应用随机生产模拟的发电系统可靠性评估方法

1/9应用随机生产模拟的发电系统可靠性评估方法王秀丽陈皓勇甘志王锡凡摘要鉴于发电系统可靠性计算是电力系统可靠性评估中最重要的环节，提出了进行发电系统可靠性评估应同时考虑电力约束及电量约束的概念，论述了应用随机生产模拟评估方法计算发电系统可靠性的必要性及其实现过程，对发电系统可靠性的指标选取进行了讨论，介绍了发电系统可靠性软件包REGEN的功能、特点及设计思想，最后给出的某省实际系统的算例，验证了此方法的必要性和有效性。关键词发电系统可靠性随机生产模拟电力不足概率电量不足期望值分类号TM732RELIABILITYEVALUATIONOFGENERATIONSYSTEMBASEDWANGXIULI,CHENHAOYONG,GANZHI,WANXIFANXIANJIAOTONGUNIVERSITY,710049,XIAN,CHINAABSTRACTTHERELIABILITYEVALUATIONOFGENERATIONSYSTEMSISANIMPORTANTPARTOFTHATOFPOWERSYSTEMSTHERELIABILITYINDICESOF2/9GENERATIONSYSTEMSAREFIRSTDISCUSSEDTHENTHISPAPERPROPOSESACONCEPTFORRELIABILITYEVALUATIONOFGENERATIONSYSTEMSBASEDONTHEPROBABILISTICPRODUCTIONSIMULATIONMETHODTAKINGTHELOADCAPACITYCONSTRAINTANDTHEENERGYCONSTRAINTINTOACCOUNTBASEDONTHECONCEPT,ASOFTWAREPACKAGEREGENISDEVELOPEDTHISPAPERDETAILSITSFUNCTIONS,FEATURESANDDESIGNSTEPSITSAPPLICATIONONAREALPOWERSYSTEMISGIVENTODEMONSTRATETHEEFFECTIVENESSOFTHEPROPOSEDMETHODKEYWORDSGENERATIONSYSTEMSRELIABILITYPROBABILISTICPRODUCTIONSIMULATIONLOSSOFLOADPROBABILITYLOLPEXPECTEDENERGYNOTSUPPLIEDEENS0引言电力系统可靠性的评估通常分为系统的充裕度和系统的安全度两个方面。充裕度指电力系统内是否有足够的电力设备以满足用户的需求和运行的约束。安全度与电力系统的扰动有关，涉及电力系统是否能抵御出现的扰动。充裕度的评估方法可按电力系统的不同功能部分分别进行13。发电系统可靠性计算是最重要的一个环节，在进3/9行发电系统可靠性研究时，通常假定输电系统有足够的输电能力并且完全可靠，不会影响发电设备向用户的供电。以往发电系统可靠性研究的重点在于考虑发电机组随机停运的影响，即在仅考虑发电机组随机故障的情况下判断系统满足负荷要求的裕度如何。实际上发电系统可靠性还与水电厂的来水情况、系统负荷曲线的形状、系统的规模以及系统检修计划的安排等因素相关。对于水电比重较大的系统，水电厂的来水情况对系统可靠性有着决定性的影响4，这时若不考虑电厂的发电量约束，仅考虑机组的随机故障，就会给发电系统可靠性计算带来很大的误差，甚至得出错误的结论。电力系统随机生产模拟是一种通过模拟各机组生产情况，同时考虑机组的随机故障特性及电力电量约束，以计算系统可靠性指标及系统生产成本的算法。这种方法在国外许多电力系统进行运行规划、成本核算以及与其相邻电网互购电力电量等方面都得到了广泛应用。我国在随机生产模拟的研究方面成绩突出，文献5提出了随机生产模拟的等效电量函数法，被认为是在计算精度及速度方面最好的算法，特别是非常适合于进行含有多个水电厂的电力系统随机生产模拟。本文应用随机生产模拟的方法计算发电系统可靠性，可以充分考虑这些问题，更加实事求是地反映电力系统的可靠性。4/91发电系统可靠性指标发电系统可靠性指标可以分为确定性和概率性两类。过去曾广泛应用确定性可靠性指标来指导电力系统规划和运行，如备用百分数法，它要求发电系统的备用容量为系统年最大负荷的某一固定百分数（如2025）。这种方法没有考虑以下因素系统规模及机组的容量结构；有电量限制机组的影响（如水电机组）；计划维修的影响；机组强迫停运的影响；负荷曲线形状的影响。因此备用率是一个非常粗略的指标，目前已逐渐被概率性可靠性指标所代替。国际上常用的概率性可靠性指标是电力不足概率LOLPLOSSOFLOADPROBABILITY，但这个指标在实际应用时因采用负荷曲线的形式不同而有所不同，并且常与电力不足期望值混淆。实际上最常见的是电力不足期望值，本文用TLOLP0表示，其定义为某一研究周期内负荷超过系统可用机组容量的平均天数。当研究周期为1年时，TLOLP0由下式决定1式中CAJ为系统在第J日考虑计划检修及随机停运后的可用容量；LJ为系统在第J日的最大负荷；PCAJLJ为第J日可用容量小于该日最大负荷的概率。在计算TLOLP0时，系统负荷采用日最大负荷曲线5/9作为负荷模型，即用每日最大负荷代替全天24H的负荷。这种简化的模型相当粗糙，这与当时的计算技术水平较低有关，它会给可靠性评估带来很大误差，且无法计算有关电量的指标。另外，指标TLOLP0本身并非概率。当研究周期为1年时，TLOLP0为365个概率之和，其值可能大于1，而这种情况下的电力不足概率TLOLPD应为2为了区别TLOLP0与TLOLPD，有时也把TLOLP0叫作电力不足期望值LOLELOSSOFLOADEXPECTATION，例如北美可靠性委员会规定的可靠性标准为LOLE小于D/年。为了克服这些问题，人们又提出了更为详细的计算电力不足概率的指标和方法。以每天24H的实际负荷变化情况为负荷曲线模型，计算出电力不足小时期望值，本文以TLOLH表示（3）式（3）中各量的定义与式（1）类似，但均为各小时的值。有些文献将这个指标称为缺电小时期望值HLOLE1。此时系统的电力不足概率应为（4）由式（3）、式（4）求出的TLOLH，TLOLPH不能直接和用式（1）、式（2）计算出的TLOLP0（即LOLE），TLOLPD互相转换。欧洲许多国家采用TLOLH作为可靠性指6/9标。国际上关于发电系统可靠性计算的另一个常用的指标为电量不足期望值EENSEXPECTEDENERGYNOTSUPPLIED，本文以WEENS表示，其意义为在某一研究周期内由于供电不足造成用户减少用电量的期望值1，2。计算这种指标需要考虑实际负荷的变化情况，因此用日最大负荷曲线计算显然会带来严重误差。WEENS能同时反映停电的概率与停电的严重程度，而且更便于把可靠性与经济性挂钩，因此WEENS指标日益受到重视。将WEENS转化成经济性指标时，一般是先给定系统的单位停电损失费K，然后根据下式计算总停电损失费CLOSSKWEENS5由WEENS派生出来的可靠性指标主要有系统电量可用指标EIRENERGYINDEXOFRELIABILITY和系统分SM（SYSTEMMINUTE），本文分别记为PEIR和TSM（6）（7）式中ED和PMAX分别为系统负荷电量和最大负荷。显然TSM愈小愈可靠。根据计算出的TSM把故障的严重程度分为5个等级60度TSM1MIN，系统故障造成的影响可以接受；1度1MINTSM10MIN，系统故障对用户有重要影响，认为不严重；2度10MIN7/9TSM100MIN，系统故障对用户有重要影响；3度100MINTSM1000MIN，系统故障对用户影响非常严重；4度TSM1000MIN，系统故障对用户产生灾难性影响。可靠性评估除了上述指标外，还有FD指标，即故障频率及持续时间指标，但其应用没有上述可靠性指标普遍。通过以上分析可知，采用日最大负荷曲线计算的指标TLOLP0比较粗略，且不能计算指标WEENS。因此，本文将推荐以系统的小时电力不足期望值TLOLH和系统的电量不足期望值WEENS作为评估发电系统可靠性的指标。笔者的另一篇文章就曾以TLOLH和WEENS为指标对我国5个大区电力系统和3个独立省网进行了发电系统可靠性的计算，并推荐了各系统的最优可靠性指标7。2算法实现如前所述，发电系统可靠性主要是进行电源与负荷之间的裕度分析，因此与电源的容量及发电量等许多因素有关，如电力系统检修计划，水电站的水文情况等。传统的可靠性计算方法仅考虑容量约束而不考虑电量约束，即单纯地考虑机组的故障情况，在电厂电量受约束的情况下会使计算结果有较大的偏差。电力系统随机生产模拟是一种模拟各机组生产情况，考虑机组的随机故障特性及水文特性（包含水电厂的预想8/9出力，平均出力或给定电量，强迫出力等），进而计算系统可靠性指标及系统生产成本的算法。这种方法的特点是在同时考虑机组的容量及电量约束的条件下，确定系统的最优运行状态，可以计算出燃料费用等经济性指标和TLOLH，WEENS等可靠性指标。与传统的发电系统可靠性计算方法相比，采用电力系统随机生产模拟的方法可以提供更多的信息量，更能反映电量约束等实际情况。我国有不少电力系统水电比重较大，各水电站在不同的月份及各水电站之间的来水有很大的区别，在枯水季节受来水量的限制，系统可能会有很大的空闲容量。用电力系统随机生产模拟的方法可以妥善地处理这些问题。有关电力系统随机生产模拟的基本概念和算法，特别是水电机组的模拟方法已在文献8，9中有详细论述，这里不再重复。以下仅对几个问题的处理加以说明。A由于水电机组的给定电量等数据大多是按月给出，因此随机生产模拟计算也是按月进行。逐月计算出系统的可靠性指标后，再汇总成全年的可靠性指标1。B根据文献9，水电机组的最优运行条件是机组的容量和电量都得到充分利用。当根据这个条件在负荷曲线上寻找水电机组的工作位置时，如果从基荷开始直到峰荷仍不能满足电量约束时，即给定电量不足，此时部分水电厂出现了空闲容量。为此，必须降低水电机组的工作容9/9量直到满足运行条件为止。这样相当于系统总的发电容量降低，系统可靠性指标TLOLH，WEENS等也会相应变化。而这一点是传统的可靠性计算方法无法精确考虑的，只有通