电力市场对电力系统运行可靠性的影响研究

1. 电力市场对电力系统运行可靠性的影响研究 西安交通大学 王秀丽 2005年12月15日

2. 主要内容 一. 电力系统可靠性面临的挑战 二. 保证电力系统可靠性应采取的措施 三. 应开展的研究

3. 一.电力系统可靠性面临的挑战 • 电力市场化带来的未知因素引起人们对电网可靠性的担忧。 • 电力系统可靠运行的责任由垄断的电力公司转向竞争的市场。 • 电力系统统一规划的缺失。 • 研究和开发基金的减缩。

4. 一.电力系统可靠性面临的挑战 • 近2年我国的缺电现象基本上是由于发电系统充裕度不足造成的。 • 2003年8月的美、加等大停电则是由输电系统充裕度不足引起。

5. 一.电力系统可靠性面临的挑战 大停电报告总结的主要原因为： • 未能保证足够的无功支持 • 未能确保在安全极限内运行 • 成长（扩建）管理不足 • 调度培训不足 • 未能识别紧急状态并通报给相邻系统 • 缺乏地区对联合系统的可观测性

6. 一.电力系统可靠性面临的挑战 报告共提出建议46条， 建立在4个主旨命题之上： • 强调了市场可靠性的关系，美加政府及有关部门必须在美加电力系统的规划、设计及运行中把提高可靠性放在重要位置； • 只要有可能就应利用市场机制，但当可靠性和商业目标矛盾时必须首先满足可靠性；

7. 一.电力系统可靠性面临的挑战 • 管理部门和用户应该认识到可靠性并非无代价，为了维持可靠性要求有足够的投资和运行费用； • 被管制的公司只有在管理部门保证其费用通过输电费可收回时才肯出资，而不被管制的公司除非确信他们的措施是有利可图时才会出资。

8. 一.电力系统可靠性面临的挑战 • 46条建议共分4个部分： 其中第一部分是今后提高系统可靠性的主要措施和工作，共14条。第12条和第13条建议应开展的研究项目。 • 第12条：建议开展电力工业改革、竞争和可靠性关系的独立的研究。 • 第13条：建议DOE应扩充与可靠性有关的工具和技术的研究项目。

9. 一.电力系统可靠性面临的挑战 可靠性的基本概念： 可靠性是指一个系统或设备在一定时间内或在一定条件下充分地执行其任务（功能）的概率。

10. 电力系统可靠性指标 1.电力不足概率 LOLP 系统负荷大于可用发电机容量 的概率。（峰荷一天不变） 小于年峰荷的概率。 2.电量不足期望值EENS 在研究时间内，由于设备随机 停运所造成负荷损失的电量期 望值。 3.电力不足期望值LOLE 在研究时间内，由于供电不足 而发生负荷停电的期望时间。 （天或小时）

11. 电力系统可靠性评估的特点 非常复杂 涉及元件很多 保护的隐性故障 一般分为子系统来评估 发电系统 电力系统 输电系统 配电系统 主接线系统

12. ＄ 可靠性与经济性 停电损失费 设备投资费 0 最佳冗余度 冗余度

13. 二.保证电力系统可靠性应采取的措施 1.电力市场环境下保证系统可靠性的原则： • 在安全性和经济性之间的折衷 • 协调电力市场主体之间的利益 • 协调市场机制和系统安全的问题 • 确立激励机制以保证系统安全的投资

14. 二.保证电力系统可靠性应采取的措施 应注意的问题： • 保证系统有足够的充裕度是谁的责任？ • 保证系统连续供电是谁的责任？ • 政府有无必要的手段防止系统不安全？ • 断电之后，用户应状告何人？ • 断电之后，电力市场参与者如何避免被告状？

15. 二.保证电力系统可靠性应采取的措施 • 在电力市场环境下，运行方式复杂多变。调度员必须时刻监视输电系统可用传输容量，及时调整系统的运行方式。 • 要把连锁反应故障消除在萌芽状态，并以此作为保证电网安全的主要途径。

16. 二.保证电力系统可靠性应采取的措施 • 在“厂网分开”的情况下，集中的电网管理需要依靠分散的市场成员来维持其可靠性。 • 为了使这种混合的模式满足运行所需的充裕度，就必须把电网的需要转换为市场对发电厂商的适当激励，把系统的物理约束转变为市场信号，从而使市场参与者积极维护市场安全。

17. 二.保证电力系统可靠性应采取的措施 保证电网安全的三个关键 • 电力系统的统一规划和充裕度问题 • 辅助服务和运行备用问题 • 市场交易、系统调度和输电系统备用问题

18. 2.电力系统的统一规划和充裕度 • 发电系统和输电系统都应进行统一规划。以保证电力工业的建设“适当超前” 。维持合理充裕度是电网安全的第一道防线。 • 电源优化规划的核心是在可靠性要求与电源投资之间进行合理的协调。

19. 电源充裕度与电源规划 • 电源规划是解决何时、何地、建设多大规模发电设备的问题。 • 不同地区、不同发展阶段间应有不同的充裕度。

20. 影响电源充裕度的因素 • 系统备用率 • 电网的规模 • 有能源限制的发电机组的比重 • 计划检修的水平 • 发电机组的强迫停运率FOR • 负荷曲线的形状

21. 电源优化领域需开展的工作 • 欠发达地区电价较低,影响投资者的信心。 • 水电建设周期较长，应给予优惠。 • 利用再生能源和清洁能源发电的成本较高。 • 尽快制定合理的充裕度指标

22. 3. 电网充裕度 电网投入不足，造成充裕度不足。 其机理是什么？ 功角稳定 电压稳定 电网结构稳定 共同故障模式

23. 输电系统规划和电网的充裕度 • 电网的充裕度是维持系统安全的关键。 • 世界范围的一系列大面积停电事故说明，它们大多是由连锁反应故障或共同模式故障所引起的。 • 连锁反应故障的发生和网架结构有密切的关系： （1）当网架在某种运行情况下可能引起连锁反应故障时，我们称在该运行情况下网架结构是不稳定的； （2）当网架在某种运行情况下不可能引起连锁反应故障时，我们称在该运行情况下网架结构是稳定的。

24. 电网结构稳定性的例子(线路长度为 0 ， 表示线路热极限) ~ ~ － － 60 60 35 － － － － － － － － 60 50 50 50 60 50 50 50 ~ ~ ~ ~ 45 5 10 50 30 40 30 40 40 50 结构稳定 结构不稳定 ~ ~ － 60 － 60 60 － － － － － 60 50 60 50 50 ~ ~ ~ ~ 70 30 40 40 40 50 40 40 50 结构不稳定 结构稳定

25. 输电系统规划应注意的问题 • 新建发电厂在接入系统时，必须从全局考虑，纳入整体系统规划，寻求最佳的网架结构，而不能重复过去“接入系统设计”的老路。 • 输电设备的建设必须进行投入产出的分析。 • 在规划系统网架时，还应结合变电站主接线的选择评估电网可靠性。

26. 4. 运行方式与可靠性 电力市场条件下运行方式瞬息万变，使维修可靠性承受空前的压力： • 实时电价、尖峰电价使负荷不确定性增加 • 双边交易使系统运行模式畸变 • 处理阻塞的技术、经济问题 • 事故处理的原则、责任分担

27. 有功和无功电源的运行备用 • 面临的挑战：集中的电网调度管理需要依靠分散的市场来维持其可靠性。 • 电力系统运行时，必须有足够的有功及无功备用容量。 • 为了电网安全，必须保证在正常运行和故障情况下有顺畅的有功和无功备用电源的供应渠道。 • 必须把电网需要转换为市场对发电厂商的激励，并且细致地对电网和市场运营进行实时协调和监视。

28. 有功备用容量

29. 有功备用的交易方式和容量确定 • 有功备用容量的交易方式主要有两种： （1）签订长期合同并在系统需要时调用； （2）建立有功备用市场，采用竞标的方式。 • 在电力市场条件下，系统的备用系数应该是弹性的。应该根据投入产出分析来确定各类备用容量的最优值，其要点是比较新增单位备用容量购买费用和它带来的效益（减少系统停电损失）。

30. 系统有功备用的相关问题 • 分区有功备用容量问题 • 可中断负荷问题 • 计划检修问题

31. 无功备用容量

32. 无功容量支持 • 发电厂商：发电机组接入系统时应给定其功率因数的限制，超前和滞后的功率因数值应分别给定。 • 配电公司：在配电公司接入输电网的每一个接入点上，变压器一次侧的负荷功率因数必须满足强制性的功率因数要求（此功率因数可随时间或负荷水平变化）。 • 电网公司：电网公司的无功支持与发电机组的义务无功容量支持类似。

33. 无功市场 • 电网公司应当根据电力系统运行模拟分别确定各地区、不同种类（主要反映在响应速度上）无功备用容量的大小，并向市场成员公布各地区无功备用容量的需求情况。 • 发电商：通过竞标参与商业无功支持的拍卖。竞拍成功后，发电商与电网公司签订合同。 • 用户：与市场成员签订购买合同。 • 无功设备投资商：潜在的市场进入者,可保证系统中有足够的无功备用容量。 • 无功尚无现货市场。

34. 一些电力市场强制功率因素

35. 5. 继电保护与安全控制 继电保护安全控制的原则要重新研究，主要在于以下几方面： • 保护的安全性与可靠性 • 拒动率与误动率 • 安全控制的责与利 • 按周减载、可停电负荷的控制

36. 6. 输电系统的运行备用 • 足够的输电系统备用是电网安全最直接的保证。 • 在电力市场环境下，运行方式多变，时刻监视输电系统备用，及时调整系统的运行方式，并把连锁反应故障消除在萌芽状态。 • “可用传输能力”(ATC)用来衡量输电系统的备用。当ATC不足时，电网出现阻塞状态，调度要采取技术上和经济上的措施缓解阻塞。

37. 可用传输能力 定义：ATC是指在现有的输电合同基础之上，实际物理输电网络中剩余的、可用于商业使用的传输容量。 CATC＝CTTC -CTRM-CETC -CCBM 其中： CTTC 最大输电能力 CTRM 输电可靠性裕度 CETC 现有输电协议 CCBM 容量效益裕度

38. ATC的计算 • 可用传输能力用来评估未来一段时间（1h、1d或更长）网络的额外输电能力。因此，ATC的计算值应按要求的时间段进行更新。 • 可用传输能力的计算分为在线计算和离线计算。 • 如何高效、精确地处理电网中不确定性因素，是目前ATC研究中急需解决的关键问题。

39. 输电系统阻塞管理 • 阻塞管理的目的是建立一套合理的调度计划，使系统各条线路在容量限制内安全运行。 • 当发生输电阻塞时： （1）首先，调度员应首先动用潮流的调节设备。 （2）其次，调整发电机出力和削减负荷，需要修改电力市场的交易和合同。

40. 阻塞管理框图

41. 阻塞管理方式 • 日前市场：产生市场中买电和卖电的价格，若系统中存在阻塞线路，则各节点的电价(LMP)取决于其阻塞成本的大小。因此,节点电价信号具有预防和消除输电阻塞的内在机理。 • 实时平衡市场：调度员根据发电厂商和用户的增量和减量投标以调整费用最小为目标，调整实时平衡市场中发电厂的出力或削减某些双边合同量来解决实时阻塞问题。 • 输电权管理：输电用户（输电市场的参与者）从电网公司通过诸如竞标等方式获得输电权。输电权是输电用户和电网公司回避风险的手段。

42. 三、应开展的研究 在电力市场条件下，保证电网安全不是单纯的技术问题，应从以下三个层面着手进行研究： （1）电力市场结构对保证电力系统充裕度及运行备用的影响； （2）电力市场激励对保证电力系统充裕度及运行备用的影响； （3）电力市场运营和电力系统调度的相互影响。

43. 三、应开展的研究 • 为了电网安全运行，首先要保证各输电元件都有适当的备用或充裕度，系统结构在整体上还应该是拓扑结构稳定的网架。 • 协调并界定电力调度的“可靠性驱动”原则和“市场驱动”原则，建立将电网安全限制转换为市场信号的基础理论。 • 提出保证电网安全和提高市场效率的电力市场机制。

44. 三、应开展的研究 • 当系统出现断线等故障时，必须判断有无发展为连锁反应事故的可能，并采取相应的措施把大停电事故消灭在萌芽状态。 • 保护和安全控制设备的协调。 • 市场运营及调度监控数据的共享。

45. 三、应开展的研究 • 电力市场对电网可靠性的影响研究涉及到大规模非线性的随机分析和优化问题。 • 应开发新模型和高效算法，建立充裕度的模型，为调控提供量化工具。 • 建立竞价\调度仿真实验系统，进行培训仿真。

46. 电力市场运营模拟实验室实景

47. 报价员报价页面

48. 三、应开展的研究 开展网架结构安全性评估研究 1、开发网架结构安全性评估软件 2、制定网架结构安全性标准 3、共同模式故障评估

49. 三、应开展的研究 开展防范大停电措施的研究 1、开断时防止潮流窜动 2、采取联动切负荷措施 3、在线ATC计算

50. 谢谢大家！