 、优化调度( o p t i m a ld i s p a t c h ) 、调度员培训模拟( d t s ) 。其 中s c a d a 负责电力系统实时运行状态的煎视、事件顺序记录、事故追亿、越限报警、远距 离开关操作等。计算机监控系统所采用的安全监控软件实时安全监控功能如图1 - 5 所示。 分层控制 图1 - 5 实时安全监控功能结构框图 f i g1 - 5 s t r u c t u r eo f r e a l - t i m es e c u r i t ym o n i t o ra n dc o n t r o l 第4 寓 言要 兰= ：竺芝 现代电力系统无论从地域分布还是系统结构来看，都是一个规模很大的系统，且对安全、 经济和高质量发输电的要求更加严格，为此必须实现对整个系统的自动监视与控制。采用集 中监控方式时，需要把所有发电厂、变电站的信息集中到一个调度控制中心。此时，信息的 采集和传输系统规模极其庞大，调度控制中心计算机系统作业也极其繁重。 根据电力系统在管理和电压等级上的分层结构，形成了各级的调度组织结构，即形成了 分层控制。在实施分层控制时，合理地确定分层和分配各分层的控制功能来保证系统可靠而 灵活地运行是很重要的，我国的电力系统分层控制如图i 6 所示。 哥 大型火电厂 水电厂、棱电站 中型火电厂 水电厂 小型火电厂 水电厂 大区电网调度 中心 i 省级电网调度 中心 地级电网调度 中心 供电局 主网枢纽变电站 ( 2 2 0 k y 以上) 省网枢纽变电站 ( 2 2 0 k y 及出上) 省网枢纽变电站 ( 2 2 0 k y 、】o o k v ) 图1 - 6 我国电力系统三层控制基本模型 f i gi - 6 31 a y e r sm o d e lo f p o w e rs y s t e mc o n t r o l 系统正常运行时的安全控制 电力系统正常运行安全控制包括三个方面：一是针对正常运行状态的安全经济控制：二 是针对预想事故集的预防性控制( 或称预防性再组合) ：三是针对存在不安全的某个事故后 状态的校正控制。 电力系统安全经济控制的任务是在满足安全要求和质量要求的条件下实现运行的经济 性。优化目标传统多为运行费用最少或燃料消耗最少，在运行费用中除燃料费外，还包括人 工费、设备维修、折旧费，但燃料费占运行费的极大部分，因此两者基本上可认为相同。安 全经济运行的求解方法按数学方法可分为经典法、最大潮流法和两流法等。 电力系统预防性控制是将电力系统的正常运行情况调整到种状态，使之能正常运行， 并在此前提下实现系统最经济运行。所以从数学模型来说，预防控制实际上相对于在最优潮 流问题的基础上增加相应于各种预想事故情况的约束条件。考虑到实际电力系统的运行情 况，一般认为如果算出来的预防措施所需代价不大，可以把这些措施付之实施。但当所需代 价很高且预想事故引起的紧急状态却不太严重时，也可以不采取改善系统安全性的某些措 施。 校正控制通常包括两种情况：一种是预防控制所形成的数学模型无解，针对某个使电力 系统处于不安全的预想事故( 假想紧急状态) ，进行校正控制计算；另一种是当电力系统发 生某个事故而使约束条件受到破坏后所施行的控制，其目的是使系统尽快恢复到正常运行的 状态，即使得所有的约束条件重新得到满足。对于后一种校正控制，显然在控制过程中系统 安全性置于首位，其次才是经济性，即首先解决安全性问题，然后再解决经济性问题。 无论是安全经济控制、预防性控翩还是校正控制，为满足在线要求，对计算的主要目标 部是保证足够精度下的算法快速和收敛可靠，为此，通常将整个控制问题分鳃为有功功率控 制和无功功率控制两个子问题。前者通过对发电机有功出力的重新分配来解决元件的过载和 第5 页 苎三墨笔竺兰兰至兰：= 兰竺：三苎竺主兰兰竺 兰圭兰兰兰查 有功晟优潮流问题；后者是通过对发电机的无功出力的重新分配和改变有载调压变压器分接 头位置，以解决节点电压模的越限和无功最优潮流问题。在计算中，为了使非线性模型变为 线性模型，大多采用增量数学模型，即取相对于控制前基本运行情况下运行状态量的增量作 为变量，而基本运行情况下各种状态量的值假设己由状态估计或实时潮流计算得到。 系统事故运行时的安全控制 电力系统绝大部分时间都是在正常状态下安全稳定地运行，也就是各种等式约束条件和 不等式约束条件都得到满足。但在实际运行中，由于自然灾害、设备缺陷以及人为等因素都 会造成电气设备的事故，例如雷电引起闪落，导致相间短路或接地故障；运行人员误操作； 变压器绝缘破坏等。事故过程中或事故后，如果系统运行指标异常或遭破坏，即某些运行约 束条件和功率平衡条件不能得到满足，则系统进入紧急状态。例如系统频率或电压异常甚至 发生崩溃，系统发生振荡而不能维持发电机的同步运行，过负荷而引起恶性连锁反应等，这 类事故波及整个系统，可能造成系统的瓦解以致大面积停电，导致系统事故。系统事故往往 是由于事故处理不当，使事故进一步扩大所致。电力系统事故的产生和扩大原因是多种多样 的，分别有；( 1 ) 由同步运行稳定破坏引起的事故扩大；( 2 ) 由频率下降引起的事故扩大： ( 3 ) 由电压下降引起的事故扩大：( 4 ) 由过负荷引起的事故扩大。 保证系统安全稳定运行主要靠两方面的措施：一次系统方面措施和二次自动控制装置。 ( 1 ) 一次系统方面措施 要保证电力系统的安全稳定运行，首要的条件是建立一个尽可能合理的电网结构。电网 结构合理包括：满足负荷需求，配置足够的、布置合理的电源容量，且主电源一般直接接入 高压电网，以充分发挥高压网络的传输能力，并加强对高压电网枢纽点电压的支持：与电源 容量和负荷水平相适应的、有足够传输能力的输电网络：加强受端系统，适当地分散外接大 容量电源，对于任一引入外接电源的输电网络故障，都不致于破坏受端系统与其它外接电源 间的同步运行和严重影响对系统主要负荷的影响。为改善系统稳定性，也可在线路上装设串 联电容，采用环网、复合导线等，以减小线路电抗；在输电线路中间装设高压开关站，并装 设同步调相机或静止补偿器，以保持高压电网电压恒定和向系统供给无功功率。 ( 2 )二次自动控制装置 加强电网一次系统( 包括电网结构合理化和提高稳定性的各种措施) ，虽然对提高电力 系统安全稳定运行水平会取得积极效果，但所付出的经济代价昂贵。相对来说，利用二次自 动控制设备( 包括继电保护和安全自动装置) 完成事故情况下的紧急控制功能，可以有效地 防止事故的扩大。维持电力系统的安全稳定运行，而且投资上要经济的多。 紧急状态下提高电网安全稳定水平的最经济有效的先决条件是缩短故障切除时间，这就 要求继电保护装置能快速动作，有选择性地将故障设备切除，以保证电力系统无故障部分的 正常运行。为了防止由于故障切除引起系统的各种扰动( 称为二次扰动，如功率不平衡、频 率下降、电压下降、过负荷、甚至失步等) ，而导致事故的扩大，采取必要的安全稳定措施 和装设安全自动装置具有重要的作用。安全自动装置的门类很多主要为系统稳定控制、频 率异常、电压异常和过负荷等紧急状态下的有关控制和保护装置。 系统恢复状态的安全控制 电力系统的恢复控制实际是一系列有序的开关操作过程，包括线路和变电设备的投入、 发电机的启动和并网，以及负荷的恢复等。 对于事故后待恢复的电力系统一方面要迅速恢复系统的电压和频率，消除各元件的过 载，使仍旧运转的发、输、变电设备对未断开的负荷继续供电：另一方面要调度发电厂恢复 出力，输变电设备重新投入。为此要尽快恢复发电厂的厂用电和变电站的站用电，这可通过 投入备用电源或与外部系统连接获得电源，以保证发电厂和变电站的辅助机械和调节设备的 正常工作，使在紧急状态下被切除的机组和线路重新投入系统。在事故后系统解列成若干区 j b - 6 贾 域的情况下，当各区域系统已基本恢复至频率和电压的额定值附近时，应将各解列区重新并 列，尽快恢复电力冗余区域与电力不足和完全停电区域的互联，向这两类区域输送冗余电力， 使整个系统尽可能恢复至事故前状态。 将电力系统正常运行状态、紧急状态和待恢复状态下安全监控的综合，形成系统运行控 制的有机整体，如图1 _ 7 所示。 正常运行卜r + i 事故运行卜_ r 事故切除卜上z + | 系统二次扰动卜_ r 叫大范围停电| - + | 正常运行 正常控制 安全监规 壹垒分析 预防性安 全控制 孀急控制i 继电像护 切除故障 设备、重 合闸动作 婿急控铷i i 稳定控糊 频率异常控制 电压异靠控制 过负荷控制 紧急控* u i i i 失步解列 低频解列 j 立负荷解列 图1 - 7 电力系统安全监控功钝图 f i g ，i - 7 s e c u r i t y m o n i t o r f u n c t i o no f p o w e rs y s t e m s 1 2 2 市场环境下处理安全问题的方法 恢复控制 恢复电溧 调整出力 磊蛭井硎 恢复供电 市场改革前，发、输、配的规划和调度是统一进行的，系统安全也是由调度机构统一调 度。市场改革后，发、输、配将分解开，分别成为经济实体，且都将分别追求各自的经济利 益最大化；系统运行方式不能预先确定且变化频繁，这要求能快速进行安全分析并提出解决 方案；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；安全控制设各 可能分散在不同的所有者手中1 2 7 - 2 8 1 。因而，不可避免需对传统处理安全的问题重新分析和讨 论，以适应新环境要求。本文将市场环境下所涉及到的处理安全问题的方法归为辅助服务 ( a n c i l l a r ys e r v i c e ，简称a s ) i 2 “w 、可用输电能力( a v a i l a b l et r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t y ，简 称a t c ) m 6 1 7 “、阻塞管理( c o n g e s t i o n m a n a g e m e n t ，简称c m ) g l - 1 1 9 、安全定价( p r i c e f o rs e c u r i t y ) ”。”等四方面，下文将依次进行分析。 辅助服务( a s ) 辅助服务即为保证电能交易毖安全可靠进行的服务。早在1 9 9 6 年，就有有关专家指出 了a s 分类、定量分析的重要性 2 9 1 。目前，国际上对a s 问题的研究在很多方面尚未达成共 识，各国都按各自的模式实施相应的规则f 3 ”9 1 。也有相当多的文献对a s 进行了讨论【4 。4 ”。 顾名思义，a s 即为辅助电能正常交易的服务。目前主要从发、控、输、配来确定a s 。 不同的层面，a s 具有不同的内容。对于发电而言，a s 是发电厂为保证电力系统安全可靠 运行而采取的必要措施，包括发电厂的a g c 、发电机频率调节特性、发电机无功支持能力、 热备用、冷备用、发电厂自启动能力等。对于输、配电而言，a s 是输、配电为保证电力系 统安全可靠运行而采取的必要措施，主要是各节点处的无功支持能力。对于系统控制而言， a s 主要是负责系统的运行管理，包括交易计划制订、系统的实时调度、电压频率控制等。 目前所讨论的a s 主要指安全问题所涉及到的措施，特别是系统正常运行状态和警戒状 态时所需的措施，尚未就紧急状态、系统崩溃和恢复状态时所需的服务进行讨论。 可用输电能力( a t c ) a t c 表示除现有交易外输电网还可提供的最大传输容量。a t c 计算方法主要有线性分布 因子法【5 5 “】、连续潮流法【5 1 、最优潮流法 6 2 。5 9 、灵敏度分析法【7 0 等，分别基于直流潮流、 连续潮流、最优潮流和交流潮流。上述方法各有优缺点，就精确性而言，最优潮流法最好， 可应用于目前市场( d a y a h e a d m a r k e t ) 和现货市场( h o u r - a h e a d m a r k e t ) 交易计划的制订： 第7 赏 苎竺竺竺皇= 至釜兰= 兰箜：奎苎兰兰兰兰= 堡圭兰苎竺圭 就速度而言，线性分布因子法最快，a t c 作为安全指标之一，可应用于在线监测系统安全 性能。 a t c 在电力市场中的地位和作用具体有以下几个方面：( 1 ) 可减少输电网在实时运行 中发生阻塞的概率；( 2 ) 可作为输电网裁减交易，消除阻塞的标准；( 3 ) 可用来判断系统的 安全性能；( 4 ) 还可为电网的规划建设提供信息等。在电力市场其它方面，a t c 还有很重 要的作用，比如在输电权的定价、备用服务定价等。 在应用最优潮流法和灵敏度分析法时，假定系统能正常运行，将系统的热过载能力约 束、电压约束、静态安全约束、暂态稳定约束条件作为不等式约束条件，在a t c 计算对加 以考虑。 阻塞管理( c m ) 由于网络运行方式的变化具有随机性，对于两络中原先输电能力较薄弱的区域内输电线 路、变压器以及跨区域联络线而言。如果不采取任何干预措旃，不可避免的会导致潮流越限， 即为阻塞。阻塞的发生不仅会影响输电网络的安全稳定，同时会对输电定价和电厂竞价策略 带来显著影响。 按不同方法，c m 可分成不同的类别。按时间划分，c m 可分为长期c m 和短期c m ， 前者包括电源规划、电网规划、f a c t s 装置规划和投建等，后者包括交易计划调整等；按 市场交易模式，c m 可分为联营体模式下的c m 和双边交易下的c m 等：按c m 的实施者分， c m 可分为集中式c m 和分散优化的c m 。 输电线路发生阻塞后，阻塞线路的受端由于供不应求，其电价要远远高于发端，造成电 力市场中的实时电价发生剧烈波动。文献 9 5 】利用传统的o p f 方法计算节点电价，并从节点 电价中分离出阻塞约束的影子价格。阻塞费用定义为阻塞约束对负荷的灵敏度同阻塞约束的 影子价格之间的乘积。该方法的应用需要确定一个不受阻塞影响的参考母线，该母线的确定 对阻塞费用的计算影响很大。一般说来，具有最低发电边际成本和足够容量的发电机节点可 以选作参考节点。文献 9 6 ，1 0 4 ，1 0 5 1 采用内点法求解最优潮流，节点的实时电价对应于等 式约束的对偶变量。文献0 0 6 采用扩展拉格朗日乘子法将最优潮流无约束化，然后用遗传 算法对实时电价模型求解，并应用潮流分解计算跟踪母线注入功率在输电网络的分布。 对于双边市场而言，文献r 9 7 】在假设电力市场中的每笔交易都是双边交易，基于交易矩 阵( t r a n s a c t i o nm a t r i x ) ，以交易的最小改变为目标函数，求出满足约束条件下的最接近安 全边界的运行点。交易的重要性通过权重系数体现，保证在阻塞环境下公平的分配输电权。 对于联营体市场，文献1 9 8 提出，由i s o 向造成阻塞的发电机发送电价附加值，促使发电方 调整出力消除阻塞，并给出了网络扩展的经济信号。文献 9 9 】提出了基于区域分裂的阻塞消 除方法。在忽略网损的情况下，同一区域中的节点具有相同的区域边际电价，区域边界的曼n 分根据不同的边际电价确定。文献 1 0 0 提出了处理区域电力市场阻塞管理的3 个步骤：紧 急事故分析、区域间c m 和区域内c m 。文献 8 8 】考虑了动态安全产生的阻塞问题，利用暂 态能量函数，引入能量裕度和灵敏度的概念，当动态安全约束越界时，通过计算发电机转换 之间的能量裕度、灵敏度确定调整哪台发电机对恢复系统的动态安全更有利。文献 1 0 7 提 出了可行区和运行边界的概念，调整用户方电价，依靠用户方的需求弹性可满足系统安全的 要求，即消除阻塞。文献 t 0 2 ，1 0 3 分别分析了用户的需求弹性对o p f 计算结果和电价的影 响。文献f i l 9 】提出了c m 系统功髓框架。 安全定价 系统的安全需要各市场参与者提供相关的服务，与安全控制有关的费用有三种：参与者 准备参加事故响应的费用：参与着实际参与事故响应的费用：系统崩溃费用。文献 2 7 ，1 2 0 1 提出以总社会费用最小化为目标，可在系统安全水平和维持该安全水平所需韵费用之间达到 晟优协调。保持系统稳定的电力系统运行解不是唯一的，但以最小费用保持稳定的解是唯一 第8 霄 第一j t 翻r 论 的。文献f 1 2 i 对m o m ec a r l o 应用于安全定价的几种方法进行了总结，但仅限于金融市场。 文献 1 2 2 基于电力联营体模式和多边交易，将用户需求弹性作为约束条件之一进行交易计 划。文献 1 2 3 则基于风险概念提出了安全价格，并将其作为输电价格部分或用保险方法 加以实施。 上述四个方面相辅相成，有利于维护系统的安全稳定，相互匹配，实施流程如下：( i ) 根据系统的负荷预测、交易计划申请、系统各元件物理特性和检修计划，进行系统a t c 计 算；( 2 ) 根据第一步结果，制订交易计划：( 3 ) 如果交易计划引起阻塞，则进行阻塞管理， 此时分长期和短期c m ，般而言为短期c m ，即为交易计划调整，若交易计划没有引起阻 塞，则转向第四步；( 4 ) 执行交易：( 5 ) 若交易实际实施时，系统能安全运行，则跳向第六 步，若引起系统不安全，则使用辅助服务市场确定的服务来保证系统安全运行；( 6 ) 安全服 务定价。基本的系统安全流程如图1 - 8 所示。 图1 8 市场环境下系统安全匹配流程图 f i g 1 - 8 s 口埔母m a t c h i n g f l o w i n d e r e g u l a t e de n v i r o n m e n t 1 2 3 区域输电组织对安全问题的处理 由于电力本身特殊性，在市场化改革中不可避免会出现一些挫折，但总体会不断进步。 在众多进步中，区域输电组织( r e g i o n a l t r a n s m i s s i o no r g a n i z a t i o n ，简称r t o ) 的出现可能 最引人注目。目前，美国、欧共体、澳大利亚以及其他一些国家和地区在这方面已有了一些 实践”。r t o 是为了进一步在更大范围内进行资源优化，通过公平竞争实现全局最优韵 经济目标；同时为了更大范围内保证系统安全可靠性；也可保证有足够数量的发电厂商参与 市场竞争，避免出现“寡头”市场和操纵电价。国务院批准的电力体制改革方案也明确 指出，“十五”期间电力体制改革的主要任务之一是：初步建立竞争、开放的区域电力市场， 实行新的电价机制，这与美国的区域输电组织有很大的相似性。因此很有必要对区域输电组 织处理安全问题的内容总结，以期有裨于我国电力市场的有序化和顺利进展。 辅助服务 第9 ，r 苎：墨竺竺兰2 至苎耋= 兰竺：三兰耋主兰兰兰 兰主兰竺兰三 r t o 应提供足够的辅助服务以防紧急事故，保证电力供需的瞬间平衡。辅助服务包括 系统调度、运行备用、无功支持和电压控制、频率控制、黑启动等。各类辅助服务可提供不 同的“可靠性产品”。 辅助服务一般由通过提供服务的发电机投标，以此来消除辅助服务市场申的套利机会。 r t o 在辅助服务市场中购买服务并将其作为成本之一在电价中考虑。如果发电机不能提供 r t o 规定的服务，必须处以罚款。 运行备用是系统可靠的必备条件，一般通过备用分配协议来保证系统备用要求，如此将 减轻单个电力公司满足备用需求的压力。r t o 在各个地区分配备用需求，以克服输电约束。 由于辅助服务需要备用容量，因此将增加输电成本，且可能会使一些成本相对低廉的机 组不能服务，成本相对高的机组却能并网运行。因此，建模时必须考虑辅助服务的运行过程 及其成本。一般而言，先确定系统对这些服务的要求标准，如每种备用的数量。 可用输电能力( a t c ) 关于a t c 。计算方法并没有任何强行