CN102567650A - 电力系统充裕度评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统充裕度评估系统，包括发电容量充裕度评估模块、网络供电脆弱性评估模块和系统单元充裕度评估模块，系统单元充裕度模块又具体包括单元供电能力充裕度评估模块、单元送电能力充裕度评估模块和输电断面/通道输电能力充裕度评估模块。系统运行规划人员可以根据实际需要选择以确定性准则或概率风险准则作为充裕度评估标准。本评估系统丰富了电力系统充裕度评估的内容和指标，提高了评估的可行性与有效性，并且能够为系统运行规划提供科学依据，识别电力系统中存在的薄弱环节。

Description

电力系统充裕度评估系统

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，特别涉及一种电力系统充裕度评估系统。

背景技术

充裕度是描述电力系统可靠性和经济性的关键指标之一，可简单解释为“从基本状态出发朝着预定方向走多远即到达危险区域”。随着电力系统规模的不断扩大和运行特征的日趋复杂，现有的一些简单而易于手工计算的充裕度指标已经越来越难以满足现代电力系统规划和运行的实际需要。

发明内容

本发明针对上述问题，发展了一套电力系统充裕度评估系统，以丰富充裕度评估方面的指标，提高了充裕度评估的准确度和可信度。

本发明电力系统充裕度评估系统，包括发电容量充裕度评估模块、网络供电脆弱性评估模块和系统单元充裕度评估模块，

所述系统单元充裕度评估模块具体包括单元供电能力充裕度评估模块、单元送电能力充裕度评估模块和输电断面/通道输电能力模块，

所述单元供电能力充裕度评估模块的评估指标包括单元最大供电能力和单元供电能力裕度；

所述单元送电能力充裕度评估模块的评估指标包括单元最大送电能力、单元送电能力裕度和装机容量利用率；

所述输电断面/通道输电能力充裕度评估模块的评估指标包括输电断面/通道最大输电能力和输电断面/通道输电能力裕度。

优选地，还包括评估准则选择模块，用于提供确定性准则和概率风险准则的选择，所述发电容量充裕度评估模块和网络供电脆弱性评估模块按照所选的准则进行相应的充裕度评估，所述系统单元充裕度评估模块按照确定性准则进行充裕度评估。

优选地，

所述单元最大供电能力表示为：

$\max Q=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\ω}}_i\×L_i)$

$\mathrm{st}\left|P_l^s\right|\≤P_l^{\max }$

$V_i^{\min }\≤V_i\≤V_i^{\max }i=\mathrm{1,2},...,N_n$

$P_{G,i}^{\min }\≤P_{G,i}\≤P_{G,i}^{\max }$

所述单元最大送电能力表示为：

$\max \{P_{G,1},P_{G,2},...,P_{G,i},...,P_{G,N_G}\}$

$\mathrm{st}{P}_{G,i}\≤P_{G,i}^s$

${|P}_{i,j}|\≤P_{i,j}^{\max }$

所述输电断面/通道最大输电能力表示为：

$\max \underset{l\∈\mathrm{\Γ}}{\mathrm{\Σ}}{P}_l^s$

$\mathrm{st}\left|P_l^s\right|\≤P_l^{\max }$

$V_i^{\min }\≤V_i\≤V_i^{\max }i=\mathrm{1,2},...,N_n$

P_G，i和

分别表示机组i的实际出力和装机容量，P_i，j和

表示选定单元指定边界范围内节点i和j之间支路的实际潮流和支路容量，N_G表示选定单元中机组的数目，l为选定的输电断面/通道Γ的相关支路，

和

分别为支路l的实际潮流和容量上限，K表示选定单元中负荷节点的数目，Q_i、V_i、L_i和ω_i分别表示第i个负荷节点的供电能力、电压幅值、供电裕度和单位供电裕度价值。

优选地，所述单元送电能力充裕度评估模块用于通过在选定单元机组出力最大的前提下进行潮流计算的方式求解所述单元最大送电能力。

优选地，所述输电断面/通道输电能力充裕度评估模块采用重复潮流法求解所述输电断面/通道最大输电能力。

优选地，所述单元供电能力充裕度评估模块采用差异进化算法求解所述单元最大供电能力。

优选地，还包括输出模块，用于在客户端界面上展示所述发电量充裕度评估模块、网络供电脆弱性评估模块和系统单元充裕度评估模块的评估结果，所采用的展示方式包括界面数表展示、输出报表展示或地图可视化展示。

本发明电力系统充裕度评估系统，包括发电容量充裕度评估模块、网络供电脆弱性评估模块和系统单元充裕度评估模块，系统单元充裕度模块又具体包括单元供电能力充裕度评估模块、单元送电能力充裕度评估模块和输电断面/通道输电能力充裕度评估模块。系统运行规划人员可以根据实际需要选择以确定性准则或概率风险准则作为充裕度评估标准。本评估系统丰富了电力系统充裕度评估的内容和指标，提高了评估的可行性与有效性，并且能够为系统运行规划提供科学依据，识别电力系统中存在的薄弱环节。

附图说明

图1是本发明电力系统充裕度评估系统的结构示意图；

图2是电力系统的单元化结构示意图；

图3是广东电力系统2011年月度峰荷曲线；

图4是粤东地区潮流示意图；

图5是顺德站供电片区接线图。

具体实施方式

本发明电力系统充裕度评估系统，如图1所示，根据评估对象的不同，包括发电容量充裕度评估模块、网络供电脆弱性评估模块和系统单元充裕度评估模块三部分，三个模块独立进行相应的评估。

发电容量充裕度是指发电设备持续保持向用户提供足够的电力和电量需求的能力，而且在负荷高峰以及预期和适度未预期的发电设备故障时也能够保持这种能力。网络供电脆弱性是指系统在正常运行情况或各种随机因素作用下，系统承受干扰或故障的能力及系统不能维持正常运行的可能趋势及影响。

发电容量充裕度评估和供电脆弱性评估都是通过停电风险指标度量发电和输变电设备是否具有足够容量来维持向用户供电。在对实际电力系统进行安全分析时，往往还知道需要系统中某些部分与系统其余部分交换电力的能力，即“裕度程度”。因此，在本项目研究中，以“单元”充裕度评估这样的形式来实现节点、地区、全系统三个维度的裕度评估功能。从宏观上讲，电力系统可视为由不同单元组成的联合运行系统，如图2所示。一个单元往往包含一定数量的发电机组、输变电设备、负荷节点。单元充裕度研究主要包括单元供电能力充裕度、单元送电能力充裕度和输电断面/通道输电能力充裕度三个方面，即本发明所述的系统单元充裕度评估模块具体包括单元供电能力充裕度评估模块、单元送电能力充裕度评估模块和输电断面/通道输电能力模块，三个模块独立进行相应评估。

电力系统充裕度评估准则分为确定性准则和概率性风险准则。因此，作为一个优选的实施例，本发明还包括评估准则选择模块，用于提供确定性准则和概率风险准则的选择，发电容量充裕度评估模块和网络供电脆弱性评估模块按照所选的准则进行相应的充裕度评估，单元充裕度评估主要从工程实用化角度出发，因此采用确定性准则作为评估标准。

如表1所示，单元供电能力充裕度评估模块的评估指标包括单元最大供电能力和单元供电能力裕度；单元送电能力充裕度评估模块的评估指标包括单元最大送电能力、单元送电能力裕度和装机容量利用率；输电断面/通道输电能力充裕度评估模块的评估指标包括输电断面/通道最大输电能力和输电断面/通道输电能力裕度。

表1

发电单元送电能力充裕度评估的关键在于计算选定单元内电厂通过指定边界向外界及本地负荷提供电力的最大能力。该问题在数学上可描述为：

$\max \{P_{G,1},P_{G,2},...,P_{G,i},...,P_{G,N_G}\}$

$\mathrm{st}{P}_{G,i}\≤P_{G,i}^s---\left(1\right)$

${|P}_{i,j}|\≤P_{i,j}^{\max }$

式中：P_G，i和

分别为机组i的实际出力和装机容量；P_i，j和

为边界范围内节点i和j之间支路的实际潮流和支路容量。如图2所示，当选定的研究单位为单元3时，其约束支路包括了单元3内的所有支路以及Γ₂和Γ₇支路。

这个问题实际是在计及各发电机组容量约束和系统潮流约束的前提下，求取各机组的最大出力。因此，在实际计算时可首先将研究单位内的机组出力调至最大，然后进行潮流计算，若出现潮流越限，则根据一定的原则削减机组出力而达到求解式(1)所描述的数学模型的目的。这是一种启发式求解方法。假设支路n潮流越限，则机组出力削减原则为：

1)若支路n在基态情况下潮流越限

则该越限量可以由对这条支路潮流比较灵敏的相关机组通过调整出力来消除越限。

2)若支路n在N-1安全分析状态下潮流越限

则该越限量最终可由对这条支路潮流和对预想的停运支路b的潮流比较灵敏的相关机组通过共同调整出力来消除越限。首先将该越限量分配到支路n和支路b，方法如下：

$P_{\mathrm{off}}^{l,n}={\mathrm{\ΔP}}_{l,n}^N\×\frac{P_{l,n}^0}{P_{l,n}^0+{\mathrm{\ΔP}}_{n-b}},$ $P_{\mathrm{off}}^{l,b}={\mathrm{\ΔP}}_{l,n}^N\×\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{n-b}}{P_{l,n}^0+{\mathrm{\ΔP}}_{n-b}}---\left(2\right)$

式中：

和

分别为支路n和支路b承担的越限消除量；

和ΔP_n-b分别为基态情况下支路n的潮流和支路b停运情况下支路n向支路b的转移潮流。支路n和支路b分担的越限消除量通过灵敏度因子分配到具体电厂。

在实际计算时，通过定义支路-电厂消除越限量矩阵M来描述各机组的出力受限情况。M的行向量表示在一个输电通道阻塞下各个电厂需要削减的出力，其列向量表示一个电厂对各个输电通道需要削减的出力。M的形式为

$M=\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{\ΔP}}_1^1& {\mathrm{\ΔP}}_2^1& ...& {\mathrm{\ΔP}}_k^1& ...& {\mathrm{\ΔP}}_{N_P}^1\\ {\mathrm{\ΔP}}_1^2& {\mathrm{\ΔP}}_2^2& ...& {\mathrm{\ΔP}}_k^2& ...& {\mathrm{\ΔP}}_{N_P}^2\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ {\mathrm{\ΔP}}_1^n& {\mathrm{\ΔP}}_2^n& ...& {\mathrm{\ΔP}}_k^n& ...& {\mathrm{\ΔP}}_{N_P}^n\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ {\mathrm{\ΔP}}_1^{N_B}& {\mathrm{\ΔP}}_2^{N_B}& ...& {\mathrm{\ΔP}}_k^{N_B}& ...& {\mathrm{\ΔP}}_{N_P}^{N_B}\end{array}\right]---\left(3\right)$

式中：N_P为选定单元内所包括的电厂数目；N_B为所研究电厂相关的送电支路数目。

根据M，电厂k的出力调整量ΔP_k，d为

${\mathrm{\ΔP}}_{k,d}=\max \{{\mathrm{\ΔP}}_k^1,{\mathrm{\ΔP}}_k^2,...,{\mathrm{\ΔP}}_k^{N_B}\}---\left(4\right)$

根据表1中对送电能力充裕度指标的定义，即可计算得到单元装机容量利用率和送出能力裕度指标。

输电断面一般被定义为系统中潮流方向一致且为最小割集的一组输电支路集合，以此为基础已经发展了输电断面自动确定方法。但实际电力系统调度中心中所提到的输电断面经常不满足最小割集这一约束条件。因此，现有的输电断面自动确定方法得到的结果不能满足实际电力系统安全分析的需要。为此，这里对输电断面和输电通道这两个概念加以区分：a)输电通道：潮流方向基本一致的输电支路集合；b)输电断面：潮流方向基本一致且为最小割集的输电支路集合。这里，“潮流方向基本一致”指一些潮流很轻的支路的潮流流向可以不同。

在该模块中，除了提供输电断面/通道最大输电能力计算功能外，还提供系统输电断面自动识别功能，以期为系统运行规划人员提供系统运行的一些关键信息。

计算输电断面/通道最大输电能力的数学模型为

$\max \underset{l\∈\mathrm{\Γ}}{\mathrm{\Σ}}{P}_l^s$

$\mathrm{st}\left|P_l^s\right|\≤P_l^{\max }---\left(5\right)$

$V_i^{\min }\≤V_i\≤V_i^{\max }i=\mathrm{1,2},...,N_n$

式中：l为选定的输电断面/通道Γ的相关支路，

和

分别为支路l的实际潮流和容量上限。该问题可采用重复潮流方法求解，v_i、

分别表示第i个节点的电压幅值、电压幅值下限和电压幅值上限。

式(5)所描述的优化模型中并未包括对机组有功出力和负荷增长的约束，这主要是为了尽可能真实地反映所选定断面/通道设备的实际输电能力。

在求得选定断面/通道的最大输电能力后，采用表1中列出的定义即可得到最大输电能力和输电能力裕度指标。

类似地，负荷单元最大供电能力充裕度评估的关键环节在于最大供电能力计算。该问题在数学上可描述为：

$\max Q=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\ω}}_i\×L_i)$

$\mathrm{st}\left|P_l^s\right|\≤P_l^{\max }$

(6)

$V_i^{\min }\≤V_i\≤V_i^{\max }i=\mathrm{1,2},...,N_n$

$P_{G,i}^{\min }\≤P_{G,i}\≤P_{G,i}^{\max }$

式中：K为选中的负荷单元中负荷节点的数目；L_i和ω_i分别为其中第i个负荷节点的供电裕度和单位供电裕度价值。

对式(6)所描述的优化问题采用差异进化算法求解。将计算得到的最大供电能力代入表1中列出的供电能力裕度指标计算公式即可得到选定单元的负荷节点供电裕度。

作为一个优选的实施例，本系统还包括输出模块，用于将评估结果展示出来，可通过三种形式将评估结果在客户端界面上展示。

1)界面数表展示。评估指标直接在界面表格或文本控件中显示。

2)输出报表展示。通过C#与excel等office控件的交互，将指定的评估结果以一定的格式导入报表内，用户可直接对这些报表进行保存和操作。

3)地图可视化展示。通过C#的MapX接口，将计算结果反映于地理图上，并根据指标分布对不同地区加以颜色标识，为用户提供更加直观的体验。

下面以广东电力系统为例详细解释本发明

一、发电容量充裕度评估模块应用实例

利用发电容量充裕度评估模块的月度评估模式对广东电力系统2011年各月发电容量充裕度水平做了评估。月高峰负荷曲线如图3所示。

计算得到的2011年度1～12月份发电容量充裕度指标如表2所示。

表2

由表2可见，7月～9月份是负荷高峰期，存在着较为严重的电力电量不平衡风险。为了缓解供电压力，可通过错峰用电等措施平抑制负荷曲线。

二、供电脆弱性评估模块应用实例

应用网络供电脆弱性评估模块对2010年广东电力系统供电脆弱性进行评估分析，负荷水平取最高峰值负荷。假定预想事故为广东电力系统所有的500kV输电支路(线路和变压器)停运。

采用两种模式计算：

1)枚举模式。评估标准为确定性准则，评估结果如表3所示。

2)蒙特卡罗仿真模式。评估标准为概率性准则，评估结果如表4所示。

表3(表中的“-”表示维持概率只有系统指标，没有分区指标)

地区	供电负荷/MW	限电概率	维持概率	负荷损失功率期望值/MW	负荷损失率
						全网	64260.00	0.034	0.967	21.9339	0.034％
广州	11525.00	0.009	--	3.895	0.03％
						深圳	12067.00	0.017	--	14.928	0.12％
东莞	8858.00	0.007	--	0.926	0.01％
						佛山	7930.00	0.006	--	1.19	0.02％
江门	2610.00	0.002	--	0.995	0.04％

表4

广东电力系统的停电风险主要由于各地500kV下送主变容量不足所引起的。

由表3和表4可见，采用概率性准则得到的供电脆弱性指标相对于由确定性准则得到的指标要乐观些，这主要是由于系统处于正常运行状态的可能性很大。即使蒙特卡罗抽样中包括一些比较严重的预想事故，抽样得到的状态样本集中仍以正常状态为主。

三、单元送电能力充裕度评估模块应用实例

应用单元送电能力评估模块对2011年高峰负荷水平下粤东地区(包括潮州、汕头、揭阳、梅州、河源和汕尾，如图4所示)的送电能力充裕度进行评估分析。

2011年粤东地区总装机容量为20997.30MW，高峰负荷水平下计划出力15200.00MW。送电能力充裕度评估结果如表5所示。

统计范围	限出力总量/MW	送电能力裕度	装机容量利用率
				粤东	534.11	26.71％	96.40％
潮州	0	42.86％	100％
				汕头	366.30	31.87％	95.23％
汕尾	0	71.43％	100％
				梅州	0	29.55％	100％
河源	167.81	8.02％	89.61％

表5

在2011年高峰负荷水平下，粤东地区输电通道能够满足电能输送需求，并且具有一定的安全裕度。然而，由于某些电厂送出线容量偏低，造成部分电厂出力受限：

1)汕头电厂功率输出通道中的汕头厂-官隶线容量偏低，导致汕头厂出力受限，汕头厂总装机容量为1200MW，计划出力900MW，外送通道最大输出能力为833.70MW，无法完成预定发电计划。现有装机容量更无法被充分利用，存在“窝电”问题。

2)源和电厂功率输出通道中的仰天-联禾线容量偏低，导致源和电厂出力受限。源和厂总装机容量为1200MW，计划出力为1000MW，外送通道最大输出能力为1032.19MW。虽然能够完成预定发电计划并暂无“窝电”风险，但发电送出能力基本无裕度。

四、单元输电能力评估充裕度模块实例

首先导入excel形式的断面/通道报表，本发明的评估系统自动对断面/通道支路与2011年高峰负荷运行方式下的BPA模型支路进行匹配，并读取支路基态潮流、支路容量极限等数据。

选定“断面12(汕头-榕江双回线路)”，本评估系统自动读取断面的送端发电机和受端负荷节点信息。为保证系统安全性，添加汕头和榕江站500kV变压器支路作为断面/通道输电能力约束支路。计算表明，汕头-榕江双回输电通道的最大输电能力为2465.60MW。起作用约束主要为汕头-榕江线的N-1预想事故约束；此外，汕头站500kV主变也存在较高的过载风险。

五、单元供电能力充裕度评估模块实例

选取顺德站供电片区作为研究单元，该片区共包括6个220kV供电变电站和一个本地电厂，如图5所示，其总供电负荷为2235.00MW。

应用本发明的评估系统计算得到该片区的整体最大供电能力为2601.63MW，供电充裕度为14.09％。各220kV负荷站点的最大供电能力和供电裕度如表6所示。

由表6可知，受顺德站500kV下送主变容量约束，该片整体供电裕度水平偏低(旭升由于有德胜厂供电，供电裕度水平相对其它站点较高)。此外，在最优解所对应的状态下，顺德-世龙线在N-1预想事故情况下线路容量基本已无安全裕度。大良站的供电负荷主要由番禺-大良线、旭升-大良线提供，基态负荷状态下，番禺-大良线安全裕度已偏低，这也是制约大良站供电能力的一个关键因素。

在对广东电力系统进行运行规划时，应对这些因素进行协调处理，不仅要提高整体供电能力，也需要在各个站点间合理分配容量资源。

表6

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电力系统充裕度评估系统，其特征在于，包括发电容量充裕度评估模块、网络供电脆弱性评估模块和系统单元充裕度评估模块，

所述系统单元充裕度评估模块具体包括单元供电能力充裕度评估模块、单元送电能力充裕度评估模块和输电断面/通道输电能力模块，

所述单元供电能力充裕度评估模块的评估指标包括单元最大供电能力和单元供电能力裕度；

所述单元送电能力充裕度评估模块的评估指标包括单元最大送电能力、单元送电能力裕度和装机容量利用率；

所述输电断面/通道输电能力充裕度评估模块的评估指标包括输电断面/通道最大输电能力和输电断面/通道输电能力裕度。

2.根据权利要求1所述的电力系统充裕度评估系统，其特征在于，还包括评估准则选择模块，用于提供确定性准则和概率风险准则的选择，所述发电容量充裕度评估模块和网络供电脆弱性评估模块按照所选的准则进行相应的充裕度评估，所述系统单元充裕度评估模块按照确定性准则进行充裕度评估。

3.根据权利要求1或2所述的电力系统充裕度评估系统，其特征在于，

所述单元最大供电能力表示为：

$\max Q=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\ω}}_i\×L_i)$

$\mathrm{st}\left|P_l^s\right|\≤P_l^{\max }$

$V_i^{\min }\≤V_i\≤V_i^{\max }i=\mathrm{1,2},...,N_n$

$P_{G,i}^{\min }\≤P_{G,i}\≤P_{G,i}^{\max }$

所述单元最大送电能力表示为：

$\max \{P_{G,1},P_{G,2},...,P_{G,i},...,P_{G,N_G}\}$

$\mathrm{st}{P}_{G,i}\≤P_{G,i}^s$

${|P}_{i,j}|\≤P_{i,j}^{\max }$

所述输电断面/通道最大输电能力表示为：

$\max \underset{l\∈\mathrm{\Γ}}{\mathrm{\Σ}}{P}_l^s$

$\mathrm{st}\left|P_l^s\right|\≤P_l^{\max }$

$V_i^{\min }\≤V_i\≤V_i^{\max }i=\mathrm{1,2},...,N_n$

P_G，i和

分别表示机组i的实际出力和装机容量，P_i，j和

表示选定单元指定边界范围内节点i和j之间支路的实际潮流和支路容量，N_G表示选定单元中机组的数目，l为选定的输电断面/通道Γ的相关支路，

和

分别为支路l的实际潮流和容量上限，K表示选定单元中负荷节点的数目，Q_i、V_i、L_i和ω_i分别表示第i个负荷节点的供电能力、电压幅值、供电裕度和单位供电裕度价值。

4.根据权利要求3所述的电力系统充裕度评估系统，其特征在于，所述单元送电能力充裕度评估模块用于通过在选定单元机组出力最大的前提下进行潮流计算的方式求解所述单元最大送电能力。

5.根据权利要求3所述的电力系统充裕度评估系统，其特征在于，所述输电断面/通道输电能力充裕度评估模块采用重复潮流法求解所述输电断面/通道最大输电能力。

6.根据权利要求3所述的电力系统充裕度评估系统，其特征在于，所述单元供电能力充裕度评估模块采用差异进化算法求解所述单元最大供电能力。

7.根据权利要求1或2或4或5或6所述的电力系统充裕度评估系统，其特征在于，还包括输出模块，用于在客户端界面上展示所述发电量充裕度评估模块、网络供电脆弱性评估模块和系统单元充裕度评估模块的评估结果，所采用的展示方式包括界面数表展示、输出报表展示或地图可视化展示。

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