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1、电力系统规划与可靠性,电气工程学院电力信息与控制研究所李晓明,武汉大学电气工程及其自动化专业选修课,(第4专题:电源规划),电源规划,概述电厂容量的选择电源规划数学模型电力市场环境下的电源规划,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,2,概述,电源规划的任务及分类电源规划的投资决策原则电源规划的经济评价方法,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,3,电源规划的任务及分类,【任务】对电力系统电源布局进行策略研究，其任务是根据规划期内预测的负荷需要量，通过电力电量平衡得到需新增的发电容量，在满足负荷需要求并达到各种技术指标的条件下，确定在何时、
2、何地新建（或新增）何种类型、何种规模的发电厂（或机组），使规划期内电力系统能安全运行且投资经济合理。,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,4,【分类】按规划期长短分类：短期电源规划、中长期电源规划。短期电源规划:考虑未来15年的发展情况，规划的具体内容包括：确定发电设备的维修计划。分析推迟或提前新发电机组投产计划的效益。分析与相邻电力系统互联的效益及互连方案。确定燃料需求量及购买、运输、存储计划。中长期电源规划：考虑1030年的发展情况，解决以下问题：何时、何地扩建新发电机组。扩建什么类型及多大容量的发电机组。现有发电机组的退役及更新计划。燃料的需求量及解决燃料问
3、题的策略。采用新发电技术（如太阳能发电）的可能性。采用负荷管理系统对系统电力、电量平衡的影响。与相邻电力系统进行电力交换的可能性。,电源规划的投资决策原则,电源规划与系统负荷预测、电力电量平衡、发电厂厂址选择、发电机组类型和规模、燃料来源及其运输条件、水库调节、系统运行、电力网络规划和各种技术经济指标的选择等一系列问题密切相关，这就决定了其决策过程必须与多个部门配合，因此是一项繁琐而艰巨的任务。由于电源规划的投资规模大、周期长，对国民经济的发展影响大，因此在制定电源规划方案时，必须遵循一定的原则：参与经济计算和比较的各个电源规划方案必须具有可比性。必须确定合理的经济计算年限，比较方案的计算年限
4、要一致（采用年费用最小法时可不一致）。确定合理的经济比较标准。在投资决策中，各项费用和收益，如建设期的投资、运营期的年费用和效益，都要考虑资金的时间因素，并以同一时间为基准。决策过程必须统筹兼顾国民经济的整体利益，与相关部门密切配合。,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,6,电源规划的经济评价方法,【意义】电源规划方案的经济评价是电源规划中不可缺少的环节。【目的】根据国民经济整体发展战略及地区发展规划的要求，计算各方案的投入费用和产出效益，进行多方案的技术经济比较，进而从中选择对国民经济发展最有益的方案。【惯例】对于各种可行的电源规划方案，通常认为有相同的经济效益
5、，因此在满足负荷需求和各种约束条件下及技术经济指标下，总投入最小的方案就是最经济的方案。【投资分摊】如果某个方案除了满足发电效益以外，还可带来其它利益，则可以采用投资分摊或计入方案费用的方法进行比较。,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,7,电厂容量的选择,【目的】确定每个拟建电厂的建设规模，是下一步做系统电源规划方案的基础。【主要内容】：影响电厂容量的主要因素水电厂装机容量选择热电厂容量选择抽水蓄能式电站容量选择凝汽式电厂容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,8,影响电厂容量的主要因素,规划地区（即电厂供电地区）负荷的影响动
6、力资源条件的影响厂址条件的影响系统规模的影响设备规模及供应条件的影响,影响电厂容量的主要因素,【规划地区（即电厂供电地区）负荷的影响】负荷大小的影响。负荷需求的大小决定了建设电厂的总容量。负荷分布的影响。负荷比较集中的地区适宜建大电厂，而负荷分散的地区则可考虑减小规模电厂。负荷方式的影响。对于宜带尖峰负荷的水电厂来说，如果地区负荷峰谷差大，尖峰负荷较高，则在相同保证出力下可以多装机，容量可以选得大些，以充分发挥水电的效益。对于热电厂来说，如果热负荷在年内比较均衡，年最大负荷利用小时数较高，则热电厂的容量可以选得大些，以便获得较多的热化电能。负荷增长速度的影响。大容量电厂采用大机组，适应负荷迅速
7、增长的能力强。因此负荷增长迅速时，有利于大容量电厂的兴建。,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,10,影响电厂容量的主要因素,【动力资源条件的影响】资源条件对电厂容量影响很大，对水电厂它起决定件的作用，对火电厂它也有一定影响。对燃料供应方便而又可靠的坑口电厂容量可以选得大些，对建在负荷中心、远离矿区的电厂则燃料供应条件是影响电厂规划容量的因素之一。【厂址条件的影响】火电厂的厂址条件主要指供水、煤场、灰场、交通运输条件、地质地形、环保要求等条件。它们往往对电厂容量影响很大。水电厂的厂址条件，如坝址的地质条件、库区的移民问题、坝址地形及施工条件、水利枢纽布置及输电线路
8、可行路径条件等也对其电厂选址和电厂容量起很大的作用。,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,11,影响电厂容量的主要因素,【系统规模的影响】当电厂联人系统时，系统规模越大，负荷需求越大则在满足同样可靠性要求前提下，电厂的容量可选得大些。因为大电厂可以采用大机组，效率较小机组要高。若果采用大机组可以满足系统的可靠性要求，则它在经济上就是合理的。一般来说，电厂的最大容量不越过系统的总事故备用为宜，单机容量以不大于系统最大负衡的10为宜。【设备规模及供应条件的影响】电厂容量大小与装机台数及单机容量大小有关，一个电厂的机组台数不宜过多，如果单台机组容量较小，则电厂的容量也较
9、小。在规划电厂容量时应根据系统规划及设备规范选用合理的机组容量，并确定电厂容量。,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,12,水电厂装机容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,13,水电厂装机容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,14,水电厂装机容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,15,水电厂装机容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,16,水电厂装机容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究
10、所63,17,水电厂装机容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,18,水电厂装机容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,19,水电厂装机容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,20,水电厂装机容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,21,水电厂装机容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,22,要确定热电厂的装机方案，需要解决地区集中供热系数的选择及集中供热负荷的分配，电厂热化系数的选择及其经济容量，热化机组型式的选择
11、等问题。地区集中供热系数的选择集中供热系数:地区总热负荷中由集中供热（包括热电厂、区域锅炉房）供应部分的比重注意：集中供热系数并不是越接近1越好，因为总有一部分过于分散又较小的热负荷是不宜于联入热网的，若将它们联入热网会导致供热网的费用大大高于集中供热的效益。,热电厂容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,23,集中供热负荷分配：可以是由一个热电厂提供，也可以是几个热电厂共同分担或者加上部分区域锅炉房供热。当热负荷大且分布广时，有多个热电厂共同分担更为经济合理，因为热网建设费用对热电厂的的经济供热范围起决定性的作用。涉及到多个热电厂分担供热时，要进行两方面的
12、分析比较。热电联产与热电分产的方案比较，其中热电联产即热电厂既供热又供电，热电分产即为凝汽式电厂加区域锅炉房，一般利用比较开支现值大小的方法对联产和分产的方案做出选择。,热电厂容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,24,热电厂的经济容量的选择，即确定热电厂经济合理的热负荷量，使其单位供热能力所需的计算费用为最小。因热电厂容量越大，则单位供热所需的投资及运行费低，但容量大、供热集中，则热网的建设及维护费 用也大，这两方面综合权衡，就可以找 到热电厂的经济容量 的范围，如图 图中：1-热网费用曲线，2-热电厂费用曲线，3-总费用曲线,热电厂容量选择,2023/
13、11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,25,注意：就热电厂本身来说，总费用最低时的容量就是其经济容量，此时电厂本身经济效果最好。就热网整体来说，则还有一个超过热电厂经济容量部分的热负荷如何供应，或者多个热电厂或热电厂与区域锅炉房之间如何分配热负荷的问题，这需要在每个热源经济容量的基础上列出几个供热方案，经技术经济比较后确定。热电厂热化系数的选择热化系数：通常指汽轮机供热负荷占最大热负荷的比例,热电厂容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,26,注意：有时也按年汽轮机供热量占总供热量的比例来定义热化系数，即将式 中的相应量变换为年总供应量。知
14、道热化系数后，根据热电厂热、电的成本与费用分摊的原则及指标即可确定其容量。,热电厂容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,27,抽水蓄能电站：利用电力系统负荷低谷时富裕的容量抽水蓄能，在高峰负荷时放水发电，担任系统的调峰、调频任务。电站容量确定步骤,抽水蓄能式电站容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,28,抽水蓄能式电站容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,29,凝汽式电厂容量选择,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,30,在电力规划中，往往首先确定热电
15、厂和水电厂的容量，电力电量平衡不足的部分有凝汽式电厂承担。然后将需要新增加的凝汽式电厂容量按各个可能的建厂厂址条件、经济性及可见规模、建设条件等依次分配。凝汽式发电厂本身每单位千瓦的计算费用是随着电厂容量的增加而减小，而输变电工程每千瓦能力的年费用随电厂容量增大先下降后增加。因此同热电厂经济容量确定一样，权衡两者，总费用最小值对应的电厂容量即为其经济容量。实际中计算费用在最低点附近变化很平缓，容量可在其附近选择。注意：在电厂采用不同容量的机组时期计算费用曲线是不同的。若厂址条件对电厂容量的限制有个限制值，则可从各种单机容量的计算费用曲线中同时选定电厂容量及易于采用的单机容量。,电源规划数学模型
16、,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,31,【主要内容】电源规划的数学模型目标函数约束条件投资决策问题生产模拟问题,电源规划的数学模型,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,32,【电源规划的数学模型一般形式】,电源规划的数学模型,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,33,【模型说明】,目标函数,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,34,【目标函数】一般为系统总投资费用最小。总投资费用包括两个部分：一部分与安装发电机组容量有关，如发电厂的投资费用；另一部分与发电机组的实际输出功
17、率有关，如发电厂的运行费用，其中主要是发电厂的燃料费用。【多目标处理】在实际应用中，规划目标不仅仅是投资费用和运行费用，还包括其它效益和支出，如计及可靠性指标、输电线路费用、未来的不确定性因素（如负荷预测、水文数据及市场因素）等，故电源规划是一个多目标规划问题。对此，具体处理方法是多样的，常用的方法是将不同的目标函数乘以不同的权值形成一个新的目标函数，从而转化为单目标问题处理。,约束条件,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,35,对于不同的系统，以及不同的规划模型，约束条件都是有差异的。【电源建设施工约束】,约束条件,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信
18、息与控制研究所63,36,约束条件,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,37,【系统运行约束】,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,38,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,39,【备用容量约束】【可靠性约束】常采用两种方法，一种是将可靠性指标计入约束中；另一种是将其做某种处理，计入目标函数。鉴于具体情况的差异，不同系统的电源规划采用统一的可靠性指标并不现实。此外，在制定可靠性指标时要考虑其经济性，例如在建立的目标函数中综合考虑经济性和经济情况处置和停电损失的费用，这类处理方法在电源规划研究中被大量采用。
19、,约束条件,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,40,【说明】根据所采取的规划模型不同，除了上述常用约束条件，可能还要考虑输电能力约束、最小开发容量约束、火电年利用小时数约束、抽水蓄能电站约束、核电厂基能约束以及分布式发电机组约束等。以上列出的约束条件的表达方式在不同的模型中是不同的，处理方式也有差异。,投资决策问题,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,41,在电源规划数学模型中，变量可以分为离散变量与连续变量两类，据此可以将电源规划模型分解为电源投资决策和生产模拟两部分，这两部分可采用不同的优化技术，相应的电源规划过程也被分为相互关
20、联的两个阶段。【投资决策问题】以离散变量为主要变量，其解反映的是方案中各项目的建设与投产年份，以及厂址、机组类型和容量等，同时确定方案中与投资成本对应的费用。,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,42,【生产模拟问题】在投资决策条件给定的前提下，对方案中的运行成本逐年进行详细优化计算的问题。随机生产模拟:考虑规划期内可能存在诸如各机组的非计划强迫停运、未来电力负荷的随机波动、水电厂来水量变化等不确定性约束。随机生产模拟优点：可获得方案中各机组的期望生产电能、生产费用及电源可靠性指标，为电源规划的决策提供准确的反馈信息。,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力
21、信息与控制研究所63,43,随机生产模拟的基本问题一般持续负荷曲线，如图,生产模拟问题,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,44,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,45,生产模拟问题,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,46,等效持续负荷曲线：把发电机组故障影响当成等效负荷对原始负荷曲线不断修正的结果。当发电机组故障时，系统的等效负荷就要增大。关于这一概念的几何解释可参照图,生产模拟问题,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,47,生产模拟问题,2023/11/3,武汉大学电
22、气工程学院电力信息与控制研究所63,48,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,49,【随机生产过程模拟】原始资料：负荷资料和发电机组的技术经济数据。负荷资料作用：用来形成研究期间的原始持续负荷曲线及最大负荷曲线。最大负荷曲线是指每月或每周的最大负荷按时间序列形成的曲线，它的用途是安排检修计划。火电机组的数据：发电机组的类型、容量，发电机组的台数，各发电机组的平均煤耗率，燃料价格，发电机组的强迫停运率，发电机组的最小输出功率，发电机组所需的检修时间。水电特性：首先，水电机组的发电量是由水文条件及水库调度决定的，因此在发电调度中水电机组的发电量是给定的已知量。其次，由
23、于水库上下游水位变动，水电机组的发电功率可能达不到其额定容量。这种由水力条件决定的水电机组的实际发电能力称为预想输出功率。在生产调度中我们应该用预想输出功率代替水电机组的容量参与电力平衡。,生产模拟问题,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,50,假定电力系统只包含火电机组，且检修计划已知，即参与运行的发电机组已全部确定，则随机生产模拟的过程及步骤如下：,生产模拟问题,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,52,生产模拟问题,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,54,随机生产模拟方法简介傅立叶级数法：用501
24、00项傅立叶级数描述持续负荷曲线，然后在傅立叶领域内进行卷积计算。标准卷积法：将概率学中对随机变量概率分布函数的卷积计算公式作为算法的核心，其概念清晰，但计算量大。半不变量法：用随机分布的数字特征半不变量来描述系统的持续负荷曲线和各发电机组的随机停运。等效电量函数法：先求出电力系统在不同负荷水平下的电量需求（即形成电量函数），然后再考虑发电机组故障时直接修正各负荷水平所需的电量（即修正等效电量函数），这样就可以非常方便的完成随机生产模拟计算。,电力市场环境下的电源规划,市场环境下电源规划面临的新挑战市场环境下的电源规划问题市场环境下电源规划的主体和模式市场环境下电源建设的融资问题,2023/1
25、1/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,55,市场环境下电源规划面临的新挑战,【新特点】在电力市场环境下，强制性的、统一性的电源规划和投资决策已不可能实现。电源规划中，无论是考虑新增发电机组还是退役旧机组，都是发电企业的内部决策问题，新增发电机组将以电厂投资的利益最大化为前提。【新的影响因素】未来市场的电价波动情况、国家政策变化（有无容量电价、绿色电力市场等）、能源价格及负荷变化等因素。【新挑战】如何建立有效可靠的市场机制，来有效的引导发电企业投资，以确保系统发电容量充裕性；各个发电企业应如何根据市场负荷预测决定自己的电源新建或退役计划和投资决策，如何选择新增机组容量、类型和地点
26、等；选择参与什么样的市场，并分析在不同市场下自己的收益情况。,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,56,市场环境下的电源规划问题,【影响因素】电力市场环境下，电源规划必须考虑以下因素的影响：由于电网企业不在负责发电厂的建设，发电投资由利益驱动，缺电责任主体不明。市场机制有一定的滞后性，建造新电厂至少需要23年时间。电力市场的竞争性，使投资风险加大，投资来源可能减少。电网企业不再投资电源，电源建设少了一个理智的投资来源。竞争性的发电市场不利于水电、核电等投资大、建设周期长但社会效益大的电源建设与发展，也不利于可再生能源的开发和利用。承担高峰负荷的发电机组发电机会少，
27、财政风险大，可能过早退役，造成容量缺乏。电网的输电能力比较薄弱，容易出现网络拥塞现象，造成一些特定区域缺电。,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,57,市场环境下的电源规划问题,【投资风险】电力市场环境下，电源项目投资面临的风险：政策、法律风险。它是指国家在外汇管理、法律制度、税收制度、劳资关系、电价政策等与发电项目有关的敏感性问题方面的法规是否稳定、健全，管理是否完善。金融风险。项目的金融风险主要包括利率风险、汇率风险、货币兑换风险和通货膨胀等风险。或有风险。它主要包括各种自然灾害，如地震、台风、洪水等不可抗力给工程带来的风险。完工风险。它是指项目进行施工建设阶
28、段，承包商由于种种原因不能在原定计划的工期内完成项目的建设所造成的风险。生产风险。它是指项目在试生产运营阶段或生产运营阶段存在的技术、资源储备、能源和原料供应、生产经营和劳动力状况等风险因素的总称。,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,58,市场环境下电源规划的主体和模式,【电源规划主体选择】市场环境下，电源规划是以市场为导向进行的，电网企业最了解市场，具有最直接、最准确的市场信息，因此市场环境下由电网企业承担前期的电源规划任务比较合适，也便于和电网规划协调。【电网作为电源规划主体的优点】在输配电还没有分开的情况下，保证供电的责任在电网企业，发电企业不需要承担这个
29、风险；电网企业来做电源规划可以做到比较公正，因为电网企业是天然的垄断行业，它的回报率是固定的，而且受到国家有关部门的严格监督。【电源规划可采用的模式】统一规划，招标决策参考规划，自主决策,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,59,市场环境下电源规划的主体和模式,【统一规划，招标决策】：由电网企业通过详细的方案开发，提出几个可能的电源和电网的优选方案，然后对这些方案进行综合技术分析，提出预期的综合电价和书店电价评估，对优选方案进行排序供决策考虑。电源方案按招标、竞标决策实施，电网方案按指令性计划实施。电源规划方案按实施竞标的过程：招标与投标。中标电源投资者与电网企业
30、签订长期合同，风险双方共担。政府和监管机构授予电厂投资者特许建设权，即政府根据一次规划布局的合理性和环保要求，批准规划的建厂地址和容量，发给电厂投资者建厂和今后运营许可证。政府和电监机构授予电网企业特许权。,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,60,市场环境下电源规划的主体和模式,统一规划模式优点：将电力市场环境下电力系统规划的不确定性转化为确定性，按确定性规划方法进行规划。规划方案的实施体现了市场作用与管制相结合的原则，易于实现电源在地域上和时域上的合理布局。这种模式适用于像我国这样电力发展快、市场机制正在建立过程中的电力市场，特别是电力市场初期的电力系统规划。
31、,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,61,市场环境下电源规划的主体和模式,【参考规划，自主决策】：由电网企业按照发挥市场的激励作用，同时加强监管的原则，统一进行电源和电网规划，提出规划方案，作为各电源投资者的参考规划，自主决策。参考规划过程：根据负荷变化预测可能的发电选择，先编制电网规划，在电网规划优先的基础上，进行电源和电网统一规划，形成电源和电网的几个参考规划方案。发布参考规划方案信息，特别要包括发电计入系统的未来输电电价信息。各电源投资者考虑参考规划方案进行各自的电源项目规划，并发送各自的电源规划信息。电源规划可能与参考的电源规划不一致，此时则重新进行电源
32、和电网规划研究。,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,62,市场环境下电源规划的主体和模式,经过几次迭代，可以形成为电源投资者和电网企业所接受的整个电力系统电源和电网优化方案。参考规划模式特点：体现了市场自主决策原则，同时兼顾了发电和输电的合理要求，但电源合理布局的协调较复杂，与全局最优可能会有一定偏差。,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,63,市场环境下电源建设的融资问题,【融资新面貌】竞争格局下的多元化投资主体发电企业将采用多种市场化的融资方式【融资方式变化】银行贷款将适度引入竞争机制股本融资将更多依赖资本市场电源建设将更多采用
33、低成本融资方式新型融资方式的引入,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,64,【思考题】电源规划的任务是什么？影响电厂容量选择的因素有哪些？水电站备用容量确定要考虑哪些因素？市场环境下电源规划与传统的电源规划有什么区别？试说明电源规划问题的解决步骤和流程。,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,65,电源规划,参考文献：程浩忠电力系统规划北京：中国电力出版社，2008王锡凡电力系统规划基础北京：中国电力出版社，1994侯煦光电力系统最优规划武汉：华中理工大学出版社，1991萧国全，徐绳均电力规划北京：水利电力出版社，1993,2023/11/3,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所63,66,
