电力系统规划与可靠性―马燕峰(new)
课程要求（1）电力系统规划与可靠性主讲人：马燕峰第一学期■先修课程概率论和数理统计，电力系统分析基础 ，电力系 统暂态分析■ ■参考书 课程内容电力系统分析可靠性 ，电力系统规划课程要求（2）■课程内容■ ■ ■ ■ ■ ■课程要求绪论 可靠性分析基础 电力系统可靠性分析 电力系统规划的优化方法 电源规划 电网规划1．掌握可靠性的基本概念与电力系统可靠性的有关指标； 2．掌握电力系统可靠性分析的状态空间法，熟悉计算机模 拟法，了解表格法、网络法、故障树法； 3．掌握电力系统规划的概念与分类，理解（非）线性规划 法和动态规划法，了解遗传算法等新型规划方法； 4．掌握电力系统有功电源规划、无功规划（优化）、网络 规划的概念、数学建模与求解方法； 5．了解电力系统可靠性与规划的实际应用情况以及研究现 状和发展趋势。绪论概述 电力系统可靠性的概念与研究方法 电力系统规划的概念与研究方法 电力系统规划与可靠性研究的新进展绪论 ― 概述电力系统是一个复杂的大系统，虽然问题众多， 但归根结底是可靠性与经济性这两类问题。可靠性与 经济性是一个矛盾的两个方面，二者的对立统一决定 了电力系统的基本面貌。电力系统规划问题就是研究 如何在保证可靠性的前提下，最大限度地提高经济效 益，降低成本。所以，电力系统规划与电力系统可靠 性既是相互独立的两个研究方向，又密切相关，一般 来说，可靠性是研究电力系统规划问题的基础，研究 规划问题就必然涉及到可靠性问题。1绪论 ― 概述电力系统规划与可靠性问题内容广泛，属交叉学 科，已经成为电力系统令人注目的一个研究方向。研 究电力系统规划与可靠性问题需要具备扎实的数学基 础，特别是概率与数理统计、规划数学、计算方法等。 虽然在大型电力国际（国内）会议上，电力系统规划 与可靠性都被列为单独的论文类别，但由于历史的原 因，相对于电力系统的其它研究方向而言，电力系统 规划与可靠性问题的研究相对滞后，表现为研究的人 员较少、重视程度不够、还有很多问题没有突破、研 究成果实际应用价值小等等。绪论 ― 概述近年来，这一状况正在迅速得到改变，随着电力 市场的形成，为了经济的目的，必然要最大限度地降 低成本和提高系统的安全运行水平，规划与可靠性就 成了不能回避的问题，其研究工作也迅速增多。尤其 在城网规划和地区电网无功优化方面，人们投入了极 大的热情，并随之出现了一批研究成果。为适应形式 的发展，我校电力系统及其自动化专业决定开设电力 系统规划与可靠性课程，并希望以此能提高人们对此 课题的重视。绪论 ― 电力系统可靠性的概念与研究方法人们在日常生活和工程技术领域常常遇到对某一 事物、产品或系统可靠和不可靠的评论，这种评论是 和事物、产品或系统能否达到某一预期的功能联系在 一起的。例如，一台机器预期能连续工作10天，如果 工作到7天或更短的时间就损坏了，那它是不可靠的， 如果连续工作10天或更长时间，则它就是可靠的。这 种对可靠性问题的认识，还只是停留在模糊定性认识 的阶段，缺乏数量上严格和科学的计算方法，还不能 称之为可靠性理论。绪论 ― 电力系统可靠性的概念与研究方法可靠性理论的发展，可以追溯到第二次世界大战 期间，当时德国为了对导弹的可靠性作出估计，提出 了关于可靠性的一个重要理论：任一元件的故障可能 导致系统（串联系统）故障，其可靠性等于各独立元 件可靠 性的乘积。由于独立元件的可靠性是小于1 的，所以，系统的可靠性比系统中可靠性最差的一个 元件还要低。绪论 ― 电力系统可靠性的概念与研究方法任一元件的故障可能导致系统（串联系统）故 障，其可靠性等于各独立元件可靠性的乘积。由于独 立元件的可靠性是小于1的，所以，系统的可靠性比 系统中可靠性最差的一个元件还要低。这种对可靠性 的认识，虽然非常简单，但已经上升到了理论的高 度，因而具有非常重要的意义。第二次世界大战以 后，可靠性理论在电子、空间技术以及其它工程技术 领域得到了越来越广泛的应用和发展，并迅速成为一 门独立的学科。绪论 ― 电力系统可靠性的概念与研究方法关于可靠性的概念，一般是这样认识的：可靠性 （Reliability）是指一个元件、设备或系统在预定时 间内，在规定的条件下完成规定功能的能力。可靠性 涉及元件失效数据的统计和处理、系统可靠性的定量 评定、可靠性和经济性的协调等多方面内容，是一门 边缘学科，具有实用性、科学性和时间性三大特点。2绪论 ― 电力系统可靠性的概念与研究方法所谓实用性是指可靠性研究和工程实践紧密联 系，并为工程实践服务；科学性是指可靠性研究有一 套独特的科学理论和方法，而不是猜测和粗略的判 断；时间性是指可靠性贯穿于产品或系统的整个设计、 研制、开发、运行过程。绪论 ― 电力系统可靠性的概念与研究方法把可靠性研究的一般理论和方法与电力系统的工 程实际相结合，便形成电力系统可靠性。电力系统可 靠性是20世纪60年代以后发展起来的一门应用科学， 已渗透到了电力系统规划、设计、运行和管理的各个 方面。1970年，比灵顿（R. Billinton）发表了第一部 电力系统可靠性的专著――《电力系统可靠性估计》 （Power System Reliability Evaluation），以后， 许多关于电力系统可靠性的书刊专著相继问世。绪论 ― 电力系统可靠性的概念与研究方法我国关于可靠性问题的研究大体始于20世纪70年 代后期，80年代初中期出版了一些有关可靠性的专著 和译著，对可靠性问题研究较多的主要是西安交通大 学和清华大学，重庆大学、电力科学研究院、华北电 力大学也进行了有关研究工作，如华北电力大学承担 了国家“七五”攻关子课题“三峡电站接入系统的可靠 性与经济性分析”，并于1989年通过了电力工业部的 技术鉴定。绪论 ― 电力系统可靠性的概念与研究方法与可靠性这一概念密切相关的还有可靠度和可用 率（Availability）。一般设备区分为不可修复设备和 可修复设备两大类，如在电力系统中，绝缘子属不可 修复设备，而发电机、变压器、断路器等大多数设备 属可修复设备。对于不可修复设备，其可靠性是指在 预期的时间（平均寿命）内，未发生故障这一事件的 概率，通常称为可靠度。绪论 ― 电力系统可靠性的概念与研究方法对于可修复设备，由于故障后还可以修复，再投 入工作，且长期经历着这种循环，所以，除计及设备 发生故障的概率外，还要计及故障后修复的概率，这 种情况下的可靠性指标称为可用率，它定义为：可修 复设备在长期运行中，处于或准备处于工作状态的时 间所占的比例。绪论 ― 电力系统可靠性的概念与研究方法关于设备的两种可靠性指标可靠度和可用率，同 样适用与元件和系统。电力系统是典型的可修复系 统，其中的主要元件都是可修复元件。为了便于不同 场合的应用，已提出了大量电力系统可靠性的具体指 标 。 如 电 力 不 足 概 率 （ LOLP ） 、 电 力 不 足 频 率 （FLOL）、电力不足持续时间DLOL等等。3绪论 ― 电力系统可靠性的概念与研究方法电力系统可靠性问题的研究，目的是对整个电力 系统进行可靠性评估。但现代电力系统是由发电系统、 输电系统、配电系统等组成的庞大复杂的大系统，目 前只能是把发电系统、输电系统、配电系统人为地分 割开来进行可靠性研究，所以有发电系统可靠性、输 电系统可靠性、配电系统可靠性这样的称呼。绪论 ― 电力系统可靠性的概念与研究方法电力系统可靠性问题的研究有两个方面的目的： 一是为电力系统的发展规划进行长期可靠性估计；二 是为制定每天或每周运行计划而进行可靠性预测。这 两类问题研究所需的数学模型和计算方法是不同的， 而对短期可靠性的预测还处于探索阶段，目前关于长 期可靠性问题的研究已达到实用阶段，因为短期可靠 性的研究需要考虑电力系统稳定性等问题，而这些问 题都还不是很成熟。绪论 ― 电力系统可靠性的概念与研究方法提高电力系统可靠性的途径，一是提高组成系 统各元件的可靠性，二是增加冗余度。对于发电系 统，增加冗余度意味着增加装机容量，即增大备用 容量；对于输电系统，则意味着增加输电线路数或 加大输电线路截面积。可见，冗余度涉及到经济问 题，可靠性与经济性密切相关。绪论 ― 电力系统可靠性的概念与研究方法目前研究电力系统可靠性的方法有两种：一种是 解析法，另一种是模拟法。这是两种完全不同的方 法，解析法是将元件或寿命的过程模型化，然后通过 数学方法进行可靠性分析，计算出可靠性指标；模拟 法也称为蒙特卡洛法或仿真法，它是采用计算机仿真 的方法，模拟元件或系统的寿命过程，并经过规定的 时间后进行统计，得出可靠性指标。绪论 ― 电力系统可靠性的概念与研究方法一般来说，解析法需要建立系统的数学模型， 公式推导复杂，但所得结果准确和确定，其计算时 间与所关心的系统年限无关，计算速度快；模拟法 不需要建立系统的数学模型，而是通过抽随机数的 办法模拟实际系统寿命过程，无复杂的公式推导， 但计算结果不确定，计算时间与所关心的系统年限 有关，计算速度慢。绪论 ― 电力系统规划的概念与研究方法在运筹学中，最优化问题又称为规划问题，例 如，一个工厂，在一定的人力物力条件下，如何达到 产量最高，或达到成本最低，是需要经过规划才能解 决的问题。一般物理系统都可以建立以目标函数为核 心，同时具有约束条件的数学模型，在满足约束条件 的前提下，使目标函数取得最优值（最大值或最小值） 的问题，称为规划。规划与计划不同，规划是为决策 者提供参考和依据，计划是决策者的决定。4绪论 ― 电力系统规划的概念与研究方法电力系统规划研究通常包括电源规划和电网规划。 电网规划可进一步分为输电网规划即主网规划和配电 网规划两类 。随着国民经济的迅速发展，电力负荷迅 速增长，因此就需要建设大量新的电厂、输电线和变 电站。电力系统规划的目的不是对这些建设项目进行 具体的设计，而是从国民经济整体、地区整体、电力 系统整体出发，研究应该建设哪些项目、规模多大、 各项目的基本参数（如装机容量、电压等级等等）、 建设顺序、需要采取的重大技术措施等。绪论 ― 电力系统规划的概念与研究方法电力系统规划根据时间的长短，一般分为长期 规划、中期规划和短期规划，还有远期规划、中长期 规划等叫法。各种规划的时间长短并没有统一的规 定，一般10年以上的规划称为长期规划，5-10年的规 划称为中期规划，3-5年的规划称为短期规划。不同 的规划考虑问题的角度不同，其数学模型和求解方法 也有很大不同。绪论 ― 电力系统规划的概念与研究方法过去，电力系统规划工作是手工完成的，考虑因 素少，系统规模也不大，其结果更多地体现了政策和 决策者的意志，这种方法已不能适应现代电力系统的 需要。1960s以后，由于优化技术的发展和计算机的 广泛应用，出现了各种各样的电力系统规划模型和设 想，极大地提高了电力系统规划工作的科学性和效 率，这种采用近代优化技术和计算机的电力系统规 划，称之为电力系统最优规划或电力系统优化规划。绪论 ― 电力系统规划的概念与研究方法电力系统是一个整体，电力系统优化规划的模型 应该是同时考虑整个的电力系统，但由于电力系统的 复杂性，它具有规模大、变量多、离散性、非线性、 随机性、不确定性、动态性等特点，从目前的技术水 平看，同时对整个电力系统建模并进行优化是相当困 难的，一般都是针对电力系统的某一部分或某一方面 的问题建立局部模型并进行局部规划，如有功电源规 划、网络规划、无功补偿规划、配电网规划等等，尤 其是地区电网规划和配电网规划，已引起人们极大的 兴趣。绪论 ― 电力系统规划的概念与研究方法随着电力系统三大计算，即潮流计算、短路计 算和稳定计算的完善与实用化，如今，很多电力系统 局部规划的数学模型已经达到实用化的水平，如电源 规划、城网规划、无功优化等。由于电力系统是资金 密集性工业，电力系统的发展要投入大量资金，通过 科学规划，哪怕投资能节约一个较小的百分数，其绝 对值也是相当大的。所以，电力系统规划问题的研究 与推广应用，具有非常重要的理论意义和实用价值。绪论 ― 电力系统规划的概念与研究方法电力系统规划问题是一个十分复杂的问题，由于 实际系统的整体数学模型过于复杂，变量很多，目前 的规划方法和计算水平还不能胜任，所以，往往需要 对系统模型进行简化处理，这样，不同的研究人员对 模型的处理思想和求解方法就存在很大不同，到目前 为止，还没有一个模型和求解方法不存在弱点。5绪论 ― 电力系统规划的概念与研究方法另外，由于电力工业与国民经济和人民生活密切 相关，而且工程往往较大，随着时代的进步，一些过 去不需考虑的因素，现在也必须考虑进来，或者有些 问题在新时期需要作新的考虑，例如，环境保护问 题，电力市场化、可靠性问题等。所以，电力系统规 划问题是一个不断发展和变化的问题。绪论 ― 电力系统规划的概念与研究方法电力系统规划的具体方法，与具体问题有关， 一般来说，任何规划方法，在电力系统都有应用，这 些方法包括线性规划法、整数规划法、非线性规划法、 动态规划法等，这些方法本身还有不同的分类，如非 线性规划法有乘子法、梯度法等等。另外，近年来， 又出现了专家系统方法、遗传算法、模拟退火算法、 Tubo搜索法、蚁群算法、模糊规划法等。绪论 ― 电力系统可靠性与规划研究的新进展可靠性方面 以可靠性为中心的状态维修(RCM) 城市电网的供电可靠性规划 可靠性与经济性的协调 发输电组合系统的可靠性分析 不确定理论等在可靠性研究中的应用绪论 ― 电力系统可靠性与规划研究的新进展电力系统规划方面 基于GIS的电网规划 考虑分布式能源的电源规划 多属性决策在电网规划中的应用 多场景规划 新的智能算法在规划中的应用 风光储输系统 智能电网美国提出2030年智能电网规划后，掀起了智能电网的研究热潮 2006年，美国IBM公司与全球电力专业研究机构、电力企业合作开 发了“智能电网”解决方案 2008年，Xcel能源公司开始引进智能电网技术，并使美国科罗拉 多州的Boulder市成为第一座智能电网城市 日美国白宫最新发布《复苏计划尺度报告》 日，谷歌表示已开始测试名为谷歌电表（PowerMeter） 的用电监测软件欧洲 2006年欧盟理事会发表能源绿皮书《欧洲可持续的、竞争的和安全的电 能策略》 法国电力公司同意与瑞士ABB公司之间的交易，使用ABB公司SVC Light的 “聪明电网”技术 2001年，意大利电力公司就安装和改造了3000万台智能电表，建立起了 智能化计量网络 欧盟第5次框架计划中的“欧洲电网中的可再生能源和分布式发电整合” 专题下包含了50多个项目，被认为是发展智能电网第一代构成元件和新结 构的起点，主要项目有Dispower、CRISP和Microgrids美国主要关注：电力网络基础架构的升级更 新，同时最大限度地利用信息技术，实现系统智 能对人工的替代。主要实施项目有美国能源部和 电网智能化联盟主导的GridWise项目和EPRI发起 的Intelligrid项目。欧洲则重点关注：可再生能源和分布式能源的发展， 并带动整个行业发展模式的转变。6日本： 日本政府计划于2010年开始在孤岛进行大规模的智能电网试 验 东京工业大学成立“综合研究院”，其中，可再生能源与 “智能电网项目”备受瞩目 东芝、日立等8家电力相关企业计划用3年时间开发出高可靠 性系统技术中国： 华东电网公司2007年在国内率先开展智能电网可行性研究，设计 年“三步走”的行动计划 日，作为华北公司智能化电网建设的一部分――华北电 网稳态、动态、暂态三位一体安全防御及全过程发电控制系统在京通 过专家组验收 2006年底交流特高压示范工程奠基，2008年8月正式建成投运 多项973计划项目、SG186一体化平台建设、863计划项目等日本将根据自身国情，主要围绕大规模开发 太阳能等新能源，确保电网系统稳定，构建 智能电网。中国未来智能电网的发展趋势：以坚强网架为基础、以 信息平台为支撑，构建高度一体化的智能电网结构体系。 日，国家电网公司公布了“智能电网”的 发展计划，智能电网在中国的发展将分三个阶段逐步推 进，到2020年可全面建成统一的“坚强智能电网”。总体目标智能电网发展战略框架构建以特高压电网为骨干网架、各级电网 协调发展的坚强智能电网 一个目标以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础， 利用先进的通信、信息和控制技术，构建以信息化、数字化、自动化、 互动化为特征的国际领先、自主创新、中国特色的坚强智能电网。 通过电力流、信息流、业务流的一体化融合，实现多元化电源和不 同特征电力用户的灵活接入和方便使用，极大提高电网的资源优化配置 能力，大幅提升电网的服务能力，带动电力行业及其它产业的技术升级 ，满足我国经济社会全面、协调、可持续发展要求。四个体系 电网基础体系 智能应用体系 技术支撑体系 标准规范体系 年： 研究试点阶段 年： 全面建设阶段 年： 引领提升阶段 两条主线 技术上实现信息化、数字化、自动化、互动化 管理上实现集团化、集约化、精益化、标准化三个阶段坚强可靠、经济高效 清洁环保、透明开发、友好互动 五个内涵智能电网架构示意图智能应用体系智能电网的分阶段建设目标电源侧业务 标准 规范 体系电网侧业务用户侧业务 电力流 信息流 业务流 技术支撑体系 高度 一体化综合知识支撑 统一信息支撑 复合通讯支撑明确内涵，确定目标， 完成整体规划，开展 关键技术研究，加强 实体电网建设，统一 信息模型，整合信 息平台，开展标准制 订，进行相关试点， 积累总结经验。基本 达到国际先进水平。总结技术试点和设备 研发经验，优化业务 流，规范建设要求， 完善整体架构，滚动 修订发展战略规划， 全面推广建设。基 本建成智能电网， 达到国际领先水平。在全面建设基础上， 评估建设绩效，结合 应用需求及技术发展， 进一步提升技术、管 理和装备水平，引领 世界智能电网技术发 展。全面建成世界领 先、自主创新、中国 特色的坚强智能电网。坚强电网实体 智能网络设备电网基础体系整体规划、统一部署、试点先行、稳步推广7智能电网的功能实现智能发电及并网? 一是提供更加安全、高效、经济、清洁的电力供应，切实履行电 网企业的社会责任。 ? 二是以效率和效益为中心，优化资源配置，构建柔性架构，实现 最优化经济运营。 ? 三是与电源方合作共赢，形成电力产业可持续发展和良性循环。 ? 四是提高可靠性和服务质量，为用户提供高效增值服务。 ? 五是坚持自主科技创新，推动电力行业及其它产业技术提升。 发电侧技术，包括提高机组可靠性、可用性和 可调性技术；火电机组节能减排技术； 机网协调技术，包括机网信息双向交换技术； 发电调度策略优化技术；可再生能源及其它分 布式能源系统有序并网、智能自适应控制技 术；提高可再生能源消纳能力技术；提高可再 生能源出力预测准确性技术。实现智能运行与控制大电网安全稳定控制关键技术包括坚强智能电网安全稳定控制理论、电力系统跨大区安全稳定控制模 式方法和防御体系、大电网广域监测分析保护技术、电网事故的智能故障诊断 及扰动在线识别技术、电力系统灾变预防和紧急运行关键技术、大型互联电网 自愈恢复理论与分析方法；交直流混合电网协调运行策略、多级控制中心之间 的协调配合策略、多直流输电在线运行分析与集中协调策略；人工智能、数据 挖掘等技术在电网状态评估、安全分析、故障诊断、故障恢复、经济运行等方 面的应用。在海量历史数据的基础上选择合适的挖掘算法进行负荷特性和区域 频率特性等方面的挖掘、输电网降损的数据挖掘技术、优化网络结构和运行方 式。电网建立在静态安全预警、保护智能预警、暂态稳定安全预警、电压稳定 安全预警等分层面上的综合预警技术；研究构建全维度智能化高级电网调度系 统平台、在线安全稳定动态评估及智能分析决策支持系统、新一代大型电网电 压无功智能决策系统。实现智能运行与控制大电网经济高效运行关键技术包括满足电网安全约束前提下的、基于电力市场竞价规则的、水火电机组 发电计划优化和水火电联合优化的实时经济调度技术、满足电网安全和可靠供 电的节能发电调度技术；智能配电网运行控制关键技术包括智能化配电网风险评估及供电安全预警模型、智能化配电网降低风 险策略的自动配置与计算等供电安全预警技术、配电网快速仿真和分析、故障 快速定位及处理等配电网自愈自优化技术、在配电网分散无功动态补偿基础 上，通过通信进行全局无功优化补偿的技术、研究智能配电网节能降耗技术。 研究动态电压恢复技术、无功补偿技术、固态转换开关技术、有源滤波技术等 电能质量控制技术；研究集地理信息集成、分析与可视化功能于一体，能够将 坚强智能电网在虚拟地球系统中进行动态多维虚拟化的综合性地理信息平台技 术，实现坚强智能电网在地理信息范畴的智能化。实现智能用电与交易智能用户用电信息采集与交互系统包括智能双向电表及智能用户交互终端的功能和实现技术、研究智能 用户用电信息采集与交互系统的功能和实现技术、基于供求信息双向互 动的用户需求侧分析技术、用户门户技术。实现智能用电与交易分布式能源接入及双向供电技术用户侧分布式能源（光伏发电、储能装备等）“即插即用”和 用户向电网反向供电技术。用户用电智能调度决策支持系统包括系统的功能、电力用户用电节能经济的智能算法及关键技术等， 通过系统给用户提供节能建议，并可根据用户需要实现对用户的自动调 度。电力市场运营技术支持系统开放有序的坚强智能电网电力市场体系方案及措施，为清洁能 源、分布式发电参与市场交易进行需求侧竞价提供技术支持手段。 研究电力市场指标体系、效益与效率及市场力分析；研究计及电 网安全与经济约束的电力系统优化算法及阻塞管理；研究大规模 电力系统竞价交易优化算法；研究促进资源优化的信息发布机 制；研究适合我国国情的交易和结算机制。新型双向互动营销模式包括增强客户体验与服务的新型双向互动营销机制、更具竞争力的市 场营销策略、基于用户主动性的激励性环保节能互动策略、机制和支撑 技术、基于双向互动的双赢增值服务业务策略、机制和支撑技术。8.典型的GIS功能构成9第一章 可靠性分析基础§1.1 元件可靠性 §1.2 可靠性分析的状态空间法 §1.3 可靠性分析的模拟法 §1.4 可靠性分析的其它方法10§1.1 元件可靠性一、不可修复元件1. 故障函数 寿命：元件从投入使用到首次故障的时间 故障函数：元件的寿命T等于和小于时刻t的概率 F(t)=P[T≤t] 说明：有总数为N的相同元件同时投入运行或试验， 经过时间t后，有NF个发生故障，则F(t)=NF/N§1.1 元件可靠性2. 故障率曲线 浴盆曲线 （Ⅰ）早期故障期 （Ⅱ）偶发故障期 （Ⅲ）耗损故障期 故障曲线可通过试验或现场统计得来的数据绘制而成§1.1 元件可靠性二、可修复元件1. 寿命流程图 双态模型：工作与故障 U――工作状态 D――故障停运 TU――工作状态时间 TD――故障停运时间 修复率：表明可修复元件故障后修复难易程度及效果。§1.1 元件可靠性2.元件状态转移 双态马尔科夫模型 稳态概率P = Uμ μ +λ λ PD = μ +λ三、元件（设备）状态划分? ? ? 在运 行 ? ? 可用 ? ? 备用 ? ? 强迫停运 ? ? ? ?大 修 ? ? ? 计 划停 运 ? ? ? ? ?小 修 ? ?正 在使 用 ? ? 元件 或设 备状 态 ? ? 第1 类 ? 不可 用 ? ? ? ? ? ?非 计划 停运 ? 第 2 类 ? ? ? ? ? ? ?第3类 ? ? ? ? 第 4 类（ 临时 检修 ） ? ? ? ? ? ? ? ? 停 止使 用四、元件（设备）可靠性统计年全国8类输变电设施主要可靠性指标 类别 架空线路 变压器 断路器 电流互感器 电压互感器 隔离开关 电缆线路 母线 可用系数%
99.237 99.651 99.816 99.868 99.889 99.853 99.933
99.135 99.561 99.772 99.854 99.877 99.912 99.920 强迫停运率
1.668 2.079 0.067 0.044 0.209 0.241 0.263
1.417 2.447 0.075 0.053 0.127 0.253 0.258强迫停运率（FOR）=强迫停运小时 运行小时 + 强迫停运小时11§1.2 可靠性分析的状态空间法一、状态空间的概念 状态空间：一特定系统可能出现的全部状态集合2个状态：（1）工作，（2）故障§1.2 可靠性分析的状态空间法二、状态间的转移两输电线并系统 1 2μ1 状态 1 1 工作 2 工作 λ2 μ2 μ1 λ2 μ2 状态 2 1 工作 2 故障 λ1 状态 4 1 故障 2 故障λ1 状态 3 1 故障 2 工作4个状态：（1）1工作、2工作，（2） 1工作、2故障，（3）1故障、2工 作，（4）1故障、2故障λ为故障率，μ为修复率§1.2 可靠性分析的状态空间法三、可靠性计算计算步骤 ： （1）列出系统全部可能的状态； （2）确定状态空间的转移模式和转移概率； （3）计算状态概率； （4）根据系统故障判据，将各种系统状态进行分类； （5）计算可靠性指标。§1.2 可靠性分析的状态空间法1A=2 3 4λ2 λ1 0 ? ?? (λ1 + λ 2 ) ? ? μ2 λ1 ? ( μ 2 + λ1 ) 0 ? ? ? ? μ1 λ2 0 ? ( μ1 + λ 2 ) ? ? μ1 μ2 0 ? ( μ1 + μ 2 ) ? ?1234p1 =PA = 0∑pi =1ni=1P为状态概率行向量，P = [ p1 , p2 , , pn ] ，pi是第 i个状态的概率；A是转移矩阵，aij = λij (i ≠ j ), aii = ?∑ λiji≠ j( λ 1 + μ 1 )( λ 2 + μ 2 )μ1μ 2p2 =( λ 1 + μ 1 )( λ 2 + μ 2 )λ 2 μ1p3 =λ1 μ 2 ( λ1 + μ 1 )( λ 2 + μ 2 )p4 =λ1λ 2 (λ1 + μ1 )(λ 2 + μ 2 )§1.3 可靠性分析的模拟法一、模拟法的概念模拟法又称蒙特卡洛法S例1. Buffon投针实验求π(1777年)1）平行线间距=针长=s；2)针与平行线 垂线方向夹角a，则相交概率为P= s cos a = cos a s求图形面积：在图形S外作一边长为1的正方形，连续抽取均匀分布的随机 数，如果在N个随机数中，有M个落在S内，则图形S的面积近 似为M/N，N越大，所得结果越准确。2）各项同性均匀抛针，i.e.夹角a在 [0,π]均匀分布E ( cos a ) = ∫ cos a ? f ( a ) da =0π2π3）设N次抛针，M次相交，则相交概率的期望值为E ( cos a ) =2课堂模拟试验π≡M Nπ=2N M（N ∞大数定理）12问:π的测量精度?服从二项式分布，单次相交概率M C N p M (1 ? p ) N ? Mp=M 2 = N π∵π =2 pdπ 2 2 4 p (1 ? p ) π 2 (π ? 2) = ) ?σ ( p) = 4 dp p N 2N∴ σ 2 (π ) = (E ( M ) = Np D ( M ) = Np (1 ? p ) σ 2 ( M )则σ π = 2.37Nσ 2 ( p) = σ 2 (M 1 p (1 ? p ) ) = 2 σ 2 (M ) = N N Nπ =2 N 2.37 ± N M对真值的测量精度与测量次数平方根反比，即106次实验才精确到10-3§1.3 可靠性分析的模拟法二、模拟法的特点 （1）不需要建立数学模型 （2）可得出某些指标的统计函数 （3）可处理故障、检修间复杂的关系 （4）可用于大系统 （5）计算机程序简单 （6）计算误差原则上与 D/ N 成正比 （7）需要抽取随机数§1.3 可靠性分析的模拟法三、随机数抽取 模拟法计算可靠性，随机数的抽取是关键一步， 目前一般采用计算机的随机函数发生器产生随机数， 由于随机函数发生器实际上是一种算法，所以这种随 机数与自然产生的随机数不同，当规模很大时呈现一 定的统计特性，因而称为“伪随机数”，这会给计算结 果带来一定的误差。 Randomize A = Rnd％VB （0，1） A = Rand(n)％matlab§1.3 可靠性分析的模拟法四、电力系统元件状态的模拟状态 1 0 Ti0 Ti1 … Tik … t系统状态发生的最小时刻 … 线路 1 线路 2 线路 3 t0 t1 t2 … tk … t …§1.3 可靠性分析的模拟法四、电力系统元件状态的模拟发电机：为了简化分析，只考虑双态运行－模拟机组运行状态， 正确模拟正常运行时间（发电机组开始发生故障停运的时刻）和 正确模拟检修时间（确定发电机可以重新开始正常运行的时刻）。 然后根据模拟出的运行情况，分析是否停止负荷供电。1 2 3 n线路，变压器模拟：正常时间》发电机， 故障时间《发电机，所以不必考虑两条线 路（变压器）同时故障 可靠性分析（还要考虑调度）负荷：依据负荷曲线13§1.3 可靠性分析的模拟法五 模拟法的计算原理①元件状态抽样法（非时 序抽样） ②元件状态持续时间抽样 法； ③系统状态转移抽样法三种抽样方法的优缺点①抽样程序简单，只需要元件的不可用率，不需 要故障率和修复时间―不能计算精确的频率指 标 ②抽样的是元件状态持续时间不是元件的状态； 状态持续时间必须假定概率分布―需要更多的 计算时间和内存，需要输入更多的数据，要求 知道元件状态持续时间分布 ③集中分析系统状态转移而不是单个元件的状态 转移，假定所有元件的状态持续时间服从指数 分布，输入数据为元件的状态转移率―要求知 道元件状态转移持续时间分布三个步骤： 1 系统的状态抽样 2 系统的状态分析 3 系统可靠性的指标统计元件状态持续时间抽样法：安全性评估中涉及大量暂态稳定分析， 需要确定故障前、故障中和故障后的状 态，只能由状态持续时间抽样法提供 状态持续时间抽样法对随机分布没有要 求。可以将实际系统的统计数据直接引 入到模拟过程中，计算结果更符合实际 情况元件状态持续时间抽样法步骤根据元件的可靠性模型获得元件的模拟运行时 间序列 根据元件的无故障运行时间和故障修复时间， 模拟出给定的模型总时间段T内的运行状态持 续时间序列 综合所有元件的运行状态时间序列，获得系统 的状态序列和持续时间。在每一系统的状态 内，各元件状态不变 对系统状态逐个进行评估，统计可靠性指标减少所需要评估的系统状态数，且加速每一状态的评估速 度，是加速可靠性评估的关键抽样原理不同模拟总时间下IEEE-RTS 79可靠性评估结果14§1.4 可靠性分析的其它方法1§1.2 可靠性分析的其它方法2. 逻辑图的化简 （1）串联系统：1 2一、网络法1. 逻辑图的建立 如果（1）任一条线路故障导致系统故障1 2 32 3 网络，和结构图类似X：元件正常事件 X：元件故障事件 S：系统正常事件 S：系统故障事件S=X1∩X2S=X1∪X2（2）任二条线路故障导致系统故障1 2 1 3 2 3结构函数：表明各元件状态事件进行集合运算的式子 如果各元件间彼此独立，则运算规则为P[X1∩X2] =P[X1]P[X2] P[X1∪X2] = P[X1] + P[X2] - P[X1]P[X2]§1.4 可靠性分析的其它方法（2）并联系统： S=X1 ∪ X2 P[S]=1- P[S]例子：P[X1]=0.9，P[X2]=0.8，则P[X1]=0.1，P[X2]=0.21§1.4 可靠性分析的其它方法3.网络法算例0.9 A B C 0.7 0.9 A BCD 0.564 0.8 0.6 D 0.9 A BC 0.94 D 0.6S=X1 ∩ X22P[S]=P[X1∩X2] =P[X1]P[X2]P[S]=P[X1∩X2] =P[X1]P[X2]=0.02 P[S]=1- P[S]=0.98 P[S] = P[X1∪X2] = P[X1] + P[X2] - P[X1]P[X2]=0.980.9564 ABCD§1.4 可靠性分析的其它方法二、故障树法1 3 L1 L2 4 或 2 L1 L2 或 S 与第二章 电力系统可靠性分析§2.1 电力系统可靠性指标 §2.2 发电系统可靠性分析 §2.3 输电系统可靠性分析4故障树特点： （1）帮助分析故障发生的机理 （2）指出系统中的薄弱环节 （3）可对系统进行定量可靠性分析1 2 3故障树§2.4 配电系统可靠性分析15§2.1 电力系统可靠性指标一、一般可靠性指标 衡量可靠性，既可以从成功的观点出发，也可以 从失败的观点出发，一般采用如下可靠性指标： （1）概率，如可靠度和可用率； （2）频率，如单位时间内发生故障的平均次数； （3）平均持续时间，如首次故障的平均持续时 间，故障的平均持续时间； （4）期望值，如一年中电力系统发生故障的期望 天数。§2.1 电力系统可靠性指标二、电力系统可靠性指标 对于电力系统，可靠性指标主要有： （1）电力不足概率LOLP（Loss of load probability）：指系统负荷（一天中最大负荷）超过 系统中有效发电容量的概率； （2）电力不足频率FLOL（Frequency loss of load）：单位时间（一般为一年）系统用户平均停电 的次数；§2.1 电力系统可靠性指标（3）电力不足持续时间DLOL（Duration loss of load）：在指定时期内，用户停电的平均持续时 间； （4）电力不足期望值LOLE（Loss of load expectation）：在研究的时间内，由于供电不足而产 生的负荷停电时间的平均值；§2.1 电力系统可靠性指标（5）电量不足概率LOEP（Loss of energy probability）：在研究时间内，由于供电不足而使用 户停电的电量损失的期望值与该时间内用户所需全部 电量的比值； （6）电量不足期望值ELOE（Expected Loss of energy）：在研究的时间内，由于供电不足引起用户 停电而损失的电能平均值。§2.1 电力系统可靠性指标需要指出的是，以上只是有关电力系统可靠性指 标的一部分，不同的研究人员或文献对指标的文字描 述也不尽相同，甚至其英文代号有很大区别，例如电 量不足期望值，有的文献使用英文代号EENS （Expected energy not serviced），但这些指标的核心 思想是一致的，计算方法也是相同的。另外，由于电 力系统的复杂性，在分析其可靠性问题时，往往不是 固定使用一个指标，而是根据问题的性质选择其中的 一个或几个指标。§2.2 发电系统可靠性分析一、发电容量模型1. 容量概率模型 容量状态概率模型：发电机组或系统在 t 时刻处于某 一容量状态的概率。 如果一台机组的容量为cMW，则在双态模型条件下 可用容量概率模型为 PU=P(X=c)，PD=P(X=0) 停运容量概率模型为 PU=P(X=0)，PD=P(X=c)16§2.2 发电系统可靠性分析2. 一台机容量模型 机组的容量为cMW，故障率为λ，修复率为μ 状态模型示意图 状态概率 P1=P(X=c)=p P0=P(X=0)=qp =λ§2.2 发电系统可靠性分析3.两台机容量模型机组的容量分别为c1、c2，故障率分别为 λ1、 λ2 ，修复率分别为μ1、μ2 状态模型示意图0 0λ2 10 c1 λ111 c1+c2 μ2 μ1λ1 01 c2 λ2μ1 μ2 00 0μ1 c μp+q=1λ + μ λ q = λ +μp1 =p2 =λ1 + μ 1μ2 λ2 + μ 2μ1q1 =λ1 + μ 1λ1q2 =λ2 λ2 + μ 2§2.2 发电系统可靠性分析状态概率λ2 11 c1+c2 μ2 μ1 λ1 01 c2 λ2§2.2 发电系统可靠性分析二、负荷模型最大负荷持续曲线: 根 据系统日最大负荷绘制 的周、月、季度或年持 续曲线。负荷p11 = p1 p 2p01 = q1 p2p 00 = q1q 2L LM Li Lm10 c1 λ1p10 = p1q 2μ1 μ2 00 0p11 + p10 + p 01 + p 00 = 1横坐标 ti 对应于系统负荷等 0 ti 100% t 于和大于Li的时间概率。 最大负荷持续曲线（累积概 率分布）§2.2 发电系统可靠性分析三、LOLP计算负荷§2.2 发电系统可靠性分析等效强迫停运率（% ）非停次数（次/台年）7 6 5 4 3 2 1 02 L停电条件: （1）系统可用 LM 容量等于ci ――确切发电 容量状态（2）系统负荷大 Li 于ci。3.5 3 2.5 2ci 0 tiLm 100% t1.5 1 0.5 0 02 LOLP = ∑ P(c = ci )P( L ≥ ci )i0 02 600兆瓦机组可靠性指标趋势图17§2.2 发电系统可靠性分析等效强迫停运率（% ）2.5 2 1.5 1 0.5 0 01 §2.3 输电系统可靠性分析一、输电系统负荷供应能力（LSC）ＬＳＣ：一个系统的发电容 量通过输电网络后，能提供 给负荷的最大功率。系统 可能 提供 的功 率 有效发电容量ＬＳＣ等效强迫停运率（% ）2.5 2 1.5 1 0.5 0 01 300兆瓦机组可靠性指标趋势图ＬＳＣ的特点： （１）开始阶段输电能力完全 满足负荷需要 （２）受线路过负荷的限制，实际输 电能力达不到理论上的极限值。负荷需要的功率§2.3 输电系统可靠性分析二、LSC的计算方法１. 试探法（１）给定系统负荷水平，计算每一母线的分配负荷值； （２）根据系统负荷水平，确定一种满足负荷需求的发电容量 调度方案； （３）进行潮流计算； （４）检验是否存在过负荷线路，如有，则适当降低负荷水平， 如无，则适当增大负荷，重新复上述步骤； （５）尝试新的发电容量调度方案，并进行上述计算，观察是 否能够提高ＬＳＣ。§2.3 输电系统可靠性分析二、LSC的计算方法２. 线性规划法 数学原理：求极值问题 目标函数 约束条件 LSC＝maxΣＧｉ 线路潮流≤线路额定传输容量 发电机出力≤发电机额定容量Ｇｉ――第ｉ母线的实际调度出力§2.3 输电系统可靠性分析三、输电系统可靠性计算的ｎ-１规则“单一故障可靠性检验” 系统故障类型：单重故障、多重故障。 电网规划中，一般只考虑单重故障，即所谓ｎ-１，如 果考虑双重故障，则为ｎ-２。 ｎ-１规则下LSC的计算：（1）计算网络正常情况下的LSC及线路潮流； （2）依次停运网络中的一条独立支路，并计算停运后的LSC及 支路潮流。§2.3 输电系统可靠性分析四、LOLP计算在n-1 原则下，一条线路故障即为一种系统状态，所以，系统 状态概率Ps，i 是通过将第i条线路故障停运的概率与其它所有 回路处于工作状态的概率连乘而求得。Psi = pi ∏ (1 ? p j )j =1 j ≠imPi----第i 条线路停运的概率 Pj ----第j 条线路停运的概率j≠i18§2.3 输电系统可靠性分析输电系统的电力不足概率，是由于线路停运而导致的 电力不足概率，所以§2.4 配电系统可靠性分析一、配电系统的特点1.配电系统包含元件类型众多架空线、电缆、断路器、变压器、无功补偿装置、负荷开关、 开闭所、环网柜等等。LOLP= ∑ Psii ∈ LL2.配电系统具有冗余度，可手动或自动切换 3.配电系统结构复杂辐射网、双端供电、环网供电、分支等i ∈LL ----因线路停运而导致电力不足事件的状态§2.4 配电系统可靠性分析架空线、断路器、变压器、负荷开关§2.4 配电系统可靠性分析电缆、环网柜联络联络§2.4 配电系统可靠性分析§2.4 配电系统可靠性分析19§2.4 配电系统可靠性分析§2.4 配电系统可靠性分析§2.4 配电系统可靠性分析二、配电系统停电分类§2.4 配电系统可靠性分析三、配电系统可靠性指标及计算1。供电可靠率： RS-1、 RS-2 、RS-3 RS-1：在统计期间内，对用户有效供电时间总小时数 与统计期间小时数的比值。 2。用户平均停电时间： AIHC-1、AIHC-2 、AIHC-3 AIHC-1：在统计期间内，用户平均停电小时数。 3。用户平均停电次数： AITC-1、AITC-2 、AITC-3 AITC-1：在统计期间内，用户平均停电次数。§2.4 配电系统可靠性分析三、配电系统可靠性指标及计算用户平均停电时间(AIHC-1)＝ =∑ ( 每户每次停电时间） 总用户数§2.4 配电系统可靠性分析三、配电系统可靠性指标及计算供电可靠率：在统计期间内，对用户有效供电时间总 小时数与统计期间小时数的比值。 记作 RS-1 RS-1=(1用户平均停电时间 )×100% 统计期间时间∑ （每次停电持续时间 × 每次停电用户数） 小时 / 户 总用户数若不计外部影响时，记作AIHC－2； 若不计系统电源不足限电时，记作AIHC－3；供电可靠率不计外部影响时, 则记作RS-2 RS-2 =(1用户平均停电时间? 用户平均受外部影响停电时间 )×100% 统计期间时间20§2.4 配电系统可靠性分析AITC-1=∑ （每次停电用户数） 次/户 总用户数§2.4 配电系统可靠性分析四、配电系统可靠性计算方法（１）状态空间法 （２）模拟法 （３）最小路法 （４）贝叶斯网络法4。居民端电压合格率3 最小路法考虑了分支线保护、隔离开关、分段断 路器的影响，考虑了计划检修的影响， 并且能够处理有无备用电源和有无备用 配电变压器的情况。最小路法的流程图贝叶斯网络法能够考虑配电系统的各种实际情况，如：分支 线保护、隔离开关、分段断路器的配置、计划 检修、备用电源的影响等。 不但能计算系统中各元件对可靠性指标的影 响，而且能计算相关故障元件和共模失效元件 对可靠性指标的共同影响，完成电力系统可靠 性薄弱环节的识别和各种因果假设分析，为工 程人员采取相应的增强措施提供有益的参考。 电缆单环网接线的贝叶斯网络21类型接线方式运行方式RS(%)电缆单环网结线AIHC (h/户) 3.3 1.4 0.6 4.0 3.9245AITC (次/户) 1.7 1.6 0.2 1.6 1.3626电 缆电缆单环网接线(负 备用电源手动投入 荷转移率50%) 备用电源自动投入 电缆两供一备接线 (负荷转移率 100%) 备用电源手动投入 备用电源自动投入 实现配网自动化99.4 99.6 99.9957架 空 线单电源辐射接线无分支保护(熔断器) 99.9132 有分支保护(熔断器) 99.9445不同母线出线的环 式接线(有分支 保护)备用电源手动投入 备用电源自动投入99.2用户平均 停电时间 23.20 小时/户供电可靠率(%)99.96 99.94配网原因 占61.5％ 错峰及其他 占2.0％主网原因 占36.9％99.92 99.9 99.88 99.86预安排停电 占35.6％故障停电 占1.3％预安排停电 占46.9％故障停电 占14.2％99.84 99.82 99.8 02 05 预试检修定 检 占31.1％工程施工 占4.3％预试检修定 检 占11.0％工程施工 占35.9％外力破坏 占3.5％自然灾害 占3.0％用户原因 占1.1％线路公用设 备占3.8％其它 占2.6％RS-1RS-2RS-3供电可靠率（%）99.96 99.94 99.92 99.9 99.88 99.86 99.84 99.82 99.8 02 05 §2.4 配电系统可靠性分析四、全国可靠性指标统计2004年总用户数： 架空线路总长度： 电缆线路总长度： 配电变压器总台数： 配电变压器总容量： 平均供电可靠率(RS1)： 用户年平均停电时间（AIHC-1）：RS-1 RS-2 RS-3768389户 168041公里 65501公里 925037台 335338MVA 99.820% 15.806小时/户2210千伏用户供电可靠性统计基本数据近十几年的变化情况年份 94 97 00 03 06 统计单位个 数 57 105 161 203 238 255 275 277 286 310 312 312 316 345 347 RS-1 （%） 99.177 99.006 99.299 99.075 99.264 99.717 99.810 99.863 99.889 99.897 99.907 99.866 99.820 99.766 99.849 AIHC-1 （小时/户） 72.29 87.07 61.41 81.03 64.65 24.79 16.62 12.01 9.767 8.999 8.171 11.724 15.806 20.491 13.191 RS-3 （%） 99.646 99.638 99.642 99.724 99.747 99.802 99.824 99.868 99.893 99.898 99.916 99.929 99.927 99.845 99.853 AIHC-3 （小时/户） 31.10 31.71 31.36 24.18 22.22 17.39 15.40 11.54 9.417 8.944 7.375 6.241 6.388 13.539 12.877序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15城市 北京 上海 济南 南京 石家庄 合肥 广州 银川 太原 乌鲁木齐 郑州 西安 天津 沈阳 贵阳用户数
4650RS-1 99.981 99.979 99.975 99.973 99.972 99.972 99.961 99.961 99.958 99.954 99.941 99.937 99.931 99.927 99.921第三章 电力系统规划的优化方法§3.1 线性规划 §3.2 非线性规划§3.1 线性规划法线性规划法：目标函数和约束条件均为线性。nminf (x) = ∑ cj=1jxjs.t.§3.3 动态规划 §3.4 新型规划方法j =1∑ a ij x j ≤ bini = 1,2,,mxj ≥0其中，a、b、c均为常数 s.t.是英文subject（满足于）的缩写。j = 1, 2,,n§3.1 线性规划法求解方法：单纯形法、内点法 线性规划的特点： （1）发展较早，其求解方法也较为成熟 （2）计算量较小 （3）较容易找到最优解 （4）实际系统往往并非真正的线性关系，须作一定 的假设，从而使规划结果与实际存在偏差§3.2 非线性规划法非线性规划法：目标函数和（或）约束条件中出现非线性项。min f ( X )s.t.h j (X ) = 0g j (X ) ≥ 0j = 1,2,,m,pj = m + 1,求解思路： （1）把非线性问题化为线性问题 （2）直接求解23§3.2 非线性规划法求解方法：微分法、梯度法、牛顿法、拉格朗日乘子法等§3.3 动态规划法动态规划：一种多阶段决策优化过程 。 所谓多阶段决策优化，是指这样一种问题，即可以按照时 间或空间过程划分若干个相互联系的阶段，每个阶段都需要作 出一定的决策，但是每个阶段最优决策的选择不能只孤立地考 虑本阶段所取得的效果如何，必须把整个过程中的各个阶段联 系起来考虑，要求所选择的各个阶段决策的集合――策略，能 使整个过程的总效果达到最优。非线性规划的特点： （1）数学模型比较准确，计算精度较高 （2）计算量大，求解规模受到限制 （3）不等式约束处理困难 （4）不容易得到最优解B16B2 6 2 41B3 4 D 3 C3 3§3.3 动态规划法例子：从A点到D点有多条路径，每一路径可以看成一个决策 阶段，目标是从A点到D点的路径最短。 下4 A 5 C1 4 5C2枚举法：穷尽所有组合，通过比较得出最优路径，过程如B1 4 A 5 C1 46B2 61B3 4 D 3 C3 32 45 C2A―B1―B2―B3―D A―B1―B2―C3―D A―B1―C2―B3―D A―B1―C2―C3―D A―C1―B2―B3―D A―C1―B2―C3―D A―C1―C2―B3―D A―C1―C2―C3―D4+6+1+4=15 4+6+3+3=16 4+6+2+4=16 4+6+4+3=17 5+4+1+4=14 5+4+3+3=15 5+5+2+4=16 5+5+4+3=17B1 4 A 5 C1 46B2 61B3 4 DB1 4 A 5 C1各阶段最优决策是： 第四阶段：B3D 第三阶段：B2B3D6B2 6 2 41B3 4 D 3 C3 32 43 C334 55C2贝尔曼最优化原理（前推算法）： 由D点向前，从B3到D和从C3到D的距离分别是4和3，标在B3和 C 3 旁边。再向前推，从B 2 到D有两条路线：B 2 B 3 D距离为5， B2C 3D距离为6，取最短的标在B2旁。同理，从C2到D也有两条 路线：C2B3D距离为6，C2C3D距离为7，取最短的6标在C2旁。 再向前推，从B 1到D最短距离为11，从C 1到D最短距离为9，因 此从A点出发的最短路线是AC1B2B3D，距离是14。C24 5 9 14第二阶段：C1B2B3D 第一阶段：AC1B2B3D动态规划可处理时间因素较强的问题24§3.4新型规划方法：新型规划方法第四章 电源规划§4.1 电源规划概述 §4.2 电源结构 §4.3 电源布局 §4.4 电源优化规划的模型 §4.5 电力生产模拟遗传算法（基因算法） 模拟退火算法 TUBO搜索算法 蚁群算法 模糊规划法 。。。。。。§4.1电源规划概述§4.2电源结构2020年电源配置情况4.5 4.3电源规划的任务：在何时、何地、建什么样的电厂， 并且在经济上达到最优。 电源规划应该考虑的问题：负荷预测、厂址选择、燃 料来源、运输条件、水文地质情况、电网情况、生态 环境等 。 电源规划问题相当复杂，一般情况下都要作某种假设 或简化，这样，不同的假设或简化情况，就形成了不 同的电源规划模型。一、电力系统中的电源 目前电源配置情况1.6 25.8 火电 水电 核电 其它 025.965.573.6§4.2火力发电厂电源结构§4.1电源概述一、电力系统中的电源火力发电存在的问题 安全问题：采矿和运输中的安全性灾难等 。 环境问题：酸雨、温室效应、可吸入颗粒物等。 效率问题：凝汽式火电厂效率为40%，热电厂为60%~70%。 今后火电建设的重点 采用高参数、大容量、高效率的设备。 开发清洁煤燃烧发电、天然气蒸汽联合循环发电。 鼓励热电联产。25江苏谏壁发电厂：火力发电厂，发电容量1625MW。§4.2水力发电厂电源结构水力发电的优点是最干净的能源之一。 是最廉价的能源之一：无需燃料、无环境污染、生产效率高、 发电成本低、运行维护简单。 综合水利工程：可同时解决发电、防洪、灌溉、航运、水产 养殖等问题。 可作为黑启动电源§4.2电源结构水力发电存在的问题建设问题：投资大、工期长 社会问题：淹没耕地、存在库区移民 生态环境问题：破坏人文景观、破坏自然生态平衡等问题。 运行问题：发电量受气象、水文、季节水量变化的影响较大， 分丰水期和枯水期，出力不稳定，增加电力系统运行的复杂性。三峡水电站效果图三峡电站的供电范围26§4.2核电厂电源结构核电厂的组成：核反应堆、汽水系统（汽轮机）、电力系统 核电迅速发展的原因： 核电是一种新型的巨大能源。 煤、石油等火电燃料储量有限，不可再生。 发达国家的水资源已基本殆尽。 一些资源贫乏国家“能源危机”，不得不发展核电。 热力系统由单回路构 成，有可能使汽轮机等 设备受放射性污染 由双回路系统构成， 两个回路各自独立循 环，不会造成设备的 放射性污染。秦山核电站秦山核电站主控制室大亚湾核电站§4.2其它能源发电 太阳能发电 风力发电 地热发电 潮汐发电电源结构生物质能发电 垃圾发电27Solar Resource Distribution in ChinaMost places in China are rich in Solar resources!Western of chinaTibet太阳能发电站太阳能发电【字号 大 中 小】【留言】【论坛】【打印】【关闭】太阳能方舟－－最大的太阳能发电建筑The wind energy?free, clean, and inexhaustible completely renewable source. the fastest growing energy technology.?Solar Street LampsIn Inner Mongolia28新疆达板城风力发电厂When we count for the full cost of energy production, wind energy is the clear winner.Wind power is an 21st century technology西藏羊八井地热电厂潮汐发电示意图§4.2电源结构二、影响电源结构的因素背景：电源的构成日趋复杂 影响因素： （1）地区能源资源储量及开发条件江厦潮汐电站是中国第一座双向潮汐电站，位于浙江省温岭市 乐清湾北端江厦港。1980年5月第一台机组投产发电。电站装有双向 贯流式机组6台，总装机容量3200干瓦，年发电量600万度，可昼夜 发电14～15小时 。规模仅次于法国郎斯潮汐电站、加拿大芬地湾安 娜波利斯潮汐电站，居世界第三。（2）电力系统负荷增长速度及分布情况 （3）各类电源本身的技术经济指标29§4.2峰荷 腰荷 基荷电源结构§4.2电源结构三、各类电源在电力系统中的地位基荷电源：基荷的特点是负荷保持不变，基荷电源一 般由效率高、经济性好的大容量火电机组或核电机组 构成，水量充足的水电机组也可作为基荷电源。 腰荷电源：腰荷的特点是负荷有一定的变化，且持续 时间较长。承担腰荷的电源，既要具有调节灵活性， 又要能长时间的投入运行。根据腰荷的特点，腰荷一 般由具有调节能力的水电厂和高效率的火电厂承担。024峰荷§4.2电源结构腰荷（1） （2） （3） （4） （5）（1）抽水蓄能电厂 （2）燃气轮机组 （3）日调节水电 （4）多年调节水电厂 （5）不经济火电峰荷电源：峰荷的特点是负荷波动大，且持续时间比 较短，因此承担峰荷的电源应具有很强的调节负荷能 力，要求机组启停快。可以承担峰荷的电源有抽水蓄 能电厂、具有调节能力的水电厂以及燃气轮机组。（6） （7） （8）（6）不完全年调节水电 （7）较经济火电 （8）经济火电 （9）热电厂基荷（8） （9） （10） （11）（10）核电厂 （11）径流式水电024§4.3电源布局§4.3电源布局一、电源布局需要考虑的因素电源布局最重要的内容就是电厂厂址的选择电源布局应该根据电力系统规划，同时结合地区经济发展 情况，自然条件以及动力资源条件等各方面的因素综合进行考 虑。通过调查研究，掌握该地区负荷特点及发展情况，地质、 地形、地震烈度、水文气象条件、交通条件及除灰条件等，并 尽量减少占地面积。要考虑电厂扩建的可能性及电厂出线走 廊，注意环境保护及保持生态平衡。二、电厂厂址选择的有关原则及条件根据各类电厂的工作性质，一般热电厂主要决定于热 负荷的位置，凝汽式电厂可以建在负荷中心，也可以 建在燃料基地即所谓坑口电厂，水电厂的厂址则主要 决定于坝址，可再生能源电源的位置主要取决于自然 条件，如风力发电主要取决于风能大小。 以凝汽式电厂为例，厂址选择原则及条件如下：30§4.3电源布局§4.3电源布局以凝汽式电厂为例，厂址选择原则及条件如下： 1.节约占地面积 2.燃料来源 3.供水条件600MW机组冷却塔补水量为吨/小时，其它用水 900吨/小时。三、输煤与输电方案的综合比较火电厂选址时，除考虑有关原则和条件外，存在着输 煤和输电两种方案的比较。 主要影响因素如下： 1.煤质的优劣一般来说，煤的发热量低，需要的运输能力大；反之，煤的发 热量高，需要的运输能力小。所以，由于选择的煤质不同，则 输煤与输电方案的经济性存在明显差异。一般规定：发热量在 4000大卡以下的煤，不宜远距离运输。4.除灰条件 5.环境保护§4.3电源布局§4.4电源规划优化的模型2.输送距离的远近对于铁路运输一般是距离越远，运输成本越低。一般认为：输 送距离在300～500km 范围内输电比输煤经济，在此情况下，电 厂应设在矿区即坑口电厂；输送距离在1000km 以上时，铁路运 输要比输电经济，在此情况下，电厂应靠近负荷中心。一、电源规划优化的概念电源规划的优化指采用了某种优化技术的电源规划， 一般包括数学模型的建立和求解两个方面。二、电源规划优化的数学模型1.电源规划线性模型在电源规划的线性模型中，目标函数和约束条件均处理为线性 函数，且变量为连续。3.科技发展水平设备制造、超高压与特高压输电、电网的互联、运输的技术水 平等，都从不同角度影响输煤与输电经济比较的结果。随着电 力系统输电技术的迅速发展，输电方案越来越表现出优越性。§4.4电源规划优化的模型§4.5电力生产模拟2.电源规划混合整数模型在电源规划混合整数模型中，一部分变量作为整数变量处理， 其它变量仍作为连续变量处理，因为电力系统的装机是一台一 台安装的，所以装机容量采用整数变量比较符合实际情况。但 是，整数变量的引入增加了规划求解的困难。一、电力生产模拟的概念电力生产模拟是为了校验各个电源规划方案在规 划期内各年、季度或月的系统运行方式下，系统装机 容量是否足够，给出各电厂（或机组）的工作容量和 在日负荷曲线上的工作位置，从而确定系统是否还需 再增加装机、备用容量和可靠性指标等。 在生产模拟中，如果将各量均按确定性数据处 理，则称为确定型生产模拟；如果引入某种随机变 量，则称为随机生产模拟。3.电源规划动态模型电源规划实际上是由规划期内一系列电源建设计划构成的，在 历程上是由电厂（或机组）一个一个相继有序建设而构成的一 个整体方案，也就是说，电源规划是一个多阶段决策问题。31§4.5电力生产模拟§4.5电力生产模拟二、确定型生产模拟确定型生产模拟实际上就是电力系统规划设计中 的电力电量平衡。电力电量平衡校验是在系统负荷、 各电厂装机容量等数据均已给定的条件下，按照一定 的原则或优化目标函数将系统各个或各类电站在日负 荷曲线上进行安排，以确定各个电厂在日负荷曲线上 的位置和工作容量，从而得出各电厂发电量、备用容 量、弃水量等有关数据。三、随机生产模拟随机生产模拟是十九世纪六十年代末期出现的， 在技术经济指标的计算上更合理，其任务是计算电源 规划方案的生产费用和技术指标，它是研究电源规划 各方案运行状况的主要手段。随机生产模拟主要有两 种方法：卷积法和解析法。卷积法精度高，但计算量 大，解析法计算效率高，但误差难以控制。第五章电网规划§5.1电网规划概述§5.1 电网规划概述 §5.2 电压等级与输电方式选择 §5.3 电网规划的启发式方法 §5.4 电网规划的优化方法 §5.5 城市电网规划 §5.6 无功补偿优化规划 §5.7 城市电网规划编制介绍一、电网规划的任务电网规划就是要解决电力系统在什么地方、什么时 候投建新的输电线路，准备投建何种类型的输电线 路，新建线路采用的电压等级，以及采用何种架线 方式和电网结构等，并且，在保证可靠性的前提 下，使电网建设投资费用最小。对于远距离输电， 还存在输电方式的选择，即采用交流输电还是直流 输电。§5.1电网规划概述§5.1电网规划概述二、电网规划的分类按规划期的长短分：长期规划、中期规划、短期规划。 长期规划：10―20年或更长规划内容：根据本地区国民经济发展要求，确定电网发展的远 景方案，包括可能的最高电压等级、主要变电站个数等。短期规划： 3―5 年规划内容：制定网络扩展决策，确定详细的网络方案，包括新 增变电站的位置和电压等级，新增线路的数目、电压等级、导 线型号等，并对网络方案进行诸如潮流、短路电流、电压调整、 静态安全等计算或分析。中期规划： 5―10年规划内容：是根据电网长期规划方案和电网实际发展现状，对 电网长期规划方案进行必要的修改和补充，并做出指导短期规 划的方案，使电网短期决策同长期规划相一致。按电网类型分：输电网规划、配电网规划。32§5.2电压等级与输电方式选择§5.2电压等级与输电方式选择一、电压等级选择1.电压等级选择的基本原则（1）电压等级要与国家的电压标准相一致 10kV、35kV、110kV、220kV、500kV、750kV、1000kV （2）一个电网电压等级应尽量少 （3）电压等级选择要从电力系统或地区整体出发 （4）考虑与其它系统的联网2 .电压等级选择的影响因素（1）输送功率 线路输送功率极限： 热稳定极限、静态稳定极限 热稳定极限：由发热决定的线路传输功率极限Pmax ∝ UI max静态稳定极限：由系统静稳定决定的传输功率极限Pmax ∝U 2 xPmax ∝ UI max输 送 容 量热稳极限P max输 送 容 量∝U x2§5.2（2）线路损失P2 + Q2 ΔP = R U2电压等级与输电方式选择总费用静稳极限输送距离电压等级电压等级一定输送距离一定提高电压等级可以减少电 能损失，减少电网的运行 费用。但电压等级升高将 使得电网电气设备的价格 相应增加，因此需要进行 详细的技术经济比较。设备费用损耗费用电压等级§5.2（3）输电距离电压等级与输电方式选择输 U2 U1 送 容 量 U2&U1§5.2（4）电压损失ΔU = PR + QX U电压等级与输电方式选择当输电距离较大时，线路输 送能力受电力系统静态稳定 的限制，其输送能力与输送 距离成反比。如果输电距离 远，且希望线路输送容量大 一些，则比较好的办法就是 提高电压等级。热稳极限静稳极限当输送功率、输电距离和导线截面一定时，电压损 失的大小和输电电压成反比。如果电压损失保持一 定值，提高电压可以减小导线截面，从而节约金 属，降低每公里的造价。技术经济比较输送距离33§5.2电压等级与输电方式选择费用 总费用§5.2电压等级与输电方式选择输送容量 （MW） 0.2-2.0 2.0-10.0 10.0-50.0 100-500 200-0 输送距离（km） 6-20 20-50 50-150 100-300 200-600 150-850（5）有色金属耗量 提高电压等级可以减小导线 截面，从而节约金属，降低 每公里的造价。但是实际上 通过经济电流密度选择导线 截面。 PS= jU 3 cos ?电压等级（kV） 10 35线路建设费用 电能损失费用110 220 330 500导线截面与各项费用 的关系如图：截面或者j§5.2电压等级与输电方式选择§5.2电压等级与输电方式选择二、输电方式选择随着电力系统规模的日益增大，输送容量和输送距离 也日益增大，系统的运行控制也越来越复杂，特别在 交流输电系统中，系统稳定问题成为一个急待解决的 问题。为了提高系统稳定性水平，采取了许多提高稳 定性的措施，但由于交流输电本身的特点，任何措施 都不能彻底解决稳定问题。为此，提出了采用直流输 电的方式以期彻底解决系统稳定问题。与交流输电相比，直流输电有很多优点，如不存在稳 定性问题，线路上的功率损耗和电压损耗小、潮流控 制能力强、不增加系统短路电流等。但直流输电换流 站造价高，且技术复杂，成为影响直流输电最不利的 因素，从而限定了直流输电只能用于远距离和大容量 的场合。一般来说，输送距离在1000km以内时，采用 交流输电较为经济合理，输送距离大于1000km时，采 用直流输电则更为经济合理。§5.3电网规划的启发式方法§5.3电网规划的启发式方法一、启发式方法的概念电网规划方法：启发式方法、数学优化方法 启发式方法：以直观分析为依据的方法 启发式方法的特点：（１）比较接近于工程人员的思路 （２）可以根据经验和计算分析给出较好的规划方案 （３）便于工程人员参与决策和接受和掌握规划内容 （４）一般不能得到最优方案二、启发式方法的规划步骤启发式方法步骤：过负荷校验、灵敏度分析、方案形成 1.过负荷校验在电网规划的形成阶段，最关键的问题是输送容量能否足够， 即线路是否出现过负荷的问题，一般电网规划要求满足n-1校 验，即在任意一条线路断开的情况下其它线路不出现过负荷， 为此，为校验是否存在过负荷线路，需要进行正常和断线方式 下的系统潮流计算。直流潮流34§5.3交流潮流方程j∈i电网规划的启发式方法i = 1, 2, N§5.32.灵敏度分析电网规划的启发式方法Pi = U i ∑ U j (Gij cos θ ij + Bij sin θ ij ) Pij = ViV j (Gij cos θ ij + Bij sin θ ij ) ? tij GijVi 2根据电力系统特点，作简化假设（1）忽略线路电阻 （2） cosθ ij = 1 sin θ ij = θ ij 同时忽略线路对地电容（3）各节点电压恒为 1 （4）不考虑变压器变比和接地支路当电网中出现过负荷线路时，需要通过灵敏度分析选 择最有效的线路来扩展网络，以消除过负荷。所谓线 路“有效”是指该线路单位投资所起的作用最大，但不 同规划人员对有效的理解不同，因此会出现不同的衡 量指标，相应也就产生了计算线路有效性指标的不同 方法。 灵敏度分析方法：逐步扩展法、逐步倒推法直流潮流方程P = Bθ逐步扩展法：以减轻其它线路过负荷多少衡量待选线 路的作用，并据此选择最有效线路加入系统，逐步扩 展网络。 负荷增长 5 6 2 3过负荷线路4 1逐步倒推法：将所有待选线路加入系统构成一个冗余 虚拟网络，以待选线路负载的大小衡量其作用，逐步 去除负载率低的线路。 负荷增长 5 6 2 3过负荷线路4 135原始网络路径和待选线路示意图逐步倒推法计算结果线性规划法计算结果§5.33.方案形成电网规划的启发式方法根据灵敏度分析对待选线路有效性指标进行排队，即可确 定电网扩展方案。比较简单的方式是将最有效的一条线路或一 组线路加入系统，逐步扩展网络，也可以采用将有效线路的组 合加入系统进行试探，最后通过对系统运行情况的改善效果确 定最佳方案。 电网规划启发式方法总的特点是逐步扩展网络，但不能考 虑各扩建线路决策的相互影响，因此，启发式方法不能保证给 出理论上的最优解。§5.4电网规划的优化方法§5.4电网规划的优化方法一、优化方法的概念电网规划的数学优化方法是将电网规划的要求归纳为 运筹学中的数学规划模型。然后通过一定的优化算法 求解，从而获得满足约束条件的最优规划方案。 关键问题 ：数学模型建立和数学模型求解电网规划数学模型的求解理论上可以运用运筹学中的各种优化 方法，如线性规划、整数规划、动态规划、混合整数规划、分 支定界法、共轭梯度法等。近年来，一些智能化方法不断被用 于电网规划模型的求解，如遗传算法等。二、电网规划数学模型三要素三要素：变量、约束条件和目标函数 变量有决策变量和状态变量两类，决策变量表示输电 线路是否被选中加入网络，因而是整型变量，如0、 1，1表示输电线被选中，0表示没有选中。状态变量 表示系统运行的具体状态，如线路功率、节点电压 等，状态变量一般是实数型变量。36§5.4电网规划的优化方法§5.4电网规划的优化方法约束条件包括决策变量的建设条件约束、状态变 量的上下界约束及应满足的制约关系，如节点电压除 满足合格约束外，还应满足受电路定律制约的潮流方 程。 目标函数是决策变量和状态变量的函数，一般表 示费用，包括投资费用和电网运行费用，有时也加入 一些惩罚项，优化的目的是在满足约束条件的前提 下，使总的费用最小。三、电网规划数学模型综述1.电网规划模型的分类 可靠性模型 静态模型 经济模型 水平年电网规划模型 电网规 动态模型 考虑资金的时间价值 灰色规划 划模型 严格约束模型 盲数规划 模糊规划 灵活规划模型 多场景规划 灵活约束模型{{{{§5.4电网规划的优化方法§5.4存在的问题：电网规划的优化方法2.电网规划中的费用 一般电网规划的费用包括四部分：（1）变电所费用：取决于电压等级、变电容量、自动化水平等 （2）输电线费用：取决于电压等级、长度、截面、环境等 （3）运行费用：取决于电能损耗和电价 （4）其它费用：维护费、电能质量不合格的惩罚费等3.电网规划优化综述目前的电网优化规划，对规划方案经济性的研究较为 充分，但是由于事故不断出现，电网的安全稳定运行 越来越受到重视，人们必须加强对规划方案可靠性、 安全性的考虑；对大型电网和长期动态规划，还存在 计算速度和收敛性的问题；§5.4电网规划的优化方法§5.4电网规划的优化方法在较为热门的电网灵活规划研究方面，考虑的不确定 性因素仍不完全，仅对规划水平年的负荷值和电源出 力的不确定性进行了处理，其它众多不确定性因素却 没怎么涉及；很多大型电网都存在短路电流过大问 题，但在以往的输电网规划文献中却没提及过。我国 的电力市场改革已经启动，而针对电力市场环境下的 电网规划研究工作才刚刚起步，很多问题需要重新认 识。今后研究的方向： (1)加强对新型寻优算法(如蚂蚁算法)的研究，寻找更 快速、高效的实用规划求解方法。 (2)合理地考虑多阶段规划中各阶段规划方案之间的 过渡和相互约束，寻找求解动态规划的更合理的模型 和实用的求解方法。 (3)在规划模型中更合理地考虑和协调经济性和可靠 性的关系，更充分地考虑安全因素，使规划方案更具 实用价值。37§5.4电网规划的优化方法§5.4电网规划的优化方法(4)更为全面合理地考虑和处理各种不确定性因素， 如经济、环境和政策等，使规划方案具有更高的灵活 性和适应性。 (5)在输电网规划中考虑采取合理的接线模式，降低 短路电流水平。 (6)如何考虑和确定合理的电网规划模型和算法，使 其符合电力市场模式的需求。四、电网规划优化实例例1： （费用模型） 目标函数 minF = (k1 + k2 ) ∑ c j x j + k3 ∑ rj Pj2j∈Ω1 j∈Ω2约束条件B δ + Pg = PlA δ ≤ ZPmaxA δ l ≤ C e ZP max0 ≤ x j ≤ x j max§5.4电网规划的优化方法§5.4例2：电网规划的优化方法§5.4例2：电网规划的优化方法§5.4电网规划的优化方法38§5.4电网规划的优化方法考虑可靠性的多目标输电网规划背景 考虑因素 规划方法§5.5城市电网规划一、城市电网规划的概念城市电网规划也称为城市配电网规划，包括城市高压 （220kV、110kV）配电网规划和城市中压（10kV）配 电网规划两个方面。 高压配电网规划：变电站选址、网架结构 中压配电网规划：网架结构39§5.5城市电网规划§5.5城市电网规划二、城市高压配电网接线模式二、城市高压配电网接线模式图 1同电源不同母线辐射接线（变电所设二台变）图 2同电源不同母线并设联络线接线（变电所设三台变）§5.5城市电网规划§5.5城市电网规划二、城市高压配电网接线模式二、城市高压配电网接线模式图 3不同电源双T接线（变电所两台变）图 4不同电源双T接线（变电所三台变）§5.5城市电网规划§5.5城市电网规划二、城市高压配电网接线模式二、城市高压配电网接线模式图 5同电源不同母线双T接线图 6同电源不同母线双T接线（变电所设三台变压器）40§5.5城市电网规划§5.5城市电网规划二、城市高压配电网接线模式二、城市高压配电网接线模式图 7双侧电源不同母线双T接线（两台变）双侧电源不同母线双T接线（变电所设三台变压器）§5.5城市电网规划§5.5城市电网规划二、城市高压配电网接线模式三、城市中压配电网接线模式双侧电源辐射接线（变电所采用内桥接线）图 1单电源辐射接线§5.5城市电网规划图 2环式接线图 3不同母线三回馈线的环式接线模式41§5.5城市电网规划§5.5城市电网规划图 4分段联络接线图 5 电缆线路单电源辐射式接线§5.5城市电网规划图7 双电源双辐射接线模式 图 6 电缆线路环网接线§5.5城市电网规划图 8 电缆线路开闭所接线图9 “3-1”主备接线模式42图10 “4-1”主备接线模式图11 末端环网“3-1”环网接线模式§5.5 城市电网规划§5.5城市电网规划四、城市配电网规划内容图 12 电缆线路互为备用的“3-1”环网接线模式现状网分析配电网规划内容配电网 规划内容高压配电网 供电能力 变电站 高压线路 转供能力 电源线路“N-1”中压配电网 供电能力 中压线路 线路配变 设备 转供能力 中压线路“N-1” 经济指标 电压质量 线路损耗现状网 分析负荷预 测高压配 电网规 划中压配 电网规 划专项规 划规划网 评估投资估 算变电站主变“N-1”经济指标 电压质量变电站 选址定 容网架规 划无功规 划配电自 动 化规划线路损耗 无功补偿 无功补偿 配电自动化43负荷 预测高压配电网 规划 变电站选 址定容 分布式 电源变电站所带 负荷情况网架规划总负荷 电量预 测分行业 分区预 测负荷分 布预测负荷电 量校验电力电 量平衡电力平衡人均综 合用电 量 人均居 民生活 用电量变电站站 址和容量供电范围变电站之间 的接线方式电气计算总电量 预测用地划 分人均 电力GDP负荷 密度站址和容 量的确定软件计算专家干预变电站 负载率 变电站 容载比站址和容 量的修正总负荷 预测负荷指 标选取地区容 载比中压配 电网规 划专项规划 无功规划中压配电 自动化规划无功规划原则 规划原则与目标新增开 闭站新建 线路线路 切改站址接线 模式型号铺设 方式线路 路径沟道 路经高压配 电网规 划现状存在问题配电自动化现状分析规划改造方案论证适合本地区 的配电自动化模式数量问题线 路的改 造预期效果提出可实施的方案配电网 综合评估技术性供电 可靠性 理论 线损率 电压 合格率 线路和设备 的负载率经济性环境评估 输电线、变 压器电磁辐 射 变压器噪声§5.5城市电网规划现状、规划 指标对比五、城市配电网规划实例成本――效益44§5.6发电机 调相机 电容器无功补偿优化规划一、电力系统无功电源静止补偿器 新型无功电源§5.6无功补偿优化规划§5.6无功补偿优化规划发电机无功特点：不需要额外投资 可进行平滑调节 可发出无功可吸收无功 无功输出受有功出力制约电容器无功特点：需要额外投资 无功输出不能调节 无功输出受系统电压影响 运行维护简单调相机无功特点：需要较大额外投资 可进行平滑调节 可发出无功可吸收无功 运行维护复杂静止补偿器（SVC）无功特点：需要较大额外投资 可进行平滑调节 产生谐波 运行维护较复杂45§5.6无功补偿优化规划§5.61.VQC基本原理系统 Us∽无功补偿优化规划新型无功电源：静止无功发生器（STATCOM） 有源滤波器 电能质量调节器 运行维护较复杂二、变电站电压无功自动控制（VQC）Uh ≈ Us ? Ul ≈ (Q ? QC ) X s UsXsUhKT XT Ul P+jQ可控变量：QC 、KTQCU h (Q ? QC ) X T ? KT Uh改变QC可以调整变电所高、低压母线的电压 改变KT可以调整变电所低压侧母线的电压§5.62.VQC控制方式无功补偿优化规划控制策略： （1）切电容器 （2）降压 （3）降压 （4）投电容器 （5）投电容器 （6）升压 （7）升压 （8）切电容器 （9）不调整§5.63.VQC实例无功补偿优化规划九域图或九区图U 电压偏高3 42 91 8U0+ΔU正常 U0VQC电压无功自动控制装置，电容器组采用星形 接线方式，分成4组，可以产生7种容量组合 第一组 3X200 Kvar 第二组 2X200 Kvar 第三组 2X200 Kvar 第四组 2X200 KvarU0-ΔU电压偏低5欠补偿6合格7过补偿 COS?§5.6VQC控制系统：无功补偿优化规划§5.6无功补偿优化规划三、配电系统无功补偿方式四种补偿方式：变电站集中补偿、低压集中补偿、杆上补偿、用户终端分散补偿46§5.6无功补偿优化规划§5.6无功补偿优化规划ΔP∑ = minF(Qc1 , Qc2 , , Qcj , , Qcm )m j =1四、配电系统无功规划优化无功规划优化的目标：以最少的无功补偿容量，达 到最大程度降低网损和改善电能质量等目的。 目标函数分类： （1）只考虑网损 （2）考虑网损和补偿装置投资 （3）考虑网损、补偿装置投资及电能质量指标 的越限惩罚只考虑网损的目标函数： 目标函数：约束条件： Q G ∑ + ∑ Q cj ? Q L ∑ ? Δ Q ∑ = 0Qcjmin ≤Qcj ≤Qcjmax( j =1,2,…m)Ui min ≤Ui ≤Ui max(i =1,2,…n)§5.6配网结构：无功补偿优化规划16 9 10 11 12 13 6 8 14 7 15§5.6节点编号无功补偿优化规划节点电压（标么值） 优化前 0.2 0.1 0.3 0.7 0.9653 优化后 0.9 0.1 0.7 0.3 0.9794 非计划补偿节点 补偿节点 计划补偿节点 补偿节点 备注优化补偿容 量（KVar） 0 0 0 90 0 0 146 138 01 2 3 4 5 6 7 8 9012345§5.6节点编 号 10 11 12 13 14 15 16 网损 优化补偿容 量（kVar） 0 0 0 327 无功补偿优化规划节点电压（标么值） 优化前 0.4 0.1 0.5 0.9445 优化后 0.1 0.8 0.6 0.9637 非计划补偿节点 补偿节点 计划补偿节点 补偿节点 备注§5.6无功补偿优化规划Ka + ke考虑网损、补偿装置投资的目标函数 目标函数： minF= min( βτ max Pl (Qci) + 100 × Kc × QcΣ ) 约束条件： PGi = PDi + Vi ∑V j (Gij cosθ ij + Bij sinθ ij )j∈NiQ Gi = Q Di + V i∑Vj∈ Nij(G ij sin θ ij ? B ij cos θ ij )V min ≤ V i ≤ V maxQci min ≤ Qci ≤ Qci max优化前网损251kW优化后网损155kW47§5.6项目\ 节 点 4 7 8 9 13 14 16无功补偿优化规划考虑网损、补偿装置投资及惩罚项的目标函数 目标函数： MinJ = f ΔP + f Q + λF FV + λH H V 约束条件： PGi = PDi + Vi ∑V j (Gij cosθ ij + Bij sinθ ij )j∈Ni优化前 0.9484 电压 优化后 0.9642 电压 补偿容 量 00.94560.94570.1 0.92950.94440.96240.96250.1 0.95380.9617Q Gi = Q Di + V i∑Vj∈ Nij(G ij sin θ ij ? B ij cos θ ij )I h = YhU h156.87 154.52 0 662.11 916.19 363.48V min ≤ V i ≤ V maxN ci min ≤ N ci ≤ N ci maxU ih ≤ k hVi优化补偿前谐波含量§5.6节点 1 2 3 4 5 6 7 8 网损 电压幅值 0.38 0.40 0.36 0.71无功补偿优化规划电压相角 -0.284 节点 9 10 电压幅值 0.32 电压相角 -0.282 -0.588 -0.695 -0.674节点 8 9 10 11 12 13 14 15 16HD3(%) 0.0 0.1 0.8 0.8 0.5847HD5(%) 2.7 2.1 3.1 3.1 3.1403HD7(%) 3.9 3.3 4.9 5.5 3.8437HD11(%) 0.7 0.4 0.0 0.6 0.1172THD(%) 4.5 4.8 5.0 6.3 4.9991-0..917 12 0.932 13 0.946 14 0.968 15 0.945 16 0.．6973 kW优化补偿后谐波含量节点 8 9 10 11 12 13 14 15 16 HD3 (%) 0.7 0.8 0.0 0.2 0.5417 HD5 (%) 1.2 2.3 2.8 2.8 2.3880 HD7 (%) 2.0 2.0 2.3 3.3 3.0442 HD11 (%) 0.4 0.4 0.5 1.4 0.6888 THD(%) 3.0 3.8 3.4 3.4 3.9671 优化前网损 (KW) 优化后网损 (KW) 补偿容量 (Kvar) 优化时间 250.73 161.47 2189.48 二十秒左右 250.73 152.98 秒左右 250.73 160.43 3080 几秒三种方法的比较比较项\方法 拉格朗日法 遗传算法 共轭梯度法485.7 电力系统规划的编制输电网规划 配电网规划输电网规划目录 0 前言 01 编制依据 02 规划目的、范围及年限 03 规划的主要内容 04 规划基本思路及原则输电网规划1 国民经济和社会发展概述 1.1 地区概况（市区位置，气候，人口， 资源） 1.2国民经济基本情况 ……….. 2 电网现状分析 2.1 电网概况（基础数据） 2.2 存在问题输电网规划3 电力需求及负荷预测（核心） 3.1 负荷，用电基本情况（大量数据，现 状） 3.2 新增大用户调查等 3.3 负荷特性分析（预测） 4 电网规划 4.1 电网规划主要原则 4.2 电源规划介绍 4.3 电网规划49输电网规划5 电气计算 5.1 潮流计算（典型方式，220kV及以上） 5.2 稳定计算输电网规划6 无功规划和调压手段 6.1 原则 6.2 现状分析 6.3 年无功规划及调压输电网规划7 结论配电网规划见实例电力系统风险评估关注的原因---近几年的大停电事件 电力系统行为本质上的概率特征，系统 风险无法完全避免-风险的根源 可以通过规划、设计、运行以及维修的 风险管理和评估工作将风险控制到可接 受的水平 电力市场和工程的实际问题对系统风险 问题提出新的挑战电力系统风险评估《电力系统风险评估》李文沅著 科学出 版社，2006.10（中译本）50风险管理的三个方面实施风险的定量评估 确定降低风险的措施 确认可接受的风险水平RCMReliability-Centered Maintenance 传统维修的弊端 RCM 基于设备的故障模式和影响效果， 考虑经济性和可靠性的最佳结合，以最 经济的方式提高可靠性 使维修工作更具科学性，将日常维修工 作量降低40%-60%，提高设备利用率RCM以概率论和设备的可靠性函数为基础， 以设备的状态监测和故障诊断为技术支 持的设备维修方式以及维修周期的决策 方法 关键：可靠性函数的确定和设备状态监 测的技术支撑RCM涉及的几个方面 1 设备的故障诊断 2 维修方式和维修周期决策 3 系统的可靠性评估 4 电力系统维修优化等51
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