（电力系统及其自动化专业论文）电源规划风险评估方法研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电源规划风险评估方法研究， 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：疑亟日期： 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： 日 期： r 良 l 弘i 口i 够 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 2 0 0 3 年至今，世界范围内连续发生了几次大停电事故，给社会和经济带来了巨大损 失。从运行和规划的角度研究如何释放系统压力，使系统远离大停电前的临界状态是缓 解和预防大停电事故的一种可行性方法。充足的备用容量和合理的电网结构是电力系统 安全稳定运行的基础，加强电源和电网的统一规划和建设，可以从源头上保障电力系统 的安全。本文根据电力系统的复杂网络特性，利用熵的概念提出了网络均衡度指标，该 指标结合了边的结构重要度和功能重要度，用以衡量电力网络发展的均衡性。网络负荷 分布越均衡，发生大停电事故的风险越小。论文以改进的i e e e r t s 2 4 节点系统和改 进的i e e e 1 1 8 系统为例，计算了测试系统的网络均衡度。同时采用蒙特卡罗仿真， 得到两个测试系统的e e n s 指标以及网络利用率和网络故障频度等指标。仿真结果 验证了所设计指标的有效性。 关键词：电源规划，风险评估，网络均衡熵 a bs t r a c t s i n c e2 0 0 3 ，s e v e r a lf a i l u r e sh a p p e n e ds u c c e s s i v e l ya r o u n dt h ew o r l d ，b r i n g i n gh u g e l o s s e st ot h es o c i e t ya n dt h ee c o n o m y af e a s i b l ew a yi st of i n dh o wt or e l e a s es y s t e m s t r e s st h r o u g hs y s t e mo p e r a t i o na n dp l a n n i n gt ok e e pt h es y s t e mi nas a f e ro p e r a t i o ns t a t e s u f f i c i e n tr e s e r v ec a p a c i t ya n dr e a s o n a b l ep o w e rn e t w o r ks t r u c t u r ea r et h ef o u n d a t i o no fs a f e a n ds t a b l eo p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m s t r e n g t h e n i n gt h ec o o r d i n a t i o no fg e n e r a t i o na n d t r a n s m i s s i o ni np l a n n i n gc a l lg u a r a n t e et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mf r o mt h ef i r s tp l a c e b a s e d o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m p l e xn e t w o r ko fp o w e rs y s t e m ，a l li n d e xo fn e t w o r k e q u i l i b r i u mb a s e do nt h ec o n c e p to fe n t r o p yi sp r o p o s e di nt h et h e s i s t h ee n t r o p yw eu s e h e r et os h o wn e t w o r ke q u i l i b r i u mc o n s i s t so ft w op a r t s ：e d g e s s t r u c t u r a li m p o r t a n c ea n d e d g e s f u n c t i o n a li m p o r t a n c e ，c o n s i d e r i n gb o t ht h et o p o l o g ya n dt h ep o w e rf l o wd i s t r i b u t i o n o ft h et r a n s m i s s i o nn e t w o r k i ti st om e a s u r et h en e t w o r ke q u i l i b r i u mo ft h ed e v e l o p m e n to f p o w e rn e t w o r k s t h em o r ee q u i l i b r i u mt h el o a dd i s t r i b u t i o ni s ，t h el o w e rt h ep r o b a b i l i t yo f t h eb l a c k o u ta c c i d e n t s am o d i f i e di e e e r t s 2 4t e s ts y s t e ma n dam o d i f i e di e e e - 118s y s t e m a r et a k e na st e s ts y s t e m s b yu s i n gt h em o n t ec a r l os i m u l a t i o n ，w ec a l c u l a t et h ee n t r o p yo f n e t w o r ke q u i l i b r i u m ，m a k ec o m p a r i s o nb e t w e e ne e n s ，n e t w o r ku t i l i z a t i o na n do u t a g e f i e q u e n c y t e s tr e s u l t ss h o wt h ee f f e c t i v e n e s so f t h ep r o p o s e di n d e x g u oo i ( 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 r e nh u i k e yw o r d s ：g e n e r a t i o np l a n n i n g ，r i s ka s s e s s m e n t ，e q u i l i b r a t ee n t r o p yo fn e t w o r k 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题的背景及意义1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 电源规划的研究现状2 1 2 2 规划方案评估方法的研究现状3 1 2 3 电源规划风险评估的国内外研究现状5 1 3 本文的主要工作6 第二章规划方案的可靠性评估7 2 1 规划方案评估方法7 2 2 发输电系统可靠性评估8 2 2 1 发输电系统可靠性评估的系统状态选取9 2 2 1 1 状态枚举法1 0 2 2 1 2 蒙特卡罗模拟法1 l 2 2 2 发输电系统可靠性评估的最优潮流模型1 4 2 3 发输电系统可靠性评估指标1 5 2 4 复杂网络理论指标研究现状1 7 2 4 1 电网拓扑模型的建立1 7 2 4 2 复杂网络的拓扑特征参数1 8 2 5 本章小结1 9 第三章网络均衡熵2 0 3 1 熵的定义及其基本性质2 0 3 1 1 熵的定义2 0 3 1 2 熵的基本性质2 1 3 2 熵在复杂网络中的应用及其计算方法2 1 3 3 网络均衡熵的计算2 4 3 4 均衡度指标计算的程序设计与实现2 5 3 。4 1 边的结构重要度计算2 5 3 4 2 边的功能重要度计算2 7 华北电力大学硕士学位论文目录 3 4 3i e e e l4 测试系统算例2 7 3 5 本章小结2 8 第四章算例分析2 9 4 1i e e e r t s 节点系统分析结果2 9 4 2 1 e e e 一1 18 母线改进系统及o p a 模型分析结果3 3 4 2 1o p a 模型介绍3 3 4 2 2 算例介绍及结果分析3 6 4 3 本章小结3 9 第五章结论4 0 附录4 l 参考文献4 2 致谢4 7 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 8 华北电力火学硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 2 0 0 3 年至今，世界范围内连续发生了几次大停电，给社会和经济带来了巨大损 失。以美加大停电为例，停电波及美国的8 个州和加拿大的2 个省，受影响居民达5 0 0 0 万，损失负荷量6 1 8 g w ，经济损失约3 0 0 亿美元【。 根据现阶段的研究成果，预防和缓解大停电事故的方法和途径可以概括为：降 低初始扰动的概率；及时阻断连锁故障的传播【2 。3 】；释放系统的压力，使系统远离临 界运行状态1 4 。5 】。专门针对某一小概率事故而增加投资用于预防控制，固然可以提高 系统的抗扰动能力，但考虑到故障的随机性，这一投资对于降低大停电故障风险的 作用将非常有限。同时，扩大紧急事故集意味着降低系统的可行运行域。用于预防 控制的大量投资和长期运行效益的降低所造成的损失可能与偶然发生的停电故障 所造成的损失相当【6 。 另外一个可行的思路是从运行和规划的角度研究如何释放系统压力，使系统远离大 停电前的临界状态【_ n 。电源与电网是构成电力系统的不可分割的重要组成部分，而电能 所具有的不可大量存储的特征决定了电源规划与电网规划之问的密切关系。充足的备用 容量和合理的电网结构是电力系统安全稳定运行的基础，加强电源和电网的统一规划和 建设，可以从源头上保障电力系统的安全【聃l 。因此在满足我国电力需求快速增长，电 力建设投资不断加大的基础上如何做好电力系统未来发展规划工作，使规划方案满足经 济性与可靠性要求是我们在电力建设中首先要考虑的问题。做好电力工程建设的前期工 作，落实发、送、变电工程的建设条件，协调建设进度，优化设计方案意义尤为重大。 电力系统规划正是电力工程前期工作的重要组成部分。正确、合理的电力系统规划实施 后可以最大限度地节约国家建设投资，提高自身运行的可靠性和经济性。通过科学的规 划，使发电与输电，各级输电网之间协调发展，使电力系统的运行不依赖于某一部分电 网或某一部分元件，是保证电网运行可靠性及经济性的有效手段。 1 2 国内外研究现状 电力系统规划包括输电系统规划和发电系统规划。输电系统规划的任务是根据 规划期间的负荷增长及电源规划方案确定相应的最佳电网结构，以满足经济可靠地 输送电力的要求。电源规划的目的一般是根据某一时期的负荷需求预测，在满足一 定可靠性水平的条件下寻求一个最经济的电源开发方案【1 们。针对本论文的主要研究 内容，下面就电源规划方面的研究现状进行综述。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 1 电源规划的研究现状 电源规划是电力系统电源布局的战略决策，在电力系统规划中处于十分重要的 地位，规划的合理与否，将直接影响系统今后运行的可靠性、经济性、电能质量、 网络结构及其将来的发展1 1 0 j 。 在垄断体制下，传统电源规划算法的原则是在事先指定的系统安全水平下总费 用最小。电源规划问题相当复杂，目前数学上还没有有效的严格算法，可采用启发 式算法【1 1 l ，也可采用线性规划法、动态规划法【1 2 】等数学优化算法进行求解。近年来， 人工神经网络1 1 3 l 、遗传算法【1 4 小1 等人工智能算法在电源规划中得到了广泛应用。 电力系统环境保护是制定电力工业可持续发展战略的关键。日益高涨的环保呼 声对电源规划工作的影响越来越大。文献【1 6 】从发电厂的内部成本和外部成本入手， 讨论了电厂环境成本的评估方法，并基于环境成本对按发电厂优化的j a s p 模型进 行改进，不仅计入传统的投资费用和运行费用，而且将环境成本加入了规划目标。 文献 1 7 1 在建立数学模型时将环境污染和能源消耗转化为经济成本，与投资费用和 运行维护费用共同构成规划的目标函数，通过使总成本现值最小，寻求整个规划期 内最优电源扩容方案。文献【1 8 1 尝试建立电力工业持续发展的统一规划优化模型， 协调考虑国家能源政策、一次能源开采能力与运输限制、环保问题、合理装机容量、 电源结构优化、系统调峰问题、电源布局优化、电源电网协调发展以及电力投资决 策对后续发展的影响，为寻求科学的、经济的、可持续的电力发展方案提供了决策 支持。 随着我国经济的蓬勃发展，分布式电源( d g 一一d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ) 的应用 越来越广泛。d g 的引入会影响到配电网的节点电压、线路潮流、短路电流、网络 可靠性等多方面，其影响程度与d g 的位置和容量密切相关，因此必须合理选择d g 的位置和容量【1 9 】。许多文献研究了有关d g 的规划问题，如文献 2 0 1 提出了当负荷 增长使得系统需要增容时，系统规划人员在充分考虑系统的各种限制条件后，在传 统的增容方法和非传统的增容方法( 如安装d g ) 中选出最佳组合方案使得总成本 最小。文献【2 1 】讨论了现有网络负荷值及负荷点个数均不变情况下的d g 优化规划 问题，忽略了网络扩展的情况。 随着电力改革的逐步深入，电厂与电网将彻底分离，电厂和电网分离后，未来 电源规划新增发电容量和旧机组的退役很可能是发电公司的内部决策，以电厂投资 者的利益最大化为前提。电源规划很大程度上取决于未来市场的电价波动情况、国 家政策的变化、能源的价格以及负荷的变化等因素。因此，新的机组或电厂的类型、 位置、容量、投运时间，以及旧机组和旧电厂的退役或停运等情况基本上由发电公 司自行确定，并且这些信息往往不能提前在市场中公布，这对电力规划来说增加了 2 华北电力大学硕士学位论文 不确定的因素。经济的快速增长和电力市场化改革的影响，使电力需求和供应增长 的不确定因素更多，电力规划的难度更大了1 2 引。 电源规划涉及新增电源位置和容量的决策，该决策可能导致增加或缓解输电线 路的阻塞，并且增加或减少市场环境下的竞争。新增电源对电网正面或是负面的影 响依赖于所安装的容量及其所在的位置。文献【2 3 1 指出发电公司的投资决策可能会 影响输电系统的安全。在电力系统规划中经济性和安全性的冲突是不可避免的。发 电厂商追求利润最大化，全社会追求资源利用最优化。如电网输送能力不够，出现 线路阻塞，执行压电指令会使效率高的发电厂商利益受损，同时，电网企业的全网 购电成本增加，全社会的资源得不到最优配置，甚至会导致电力紧缺，影响电力系 统安全运行。反之，规划后输电利用率不高，会造成机会成本损失，使宝贵的线路 资源与架空走廊的土地资源得不到有效利用1 2 4 1 。 新建的电源点在入网时必须从全局考虑，纳入整个系统规划，相互协调，寻求 最佳的网架结构，而不能重复过去“接入系统设计”的老路【2 引。传统的电源规划 通常采用单节点的数学模型，即假定电力系统的全部电力负荷与所有发电机组都集 中在一个节点上。显然，这种规划方法仅适用于那些网络较为强健，可以满足任意 电源扩建方案，而不需要考虑线路扩建问题的系统。对于那些网络结构较弱，随着 新建电厂的投运需要不断投建新线路的系统而言，这种处理方法显然是不合适的。 特别是一些大型风电场往往远离负荷中心，接入网架结构薄弱，可能会出现输电容 量越限问题。文献 2 6 1 研究了基于可靠性分析的含有大型风电场的电网扩展规划。 在制定输电网扩建方案时，根据承担连接风电场与系统的线路建设的责任人的不 同，分为三种情况：风电场投资方承担全部的输电线路费用；电网公司承担部 分的输电线路费用；采用可靠性成本效益分析。分析表明采用可靠性成本效益分 析得到的电网扩建方案较好地实现了可靠性投资和收益之间的平衡。 文献【2 7 】通过分析厂网分开后电力行业出现的新情况和电力市场改革的发展趋 势，提出了新时期的电力规划新模式，引入协调因子来促进厂网规划的协调及共同 承担规划风险。以计及可靠性的缺电成本和考虑经济性的输电利用成本作为规划协 调变量，以全社会效益最大为目标，使用蒙特卡罗模拟法进行风险分析，结合规划 决策者对效益、风险的理性认识，建立了电力市场环境下促进厂网规划协调的实用 数学模型。 1 2 2 规划方案评估方法的研究现状 在电力系统规划中，通过可靠性分析计算，不仅可以找出存在的薄弱环节，还 可以获知对可能将要采取的提高供电可靠性的措施实施后的效果如何，对比措施实 施前后的可靠性提高程度，这样才能为最后的决策提供更为科学的依据【2 8 1 。 3 华北电力大学硕士学位论文 国内外对于电力系统可靠性评估的研究大致经历了三个阶段：确定性评估、概 率性评估和风险评估。确定性的安全评估方法已经在电力工业中有了很广泛的应用， 并且在不需要额外研究工作的情况下提供了很高的可靠等级。但是确定性评估只重 视最严重的事故如“n 1 ”原则，其确定性的系统运行方式过于保守，因而从运行 的角度来看，现存的设备没有被充分利用；从规划的角度来看，造成不必要的重复 建设。随着电力市场的逐渐兴起，在激烈的竞争下，各个电能供应商都不愿意投资 新的设备，而是更愿意扩展现有设备的传输极限，以便获得更便宜的能源和更低的 生产费用。于是在系统运行状况频繁紧张的环境下，确定性方法的弱点就变得十分 显著；概率评估方法考虑了事故发生的概率，但并未考虑事故造成的经济损失，没 有很好地协调安全与经济两者的关系；风险评估是一种基于电力系统行为概率特征 的系统可靠性评估方法，这种定量评估的目的在于建立表征系统风险的量化指标， 这种风险指标不只是系统发生故障的概率或后果的单一评估，而是概率和后果的综 合反映f 2 9 】，克服了过去确定性评估方法的不足，成为目前分析电力系统可靠性的主 要研究方法。 由于投资的短缺、社会和环境的制约都阻碍着电网的扩建。在这种条件下电力 网络需要承载越来越多的发电容量以满足日益增长的负荷需求，显然，电网不得不 经常运行在其设计极限【3 0 j 。输电网约束潜在地限制了发电机的输出，发电商需要提 前了解，在某一特定位置的发电功率能否全部注入电网，是什么因素限制了发电输 出，发电项目应该位于哪个区域，不能调度的概率是多少以及这些问题随着时间将 怎么发展，这些信息对于新的发电项目和输电系统扩容的决策都是非常有益的1 3 引。 文献1 3 0 研究了考虑系统约束的电源投资成本效益分析的新方法。该方法意在 解决包括发电机停运、输电线路故障和其他系统约束在内的不确定性问题。用时序 蒙特卡罗法模拟元件的随机状态，每个系统状态下发电机的出力调整和或负荷削减 由o p f 计算求得。网络的运行状态用于计算每个电厂的发电量、收益、削减负荷量、 负荷削减频率和负荷削减持续时间。 文献 3 1 1 采用e e n p ( e x p e c t e de n e r g yn o tp r o d u c e d ) 指标评估每年、每月甚至 是每天任何一个电厂由于输电线路的约束而被限制的电量。通过该指标确定安装新 机组的最优位置。文中指出输电规划中也可以从电源的角度利用该指标评估输电系 统扩容的趋势和必要性。 文献 3 2 1 讨论了发电机选址对电网安全的影响。文中采用n 一1 紧急事故分析， 而不仅仅是以往发电机选址时考虑的充裕度分析( 采用失负荷概率l o l p 和失负荷 期望值l o l e ) ，讨论了规划原则对可靠性的影响。 在做电力系统规划时应考虑在正常条件下，即全部输电设施投运，按正常程序 操作，网络能将发电机发出的功率输出，以满足设计的不同水平的用户需求，并提 4 华北电力大学硕士学位论文 供合同规定的( 不可取消的) 不同水平的输电服务。事故导致单个元件停运( 例如 发电机或输电线单相接地或三相短路) ，或两个元件停运( 例如断路器或母线单相 接地故障或三相短路，正常切除，手动调整，接着又发生另一个单相接地或三相故 障，然后正常切除) 的条件下，网络应能供电给设计的负荷需求和提供合同规定的 ( 不可取消的) 所有水平的输电服务。输电系统应能承受计划范围内的大型电力设 备的维修停运，并能连续地运行在发热的、电压稳定的、功角稳定的极限之内。应 对发输电系统中一些极端严重事件引起的两个元件停运或连锁式停运进行风险评 价。这些事件包括：三相故障延时切除；在同一个线路走廊的全部输电线路停运； 一个发电厂全部发电机停运；一个变电所的一个级电压设备加一台变压器全部停 运；一个大负荷或大负荷中心停运等。风险评价的内容包括：评估可能在一个大区 域造成永久性失去负荷的后果；评估发输电系统的一部分或全部不能达到新的稳定 运行点的可能性1 3 3 j 。 1 - 2 3 电源规划风险评估的国内外研究现状 世界上发生的几次大停电事故引起了人们对电网安全风险的深入思考，电力系 统风险评估的应用研究，成为人们日益关注的问题。风险评估方法能够将安全和经 济因素放在统一的价值尺度上来衡量。目前，风险评估作为电力系统传统方法的扩 展，正广泛地应用于电力系统的各个领域，特别是电力系统的安全分析、规划设计、 设备检修、预防控制、继电保护以及电力市场等领域。系统风险评估用于评价由元 件失效及组合引起的系统综合风险。文献1 3 4 1 介绍了运行风险评估的基本定义，总 结了电力系统运行风险评估与传统调度确定性分析方法和电力可靠性研究相区别 的特征。文献 3 5 3 7 1 分别从系统线路潮流、母线电压、连锁故障等特定的方面对系 统的安全性进行了分析。 在电力系统规划设计过程中使用风险评估的目的是为了增加新的考虑因素，扩 展已有的规划设计准则，确定风险最小的规划方案【3 引。目前，国内外对于电源规划 投资风险问题的研究比较多。由于未来环境的不确定性因素日益增大，在不确定环 境下所制定的电源规划决策不可避免地会带有一定的风险。在电力市场环境下，发 电投资决策面临着更多的不确定性因素( 如电价变化的不确定性、负荷增长的不确 定性、燃料价格波动) 以及由此带来的风险，投资者在制定发电投资决策时，如何 适当计及这些不确定性因素的影响就成为亟待解决的重要问题。 文献 3 9 1 评估了能源和燃料价格波动对长期电源规划的影响。模型中考虑了与 能源市场和燃料供应有关的风险，通过能源价格，燃料价格和c 0 2 排放量等随机变 量产生不同的规划情景，并利用蒙特卡罗模拟法评估各个场景的风险。文献 4 0 4 1 】 研究了电力市场环境下的电源投资风险问题，引入全新的机会成本评价原则，以投 5 华北电力大学硕士学位论文 资商最关心的装机进度和规模以及融资结构作为决策变量，以资金在全局意义下得 到最合理利用为目标，用蒙特卡罗模拟进行风险分析，并结合决策者对风险的主观 态度，建立了电力市场环境下火电厂项目投资决策问题的实用而新颖的数学模型， 在此基础上应用博弈论方法，分析了竞争对手投产策略对本项目的影响。文献 4 2 】 介绍了在竞争的市场环境下电源规划和风险评估的新方法。不同于垄断环境下的传 统随机生产模拟方法，该文在模型中考虑了在电力市场环境下长期合同的竞价不确 定性，利用蒙特卡罗仿真得到发电公司投资的收益概率分布，使用c v a r ( c o n d i t i o n a l v a l u ea tr i s k ) 风险评估工管理电源规划项目投资的风险。文献 4 3 建立了在容量恶 化和需求的不确定性下的电源规划的随机最优模型。假设需求是一个随机向量，从 而引入不确定性。将未来可能需要某些调整的决策所带来的风险费用包含在目标函 数中。文献【4 4 】深入分析了多区域电力系统的长期电源规划的发电充裕性问题。利 用m a r s ( m u l t ia r e ar e l i a b i l i t ys i m u l a t i o n am o n t ec a r l os i m u l a t i o np r o g r a m ) 的最 优化过程确定每个区域发电量是过多还是过少，并且给出了风险水平与负荷变化之 间的关系。文献【4 5 】研究了厂网分开后如何降低电源规划建设的不确定性因素给电 网规划带来的风险。文献 2 9 1 在电源规划的风险评估中引入了输电网约束，考虑了 电源规划方案对系统风险的影响。 1 3 本文的主要工作 论文的主要工作包括： ( 1 ) 介绍发输电系统可靠性评估的基本原理以及可靠性评估所涉及的主要计 算，包括最优潮流计算和可靠性指标的计算。 ( 2 ) 在综述电力系统复杂网络研究现状的基础上，利用电力网络的静态拓扑 特性参数和潮流分布，提出网络均衡度指标以衡量电力系统的均衡度。网络均衡度 受负荷的位置、发电机的位置、线路潮流容量极限的分布等因素的影响，合理的规 划可以引导系统向更“均衡 的方向发展。 ( 3 ) 利用v c + + 6 0 设计网络均衡度指标的计算程序和发输电系统风险评估程 序。 ( 4 ) 通过改进的i e e e 2 4 和i e e e 1 1 8 母线测试系统及o p a 模型验证指标的意义， 研究网络均衡发展对系统可靠性的影响。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章规划方案的可靠性评估 2 1 规划方案评估方法 电源规划方案的评估主要包括经济性、可靠性和灵活性等多方面内容1 46 。经济 性充分体现在投资决策中。灵活性主要反映了规划方案对于各种不确定因素的适应 度。可靠性研究在系统工程中具有很重要的地位，它是决定系统性能好坏的标准之 一【4 7 1 。电源规划的可靠性计算分析是对发电容量是否满足负荷需求进行判断，为规 划方案提供重要的参考数据。 电源规划的流程如图2 1 所示。电源规划从流程上分为投资决策和方案评估两 部分：投资决策是对电源投建方案的初步优化，方案评估是根据典型运行方式和规 划数据等进一步分析投资决策所得方案的各项考核指标，以便确定最佳电源规划方 案。 图2 - 1 电源规划流程图 输入原始数据包括负荷数据、发电厂数据、地理数据和水库调度数据等。根据 输入数据采用优化算法进行电源投资决策，确定各发电厂历年的机组投产情况，然 后对投资决策结果进行随机生产模拟。电源规划中的生产模拟问题，是在投资条件 给定的前提下，对方案中的运行成本逐年进行详细优化计算的问题。通过随机生产 模拟，可获得方案中各机组的期望生产电能、生产费用及可靠性指标，为电源的决 策提供准确的反馈信息。规划中的可靠性约束在随机生产模拟中校验，并将结果反 馈到电源投资决策中1 4 引。 电源规划的基本目标是确定电源的增长以满足负荷增长的要求并保持可接受 7 华北电力大学硕士学位论文 的充裕性水平，通常规划过程中不考虑输电网，而主要考虑电源与负荷之间的平衡， 此时仅需要对发电系统进行可靠性评估。文献 4 7 1 采用解析法对电源规划中的可靠 性进行分析，建立相应的发电容量模型和负荷模型，在考虑检修计划时，利用减机 组算法修改容量模型。并考虑系统相互支援以及联络线容量，建立等效支援系统模 型。利用并联算法将容量模型、负荷模型、等效支援系统模型合并，形成综合模型。 但是该文假定电力系统除发电设备的其他部分，如输电、配电网络等，可完全满足 将全部发电出力传输和分配到预定的地点，而不致出现输电“瓶颈 、过负荷和电 压偏移等问题。这种假设将带来较大计算误差。 在电源规划的可靠性分析中引入输电网的约束，对发输电系统进行可靠性评 估，随着输电网的引入，某个电源对系统风险的影响不仅取决于其容量的大小，而 且与其在系统中的位置有关。 2 2 发输电系统可靠性评估 电力系统可靠性评估作为评估规划方案的重要辅助手段，可以分为充裕性和安 全性评估两部分。充裕性是指系统设施是否能充分满足用户的负荷需求和系统运行 的约束条件，其只涉及到系统的稳态条件，而不要求动态和暂态分析；安全性是指 电力系统经受住突然扰动并且不问断地向用户供电的能力，因而要对系统中出现的 扰动及其后果进行评价。在电力系统规划阶段对规划方案通常进行的是充裕性评 估，发输电系统充裕性评估由三个部分组成：系统状态选取、系统状态分析、系统 可靠性指标的计算。发输电系统可靠性评估流程如图2 2 所示。 8 华北电力大学硕士学位论文 图2 2 发输电系统可靠性评估流程 2 2 1 发输电系统可靠性评估的系统状态选取 系统状态一般分为四种【4 9 】： ( 1 ) 正常状态； ( 2 ) 明显不会产生负荷削减的紧急状态； ( 3 ) 通过调节机组开停可避免负荷削减的紧急状态； ( 4 ) 通过调节机组开停无法避免负荷削减的紧急状态。 正常状态不会产生负荷削减；紧急状态，可能需要削减负荷。对于一个实际的 系统可能得到的紧急状态一般属于情形( 2 ) ，这时可以通过简单的潮流分析加以 判断，如果属于情形( 2 ) ，那么这一状态就不会对最后充裕度指标的形成产生任 何影响。如果判断出该状态不属于情形( 2 ) ，可求解负荷削减模型，如果得到的 解为零时，表明该状态可通过调节机组开停避免负荷削减，该状态属于情形( 3 ) ， 当求得的解不为零时，说明该状态下必须进行负荷削减，属于情形( 4 ) ，也只有 情形( 4 ) 才对系统可靠性指标的形成有影响。 大电力系统可靠性指标可用下式表示： e ( f ) ；罗， 垆o ) p o ) ( 2 - 1 ) 9 华北电力大学硕士学位论文 式中，x 为系统状态；f “) 是可靠性指标的测试函数；p ( x ) 为系统状态x 出现的概 率；e ( f ) 为随机函数f o ) 的概率期望值，当f o ) 取不同的测试函数时，e ( f ) 就代 表不同的可靠性指标；i r o ) 是以x 为自变量的二值函数，如果z 是故障状态，则，o ) 取1 ，反之取0 ；q 为系统状态空间，是x 可能出现的所有情况的集合。 对于一个包含m 个元件的系统来说，假设每个元件只有运行和故障两种状态， 则q 中包含的系统状态总数为( c + + + c ：) 。因此随着系统元件数目m 的增大， q 中的系统状态总数将呈爆炸性增长；并且为了求得函数，o ) 和f “) 的值，往往 需要进行潮流计算、最优负荷削减等分析计算，这将使得可靠性评估变成n p ( n o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a l ) 难题，是组合数学范畴内目前尚无太大进展的研究 课题。因此在实际的可靠性评估中，常采用某种方法来抽取系统状态，抽取的系统 状态组成系统状态空间q 7 ，当抽取的次数足够大时q 可看成q 的近似估计。为了 保证评估的精度和计算效率，q 中必须尽量保留原系统状态空间中出现概率较大的 故障系统状态，并尽量去除正常系统状态。系统状态抽取方法不同，最后得到的q 也就不同，因此系统状态抽取方法将直接影响可靠性评估的计算效率和计算精度。 解析法和蒙特卡罗模拟方法是发输电系统可靠性评估的两种常用方法。在解析 法中，系统状态的选择是通过状态枚举法实现的；而蒙特卡罗模拟方法按照原理的 不同可以分为三种：状态抽样( 非时序蒙特卡罗仿真) 、状态转移抽样、状态持续 时间抽样法( 序贯蒙特卡罗仿真) 。 2 2 1 1 状态枚举法 系统状态x 中出现多个元件同时故障的概率p “) 往往很小，其对整个可靠性指 标的贡献量f “) 通常也很小，因此状态枚举法对多个元件同时故障的高阶故障事件 可以忽略不计。 状态枚举法的可靠性指标统一计算公式为： e ( f ) 一罗i to 妒 ) p o ) ( 2 - 2 ) 名墨 式中，豆( ，) 是e 俾) 的近似估计值，q 为枚举的所有系统状态的集合，q 中的系统 状态具有唯一性，不存在两个重复的状态。假设允许枚举的元件最高故障阶数为 ，( 忉) ，则，究竟取何值将取决于评估的系统的规模及其概率特性，这也是一个有 待深入研究的课题。如果厂的取值比较合理，则可以在保证较高精度的前提下大大 缩短可靠性评估的时间。 状态枚举法的主要优点是：物理概念清晰，模型的精度高，适合于网络规模小 而网络结构较强的系统。但状态枚举法在模型中很难计及系统的各种控制策略、节 点负荷的相关性以及气候变化等复杂因素，并且为了缩短计算时间，往往只能采用 年峰荷模型，计算所得风险指标为年度化指标。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 2 蒙特卡罗模拟法 蒙特卡罗模拟是一种统计试验方法，其统计的抽样次数与系统规模无关，容易 处理各种实际运行控制策略和各种随机分布，其在进行大型复杂电力系统可靠性评 估时具有优越性。第一，在一定的精度要求下，蒙特卡罗方法的抽样次数与系统的 规模无关，因此特别适用于大型电力系统的评估计算；第二，采用蒙特卡罗方法， 不但能够获得概率性指标，而且能够得到频率性和持续时间指标，得到的可靠性信 息更加丰富、实用；第三，基于蒙特卡罗法的程序数学模型相对简单，而且容易模 拟负荷变化等随机因素和系统的校正控制措施，因此计算结果更加符合工程实际。 其主要不足在于计算时间与计算精度紧密相关，即为获得较高的计算精度，需要较 长的计算时间。电力系统规模日趋扩大，元件众多、控制策略复杂，因此蒙特卡罗 法在可靠性评估中获得了日益广泛的应用。 ( 1 ) 状态抽样法 一个系统的状态取决于所有元件状态的组合，而每个元件的状态可通过抽样元 件在该状态中出现的概率来决定。假设每一元件有正常和故障两种状态，且元件故 障彼此独立。令s ；表示第f 个元件所处状态，阡。表示它的故障率。产生一个 0 ，1 间均匀分布的随机数u ；，则有： s = o ，( 正! 状拿，职 ，系统的 信息量j ( x ) 可以通过得到信息前后熵的差值得到，设系统原来的熵为h 。( x ) ，得到 信息后的熵为日。( x ) ，则有： ，仁) ；h 。) - h 。僻)( 3 6 ) 文献【6 2 】用无标度网络的度分布的熵来度量网络的容错能力，将度分布的熵表 达为网络的度分布的幂指数a ，网络中节点的最小度m 和网络规模的函数，指出 网络的异质性是无标度网络区别于其他网络的一个重要而简单的特性，并与网络对 随机故障的鲁棒性具有直接关系，网络的异质性越强，该网络的容错能力越强。因 为无标度网络的度分布遵循幂律分布，其形式为：p ( k ) c k ，( k ；m ，朋+ 1 ，k ) ， 其中m 代表网络中节点的最小度，k 代表网络中节点的最大度。因此，网络的度分 布的熵定义如下： h 一一( 3 ) , p ( k ) l o g p ( k ) 7 石= l 其中代表网络的规模，p ) 服从分布：p ) 一政。在复杂网络理论中，度分布 的熵提供了网络异质程度的平均度量。度分布的熵值变化范围包括两种极值情况， 即最大值和最小值。当p ) 2 丙气( v 七i 1 ，2 ，n 一1 ) ，最大值为日眦= l o g ( n 一1 ) ； 最小值为日i l 血= 0 ，当p ( k ) = 0 ，工，0 】。 文献 6 3 】同样利用熵的概念对复杂网络的非同质性进行了分析。该文指出网络 中节点的连接度从某种意义上决定了节点在网络中的重要程度，从而给出了节点重 要度的定义如下： i f 一毛罗毛 ( 3 - 8 ) 衙 其中为网络中的节点数目，k ；为第f 个节点的连接度。由于熵是“无序 的度量。 2 2 华北电力大学硕士学位论文 如果网络是随机连接的，各个节点的重要度大致相当，那么我们认为网络是无序的。 反之，如果网络是非标度的，节点的重要度存在差异则认为网络是有序的。则利用 以上原理对网络的结构熵作如下定义： 一一罗，fl n ，f ( 3 - 9 ) 衙 由公式( 3 - 9 ) 可以计算网络的均匀程度，不难证明，当网络完全均匀，即i 。= 吉时， e 取最大值e 吣j 一荟专i n 万1 = 1 n 。 文献 6 4 1 基于网络均衡和网络稳定的思想，采用了熵原理对系统稳定的意义和 网络整体均衡性进行评价，并给出了相应的评价计算模型。其中对网络均衡性的分 析是建立在结构均衡和资源分配均衡上的，结构均衡是通过同层节点拓扑重要度差 异大小来体现的，差异大则结构均衡性差；资源分配均衡是通过网络节点功能重要 度反映出来的，并认为功能重要度实质上是节点拓扑结构重要度的“加权”。通过 节点结构和功能重要度计算出的网络系统均衡熵值越大，则说明网络越“均衡”， 系统相对越稳定。相关计算公式及定义如下： ( 1 ) 节点结构重要度： 网络节点的结构重要度g 。( f ，_ ) = c k a ，j ) c ( i ，) ，其中c ( i ，_ ) 为节点对o ，j ) 之间所 有最短路径的总数，在这些路径中通过中间节点k 的路径数为c k o ，_ ) 。 ( 2 ) 节点功能重要度： 肛材被称为节点v 。与节点v ，之间的连接强度。如果节点v 。与v ，2 _ n 存在一个连接 强度大于0 的边的序列把v ；和1 ，连接在一起则称该序列是从吩到1 ，的一条最短路 径，记为巧。针对供水、供电、供气系统的资源共给，利用管网中的流压大小表示 网络连接边的连接强度盯，定义= m i n z 麒，为最短路径，的连接强度，则关键路 线上各节点的功能重要度均取为q = m 。 ( ) 节点综合重要度：axei73 根据节点功能重要度与结构重要度的定义，定义节点的综合重要度h = g q 。 根据节点综合重要度与熵的定义，网络节点间重要性均衡度判断式为： e = 一罗日fl n h i ( 3 - 1 0 ) 舒 n 为节点的数目。根据熵的意义，如果网络节点的重要性均衡度熵值越大，说明网 络的分配是越均衡的，网络的均衡意味着风险的分摊。 2 3 重要性定义 节点重要性 更 通 二是功 被电源和负 ( 3 - 1 1 ) ( 即网 已经处在重负荷状态下运行。如果考虑连锁故障的传播，输电线路过负荷或故障跳 闸，将引起大量负荷转移，一旦重负荷线路无法承担新增负荷转移，这将引发连锁 性的过负荷，并最终导致大面积停电事故。功能重要度的计算公式如下： q i p j 矿缸( 3 1 2 ) 其中n 为第f 条边上传输的有功功率，p 严为第f 条边的传输容量极限。 边的综合重要度为： 。g ；吼( 3 - 1 3 ) 2 4 华北电力大学硕十学位论文 其中，白为边的结构重要度，吼为边的功能重要度 基于熵原理的网络均衡度指标的计算公式如下： e 一一仙 ( 3 1 4 ) 筒 熵的意义是：熵越大，判别对象越无序，系统越均衡。根据这一思想，如果网络均 衡度熵值e 越大，说明网络的负荷分配是越均衡的。 3 4 均衡度指标计算的程序设计与实现 根据上述定义，利用v c + + 6 0 实现网络均衡度指标的计算，该程序主要包括根 据最短路径计算边的介数及最优潮流计算两部分内容。流程图如图3 - 1 所示： 厂司 建立电网等效拓扑图 计算从发电节点到其他 节点的最短路径 k 远芝! ! 嗲 陌兰鬲 利用最优潮流求得 各边上的潮流 计算结构蕈要度i 计算功能重要度 网络均衡性指标 图3 - 1 网络均衡性指标计算流程 3 4 1 边的结构重要度计算 求取边的介数首先需要得到所有电源点到负荷节点的最短路径。按照2 3 节的 定义，加权网络中的最短路径是指从节点i 到节点_ 间的所有连通的路径中，权重之 和最小的一条或几条路径，本文取线路的电抗为边的权重。 根据数据结构的相关知识，利用建立好的电力网络拓扑模型生成电力网络的无 向有权图，并利用图的邻接表存储图的信息。邻接表是图的一种有效的存储表示方 2 5 华北电力大学硕士学位论文 法。在邻接表中，为图的每个顶点u 建立一个单链表，链表中每个节点代表一条边 ，称为边结点。这样，顶点u 的单链表记录了邻接自u 的全部顶点。无向有权 图的邻接表如下图所示： c a ) 无向