大电网可靠性评估的指标体系探讨

摘要：随着我国电力市场的不断发展、输电网的逐步开放以及独立发电商的出现，传统的大电网可靠性评估指标体系无法满足要求，故应尽快建立新形势下的电网可靠性评估体系。文中在回顾和总结了近年来国内外在建立大电网可靠性评估指标体系方面研究进展，探讨了电力市场条件下可靠性研究的新方向、可靠性指标评价的新标准、最优可靠性对指标体系的新要求及大电网可靠性灵敏度分析等问题，并对该领域的研究进行了展望。 .cn

        1 前言

　　我国电网已进入跨大区互联、特高压交直流混合输电时期，系统规模的不断扩大使停电可能造成的损失越来越大。研究表明，可靠性与经济性并非两个独立的指标，二者结合应用于电力系统可取得显著的经济效益。

 

　　大电力系统可靠性评估经过国内外学者近三十年的研究，已取得了一些成果 ]。然而电力市场的不断发展、输电网的逐步开放以及独立发电商的出现导致新问题、新需求不断产生，传统的指标体系已无法满足市场要求，必须尽快建立适合我国当前大电网可靠性评估的新指标体系。

 

　　大电力系统可靠性分析包括充裕度与安全性两方面。充裕度从静态角度出发，评价系统持续供给用户总电能需求的能力;安全性则从暂态角度出发，评价系统承受突然扰动后仍能保持稳定的能力。传统的可靠性分析主要指充裕度分析，这也是本文探讨的主要内容。

　　2 基于传统可靠性理论的指标体系

　　传统的充裕度指标体系已较成熟，指标体系可分为负荷点指标和系统指标两类。前者针对具体负荷点而言，表征故障的局部影响;后者针对系统而言，从全局衡量故障对整个系统的影响。系统指标又分为基本指标和导出指标，导出指标具有标幺意义，可用于不同规模系统之间的相互比较。表1是传统可靠性理论的指标体系及其对应算法，所有公式适用负荷点指标和系统指标。 信息来源:tede.cn

　　可靠性指标的算法主要有解析法和模拟法。前者一般以状态枚举法[8]为基础，后者则多采用元件状态抽样方法[9]。随着电网日趋复杂及所考虑问题相关程度的不断增强，模拟法具有更大的优势。

 

　　表1中各参数的含义如下：

 

　　i为一个具体的系统状态，由于解析法和模拟法生成系统状态的机理不同，两种方法中i的含义也是不同的;

 

　　F为解析法或模拟法中有切负荷的系统状态集合;

 

　　t，为解析法或模拟法中状态i的持续时间，单位为小时;

 

　　P 为解析法中状态i的概率;

　　为解析法中状态i的转移频率，单位为次/年;

 

　　DNS 为解析法中状态i的切负荷量。单位为M W ：

 

　　C，为模拟法中状态i的切负荷量，单位为M W 。

 

　　SI为停电影响的严重性指标(system severity index)，用系统分来度量，一个系统分相当于在峰荷时全系统停电1 rain。1996年IEEE大电力系统可靠性工作小组根据SI的大小将停电影响的严重级别分成了5个等级n 。严重程度级别越高，说明系统承受故障的能力越差，即可靠性水平越低。SI还可用于不同规模系统之间的相互比较。随着我国电网规模的不断扩大以及对可靠性问题的日益重视，SI指标将得到更为广泛的应用。

　　上述指标的不足是没有合理地考虑经济因素。目前我国正处于电力市场改革当中，原有的可靠性指标体系不能满足市场要求。研究建立电力市场环境下，新的可靠性指标体系是当务之急。

　　3 市场环境下的可靠性指标体系

　　3.1 市场环境下可靠性研究的新方向 .cn

　　将可靠性与经济性结合起来考虑，揭示系统可靠性背后所隐含的经济意义是一项意义重大的课题，该课题的第一步是可靠性费用的计算问题。

 

　　文献[12]提出了用户停电损失函数CDF(customer damage function)的概念，并给出了基于CDF的可靠性价值评估方法，通过该方法可以计算出系统总的停电费用。文献[13]提出利用VOLL(value of lost load)法来估计失负荷价值，该方法可以考虑各类不同负荷对经济费用影响的差异，其准确性较CDF法更高且更实用。VoLL法在一些欧洲国家还被用来计算电力市场的购买电价。文献[14]综述了英国、智利以及瑞典在停电损失评估中所采用的一些具体方法，认为目前各国在经济评估方法及所采用的指标上仍存在很多差异，迫切需要建立一个统一的指标体系。

 

　　我国学者在可靠性费用的计算方面做了大量工作，并提出了许多适用于我国的停电损失评估方法与可靠性指标。文献Es]介绍了"平均电价折算倍数法”，它将停电损失费用当时的平均电价乘以折算倍数来表示。该方法可用来对停电损失进行粗略估计，具有一定的实用价值。但平均电价与折算倍数并非确定值，二者都会随社会经济的发展而不断变化，故该方法有较大的局限性。为进一步提高计算的精确程度，"产电比”(ratio of output value to unit electric energy consumption)的概念，指出可以利用电网所在地区的GDP值与消耗的电能量之比来描述该地区在特定时期电能货币价值，该方法可从宏观上对系统停电损失作更为准确的估计，较适合大电网可靠性的经济评估，具有较高的工程价值。

　　传统的可靠性研究中，往往只考虑系统的整体指标而忽视用户之间的差别。文献[16]指出，市场环境下应建立一套让用户能够对自身可靠性价值进行评估的指标体系。文献[-12]提出的基于CDF的评估方法将可靠性指标和用户费用联系在一起，考虑了不同用户之间的差别。文献[17]综述了北美目前在可靠性数据的收集与应用等方面的具体做法，并介绍了各种可靠性指标如何应用于不同的用户。一种新的可靠性价值评估模型，将发、输电系统对可靠性的贡献分开计算，可以给规划者提供与系统相关的重要信息，使其知道应该如何投资才能获得最佳可靠性;可让用户对自身可靠性价值有一个清楚的了解，使其决定究竟应选择哪一家发电商为自己服务。文献[19]作了更为深入的研究，提出了独立计算各发电厂和电网对各负荷点及用户可靠性影响的方法，这为电力市场情况下可靠性付费原则的制订提供了理论基础，但该方法应用于实际还有一定困难。

　　3.2 最优可靠性对指标体系的新要求

 

　　在当前的系统运行中，很多时候为了保证系统运行的可靠性，会牺牲系统运行的经济性，这在当前的市场环境下是不合理的。因此国内外学者在可靠性与经济性优化方面做了大量的工作，并提出了一些新的指标。

 

　　可靠性与经济性的最优化理论在系统规划中有着广泛应用。文献I-2o"]提出，可靠性总费用等于投资费用加上停电损失费用，并指出两种费用的变化趋势相反，二者叠加的结果是可靠性总费用随着可靠性水平的变化呈u 形曲线变化。文献1-21]在此基础上，通过定义"可靠性边际成本”与"可靠性边际效益”的概念，阐述了市场环境下电网规划的成本一效益问题。同时指出，用户缺电与多种因素有关，其中包括许多不确定性因素。为方便而又全面地计算用户停电费用，提出了一个新的指标缺电损失评价率R ，给出了计算方法。该指标可将可靠性效益量化为需求侧缺电成本，进而实现可靠性与经济性之间的优化。

　　一个新的可靠性指标EUP(t)(expected tin—served power)，并用它来研究独立发电商对系统可靠性的影响。它将可靠性要求作为不等式约束(用EUP(t)指标来表示)加入原有的优化模型当中，这为市场环境下的可靠性研究探索了新的方向。

 

　　EUP(t)指标与传统的EENS指标，认为后者是通过对一个时间段(一般为一年)的统计得到的结果，其精确性与实时性都不能满足市场环境下的要求，而EUP(t)指标则能精确到任一时间段，具有EENS指标所没有的优势。还利用EUP(t)指标研究了市场条件下，维护系统可靠性所需费用的分配问题，指出利用该指标可考虑系统中不同用户间可靠性要求的差异，并据此将发电厂为维护系统可靠性水平所需的费用在有不同要求的用户之间合理分配，使可靠性与经济性的结合更紧密。

 

　　3.3 可靠性指标新的评价标准

 

　　传统的规划方法首先根据经济性指标选定几个方案，再根据可靠性指标对它们进行校验并确定最终方案。这种方法无法对规划方案的可靠性和经济性进行灵活评价和比较，新的可靠性指标应当弥补上述缺点。

 

　　开放的市场环境下，各发电商、电网分属不同的经济实体，他们在系统运行和规划设计中对系统可靠性问题的考虑与传统的观念存在着巨大差别。

针对市场环境下电力系统的可靠性问题，从电网规划与运行、电力系统设备的维修、反事故自动装置等方面进行了探讨。指出市场环境下，可靠性与经济性不再表现为两个独立的指标，可靠性将融人经济性当中，并被作为可能给公司带来经济利益的一种措施;传统意义上的可靠性指标在市场环境下是否会得到执行、执行到何种程度将取决于这一指标的执行是否会给公司带来经济上的收益。文献1-25"]探讨了可靠性指标的发展趋势与新的评价标准。在市场环境下研究可靠性时，应摆脱对可靠性进行收费的思想，而是将其看作一种稀缺资源，探索利用市场机制来保证系统运行可靠性的途径，这种思路的转变很有启发意义。

　　在市场解除管制的情况下，传统指标体系中的LOLP和LoLE等可能不再适用。传统可靠性指标是在电价固定不变的基础上来求取一段时间内的期望值，而在市场环境下，电价是时刻变化的，用户用电也必然受到影响，而这些问题都是传统的可靠性指标所不能考虑的;市场解除管制后，发电商独立运营，有可能因为电价太低而选择不供电，这样必然对系统造成影响，也就使原来的可靠性指标失去意义。文献E27]提出了一个新的指标—— 社会效益损失期望值LoSBE(1oss of social benefit expectation)，并将它作为衡量可靠性价值的新标准。该指标基于社会收益最大化模型(SBM)和统计理论建立，可解决传统可靠性指标体系在市场条件下不再适用的问题。

 

　　4 大电网可靠性的灵敏度指标体系

 

　　大电网可靠性评估的一个重要目的就是找到系统的薄弱环节。传统的可靠性指标只能从总体上反映系统或负荷点可靠性的好坏程度，而无法准确地找到系统的薄弱环节。因此，国外学者提出了"灵敏度分析”的概念，即研究元件可靠性参数的微小变化对系统可靠性指标所造成的影响，并在此基础上建立了可靠性评估的灵敏度指标体系。

　　可靠性的灵敏度分析研究具有重要意义，它能准确地找到制约系统可靠性的瓶颈，确定系统中最需要增加投资改造的薄弱环节;能够在对不同规划方案进行可靠性成本/效益评估的基础上，确定最优的规划方案2，灵敏度指标引入到电力系统扩展规划的研究当中。

 

　　可靠性的灵敏度分析主要研究元件可靠性参数的变化对系统可靠性指标的影响。作为研究对象的系统指标主要包括：电力不足概率LOLP，电力不足频率LOLF，电力不足期望值EDNS，电量不足期望值EENS等。元件可靠性参数主要包括：元件故障率 ，修复率 ，有效度a，无效度 ，元件容量C等。文献[3]研究了发电系统可靠性指标对设备故障率和修复率的灵敏度问题。多区域互联系统的可靠性指标对联络线参数的灵敏度表达式，元件可靠性参数的不确定性会对系统的可靠性指标产生重要影响。利用灵敏度指标来评估设备参数的不确定性对系统可靠性的影响。

 

　　提高系统可靠性的措施除包括增大发输电设备容量之外，还可改进元件的可靠性，如通过增加维修人员的数量来减少元件故障修复时间，通过采用更复杂的监测技术和维修技术来延长元件的工作时间等。随着监测装置价格的下降、缺乏足够的资金来更新设备，以及未来负荷需求和燃料价格等运行条件中存在的不确定性，改善元件可靠性比更新设备更具优势。

　　应用解析法对系统可靠性进行灵敏度分析时，必然会碰到计算规模庞大的问题。文献E34]引入了"拉格朗Et乘子”的概念，在一定程度上缓解了计算维数灾问题。假设系统具有相关性的基础上，利用条件概率的思想重新推导了LOLF的表达式，新的表达式无需对每个系统状态都进行状态评估，大大节省了计算时间，该思路对于其他可靠性指标的计算也有很好的启发。

 

　　当前的研究主要集中在小规模系统上，而对于大电网可靠性的灵敏度分析则很少有报导，这主要与大电网评估所采用的方法有关：现有的方法主要分为解析法与模拟法两大类，解析法采用严格的数学模型，通过精确的计算得到系统的可靠性指标，其计算量随系统规模的增加而呈指数增长;蒙特卡罗模拟法采用随机模拟的方法，其计算量受系统规模的影响不大，故以往的研究多通过模拟法来进行，这导致以解析法为基础的灵敏度分析研究进展缓慢。随着大电网可靠性问题13益突出，灵敏度研究越来越受重视。

　　如果能够导出系统可靠性指标对元件可靠性参数的解析表达式，就可求元件可靠性参数改变后，系统可靠性指标的确切变化量。文献[4]首次导出了系统可靠性指标对元件可靠性参数的解析表达式，并基于此提出了一系列可靠性的灵敏度指标，既丰富了电力系统的可靠性理论，又开拓了元件可靠性参数改变后利用解析方式直接计算电网可靠性指标的新途径，避免了过去当系统状态改变时需要反复进行评估的弊端。该文献还基于灵敏度分析提出了一种确定FACTS元件最优安装位置的新方法，为大电网可靠性评估的工程应用奠定了理论基础，也开辟了大电网可靠性研究的新方向。

 

　　5 未来研究的展望

 

　　随着电力市场改革的不断深入，迫切需要建立一个能够将可靠性与经济性紧密结合在一起的新指标体系。新的可靠性指标体系应满足以下要求：

　　(1)新的指标应当能够把可靠性与经济性紧密结合在一起。文献E27]提出的以社会效益损失期望值L0SBE来衡量可靠性价值的思路对于今后的研究有一定的启发意义。传统体系中的SI指标对于大电网评估具有重要意义，可探索将其与市场环境下的经济性指标(如Rt队等)结合起来研究的新途径。

　　(2)传统的电力系统规划方法无法对规划方案的可靠性和经济性进行灵活评价和比较，新的可靠性指标应弥补该缺点。EUP(t)指标 副的提出是一个很好的尝试，但它未能将可靠性的研究置于完全市场化的条件下，有时为了满足系统运行可靠性的要求可能会以牺牲经济性为代价，这是不符合市场要求的，也是下一步工作需要解决的问题。

 

　　(3)新的可靠性指标应能准确地评估不确定性因素给系统可靠性与经济性所带来的影响，基于传统理论的指标体系并未对此问题进行专门探讨。文献[21]所提出的RIEA指标可在考虑不确定性因素的情况下计算系统的缺电成本，但R。EA的求解是建立在对大量用户进行调查统计并作估算的基础上，其准确性难以保证，且实施有一定的难度。如何更准确地定性衡量不确定性因素对系统可靠性的影响也是值得研究的问题。

　　(4)新的指标体系应当既能从系统层面上进行可靠性与经济性评估，又能考虑到不同用户之间的差别，解决电力市场中可靠性付费的合理分配问题。文献[20]首次提出了利用CDF函数来考虑用户之间的差别，这为在新的市场环境下制定正确的市场策略提供了理论支持，具有非常重要的实用价值，但该文未能就市场策略的制定作更深入的研究，对于市场成员如何决策合理的可靠性水平也没有做具体说明，这些都是今后要解决的问题。

 

　　(5)大电网可靠性的灵敏度分析正逐步受到研究者的重视。借助灵敏度指标，可以准确地找到牵制系统可靠性的瓶颈，确定系统最需要增加投资改造的薄弱环节。建立一套完善的灵敏度指标体系对于大电网运行与规划具有重要意义。文献[4]在这一方面做了富有开创性的工作，首次导出可靠性指标对元件可靠性参数的解析表达式，并建立了一套新的大电网可靠性的灵敏度指标体系。但该文献的研究是建立在传统的可靠性理论基础上的，未能将电力市场下的诸多因素考虑进来，今后的研究应当考虑电力市场环境的重要影响。

 

（来源：南瑞继保电气有限公司）