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1、第二章 发电系统可靠性评估Generating System Reliability Evaluation2.1 概 述2.2 发电机组停运容量概率模型2.3 负荷模型2.4 发电系统可靠性指标的计算2.5 发电机组的计划检修2.6 随机生产模拟2.7 我国2000年发电系统可靠性评估,2.1 概 述,主要目标确定电力系统为保证充足的电力供应所需的发电容量。包括：,静态容量,运行容量,指对整个系统所需容量的长期估计，可考虑为装机容量；必须满足发电机组计划检修、非计划检修、季节性降出力以及非预计的负荷增长等要求；待确定的基本量是电力系统的合理装机备用。,为满足一定负荷水平所需实际容量的短期估计；
2、需要确定的则是在短时间内 (几小时或一天)，系统所需的运行备用 (旋转备用、快速启动机组及互联电力系统的相互支援等)。,2.1 概 述,发电系统可靠性指标发电系统的充裕度 是在发电机组额定值和电压水平限度内，扣除机组的计划和非计划停运造成的降低出力后，向用户提供总的电力和电量需求的能力。衡量系统装机容量充裕度的方法确定性方法：百分数备用法或最大机组备用法概率方法：电力不足概率 (Loss of Load Probability，LOLP) 及电力不足频率和持续时间 (Frequency and Duration，F&D）19501960年代建立的模拟法和递推法为概率法在发电系统可靠性评估中的应
3、用奠定了基础,2.1 概 述,表2.1 国外电力公司发电系统可靠性标准,2.2 停运容量概率模型的建立,2.2.1 发电系统可靠性分析原理,不考虑输电网络约束（互联系统联络线例外）；不反映任何特定用户负荷点的电力不足；能衡量整个发电系统的充裕度。,2.2 停运容量概率模型的建立,2.2.2 建立模型时对一些工程问题的处理关于部分停运的处理采用两状态 (工作状态 故障停运状态) 模型。实际存在部分停运状态，即机组的可用发电容量只能达到额定容量的一个百分数。通常的处理方法是把部分停运折合成等效完全停运来考虑。定义等效强迫停运率 (the Equivalent Forced Outage Rates
4、，EFOR)：EFOR（强迫停运小时等效停运小时）/（运行小时强迫停运小时）计划检修的考虑适当减少研究期间的机组容量总数。需频繁地修改系统的机组停运容量模型，费时、不方便；利用“有效载荷能力(effective load-carrying capability) ”或“有效容量(effective capacity)”的概念修改负荷模型；能源受限机组(limited energy unit)。水电机组的停运可能是随机的机组强迫停运或缺乏水能停运。一般可靠性计算均假定供给发电机组的能源是完全充足的。机组停运参数的不确定性。通常采用确定的停运参数的点估计值进行分析计算；必要时再考虑机组停运参数的不
5、确定性的影响。,2.2 停运容量概率模型的建立,2.2.3 安装容量、可用发电容量和停运容量安装容量 (Installed Capacity)：机组额定容量的总和。安装容量与机组的状态无关，即 ICsICi可用发电容量 (Available Generation Capacity)：指系统中每台机组处于正常可用状态，能连续带满负荷的容量。系统的可用发电容量与系统中各机组的状态有关。对于一台机组，有,停运容量 (Outage Capacity)：一台机组处于停运状态，不能连续带负荷的容量。系统的停运容量与也系统中各机组的状态有关。对于一台机组，有,2.2 停运容量概率模型的建立,相应地，下述关系
6、成立：ICi (安装容量)ACi (可用容量) OCi (停运容量)ICs (安装容量)ACs (可用容量) OCs (停运容量)通常，发电系统可靠性评估中采用单母线模型，有,表2.2 两台50MW机组构成的发电系统的可用容量和停运容量表,2.2 停运容量概率模型的建立,状态k (k台故障)的概率pk为pk Cnk rk(1r)nk其中，r/()为机组强迫停运率；，为机组的故障率和修复率状态k的确切频率fk为 fk pk(k+k)式中， k+(k)为从状态k向停运容量小(大)的状态的转移率。,系统n台机组类型相同时停运容量概率表的制定,对于上述系统，有如下关系：k+ kk(nk) Ck kC，
7、k0, 1, , n Pkni=kpiF(Ck)ni=kpi+(Ci)(Ci)式中，+(Ci)/(Ci)为停运容量在Ci的状态向停运容量小(大)的状态的转移率。,2.2 停运容量概率模型的建立,例2.2 某发电系统有4台50MW的机组。单台机组参数为r0.04，0.0011/d，0.026/d。计算发电系统的停运参数。解 设系统安装容量为Z(Z200MW)；任一时刻可用发电容量为Y，停运容量为X，则XZY。yk为状态k的发电容量；xk为状态k的停运容量。记PkPXxkPYyk为停运容量大于等于xk的累积状态概率；pkpXxk为停运容量等于xk的确切状态概率。则p0p(x0)C40(0.04)0
8、(0.96)40.8493466p1p(x50)C41(0.04)(0.96)30.1415578p2p(x100)C42(0.04)2(0.96)20.0088474p3p(x150)C43(0.04)3(0.96)0.0002458p4p(x200)C44(0.04)4(0.96)00.0000026f(x0)p(x0)(04)0.0037371f(x50)p(x50)(3)0.0032133f(x100)p(x100)(22)0.0004406f(x150)p(x150)(3)0.0000189f(x200)p(x200)(40)0.0000003,2.2 停运容量概率模型的建立,表2.
9、3 发电系统停运参数概率,2.2 停运容量概率模型的建立,用递推公式建立停运容量概率模型确切状态概率p(X)公式新增一台机组(容量CMW，FORr)后，系统停运容量为X的确切概率p(X)p(X)(1r) p(X)r p(XC)对于第一台机组， p(0)1r，p(C)r当XC时， p(XC)0累积状态概率P(X)公式P(X)(1r) P(X)r P(XC)例2.3 表2.4 发电系统机组停运数据,2.2 停运容量概率模型的建立,表2.6 停运容量概率模型,2.2 停运容量概率模型的建立,续表2.6 停运容量概率模型,2.2 停运容量概率模型的建立,用递推公式建立机组停运容量的频率和持续时间能计算
10、进入每种停运容量的频率和从每种停运容量状态向另一个较大和较小停运容量状态转移的离去率，并可进一步计算累积状态频率和持续时间。设+(X)、(X)分别为自确切停运容量状态X转移到另一停运容量较小、较大的状态的有效离去率(effective departure rate)；+(X)、(X)分别为增加一台机组前停运容量状态X转移到另一停运容量较小、较大的状态的有效离去率。若增加一台机组前系统处于停运容量X状态，新增机组又处于工作状态，则+(X)+(X)(X)(X)若增加一台机组前系统处于停运容量XC状态，新增机组容量为C且处于停运状态，则+(X)+(XC)(X)(XC),2.2 停运容量概率模型的建立
11、,综合求加权平均可得 +(X) 1/p(X)p(X)(1r)+(X) p(XC)r+(XC) (X)1/p(X)p(X)(1r)(X) p(XC)r(XC) 对于第一台机组，有 +(0)0，(0)0 ，p(0)1r +(C)，(C)0， p(C)r当XC时，+(XC)(XC)0系统出现停运容量X的确切状态频率f(X)和累积状态频率F(X)f(X)p(X)+(X)(X)F(X)(1r)F(X)P(X)rF(XC)P(XC)式中，P(X)p(Xj)，所有XjX,2.2 停运容量概率模型的建立,表2.7 停运容量频率模型,2.2 停运容量概率模型的建立,续表2.7 停运容量频率模型,2.3 负荷模型
12、,2.3.1 一般考虑可用一年中不同阶段的负荷曲线表示，也可以用每月、每天、每小时的负荷表示；负荷预测的不确定性：按各种可能的预测尖峰负荷计算系统的可靠性指标，再用预测负荷的概率对系统的可靠性指标进行加权平均；将预测负荷看成一个随机变量，求出它的数学期望和方差，系统的可靠性指标也是随机变量，其数学期望和方差可根据预测负荷的数据求出来。发电系统可靠性评估方法：确切停运容量模型累积负荷模型累积停运容量模型确切负荷模型,2.3 负荷模型,2.3.2 不同计算方法使用的负荷模型LOLP(或LOLE)法采用的确切负荷模型采用研究期间内的日尖峰负荷；未考虑一天内负荷的变化，其LOLE或LOLP指标只能反映
13、电力不足的风险，不能反映电力不足的频率、持续时间和严重程度。HLOLE和EENS法采用的负荷模型采用研究期间内的小时负荷。可以直接采用日历小时负荷，也可以采用重新排列成从大到小的累积形式的负荷持续曲线；HLOLE指标可以考虑一天中24小时的负荷变化，EENS指标能反映系统事故的严重程度。,2.3 负荷模型,频率期间法采用的负荷模型确切状态负荷模型一般采用两级负荷模型：在研究的D天期间内，日尖峰负荷用L(D)个负荷水平的随机序列表示；每个峰荷具有e天的平均持续时间，并且被平均持续时间为(1e)天的低负荷L0(不变)彼此隔开；负荷状态转移与机组停运容量状态转移相互独立。则日负荷模型如下：表2.8
14、两级日负荷模型及计算公式,2.3 负荷模型,频率期间法采用的负荷模型累积状态负荷模型由负荷累积概率和频率两个特性数据组成；任一给定负荷L可用两状态过程表示：状态1负荷大于或等于L状态2负荷小于L若负荷数据已知，则状态1的概率可从负荷大于等于L的时间比例求得，频率可以从状态2向状态1的转移次数求得。累积负荷模型参数如下：P(L)状态1(负荷L)的概率F(L)状态1或状态2(负荷L)的频率,2.4 发电系统可靠性指标的计算,LOLP电力不足(缺电)时间概率将研究的某一天的日最高负荷与容量模型结合可求得LOLPP(XCsL)P(XR)即，LOLP是所以XR状态的累积概率。LOLE电力不足期望值表示某
15、一整个研究期间，系统容量小于日最高负荷的天数期望值。,2.4 发电系统可靠性指标的计算,例：在例2.3的三机系统中，若已知周负荷曲线，并假定一年52周的周负荷曲线相同。则系统LOLE指标计算结果（表2.10）如下：LOLE(周)0.239476 d/周LOLE(年)LOLE(周)12.452752 d/年,2.4 发电系统可靠性指标的计算,HLOLE电力不足小时期望值EENS电量不足期望值XLOL期望电力不足XLOLEENS/HLOLE (MW),2.4 发电系统可靠性指标的计算,表2.12 周一LOLE，HLOLE，EENS计算表,一周数据总加，有HLOLE3.803962 h/周EENS2
16、28.4124 MW.h/周,2.4 发电系统可靠性指标的计算,F&D频率持续时间,结合上例数据和表2.6以及表2.7结果，有,2.4 发电系统可靠性指标的计算,裕度容量模型裕度容量Mk为电源可用发电容量Yj与负荷容量Li之差，记为MkYjLi,2.5 发电机组的计划检修,研究发电机组的检修计划存在两个方面的问题从可靠性观点看应该怎样合理安排检修计划等风险度法：使研究期间内系统的备用容量或风险度相等最小风险度法：使研究期间内系统的风险值最小如何具体评价检修计划对可靠性的影响修正容量模型：频繁修改机组停运容量概率表，工作量大修正负荷模型：修改检修期间系统的负荷，计算量小,2.5 发电机组的计划检
17、修,2.5.1 发电机组有效容量的概念和算法,图中，曲线A对应未增新机组的曲线；曲线B未增加一台新机组(容量Cn强迫停运率r)后的曲线。当保持LOLE0.1d/a不变时，新增机组的额定容量分成两部分，一部分供应负荷，另一部分作为系统的备用容量，以保持系统有同样的可靠性要求。新增机组可供负荷的这部分容量称为“有效载荷容量(effective load-carrying capacity)”，记为Ce，也称“有效容量”。计算机组有效载荷容量的迦弗尔(Garver)公式：,式中，M系统风险特征系数，单位：MW,2.5 发电机组的计划检修,2.5.2 系统风险特征系数M,M定义：当容量模型中的累积概率
18、变化e倍时所对应的停运容量变化数值(MW)。在P(X)f(X)的半对数曲线上，可以通过作图法来求出M。当规定的风险水平为0.1d/a时，取P(Xa)0.1，P(Xb)0.0004，求得M已可充分满足机组检修的要求。当M值一定时，单机容量Cn愈大，Ce愈小。M值一般约为系统总装机容量的510，故单机容量一般不大于系统装机容量的10。,2.5 发电机组的计划检修,2.5.3 按等风险度法安排机组检修计划思路：以发电机有效容量修改负荷曲线从而拉平全年的风险度。步骤：按系统装机容量建立容量模型；按系统可靠性控制指标要求计算系统风险特征系数M (2.63式) 。取值区间一般为P(X)0.10.001；用
19、迦弗尔公式(2.51式)计算出每台机组的有效载荷容量Ce；列出年峰值负荷曲线，然后按发电机组Ce的大小顺序安排到负荷曲线的低谷部分去。例2.5 某系统有10台机组，系统风险特征系数M500MW。相关参数如表2.15和表2.16所示。,2.5 发电机组的计划检修,表2.15 机组容量数据,表2.17 机组的有效容量 Ce11000500ln(10.15)0.15e1000/500,表2.16 系统月峰值负荷,4300 4300 4400,2.5 发电机组的计划检修,图2.16 按等风险度安排检修计划,2.5 发电机组的计划检修,表2.18 按等风险安排机组计划检修结果,检修结果使系统全年等效负荷
20、基本拉平。但因全系统有效容量仅4133MW，因此不能满足系统可靠性水平。原因：采用了强迫停运率高的大机组。如果用4500MW机组代替21000MW的机组，则系统总有效容量将增加：44432644444MW，达到4577MW。,2.6 随机生产模拟,Stochastic Production Simulation(SPS) 用于模拟电力系统发电调度，预测各发电机组的期望发电量及燃料消耗量，并进行发电成本分析。主要功能：提供各发电厂在模拟期间的期望发电量、燃料消耗量及燃料费用；提供各水电厂及抽水蓄能电厂在负荷曲线上的最佳工作位置；为电厂提供未来电能成本预报，满足电力市场的分时电价要求；提供发电系统
21、可靠性指标。,2.6 随机生产模拟,2.6.1 基本原理等效持续负荷曲线(ELDC，Equivalent Load Duration Curve) 是SPS的核心，它是把发电机组的随机停运和随机负荷模型结合在一起。图2.17为一条持续负荷曲线。令pf(x)F(x)/T，则p可看作系统负荷大于和等于x的概率。因此，系统总负荷电量为,2.6 随机生产模拟,ELDC是把发电机组的随机故障的影响当成等效负荷对原始持续负荷曲线不断修正的结果。当发电机出现故障时，系统的等效负荷增大，如图2.18所示。图中f (1)(x)p1 f (0)(x)q1f (0)(xC1)图中阴影部分E代表总负荷的电量增量，恰好
22、等于机组1因故障而少发的电量，Eq1T0C1f (0)(x)dx,一般而言，考虑第i台机组故障停运后，修正后的ELDC：f (i)(x)pi f (i1)(x)qif (i1)(xC1)机组i的发电量Ei：,2.6 随机生产模拟,若系统共有n台发电机组，其总容量为CL。当全部机组随机停运结束后，ELDC为f (n)(x)，最大等效负荷为xmaxCL，见图2.19。这时有,2.6 随机生产模拟,2.6.2 应用特点典型方法：等效电量函数法、EENS法和半不变量法纯火电系统的应用：确定发电机组带负荷的优先顺序；按带负荷的优先顺序安排发电机组运行，计算其发电量；计算系统的可靠性指标；计算机组燃料消耗
23、量及发电成本。有水电机组时，不断试探为水电机组找出一个适当的负荷位置。对于两个及以上的水电机组时，随机生产模拟将变得非常复杂，计算量大增。随机生成模拟的优点是计及了机组强迫停运率的影响，因此，计算的机组发电量、燃料消耗量和发电成本较准确。但由于没有计及机组的各种运行约束，给上述结果带来了误差，并且往往其运行方式是不可实现的。,2.7 我国2000年发电系统可靠性评估,表2.19 基本数据,2.7 我国2000年发电系统可靠性评估,目标：确定电力系统为满足负荷电力电量需求所需的发电容量（装机容量运行容量）装机容量：必须满足发电机组的计划检修、非计划检修、季节性降低出力以及非计划的负荷增长；运行容量：指所需实际容量的短期估计。原理：建立并综合机组容量概率模型和负荷模型。应用：电力系统中长期电源规划和运行规划,2.8 小 结,谢谢观看,希望提出指导与建议,
