电力系统规划与可靠性-5 发电系统规划与可靠性(2011-10)

发电系统规划与可靠性内容安排电源结构及其特性分析发电系统的电力电量平衡裕度表与可靠性指标发电机组的可靠性模型电力负荷的可靠性模型发电系统裕度表的形成

电源结构电源结构就是指在电力系统中各种类型的电厂之间的发展比例。电力系统电源火电厂热电厂水电厂常规电源新兴电源风电厂核电站光伏电站影响电源结构的因素

受各地区动力资源储量及开发条件等制约。电力系统中负荷增长速度和分布情况对各种资源的开发有很大影响。各种电源本身的技术经济指标的影响。确定合理的电源结构的原则在确定电力系统电源结构时，应该遵循我国电力建设的有关方针政策，在以煤炭为基础的常规能源中，优先发展水电，核电积极起步和建设，鼓励风能、太阳能等可再生能源接入的方针。合理的选择各类电源根据负荷预测的结果，确定各规划水平年电力系统所需要的总装机容量；根据规划区内动力资源情况和负荷分布情况、可能发展速度及增长需要，选择具备建主电厂条件的电厂厂址。要优先确定下那些具有防洪、灌溉、航运等综合利用的水利枢纽用来发电的容量；对于现有的有条件扩建的电厂，应在技术经济比较的基础上确定其合理的扩建规模；以及根据热负荷情况确定的热电厂的容量。合理确定各种电厂在系统中的地位由于各类电厂的工作特性不同，因而他们在日负荷曲线上所承担的任务也不同。我们将电源也对应的分为三类：即承担基荷的电源、承担腰荷的电源、承担峰荷的电源。峰荷电源腰荷电源（1）抽水蓄能水电（6）不完全年调节水电（2）燃气轮机组（7）经济性较高的火电（3）日调节水电（4）多年调节水电（5）不经济火电基荷电源（8）经济性较高的火电（9）热电厂（10）核能电厂（11）径流式水电（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）（11）P6121824t(h)0各类电源在负荷曲线中的工作位置四、各类发电站的特性按照发电站的工作状况，可以分为：基荷发电站：核电站、大型火电厂、径流式水电站等；腰荷发电站：中型火电厂，部分水电站；峰荷发电站：水电站、抽水蓄能电站、小型火电厂、燃汽轮机电站等。火电站火电站背压式机组抽压式机组凝气式火电站（燃煤式火电站）供热式火电站（热电站）按汽轮机分火电站的运行特性

火电站的出力与发电量比较稳定。火电站有最小技术出力的限制。火电站机组启动技术复杂，且需耗费大量的燃料、电、化学水。此外，火电站负荷的调节非常缓慢。高温高压火电机组不宜经常启停，且只宜承担系统基荷，并在接近满负荷下运行。中温中压火电机组在必要时可担任腰荷或峰荷变动，但不经济。2、水电站1）坝式坝后式水电站：厂房建在坝下游，不承受上游水压，高坝河床式水电站：厂房成为挡水建筑的一部分，低坝获取水头图3-1-5坝式水电站(a)坝式水电站(b)河床式水电站1—抬高后的水位；2—原河；3—坝；4—厂房水力发电是利用天然水流的水能来生产电能，其发电功率与河流的落差及流量有关。根据开发河段的水文、地形、地质等自然条件，水电站可分为三类坝式水电站往往形成较大的水库，因而能进行流量调节（径流调节）。发电出力能比较好地符合电力系统的要求当不能形成径流调节所需的较大水库时，则只能按天然流量发电，称为径流式水电站。

图3-1-6引水式水电站(a)无压引水式水电站(b)有压引水式水电站1—引水道；2—原河；3—能坡线；4—厂房2）引水式无压引水式水电站：沿岸修筑坡降平缓的明渠或无压隧道来集中落差有压引水式水电站：用有压隧道或管道来集中落差引水式水电站不会形成水库，多为径流式水电站。3）混合式图3-1-7混合式水电站1—坝；2—引水道；3—厂房；4—能坡线大部分混合式水电站可以进行径流调节。

河段ABC有落差HAC。BC段上不宜建坝，但落差HBC可以利用。

水电站的运行特性水电站最突出的运行特性是其出力和发电量随天然径流量的情况而变化。水电站有时还可能由于水头太低，使水轮发电机达不到其额定出力。水电站的另一特点是启停机迅速方便。水电站适合在电力系统担任调峰和调频任务。水电站的运行费用几乎与生产的电量无关。3、核电站图3-1-8核电站的构成1—压水反应堆；2—堆芯；3—控制棒传动装置；4—一次回路；5—冷却剂桌；6—蒸汽发生器；7—二次回路；8—加压器；9—反应堆安全壳；10—高压气缸；11—低压气缸；12—发电机；13—脱水器；14—冷却水；15—冷凝器；16—冷凝水泵；17—给水加热器；18—给水泵；19—给水加热器；核电站的运行特性核电站的主要优点是核燃料以少胜多核电站需要连续地以额定功率运行，在电力系统中总是分担基荷。在有核电站的电力系统中需要设置较大的发电机组备用容量，并要求有抽水蓄能机组进行调峰配合。核电站在缺少能源且交通运输紧张的地区无疑具有广阔的发展前景。抽水蓄能电站按其运行周期可以分为：日抽水蓄能：以日为运行周期；周抽水蓄能：以周为运行周期；季抽水蓄能：将汛期多余水量抽蓄到上水库里，供枯水期增加发电量。

日抽水蓄能电站的工作情况抽水蓄能电站功能

运行灵活、可靠，主要用来移峰填谷担任系统备用容量担任系统调频任务使水电站更好地发挥综合利用效益发电系统的电力电量平衡电力系统的基本任务是可靠而经济地向用户提供高质量的电能。与其它工业相比，电力工业突出的特点是电能的生产、输送及消费同时进行，其产品难以贮存。因此，电力系统的可靠性就显得特别重要。发电系统是指一种理想的电力系统，其中电力网络绝对可靠而且容量不受限制。整个系统相当于只有一个节点，所有电源及负荷都集中在这个节点上。因此，发电系统的可靠性主要取决于发电机组的容量与负荷的平衡情况。长期以来，发电系统可靠性的考虑是以确定性原则为基础的。应用最广的准则是:发电系统的装机容量不应小于系统电力负荷的最大功率再加上它的一个固定百分数。用公式可表示为或者上式称为电力平衡方程式其中电力平衡的目的：确定系统所需要的发电设备容量确定各类发电站的建设规模及装机进度确定与其它电力系统联网的合理性电力平衡要求逐年进行，一般可选择水电枯水季节中负荷最大的一个月代表全年的情祝。在进行电力电量平衡时，系统负荷的最大功率应计入网损和发电厂的厂用电。网络损耗包括输电线路及变压器中的损耗，一般可按最大功率的6%-10%估计（当有远距离输电时取大值)。厂用电则应按电站类型分别计算。水电站的厂用电较小，通常在其发电出力的1%以下。火电厂的厂用电可达到其出力的5%-8%，核电站的厂用电率大致在4%-5%的范围内。确定备用容量Cr或备用系数r是电力平衡的关键增加备用容量固然可以改善供电可靠性，但同时也导致装机容量及投资费用的提高。如何在可靠性与经济性间作出合理的选择一直是规划设计和运行调度中的重要问题。根据我国电力建设的多年实践经验，把电力系统的备用容量划分为三个部分。负荷备用、事故备用、检修备用1.负荷备用原因1——调频需要电力系统运行时，由于负荷在不断变化，频率也随之波动。为了使系统频率在正常范围内，就必须保留一部分备用容量供系统进行调频。原因2——预测误差电力系统负荷与电源容量之间的供需平衡是事先预测和计划安排的。这种预测和计划不可能完全准确，实际运行中，电力系统还必须满足一些预计不到的负荷要求。因此，必须设置负荷备用。负菏备用可取系统最大负荷的2%-5%，大系统取小值，小系统取大值。2.事故备用系统运行时，由于偶然事故迫使发电机组退出运行的情况是难以避免的。为了在这种情况下仍能维持对电力用户的正常供电，需要设置事故备用容量。在规划时，一般取系统最大负荷的10%，并且要求事故备用容量不小于系统中一台最大发电机组的单机容量。3.检修备用在电力系统中必须使所有发电机组能按计划进行周期性的检修。火电机组大修周期为1-1.5年，检修时间大约为1个月。水电机组大修周期为2-3年，检修时间为20天左右。系统检修备用容量一般取系统最大负荷的8%-15%。总备用容量电力系统的总备用容量不低于最大负荷功率的20%。（仅供参考）当电力系统中水电机组比重较大时，除电力平衡以外，还要求逐年逐月进行电量平衡。其主要目的是:确定各代表水文年系统中各电站的发电量或发电设备利用小时数;确定水电站电量的利用程度，论证水电站装机容量的合理性;确定与其它电力系统交换电量的情况。电量平衡方程式

电量平衡方程式如下有时也将上式转化为月平均出力及月平均负荷功率的形式，在其两端除以一月小时数（730h），得

当系统中水电比重很大，或遇丰水期时，水电站的电量可能出现利用不充分的情况，这时就应该估算弃水电量。对于水电比重较大的系统，水电站的水文情况对电力系统运行及电力电量平衡有较大的影响。此时，需要考虑几种有代表性的水文条件进行电力电量平衡。裕度表与可靠性指标发电系统的裕度表发电系统的可靠性与其备用有关。备用容量愈大，系统愈可靠。在可靠性计算中我们将用裕度的概念代替备用容量。裕度是一个不确定的随机量，由下式定义M——系统的裕度；Wi——发电机组i的运行容量，为随机量，一般可取两个值：可用容量Ci或0，系统负荷功率，也是随机量正常运行时故障运行时发电系统的裕度表

日负荷曲线设该系统发电机组的总可用容量Cs=120MW系统的最大裕度发生在所有发电机组正常运行，且系统为最小负荷的情况下最大裕度=120-50=70MW

最小裕度则将出现于所有发电机组都处于故障停运状态，而系统又出现最大负荷时最小裕度=0-100=-100MW最大负荷为100MW最小负荷为50MW一般来说，系统裕度应在以下范围内变化Pmax——系统最大负荷功率；Pmin——系统最小负荷功率发电系统的裕度表分析发电系统可靠性的关键是求出裕度表，即计算出各种裕度出现的概率和频率；然后利用裕度表求出系统的可靠性指标以上述系统为例，获取电力系统的裕度表。为了便于分析计算，首先对裕度进行离散化。在计算中取一个步长⊿X，每隔⊿X取一个离散点进行计算。⊿X=10MW。由于裕度的范围为120MW到-100MW，故总共有23个离散点。表中第三列数字为累积概率Pi*，它表示系统裕度小于等于Xi的概率一般有又如，裕度小于等于80MW的概率为1.0，故裕度大于80MW的概率等于0，即该系统裕度不可能大于80MW。例如，裕度小于等于50MW的概率为0.792448。由此也可以推知，裕度大于50MW的概率等于1-0.792448=0.207552表中第四列为累积频率Fi*，即裕度小于等于Xi的发生次数例如，裕度小于50MW的频率为0.831259次/天。发电系统的可靠性指标就是由累积概率及累积频率给出的，应特别予以重视。表中第五列数字表示确切概率Pi，即裕度等于Xi的概率由累积概率的定义式知两式相减可得在表中我们未列出各种裕度的确切频率，因为它和发电系统可靠性没有直接关系。但是，需要指出，相邻两个累积频率之差并非裕度Xi的确切频率，即在一般情况下我们称fi为增量频率。fi的引出使裕度表的计算大为简化，但它本身并无明显的物理意义。同理有该式在以下的分析计算中非常有用。裕度表参数汇总累积概率确切概率累积频率增量频率发电系统可靠性指标衡量发电系统可靠性的主要判据是供电的充分性，即在计及发电机组随机停运后，系统运行容量满足负荷功率的情况。当裕度小于零时，发电系统就出现电力不足并被迫减少供电。发电系统可靠性分析就是以这个基本概念为基础的。1、电力不足概率（LOLP）电力不足概率是指发电系统裕度小于零的概率：LossofLoadProbability每天平均停电时间为：24×0.082889=1.989336(h)这种用停电时间表示的可靠性指标叫电力不足期望值LOLE。必须注意，计算LOLE有两种不同的方法：以年的365个日最大负荷组成的曲线进行计算，这样得到的LOLE的单位为天/年，用日负荷曲线计算，365日可以形成8760h的负荷曲线，这样求出的LOLE的单位为h/年。这两种计算方法的原始条件不同，它们计算出来的可靠性指标不能相互换算。LossofLoadExpectation2、电量不足期望值（EENS）电量不足期望值是指在研究周期内由于供电不足造成用户停电所损失电量的期望值，它的定义为式中Pi为裕度Xi的确切概率。根据确切概率与累积概率的关系，可以转换为以下的形式式中T为研究的周期，单位为hEnergyExpectationNotServedEENS是由于系统不可靠而使用户减少的用电量当已知每停1kWh电给国民经济造成的损失时，可进一步把EENS转换为经济指标，便于方案比较。目前已有不少电源优化模型在经济比较中计入了停电损失费用。3.频率及持续时问(F&D)有些电力用户，如连续生产的化学工业、冶金工业等对停电的频次很敏感。此外，停电的频次对计算机的应用也造成较大的危害。因此在90年代中期出现了发电系统的停电频率和持续时间的可靠性指标。停电的频率为发电系统裕度小于零的频率单位为次/年、次/日等。停电持续时间的定义为FrequencyandDurationLOLF=0.35776次/天LOLE=1.989336h4.系统-分(SM)EENS可用来计算停电损失费用，且便于方案比较，因此得到广泛的应用，成为发电系统重要的可靠性指标。但是该指标不便于对不同规模的系统可靠性进行比较，因此也难以规定统一的FENS标准。为此，又引出了SM指标，其定义为这里的EENS为全年的电量不足期望值，Pmax为系统的年最大负荷。因此SM的单位应为min/年。加拿大规定SM的标准为25min/年。System一Minutes可靠性指标与裕度表之间的关系电力不足概率（LOLP）电力不足期望值（LOLE）电量不足期望值（EENS）频率及持续时问(F&D)系统-分(SM)累积概率累积概率，确切概率累积频率发电机组的可靠性模型发电机组的可靠性模型从可靠性观点出发，所有的发电机组在其寿命期内由于各种技术原因都可能随机地被迫停运，然后通过修复重新投入运行，如此循环不已。为运行时间为故障停运时间，n为在寿命期内的故障次数。

与元件可靠性密切相关的参数

平均无故障工作时间MTTF平均修复时间(简称修复时间)MTTR平均故障间隔时间MTBF有了以上参数，即可建立描述发电机组可靠性的状态图运行状态的概率亦称为有效度，用A表示发电机组停运状态概率亦称无效度，用表示

强迫停运率（FOR）单位时间内从一状态转移到另一个状态的次数叫做转移率，它与某个状态的平均滞留时间有关，且为其倒数。从运行状态到停运状态的转移率(故障率，向下转移率)为

单位时间内从停运状态转移到运行状态的次数叫修复率(向上转移率)转移率修复率故障率发电机组在单位时间内发生故障的次数称为故障频率

设备故障特性统计数据表明，在设备的整个寿命期间，设备故障率与时间的典型关系曲线形似浴盆，又称为浴盆曲线。根据设备的寿命，故障率分三个阶段：早期故障期偶发故障期耗损故障期由前两式可推导得上式表明，发电机组的故障频率等于停运状态概率与修复率（向上转移率）的乘积。其实，这只不过是下述一般规律的一个特例:元件某一状态出现的频率等于该状态的确切概率与向其它状态总转移率的乘积。k状态的频率(确切频率);k状态的确切概率，k状态向J状态的转移率。以上介绍了有关发电机组元件可靠性的基本概念。在这里应着重指出以下几点:1）上述讨论都针对发电机组是两状态的情况，还有多状态发电机组的情况;2)发电机组的计划检修也属停运状态，但属于确定性事件，不在上述讨论范围内;3)以上公式及概念同样适用于任何两状态元件，如变压器、输电线等。现在我们来建立发电机组的可靠性模型。在这里所谓发电机组可靠性模型是指一台或多台发电机组各种容量状态的概率和频率表，通常称之为发电机组的停运表。设一台发电机组的可用容量为，强迫停运率FOR为;，修复时间为

，则其停运表如表所示。由强迫停运率求出发电机组运行的概率(有效度)，一般用Pi来表示这样就得到了表中的确切概率有关的一列。由累积概率的定义及式(3-14)可知表中为修复率，这里

，由式(3-31)知求出表中的确切频率式中，可由下式求出在发电机组的停运表中我们更感兴趣的是累积频率。一般情况下累积频率由增量频率求出。增量频率可直接由元件的状态图按下式计算对单台发电机组来说，由状态图可以得到运行状态的增量频率为同理，停运状态的增量频率为以上两个增量频率的绝对值相等。在求得增量频率以后，不难求出累积频率。发电机组在状态J的增量频率;发电机组在状态J的确切概率;发电机组在状态J的向上转移率;发电机组在状态J的向下转移率。【例】今有容量为30MW的发电机组，其故障率=0.4次/年，修复率=9.6次/年，试求其停运表。解：首先应选取步长

。在发电系统的可靠性计算中，其最终的目标是要建立系统裕度表，因此在选取步长时要考虑到系统其它发电机组的容量和负荷情况。一般步长

应取各发电机组容量及负荷功率的最大公约数。在这里我们取,因此停运表将包括4个离散点，如表所示。

其次，利用原始数据求发电机组有关可靠性参数。由式(3-33)求出强迫停运率q因此运行概率为如果把修复率单位转化为次/天，则同理知有了这些数据，就可以按照表3-2求出本例发电机组的停运表，表中的频率单位均为次/天。由表3-3知该发电机组故障频率为0.00105205次/天，相当于电力负荷的可靠性模型为了分析发电系统的可靠性，必须建立电力负荷的可靠性模型。从电力平衡观点来看，负荷可以看成是负的发电机组容量，因此也可用停运表的形式给出各负荷功率出现的概率和频率。首先，我们结合一个数字例来讨论如何由负荷曲线求得其累积概率。设有如图所示的负荷曲线，总的持续时间为T=6。最大负荷为70MW,最小负荷为30MW。负荷的概率模型各负荷的确切概率根据下式计算出累积概率负荷频率模型从系统裕度的观点来看，负荷可以当作负的发电机组容量。因此，负荷由小功率向大功率转移应定义为向下转移。反之为向上转移。设负荷功率

在某一点出现的时间为，当下一时间负荷升高（向大功率方向转移时)，向上转移率向下转移率该点的概率该点的增量频率应为同理，当下一时间负荷降低时可以推出该点的增量频率为由以上讨论可以看出，负荷在任何一个状态的增量频率的绝对值恒等于，而与其出现的时间无关。负荷

的总增量频率可由下式求出可得负荷

的累积频率为试对负荷曲线求负荷的累积频率表解为了计算方便，我们可令负荷曲线所代表的周期T为一个单位时间，这样负荷在任何一个状态的增量频率只能取-1和1两个值，前者对应于负荷增大，后者对应于负荷减小在本例中仍取

，这样就得到8个离散点。建立累积频率表的过程是从负荷曲线起始时刻向后逐点扫描的过程。负荷频率表的形成过程发电系统裕度表的形成发电系统是由一些发电机组和负荷构成的，本节将讨论由发电机组停运表及负荷停运表形成发电系统裕度表的原理及算法。在以下的讨论中假定各元件的状态是相互独立的。从数学上来说，两个相互独立随机事件A、B同时出现的概率等于各事件概率之积.设已知元件a、b的停运表，其确切概率分别为设步长为，则有为停运容量分别为a、b元件的容量假设这两个元件a、b，组成一个等效元件c.根据以上独立性的假定，元件a在状态和元件b在状态的确切概率应为增量频率可以表示为两个元件相互联结为一个元件时，通常有两种组合形式，我们称之为元件的并联和串联。发电系统可靠性的分析计算只涉及元件的并联组合，因此讨论元件的并联组合时的计算公式。并联系统的确切概率和累积概率两元件并联组合时，组合元件的停运容量等于两元件停运容量之和。因此组合元件c在的确切概率可以表示为

或者累积概率可表示为经整理可得

两元件并联系统的确切概率两元件并联系统的累积概率并联系统的增量频率和累积频率为了求出累积频率，首先应写出增量频率的表达式根据增量频率与累积频率之间的关系，累积频率为