剖析輸電網(wǎng)規(guī)劃在電力系統(tǒng)中的可靠性

王麗嫻

（云南電網(wǎng)公司玉溪供電局，云南 玉溪 653100）

1 電網(wǎng)規(guī)劃概述

在管制的環(huán)境下,輸電計(jì)劃的目標(biāo),是要確保系統(tǒng)盡可能高的可靠性。與解除管制的環(huán)境相比,在規(guī)劃過(guò)程中,相對(duì)較少的經(jīng)濟(jì)關(guān)注,因?yàn)橐?guī)劃者往往不擔(dān)心如何彌補(bǔ)投資。規(guī)劃者基于所有的現(xiàn)有歷史數(shù)據(jù)制定出選擇性的擴(kuò)展規(guī)劃。在規(guī)劃中,可選擇的規(guī)劃將在不同的系統(tǒng)方案中測(cè)試以完成其他的目標(biāo)和約束?？山邮艿聂敯粜砸?guī)劃,在所有各種設(shè)想和考慮條件下應(yīng)能提供可靠的負(fù)載。規(guī)劃者在所有魯棒性規(guī)劃中選擇相對(duì)投資最小規(guī)劃作為最終擴(kuò)展規(guī)劃。在解除管制的環(huán)境下,競(jìng)爭(zhēng)創(chuàng)造了一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的電力市場(chǎng)。因此,規(guī)劃者需要考慮的不僅僅是系統(tǒng)可靠性約束還要考慮經(jīng)濟(jì)和金融的限制。在一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的電力市場(chǎng)下,電力系統(tǒng)規(guī)劃不再是一個(gè)計(jì)劃,相反,它是一個(gè)擴(kuò)展戰(zhàn)略。

1.1 電力系統(tǒng)可靠性

可靠性作為電力商品的重要屬性之一,直接影響用戶在市場(chǎng)環(huán)境下的選擇經(jīng)濟(jì)行為,同時(shí)也直接關(guān)系到電價(jià)的制定和輸電投資者的收益狀況?？煽啃?可以被看作是在給客戶提供滿意品質(zhì)的持續(xù)服務(wù)的保證程度。按可接受標(biāo)準(zhǔn)和期望數(shù)量向供電點(diǎn)供應(yīng)電力和電能量的能力的度量,可包括充裕性和安全性兩方面。充裕性指標(biāo)反映在研究時(shí)間段內(nèi)發(fā)輸電系統(tǒng)在靜態(tài)條件下系統(tǒng)容量滿足負(fù)荷電力和電能量需求的程度,而安全性指標(biāo)主要從系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性角度出發(fā)。充裕,是與靜態(tài)條件,其中并不包括系統(tǒng)紊亂。安全,涉及到在系統(tǒng)內(nèi),系統(tǒng)對(duì)出現(xiàn)擾動(dòng)的反應(yīng)能力。

從目前可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)考慮,在電網(wǎng)規(guī)劃中一般考慮充裕性的可靠性指標(biāo)。缺乏運(yùn)行的發(fā)電容量,可以打破供需平衡,將導(dǎo)致負(fù)荷脫落,像發(fā)電系統(tǒng),有限的運(yùn)輸能力,將導(dǎo)致過(guò)負(fù)荷。換一句話說(shuō),好的電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估可以為最小化系統(tǒng)中斷的可能性提高更有效的解決方案。

1.2 電力系統(tǒng)不確定性

Knight中定義不確定性是指隨機(jī)性與不可知的概率。不確定性在電力系統(tǒng)規(guī)劃里包括:天氣、需求增長(zhǎng)、燃料成本,建設(shè)周期,市場(chǎng)影響,社會(huì)環(huán)境,經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng),其他參與者行動(dòng)等。

與傳統(tǒng)管制環(huán)境相比,解除管制的電力市場(chǎng)環(huán)境帶來(lái)了更多隨機(jī)的、非隨機(jī)的以及具有模糊性的不確定性因素,對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃提出更高的要求。市場(chǎng)環(huán)境下與電網(wǎng)規(guī)劃相關(guān)的不確定因素主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①與發(fā)電側(cè)相關(guān)的不確定性;②與負(fù)荷相關(guān)的不確定性;③系統(tǒng)潮流的不確定性;④投資回報(bào)的不確定性;⑤其他方面的不確定性,主要包括輸電環(huán)節(jié)的不確定性,市場(chǎng)不確定性和具有模糊特性的不確定性。

1.3 經(jīng)濟(jì)分析

在競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)中,為保持系統(tǒng)足夠的運(yùn)行容量而投入大量資金是不可能的。在競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)中,投資者不僅僅考慮投資費(fèi)用,還要考慮他們能從投資中得到多少回報(bào)。因此,在市場(chǎng)環(huán)境下,投資回報(bào)率是一個(gè)費(fèi)用重要的規(guī)劃指標(biāo)。

在競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)下,可靠性也可以通過(guò)經(jīng)濟(jì)核算觀點(diǎn)計(jì)算。例如經(jīng)濟(jì)損失由于可靠性問(wèn)題產(chǎn)生的不同部門(mén)客戶經(jīng)濟(jì)損失將來(lái)列入用戶賠償函數(shù)CDF(customer damage functions),它廣泛被用于計(jì)算可靠性價(jià)值?？煽啃钥梢匀菀椎赝ㄟ^(guò)供電失敗懲罰費(fèi)用計(jì)算。

1.4 決策分析

大部分的輸電線是為長(zhǎng)期運(yùn)行壽命設(shè)計(jì)的。期間,任何意料不到的改變可能發(fā)生。一旦開(kāi)始建設(shè),投資不得不承認(rèn)他們的決策超過(guò)規(guī)劃水平年。錯(cuò)誤決策的結(jié)果可能是損失慘重的。因此,投資決策是電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃中最重要的部分。

決策理論已經(jīng)被用于電力部門(mén)處理不確定性,以最大限度地減少風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)制訂決策時(shí),所有相關(guān)因素將通過(guò)概率計(jì)算量化他們,以計(jì)算入決策。一些考慮事項(xiàng)已經(jīng)進(jìn)入決策過(guò)程,其中包括成本最小化,技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),地方經(jīng)濟(jì)的考慮,以及財(cái)政,生態(tài),及調(diào)整事宜。

2 市場(chǎng)環(huán)境下的擴(kuò)展規(guī)劃

2.1 目標(biāo)函數(shù)

電力系統(tǒng)規(guī)劃是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題,需要解決不同的社會(huì)群體如投資者、客戶、員工等的目標(biāo)函數(shù)。這些目標(biāo)函數(shù)是相互沖突的。多目標(biāo)優(yōu)化方法用于使最佳決策方案盡可能接近非劣解前沿。電網(wǎng)規(guī)劃方法的多目標(biāo)函數(shù)為

式中:CT為輸電線路的建設(shè)成本;ci為單位長(zhǎng)度單位MW的成本,$/(MW·km);li為第i根輸電線路的長(zhǎng)度Kmu;fti為交易時(shí)間t引起的輸電線i上的最大潮流;ηmn為節(jié)點(diǎn)m到節(jié)點(diǎn)n的新建輸電線;Lkj為由于偶然事件j導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)k損失的負(fù)荷;Dj為由偶然事件j損失負(fù)荷的持續(xù)時(shí)間;Cj為在節(jié)點(diǎn)k上由偶然事件j和損失持續(xù)時(shí)間Dj造成的損失費(fèi)用;fj為停電j發(fā)生的頻率;EENS和COC為系統(tǒng)電力不足期望值和用戶停電損失費(fèi)用;TC為所有線路的總投資,它包括運(yùn)行成本,歷史容量投資,為未來(lái)擴(kuò)展和相關(guān)強(qiáng)化的后續(xù)投資;λ為利率;n為表示某階段t的輸電線路總數(shù);T為表示建設(shè)階段總數(shù)。

2.2 約束條件

在電力市場(chǎng)環(huán)境下,需要考慮的可靠性約束條件通常包含兩類:一個(gè)是確定性的可靠性準(zhǔn)則,另一個(gè)是概率可靠性準(zhǔn)則。概率可靠性準(zhǔn)則通過(guò)最小化規(guī)劃后系統(tǒng)的EENS如式(3)和式(4)所示,在確定性的可靠性準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上提高系統(tǒng)可靠性,進(jìn)一步保證系統(tǒng)可靠性運(yùn)行;可靠性準(zhǔn)則如正常情況為

2.3 假設(shè)

提出的輸電網(wǎng)規(guī)劃的重點(diǎn)是:通過(guò)充分仔細(xì)的分析,設(shè)計(jì)出合理的系統(tǒng)以反映實(shí)際系統(tǒng)的復(fù)雜性。一些為本文研究的重點(diǎn)如下。

2.3.1 為分析由輸電線導(dǎo)致的不同,假設(shè)發(fā)電系統(tǒng)是100%可靠的,因此,在發(fā)電側(cè)沒(méi)有停電事件。

2.3.2 假設(shè)支線過(guò)負(fù)荷可以通過(guò)重新配置和負(fù)荷分配解決。

2.3.3 本文算例MRBTS的負(fù)荷持續(xù)曲線如圖1所示。

圖1 MRBTS系統(tǒng)的負(fù)荷持續(xù)曲線

2.4 本方法的關(guān)鍵

2.4.1 可靠性分析

在市場(chǎng)環(huán)境下對(duì)可靠性要求更高,僅以N-1安全作為約束條件則顯得不足,系統(tǒng)函數(shù)是由獨(dú)立的系統(tǒng)運(yùn)行員解決的。他們的目標(biāo)是最小化電力供應(yīng)不足期望值引起的潮流危害。因此,電力供應(yīng)不足期望值(EENS),在一個(gè)完整的實(shí)用模型里是一個(gè)約束,在重構(gòu)的電力系統(tǒng)里已經(jīng)轉(zhuǎn)移到獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行員的目標(biāo)中,電力供應(yīng)不足期望值(EENS)已經(jīng)是系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)。

2.4.2 可靠性成本

在競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)里,可靠性成本的評(píng)估更加重要。用戶停電損失費(fèi)用在負(fù)荷點(diǎn)ke可以用中斷持續(xù)時(shí)間來(lái)計(jì)算,綜合用戶損失函數(shù)CCDF(composite customer damage function)是由各部分的用戶損失函數(shù)的合計(jì)組成的。它表示中斷損失和中斷持續(xù)時(shí)間在每個(gè)特別負(fù)荷點(diǎn)的關(guān)系。平均失敗率和平均中斷時(shí)間的關(guān)系已經(jīng)給出。

2.5 風(fēng)險(xiǎn)分析

由于不能確保遺傳算法能夠找到絕對(duì)最優(yōu)解和其他在規(guī)劃中的不確定性,風(fēng)險(xiǎn)分析用于幫助規(guī)劃者制定最終的方案。在電網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)題中充分考慮并有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn),可以提高規(guī)劃方案的準(zhǔn)確性和對(duì)未來(lái)變化情況的適應(yīng)能力。同時(shí),有效降低風(fēng)險(xiǎn)也是對(duì)輸電投資的一種內(nèi)在激勵(lì)。

在風(fēng)險(xiǎn)投資范例中,最佳解決方案通過(guò)最大最小后悔準(zhǔn)則方法選取。所謂后悔值是指決策者在某種自然狀態(tài)下,本應(yīng)選取收益最大的方案獲得最大收益時(shí),選擇了其他方案而造成的機(jī)會(huì)損失的損失值。在被提議的方法中,最小化遍及未來(lái)的最大權(quán)重后悔值的規(guī)劃被選擇為最終規(guī)劃方案。

3 算例分析

選用Billinton教授設(shè)計(jì)的可靠性測(cè)試系統(tǒng)MRBTS-BUS5(modified roy billinton test system)作為算例,負(fù)荷、線路數(shù)據(jù)等原始數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)只進(jìn)行電網(wǎng)的擴(kuò)展,不進(jìn)行電源的擴(kuò)展,所以本文以電網(wǎng)規(guī)劃為例。規(guī)劃結(jié)果和可靠性數(shù)據(jù)。文中根據(jù)每提高一定的可靠性,擴(kuò)建費(fèi)用最小的目標(biāo)得到11個(gè)優(yōu)化方案。

采用本文計(jì)算數(shù)學(xué)模型,分別計(jì)算各方案的電力不足期望值(EENS)、用戶停電損失費(fèi)用(COC)、建設(shè)成本(COST)以及收益率如表1所示。為了得到合理的結(jié)果,通常采用遺傳算法來(lái)計(jì)算得到合理的方案。經(jīng)遺傳算法計(jì)算,在迭代50次后,得到了最優(yōu)方案。方案3能夠達(dá)到最低的缺電損失成本和建設(shè)成本,取得合理的收益率。

?

采用最大最小后悔準(zhǔn)則,計(jì)算各方案在不同的負(fù)荷增長(zhǎng)情況下的效益值如表3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著電力市場(chǎng)化改革的深入,創(chuàng)造了一個(gè)解除管制電力市場(chǎng),同時(shí)對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。電網(wǎng)規(guī)劃的目的是為電網(wǎng)公司決定一個(gè)合理優(yōu)化的規(guī)劃方案。從規(guī)劃者的角度看,規(guī)劃是一個(gè)考慮許多制約因素下,平衡多個(gè)存在沖突的目標(biāo)的過(guò)程。電網(wǎng)規(guī)劃的主要目標(biāo)是盡可能經(jīng)濟(jì)地確?？煽康臐M足要求的電力供應(yīng)。在本文中,新的方法是,在滿足潮流和安全約束的條件下,使電力不足期望值(EENS)、投資費(fèi)用最小,使效益成本最大。采用改進(jìn)的遺傳算法(GA)解決多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。新的方法,一方面用最少的投資達(dá)到盡可能高的可靠性,另一方面最大化了投資效益,增加了輸電公司的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

表2 各方案各情況下的效益值表

[1]趙鳳治.輸電網(wǎng)最優(yōu)設(shè)計(jì)[M].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)，1997-09-30.