（电力系统及其自动化专业论文）电力需求侧管理改善电力系统可靠性的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力需求侧管理改善电力系统可 靠性的研究，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 任何贡献均己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： 辱也，毋 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) 作者签名 弛移 导师签名：匡煎 e t期：型兰!日 期 华北电力大学硕士学位论文 1 1课题的提出及意义 第一章绪论 进入2 l 世纪，全社会对电力的依赖程度越来越高，对电力供应的质量也提出了 更高的要求。一方面社会的发展客观上要求电力工业必须以一定的规模和速度发 展，另一方面受资源和环保因素的制约，发展电力工业的问题进一步显现。这种形 势下，需求侧管理( d e m a n ds i d em a n a g e m e n t d s m ) 作为综合资源规划i r p ( i n t e g r a t e dr e s o u r c ep l a n n i n g ) 的主要内容，现在已经成为我国电力工业可持续发 展的战略选择。我国引入d s m 的时间比较晚，许多工作仍缺乏经验。对于如何继续 丌展好d s m ，有许多新老问题需要进行研究和解决。从d s m 自身的发展特点看，需 要结合我国经济和电力工业发展的实际，从战略的角度来研究d s m 在我国开展的必 要性、可行性以及开展带来的经济性、可靠性影响等关键性问题。这对充分发挥d s m 对我国经济和电力工业持续健康发展的促进作用也具有重要的意义。 随着市场改革的逐步深化，社会对电力供应的可靠性水平也逐步提出更高层次 的要求。在传统的电力系统运行中可靠性高于经济性，但在电力市场下，供需双方 参与市场的目的是为了追求自身利益的最大化，可靠性是为了经济性服务的。必须 在保证系统可靠性的前提下才能获得经济效益。因此，需要关注实施d s m 后的系 统可靠性变化，对d s m 改善系统可靠性的途径、影响效果、机理等作定性和定量 的研究。研究的结论可以作为开展d s m 合理性的佐证，同时也可以为如何在各负 荷终端协调开展d s m 以获得最大的可靠性效益提供一定参考。 1 2 研究现状 d s m 是2 0 世纪7 0 年代由于石油危机而作为i r p 的一部分提出的。它改变了传统 规划中单纯以供应满足需求的思路，将需求侧节约的电力和电量也视为一种资源 ( 如通过设备改造减少用电量，通过调整用电方式削减高峰负荷) ，供方与需方两 种资源综合比较，按最小费用的原则寻求优化方案，使其产生最大的社会效益及经 济效益。在其提出后很多国家的科学工作者对其进行了深入地研究，这些研究主要 涉及了d s m 项目的设计、实现、市场化及用电终端技术各个领域，并且形成了一套 较为完整的体系。众多的文章对于d s m 进行了细致的事前评价，另有许多研究人员 对行政介入及其政策性方面进行了深入的探讨。就国内而言，自九十年代初我国引 入d s m 概念以来，许多专家和领导也对其相当关注，涌现了大量的文献，特别对在 中国实施d s m 的必要性和可行性进行了深入剖析，如文献【1 、 2 等。尤其是近几 华北电力大学硕士学位论文 年，国内经济的高速发展导致电力供应的紧张局面一时难以缓解，d s m 作为一项有 效的措施被重新重视起来。 d s m 实施对系统可靠性改善的研究方面国内外尚不多见( 此处的可靠性主要指 系统可靠性充裕度情况) 。目前查到仅文献 3 】提出了考虑发电机随机停运，将负荷 管理模拟成发电机的投运并对持续负荷曲线l d c ( l o a dd u r a t i o nc u r v e ) 进行修正， 给出了相应的概率模型。文献 4 在文献 3 】的基础上建立了削峰和填谷的概率模型， 并给出了简单算例对d s m 实施前后发电可靠性的几个典型指标进行了定量计算。文 献 5 针对削峰( p e a kc l i p p i n g ) 、负荷缩减( e n e r g yc o n s e r v a t i o n ) 等对负荷曲线 的影响建立简单数学模型，用以讨论d s m 对最优p r m ( p l a n n i n gr e s e r v em a r g i n ) 影响的分析。文献 6 讨论了d s m 与非公用事业发电n u g ( n o n u t i l i t yg e n e r a t i o n ) 的关系，该文献中第五部分对d s m 的概念和研究方法作了详细介绍，论述了d s m 实 施对系统充裕度的影响，并基于文献 5 】的简单数学模型研究了d s m 对负荷形状的改 变，同时对系统可靠性作了简单计算。可以看出以上文献主要都是从发电角度( 即 考虑可用发电容量能否满足负荷需要方面) 去研究负荷管理措施对于系统可靠性指 标的影响，而忽略了实际电力工业是发、输、供一体的事实。即d s m 实施不仅会影 响到发电可靠性，输配电环节同样会因为d s m 的合理实施而得到可靠性的改善。而 且d s m 实施实际上存在地理上和具体实施的差异，即其是在电网的各处分散进行 的，而且各地实施情况也不同。这些因素，都是实际研究中需要进一步考虑的。 从d s m 改善系统可靠性充裕度的角度出发，可以延伸到在市场环境下如何进一 步发挥d s m 主动改善系统充裕度的作用。文献 7 】从经济角度提到d s m 可以作为电力 市场中调峰问题一个辅助手段。但是要看到尽管电网负荷的峰谷差过大是引起市场 环境下诸多问题出现的原因，但在输电充裕性的重要方面一阻塞问题的研究上仅考 虑d s m 对峰荷的改善远远不够。充裕性问题不单表现在容量的增大上，也包括在系 统需要时如何合理削减负荷需求，以减低对某些线路的阻塞。文献 8 提出了潮流优 化与可中断负荷管理相结合的阻塞管理模式的综合调度方法，并对其从全网整体购 电费用和社会净价值方面的优越性作了深入分析。但是并未将d s m 上升为一项系统 工程来考虑其在市场环境下缓解阻塞中的广泛前景，而且随着d s m 的开展，需求侧 也将逐步开放，在考虑主动运用和拓展d s m 资源方面，也需要考虑d s m 市场实施机 制问题，这些都是进一步研究中需要考虑到的。 1 3 本文的主要工作 论文针对电力d s m 改善系统可靠性充裕度水平的作用和机理，以及在市场环境 下利用d s m 改善阻塞管理的应用潜力进行了较深入的研究，主要工作包括以下四个 部分： 华北电力大学硕士学位论文 1 ) 对d s m 的意义和措施等进行概括和总结。结合d s m 开展的实际分析d s m 改 变系统负荷特性的一般效果，在相关文献的基础上建立描述d s m 改善系统负荷特性 的数学模型。 2 ) 对d s m 改善发电系统可靠性研究的作用进行分析，结合算例定量分析d s m 的削峰填谷效应对发电系统可靠性的改善作用。 3 ) 将输电资源以及负荷在输电网中的地域分布等制约因素综合考虑、从发输 电系统可靠性充裕度评估的角度研究d s m 协调开展对整个发输电系统的充裕度指 标改善的机理。分别以r b t s 6 、i e e er t s 7 9 可靠性测试系统为例，结合建立的d s m 数学模型定量分析了以下几个方面问题：d s m 对负荷需求的改变及对输电资源充 裕程度的改善作用：电网中不同地区实施d s m 对发输电系统可靠性的影响机理： 网中局部d s m 的开展对可靠性改善的效果。 4 ) 在前述工作的基础上，探讨如何主动发挥d s m 提高系统可靠性水平和改善 输电资源充裕度的问题。对市场环境下利用d s m 服务于阻塞管理的可行性和应用前 景进行研究和分析。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力需求侧管理 2 1电力需求侧管理概述 电力d s m 是国际通用的专业术语d s m 在中文里最常用的译法，在有些场合也称 需求方管理或负瓦管理。国际上d s m 还没有一个共用的定义，对它的表述也各式各 样，但其基本理念和实质内容都大体一致。概括地说f9 1 ，d s m 是指在政府法规和政 策支持下，采取有效的激励和诱导措施以及适宜的运作方式，通过电力公司、能源 服务公司、社会中介组织、产品供应商、电力用户等的共同协力，提高终端用电效 率和改善用电方式，在满足同样用电功能的同时减少电量消耗和电力需求，达到节 约资源和保护环境，实现社会效益最好、各方受益、最低成本能源服务所进行的用 电管理活动。 2 1 1d s m 的基本思路 d s m 来自综合资源规划i r p 的基本思路，是电力资源规划的主要内容。i r p 是 将供应方和需求方各种形式的资源作为一个整体进行的资源规划。概括地说，它的 基本思路是l io j ：除供应方资源外，还把需求方提高资源使用效率减少消耗视为一种 资源同时参加规划。旨在通过需方管理更合理配置和有效地利用能源资源、控制环 境质量，减少投资和成本，形成对社会和供、需各方都有利的情况。其最重要的特 点是根植于市场化的大环境，建立起充分体现各方的利益的长效机制 ，有效调动 社会各方的积极性来实现优化现有发输电资源下的系统运行状况，以达到社会效益 的最优化。 d s m 与传统意义的用电管理有本质的不同 1 2 】，它是思想观念和管理方法的一种 变革。 1 ) 电力d s m 非常强调电力公司的主体作用 由于电力d s m 的节电活动要有投入，政府必须激发电力公司开展d s m 的主动 性和积极性，国家的政策和法规方面必须保证用于节电方面的投资回报高于新建电 厂或机组的投资回报。在体制和机构方面，要把电力公司的职能范围从发电扩展到 发供电以及节能上，并采取一定的经济手段为促进电力客户节能创造条件。 2 ) 电力d s m 强调建立电力公司与客户之间的伙伴关系 由于电力d s m 强调客户的参与，因此要求电力公司和客户共同付出代价，共 同承担风险，共同争得利益。只有在电力公司和客户之间建立良好的伙伴关系，有 一种融洽的合作感情，才能在节电领域取得整体效益，供需双方都有利益获得。 d 华北电力大学硕士学位论文 3 ) 电力d s m 强调在客户利益之上的能源服务 由于能源是提供动力、热力、照明和运输等方面的一种中间性产品，因此，提 供优质的能源服务是客户的根本要求。电力d s m 不主张拉闸限电、轮休倒班等不 利于客户利益的做法。鼓励采用科学的方法，在不改变生活秩序和生活节奏的条件 下，促使客户主动改变消费行为和用电方式，提高用电效率和减少电力需求。 以上是d s m 实施的根本前提，即d s m 应有效服务于用户用电和系统经济高效 的运营。离开了这个前提，谈d s m 在经济方面和可靠性方面的作用都是无意义的。 需要指出，d s m 涵盖的内容相当宽泛，通常提到的节能节电只是它的一个方面内容。 从电能量的节约而言，节能作用是d s m 开展最重要的方面，但是节能不等于限电， 电源服务不等于能源管制，d s m 的开展不是要抑制用电需求，而是想通过实施一些 措施来提高用户的用电效率、合理化系统用电分布、减小峰谷差异等。 2 1 2d s m 的内容 d s m 主要考虑两个方面。一方面要力图以较少的新增装机容量达到系统的电力 供需平衡，就必须千方百计降低电网的最大负荷，其根本措施就是减少用户在电网 峰荷时段的电力需求：另一方面要力图减少系统的发电燃料消耗，就必须设法减少 系统发电量，其根本措施就是使用户更有效地利用电能，在满足同样能源服务的同 时减少用电量。因此d s m 的目标主要集中在用户电力( k w ) 和电量( k w h ) 的节 约上。d s m 的内容主要包括能效管理和负荷管理两个方面： 1 ) 能效管理 通过用户采用先进技术和高效设备提高终端用电效率，减少电量消耗，取得节 约电量和减少污染排放的效益。其中，峰荷期间运行的节电设备还可以降低电网最 大负荷，同时获得节约电力、减少系统装机容量的效益，但它并不强调一定要带来 这一方面的效益。 2 ) 负荷管理 通过负荷整形技术改善用户的用电方式，降低电网最大负荷，取得节约电力和 减少装机容量的效益。节约电力通常还会同时带来节约电量的效益，但它并不强调 一定要带来节约电量的效益，而且有些移峰填谷技术还要多耗电量。 实施d s m 计划要采取多种手段，它是以先进的技术设备为基础，以经济效益 为中心，以法制为保障，以政策为先导，采用市场经济运作方式，克服市场障碍， 实施有效的管理。概括起来主要有技术手段、经济手段、行政手段和引导手段。具 体内容简单概括如下： 1 ) 技术手段 d s m 的技术手段是指针对具体的管理对象，以及生产工艺和生活习惯的用电特 e 华北电力大学硕十学位论文 点，采用先进的管理技术、节电技术及相应设备，改变用电负荷特性，提高用电效 率。常用的技术手段主要包括负荷整形技术和提高终端用电效率两个方面，这些可 以通过电力负荷管理系统直接对客户进行管理。 2 ) 经济手段 经济手段是开拓节能市场、增强节电活力的最主要的激励手段，也是电力d s m 在运营策略方面的重点。电力d s m 的经济手段主要是指通过一定的经济激励措施 和鼓励客户主动改变消费行为和用电方式，减少电量消耗和电力需求。常用的经济 手段主要有电价鼓励、折让鼓励、免费安装激励、借贷优惠鼓励、节电设各租赁鼓 励等。目前这一方而主要是依靠政府出台一些文件来提供电价政策，引导用户做好 d s m 工作。 3 ) 行政手段 行政手段主要是指政府及其相关职能部门，在国家法律的框架内，以行政力量 特别是通过政府颁布有关法规、条例米规范电力消费和电力市场行为，推动节能、 约束浪费、保护环境的一种管理活动。例如制定限制高耗能设备使用的法规等。 4 ) 引导手段 引导和宣传是对用户消费进行指引的一种有效的、不可缺少的手段。相同的经 济激励和同样的节电收益，用户可能出现不同的反应，关键在于引导和宣传。主要 措施包括普及节能知识讲座、传播节能信息技术、举办节能产品展示、宣传节能政 策。开展节能咨询服务、开办节能技术讲座等，普及先进的理念和技术帮助用户克 服枉认识上、技术上、经济上等方面存在的心理障碍，提高他们对d s m 计划的响 应能力。 2 1 3d s m 的意义和作用 作为一种合理利用能源的管理方法，d s m 对综合利用能源具有重大意义。通常 来讲，认为d s m 的作用主要有以下四个方面： 1 ) 改善电网的负荷特性，提高用电负荷率 电力d s m 可以引导电力客户选择合理的用电时问，或者采用合理的蓄能方式， 达到削峰或移峰填谷的作用。从而减少用电峰谷差，降低电力最大需求，提高用电 负荷率，改善系统的电力负荷在时间和空间上的分布并且减少发输电成本，提高系 统的可靠性和经济性。 2 ) 降低电力客户的用电成本，减少电费支出 对直接参加电力需求侧管理的客户来讲，通过采用先进的用电设备和合理的用 电奇式可以减少电能消费，获得电力需求侧管理的直接效益。对没有直接参与电力 华北电力大学硕士学位论文 需求侧管理的电力客户，可以通过电力需求侧的整体综合资源规划将供应方和需求 方各种形式的资源作为整体进行规划。从而获得诸如较低电价的间接效益。 3 ) 有利于扩大用电需求，开拓电力市场 电力d s m 可以通过电力公司向电力客户推广一些用电设备，同时制定相应的 用电优惠政策，让人们从使用煤、天然气转向更广泛地使用电能，扩大电力需求， 开拓电力市场。 4 ) 减少污染排放，提高人民的生活质量 电能作为一种清洁、经济、高效、安全的二次能源，日益受到人们的喜欢。电 力d s m 可以引导人们合理、经济地使用电能，减少污染的排放，保护环境，提高 人们的生活质量。 其中第一条特别是电网的负荷特性的改善所带来的系统可靠性的改善将是本 文所关注的重点。 2 2d s m 对系统负荷特性的影响 d s m 最直接的作用在于其对用户行为以及系统负荷的改变，这是研究d s m 的 其他作用和影响的前提。d s m 对系统可靠性影响的所有方面都无一例外的来源于需 求侧工作对终端负荷的作用。从这一点出发，我们研究d s m 对系统可靠性的影响， 必须首先对d s m 作用于系统负荷特性的影响作深入地研究和分析。 电力系统的负荷特性与一系列因素有关，主要取决于电网所在地区的经济结构 和用户的生产特点、当地的气候条件、生活水平和风俗习惯，以及电网规模等。对 一个具有一定规模的电网来讲，电力系统的负荷方式主要是由终端用电方式决定 的，要改变电力系统的负荷方式就要改变终端用电方式。当实施了d s m 后，每个 用户的负荷形状变化来自两方面因素：一是现有设备用电模式变化了或者说用电行 为变化了，二是用电终端技术和运行特性变化了。这两个因素同时起作用。系统负 荷形状变化是每个用户负荷变化的累加，再加上新用户的负荷。 d s m 对负荷形状的改变的一个重要途径是通过技术手段实现的，这包括：现 有用电设备的使用发生了变化( 例如为了节能而安装了温度控制装置) ；设备运 行特性或技术发生了变化( 例如用热泵替代电炉或购买新设备) 。这两方面因素不 是互斥的，经常交叉影响。由技术引起的负荷形状变化取决于设备的利用水平以及 设计性能的改善：因此，负荷形状的变化是永久的、可预测的。以热泵为例，随着 热泵用户节能意识增强，负荷形状会得到一定改善。但是由改进热泵性能而引起的 负荷形状改善要比前者大的多。由d s m 引起的负荷形状的改善程度是变化的。这 是由于服务区( 电力用户) 的情况在发生变化。表2 一l 给出了d s m 能够取得哪些负 华北电力大学硕士学位论文 荷形状改善的一些例子1 3 1 。 表2 - 1 实旌d s m 的几种典型负荷变化结果 居民电热水器直接负荷控制技术：每个机组可削减峰荷03 1 6 k w ， 电量及负荷 负荷移动 大部分机组为05 1 k w 控制技术 居民集中式空调负荷直接控制：每个机组削峰0 6 2k w ，平均为l k w 峰荷降低 蓄热( 冷) 集中式陶瓷热存储技术：每个机组削峰( 峰时采暖电负荷) 4 - 65 k w ， 非峰负荷抬高 技术 增加非峰负荷相当于常规设备的2 0 0 3 3 0 a d d o n 热泵：在寒冷季节可为用户提供约2 3 的热负荷需求， 负荷水平上升 提高用电终 基本为非峰电力 端效率 双燃料采暖系统：可增加低谷负荷用户并可塑变现有用户负荷形状， 负荷弹性化 对负荷作用为7 - 1 0k w ，新增用电都为非峰电力 建筑物保温 居民住宅中采用被动式太阳能建筑：与常规建筑比较，年空调耗电量 负荷水平下降 技术 节省为2 5 - 4 0 ，其值取决于设计和气候条件 d s m 影响用户用电需求的另一方面是其配合技术手段推行的经济手段。其中最 具代表性的是多种新型电价体系，如分时电价t o u ( 包括峰谷分时电价、季节性电 价) 、可中断可减小负荷电价i & c 等。以分时电价为例，用户对分时电价的短期反 应表现为两方面：一是改变耗电量；二是改变用电时间。用户需求对分时电价的短 期反映可表示为两项效果之和( 日耗电量的变化和耗电时间的变化，即负荷形状) 如图2 1 表示出两项效果及其对日需求的组合效果。 小时价格变化 k w h 参考电价 t o u 电价下的需求 ， ：、：墼需求 6 am 1 2 6 p m1 2 实施t o u 电价，负荷需求的总变 化( 减少耗电量使负荷形状平坦) ，一、 k w 、参考需求 一i ：夕 ： ( 1 ) 由耗电量弹性确定的需 之r 一7 一参考需求 卜、“1 。 ( 2 ) 由小时负荷弹性确定的需 图2 - 1 实施t o u 电价后负荷形状的短期变化 总体来说，d s m 对系统运行的贡献和评估可以归纳为2 个方面：对负荷形状 的改变；对负荷水平的影响。对负荷形状的改变意味着迅速或长期改变负荷曲线 的形状，例如：削峰填谷或其他负荷整形技术；而对负荷水平的影响指用永久降低 华北电力大学硕士学位论文 负荷水平或转移负荷对电能的使用。d s m 措施在负荷管理领域方面，除了削峰、填 谷和移峰填谷这些传统的负荷管理内容外，还增加了柔性负荷、策略性节电和策略 性负荷增长等多项新措施，d s m 的一些主要管理目标如图2 - 2 。 q 睑 战略性负荷增长莱性负荷 图2 - 2d s m 对负荷曲线的基本影响 图2 2 中对d s m 的作用的描述分类是粗略的。以一个地区的负荷管理为例，其 可能同时包含多种削峰、填谷、战略性节电的效果，而且每一项工作往往是多种因 素介入很难达到理想中的结果，因而最终的负荷曲线呈现出一种不规则性。但在研 究中，可近似地认为d s m 的开展能够达到预期目标，这样的假设是可取的。 以上仅是对d s m 作用于各类负荷的概括性分析，实际中某地区实施d s m 的负 荷曲线变化实际上是对若干种负荷类型分别进行管理之后的综合结果。这就需要对 d s m 改变负荷形状进行专门的预测，相关论述可见文献【1 3 。另外，电力公司在推 行各项d s m 措施时，通常具有目的性以实现对负荷形状的改变而达到计划目标。 有意识的选择负荷管理措施可阱实现对负荷曲线的灵活控制，但在预测中这种灵活 性通常难以体现。这也是在研究d s m 对负荷曲线作用是需要加以考虑的。 2 3d s m 作用于负荷改变的数学建模 为了定量分析d s m 对系统负荷特性的影响，需要对d s m 作用于负荷曲线的效果 建立相关负荷模型进行分析。根据前文所述，由于d s m 的开展情况与用户类型有直 接关系，因而系统负荷曲线的求取可以采取终端负荷累加的方式。假设某研究区域 内有多种类型的负荷，宜将其分类叠加。此时该区域的负荷曲线可由下式求得： nm 三( f ) = 三( f ) = 工f ( f ) ( 2 1 ) i = 1 i - - i 卢l 式中l i 表示l n 类负荷中的一项，l o 是对负荷类型l i 的进一步细分，实际操作中对于 负荷的分类可根据每一类负荷的用电特性和用电比例结合具体需要做出。这样的分 华北电力大学硕士学位论文 类的好处在于可以针对性的研究d s m 措施对各类型负荷的影响情况。 某一用电区域r 时，式( 2 一1 ) 表示的即为局部区域的用电情况： nm r ( f ) = 耳( ) = 岛( f ) i = 1 i = l = l 当研究区域为 ( 2 - 2 ) d s m 对于负荷曲线的影响往往是针对多类负荷开展的多种措施叠加的结果。 d s m 实施以后负荷曲线的形状与各类负荷所占的比重以及d s m 措施的类型、推广的 程度等因素有关。用一般公式描述如下： “ n l r ( t ) = d s m 。( 耳( f ) ，砧，弦) ( 2 3 ) 仁it 式中d s m k 表示不同d s m 措施类型作用于负荷的数学模型，参数 i 厶等用以描述 d s m 措施实施的具体情况。 为了描述负荷曲线的变化，需要对d s m 各项措施作用于负荷的情况建立数学模 型。考虑到d s m 开展中受到制约因素的复杂性，精确的数学模型是较难建立的。分 析中可作适当简化，构建两种基本的数学模型【4j 来描述各种措施的实施情况： 1 ) 削峰移峰填谷( p e a kc l i p p i n g & l o a ds h i f t i n g ) ( f ) = ( f ) 一f ( 。) 一尸) n ( ( r ) ) ) + 。 二! 二i i ：。i i ( ( ( f ) _ j d ) q ( ( f ) ) i ( 2 4 ) n ，r ，1 1 ：o ( f ) 尸( 2 - 5 ) n ( 上( ) ) 2 1 0 挑尸 t 小。= 舻巍“ ( 2 石) ：) ( ) 2 忆其它 j 式中l ( f ) 为原负荷，( f ) 为实施d s m 后的负荷。p 为实施d s m 后所期望达到的峰时负 荷值，p ，q 为峰荷时段的开始和结束时刻，t l ，f 2 为谷荷的起止时刻。a ( o s a s l ) j 9 峰 时削减的电能转移到谷荷时段的比例，a = o 时公式( 2 4 ) 仅表示对负荷进行削峰。 2 ) 填谷战略性节电( v a l l e yf i l l i n g & e n e r g yc o n s e r v a t i o n ) ( ，) = l ( f ) + b a c r h ) ( f ) ( 2 - 7 ) = 舻嘉 ( 2 。8 ) 式中t 3 ，t 4 表示负荷增加或减少的时间段。b = l 时，式( 2 7 ) 表示填谷或者战略性负荷 增长作用，如6 取一1 时则表示战略性节电的作用。 根据变量t l t 4 取值的不同，式( 2 4 ) 、( 2 7 ) 不仅可以应用于日负荷曲线，同样可 以用作周负荷、季节性负荷、年负荷曲线变化的分析。以对典型日小时负荷的改变 作用为例，调整式中相关参数建立各种负荷模型l m ( l o a dm o d e l ) 5 1 。见表2 2 。 兰堕鱼垄查堂堡主兰篁笙壅 表2 2 文献【5 j 中建议的模型参数i 负荷模型p f ，f。h 口 应用范围 l m 2 o 8 50 6 61 0 ( 式2 4 ) 大用户日小时负荷 l m 30 9 5 一 一0 0 ( 式2 4 ) 大用户曰小时负荷 l m 4 o 8 5 一一 一0 0 ( 式2 4 ) 大用户曰小时负荷 l m 5 0 9 50 77 1 0 ( 式2 4 ) 工业日小时负荷 l m 6 o 8 507 7 1 0 ( 式2 4 ) 工业日小时负荷 l m 7 0 7 00 77 i 0 ( 式2 4 ) 工业日小时负荷 l m 80 9 5 一 一 0 0 ( 式2 4 ) 工业日小时负荷 u 订9o 8 5 。- 一 一0 0 ( 式2 4 ) 工业日小时负荷 兰竺兰生： ：! ：! ! 苎! ：! ! 王些里! ：堕璺堕 一 ，1 _ l m l l m l o 均基于( 式2 4 ) 建立，用于分析系统得削峰、负荷转移过程。表 2 - 3 为基于( 式2 7 ) 建立的模型参数，主要用于描述填谷、战略性减负荷等效应。 表2 3 文献【5 j 中建议的模型参数i i l m l l 0 4 0 1 00 7 ( 式2 7 ) 工业日小时负荷 l m l 2 0 15 1 08 2 3 ( 式2 7 ) 商业目小时负荷 型1 3 o - 10 1 0 02 4 ( 式2 7 ) 工业日小时负荷 表2 - 2 、2 3 中参数设置情况的不同，所对应负荷模型的含义和作用也不同，可 将其初步分类，见表2 4 。 表2 - 4 负荷模型分类 一_ 竺望堑霉鳖兰旦堑 璺堕堡型 l 负荷转移l m l l m 2 l m 5 l m 7 i i 负荷削峰l m 3 ，l m 4 ，l m 8 一l m l 0 i i i 填谷lmll 战略性节电 l m l 2 二l 一些堕竺望堕塑堡 兰竺! ! 以上模型l m l l m l 3 仅是对d m 改变负荷效应的描述示例，具体应用时可根据 需要改变相应参数用以近似描述负荷改变情况。此时需注意针对所研究负荷类型和 用电特性设置具体参数，如某一类负荷变化较复杂时，可将改变情况加以分解，用 两个或两个以上负荷模型的综合作用加以模拟。 当d s m 措施用所选用的负荷模型三删弋替时，式( 2 3 ) 变为： 华北电力大学硕士学位论文 n ( f ) = 三m 。( l ( f ) ，心硝， ：) ( 2 - 9 ) 五1 厶为上述负荷模型中的相关参数，用以描述d s m 措施实施的具体情况。实践中 d s m 对于负荷曲线的影响往往是多种措施作用于负荷的结果。d s m 实施后负荷曲线 的形状与各类负荷所占的比重以及措施的类型、推广的程度等因素有关。采取终端 负荷累加的方式计算实施后的负荷曲线，用一般公式描述如下： 0 ( f ) = 埘。( r ( f ) ，钟，硝，麓) ( 2 1 0 ) i = lk 式中表示负荷分类，l m k 为作用于负荷的数学模型。 需要指出，这里的负荷模型较为粗略，仅能描述某项负荷管理措施的目标概况。 实际工作中的d s m 开展对负荷的改变情况可能会与公式( 2 4 ) ( 2 培) 中描述的差异较 大，但在研究d s m 的典型负荷改变作用对系统可靠性的影响方面，这种简化已能 够满足需要。现实工作中如对实施d s m 后的曲线预测要求更高的精度时，可尝试 建立更精确的负荷模型，参见文献 1 4 。 2 4 小结 本章介绍了电力d s m 的基本概念、技术措施及意义。结合d s m 的开展实际分 析d s m 改变系统负荷特性的一般效应，在相关文献的基础上建立了描述d s m 改善 系统负荷特性的数学模型。为研究d s m 对系统可靠性的改善做了准备。 华北电力火学硕士学位论文 3 1引言 第三章d s m 对电力系统可靠性的影响研究 现有的对d s m 的研究大多针对的是需求侧工作的必要性、可行性、经济性分 析和技术应用、市场运作机制等方面。作为一项尚处于初步阶段的系统工程，d s m 对于系统可靠性( 充裕度) 的影响方面往往被人们所忽视。需要看到尽管对系统可 靠性的改善并非实施d s m 的初衷，但是客观上这种改善作用和由此带来的经济效 益也是不容忽视的，而且将随着d s m 需求方资源潜力的进一步挖掘，其对系统可 靠性的影响也将日益增大，因此有必要进步对其影响情况作全面而深入地研究。 3 2 系统可靠性评估体系 3 _ 2 1 系统可靠性评估的基本概念 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问断地向电 力用户供应电力和电能能力的度量。电力系统可靠性包括充裕度和安全性两个方 面。 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。充裕度又称为 静态可靠性，也就是静态条件下，电力系统满足用户对电力和电能量需求的能力。 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 的短路或失去系统元件现象的能力。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需求的能力。 目前对于供电可靠性指标多数只涉及充裕度。充裕度的评估方法可按电力系统 的不同功能部分，即发、输、配系统分别进行。电源方面的充裕度( 指可用发电容 量是否满足负荷的需要) 为发电系统的研究，而系统方面的充裕度( 指元件是否过 负荷，某些中枢点电压波动是否超限) 为输电系统的研究。可以看出，需求侧工作 从改变负荷需求出发所带来的影响更多地体现在充裕度上，负荷变化对安全性并不 会起到直接的改变作用。文中涉及的可靠性指标均为充裕度指标。 3 2 2 系统可靠性评估的研究进展 电力系统可靠性研究的发展概况电力系统可靠性的发展过程，与社会经济建设 的发展有着密切的联系。运用概率方法评估电力系统可靠性始于三十年代，w j g y m a n 和s m d e a n 等人对统计理论进行研究，并将其运用于设备维修和备用容 华北电力大学硕士学位论文 量确定等问题。8 】。由于缺乏必要的统计数据、行之有效的可靠性评估技术以及人 们对可靠性问题认识不足等原因，可靠性研究在相当长时间内发展缓慢。直到六十 年代，电力系统不断向高电压、远距离、大容量方向发展，系统规模越来越大，在 提高经济性的同时，安全可靠性的问题也变得更为突出：特别是六十年代中叶，在 世界范围内发生的几次大电力系统停电事故，造成了巨大的经济和社会损失，引起 了人们对可靠性研究的普遍重视，由此也带来了可靠性研究工作的较大发展。主要 在以下几个方面有了重大的突破： 1 ) 可靠性模型方面的突破 1 9 6 4 年c f d e s i o n 和ll s t i n e 首先采用了m a r k o v 过程数学模型来描述电 力系统并评估其可靠性【m 1 8 】，由此电力系统可靠性评估由随机变量模型发展到了随 机过程模型。直到现在，m a r k o v 过程数学模型仍是电力系统可靠性研究的基础。 2 ) 可靠性指标方面的突破 定义合理的可靠性指标是评估系统可靠性以及判定可靠性准则的关键。主要标 志在于1 9 4 7 年gc a l a b r e s e 提出了发电系统的l o l p 指标及相关联的一系列概念 17 , 18 1 。约在1 9 6 0 年，法国的m b o i t e u x 系统地提出了缺电量的概念。 3 ) 计算工具和计算方法上的突破 这些突破无疑促进了电力系统可靠性的研究和工程应用，但存在困难仍然不 少，能满足大电力系统可靠性评估实际需要的有效算法尚不多，加上电力系统有其 独自的特点，使它的可靠性计算变得很复杂。因此一般都是把电力系统的各个主要 部分分开来考虑。通常分为发电系统、输电系统、配电系统、电气主接线系统、发 输电系统、继电保护系统等 1 8 】。相比而言，发电系统和电气主接线系统的可靠性评 估技术较为成熟，对发输电系统的可靠性评估，起步相对较晚，面临着许多需要探 索的问题，至今工程应用的成果还不多。 3 2 3 系统可靠性评估的层次划分 目前电力系统可靠性评估主要分三个分层。第一层只考虑发电系统的可靠性； 第二层将发电系统及输电系统结合起来研究其可靠性；第三层则将发、输、配三个 功能部分全部放在一起分析可靠性。由于第三层可靠性分析过分复杂，一般只单独 对配电系统可靠性进行评估，这时配电系统的供电电源一般假定为完全可靠的。可 靠性层次划分见图3 1 。 p 从充裕度评估的角度上看，h l i 层次反映的是电能生产的量够不够用的问题。 h l i i 层次涵盖了h l i 层次，其不单反映电能的数量，同样也考虑电能能否可靠地通 过输电网络到达各个供电点。由于d s m 是作用于系统负荷水平的变化将直接影响 到可用发电容量的增减，因而研究其对系统可靠性的影响就不能不把发电系统包含 华北电力大学硕士学位论文 进来。事实上，已有的研究工作正是考虑开展d s m 后h l i 层次的充裕度改善作用。 而考虑d s m 的开展对电能的传输的影响同样是值得研究的内容，因而在研究d s m 对系统可靠性充裕度的改善上应主要针对以上两个层次进行。 图3 - 1 可靠性层次划分示意图 3 3d s m 对发电系统可靠性充裕度指标的改善 l i l i i l i i i 3 3 1 发电系统可靠性的评估原理 发电系统可靠性( g e n e r a t i o ns y s t e mr e l i a b i l i t y ) 是指评估统一并网后的全部发 电机组按可接受标准及期望数量，满足电力系统负荷电力和电能量需求之能力的度 量。发电系统可靠性分析的原理如图3 - 2 。 发电系统容量 一 ，、 系统总负荷 ( a ) 系统模型 ( b ) 分析模型 j 图3 2 发电系统可靠性分析原理示意图 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。通常用来衡量系统装机容量充裕度方法的是百分数备用法或最大机组 备用法，或将此二者结合使用的方法。这些都属于确定性方法，主要根据长期积累 的发电系统可靠性资料、负荷预测资料和电源配置以及规划设计人员的经验来确 定。另一种是概率方法，即电力不足概率法( l o s so f l o a dp r o b a b i l i t y , l o l p ) 及电 力不足频率和持续时间法( f r e q u e n c ya n dd u r a t i o n ，f & d ) 。在发展过程中于2 0 世纪 5 0 年代提出将对策论和模拟技术引入应用，建立了概率方法的一个分支一模拟法和 6 0 年代末期提出的建立发电系统模型的递推法。递推法不仅扩展了f & d 法的应用范 l5 华北电力大学硕士学位论文 围，并使计算机实现概率方法变得更为实用和简便。 衡量发电系统可靠性的指标是系统的充裕度。发电系统充裕度，是在发电机组 额定值和电压水平限度内，扣除由机组的计划和非计划停运造成的降低出力后，向 用户提供总的电力和电量需求的能力。将发电系统模型和发电系统可靠性负荷模型 相结合形成适当的风险模型后，即可计算出一系列可靠性指标。这些指标通常不考 虑输电网络的约束( 唯一例外的是互联网系统的联络线) ，也不反映任何特定电力 用户负荷点的电力不足，但能衡量整个系统的充裕度情况。简单的看，发电系统充 裕度评估就是对系统发电机组的可用容量和系统用户总体需求之间的对比关系的 评价，如图3 3 所示： 香融 新机组投运 机组讣划检修 机组故障 左 矗系统可靠 左( 右：系统缺电 时间轴 图3 - 3 发电系统充裕度评价及d s m 所处位置示意图 3 3 2d s m 对发电系统可靠性的影响分析 d s m 对发电系统可靠性的影响在于其对于系统负荷的改变作用。由于d s m 的实 施特点，这种改变是积少成多的，因而首先要描述d s m 对系统负荷的影响，这部分 工作已在第三章中论及，此处不做赘述。从发电系统充裕度评价关系上看，d s m 的 节电和系统削峰作用实际上是提高了系统的备用水平，进而提高了系统机组的有效 载荷容量( e f f e c t i v el o a d c a r r y i n gc a p a c i t y ) 。d s m i 构这种效果实际上和新增一台发 电机有相似之处。这里参考文献 6 的做法，在发电系统可靠性分析中采用随机生产 模拟方法，由于该方法在模拟计算中考虑了发电机组随机强迫停运和负荷随机变动 等因素，因而可以更加具体和真实地反映出电力系统的运行情况。 令系统中有n 台发电机组，考虑到随机停运的影响，运用等效负荷的概念对持 续负荷曲线l d c ( l o a d d u r a t i o n c u r v e ) 一f o ( z ) 加以修正，得至i j e l d c ( e q u i v a l e n t l o a dd u r a t i o nc u r v e ) 一厂o ( 工) ，在此基础上可得到各可靠性指标。图3 4 ( a ) 表示一条持 续负荷曲线，横坐标表示系统的负荷，纵坐标表示持续时间，丁为研究周期，可以 是年、月、周等。曲线上任何一点( x ，) 表示系统负荷大于或等于x 的持续时间为 t ，即f - 瞰) 令p i _ f ( x ) = f ( x ) 仉p 可以看作系统负荷大于或等于x 的概率，则因此系统负 荷总电量为： 华北电力大学硕士学位论文 e = f f ( x ) 出 ( 3 一1 ) j = e , t = 击广m ) a x ( 3 - 2 ) 一般来说，考虑第i 台发电机故障停运后，系统的持续负荷曲线的表达式为： 广( x ) = p i f 1 1 ( 工) + g ，广1 0 一c ，) ( 3 - 3 ) 式中q 。为第冶发电机的强迫停运率；p 。= 卜q 。为第i 台发电机的正常运行概率；e 为 第i 台发电机的容量。 当机组逐个停运，导致等效负荷曲线在不断变化，最大等值负荷也不断增大。 若系统共有n 台发电机组，则其容量为q 当全部机组停运结束后，等效持续负荷 曲线为，帕( 工) ，最大等效负荷为c l + 工。，见图3 - 4 ( b ) 。 p ( a ) 持续负荷曲线 c o ) 等效持续负荷曲线与可靠| 生 图3 - 4 随机生产模拟方法 、 此时发电系统的电力不足概率l o l p 、电力不足期望l o l e 及电量不足期望 e e n s 分别为： l o l p = 厂”( q )( 3 - 4 ) l o l e = l o l p t ( 3 - 5 ) 。 f e n s = 丁p “广0 ) d x ( 3 6 ) 由负荷管理诸措施对负荷曲线的改变的结果看，可以将其大致分为削峰和填谷 两类作用进行研究。这两类作用对于负荷曲线的影响，从等效负荷的角度看，可以 等效为一台发电机组的投运和停运对负荷曲线所产生的影响，文献 4 ，6 中针对此 建立了d s m 的发电模型来模拟d s m 的削峰和填谷效应。 1 ) 削峰模型 由于d s m 的削峰作用是减少了高边际成本时刻的负荷需求，从等效负荷角度， 峰荷的减少如同增加了一台低成本的发电机组，因此可将d s m 的削峰作用模拟成一 个抽水蓄能电厂在峰荷时发电。设削峰作用在最大负荷时减少的负荷容量为s 。，则 华北电力大学硕士学位论文 可以等效为一个容量为s 的抽水蓄能电厂在峰荷时投入运行。假设其正常发电运行 概率为p 。，可对概率模型加以修正，得到削峰模型： ，o ( 工) = p 。厂1 1 ( j ) 十g 。f 0 ) ( 工一s p ) ( 3 7 ) 式中厂o ( x ) 为实施削峰前的概率模型；尸( z ) 为实施实施削峰后的概率模型。 2 ) 填谷模型 由于d s m 的填