風(fēng)電功率爬坡事件作用下考慮時(shí)序特性的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估

何成明，王洪濤，王春義，韋仲康

（1.山東大學(xué) 電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061；2.國網(wǎng)山東省電力有限公司，山東 濟(jì)南 250001；3.國網(wǎng)冀北電力有限公司，北京 100053）

0 引言

隨著風(fēng)電滲透率的提高，風(fēng)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性對系統(tǒng)的影響越來越受到關(guān)注［1］。特別是當(dāng)發(fā)生極端氣象事件（如鋒面過境、雷暴、大風(fēng)等）時(shí)，有可能引發(fā)風(fēng)電功率爬坡事件［2-3］，即風(fēng)電出力在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生單向大幅度變化。尤其是我國風(fēng)電大規(guī)模高集中接入模式下，一旦發(fā)生風(fēng)電功率爬坡事件將會(huì)對電力系統(tǒng)的有功平衡造成嚴(yán)重影響，甚至引發(fā)系統(tǒng)頻率失穩(wěn)、切負(fù)荷等問題［4-5］。因此，研究風(fēng)電功率爬坡事件作用下的系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評估模型和方法，實(shí)現(xiàn)含風(fēng)電電力系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警是至關(guān)重要的。

風(fēng)電功率爬坡事件對電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)影響的評估需要以爬坡預(yù)測信息為依據(jù)，針對爬坡事件的預(yù)測方法國內(nèi)外已有相關(guān)研究［6-8］，受預(yù)測水平限制，爬坡預(yù)測系統(tǒng)提前6 h只能給出概率性預(yù)測結(jié)果且精度較低；小時(shí)前的爬坡預(yù)測結(jié)果精度相對較高，但受常規(guī)機(jī)組有功調(diào)節(jié)速度及最小啟動(dòng)時(shí)間限制，難以采取相應(yīng)的控制措施來維持爬坡事件發(fā)生過程中的有功平衡［4］。

針對風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)有功平衡的影響，文獻(xiàn)［9］將風(fēng)電場可用容量的概率分布與可用風(fēng)能的概率分布相結(jié)合，計(jì)算出風(fēng)電場輸出功率的概率分布，并據(jù)此評估了風(fēng)電場接入對系統(tǒng)可靠性的影響。文獻(xiàn)［10］在考慮負(fù)荷變化、常規(guī)機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)率和風(fēng)電功率波動(dòng)的情況下對系統(tǒng)調(diào)峰充裕性進(jìn)行了評估，有效反映了風(fēng)電接入容量對系統(tǒng)有功調(diào)節(jié)容量需求的影響，但評估過程中未考慮常規(guī)機(jī)組有功調(diào)節(jié)速率對評估結(jié)果的影響。文獻(xiàn)［11］在綜合考慮風(fēng)電功率波動(dòng)特性、負(fù)荷波動(dòng)以及常規(guī)機(jī)組調(diào)節(jié)容量及速率的基礎(chǔ)上對風(fēng)電隨機(jī)波動(dòng)影響下系統(tǒng)執(zhí)行調(diào)度計(jì)劃過程中的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評估。與常規(guī)風(fēng)電功率隨機(jī)波動(dòng)不同，爬坡事件具有較強(qiáng)的時(shí)序特性，表現(xiàn)為風(fēng)電功率 30 min～5 h的持續(xù)單向變化［12］，上述研究集中在風(fēng)功率的統(tǒng)計(jì)特性對含風(fēng)電電力系統(tǒng)的有功調(diào)節(jié)充裕性的影響，常規(guī)風(fēng)電功率波動(dòng)在不同時(shí)段間無關(guān)聯(lián)，研究中評估時(shí)段間相互獨(dú)立，難以適用于爬坡事件作用下系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評估過程。爬坡事件作用下系統(tǒng)有功不平衡量是風(fēng)電功率爬坡和常規(guī)機(jī)組計(jì)劃外停運(yùn)共同作用的結(jié)果［4］，兩者之間相互獨(dú)立，且相互之間的時(shí)序關(guān)系對評估結(jié)果有較大影響。傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評估模型中，常規(guī)機(jī)組停運(yùn)概率通常取定值，文獻(xiàn)［13］考慮了常規(guī)機(jī)組停運(yùn)概率的時(shí)間相關(guān)性，提高了發(fā)電計(jì)劃風(fēng)險(xiǎn)評估的準(zhǔn)確性，但評估過程中未對常規(guī)機(jī)組的停運(yùn)時(shí)刻加以區(qū)分，無法考慮其對常規(guī)機(jī)組有功調(diào)節(jié)速率的要求。

為便于調(diào)度人員針對風(fēng)電功率爬坡事件采取相應(yīng)預(yù)防控制措施，本文提出了考慮時(shí)序特性的風(fēng)電爬坡事件風(fēng)險(xiǎn)評估模型，分析了爬坡事件對系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的影響程度，并通過算例對所提模型有效性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 風(fēng)電功率爬坡事件風(fēng)險(xiǎn)評估原理

與常規(guī)風(fēng)電出力波動(dòng)不同，風(fēng)電功率爬坡事件由極端氣象條件引起，一旦發(fā)生將持續(xù)多個(gè)時(shí)段，且爬坡過程中時(shí)段之間相互關(guān)聯(lián)。選取爬坡事件的開始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和爬坡量作為爬坡事件的狀態(tài)表征量，受預(yù)測水平限制，爬坡事件預(yù)測結(jié)果具有較強(qiáng)的不確定性，體現(xiàn)為風(fēng)電爬坡事件的各個(gè)表征量的不確定性?；诜切蜇灻商乜_模擬法的風(fēng)電功率爬坡事件模型及與之相適應(yīng)的常規(guī)機(jī)組停運(yùn)模型如下所示。

1.1 風(fēng)電功率爬坡事件模型

風(fēng)電功率爬坡事件包括正爬坡和負(fù)爬坡，正爬坡可通過風(fēng)機(jī)減載和停運(yùn)加以控制，對系統(tǒng)影響較小。本文只考慮風(fēng)電功率發(fā)生負(fù)爬坡的情況。爬坡事件日前預(yù)測精度較低，電網(wǎng)日前調(diào)度計(jì)劃所依據(jù)的風(fēng)電出力曲線由常規(guī)預(yù)測方法得出［4］。

在風(fēng)電功率爬坡事件的建模過程中，忽略爬坡事件發(fā)生過程中的小幅功率波動(dòng)，假設(shè)爬坡事件發(fā)生前和結(jié)束后，風(fēng)電場預(yù)測出力與日前預(yù)測結(jié)果一致。綜上所述，建立風(fēng)電爬坡事件時(shí)序模型，如式（1）所示。

其中，Ts為爬坡事件的開始時(shí)間；Td為爬坡事件的持續(xù)時(shí)間；Pamp為爬坡事件的幅值，其反映了極端氣象事件的影響范圍，為更為直觀地反映爬坡事件嚴(yán)重程度，本文將 Pamp用 0～100% 表示；PW（t）和 PW，0（t）分別為 t時(shí)刻的風(fēng)電場實(shí)際出力和日前預(yù)測值；ΔPW，err（t）為t時(shí)刻風(fēng)電功率預(yù)測誤差，本文通過抽樣得出。

風(fēng)電功率爬坡事件預(yù)測結(jié)果通常用概率分布來表示［8］，爬坡事件的 3 個(gè)表征量 Ts、Td和 Pamp的概率分布分別為 p（Ts）、p（Td）和 p（Pamp），3 個(gè)表征量的期望及概率分布由風(fēng)電爬坡事件預(yù)測系統(tǒng)提供。3個(gè)表征量相互獨(dú)立，模擬風(fēng)電功率爬坡事件時(shí)需對3個(gè)表征量按照相應(yīng)的概率分布分別進(jìn)行抽樣。

1.2 考慮時(shí)序特性的常規(guī)機(jī)組停運(yùn)模型

調(diào)度計(jì)劃執(zhí)行過程中發(fā)電機(jī)可能需要多次投入或退出運(yùn)行，因此，發(fā)電機(jī)可靠性參數(shù)除與時(shí)間有關(guān)外還與投運(yùn)成功率有關(guān)。常規(guī)機(jī)組的修復(fù)時(shí)間一般大于風(fēng)險(xiǎn)評估周期（本文取24 h），可將常規(guī)機(jī)組看作不可修復(fù)元件。機(jī)組i在t時(shí)刻處于停運(yùn)狀態(tài)的概率 pi（t）如式（2）所示［13］，等號(hào)右端第一項(xiàng)為機(jī)組投運(yùn)失敗的概率，第二項(xiàng)為機(jī)組投運(yùn)成功的情況下在t時(shí)刻處于停運(yùn)狀態(tài)的概率。

其中，pi，UP和 λi分別為機(jī)組i的啟動(dòng)成功率和故障率；Δti為截止到 t時(shí)刻機(jī)組 i的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間；ti，on和ti，off分別為機(jī)組i的計(jì)劃啟動(dòng)和停運(yùn)時(shí)刻。

常規(guī)機(jī)組停運(yùn)與風(fēng)電出力爬坡事件相互獨(dú)立，兩者同時(shí)發(fā)生時(shí)對系統(tǒng)的影響最大，風(fēng)險(xiǎn)評估過程中應(yīng)考慮常規(guī)機(jī)組停運(yùn)與風(fēng)電功率爬坡事件的時(shí)序關(guān)系。因此，適用于風(fēng)電功率爬坡事件風(fēng)險(xiǎn)評估過程的常規(guī)機(jī)組停運(yùn)模型應(yīng)同時(shí)包含停運(yùn)時(shí)刻和停運(yùn)概率2個(gè)表征量。模擬常規(guī)機(jī)組停運(yùn)過程時(shí)需對常規(guī)機(jī)組可能停運(yùn)時(shí)刻和該時(shí)刻的停運(yùn)情況分別進(jìn)行抽樣，抽樣過程中兩者所遵循的概率分布分別如式（3）和（4）所示。

其中，ti為機(jī)組 i的可能停運(yùn)時(shí)刻；p′i（ti）的物理意義為若機(jī)組i在投運(yùn)后發(fā)生停運(yùn)，則停運(yùn)事件發(fā)生在ti時(shí)刻的概率；p″i（ti）為機(jī)組 i在 ti時(shí)刻的等效停運(yùn)概率；λ′i為機(jī)組 i的等效故障率。

機(jī)組i的等效故障率λ′i的構(gòu)造原理如下：假設(shè)抽樣次數(shù)為N，按式（2），機(jī)組i在ti時(shí)刻處于停運(yùn)狀態(tài)的樣本數(shù)為 Ni=Npi（ti）；在考慮機(jī)組停運(yùn)時(shí)刻后，N次抽樣中機(jī)組 i投運(yùn)失敗的樣本數(shù)為 Ni，1=Np″i（ti，on），投運(yùn)成功的前提下，機(jī)組i在ti時(shí)刻處于停運(yùn)狀態(tài)的樣本數(shù) Ni，2如式（5）所示，數(shù)值上應(yīng)等于 Ni-Ni，1，由此得到λi′。

常規(guī)機(jī)組停運(yùn)狀態(tài)模擬過程為：首先抽樣ti，on時(shí)刻機(jī)組 i運(yùn)行狀態(tài)表征量 ui（ti，on）（正常運(yùn)行時(shí)為 1，否則為 0），若 ui（ti，on）為 1，抽樣得到 ti，然后按式（4）中的 p″i（ti）抽樣 ti時(shí)刻機(jī)組 i的運(yùn)行狀態(tài) ui（ti）；對于在評估周期一開始便處于運(yùn)行狀態(tài)的機(jī)組則可直接抽樣得出 ti及 ui（ti）。

1.3 運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

風(fēng)電功率爬坡事件以及常規(guī)機(jī)組停運(yùn)均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)有功出力大幅變化，反映在電網(wǎng)側(cè)為系統(tǒng)頻率變化，當(dāng)系統(tǒng)頻率偏差超過限值且持續(xù)一段時(shí)間無法恢復(fù)時(shí)會(huì)引起低頻減載裝置動(dòng)作。為準(zhǔn)確分析風(fēng)電功率爬坡事件對系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的影響程度，便于調(diào)度人員根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)可接受程度（頻率越限、失負(fù)荷等）采取相應(yīng)控制措施。本文采用頻率越限次數(shù)期望ENFO（Expected Number of Frequency Off-limits）和電力不足期望EENS（Expected Energy Not Supplied）作為風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，如式（6）、（7）所示［14］。

其中，ENFO和EENS分別為頻率越限次數(shù)和電力不足期望；K 為蒙特卡羅抽樣次數(shù)；T 為評估周期；IFO，k（t）為第k次抽樣t時(shí)刻系統(tǒng)頻率越限標(biāo)識(shí)，發(fā)生頻率越限或失負(fù)荷時(shí)取 1，否則為 0；ENS，k（t）為第 k 次抽樣 t時(shí)刻系統(tǒng)失負(fù)荷量。

1.4 約束條件

（1）有功平衡約束：

其中，PW（t）和 PG，i（t）分別為 t時(shí)刻風(fēng)電場和常規(guī)機(jī)組 i的有功出力；PL（t）為 t時(shí)刻負(fù)荷功率。

（2）發(fā)電機(jī)輸出功率約束：

其中，PG，i，min和 PG，i，max分別為常規(guī)機(jī)組 i的最小和最大輸出功率。

（3）常規(guī)機(jī)組爬坡速率約束：

其中，Ri，s為機(jī)組 i的輸出功率改變速率（MW/min）；t1為一個(gè)評估時(shí)段。

2 爬坡事件作用下系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算過程

2.1 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的求取

爬坡事件作用下系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估過程中第k次蒙特卡羅抽樣所需變量為：爬坡事件表征量（Ts，Td，Pamp）、未發(fā)生爬坡事件時(shí)刻的風(fēng)電出力預(yù)測誤差ΔPW，err（t）和各常規(guī)機(jī)組停運(yùn)狀態(tài)表征量

本文以15 min作為一個(gè)評估時(shí)段，評估周期為24 h。風(fēng)電功率爬坡事件與常規(guī)機(jī)組停運(yùn)均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率下降，需要常規(guī)機(jī)組增出力以滿足有功平衡，與t時(shí)段相比，t+1時(shí)段系統(tǒng)有功調(diào)節(jié)容量需求dPr（t+1）和可調(diào)容量上限 dPup（t+1）分別如式（11）、（12）所示，其中 t1取 15 min。

風(fēng)電功率爬坡事件會(huì)持續(xù)多個(gè)評估時(shí)段，在爬坡事件和常規(guī)機(jī)組停運(yùn)共同作用下，為保證系統(tǒng)有功平衡，正常運(yùn)行狀態(tài)下的常規(guī)機(jī)組出力會(huì)大幅偏離計(jì)劃值。 由式（11）、（12），對 t+1 時(shí)段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估時(shí)除需確定風(fēng)電和負(fù)荷功率外，還需確定t時(shí)段結(jié)束后各常規(guī)機(jī)組的實(shí)際出力。為更為客觀地反映爬坡事件作用下系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)水平，并避免調(diào)度人員主觀經(jīng)驗(yàn)對評估結(jié)果的影響，本文不考慮再調(diào)度過程。調(diào)度時(shí)段內(nèi)，常規(guī)機(jī)組（假設(shè)均為AGC機(jī)組，即可提供備用容量）除執(zhí)行調(diào)度指令外，還需通過響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化的方式分配系統(tǒng)有功不平衡量，下面分2種情況描述t時(shí)段結(jié)束后各常規(guī)機(jī)組出力求取原理。

（1）dPr（t）≤dPup（t），此時(shí) t1時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)可調(diào)容量滿足有功調(diào)節(jié)需求，該時(shí)段各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)均為0。各常規(guī)機(jī)組按照固定的參與因子分配系統(tǒng)有功不平衡量［15］，其原理如式（13）所示。

其中，PG，i，ref（t）和 P′G，i（t）分別為 t時(shí)段機(jī)組 i出力計(jì)劃值和考慮AGC調(diào)節(jié)作用時(shí)的目標(biāo)出力；dPref（t）為忽略負(fù)荷預(yù)測誤差情況下常規(guī)機(jī)組需比計(jì)劃增發(fā)的總功率；αi為機(jī)組 i參與因子；ui，0（t）為 t時(shí)段機(jī)組 i的計(jì)劃運(yùn)行狀態(tài)。

然后，校驗(yàn)式（13）所得結(jié)果是否滿足爬坡和出力限值約束，若滿足，則 PG，i（t）=P′G，i（t）；若 P′G，i（t）不滿足上爬坡或出力上限約束，則 PG，i（t）如式（14）所示，并將越限量 P′G，i（t）-PG，i（t）分配至其他機(jī)組，直到所有機(jī)組滿足約束。

（2）dPr（t）＞dPup（t），此時(shí)各常規(guī)機(jī)組出力如式（14）所示，對應(yīng)的系統(tǒng)功率缺額 ΔP（t）=dPr（t）-dPup（t），常規(guī)機(jī)組調(diào)節(jié)能力已達(dá)到上限，系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生頻率越限或失負(fù)荷［16］。本文采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型估計(jì)系統(tǒng)頻率偏差［17］，系統(tǒng)頻率偏差 Δf估計(jì)值如式（15）所示，當(dāng)Δf超過限值 Δflim時(shí) IFO，k（t）取 1，并在頻率低于 fL，shed（低頻減載裝置動(dòng)作頻率）時(shí)計(jì)算減載量ENS，k（t）［13，17］。

其中，fN為系統(tǒng)額定頻率；KL為負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)；PLN（t）為t時(shí)段系統(tǒng)在額定頻率下的負(fù)荷功率。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評估流程

上節(jié)描述了風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的求取原理，風(fēng)險(xiǎn)評估的具體步驟如下。

a.輸入常規(guī)機(jī)組出力計(jì)劃、風(fēng)電和負(fù)荷日前預(yù)測曲線。

b.輸入爬坡事件預(yù)測結(jié)果：Ts、Td和Pamp的概率分布。

c.抽樣得到風(fēng)電出力爬坡事件表征量和未發(fā)生爬坡事件時(shí)刻的風(fēng)電出力預(yù)測誤差，并據(jù)此得到風(fēng)電出力曲線。

d.抽樣得到常規(guī)機(jī)組停運(yùn)狀態(tài)表征量。

e.求取本次抽樣的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和

f.返回步驟c，進(jìn)行下一次抽樣計(jì)算，直到滿足誤差允許范圍或達(dá)到迭代次數(shù)限值。

前面描述了風(fēng)電功率爬坡事件作用下系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評估的過程，具體流程如圖1所示。

圖1 風(fēng)電功率爬坡事件風(fēng)險(xiǎn)評估流程Fig.1 Flowchart of risk assessment for wind power ramp event

3 算例分析

采用IEEE RTS 24節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)來驗(yàn)證本文模型，模型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該系統(tǒng)總裝機(jī)容量為3405 MW，負(fù)荷峰值為2850 MW。將系統(tǒng)中26號(hào)機(jī)組替換為一容量400MW的風(fēng)電場，風(fēng)電滲透率約為15%。常規(guī)機(jī)組參數(shù)、負(fù)荷數(shù)據(jù)以及日發(fā)電計(jì)劃取自文獻(xiàn)［18-19］，系統(tǒng)中低頻減載裝置參數(shù)設(shè)定取自文獻(xiàn)［13］。假設(shè)風(fēng)電功率爬坡事件開始時(shí)間在0～24 h內(nèi)服從均勻分布（電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中可通過風(fēng)電功率爬坡事件預(yù)測系統(tǒng)得到），爬坡持續(xù)時(shí)間和爬坡量采用文獻(xiàn)［12］中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，風(fēng)電出力數(shù)據(jù)來源于山東某風(fēng)電場日前預(yù)測數(shù)據(jù)。

圖2 含風(fēng)電場的測試系統(tǒng)Fig.2 Test system with wind farm

3.1 常規(guī)機(jī)組停運(yùn)模型有效性分析

為驗(yàn)證本文所提模型有效性，對傳統(tǒng)的單時(shí)段風(fēng)險(xiǎn)評估方法（各評估時(shí)段之間相互獨(dú)立，常規(guī)機(jī)組停運(yùn)概率參照式（2））和本文所提考慮時(shí)序特性的風(fēng)險(xiǎn)評估方法分別進(jìn)行仿真分析，仿真過程中風(fēng)電和負(fù)荷曲線均取日前預(yù)測值，2種不同的評估方法計(jì)算結(jié)果如圖3、4和表1所示，圖中括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)表示相應(yīng)曲線所對應(yīng)縱坐標(biāo)需乘以的系數(shù)，后同。

圖3 單時(shí)段風(fēng)險(xiǎn)評估方法計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculated results by single-period risk assessment method

圖4 考慮時(shí)序特性的風(fēng)險(xiǎn)評估方法計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculated results by risk assessment method considering time-sequence characteristics

表1 不同風(fēng)險(xiǎn)評估方法結(jié)果對比（Pamp=0）Table 1 Comparison of simulative results between risk assessment methods（Pamp=0）

從圖3、4和表1可以看出，在無風(fēng)電功率爬坡事件發(fā)生情況下，本文所提考慮時(shí)序特性的風(fēng)險(xiǎn)評估方法與傳統(tǒng)單時(shí)段風(fēng)險(xiǎn)評估方法結(jié)果基本一致，證明了本文所提模型的有效性。

3.2 爬坡事件與常規(guī)機(jī)組停運(yùn)之間的時(shí)序關(guān)系對評估結(jié)果的影響分析

假設(shè)（Ts，Td，Pamp）取值為（7，2.5，50%），選擇 19號(hào)機(jī)組為測試機(jī)組，除19號(hào)機(jī)組外其他機(jī)組均不發(fā)生計(jì)劃外停運(yùn)，19號(hào)機(jī)組停運(yùn)時(shí)刻分別為1～24 h時(shí)計(jì)算系統(tǒng)的ENFO和EENS，結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，常規(guī)機(jī)組停運(yùn)發(fā)生在1～6 h時(shí)，無失負(fù)荷或頻率越限情況發(fā)生，而停運(yùn)事件發(fā)生在時(shí)段7～9.5 h時(shí)，系統(tǒng)存在較大的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)電vs.generator outage time機(jī)停運(yùn)發(fā)生在第6 h或第7 h時(shí)，在第7 h處于運(yùn)行狀態(tài)的常規(guī)機(jī)組需比計(jì)劃值增發(fā)的總功率是相同的，而在第7～9.5 h，常規(guī)機(jī)組在應(yīng)對負(fù)荷增加和風(fēng)電功率爬坡事件所造成的有功缺額過程中，有功出力調(diào)節(jié)速率已接近上限，但距離最大輸出功率（額定功率）仍有較大裕度，在無常規(guī)機(jī)組停運(yùn)情況下，不發(fā)生失負(fù)荷；若發(fā)生常規(guī)機(jī)組停運(yùn)，則大幅增加了常規(guī)機(jī)組有功調(diào)節(jié)速率需求，造成失負(fù)荷。若常規(guī)機(jī)組停運(yùn)發(fā)生在爬坡事件之前，在爬坡事件發(fā)生時(shí)，常規(guī)機(jī)組停運(yùn)所造成的有功缺額已由系統(tǒng)備用所補(bǔ)償，未增加爬坡事件發(fā)生過程中的常規(guī)機(jī)組有功出力調(diào)節(jié)速率需求，且由于可調(diào)容量充足，無失負(fù)荷情況發(fā)生。當(dāng)常規(guī)機(jī)組停運(yùn)發(fā)生在爬坡事件結(jié)束之后時(shí)（10～24 h），無失負(fù)荷情況發(fā)生。

圖5 系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)隨機(jī)組停運(yùn)時(shí)刻的變化曲線Fig.5 Curves of system risk index

假設(shè)19號(hào)機(jī)組在各評估時(shí)段停運(yùn)概率均為10-4，爬坡事件表征量（Ts，Td，Pamp）仍?。?，2.5，50%），分別采用單時(shí)段風(fēng)險(xiǎn)評估方法和本文所提考慮時(shí)序特性的風(fēng)險(xiǎn)評估方法評估系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果如圖6、7和表2所示。

圖6 單時(shí)段風(fēng)險(xiǎn)評估方法計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculated results by single-period risk assessment method

圖7 考慮時(shí)序特性的風(fēng)險(xiǎn)評估方法計(jì)算結(jié)果Fig.7 Calculated result by risk assessment method considering time-sequence characteristics

表2 不同風(fēng)險(xiǎn)評估方法結(jié)果對比（Pamp=50%）Table 2 Comparison of simulative results between risk assessment methods（Pamp=50%）

對比圖6、7和表2可以看出，爬坡事件發(fā)生情況下，單時(shí)段評估方法計(jì)算結(jié)果明顯大于考慮時(shí)序特性的風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果，原因如下：在抽樣次數(shù)足夠多的情況下，2種方法抽樣得出的19號(hào)機(jī)組在各時(shí)段處于停運(yùn)狀態(tài)的樣本數(shù)相同，其他機(jī)組有功出力調(diào)節(jié)目標(biāo)也相同（如式（13）所示），即與計(jì)劃值相比，處于正常運(yùn)行狀態(tài)的機(jī)組所需增發(fā)的總功率包括常規(guī)機(jī)組停運(yùn)和風(fēng)電功率爬坡所造成的功率缺額。但2種方法在計(jì)算各時(shí)段風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)時(shí)所參照的有功調(diào)節(jié)需求不同。以第9 h為例，單時(shí)段風(fēng)險(xiǎn)評估方法不考慮時(shí)段之間的關(guān)聯(lián)性，計(jì)算有功調(diào)節(jié)需求時(shí)以計(jì)劃值為基準(zhǔn)，抽樣第9 h處于停運(yùn)狀態(tài)的樣本時(shí)所參照的概率分布（式（2））包含了第9 h之前出現(xiàn)常規(guī)機(jī)組停運(yùn)的概率（式（2）為處于停運(yùn)狀態(tài)的概率，而不是在該時(shí)段發(fā)生停運(yùn)的概率），增大了評估過程中常規(guī)機(jī)組停運(yùn)與爬坡事件同時(shí)發(fā)生的樣本數(shù)；再者，單時(shí)段評估方法所參照的爬坡事件所造成的有功缺額為而實(shí)際上在第9 h由爬坡事件所造成的有功沖擊為?（第 8h 到第 9h 之間爬坡量），dPW，1明顯大于 dPW，2。

3.3 爬坡事件作用下系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析

風(fēng)電功率的爬坡幅值代表了爬坡事件的嚴(yán)重程度，不同的爬坡幅值作用下，計(jì)算測試系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)ENFO和EENS，結(jié)果如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)隨爬坡幅值的變化曲線Fig.8 Curves of system risk index vs.ramp amplitude

從圖8中可以看出，在Pamp＜30%時(shí)，系統(tǒng)各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)基本不變，原因是，此時(shí)系統(tǒng)備用容量較為充足。隨著Pamp繼續(xù)增大，ENFO先開始明顯增加，原因是系統(tǒng)內(nèi)常規(guī)機(jī)組雖然在某些時(shí)段出現(xiàn)調(diào)節(jié)能力不足的情況，但還不足以觸發(fā)低頻減載。在Pamp大于45%左右時(shí)，EENS開始增加，且增加的速率明顯大于ENFO，原因是在發(fā)生失負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)各機(jī)組的調(diào)節(jié)能力已達(dá)到限值，此時(shí)，EENS會(huì)隨Pamp的增大而迅速增大；而ENFO最大值要小于爬坡事件影響的時(shí)段數(shù)。

為進(jìn)一步分析系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀態(tài)下，風(fēng)電功率爬坡事件對系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的影響，計(jì)算Pamp取值為100%時(shí)系統(tǒng)各時(shí)段風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，圖9為系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)變化曲線。

圖9 Pamp為100%時(shí)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的變化曲線Fig.9 Curves of system risk index for Pamp=100%

從圖4和圖9中可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)變化趨勢與負(fù)荷水平總體相同。如在負(fù)荷水平較低的時(shí)段第1～5 h，對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)水平較低；而在負(fù)荷水平較高的時(shí)段第10～20 h，系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)水平較高，原因是負(fù)荷水平較高時(shí)系統(tǒng)內(nèi)常規(guī)機(jī)組出力水平較高，可用上調(diào)容量相對較小。負(fù)荷水平相同的情況下，系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)也有所差異，如第24 h與第1～2 h負(fù)荷水平差別不大，且計(jì)劃投運(yùn)的機(jī)組完全相同，但第24 h風(fēng)險(xiǎn)水平要高于第1～2 h，原因是常規(guī)機(jī)組在第24 h處于停運(yùn)狀態(tài)的概率要高于第1～2 h，相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)水平較高。

由于仿真中對風(fēng)電功率爬坡事件開始時(shí)間進(jìn)行抽樣時(shí)采用的是均勻分布，圖9中各時(shí)刻發(fā)生爬坡事件的樣本數(shù)相同。在負(fù)荷曲線、常規(guī)機(jī)組停運(yùn)率以及日發(fā)電計(jì)劃確定的情況下，爬坡事件開始時(shí)間不同，對系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的影響存在較大差異。各時(shí)段系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)水平除與負(fù)荷水平相關(guān)外，還與負(fù)荷變化方向有關(guān)。當(dāng)爬坡事件與負(fù)荷攀升同時(shí)發(fā)生時(shí)，如時(shí)段第8～11 h，爬坡事件對系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)水平的影響尤為明顯，原因是當(dāng)爬坡事件與負(fù)荷攀升同步時(shí)，兩者作用疊加，增大了凈負(fù)荷變化量、變化速率以及系統(tǒng)備用需求，造成系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的增大，該場景與美國德克薩斯州電網(wǎng)2007年和2008年發(fā)生的2次造成嚴(yán)重影響的風(fēng)電爬坡事件相類似［3-4］。當(dāng)爬坡事件與負(fù)荷下降過程同時(shí)發(fā)生時(shí)，對系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的影響較小，如時(shí)段第22～24 h，原因是當(dāng)爬坡事件與負(fù)荷下降過程同步時(shí)，風(fēng)電功率與負(fù)荷同步下降，兩者作用抵消，凈負(fù)荷變化量較小，相應(yīng)的備用需求較小。

4 結(jié)論

本文提出一種風(fēng)電功率爬坡事件作用下考慮時(shí)序特性的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型，通過對常規(guī)機(jī)組可能停運(yùn)時(shí)間和運(yùn)行狀態(tài)分別進(jìn)行抽樣，考慮了爬坡事件與常規(guī)機(jī)組間的時(shí)序關(guān)系對評估結(jié)果的影響。評估過程中考慮時(shí)段之間的關(guān)聯(lián)性，在計(jì)及低頻減載及AGC調(diào)節(jié)作用的基礎(chǔ)上通過頻率越限次數(shù)期望和失負(fù)荷的期望對系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評估，量化了爬坡事件對系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的影響程度，可為調(diào)度人員根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)接受程度采取預(yù)防控制措施提供指導(dǎo)，具有實(shí)際應(yīng)用參考價(jià)值。

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