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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3专题:电力电量平衡),2023/11/3,35,2,电力电量平衡,电力电量平衡的基本概念电力电量平衡的目的与要求电力电量平衡主要分析和研究的问题电力电量平衡中代表水文年的选择电力平衡代表年、月的选择电力平衡中的容量组成备用容量的确定备用容量的合理分配电源结构的规划电力电量平衡表的编制,2023/11/3,35,3,电力电量平衡的基本概念,【定义】电力电量供应与需求之间的平衡。【作用】为电力系统规划、电源组成等提供科学依据（如电源规划、电网规划都要先进行电力电量平衡）计算电站容量和电量的利用
2、程度。【基础】规划期内（即未来年份）的电力电量平衡一定程度上以负荷预测为基础。【主要内容】电力电量平衡研究的问题电力电量平衡中的容量组成,2023/11/3,35,4,电力电量平衡的目的与要求,根据电力系统设计内容深度规定第条，电力系统设计应编制:目前到设计水平年的逐年电力电量平衡;远景水平年全系统和分地区的电力电量平衡;必要时还应列出分地区低谷负荷时的电力平衡。,2023/11/3,35,5,电力电量平衡主要分析和研究的问题,(1)确定电力系统需要的发电设备容量，确定规划设计年度内逐年新增的装机容量和退役机组容量。(2)确定系统需要的备用容量，研究在水、火电厂之间的分配。(3)确定系统需要的
3、调峰容量，使之能满足设计年不同季节的系统调峰需要。(4)合理安排水、火电厂的运行方式，充分利用水电，使燃料消耗最经济，并计算系统需要的燃料消耗量。(5)确定各代表水文年各类型电厂的发电设备利用小时数，检验电量平衡。(6)确定水电厂电量的利用程度，以论证水电装机容量的合理性。(7)分析系统与系统之间、地区与地区之间的电力电量交换，为论证扩大联网及拟定网络方案提供依据。,2023/11/3,35,6,电力电量平衡中代表水文年的选择,电力系统按发电机组动力来源的不同，可分为纯水电、纯火电和水、火电联合运行系统，其中以水、火电联合运行系统较为常见。电力电量平衡中代表水文年有丰、平、枯、特枯水文年，根据
4、电力系统设计技术规程，有水电的系统一般是按枯水年进行电力平衡、按平水年进行电量平衡；水电占比例大的系统还应根据需要，对代表年按月编制丰、平、枯水文年的电力电量平衡、必要时还应编制丰水年和特枯水年的电力电量平衡。,2023/11/3,35,7,水文年,【设计枯水年】设计枯水年是水电厂在正常运行中可能遇到的最不利情况，它与水电厂设计保证率的水文年相对应。电力系统的电力电量平衡必须得到保证，才能满足负荷的需求。系统中各电厂的必需容量值，由此代表年来确定。因此，设计枯水年的电力电量平衡是确定系统的需要装机容量及装机进度、检验各类电厂的发电设备利用小时数的依据。【设计平水年】平水年指保证率为50的水文年
5、，接近平水年的年度又是最常见的年度，它代表水电厂最常出现的电力电量平衡。平水年的电力电量平衡是确定水电厂的电量利用程度，研究网络及联络线的经济性、水电厂的电气主接线、送电线路截面及系统多年平均年燃料需要量的依据。【设计丰水年】丰水年是指水电厂保证率小于10的水文代表年，其电力电量平衡代表水电厂满载或弃水时的运行情况，用来校核平水年确定的电厂主接线、设备和线路的送电能力、经济性。【特枯水年】特枯水年是指水电厂设计枯水年保证率以外的枯水年，接近于保证率等于100的水文年，其电力电量平衡用来检验系统的缺电情况及网络的适应性，必要时需研究解决措施。,2023/11/3,35,8,电力平衡代表年、月的选
6、择,电力平衡需要逐年进行，应按逐年控制月份的最大负荷和水电厂设计枯水年的月平均处理编制。一般以每年的12月为代表，但还应根据水电厂逐月发电处理的变化及系统负荷的变化情况，具体分析确定。一年中也可能有2个月份其控制作用，应分别平衡。必要时选择代表年进行逐月电力平衡，以便找出其中起控制作用的月份，然后按该代表月进行逐年平衡。,2023/11/3,35,9,电力平衡中的容量组成,电力平衡中的容量由装机容量、必需容量、工作容量和备用容量组成。【装机容量】系统中各类电厂安装的发电机组额定容量的总和。【必需容量】维持电力系统正常供电所必需的装机总容量，即工作容量和备用容量之和。【工作容量】发电机承担电力系
7、统正常负荷的容量。在电力平衡表中的工作容量是指电力系统最大负荷的工作容量。其中担任基荷的电厂处理就是工作容量担任峰荷和腰荷的发电出力日负荷最大时刻的出力作为工作容量。水电厂的工作容量是指按保证出力运行时所能提供的发电容量，其大小与其保证出力及其在电力系统日负荷曲线上的工作位置有关。【备用容量】备用容量是指为了保证系统不间断供电并保持在额定频率下运行而设置的装机容量。【重复容量】水电厂为了多发季节性电能，节省火电燃料而增设的发电容量。重复容量是在一定的设计供电范围、负荷水平和设计保证率条件下选定的，当任一条件变化时，就有可能部分或全部转化为必需容量。【受阻容量】由于各种原因，发电设备不能按装机额
8、定容量发电的容量。,2023/11/3,35,10,备用容量的分类,按备用设备所处状态分类：热备用(旋转备用)和冷备用。【热备用(旋转备用)】设备处于运转状态，或是空载运行，或是带部分负荷运行。水电站的旋转备用状态可以是空载运行火电站则是带最小技术出力或部分负荷运行系统一旦出现超预测值的负荷时，这种处于运转状态下的备用容量可以很快投入使用，即它的主要功能是能适应电力系统负荷瞬间的快速波动及一天内计划外的负荷增长。【冷备用】处于完好状态的停止运行设备，一旦满要时立即可以启动投入运行。包括火电厂处于压火、暖机状态下的设备及水电厂停运但仍担负备用任务的设备。它主要为设备的计划检修、事故停运及系统日负
9、荷出现额外增长时提供必要的补充容量。,2023/11/3,35,11,按备用的作用分类：负荷备用、事故备用和检修备用。【负荷备用】为了适应负荷的瞬时变化、保证供电质量及可靠性而设置的备用。由于电力系统在运行时，负荷是环绕负荷曲线剧烈而急促的波动变化着，并迫使系统周波不断变化。有时又将其分为周波备用和负载备用。为了维持电力系统的周波在规定的变化范围内，以保证供电质量，就必须设置周波备用。由于负载备用是用以满足日调度计划以外的用电增加的，负荷预测存在误差，实际负荷值往往与预期值不符，故应配置适当的负载备用容量。【事故备用】当发电设备发生偶然事故而被迫退出运行时，为了保证电力系统正常连续供电而需设置
10、的备用容量。【检修备用】为了保证系统中所有发电机组都能按预定计划进行周期性检修所需设置的备用。,2023/11/3,35,12,备用容量的确定,确定系统最大负荷备用容量的方法通常有两种，即经验法和概率性方法。【经验法】根据系统运行经验，按系统综合的某一百分率来确定系统中各类备用的大小。负荷备用：一般取为系统最大负荷的2%5%，大系统取小一些的数小系统取大一些的数。事故备用：一般取系统最大负荷的5%10%左右，且不得小于系统中最大一台机组的客量。检修备用：视系统年负荷曲线低谷面积的太小，取检修备用容量为系统综合最大负荷的8%15%，年负荷曲线越平稳的系统，此值越大。经验法优缺点：简单、方便因为它
11、基于系统的运行经验，虽然没有计算，它却综合考虑了各种因素，其中有些因素是不便于精确计算的。因为以运行经验为基础，它也易于为运行单位接受。但它所确定的备用值不是通过详细的分析计算，因此这个方法不够精确。,2023/11/3,35,13,【概率性方法】根据元件参数和系统的概率特征，通过统计计算得到系统和各个节点的概率指标，从而对系统的可靠性有一个较为全面和客观的评估。典型概率特征：机组的停运概率与该机组容量大小有关，尽管两个方案的百分备用容量相同，但不同的机组可产生完全不同的风险指标，因此一个固定的百分备用不能保证各方案有协调一致的风险度。元件原始数据中固有的不确定性。由于统计子样有限，实际的元件
12、特性数据不是一个常数，而是服从某种概率分布的随机变量。负荷预测中的不确定因素。备用的分配存在季节、负荷变化这些因素影响。,2023/11/3,35,14,概率性方法与经验法比较,采用经验法的主要不足之处是没有考虑到系统性能、用户功率和元件故障的概率特征。使用概率方法可以更为科学和准确的反映电网实际，根据设定的可靠性判据如电力不足期望值，从发电能力、计划检修、故障停机、负荷水平及特性等诸多方面来综合判断发电供应的可靠程度，进而确定电网备用容量的预留。,2023/11/3,35,15,备用容量的合理分配,【备用容量分配原则】系统的备用容量应由哪种发电厂或机组来承担，应考虑各种备用的要求及各类电厂或
13、机组的工作特性，在电厂间进行分配。【负荷备用容量分配】考虑到水轮发电机效率最大区是在额定容量的70%90%，它的应变能力强，负载变动时调节损失小。因此，由没有满发的水电厂担任负荷备用最合适。注意：担任负荷备用的水电厂，其装机容量应不小于系统或调频地区是大负荷的15%，且存一定的调节库容作保证。泾流式电站不能担负负荷备用。实际系统中负荷备用往往不是由一个电厂来担任。系统中旋转备用应进一步分散，以免事故下主干线上潮流急剧地大起大落而导致系统瓦解。系统应根据负荷分布及电源结构及机组特性，规定参加调频的电厂及其执行任务的程序。,2023/11/3,15,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所34,2
14、023/11/3,35,16,【事故备用容量分配】可以由水电厂担任，也可由火电厂担任，一般均由水、火电厂共同承担，并参照其工作容量的比例来分配。分配时应注意下列几点：调节性能良好、靠近负荷中心的水电厂应考虑担负较多的事故备用容量。担任事故备用容量的水电站，必须拥有相应的事故备用库容作保证。具有较大水库、调节性能良好的水电站可在事故后，利用加大火电出力，减少水电站工作容量的办法以弥补事做下耗用的库容，事故备用库容可以适当减少。径流式或日调节水电站不能担负系统的事故备用。向电站分配事故备用时，必须考虑其地理位置及送电线路的输电能力。设置事故备用时，应将相当大部分的事故备用容量放在运转机组上，以旋转
15、备用形式工作，并分布在系统内多个电厂中，以提高供电的可靠性。,2023/11/3,16,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所34,备用容量的合理分配,2023/11/3,35,17,【检修备用容量分配】分配可以相当灵活，它一般以冷备用形式存在。实际系统中火电机组的检修一般安排在夏秋季负荷低落、水电又是丰水期间，水电机组检修则安排在枯水期。当检修面积不足而专设检修备用容量时，一般是设置在火电厂内。【备用容量分配的意义】将备用分为负荷备用、事故备用、检修备用三种及其确定方法，主要是为了在电力规划时确定系统的合理装机容量。在运行中上述三部分备用容量不是截然分开的。系统运行中应当有一定的冷、热备用
16、容量，这些备用既可以担负调峰调频，也可以在事故时担负负荷作为事故备用，或者在其他机组检修时投入运行作为检修备用。系统需要的总备用容量，应当参照上列三种容量之和及系统的实际运行经验确定。,备用容量的合理分配,2023/11/3,35,18,电源结构的规划,【研究问题】研究电力系统的合理电源结构问题，主要是研究各类型电站发电容量和电量的合理比例问题。在做电力规划时，应努力使电力系统内电源结构趋于合理。【主要内容】影响电源结构的因素确定合理电源结构的方法,2023/11/3,35,19,影响电源结构的因素,影响一个地区或一个电力系统的电源结构的因素很多，概括起来主要有：动力资源的种类、贮量和分布制约
17、电源结构布局。华北地区有丰富的煤炭资源决定了其以煤电为主的电源结构；西南地区水资源丰富，因此优先开发水电是西南地区电力建设的方针。地区或电力系统电、热负荷的需求量，特性及分布影响电源结构布局。如果热负荷较大、集中，且持续时间长，建设热电厂是经济合理的。当负荷率较高时，大容量经济性好的火电厂具有很高的经济效果。当负荷率低，峰谷差大时，可利用水电站的调峰优势。电源本身的技术经济特性影响电源结构布局。火电的经济性由于火电成本的上升而下降，水电虽然成本低，但建设工期长，一次投资大。国家发电能源政策影响电源结构布局。发电能源政策的出台，势必影响各种能源的开发速度与电源结构。国家资金、物资、器材及劳动技术
18、力量的供应能力等影响电源结构布局。,2023/11/3,35,20,确定合理电源结构的方法,确定合理电源结构的步骤：根据负荷预测的结果，确定规划期内各个规划时段及逐年应增加的装机容量(包括备用容量在内)。根据地区（或电力系统）内动力资源的情况和电厂厂址条件，选择一批可能的厂址，并根据负荷增长需要合理确定电厂容量。下列电厂需优先确定：以防洪、灌溉为主要目的的水利工程的发电容量、具有重大政治或国防意义的某些发电厂、大型工矿企业的自备电厂、因热负荷需要确定建设的热电厂的容量。剩余新增能量在各类电厂间的经济合理分配。剩余新增能量是指系统所得新增的发电容量扣除优先确定的电厂容量后的剩余不足部分。,202
19、3/11/3,35,21,确定合理电源结构的方法,系统容量在各类电厂间的合理分配：根据各类电厂自身的技术经济特性合理安排系统容量的分配。火力发电厂的主要特点：运行中需支付燃料费用，但其运行不易受自然条件的影响。火力发电设备的效率同蒸汽参数有关。发电设备有功出力受锅炉和汽轮机的最小技术负荷的限制。带有热负荷的火电厂称为热电厂，它采用抽油供热，其总效率要高于一般的凝汽式火电厂。但是与热负荷相适应的那部分发电功率是不可调节的强迫功率。,2023/11/3,35,22,确定合理电源结构的方法,水力发电厂的主要特点：不用支付燃料费用，而且水能是可以再生的资源。但其运行因水库调节性能的不同在不同程度上受自
20、然条件（水文条件）的影响。水轮发电机的处理调整范围较宽，负荷增减速度相当快，机组的投入和退出运行耗时都很短，操作简便安全，无需额外的损耗。水利枢纽往往兼有防洪、发电、航运、灌溉、养殖、供水和旅游等多方面的效益。水库的发电用水量通常按水库的综合效益来考虑安排，不一定能同电力负荷的需要相一致。,2023/11/3,35,23,确定合理电源结构的方法,抽水蓄能发电厂：一种特殊的水力发电厂，有上下两级水库，在日负荷曲线的低谷期间，它作为负荷向系统吸收有功功率，将下级水库的水抽到上级水库；在高峰负荷期间，由上级水库向下级水库放水，作为发电厂运行向系统发出有功功率。抽水蓄能发电厂的主要作用是调节电力系统有
21、功负荷的峰谷差。核能发电厂：同火力发电相比，一次性投资大，运行费用小，在运行中也不宜带急剧变动的负荷。反应堆和汽轮机组退出运行和再次投入都很耗时，且要增加能量消耗。,2023/11/3,23,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所34,2023/11/3,35,24,确定合理电源结构的方法,结论 为了合理地利用国家的动力资源，降低发电成本，必须根据各类发电厂的技术经济特性，恰当地分配他们承担的负荷，安排好它们在负荷曲线中的位置。径流式水电厂的发电功率，利用防洪、灌溉、航运、供水等其他社会需要的放水量的发电功率，以及在防洪水期为避免弃水而满载运行的水电厂的发电功率，都属于水电厂的不可调节公率，
22、必须用于承担基本负荷；热电厂应承担与热负荷相应的电负荷；核电厂应带稳定负荷。它们都必须安排在日负荷曲线的基本部分，然后对凝汽式火电厂按其效率的高低依次由下往上安排。,2023/11/3,24,武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所34,2023/11/3,35,25,电力电量平衡表的编制,在系统设计中一般用表格法进行电力电量平衡，电力电量平衡由系统电力平衡表和系统电量平衡表组成。(1)电力平衡表的编制：电力平衡表的格式见表1。表1 系统电力平衡表,2023/11/3,35,26,电力电量平衡表编制,表2 各电厂逐年新增容量表,2023/11/3,35,27,电力电量平衡表编制,表3 系统电量
23、平衡表,2023/11/3,35,28,电量平衡表的编制,(2)电量平衡表的编制 系统电量平衡表如表3所示。表3中第二项的系统月平均出力按表中顺序计算，其中凝汽式电厂的月平均出力，为系统月平均负荷减去水电厂月平均出力及供热强制出力。将各月平均出力乘以相应的月小时数后相加即可得到各类电厂的年发电量，并据此校验各类电厂的利用小时数检验电量是否平衡。一般在电量平衡中，火电机组利用小时数按不大于5000h考虑。当水电比重较大或遇丰水期，有可能发生水电电量得不到充分利用的情况时，则应计算弃水电量(可以在负荷曲线上求得)。,2023/11/3,35,29,电力电量平衡表编制,系统各电厂月平均功率计算：列出
24、水电厂被利用的月平均功率。列出热电厂的供热强制功率。计算凝汽式电厂的月平均功率，为系统月平均负荷减去水电厂月平均功率及供热强制功率。将各月平均出力乘以相应的月小时数后相加即可的到各类电厂的年发电量，并据此校验各类电厂的利用小时数，检验电力是否平衡。,2023/11/3,35,30,纯火电系统电力平衡表,电力电量平衡表的编制,2023/11/3,35,31,纯火电电量平衡表,电力电量平衡表的编制,备注：1、当年新增容量一般按1/4容量考虑；2、若年利用小时数5000小时，则说明装机容量偏多。一般在50005500小时较为适宜。,2023/11/3,35,32,注：由于按最大负荷安排的实际机组容量
25、均有富余，可由未满负荷运行的机组承担负荷备用。,2023/11/3,35,33,电力电量平衡表确定了逐年的发电容量后，为进行电网的潮流分布及调压计算，制定网络方案，选择送电线路导线截面和各种电气设备及无功补偿设备等提供了科学依据。,电力电量平衡表的意义,2023/11/3,35,34,【思考题】简要说明电力电量平衡的概念、研究任务。电力电量平衡中要考虑哪些容量？试说明各类电厂应根据其自身特性承担何种类型的负荷？结合实际谈一谈影响电源结构规划的一些因素？,2023/11/3,35,35,【参考文献】何仰赞，温增银电力系统分析（下册）（第三版）武汉：华中科技大学出版社，2002萧国全，徐绳均电力规划北京：水利电力出版社，1993程浩忠电力系统规划北京：中国电力出版社，2008,
