（电力系统及其自动化专业论文）电力市场环境下的旋转备用方案风险分析和决策.pdf

a b s t r a c t s p i n n i n g r e s e r v ei so n eo ft h ei m p o r t a n ta n c i l l a r ys e r v i c e sa n di tc a l li m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m h o w e v e r , i ts h o u l db ep u r c h a s e da s o n ek i n do fr e s o u r c e t h e r e f o r e ，t h el a y o u to fs p i n n i n gr e s e r v es c h e m ei nt h ee n v i r o n m e n to fe l e c t r i c i t ym a r k e t s h o u l dp a ya t t e n t i o nt ob o t ht h er e l i a b i l i t ya n dt h ee c o n o m yi np o w e rs y s t e mo p e r a t i o n i nt h e p a p e r , t h el a y o u t o fs p i n n i n gr e s e r v es c h e m ei s e s s e n t i a l l yr e g a r d e d a sar i s ka n d m u l t i o b j e c t i v ed e c i s i o n - m a k i n gp r o b l e m a n dt h ep r o b l e mi sd i v i d e di n t om u l t i - o b j e c t i v e d e c i s i o n - m a k i n gp r o b l e mw i t hi n f i n i t e a l t e r n a t i v ea n dm u l t i - o b je c t i v e d e c i s i o n - m a k i n g p r o b l e mw i t hf i n i t ea l t e r n a t i v ea c c o r d i n gt ot h en u m b e ro fs c h e m e sw h i c hm a yb es e l e c t e d ； t h e r e b yi tc a nb es o l v e db yu s i n gt h et h e o r yo fr i s ka n a l y s i sa n dd e c i s i o n t h er e l i a b i l i t ya n d t h ee c o n o m yi np o w e rs y s t e mo p e r a t i o nc a n n o tb ec o m p a r e di no n eu n i f o r mt i m ef r a m e w o r k b e c a u s eo ft h e d i f f e r e n tt i m ed o m a i n sb e t w e e nt h et r a d i t i o n a lr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nu s e df o r d e v e l o p m e n tp l a n n i n ga n dt h eb i d d i n gi ne l e c t r i c i t ym a r k e t f i r s t l y ，t h er e p a i r a b l ef a i l u r e m o d e la n da g i n gf a i l u r em o d e la r ed e r i v e df r o mt h eu n i f o r md e f i n i t i o no fu n a v a i l a b i l i t y t h e m o d e lo fc o m p o n e n t sf o r c e do u t a g ei se s t a b l i s h e db yu s i n gt h em u l t i p l ec o m p e t i n gf a i l u r e r u l e s a n dt h ef o r m u l a sf o re v a l u a t i n gt h er e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e mi nd i f f e r e n tp e r i o d sa r e i n v e s t i g a t e d s e c o n d l y ，t h em u l t i o b j e c t i v ed e c i s i o n - m a k i n gm o d e lw i t hi n f i n i t ea l t e r n a t i v e u s e df o rt h eb e s ts c h e m eo fs p i n n i n gr e s e r v ei s e s t a b l i s h e d ，w h i c hc o n s i d e r sb o t ht h e r e l i a b i l i t ya n dt h ee c o n o m yi nt h ee n v i r o n m e n to fe l e c t r i c i t ym a r k e t a n dt h em u l t i - o b j e c t i v e a n d l a y e r e dd e c i s i o n - m a k i n g i s u s e dt os o l v et h i sm o d e l t h em u l t i - o b j e c t i v e d e c i s i o n m a k i n gm o d e lw i t hf i n i t ea l t e r n a t i v eu s e df o rt h eb e s ts c h e m eo fs p i n n i n gr e s e r v ei s s o l v e db yu s i n gt h eu t i l i t ye x p e c t a t i o nd e c i s i o n - m a k i n gm o d e lo fs p i n n i n gr e s e r v e sg a i no r l o s s i nt h ee n d ，t h es p i n n i n gr e s e r v e sv a l u ef o ra l lt h em a r k e ts i d e sh a v i n gr i s ke l e m e n t si s a l s oe v a l u a t e db yu s i n gt h ee x p e c t a t i o no fs p i n n i n gr e s e r v e sg a i no rl o s s ，a n dt h es p i n n i n g r e s e r v e se x p e n s e sa r ea p p o r t i o n e di np r o p o r t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o na n d a s t r i n g e n c yo ft h ea l g o r i t h m ，t h em e t h o d su s e df o ri m p r o v i n gt h ec o m p u t i n ge f f i c i e n c yo f m o n t ec a r l os i m u l a t i o na r ed i s c u s s e d t h et h e o r i e sa n dm e t h o d sm e n t i o n e di nt h ep a p e rh a v e e f f e c t0 ne n c o u r a g i n ga l lp a r t n e r si np o w e rm a r k e tt or a i s et h e i rr e l i a b i l i t ys ot h a tt h e r e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e mo p e r a t i o nc a nb ee n h a n c e dt h r o u g he c o n o m i cm e t h o d s k e yw o r d s ：s p i n n i n gr e s e r v e ，e l e c t r i c i t ym a r k e t ，u n a v a i l a b i l i t y ，r i s ka n a l y s i sa n d d e c i s i o n ，m u l t i - o b j e c t i v ed e c i s i o n m a k i n g ，l a y e r e dd e c i s i o n m a k i n g ，s p i n n i n gr e s e r v e s g a i no rl o s s ，e x p e n s e sa p p o r t i o n ，m o n t ec a r l o 图2 1 图2 2 图3 i 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图4 1 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图6 i 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 图6 9 图6 1 0 图6 1l 图6 1 2 图6 1 3 图6 1 4 插图清单 提供备用的机会成本。15 多目标决策问题分类1 6 典型的失效率函数一。2 0 可修复元件的运行和停运循环过程2 l 两状态元件的状态转移图。2 2 老化失效概念。2 3 老化失效瞬时不可用度随后续时间的变化。2 7 老化失效平均不可用度随后续时间的变化2 7 老化失效瞬时不可用度随服役年龄的变化。2 8 老化失效平均不可用度随服役年龄的变化2 8 系统可靠性评估分类。3 0 瞬时可靠性评估中各种时间之间的关系3 1 短期可靠性评估中各种时间之间的关系3 l 机组的瞬时不可用度4 0 决策树51 风险态度和效用曲线5 2 旋转备用损益的概率分布。5 4 不同单位停电损失下的旋转备用损益概率分布。5 5 m o n t ec a r l o 方法计算旋转备用损益期望值6 l 七分段正态分布图形6 4 网络拓扑分析6 5 匕首抽样示意图。7 0 利用匕首抽样的仿真过程。7 0 重要抽样方法计算旋转备用损益期望值的过程。7 4 条件期望值抽样计算旋转备用损益期望值的过程7 5 四种抽样方法的效率比较7 7 重要抽样法中t 对相对误差的影响7 8 几种典型组合抽样方法的比较7 8 旋转备用损益期望值随旋转备用容量的变化7 9 三种旋转备用方案下的旋转备用损益期望值7 9 旋转备用对各市场参与方的价值比较8 0 各市场参与方分摊旋转备用费用的比例8 0 表格清单 表2 1两种多目标决策方法的比较1 7 表3 1 两种方法所得结果的比较2 6 表3 2 两种方法所得结果极限值的比较2 6 表3 3 三种状态选择方法的比较3 0 表3 4 不同类型可靠性评估所采用的元件不可用度和负荷模型3 0 表4 14 机组系统参数4 0 表4 24 机组系统中两种方法计算结果的比较4 0 表4 31 0 机组系统参数4 2 表4 41 0 机组系统中两种方法计算结果的比较4 2 表4 5 分层决策算法计算时间4 3 表5 1电能出清结果和旋转备用方案5 4 表5 2 旋转备用损益的数字特征。5 5 表5 3两种决策方法的比较5 6 表5 4 不同程度风险态度下的决策结果。5 6 表5 5 不可用度的选择对决策结果的影响。5 7 表6 1 负荷的概率分布。6 4 表6 2 发电机数据和旋转备用方案。7 6 表6 3 支路数据7 6 表6 4 负荷数据7 7 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及取得的研究成果。据 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 金胆王些太堂 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谢 意。 学位论文作者签名：多苛砖导签字日期：工一7 年彳月，牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金世王 些太堂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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：卉乾率 签字日期：0 神年月l 牛日 学位论文作者毕业去向： 工作单位； 通讯地址： 导师 签字日期：二衫年么月，仁日 电话： 邮编： 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师丁明教授致谢! 在四年的博士学习生活中， 丁明教授授予我丰富的知识；在研究方向和方法上给予我耐心的指导：在生活方 面给予我无微不至的关怀。丁明教授以他渊博的知识、敏锐的洞察力引导我进入 一个充满挑战的领域，并给予我许多参加学术会议、进行学术交流的机会，在此 再一次向丁老师表示我崇高的敬意和由衷的感谢! 导师严谨求实、为人谦和、乐 观向上、顾全大局、雷厉风行的作风深深感染了我，必将激励着我在今后的人生 道路上勇往直前。 在课程学习和课题研究中，得到电气与自动化工程学院张崇巍教授、张兴教 授、苏建徽教授、徐科军教授、方敏教授、王建平教授、杜少武教授、肖本贤教 授等的关心和指导，在此，特向他们表示衷心的感谢。 电气工程系的李红梅书记、吴黎丽副主任在工作生活中给予了许多帮助。电 力系统及其自动化教研室的孙鸣教授、李生虎教授、吴红斌副教授在专业知识上 给我答疑解惑。与众多老师的学术讨论使我受益匪浅，开阔了研究思路，促进了 整个论文研究工作的顺利完成，他们是张晶晶、汪兴强、王敏、毕锐、李小燕、 韩平平、王磊、张毅、朱代祥、肖立等。在此，一并向他们致谢。 感谢国家基础重点研究发展计划项目( 9 7 3 项目) “提高大型互联电网运行 可靠性的基础研究”的资助，感谢第五、第八课题组的专家给予的指点和帮助。 最后，感谢我读硕士研究生时的导师温阳东教授、感谢我的父母和家人多年 来所给予的关心和支持。 第1 章引言 第1 章引言 1 1 论文研究的背景和意义 电力系统的根本任务是尽可能经济而可靠地向用户供电，因此无论是在传统的电力体制 下还是在电力市场机制下，电力系统的规划设计及其运行的可靠性和经济性一直是人们普遍 关心的问题，更是一对需要永恒协调的矛盾体。 在传统电力工业自上而下的垂直型管理模式下，电力主管部门制定相应的可靠性标准， 电力企业严格执行可靠性标准并承担保障电力系统可靠性的义务，电力系统可靠性是通过行 政命令来确保的。然而，由于电力工业的长期垄断运营，缺乏竞争压力，经营管理因循守旧， 电力企业逐渐失去了原有的活力，电力系统运行的经济性更无从谈起。 在电力系统各环节引入竞争、增加活力已成为世界各国电力工业发展的必然趋势，最大 限度的用竞争代替规章制度和行政命令已被许多国家所接受。自1 9 8 6 年智利推行电力市场改 革以来，许多国家，包括经济发达国家、中等发达国家和第三世界国家群起效仿，本着公平、 公开、公正的原则建立电力市场，进行电力的自由贸易。但是电力工业改革能否成功有赖于 能否维持要求的可靠性水平。可靠性问题处理不好会直接给电力系统和市场带来冲击，如预 想不到的停电事故和巨大的电价波动风险等，甚至会对整个社会的稳定造成影响，最明显的 例子莫过于美国加州电力市场的失败【1 捌。在电力市场环境下，为避免因片面追求经济利益而 带来的系统不稳定，迫切需要保持系统的可靠性。 综上所述，在电力市场环境下如何协调电力系统运行的可靠性和经济性成为亟待解决的 问题，是当前研究的热点之一。 辅助服务作为保证电力系统安全、可靠运行的重要措施，已引起越来越多的关注。目前， 国际上对辅助服务的分类方法较多而没有达成共识【3 1 ，但总的来说辅助服务主要包括：频率 控制、旋转备用、非旋转备用、无功备用和电压控制、能量不平衡的消除、有功网损补偿、 事故后的恢复、系统安全控制和发电再计划( 校正计划) ；对于互联电力系统，辅助服务还应 包括：大面积停电启动、损耗补偿、动态调度、备用支持和负荷跟踪。无论采用何种分类方 式，备用服务都是辅助服务的重要内容，在保障电力系统的安全可靠性、提高系统运行质量 等方面具有举足轻重的作用。在传统的垂直管制机制下，电厂提供备用是无偿的，因此发电 企业并没有参与备用辅助服务的积极性。在电力市场环境下，发电公司是否愿意提供备用服 务越来越取决于自身的经营目标、机组的技术特性以及市场的激励机制【扪。因此，市场条件 下，如何有效的运用经济机制来确定和分配备用容量，特别是旋转备用容量，从而确保电力 系统可靠性有着重要意义。 1 2 国内外研究现状综述 本文主要研究电力市场环境下的旋转备用方案风险分析和决策问题，将涉及到电力系统 2 合肥工业大学博士学位论文 可靠性评估、备用定价和最优旋转备用容量的确定与分配等问题，以下分别介绍在这些领域 中国内外的研究现状。 1 2 1电力系统可靠性评估 电力系统可靠性评估是从电力系统的规划设计和运行等实践活动中产生的一项具有重大 社会意义和巨大经济价值的前沿性基础研究课题。电力系统可靠性评估的方法可以分为确定 性方法和概率方法。确定性方法( 如常用的n 1 准则) 只能对系统在特定状态下的性能作定 性的判别，而不能对系统可靠性进行定量的度量，因而概率方法作为主要的辅助分析手段将 发挥重要的作用。2 0 世纪3 0 年代，w j l y m a n 和s m d e a n 等人将概率统计方法运用于设 备维修和备用容量的确定等问题 9 a o 。但由于缺乏必要的统计数据和有效的计算方法以及人 们对可靠性问题的认识不足等原因，电力系统可靠性研究在相当长时间内发展缓慢。直到2 0 世纪6 0 年代，随着电力系统不断向远距离、高电压、大容量方向发展，系统的安全可靠性问 题越来越突出，特别是当时发生的几次大规模停电事故，引起了人们对电力系统可靠性研究 的高度重视，在电力系统可靠性建模、指标和计算方法等方面取得了重大进展 h a 2 。电力系 统可靠性评估分为以下几个层次：发电系统可靠性评估、输电系统可靠性评估、配电系统可 靠性评估、发输电组合系统可靠性评估、电气主接线系统可靠性评估和继电保护系统可靠性 评估等。其中，发电系统和电气主接线系统的可靠性评估技术较为成熟；输电系统和配电系 统的可靠性评估已取得了部分研究成果：发输电组合系统可靠性评估仍然面临许多困难，至 今尚无公认而令人满意的工程应用；继电保护系统可靠性评估则刚刚起步，成为近年来研究 的热点。 目前，按评估周期和应用目的的不同，电力系统可靠性评估可以分为系统发展规划可靠 性评估和系统运行规划可靠性评估。 ( 1 ) 系统发展规划可靠性评估 系统发展规划可靠性评估基于可靠性数据的长期统计平均值与平稳状态概率，评估系统 在固定运行方式下长期运行的平均可靠性水平【”】。其评估周期一般为几年甚至十年以上，评 估结果主要应用于电力系统的规划设计。目前对系统发展规划可靠性评估的研究时间较长， 也较为深入。当前该领域的研究热点主要集中在以下几个方面。 潮流计算 通常，在电力系统可靠性分析中需要进行成千上万次的潮流计算，因此潮流计算是电力 系统可靠性计算的基础，潮流计算的速度和收敛性会影响电力系统可靠性评估的工程应用。 潮流计算不收敛有两种可能性：潮流病态和潮流无解，文献【1 4 】分别从这两个方面进行 了综述，提出了完善潮流计算不收敛问题的建议。文献【1 5 介绍了求解简单系统可行域与不 可行域之间边界的算法。文献【1 6 】采用变雅可比牛顿法解决含有小阻抗支路系统的潮流收敛 性问题。文献 1 7 】提出基于节点不平衡功率的病态潮流算法，将节点不平衡量作为目标函数， 同普通的潮流计算相比较，计算量增加不大。可以预先给出重负荷节点，以此作为不平衡节 第1 章引言 点以减小计算量。然而在解方程式时仍采用高斯迭代方法，因而不能完全摆脱潮流初值的影 响。文献【1 8 】提出衡量方程式无解程度的尺度d 参数空间中期望得到的运行点s ( 位于不 可行解域) 和距离其最近的点s m ( 位于可行解域) 之间的欧几里德长度。文献【1 9 】在极坐标 系下利用最优乘子牛顿潮流的迭代算法求解s m 。在对收敛性调整结果的比较和分析上，文献 【1 8 】和 2 0 1 提出采用有功和无功负荷的切除百分比来表示调整量。 电力系统最优潮流( o p t i m a lp o w e rf l o w ，简称o p f ) 是法国学者c a r p e n t i e r 在2 0 世纪 6 0 年代提出的。o p f 要求在满足特定的电力系统运行和安全约束条件下，通过调整系统中可 利用的控制手段实现预定目标最优的系统稳定运行状态。最优潮流可以分为不考虑随机因素 的最优潮流和考虑随机因素的最优潮流。前者是以已知并确定的网络参数和负荷为前提的， 许多学者对该类问题提出了不同的模型和算法【2 1 2 2 1 。后者则考虑到电力系统的运行会受到各 种随机因素的影响，如负荷功率难以精确预知、设备发生故障的可能性、元件参数的变化等。 考虑随机因素的最优潮流又可以分为概率最优潮流和随机最优潮流口3 1 。概率最优潮流【2 纯6 1 的主要目标是根据负荷等因素的概率分布获得状态变量的概率分布函数，随机因素一般不影 响最优潮流的计算结果；随机最优潮流1 2 7 - 3 2 l 在建立模型和优化计算过程中考虑随机因素的影 响，随机因素影响计算过程和最终结果。 在电力市场中，由于电源、网络、用户三者经济利益独立核算，为了增加输电的透明度 及计算电价的公平合理，需要了解各个电源的出力是怎样通过输电网络的哪几条线路按多少 的功率配额运送到各用户的，这就产生了所谓的潮流跟踪问题【3 3 1 。文献 3 4 1 根据不同的分摊 原则，将近年来提出的潮流跟踪算法分成：功率跟踪法 3 5 州】、电流跟踪法h 5 4 6 1 和功率解析法 1 4 7 - 5 4 ，指出了现存算法中值得借鉴的地方和不足之处。 此外，配电网潮流计算方法主要有两类：利用大电网潮流计算方法计算配电网潮流和针 对配电网的特点研制的算法。前者有p q 分解法、牛顿拉夫逊法或相应的改进算法【5 5 】等。后 者则利用配电网是树状无环网的特点研制出各种算法 5 6 - 6 2 1 。 发电有功校正策略 电力系统可靠性评估中，系统状态确定后可以用潮流计算来检验网络是否能维持安全运 行。如果系统不违反运行约束( 如功率缺额、线路过载和电压越限等) ，则认为系统可以在此 状态下继续运行：但如果系统违反运行约束，就需要对系统运行方式进行调整，若仍不满足 运行要求则削减负荷，这个过程被称为发电再调度。目前，在电力系统可靠性评估中主要考 虑有功功率的平衡和再调度，即发电有功校正问题。有功校正算法分为优化规划类算法 6 3 - 7 3 1 和灵敏度类算法 7 4 - 7 6 】。 优化规划类算法首先列出一个规划模型，包括优化目标和各种安全约束条件，然后用数 学的方法求解该模型。优点是约束条件考虑全面，调整策略的安全性和经济性好：缺点是调 整的设备可能太多，在电网调度实践中不太实用，且可能有计算收敛性问题【7 5 】。文献 6 3 6 7 】 针对不同的目标函数、约束条件和算法进行了探讨。文献 6 8 7 1 1 讨论了电力市场环境下的有 功校正问题。文献【7 2 】提出了失效事件流量、失效事件的送端和受端、受端削减域、负荷削 4 合肥工业大学博士学位论文 减域的度等概念，并在此基础上研究了求负荷削减域的算法。文献 7 3 】提出了大电网可靠性 评估中削减负荷的潮流跟踪模型，按负荷对发电机和线路利用系数的大小顺序削减负荷。基 于潮流跟踪削减负荷能建立故障元件与削减负荷节点间的映射关系，该模型的核心在于找出 所有元件中对削减负荷节点利用系数最大的元件。 灵敏度类算法无需迭代，没有收敛性问题，容易实现调整量最小或调整设备最少的目标， 便于操作实施【75 1 。文献【7 4 提出电力系统安全校正控制中新的安全约束条件：联络线族的有 功潮流的约束，并用分布因子法求解联络线族的有功安全校正控制。此算法与最优潮流相配 合，得到一个安全可行的优化潮流解。文献【7 5 】分析了灵敏度的物理意义，得出变换平衡机 时灵敏度的变换公式。为消除某支路的有功过载，在灵敏度计算的基础上，由正灵敏度的机 组和负灵敏度的机组的反向等量调整来得到一个系统有功功率始终平衡的控制策略，该策略 能保证调整量最小。文献【7 6 】提出利用元件敏感度分析对系统元件进行排序，从而获得关键 元件信息，进而进行电力系统可靠性指标的组合计算。 可靠性评估中m o n t ec a r l o 方法的研究 文献 7 7 8 3 探讨了电力系统可靠性评估中减少蒙特卡洛抽样方差及提高抽样效率的方 法，主要有分层抽样法 7 9 , 8 2 1 ，重要抽样法 7 9 , 8 0 8 2 8 6 j 、控制变量法 7 7 , 7 9 , 8 2 , 8 3 】、对偶变数法 7 8 , 7 9 和分裂与轮盘赌法【8 。 此外，一些文献对蒙特卡洛方法进行了改进。文献【8 4 】研究了蒙特卡洛法的模拟计算误 差与随机数序列周期的关系，提出了蒙特卡洛法全周期抽样的新概念。从理论上证明了全周 期抽样的收敛解是唯一的，与随机数种子、系统规模无关。全周期抽样蒙特卡洛法的误差值 随着随机数序列周期数的增大而减小。对不同规模的系统，选取周期数合适的随机数序列， 全周期抽样所得到的计算结果就可以达到一定的精度，而不必采用周期数很大的随机数序， 从而提高了蒙特卡洛法的模拟效率。文献 8 5 ，8 7 对蒙特卡洛方法的收敛特性及计算精度和样 本容量的概率不确定性关系进行了深入研究。基于核密度估计技术，实现了可靠性指标的概 率密度估计，克服了传统期望值指标仅从概率平均意义角度测度系统可靠性的缺点，探索了 从可靠性指标内在分布规律和结构特征出发深刻揭示电网风险特性的新思路。文献【8 8 】提出 利用马尔可夫蒙特卡洛方法( m a r k o vc h a i nm o n t ec a r l o ，简称m c m c ) 进行电力系统可靠 性评估的新方法。由于m c m c 方法考虑了系统各个状态间的相互影响，相比于随机抽样的 蒙特卡洛方法所得到的独立样本序列更能准确模拟电力系统实际运行情况。 并行计算的应用 电力系统可靠性评估需要反复进行潮流计算来确定系统是否处于故障状态，如果处于故 障状态还需进行有功功率校正计算，这将花费大量的计算时间。对于大规模的发输电组合系 统更是如此，此时传统的串行单处理技术将难以实现。随着计算机网络及通信技术迅速发展， 并行计算在工程中的应用日益成熟，这为并行处理技术在大电力系统可靠性评估中的应用提 供了契机。 目前，已有文献报道了并行计算在电力系统可靠性评估中的应用。文献【8 9 】基于n c u b e 第1 章引言 共享内存处理系统，采用枚举思想对一中型系统进行测试，并得到一定的加速比；文献【9 0 】 采用定间隔时序m o n t ec a r l o 法，对三种可能的并行拓扑方式的优缺点进行了比较；文献【9 l 】 在并行和分布式环境下采用时序m o n t ec a r l o 法，对不同的并行粒度分别测试可能达到的并 行效率。文献 9 2 1 提出了一种基于粗颗粒异步算法的并行处理的网络拓扑结构，介绍了实现 主从处理器以t c p i p 方式通信的方法。文献 9 3 1 构建了基于b e o w u l f 集群的并行计算环境， 分别采用状态采样法和系统状态转移采样法，对大电力系统可靠性评估的m o n t ec a r l o 并行 仿真进行了研究，两种m o n t ec a r l o 并行仿真方法均得到较高的加速比和并行效率。 模糊数学和神经网络的应用 模糊数学和神经网络为可靠性评估提供了新途径。文献 6 4 1 提出了基于人工神经网络 ( a n n ) 的发输电组合系统可靠性评估模型。该模型不需进行在线的故障状态潮流计算和负 荷削减计算，并且考虑了发电机出力、变压器和线路容量以及负荷等的变化。因此，大大提 高了计算效率且比通常的可靠性计算模型具有更强的实用性。文献 9 4 ，9 5 提出了对电力系统 模糊可靠性评估的新方法，该方法可同时分析随机和模糊两种不确定性事件对电力系统的影 响，弥补了常规可靠性评估技术只能单一计及随机事件影响的不足。文献【9 6 】构造了电力系 统静态有功、无功安全校正对策的模糊数学模型，在保证安全运行的同时，兼顾了系统运行 的经济性，并实现了有功和无功校正的完全解耦。文献 9 7 】提出基于神经网络的热量平衡法， 并将它运用于最小割集的搜索之中，利用它来判断一个图的连通性。对i e e e r t s 2 4 节点系 统进行了最小割集搜索的仿真研究，证明了热量平衡法在电网可靠性评估中运用的可行性。 文献 9 8 】利用r b f 神经网络的自适应算法对电力系统的状态进行分类，提出了基于r b f 神经 网络的电网可靠性评估算法，充分利用了r b f 神经网络的分类特性，提高了算法识别电网故 障状态的速度。文献 9 9 1 提出一种用于识别偶发事件的函数型连接神经网络( f l n n ) 分类模 型。根据潮流计算特点，构造了一种能够计及有功且能够计及电压和无功影响的简化潮流模 型来快速计算行为指标( p i ) ，形成f l n n 分类器输入模式集。将f l n n 分类模型和简化潮 流模型相结合，提出了一种基于偶发事件筛选的函数型连接神经网络( f l n n ) 可靠性评估 方法。该方法能在保证精度的前提下减少计算时间。文献 1 0 0 1 利用粗糙集的数据约简和特征 提取功能，提炼人工神经网络的输入变量、训练样本以及事件类与系统状态之间的概略化关 系，建立偶发事件模式识别的粗神经网络( rnn ) 模型，提出基于rnn 的发输电组合系 统可靠性评估算法，提高了电力系统可靠性评估的计算效率。 互联电力系统可靠性分析 最早由b i l l i n t o n 等人提出并完善了“裕度容量矩阵法”和“支援容量法” 1 0 h 。近年来， 大量数学方法被应用于互联系统的可靠性分析中，如累积累量法 1 0 2 】、z 变换法f 10 3 1 、偏移量 法【1 叫等。 文献 1 0 5 基于l o l p 法推导了互联系统可靠性指标与联络线故障率之间的函数关系式， 同时导出了为维持系统一定的可靠性水平所需系统备用容量的解析表达式。文献 1 0 6 介绍了 考虑负荷相关性时互联系统可靠性的基本分析方法，提出了一种通过构造一系列离散的负荷 6 合肥工业大学博士学位论文 等级，采用联合状态图来对系统可靠性进行评估的思路。文献 1 0 7 利用两变量g r a m c h a t t i e r 级数来近似表示负荷的相关性，但该方法在精确程度上有一定的缺陷。文献 1 0 8 对此做了改 进，提出了一种快速有效的可靠性网格算法，应用二维正态分布的加权来表示相关负荷的联 合概率密度，并导出了l o l p 指标的计算公式。文献 1 0 9 根据系统所能提供的支援容量是否 能够得到保证，将互联系统间的支援合同分为两大类，并就两类支援合同下互联系统的可靠 性评估方法进行了深入研究。a s g a r p o o r 等人提出了e p d e d 指标【1 1 们，该指标综合考虑了不 确定性因素，并将互联系统的可靠性与经济性结合在一起，这在互联系统的可靠性分析领域 是一个突破。为解决大规模互联系统可靠性评估中的计算困难，s i n g h 等人提出了先将系统 分解再进行分析的思路，并将这种分解系统的思路应用于多系统互联的可靠性分析当中 1 1 1 。 文献【l1 2 对此做了进一步的改进，提出了同步分解法，能够将机组计划停运、共有机组等因 素的影响也考虑进来。文献l1 3 提出的优先同步分解法进一步减少了在系统分解时所产生的 状态数，大大提高了计算效率。文献【l1 4 提出了一种思路，在对大规模系统进行分析之前， 先将相同类型的机组通过一定方法进行合并，之后再利用上述方法求解，不仅解决了这一问 题，而且还提高了计算精度。文献 1 1 5 】指出，通过电力系统随机生产模拟，可以充分考虑各 机组的电力及电量约束，求出各机组的实际出力用于互联系统的可靠性计算。 ( 2 ) 系统运行规划可靠性评估 与系统发展规划可靠性评估相比，系统运行规划可靠性评估的评估周期较短，其涉及短 期的运行行为和运行条件，这些在系统发展规划可靠性评估中通常不予考虑。目前，对系统 运行规划可靠性评估的研究才刚刚起步，我国9 7 3 计划就“提高大型互联电网运行可靠性的 基础研究”问题立项，并在“大型互联电网在线运行可靠性的基础理论研究”方面取得了一 些成果。 在运行可靠性定义方面，文献 11 6 将电力系统运行可靠性界定为计及运行行为和运行条 件下电力系统按可接受的质量和数量要求不间断地向电力用户提供电力和电量的能力的量度。 这里运行行为和运行条件包括以下内涵：模型中除传统的电力系统运行参量( 如电压、电 流、功率等) 外，还需计及机组爬坡速率、起停成功概率、启动持续时间、切负荷策略、系 统频率变化等因素；电力系统运行行为会影响元件的可靠性参数，如变压器故障率会因输 电功率而略有变化；外部环境会影响电力系统运行行为和元件可靠性参数( 如温度、湿度 和风速等) ，影响输电元件传输容量极限，影响元件可靠性参数等。文献 1 1 7 ，1 1 8 】认为系统可 靠性水平随系统运行状态和外部环境条件的变化而变化，元件的时变可靠性模型参数要能反 映系统运行条件和外部环境条件的变化。 在元件运行可靠性建模方面，文献 1 1 9 ，1 2 0 基于实时的元件停运概率，分析了其对电网 可靠性评估的影响。文献 1 2 1 探讨了环境温度和负载率对变压器老化故障率的影响。文献 【1 2 2 1 分析了导致元件停运的因素，提出了基于实时运行条件和外界环境的元件可靠性模型的 建模框架。文献 1 2 3 提出了架空线路时变停运模型的状态划分方案和相应的福克普朗克方 程，并讨论了方程中各个转移率的获取方法。文献 1 2 4 从统一的不可用度的定义出发，推导 第1 章引言 7 出老化失效瞬时不可用度、平均不可用度、稳态不可用度和极限平均不可用度的计算公式。 在运行可靠性评估理论和算法方面，文献 1 2 5 1 2 7 将可信性理论应用于电力系统运行风 险评估。文献1 1 2 8 提出了元件停运参数和负荷曲线的模糊概率模型来描述它们的随机性和模 糊性，并利用模糊集和m o n t ec a r l o 混合方法进行电力系统可靠性评估。文献 1 2 9 采用 m a r k o v 瞬时状态概率计算系统状态在未来预测时刻的发生概率。文献 1 3 0 ，1 3 1 提出系统状态 快速排序技术，用以快速选择出任意数量的在预测时刻概率较大的系统状态。文献 1 3 2 将系 统瞬时状态概率和系统状态快速排序技术运用到电力系统运行可靠性的在线短期评估中。文 献1 1 3 3 提出了一种计及元件运行状态时变性和自动装置调节作用的运行风险概率评估算法， 该算法将元件分成时变元件和非时变元件，在日发电计划基础上推导出各类元件的时间相关 停运概率，并在故障后果分析中考虑自动装置的调节作用。 在运行可靠性指标体系分类方面，文献【l1 6 ，1 3 4 从不同角度对运行可靠性指标进行分类。 文献 1 1 6 1 分别按指标构成、评估时间和统计评价对运行可靠性指标进行分类。文献 1 3 4 将可 靠性指标分为状态类指标、程度类指标、层次类指标和时限类指标。 此外，一些学者对继电保护装置的可靠性及其对电网可靠性的影响进行了研究。文献 1 3 5 】 根据继电保护装置的动作逻辑，利用m a r k o v 状态空间理论提出了计算继电保护系统正确切 除故障的概率模型。该模型计及了主保护和后备保护的作用，可以评估不同保护配置情况下 的可靠性，能够真实地体现保护系统正确切除故障的概率。文献 1 3 6 1 3 8 1 分别提出了变压器 比率差动保护、阶段式电流保护和距离保护的运行风险评估模型。文献 1 3 9 根据二次设备的 特点，采用自动装置和继电保护逻辑仿真法，提出一种基于事件树概念的在线运行风险评估 方法。 1 2 2 电力市场下的备用辅助服务 国际上对于辅助服务的定义尚无统一的定论。例如，北美电力可靠性委员会认为辅助服 务是实现电力系统中买卖双方之间电能交易所必需的系统服务；而英格兰威尔士电力市场则 将辅助服务定义为确保输电安全性和稳定性所必需的服务，它们有助于维持系统的电压和频 率，并在事故发生时能确保恢复供电。尽管如此，通常认为辅助服务是为了保证电力系统安 全、电力交易和电力供应，由发电商或其他提供方提供的除正常电能生产之外的额外服务【1 4 们。 不同电力市场所需要的辅助服务种类和数量是不一样的，甚至在同一个电力市场中所需 要的辅助服务也会随着市场的变化而变化，所以没有一种辅助服务的分类可以适用于所有的 电力市场。目前对辅助服务的分类方法较多，文献【3 】认为辅助服务包括备用服务( 包括自动 发电控制) 、无功电压控制、系统恢复服务( 包括黑启动) 。文献 1 4 1 认为辅助服务包括频率 和联络线潮流控制、电压控制和无功支持、系统的有功无功备用和其它系统安全控制措施。 文献 5 】将辅助服务分为调峰、调频、无功和黑启动。文献 1 4 2 将辅助服务分为频率控制、网 络控制、系统恢复。文献 7 】将输电损耗、负荷管理也归为辅助服务的内容。 在传统受垂直管制的电力工业中，调度员可以强制电厂或其他各方提供自动发电控制、 8 合肥工业大学博士学位论文 备用容量等辅助服务。但在电力市场环境下，发电、输电和配电各方成为独立的经济实体， 他们不再情愿也不可能无偿提供各种辅助服务，因此，需要某种机制来确保各市场参与者有 足够的收益，从而激励他们积极提供辅助服务。这样，辅助服务的成本分析及其定价成为一 个亟待解决的问题，许多学者对此进行了研究，文献 3 ，1 4 3 归纳了几种常用的辅助服务定价 机制：不单独付费、基于成本的补偿制、价值核算制、双边协商定价、投标竞争定价和现货 市场竞争定价。备用是一种重要的辅助服务，近年来备用的获取和定价机制是一个相当活跃 的研究领域，取得了一系列研究成果，下面分别介绍备用的获取及其定价机制、旋转备用容 量的确定及其分配等方面的国内外研究现状。 ( 1 ) 备用的