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1、多类型新能源发电综合消纳的关键技术电力系统规划与可靠性电力系统规划与可靠性发输电系统可靠性评估发输电系统可靠性评估2021/9/211本 节 提 纲2021/9/2121.输电网规划中的可靠性准则 国外电网规划中的可靠性准则介绍欧洲、北美、俄罗斯，共同特点：发生出现机率较高的单一故障时保证对用户电力的连续供给；发生严重的、出现机率较低的故障时，防止系统大面积的崩溃。我国输电网规划导则-电力系统稳定导则 N-1检验：（N-1N-1原则原则：正常运行方式下的电力系统中任一元件（如线路、发电机、变压器等）无故障或因故障断开，电力系统应能保持稳定运行和正常供电，其他元件不过负荷，电压和频率均在允许范围
2、内。这通常称为N1原则。N-1原则用于电力系统静态安全分析(单一元件无故障断开)，或动态安全分析(单一元件故障后断开的电力系统稳定性分析)。当发电厂仅有一回送出线路时，送出线路故障可能导致失去一台以上发电机组，此种情况也按N1原则考虑。）2021/9/2131.输电网规划中的可靠性准则严重故障校验：根据电网结构和特点进行校核。尤其不能造成大面积停电。未来发展方向 确定性校核（N-1，严重故障校验）+风险评价效益成本分析2021/9/2142.输电网规划中可靠性分析和故障排序 N-1 N-1分析目的：分析目的：全部线路中任意开断一跳线路后，系统的各项运行指标仍能满足给定的要求。规划初期，主要使网
3、络不出现过负荷，既满足安全输送电力的要求。N-1主要用于过负荷检验。暂态校核通过故障帅选。不满足标准：不满足标准：引起系统其它线路出现过负荷过负荷或者系统解列 处理方法：处理方法：扩展规划，重新校核。故障排序方法：故障排序方法：元件多导致N-1计算量很大。因此采用故障排序的方法，把严重的故障排前面，对系统影响不大的排后面。校验故障时从前面取。怎样衡量什么故障对系统影响较大呢？2021/9/2152.输电网规划中可靠性分析和故障排序 Pl为线路有功潮流，为线路传输功率。当系统中没有过负荷时，小于1，PI 指标较小。当系统中有过负荷时，过负荷线路的 大于1，正的指数项将使PI指标变大。因此这个指数
4、可以概括的反应系统安全性。为了突出地反映系统过负荷的情况，甚至可以用高次指数项代替式中的平方项。通过分析PI指标对各线路导纳变化的灵敏度就可以反映出相应线路故障对系统安全性的影响。建立平价的标量指标：建立平价的标量指标：2021/9/2162.输电网规划中可靠性分析和故障排序 该指标的值越大，PI增加的越多，说明线路K故障引起系统过负荷的可能性越大。通过求解每条线路故障的PI的变化值，变化大的排前面，扫描N-1从前面开始，后面值小的可以忽略。灵敏度就可以反映出相应线路故障对系统安全性的影响。当线路当线路K K故障时，故障时，PIPI指标的变化为：指标的变化为：2021/9/2173.发输电系统
5、概率可靠性评价上述的N-1静态或者暂态分析都是在特定的场景下的。都是确定性准则，没有量化考虑故障发生的概率。（概率大-后果不严重），因此采用基于概率指标的方案对比分析，综合考虑概率和后果两个因素。评价模型和边界条件评价模型和边界条件：发输电系统中包括位于不同地点的发电机和负荷，以及输电网。如果发电机全部可用，有可能由于线路单一或多重失效引起电压越线而消减负荷。因此中间涉及潮流计算、故障分析以及消除过载、发电重新调度、消减负荷和切换开关的校正措施。-比较复杂比较复杂3.1 概述2021/9/218 发输电系统可靠性是指统一并网运行的发电系统和输电系统综合组成的发输电系统，按可接受标准和期望数量向
6、供应点供应电力和电能量的能力的度量。包括充裕性和安全性充裕性和安全性两个方面。充裕性充裕性是对系统的静态特性进行概率评价；安全性安全性则是对系统的动态特性进行评价。发输电系统风险评估的系统分析并非是简单的连通性问题并非是简单的连通性问题,它涉及到潮流计算潮流计算、故障分析故障分析以及诸如消除过载消除过载、发电重新调度、负荷削发电重新调度、负荷削减和切换操作等校正措施。减和切换操作等校正措施。其系统状态选择中需要考虑的问题有：系统元件的独立停运，共因、电站相关和其他相关停运，气候影响，母线负荷的不确定性和相关性，降额状态模拟，以及系统的其他约束条件等。3.发输电系统概率可靠性评价2021/9/2
7、193.发输电系统概率可靠性评价发输电系统可靠性评估随其要求和目的不同，存在以下三种情况：1.发电和输电元件失效均被考虑发电和输电元件失效均被考虑，这是一种常见的情况。2.只考虑输电元件的失效只考虑输电元件的失效，而假设发电机组100%可靠，这既是输电系统的评估。在这种情况下，针对特殊的研究目的，某些变电站电气主接线也可以并入到系统评估中一起加以考虑。3.只考虑发电机组的失效只考虑发电机组的失效，而假设输电元件100%可靠。应当清楚，这种情况与发电-负荷需求系统风险评估并不相同，因为在这里的评估中仍然要考虑输电网的约束。2021/9/2110 3.2 3.2 充裕度评价的指标体系充裕度评价的指
8、标体系 充裕度指标分成负荷点指标和系统指标两类。切负荷概率PLC S是有切负荷的系统状态集合；是系统状态i的持续时间，T为总模拟时间。切负荷频率EFLC 是有切负荷的状态数。2021/9/2111充裕度评价的指标体系(续）切负荷持续时间EDLC 每次切负荷持续时间ADLC 负荷切除期望值ELC 电量不足期望值EENS2021/9/21123.3 3.3 评估方法评估方法基本步骤：基本步骤：1)元件失效模型2)负荷曲线模型3)故障分析4)负荷削减的最优化模型5)状态枚举6)状态抽样法非序贯蒙特卡罗仿真2021/9/21131)1)基本步骤基本步骤发输电系统风险评估主要包括四个方面：发输电系统风险
9、评估主要包括四个方面：1.确定元件失效模型和负荷模型；确定元件失效模型和负荷模型；2.选择系统状态；选择系统状态；3.识别并分析系统问题；识别并分析系统问题；4.进行可靠性指标计算。进行可靠性指标计算。方法：状态枚举和蒙特卡罗仿真方法：状态枚举和蒙特卡罗仿真2021/9/21142)2)元件失效模型元件失效模型n发电机组使用两态（运行和停运）或多态（计入降额状态）模型来模拟。当使用蒙特卡罗模拟法时使用蒙特卡罗模拟法时，所有发电机的状态或状态转移都可直接抽样而无需简化；当使用状态枚举法时状态枚举法时，系统状态数随发电机台数及其降额状态数呈指数增长；n输电元件包括架空线路、电缆、变压器、电容器和电
10、抗器等，通常用两状态（运行和停运）模型来模拟这些元件；n高压直流输电（HVDC）线路有时要求用多态模型来计入一个或多个降额状态；2021/9/21153)3)负荷曲线模型负荷曲线模型n当使用序贯蒙特卡罗仿真时，直接利用时序负荷曲线作为负荷模型；对于状态枚举法或状态抽样法，则利用非时序负荷曲线。使用单一负荷曲线；某些母线上的负荷可能在全部研究时间内保持恒定；将各个母线负荷按其遵循的不同负荷曲线分类为相应的母线组；2021/9/21164)4)故障分析故障分析 发电机组的预想故障分析简单直观。如果在每个发电机母线上余下的发电容量可以弥补同一母线上由于失去发电机而引起的不可用容量，则无需削减负荷；否
11、则，就应当使用最优化潮流模型来研究发电容量的重新调度。输电预想故障分析较为复杂。其目的是计算一个或多个元件失效后的线路潮流和母线电压，以识别是否引起线路过载、电压越限、母线孤立或系统分离成孤岛等问题。发输电系统风险评估中常用的分析输电故障的两个基本方法。2021/9/2117 基于交流潮流的灵敏度法 研究一个输电系统中线路ij停运情况，假设ij停运前两端的潮流是 和 ，停运前母线i和j上有两个外加注入功率，用 和 表示。如果外加注入功率完全与线路ij的停运等效。可以证明，线路ij的潮流和停运前状态的外加注入功率存在以下关系：2021/9/2118 在母线i和j的这一外加注入功率可通过求解上述方
12、程得出。然后可求解下式获得由线路ij停运引起的母线电压幅值增量和相角增量：式中，是停运前状态的潮流方程雅克比矩阵；是电压幅值增量，它的元素 ；是电压相角增量矢量，其元素是 ，定义如下：得到母线电压后，即可计算线路ij停运后的线路潮流。类似方法可以适用于多条线路停运的情况。基于交流潮流的灵敏度法（续）2021/9/2119基于直流潮流的故障分析 基于直流潮流的预想故障分析提供线路停运后快速而有足够精度的有功潮流，风险评估中需要考虑大量的这种停运情况。多重线路停运后的节点阻抗矩阵可以由停运前的节点阻抗矩阵直接计算：式中，、分别是线路停运前和停运后的节点阻抗矩阵，其中忽略了全部线路的电阻；括号中的0
13、和S分别表示系统正常和停运状态；W是对角线矩阵，其中的对角线元素是停运线路的电抗；M是由节点-线路关联矩阵中对应于停运线路的列所组成的子矩阵。2021/9/2120基于直流潮流的故障分析 线路停运后的潮流可由下式计算：是停运状态的有功潮流矢量；PG和PD分别是发电输出和负荷功率矢量；是停运状态S的有功潮流和注入功率间的关系矩阵，其第m行可计算如下：是线路m的电抗；下标r和q分别表示线路m的两端节点编号；和 分别是 的第r和第q行。2021/9/21215）负荷削减的最优化模型当停运引起系统问题时，通过专门的最优潮流（OPF）模型进行发电重新调度，以消除系统约束违限；同时尽可能避免负荷削减，或者
14、在无法避免时使负荷削减最小。有两种模型：基于交流潮流的最优潮流模型 基于直流潮流的最优潮流模型2021/9/2122基于交流潮流的最优潮流模型 是母线是母线i的负荷削减量；的负荷削减量；ND、NG、N和和L分别是系统中负荷母线、分别是系统中负荷母线、发电母线、所有母线以及所有支路的集合。发电母线、所有母线以及所有支路的集合。2021/9/2123 基于直流潮流的最优潮流模型 与基于交流潮流的最优潮流模型相比，直流模型中略去了全部与无功功率相关的量。大量计算表明，对发输电系统风险评估而言，这是一个可接受的合理简化。2021/9/21246）状态枚举法 主要步骤如下：1.建立多级水平负荷模型，对每
15、一级负荷水平进行枚举；2.利用枚举技术选择系统状态；3.进行预想故障分析；风险指标计算公式：负荷削减概率PLC 是状态s的概率；是多级负荷模型中第i个负荷水平下系统全部失效状态的集合；是第i个负荷水平的时间长度；NL是负荷水平分级数；T是负荷曲线的时间期间全长。期望缺电电量EENS 是状态s的负荷削减量。2021/9/2125状态枚举法（续）期望负荷削减频率期望负荷削减频率EELC 是元件离开状态是元件离开状态s的第的第j个转移率；个转移率；是离开状态是离开状态s的转移率总数。的转移率总数。负荷削减平均持续时间负荷削减平均持续时间ADLC实际应用状态枚举法应注意：实际应用状态枚举法应注意：（1
16、）所有被枚举的系统状态之间必须是互斥的；）所有被枚举的系统状态之间必须是互斥的；（2）对于包含有大量元件的系统，要枚举所有的系统状态在计算上是不）对于包含有大量元件的系统，要枚举所有的系统状态在计算上是不现实的。现实的。（3）状态枚举法不能模拟时序相关事件。）状态枚举法不能模拟时序相关事件。2021/9/21267）状态抽样法非序贯蒙特卡罗仿真 状态抽样法常常用于发输电系统风险评估，尤其是适用于研究复杂运行措施和模拟负荷不确定性和相关性，或研究气候影响等特殊要求的情况。主要步骤如下：1.建立多级水平负荷模型，对每一级负荷水平进行枚举；2.利用蒙特卡罗模拟选择系统状态；利用正态分布随机变量以计及
17、母线负荷的不确定性；元件状态（运行、停运或降额）利用均匀分布随机变量来模拟；3.进行预想故障分析，如果必要则还要进行最优潮流分析，以估计所选择状态需要削减的负荷量；2021/9/2127状态抽样法非序贯蒙特卡罗仿真（续）4.主要风险指标计算公式负荷削减概率PLC 是抽样中状态s的发生数；是抽样总数。期望缺电电量EENS期望负荷削减频率EELC负荷削减平均持续时间ADLC2021/9/21283.4 3.4 算例分析算例分析状态枚举法例子状态枚举法例子例（输电系统可靠性分析）：系统接线图如下图所示，各母线节点的发电、负荷数据和输电线路数据如表。发电和负荷母线数据发电和负荷母线数据母线号母线号发电
18、发电负荷负荷额定容量额定容量MW调度出力调度出力MW%MW110010010.58020031.624032002005.24040021.116050031.6240675046000总计总计10507601007602021/9/2129输电线路数据输电线路数据线路号线路号母线节点起至号母线节点起至号长度长度Km阻抗阻抗最大传输容量最大传输容量MWRX11-2400.10.410021-4600.150.68031-5200.050.210042-3200.050.210052-4400.10.410062-6300.080.310072-6300.080.310082-6300.080.
19、310093-5200.050.2100103-5200.050.2100114-6300.080.3100124-6300.080.3100135-6610.150.611002021/9/2130停运停运线路号线路号母线母线节点号节点号LSC系统供电能系统供电能力不足力不足MW正常正常875011-2867 021-4865031-5879042-3879052-4874062-67362472-67362482-67362493-58030103-58030114-6649111124-6649111135-67910确定导致系统故障的事件确定导致系统故障的事件 停运线停运线路号路号原始
20、数据原始数据MTTR(h)MTBF(h)停运率停运率正常正常00.6450021182000.04 0.0268751 0.0033593928133.30.06 0.0411704 0.00514629384000.02 0.0131633 0.00164541484000.02 0.0131633 0.00164541582000.04 0.0268751 0.0033593968266.70.03 0.0199485 0.0024935778266.70.03 0.0199485 0.0024935788266.70.03 0.0199485 0.00249357984000.02 0.
21、0131633 0.001645411084000.02 0.0131633 0.00164541118266.70.03 0.0199485 0.00249357128266.70.03 0.0199485 0.00249357138133.30.06 0.0411704 0.00514629 系统停运数据及状态概率、状态频率系统停运数据及状态概率、状态频率2021/9/2131算例分析状态枚举法例子计算结果(续1)确定性可靠性指标 发电利用系数 输电储备系数 最小负荷供应能力 MW 最大电力不足 MW 最大电量不足 kWh 2021/9/2132概率性可靠性指标电力不足概率（LOLP）电力
22、不足频率（FLOL）电量不足期望值（EENS）单位负荷缺电率（BPII）单位负荷电量不足率（BPECI）算例分析状态枚举法例子计算结果(续2)2021/9/21333.4 算例分析状态抽样法算例IEEE-RTS年度化指标蒙特卡罗法和状态枚举法计算结果比较可靠性指标蒙特卡罗仿真状态枚举样本数目发电机停运层次100001000004层5层ENLC54.7534257.9268147.9665354.21938EDLC698.88737.23102657.78259711.28967PLC0.080.084390.07530.08142EDNS13.9704514.8720811.9938313.7
23、6009EENS122045.8828129922.4688104778.1046120208.1172BPII3.336523.640422.613513.21786BPECI42.8231145.5868336.7642642.17828PBACI173.67123179.10896155.28572169.14433MBPCI0.00490.005220.004210.00483SI2569.386722735.209472205.855222530.69702CPU time（min）0.6236.5518.353.32021/9/2134IEEE-RTS79、IEEE-RTS96和T
24、H-RTS2000介绍 IEEE-RTS79IEEE-RTS79和和IEEE-IEEE-RTS96RTS96是美国电气电子工程师是美国电气电子工程师学会（学会（IEEEIEEE）公布的两个发输）公布的两个发输电测试系统。电测试系统。TH-RTS2000TH-RTS2000是清华大学是清华大学为了在国内建立起完整的电力为了在国内建立起完整的电力系统可靠性研究和应用体系，系统可靠性研究和应用体系，而于而于20002000年建立的系统。年建立的系统。序号序号项目名称项目名称IEEE-RTS79IEEE-RTS961发表年份发表年份197919962单机容量单机容量/MW12400124003发电机台数发电机台数32964总装机容量总装机容量/MW3405102155母线条数母线条数24736线路条数线路条数331047变压器台数变压器台数5168电抗器台数电抗器台数139年最大负荷年最大负荷/MW2850855010电压等级电压等级/kVAC:138/230AC:138/230加加DC输输电线电线2021/9/21353.1IEEE-RTS793.1IEEE-RTS79、IEEE-RTS96IEEE-RTS96和和TH-RTS2000TH-RTS2000介绍介绍 2021/9/2136