基于概率風險評估的發(fā)電容量充裕度分析及其應用

王 潔，程 虹，楊 超

（國網(wǎng)江西省電力公司經(jīng)濟技術研究院，江西南昌 330043）

0 引言

發(fā)電容量充裕度是度量電力系統(tǒng)是否具有足夠的發(fā)電容量來滿足電力電量需求的能力，并且在負荷高峰、機組計劃檢修及適度隨機停運時也能保持這種能力的重要指標[1,2]，它反映了靜態(tài)條件下系統(tǒng)的可靠性水平。因此，確保合理的發(fā)電容量裕度對于電力系統(tǒng)和電力市場的安全與協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要的意義，否則可能造成經(jīng)濟效益與社會效益的巨大損失。本文采用基于概率風險評估的方法進行發(fā)電容量充裕度分析，首先對系統(tǒng)中的不確定因素進行建模，采用序貫蒙特卡洛模擬法進行狀態(tài)選取，并運用風險指標量化系統(tǒng)風險狀態(tài)的可能性和嚴重度，從而衡量系統(tǒng)的供需平衡能力。之后，簡要介紹了該方法在法國電力系統(tǒng)中的應用情況，分析了截止到2016年的法國發(fā)電容量充裕度水平。最后，結(jié)合我國電力系統(tǒng)的實際情況對上述方法進行改進，并以江西省電力系統(tǒng)為例進行發(fā)電容量充裕度分析，驗證該改進方法的合理性。

1 基于概率的發(fā)電容量充裕度風險評估原理

1.1 隨機因素的模擬

1.1.1 負荷模型

可根據(jù)歷史負荷數(shù)據(jù)或負荷需求預測信息，建立相應研究周期內(nèi)的時序小時負荷模型。

考慮到負荷水平的波動特性，故采用正態(tài)分布來描述負荷波動引起的隨機分量。

1.1.2 發(fā)電機組模型

為了簡化系統(tǒng)狀態(tài)模擬，認為運行和停運是機組僅有的兩種狀態(tài)，且機組間的停運狀態(tài)是相互獨立的。機組q的狀態(tài)Xq的概率密度函數(shù)可表示為：

每一臺機組的狀態(tài)可通過隨機抽樣來確定，即隨機產(chǎn)生均勻分布在[0，1]區(qū)間的隨機數(shù)Rq，若，則 ；若，則機組q處于當前狀態(tài)的持續(xù)時間的抽樣值Dq可用指數(shù)分布來表示：

1.2 風險評估指標

發(fā)電容量充裕度的定量評估是通過建立表征系統(tǒng)風險的指標來實現(xiàn)的。根據(jù)模擬的系統(tǒng)狀態(tài)，可分析出相應的狀態(tài)后果，從而統(tǒng)計出在研究周期T內(nèi)N次抽樣中，第i次抽樣中發(fā)生的缺電次數(shù)LLOi(lossof load occurrence)，以及在該次抽樣中的第j次缺電持續(xù)時間LLDij(lossof load duration，h)和第j次電量不足值 ENSij(energy not supplied，GWh)[1，13]。在此基礎上，便可計算以下基本的風險指標。

1）缺電時間期望LOLE（h/T），表示在研究周期T內(nèi)時序負荷超過系統(tǒng)可用發(fā)電容量的小時數(shù)。

2）電力不足概率LOLP（lossof load probability），表示在研究周期T內(nèi)時序負荷超過系統(tǒng)可用發(fā)電容量的概率。

3）電量不足期望LOEE（GWh/T）指在研究周期T內(nèi)由于供電不足而造成用戶停電損失電量期望值。

4）負荷切除期望ELC（GW/T)，表示在研究周期T內(nèi)由于供電不足而導致切負荷功率期望值。

1.3 風險評估方法

序貫蒙特卡洛模擬法是具有時序特征的蒙特卡洛模擬法，能靈活的模擬狀態(tài)持續(xù)時間的任何分布，以及計算系統(tǒng)風險指標的概率分布。為了能夠分析系統(tǒng)在不同時刻發(fā)生停電風險的概率特征，文中采用序貫蒙特卡洛模擬法進行發(fā)電容量充裕度風險評估，它是在研究周期內(nèi)按時序建立一個虛擬的系統(tǒng)發(fā)電容量曲線，并疊加時序負荷小時曲線得到模擬的運行過程[1]。

2 基于概率風險評估的發(fā)電容量充裕度分析在法國的應用

法國的電源結(jié)構(gòu)中，核電占其主導地位，但由于歐盟限制排放條例的實施和法國石化資源缺乏等因素，近年來法國核電發(fā)展緩慢；相比之下，風電、水電和太陽能光伏發(fā)電在法國政府的大力扶持下迅猛發(fā)展[3]。此外，法國電力系統(tǒng)與西歐多個國家聯(lián)網(wǎng)，以電力出口為主進行電力交換。法國輸電網(wǎng)公司RTE(Réseau de Transport d'Electricité)預計截止到2016年，法國的年出口電力將小幅度增大。

考慮到法國可再生能源發(fā)電的比例不斷增大，系統(tǒng)的可用發(fā)電容量的波動性會相應變得更加頻繁、劇烈；而且法國每年都要和外區(qū)域電網(wǎng)進行大量的電力交換，這些情況都迫切需要法國采用更為科學合理的方法進行發(fā)電容量的供需平衡分析，從而為電源規(guī)劃工作提供參考依據(jù)。為此，RTE于2003年開始編寫兩年一度的發(fā)電容量充裕度報告，以評估法國中長期(未來5年內(nèi))和長期(未來20年內(nèi))的電力供應和需求之間的不平衡風險。

法國發(fā)電容量充裕度評估體系主要是根據(jù)發(fā)電裝機預測、負荷預測和與其它國家的電力交換計劃的情況，采用概率風險評估方法對發(fā)電系統(tǒng)中存在的不確定因素進行模擬，分析各種不同場景下系統(tǒng)的電力電量供需平衡情況，最后計算發(fā)電容量充裕度的各項風險指標[4]。基于該方法，進行從2013年到2016年的發(fā)電容量充裕度評估，表1給出了各年法國發(fā)電容量充裕度風險指標值。

表1 2013-2016年的法國發(fā)電容量充裕度風險評估結(jié)果

法國政府規(guī)定發(fā)電容量充裕度的標準為：缺電時間期望LOLE不大于3 h/a。從表1中可以看出，以法國目前的裝機容量仍能滿足2013年和2014年的負荷需求，但從2015年開始，缺電時間期望值超過了標準值，系統(tǒng)由于發(fā)電容量供給不足要進行切負荷；到2016年，法國電力缺口預計達5.3 GW。如果法國不依賴于進口電力來填補電力空缺，就應采取增大新建電源項目投資、加強需求側(cè)管理等措施以緩解電力供需矛盾。

3 改進的發(fā)電容量充裕度概率風險評估

法國的發(fā)電容量充裕度分析方法對于我國電力系統(tǒng)的可靠性評估工作具有重要的借鑒意義。但在實際應用中，上述方法仍有改善空間，文中從以下2個方面進行改進：

1）法國編寫發(fā)電容量充裕度評估報告的目的是為政府及能源部門規(guī)劃電力投資提供決策依據(jù)，通常以“年”為研究周期，評估結(jié)果只能從整體上度量系統(tǒng)長期的充裕度水平?？紤]到短期的發(fā)電容量充裕度評估能更精確地識別在某時段內(nèi)系統(tǒng)存在的風險，從而更好地為調(diào)度運行工作人員提供參考，做出及時有效的校正措施。因此，在改進的方案里采用年度評估、季度評估以及月度評估三種模式。

2）在進行電力電量供需平衡分析時，RTE考慮到資源的限制、能源政策的變化等對發(fā)電裝機預測的影響，卻沒有計及機組檢修計劃因素。為了彌補上述缺陷，在模擬機組的有功出力時，若機組的模擬狀態(tài)為運行，則循環(huán)檢修計劃表，判斷機組是否處于檢修期，若是，則其出力為0。

在算法實施中，基于改進的發(fā)電容量充裕度的評估流程如圖2所示，其主要步驟如下：

（1）選擇評估模式，確定研究周期T；

（2）讀取原始數(shù)據(jù)，如機組運行參數(shù)、檢修計劃，研究周期內(nèi)的電力交易計劃和負荷水平等；

（3）設置算法參數(shù)，如最大抽樣次數(shù)N，初始抽樣次數(shù)i=1；

（4）根據(jù)1.2中的方法確定發(fā)電機的運行和停運的狀態(tài)以及狀態(tài)持續(xù)時間模擬值，生成每臺機組的時序狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；

（5）在各個時段內(nèi)，若機組處于運行狀態(tài)且不在檢修期內(nèi)，統(tǒng)計該機組的有功出力；否則其有功出力記為0。從而可形成研究周期內(nèi)機組總的可用容量時序曲線；

（6）將區(qū)外送入電力處理成機組的有功出力，這樣系統(tǒng)總的供電容量時序曲線可由機組總的可用容量時序曲線和區(qū)外送入電力時序曲線進行疊加而成的，從而可算出相應時段內(nèi)的系統(tǒng)總供電量；

（7）根據(jù)已設置的負荷水平及其波動分量，按照1.2節(jié)中的模型模擬系統(tǒng)的時序小時負荷曲線，并將送出區(qū)外電力處理成系統(tǒng)負荷，將系統(tǒng)時序負荷曲線與送出區(qū)外電力時序曲線疊加，可得到系統(tǒng)的時序電力需求曲線，最后可計算相應時段內(nèi)的總電量需求；

（8）將系統(tǒng)時序電力需求曲線和系統(tǒng)總的供電容量曲線進行疊加，得到在研究周期內(nèi)的系統(tǒng)發(fā)電容量可用裕度模型；

（9）分析發(fā)電容量可用裕度模型，統(tǒng)計在第i次抽樣中發(fā)生的缺電次數(shù)LLOi，以及該次抽樣中第j次缺電持續(xù)時間LLDij和電量不足值ENSij；

（10）若i＞N，則抽樣結(jié)束；否則，令i=i+1，轉(zhuǎn)入步驟4)。

（11）抽樣結(jié)束后，計算研究周期內(nèi)系統(tǒng)的風險指標，并分析系統(tǒng)的發(fā)電容量充裕度水平。

4 算例分析

為驗證上述改進的評估方法的有效性，以實際的江西電力系統(tǒng)為例，選取2013年高峰負荷水平下的年度評估模式和月度評估模式進行發(fā)電容量充裕度分析。假設該系統(tǒng)的年統(tǒng)調(diào)最大負荷為15 100 MW，平均負荷為8 127 MW；系統(tǒng)的省內(nèi)統(tǒng)調(diào)發(fā)電裝機容量為15 673 MW；網(wǎng)供受電最大電力為1 470 MW，最小電力為720 MW；全年機組檢修計劃事件數(shù)為68。

在月度評估模式中，考慮到江西省的負荷高峰期主要集中在7月-8月以及12月，因此文中主要對這三個月進行評估。

為了說明機組檢修計劃對發(fā)電容量充裕度的影響，故將年度評估模式設置了兩種場景進行對比。

場景1：計及機組檢修計劃因素；

場景2：不考慮機組檢修計劃因素。

采用前文所述的方法進行計算，年度發(fā)電容量充裕度的分析結(jié)果如表2所示。

表2 不同場景下的年度發(fā)電容量充裕度評估結(jié)果

通過表2中的計算結(jié)果可以看出，場景1的各項指標評估值都比場景2要大，說明不考慮機組檢修計劃因素，評估得出的系統(tǒng)停電風險將偏低。

在進行各月度發(fā)電容量充裕度評估時均考慮機組檢修計劃因素，其評估結(jié)果如表3所示。

表3 2013年7、8、12月發(fā)電容量充裕度評估結(jié)果

分析比較表2和表3的結(jié)果可知，在2013年，7、8、12月缺電時間期望值總和約占全年缺電時間期望值的64%，其中8月份發(fā)生電力短缺的情況最嚴重。由此可見，不同模式的評估結(jié)果分析可以為規(guī)劃和調(diào)度工作提供更為全面、細致的電力電量不平衡風險信息，從而制定相應的合理措施，如進行優(yōu)化機組檢修計劃、電力負荷錯峰管理等。

5 結(jié)語

進行發(fā)電容量充裕度概率風險評估的研究對保障電力系統(tǒng)的可靠供電和電源的合理規(guī)劃具有重要的理論價值和實踐價值?？紤]到系統(tǒng)中不確定因素的影響，采用序貫蒙特卡洛模擬法進行多種模式的發(fā)電容量充裕度風險評估，能更全面地識別系統(tǒng)存在的停電風險，從而便于做進一步的分析和研究；而在評估過程中計及機組檢修計劃因素，能更準確地反映電源設備生產(chǎn)狀態(tài)信息，否則發(fā)電容量充裕度的評估結(jié)果偏于樂觀。

[1]李文沅.電力系統(tǒng)風險評估——模型、算法和應用[M].北京：科學出版社，2006.

[1]李文沅.電力系統(tǒng)風險評估——模型、算法和應用[M].北京:科學出版社，2006.

[2]楊蒔百，丁明.大型電力系統(tǒng)可靠性技術[J].電力系統(tǒng)自動化，1993,17(10):53-57.

[3]韓豐，李輝，王智東，等.法國電網(wǎng)發(fā)展分析以及對我國的啟示[J].電網(wǎng)技術，2009，33(8):41-47.

[4]RTE.French Generation Adequacy Report 2011[EB/OL].http://www.rte-france.com/fr/nous-connaitre/qui-som mes-nous/information-in-english.