CN103944159B - 含风电的电力系统规划中检修备用容量确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种含风电的电力系统规划中检修备用容量确定方法，考虑了风电和检修需求不确定对检修备用容量的影响，解决了电力系统规划中风电和检修需求的不确定性对检修备用容量确定带来的问题；通过楚列斯基分法处理风电场风速相关性，考虑风电的容量价值，将风电出力等效为负的负荷，根据提出的指标——风电造成的检修备用容量不足概率来确定含风电的电力系统检修备用容量；对于机组的检修需求不确定性，认为同种类型机组具有相同的检修需求，只考虑不同类型机组的检修需求来处理机组检修需求的不确定性。该发明为系统进行电源规划、电网规划及电力电量平衡分析打下基础。

Description

含风电的电力系统规划中检修备用容量确定方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，特别涉及一种含风电的电力系统规划中检修备用容量确定方法。

背景技术

为了保证电力系统中机组的正常工作，系统中的机组要定期检修。检修是有计划进行的，可尽量安排在用电负荷低落时期进行。但如果负荷低落时不能安排全部机组检修，则需要设置专门的备用容量，称为检修备用容量。在电力系统规划领域，特别是电源规划、电网规划和能源经济分析领域中，都很重视电力系统检修备用容量的评估。目前涉及到发电机组检修方面的问题，主要的解决方法是等备用法。由于该方法概念简明、原理直观、计算工作量少，因而在电力系统规划和运行部门得到了广泛的应用。

对电力系统规划而言，无法给出未来几年的机组的准确检修需求。但是传统等备用法对机组检修需求，即检修等级和时间具有高度的依赖性，这给等备用法的应用带来了一定的困难，进而无法进行电力系统规划中检修备用容量的评估。

近年来，我国风电开发规模持续快速增长，“十一五”期间，风电装机容量年均增速接近100%。我国已建成多个连片开发，装机规模达到数百万千瓦的风电基地，规模化开发格局初步形成。然而，风电出力具有随机性和间歇性特点，风电出力的波动幅度大，波动频率无规律性，而且风速具有季节分布特性，夏季风速小，冬季风速大。在考虑风电容量价值的前提下，将风电等效为负的负荷后会使得系统全年负荷的峰谷差进一步加大，更有利于利用负荷下降阶段安排机组的检修。因此，在规划系统的检修备用容量时，需要的检修备用容量相应的小。但是在规划阶段考虑风电波动性和不确定性，每次生成的风速不同会造成检修备用容量评估结果的不同，需要确定一种评估含风电的系统检修备用容量的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含风电的电力系统规划中检修备用容量确定方法，解决在检修需求不确定和风电接入的情况下如何确定电力系统的检修备用容量的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

含风电的电力系统规划中检修备用容量确定方法，包括以下步骤：

S1、采集含风电的电力系统装机规模、负荷数据、机组类型、各类常规机组A、B、C类检修时间、机组容量数据以及风电场风速相关性数据；

S2、考虑风电场风速相关性的风电场出力建模：

风速的分布用威布尔分布来描述:

$\mathrm{\φ}\left(v\right)=\frac{k}{c}{\left(\frac{v}{c}\right)}^{k-1}\exp [-{\left(\frac{v}{c}\right)}^k]---\left(2\right)$

式中，v为平均风速，c为尺度系数，反映的是该地区平均风速的大小，k为形状系数，反映的是风速分布的特点；

1）根据威布尔分布，利用反变换法根据式（3）产生多风场不具有相关性的风速向量；

v_i=c[-ln(x_i)]^1/k（3）

2）从该风速向量中减去风速均值向量并除以风速的方差得到向量z；

3）根据风电场风速相关性数据，应用楚列斯基分解法形成具有指定相关性的风速（图3）；

4）根据风速计算风电机组处出力P_windt；

S3、建立检修备用容量的模型；

模型为：

$\min \sqrt{\frac{1}{T}\left(\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{(R_t-R_e)}^2\right)}---\left(4\right)$

该式为电力系统备用容量的标准差最小值，目的是使检修周期内系统每个检修时段的备用容量尽可能相等；式中：T为检修周期；R_t为第t时段内电力系统备用容量，表达式见（5）；R_e为检修周期T内各个时间段备用容量的平均值；

R_t=P_capacity-P_mct-(P_Lt-P_windt)（5）

其中，P_capacity为电力系统常规机组装机容量，P_windt为t时段风电机组出力，P_mct为t时段检修容量，P_Lt为t时段负荷，对于风电考虑其容量价值，等效为负的负荷；

S4、构建检修备用容量模型的约束条件；

1)检修活动的连续性：一台机组开始检修后必须在连续的期间内完成，即

$\underset{t=t_u}{\overset{t_u+S_u-1}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{ut}}=S_u---\left(6\right)$

式中，u表示第u台发电机组，m_ut表示机组检修状态，取0表示在时段t内无检修，取1表示在时段t内检修，t_u表示检修开始时段，S_u表示检修持续时段；

2)检修班组约束：同一电厂在同一时段内不能安排两台发电机组检修；

$\underset{u\∈V_r}{\mathrm{\Σ}}{m}_{\mathrm{ut}}\≤V_{\mathrm{rt}}---\left(7\right)$

式中，u表示第u台发电机组，m_ut表示机组检修状态，V_rt表示检修班组V_r在t时段可同时检修的发电机组最多台数；

3)机组u两次检修之间的最小间隔：设此间隔期间为B旬，则

t_u2-(t_u1+S_u1)≥B（8）

式中，t_u1和t_u2分别为第一次和第二次检修的起始时间；S_u1第一次检修的持续时间；

4)检修期间约束：指机组u的检修必须在一给定的期间内进行；

$\begin{array}{c}{T}_{+}^{-}\≤t_u\≤T_u^{+}\\ T_u^{+}-T_u^{-}+1\≥S_u-1\end{array}---\left(9\right)$

式中：和分别为第u台机组可以安排检修的起始时间和结束时间，S_u表示检修持续时间；

S5、检修备用容量的模型建立后，将电力系统中所有常规机组按容量大小排列，根据等备用原则运用启发式方法对检修备用容量的模型进行求解，每次模拟下求解得到的结果作为确定检修备用容量的参考数据；

S6、本发明为了解决风电接入后的检修备用容量确定问题，提出了风电造成的检修备用容量不足概率(WindPowerCausedLossofMaintenanceReserveCapacityProbability,WPLOMRCP)指标确定风电接入后系统所需预留的检修备用容量；计算检修备用容量不足概率WPLOMRCP指标确定风电接入后系统所需预留的检修备用容量；

MRCNS_i=max{0,F_t(x_i,P_Lt)-SSMRC_t}（10）

$\mathrm{WPLOMRCP}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\left({\mathrm{MRCNS}}_i\right)}{N}---\left(11\right)$

其中，N为总模拟次数，SSMRC_t为装机控制时段电力系统设定的检修备用容量，F_t(x_i,P_Lt)为第i次模拟下计算得到的检修备用容量；I_i为一个指示变量，表达式见（12）；

$I_i=\left\{\begin{array}{cc}0& {\mathrm{MRCNS}}_i=0\\ 1& {\mathrm{MRCNS}}_i>0\end{array}\right.---\left(12\right)$

当第i次模拟下计算得到的充裕指标WPLOMRCP的方差系数不收敛，转入步骤S2进行第i+1次模拟计算检修备用容量；直到第N次模拟下计算得到的充裕指标WPLOMRCP的方差系数收敛，获得装机控制时段电力系统设定的检修备用容量下对应的充裕指标WPLOMRCP；

S7、改变装机控制时段电力系统设定的检修备用容量SSMRC_t，重复步骤S2至S6，获得多个装机控制时段电力系统设定的检修备用容量下对应的充裕指标WPLOMRCP；绘制WPLOMRCP指标随设定的检修备用容量变化的曲线。

本发明进一步的改进在于：从WPLOMRCP指标随设定的检修备用容量变化的曲线中选取充裕指标WPLOMRCP为0.01时所对应的检修备用容量为含风电的电力系统规划中检修备用容量。

本发明进一步的改进在于：步骤S1中各类常规机组进行了检修需求不确定性处理；检修需求不确定性处理的表达式见（1）；

$T_i=\frac{p\left(A\right)\·T_i\left(A\right)+p\left(B\right)\·T_i\left(B\right)+p\left(C\right)\·T_i\left(C\right)}{T_{\mathrm{icycle}}}---\left(1\right)$

式中，i为机组类型，i=1表示火电机组，i=2表示水电机组，i=3表示气电机组，i=4表示抽水蓄能机组；T为相同类型机组的检修时间，p(A)、p(B)和p(C)分别为机组进行A、B、C类检修的概率，T(A)、T(B)、T(C)分别为机组进行A、B、C类检修所需时间；T_cycle为机组的检修周期，T_cycle=5，p(A)=0.2，p(B)=0.2，p(C)=0.6。

本发明进一步的改进在于：步骤S1中将火电机组按容量细分为3类：第一类火电机组、第二类火电机组和第三类火电机组；第一类火电机组的功率P>600MW，第二类火电机组的功率P∈[350MW,600MW]机组，第三类火电机组的功率P<350MW；第一类火电机组、第二类火电机组和第三类火电机组经过检修需求不确定性处理后的检修需求分别为41天、32天和25天。

处理机组检修需求不确定性问题：

本发明考虑到确定检修备用容量在规模庞大的电力系统中才有意义的情况，针对检修需求不确定性，提出了一种处理检修需求不确定的方法。该方法是在电力系统规模庞大的前提下提出的，认为相同类型机组的检修需求相同，只考虑不同类型机组的检修需求差异，检修需求表达式见（1）。

$T_i=\frac{p\left(A\right)\&CenterDot;T_i\left(A\right)+p\left(B\right)\&CenterDot;T_i\left(B\right)+p\left(C\right)\&CenterDot;T_i\left(C\right)}{T_{\mathrm{icycle}}}---\left(1\right)$

式中，i为机组类型，i=1表示火电机组，i=2表示水电机组，i=3表示气电机组，i=4表示抽水蓄能机组，由于核电机组的检修是和换料同时进行的，暂不考虑。T为相同类型机组的检修时间，p(A)、p(B)和p(C)分别为机组进行A、B、C类检修的概率，T(A)、T(B)、T(C)分别为机组进行A、B、C类检修所需时间，由于D类检修不涉及到机组的停机问题，在此暂不予考虑。T_cycle为机组的检修周期。根据发电企业检修设备导则，T_cycle=5，p(A)=0.2，p(B)=0.2，p(C)=0.6

本发明中检修备用容量优选为充裕指标WPLOMRCP为0.01时所对应的检修备用容量。

同时，也可以从曲线中根据系统可承受的WPLOMRCP指标选取相应的检修备用容量。

现对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明考虑了风电和检修需求不确定对检修备用容量的影响，解决了电力系统规划中风电和检修需求的不确定性对检修备用容量确定带来的问题。通过楚列斯基分法处理风电场风速相关性，考虑风电的容量价值，将风电出力等效为负的负荷，根据提出的指标——风电造成的检修备用容量不足概率来确定含风电的电力系统检修备用容量；对于机组的检修需求不确定性，认为同种类型机组具有相同的检修需求，只考虑不同类型机组的检修需求来处理机组检修需求的不确定性。

由于现阶段没有含风电的规划阶段检修备用容量确定方法，使得系统只能粗略的确定系统的检修备用容量，而粗略的确定会造成系统电力缺额或者电力过于充足，造成资源的浪费。通过本发明，可以得到含风电和检修需求不确定的情况下得到系统需要设置的检修备用容量，进而可以从电力电量平衡的角度确定规划阶段的装机容量，使得机组的建设更加合理，减少之前由于粗略确定检修备用容量造成的资源浪费，效益显著。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明含风电的电力系统检修备用容量确定方法流程图；

图2是实施例的负荷数据图；

图3是风速相关性模拟结果图；

图4是风电造成的检修备用容量不足概率随系统设定的检修备用容量变化曲线图。

具体实施方式

本发明提出了一种含风电的电力系统规划中检修备用容量确定方法，流程图如图1所示。

该实施例的含风电的电力系统中共有40个火电厂、15个气电厂和5个水电厂，共180台机组，两个装机容量分别为3000MW的风电场。该实施例的检修周期为36旬，旬负荷曲线如图2所示，可以看出，系统的装机控制时段为第22旬。

根据《发电企业检修设备导则》及机组的具体情况，得到不同类型机组的检修时间，见表1。鉴于该实施例的发电机组以火电机组为主，将火电机组按容量再细分为3类：P>600MW机组（火电机组1），P∈[350MW,600MW]机组（火电机组2）和P<350MW机组（火电机组3）。

表1不同类型机组的检修需求（经过检修需求不确定性处理后的数据）

风电场之间的相关性见表2，风电机组数据见表3，根据36旬风速威布尔分布，得到相应的具有指定相关性的风速数据。

表2风电场相关系数

表3风电机组数据

根据风速数据计算风电场出力，修正系统负荷数据，应用检修备用容量模型进行检修备用容量计算。根据模型得到WPLOMRCP指标随设定的检修备用容量变化的曲线，见图4。从曲线中根据系统可承受的检修备用容量充裕度指标WPLOMRCP=0.01选取相应的检修备用容量作为评估得到的检修备用容量，则可以得到系统的检修备用容量为775MW。

本发明可以用于含风电的电力系统规划中检修备用容量确定，对机组的检修需求不确定性进行处理，认为同种类型机组具有相同的检修需求，只考虑不同类型机组的检修需求差异；对于风电对检修备用容量评估造成的影响，提出相应的指标——风电造成的检修备用容量不足概率，来确定系统的检修备用容量，为系统进行电源规划、电网规划及电力电量平衡分析打下基础。

Claims (4)

1.含风电的电力系统规划中检修备用容量确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采集含风电的电力系统装机规模、负荷数据、机组类型、各类常规机组A、B、C类检修时间、机组容量数据以及风电场风速相关性数据；

S2、考虑风电场风速相关性的风电场出力建模：

风速的分布用威布尔分布来描述:

$\mathrm{\&phi;}\left(v\right)=\frac{k}{c}{\left(\frac{v}{c}\right)}^{k-1}\exp \&lsqb;-{\left(\frac{v}{c}\right)}^k\&rsqb;---\left(2\right)$

式中，v为平均风速，c为尺度系数，反映的是地区平均风速的大小，k为形状系数，反映的是风速分布的特点；

1)根据威布尔分布，利用反变换法根据式(3)产生多风场不具有相关性的风速向量；

v_i＝c[-ln(x_i)]^1/k(3)

2)从该风速向量中减去风速均值向量并除以风速的方差得到向量z；

3)根据风电场风速相关性数据，应用楚列斯基分解法形成具有指定相关性的风速；

4)根据风速计算风电机组出力P_windt；

S3、建立检修备用容量的模型；

模型为：

$min\sqrt{\frac{1}{T}\left(\underset{t=1}{\overset{T}{\&Sigma;}}{(R_t-R_e)}^2\right)}---\left(4\right)$

式中：T为检修周期；R_t为第t时段内电力系统备用容量，表达式见(5)；R_e为检修周期T内各个时间段备用容量的平均值；

R_t＝P_capacity-P_mct-(P_Lt-P_windt)(5)

其中，P_capacity为电力系统常规机组装机容量，P_windt为t时段风电机组出力，P_mct为t时段检修容量，P_Lt为t时段负荷，对于风电考虑其容量价值，等效为负的负荷；

S4、构建检修备用容量模型的约束条件；

1)检修活动的连续性：一台机组开始检修后必须在连续的期间内完成，即

$\underset{t=t_u}{\overset{t_u+S_u-1}{\&Sigma;}}{m}_{ut}=S_u---\left(6\right)$

式中，u表示第u台发电机组，m_ut表示机组检修状态，取0表示在时段t内无检修，取1表示在时段t内检修，t_u表示检修开始时段，S_u表示检修持续时段；

2)检修班组约束：同一电厂在同一时段内不能安排两台发电机组检修；

$\underset{u\&Element;V_r}{\&Sigma;}{m}_{ut}\&le;V_{rt}---\left(7\right)$

式中，u表示第u台发电机组，m_ut表示机组检修状态，V_rt表示检修班组V_r在t时段能够同时检修的发电机组最多台数；

3)机组u两次检修之间的最小间隔：设此间隔期间为B旬，则

t_u2-(t_u1+S_u1)≥B(8)

式中，t_u1和t_u2分别为第一次和第二次检修的起始时间；S_u1第一次检修的持续时间；

4)检修期间约束：指机组u的检修必须在一给定的期间内进行；

$\begin{array}{c}{T}_u^{-}\&le;t_u\&le;T_u^{+}\\ T_u^{+}-T_u^{-}+1\&GreaterEqual;S_u-1\end{array}---\left(9\right)$

式中：和分别为第u台机组能够安排检修的起始时间和结束时间，S_u表示检修持续时间；

S5、检修备用容量的模型建立后，将电力系统中所有常规机组按容量大小排列，根据等备用原则运用启发式方法对检修备用容量的模型进行求解，每次模拟下求解得到的结果作为确定检修备用容量的参考数据；

S6、计算检修备用容量不足概率WPLOMRCP指标确定风电接入后系统所需预留的检修备用容量；

MRCNS_i＝max{0,F_t(x_i,P_Lt)-SSMRC_t}(10)

$WPLOMRCP=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{I}_i\left({\mathrm{MRCNS}}_i\right)}{N}---\left(11\right)$

其中，N为总模拟次数，SSMRC_t为装机控制时段电力系统设定的检修备用容量，F_t(x_i,P_Lt)为第i次模拟下计算得到的检修备用容量；I_i为一个指示变量，表达式见(12)；

$I_i=\left\{\begin{array}{cc}0& {\mathrm{MRCNS}}_i=0\\ 1& {\mathrm{MRCNS}}_i>0\end{array}\right.---\left(12\right)$

当第i次模拟下计算得到的充裕指标WPLOMRCP的方差系数不收敛，转入步骤S2进行第i+1次模拟计算检修备用容量；直到第N次模拟下计算得到的充裕指标WPLOMRCP的方差系数收敛，获得装机控制时段电力系统设定的检修备用容量下对应的充裕指标WPLOMRCP；

S7、改变装机控制时段电力系统设定的检修备用容量SSMRC_t，重复步骤S2至S6，获得多个装机控制时段电力系统设定的检修备用容量下对应的充裕指标WPLOMRCP；绘制WPLOMRCP指标随设定的检修备用容量变化的曲线。

2.根据权利要求1所述的含风电的电力系统规划中检修备用容量确定方法，其特征在于，从WPLOMRCP指标随设定的检修备用容量变化的曲线中选取充裕指标WPLOMRCP为0.01时所对应的检修备用容量为含风电的电力系统规划中检修备用容量。

3.根据权利要求1所述的含风电的电力系统规划中检修备用容量确定方法，其特征在于，步骤S1中各类常规机组进行了检修需求不确定性处理；检修需求不确定性处理的表达式见(1)；

$T_i=\frac{p\left(A\right)\&CenterDot;T_i\left(A\right)+p\left(B\right)\&CenterDot;T_i\left(B\right)+p\left(C\right)\&CenterDot;T_i\left(C\right)}{T_{icycle}}---\left(1\right)$

式中，i为机组类型，i＝1表示火电机组，i＝2表示水电机组，i＝3表示气电机组，i＝4表示抽水蓄能机组；T为相同类型机组的检修时间，p(A)、p(B)和p(C)分别为机组进行A、B、C类检修的概率，T(A)、T(B)、T(C)分别为机组进行A、B、C类检修所需时间；T_cycle为机组的检修周期，T_cycle＝5，p(A)＝0.2，p(B)＝0.2，p(C)＝0.6。

4.根据权利要求1所述的含风电的电力系统规划中检修备用容量确定方法，其特征在于，步骤S1中将火电机组按容量细分为3类：第一类火电机组、第二类火电机组和第三类火电机组；第一类火电机组的功率P>600MW，第二类火电机组的功率P∈[350MW,600MW]机组，第三类火电机组的功率P<350MW；第一类火电机组、第二类火电机组和第三类火电机组经过检修需求不确定性处理后的检修需求分别为41天、32天和25天。