電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性電源規(guī)劃PPT課件

1、第1頁/共97頁華北電力大學(xué)第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 一、電源結(jié)構(gòu) 二、 各類發(fā)電站的特性 三、 電力電量平衡第2頁/共97頁華北電力大學(xué)一、電源結(jié)構(gòu)一、電源結(jié)構(gòu) 電源結(jié)構(gòu)就是指在電力系統(tǒng)中各種類型的電廠之間的發(fā)展比例。 電力系統(tǒng)電源電力系統(tǒng)電源凝汽式燃煤火電廠凝汽式燃煤火電廠熱電熱電廠廠水電水電廠廠常規(guī)電源常規(guī)電源新興電源新興電源抽水抽水蓄能水電站蓄能水電站地?zé)岬責(zé)岢毕娬境毕娬撅L(fēng)能風(fēng)能核能電站核能電站第3頁/共97頁華北電力大學(xué)影響電源結(jié)構(gòu)的因素影響電源結(jié)構(gòu)的因素 受各地區(qū)動力資源儲量及開發(fā)條件等制約。 電力系統(tǒng)中電、熱負(fù)荷增長速度和分布情況對各種資源的開發(fā)有很大影響。 各種電源本身的技術(shù)

2、經(jīng)濟指標(biāo)的影響。 第4頁/共97頁華北電力大學(xué)確定合理的電源結(jié)構(gòu)的原則和做法確定合理的電源結(jié)構(gòu)的原則和做法在確定電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該遵循我國電力建設(shè)的有關(guān)方針政策，在以煤炭為基礎(chǔ)的常規(guī)能源中，優(yōu)先發(fā)展水電，核電積極起步和建設(shè)的方針。大力發(fā)展可再生能源。電源規(guī)劃中，合理的選擇各類電源的做法：電源規(guī)劃中，合理的選擇各類電源的做法： 根據(jù)負(fù)荷預(yù)測的結(jié)果，確定各規(guī)劃水平年電力系統(tǒng)所需要的總裝機容量； 根據(jù)規(guī)劃區(qū)內(nèi)動力資源情況和負(fù)荷分布情況、可能發(fā)展速度及增長需要，選擇具備建主電廠條件的電廠廠址。 要優(yōu)先確定下那些具有防洪、灌溉、航運等綜合利用的水利樞紐用來發(fā)電的容量，對于現(xiàn)有的有條件擴建的電廠，應(yīng)

3、在技術(shù)經(jīng)濟比較的基礎(chǔ)上確定其合理的擴建規(guī)模；以及根據(jù)熱負(fù)荷情況確定的熱電廠的容量。第5頁/共97頁華北電力大學(xué)合理確定各種電廠在系統(tǒng)工作中的地位合理確定各種電廠在系統(tǒng)工作中的地位由于各類電廠的工作特性不同，因而他們在日負(fù)荷曲線上所承擔(dān)的任務(wù)也不同。我們將電源也對應(yīng)的分為三類即承擔(dān)基荷的電源、承擔(dān)腰荷的電源以及承擔(dān)峰荷的電源。 第6頁/共97頁華北電力大學(xué)峰荷電源 腰荷電源（1）抽水蓄能水電 （6）不完全年調(diào)節(jié)水電（2）燃氣輸機組 （7）經(jīng)濟性較高的火電（3）日調(diào)節(jié)水電（4）多年調(diào)節(jié)水電（5）不經(jīng)濟火電（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（8）（9）（10）（11）P6121824t

4、(h)0各類電源在負(fù)荷曲線中的工作位置基荷電源（8）經(jīng)濟性較高的火電 （9）熱電廠（10）核能電廠 （11）徑流式水電第7頁/共97頁華北電力大學(xué)二二 、各類發(fā)電站的特性、各類發(fā)電站的特性 按照發(fā)電站的工作狀況，可以分為：基荷發(fā)電站：核電站、大型凝汽式電站、徑流式水電站等；腰荷發(fā)電站：中型凝汽式電站，部分水電站；峰荷發(fā)電站：水電站、抽水蓄能電站、小型凝汽式電站、燃汽輪機電站等。第8頁/共97頁華北電力大學(xué)1、火電站、火電站火電站火電站背壓式機組背壓式機組抽壓式機組抽壓式機組凝氣式火電站凝氣式火電站（燃煤式火電站）（燃煤式火電站）供熱式火電站供熱式火電站（熱電站）（熱電站）出力穩(wěn)定、最小出力限制

5、40-80%啟動時長，出力調(diào)節(jié)慢跟蹤速率1%-5%。額定容量是經(jīng)濟性好。盡可能承擔(dān)穩(wěn)定負(fù)荷，必要時可參與調(diào)峰，并可參與二次調(diào)頻。無熱負(fù)荷不發(fā)電，以熱定電；主要向電力用戶和工業(yè)企業(yè)低通低壓蒸汽與凝汽式相似，中間可抽氣1-2次，抽氣量可調(diào)，不供熱時與凝汽式運行特性一致。第9頁/共97頁華北電力大學(xué)2. 燃氣輪機發(fā)電廠燃氣輪機發(fā)電廠 主要設(shè)備有燃氣輪機、燃燒室、發(fā)電機燃料噴嘴射泵、各種換熱器和冷卻裝置。燃料與壓縮空氣在燃燒室內(nèi)混合、燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓燃氣經(jīng)燃氣噴嘴變成告訴氣流推動葉輪轉(zhuǎn)動驅(qū)動發(fā)電機，做功后的燃氣經(jīng)煙囪排入大氣。 設(shè)備簡單、占地少、基建時間短、造價低；污染少，噪聲輕。 燃亮為液體或氣

6、體，價格高，因此發(fā)電成本高，電價高。 在無外電源的情況下可迅速冷態(tài)啟動，一般2-2-分鐘可滿載并網(wǎng)，因此廣泛用于承擔(dān)電網(wǎng)高峰負(fù)荷和做事故備用。第10頁/共97頁華北電力大學(xué)3、常規(guī)水電廠、常規(guī)水電廠1）壩式（見圖3-1-5）壩后式水電站：廠房建在壩下游，不承受上游水壓，高壩劉家峽、豐滿河床式水電站：廠房成為擋水建筑的一部分，低壩獲取水頭富春江、葛洲壩圖3-1-5 壩式水電站(a)壩式水電站 (b)河床式水電站1抬高后的水位；2原河；3壩；4廠房水力發(fā)電是利用天然水流的水能來生產(chǎn)電能，其發(fā)電功率與河流的落差及流量有關(guān)。根據(jù)開發(fā)河段的水文、地形、地質(zhì)等自然條件，水電站可分為以下三類 u壩式水電站往

7、往形成較大的水庫，因而能進行流量調(diào)節(jié)（徑流調(diào)節(jié)）。發(fā)電出力能比較好地符合電力系統(tǒng)的要求u當(dāng)不能形成徑流調(diào)節(jié)所需的較大水庫時，則只能按天然流量發(fā)電，稱為徑流式水電站。 第11頁/共97頁華北電力大學(xué)圖3-1-6 引水式水電站(a)無壓引水式水電站 (b) 有壓引水式水電站1引水道；2原河；3能坡線；4廠房2）引水式（見圖3-1-6）無壓引水式水電站：沿岸修筑坡降平緩的明渠或無壓隧道來集中落差有壓引水式水電站：用有壓隧道或管道來集中落差引水式水電站不會形成水庫，多為徑流式水電站天生橋水電站位于廣西隆林各族自治縣原祥播鄉(xiāng)、椏杈鎮(zhèn)與貴州省安龍縣德臥鎮(zhèn)接壤處南盤江的雷公灘段峽谷上。第12頁/共97頁華北

8、電力大學(xué)圖3-1-7 混合式水電站1壩；2引水道；3廠房；4能坡線大部分混合式水電站可以進行徑流調(diào)節(jié)。 河段ABC有落差HAC。BC段上不宜建壩，但落差HBC可以利用。獅子灘水電站位于重慶市長壽區(qū)長壽湖鎮(zhèn)。建在新中國第一條梯級開發(fā)的河流-龍溪河，是我國第一個五年計劃重點建設(shè)項目。由蘇聯(lián)支援建設(shè)。電站興建于1954年,建成于1957年。第一臺機組于1956年10月1日并網(wǎng)發(fā)電,電站原裝有4臺單機容量為12MW的水輪發(fā)電機組，設(shè)計年均發(fā)電量為2.06億kWh。第13頁/共97頁華北電力大學(xué)圖3-1-7 混合式水電站1壩；2引水道；3廠房；4能坡線通常建在落差過大或淹沒損失過多的河流，或技術(shù)經(jīng)濟不合

9、適集中開發(fā)時采用。獅子灘水電站位于重慶市長壽區(qū)長壽湖鎮(zhèn)。建在新中國第一條梯級開發(fā)的河流-龍溪河，是我國第一個五年計劃重點建設(shè)項目。由蘇聯(lián)支援建設(shè)。電站興建于1954年,建成于1957年。第一臺機組于1956年10月1日并網(wǎng)發(fā)電,電站原裝有4臺單機容量為12MW的水輪發(fā)電機組，設(shè)計年均發(fā)電量為2.06億kWh。第14頁/共97頁華北電力大學(xué)水電站的運行特性水電站的運行特性水電站最突出的運行特性是其出力和發(fā)電量隨天然徑流量的情況而變化。水電站有時還可能由于水頭太低，使水輪發(fā)電機達不到其額定出力。 水電站的另一特點是啟停機迅速方便。 水電站適合在電力系統(tǒng)擔(dān)任調(diào)峰和調(diào)頻任務(wù)。 水電站的運行費用幾乎與生

10、產(chǎn)的電量無關(guān)。 第15頁/共97頁華北電力大學(xué)水電站的容量水電站的容量裝機容量重復(fù)容量：水電廠為了利用季節(jié)性電能，節(jié)省火點燃了二額外增加的裝機容量，這部分容量只在豐水期發(fā)電，其余時間不能利用。不參與電力平衡。預(yù)想出力：由于水文條件限制某一時段的最大出力。受阻容量：額定-預(yù)想出力保證出力：枯水期的平均出力。強迫出力：由于下游用水量必須的最小出力。第16頁/共97頁華北電力大學(xué)水電廠的運行方式水電廠的運行方式盡可能充分利用水資源。有調(diào)節(jié)能力的水電廠枯水期調(diào)峰，豐水期防止棄水，基荷；無調(diào)節(jié)能力：基荷；日調(diào)節(jié)：峰荷和腰荷；年調(diào)節(jié)：峰、腰、基荷；多年調(diào)節(jié)：基本上全年在峰荷工作?？梢宰龆握{(diào)頻和負(fù)荷備用。

11、工作容量計算：qMAXqshuptjshgPPPPKP)1 ()(第17頁/共97頁華北電力大學(xué)4、抽水蓄能電站、抽水蓄能電站-填谷調(diào)峰填谷調(diào)峰按其運行周期可以分為：u日抽水蓄能：以日為運行周期；u周抽水蓄能：以周為運行周期；u季抽水蓄能：將汛期多余水量抽蓄到上水庫里，供枯水期增加發(fā)電量。 01224( )150160170180190日抽水蓄能電站的工作情況第18頁/共97頁華北電力大學(xué)抽水蓄能電站特性抽水蓄能電站特性唯一的填谷調(diào)峰電唯一的填谷調(diào)峰電源源 運行靈活、可靠，主要用來調(diào)峰填谷（全停到滿載5min，抽滿8min） 擔(dān)任系統(tǒng)備用容量 擔(dān)任系統(tǒng)調(diào)頻任務(wù) 擔(dān)任調(diào)相任務(wù) 使水電站更好地發(fā)揮

12、綜合利用效益 循環(huán)效率：抽水到發(fā)電的循環(huán)中，能量利用率0.7-0.75第19頁/共97頁華北電力大學(xué)5、核電站、核電站圖3-1-8 核電站的構(gòu)成1壓水反應(yīng)堆；2堆芯；3控制棒傳動裝置；4一次回路；5冷卻劑桌；6蒸汽發(fā)生器；7二次回路；8加壓器；9反應(yīng)堆安全殼；10高壓氣缸； 11低壓氣缸；12發(fā)電機；13脫水器；14冷卻水；15冷凝器；16冷凝水泵；17給水加熱器；18給水泵；19給水加熱器；第20頁/共97頁華北電力大學(xué)核電站的運行特性核電站的運行特性 核電站的主要優(yōu)點是核燃料以少勝多 核電站需要連續(xù)地以額定功率運行，在電力系統(tǒng)中總是分擔(dān)基荷。 可適度降低出力跟蹤負(fù)荷調(diào)整出力。 在有核電站的

13、電力系統(tǒng)中需要設(shè)置較大的發(fā)電機組備用容量，并要求有抽水蓄能機組進行調(diào)峰配合。 核電站在缺少能源且交通運輸緊張的地區(qū)無疑具有廣闊的發(fā)展前景。 節(jié)能、環(huán)保；檢修時間長，年需停運15天；檢修時間30-40天。周期18月。 第21頁/共97頁華北電力大學(xué)6.6.風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電 風(fēng)力發(fā)電機組是實現(xiàn)由風(fēng)能到機械能和由機械能到電能兩個能量轉(zhuǎn)換過程的裝置，風(fēng)輪系統(tǒng)實現(xiàn)了從風(fēng)能到機械能的能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機和控制系統(tǒng)則實現(xiàn)了從機械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過程。 第22頁/共97頁華北電力大學(xué)風(fēng)力發(fā)電機的特性風(fēng)力發(fā)電機的特性1、風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響：大規(guī)模風(fēng)電接入可能影響電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性暫態(tài)穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。短

14、路電流和頻率穩(wěn)定性。短路電流可能超過附近原有變電站的遮斷容量。2、風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響：風(fēng)的隨機性和波動性以及風(fēng)電機組運行過程中受湍流、尾流和塔影效應(yīng)影響，產(chǎn)生電壓波動和閃變電壓波動和閃變。變速風(fēng)電機組帶來諧諧波波。3、風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)運行的影響：風(fēng)電的間歇性和隨機性，且出力多具有反調(diào)節(jié)反調(diào)節(jié)特性特性，由于目前不能有效預(yù)測，需要留有更多備用容量備用容量。4、風(fēng)電并網(wǎng)對輸電通道的影響：風(fēng)電的年利用小時數(shù)較常規(guī)電場少，大部分時間輸出功率遠遠低于額定容量低于額定容量，按額定容量設(shè)計投資大投資大。第23頁/共97頁華北電力大學(xué)電網(wǎng)接納風(fēng)電能力問題電網(wǎng)接納風(fēng)電能力問題1、主要調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)壓；調(diào)峰

15、問題突出影響接納能力的因素： 電力系統(tǒng)的規(guī)模 負(fù)荷水平和負(fù)荷峰谷差； 非風(fēng)電電源的總量和構(gòu)成、調(diào)節(jié)特性和運行備用。 風(fēng)電場自身特性，包括出力調(diào)節(jié)、出力概率、風(fēng)電場分布、 風(fēng)電場的預(yù)測性和觀測性。2. 風(fēng)電場的可信度 一般小與0.253. 風(fēng)電場電量效益：全額收購，參與電力平衡。 第24頁/共97頁華北電力大學(xué)3.3.電力電量平衡電力電量平衡1.電力系統(tǒng)備用容量 任何時候發(fā)電都要與負(fù)荷平衡。系統(tǒng)裝機容量應(yīng)等于系統(tǒng)最大發(fā)電負(fù)荷?？紤]事故和負(fù)荷波動，裝機容量必須大于最大發(fā)電負(fù)荷。 按照電力系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)定備用容量可按照最大發(fā)電負(fù)荷的15-20%考慮。低值大系統(tǒng)，高值小系統(tǒng)。備用容量分為負(fù)荷備用負(fù)荷備

16、用、事故備用事故備用和檢修備用檢修備用。 負(fù)荷備用負(fù)荷備用稱為調(diào)頻備用，用來調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)中短期負(fù)荷隨機波動和負(fù)荷預(yù)測誤差而設(shè)定的。一般取2%-5%。低值大系統(tǒng)，高值小系統(tǒng)。事故備用事故備用是指發(fā)電機組發(fā)生強迫停運時，在規(guī)定時間內(nèi)啟動，用來補償系統(tǒng)發(fā)電容量缺額，避免發(fā)生頻率波動和失去穩(wěn)定。一般取8-10%，低值大系統(tǒng)，高值小系統(tǒng)。不得小于系統(tǒng)最大一臺發(fā)電機容量。檢修備用檢修備用是發(fā)電機組能夠進行計劃檢修而設(shè)置的備用，它與系統(tǒng)年負(fù)荷曲線有關(guān)，與檢修策略有關(guān)等很多因素有關(guān)。大修和小修。低負(fù)荷曲線處。不低于5%。熱備用和冷備用： 負(fù)荷備用-熱備用；事故備用一半熱一半冷。檢修-冷。 負(fù)荷備用要分布合理。

17、優(yōu)先考慮有調(diào)節(jié)能力的水電廠。 第25頁/共97頁華北電力大學(xué)3.3.電力電量平衡電力電量平衡 事故備用在火電和水電之間分?jǐn)?。徑流式可作為自己電廠的備用。水電廠做備用必須考慮水電廠的分布、庫容和送電線路能力。 負(fù)荷備用和檢修備用必須用發(fā)電可靠性計算得出。 備用容量確定以后，就可以加上系統(tǒng)的最大負(fù)荷得到系統(tǒng)裝機容量。2.電力系統(tǒng)電力電量平衡 電源規(guī)劃中包括電力、電量和調(diào)峰。電源規(guī)劃必須先做的工作，可以從宏觀上把握裝機容量、系統(tǒng)備用率、發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)和調(diào)峰幅度等參數(shù)，進而確定電源結(jié)構(gòu)。 枯水年：枯水年的電力平衡時系統(tǒng)裝機確定的依據(jù)。 平水年：平水年電量預(yù)測是系統(tǒng)燃煤電廠的發(fā)電量確定依據(jù)。電量平衡

18、 豐水年： 調(diào)峰容量確定。線路過載核算。 特枯水年：裝機是否充足，電量平衡。電力平衡： )1 (max1PCNhhC:發(fā)電機裝機N:發(fā)電廠個數(shù)P：系統(tǒng)最大負(fù)荷系統(tǒng)備用率。第26頁/共97頁華北電力大學(xué)3.3.電力電量平衡電力電量平衡 電量平衡電量平衡： 各發(fā)電廠發(fā)電量電量盈虧燃煤電廠平均利用小時數(shù)ssMkfkNjsjdEEE11燃煤電廠非燃煤電廠 調(diào)峰平衡調(diào)峰平衡：ssMkfkNjsjMAXfgCCPP11最大峰谷差日旋轉(zhuǎn)備用率第27頁/共97頁第二節(jié)電源規(guī)劃中的隨機生產(chǎn)模擬第28頁/共97頁研究隨機生產(chǎn)模擬問題的原因研究隨機生產(chǎn)模擬問題的原因 電源規(guī)劃中的隨機生產(chǎn)模擬問題，是對方案中的運行成

19、本逐年進行詳細優(yōu)化計算的問題. 規(guī)劃期內(nèi)存在不確定因素：非計劃強迫停運、未來電力負(fù)荷的隨機波動、水電廠來水. 考慮這些因素影響的生產(chǎn)模擬就是隨機生產(chǎn)模擬. 通過隨機生產(chǎn)模擬，可獲得方案中各機組的期望生產(chǎn)電能、生產(chǎn)費用及電源可靠性指標(biāo)，為電源規(guī)劃的決策提供準(zhǔn)確的反饋信息. 第29頁/共97頁等效持續(xù)負(fù)荷曲線等效持續(xù)負(fù)荷曲線 在隨機生產(chǎn)模擬技術(shù)的發(fā)展過程中，等效持續(xù)負(fù)荷曲線（ELDC）將發(fā)電機組的隨機停運和隨機負(fù)荷模型巧妙的結(jié)合在一起，是隨機生產(chǎn)模擬中最重要的概念。 等效持續(xù)負(fù)荷曲線是從一般的負(fù)荷曲線中發(fā)展而來的。第30頁/共97頁持續(xù)負(fù)荷曲線持續(xù)負(fù)荷曲線t=F(x)(x,t)tL=LOLP TE

20、ENSxAXmaxB 橫坐標(biāo)表示系統(tǒng)的負(fù)荷 縱坐標(biāo)表示持續(xù)時間 T為研究周期，根據(jù)具體情況可以是年、月、周等. 曲線上任何一點(x，t)表示系統(tǒng)負(fù)荷大于或等于x的持續(xù)時間為t.( )tF x( )( )/Pf xF xTm ax0()xtEFx d xmax0( )xXfx dx兩端除以兩端除以T T 兩端除以兩端除以T T 系統(tǒng)總電量系統(tǒng)總電量 系統(tǒng)負(fù)荷平均值系統(tǒng)負(fù)荷平均值 系統(tǒng)負(fù)荷大于或等于系統(tǒng)負(fù)荷大于或等于x x的概率的概率第31頁/共97頁持續(xù)負(fù)荷曲線持續(xù)負(fù)荷曲線 設(shè)系統(tǒng)在該期間投入運行的發(fā)電機組的總?cè)萘繛镃t，系統(tǒng)負(fù)荷大于發(fā)電機組總?cè)萘康某掷m(xù)時間為： 相應(yīng)的電力不足概率LOLP為：

21、在這種情況下，圖中陰影部分的負(fù)荷電量不能滿足要求，其面積就是電量不足期望值：LttF Ct=F(x)(x,t)tL=LOLP TEENSxAXmaxBLtLOLPtTf C maxmaxttxxCCEENSF x dxTf x dxCt和xmax的關(guān)系第32頁/共97頁等效持續(xù)負(fù)荷曲線等效持續(xù)負(fù)荷曲線 考慮發(fā)電機組的隨機故障因素 等效持續(xù)負(fù)荷曲線是把發(fā)電機組的隨機故障影響當(dāng)成等效負(fù)荷對原始持續(xù)負(fù)荷曲線不斷修正的結(jié)果。當(dāng)發(fā)電機組故障時，系統(tǒng)的等效負(fù)荷就要增大。x(0)1()fxC(0)( )fx(1)( )fx第33頁/共97頁等效持續(xù)負(fù)荷曲線的形成等效持續(xù)負(fù)荷曲線的形成x(0)1()fx C(

22、0)( )fx(1)( )fx 是原始持續(xù)負(fù)荷曲線，表示系統(tǒng)中所有機組應(yīng)承擔(dān)的負(fù)荷。 設(shè)第一臺發(fā)電機首先帶負(fù)荷，其容量為C1，強迫停運率為q1 當(dāng)這臺發(fā)電機組處于運行狀態(tài)時，它和其他發(fā)電機組應(yīng)承擔(dān)的負(fù)荷由 來表示 當(dāng)發(fā)電機組1故障時， 表示的負(fù)荷應(yīng)由除去發(fā)電機組1以外的其他機組承擔(dān) 這就相當(dāng)于發(fā)電機組1和其他發(fā)電機組共同承擔(dān)了向右平移了C1的負(fù)荷曲線中的負(fù)荷 0fx 0fx 0fx01fxC第34頁/共97頁 與 相比：最大負(fù)荷大了C1，負(fù)荷電量增加了 ，正好等于發(fā)電機組1故障而少發(fā)的電量等效持續(xù)負(fù)荷曲線等效持續(xù)負(fù)荷曲線 由于發(fā)電機組1的強迫停運率為 ，正常運行的概率為 ，所以考慮發(fā)電機組1的

23、隨機停運影響以后，系統(tǒng)的隨機負(fù)荷曲線應(yīng)由下式表示 是發(fā)電機組1的隨機停運與持續(xù)負(fù)荷曲線的卷積公式，其結(jié)果就是考慮該機組隨機停運因素以后系統(tǒng)的等效持續(xù)負(fù)荷曲線。x(0)1()fxC(0)( )fx(1)( )fx 1fx1q111pq (1)(0)(0)111( )( )()fxp fxq fxCE 0fx第35頁/共97頁LOLPEENSx()( )nfx(0)( )fx1m axCx1Cminx0等效持續(xù)負(fù)荷曲線等效持續(xù)負(fù)荷曲線 對于第i臺發(fā)電機組，上述結(jié)論可推廣為 在發(fā)電機組逐個卷積過程中，等效持續(xù)負(fù)荷曲線也在不斷變化，最大等效負(fù)荷在不斷增大。 設(shè)系統(tǒng)中共n臺發(fā)電機組，其容量為 。當(dāng)全部機

24、組卷積運算結(jié)束后，等效持續(xù)負(fù)荷曲線為 ，最大等效負(fù)荷 如圖。 ( )(1)(1)( )( )()iiiiiifxp fxq fxCtC( )( )nfxmaxtxC( )()ntLOLPfCmax( )( )ttxCnCEENSTfx dx系統(tǒng)電力不足概率系統(tǒng)電量不足期望值第36頁/共97頁隨機生產(chǎn)模擬過程隨機生產(chǎn)模擬過程建立了等效持續(xù)負(fù)荷曲線概念以后，就可以進一步研究隨機生產(chǎn)模擬的過程。隨機生產(chǎn)模擬需要的原始資料包括負(fù)荷資料和發(fā)電機組的技術(shù)經(jīng)濟數(shù)據(jù)。負(fù)荷數(shù)據(jù)主要用來形成研究期間的原始持續(xù)負(fù)荷曲線及年最大負(fù)荷曲線最大負(fù)荷曲線是指每月或每周的最大負(fù)荷按時間序列形成的曲線，它的用途是安排檢修計劃。

25、第37頁/共97頁發(fā)電機組的技術(shù)經(jīng)濟數(shù)據(jù)發(fā)電機組的技術(shù)經(jīng)濟數(shù)據(jù) 火電機組的數(shù)據(jù)通常包括： 發(fā)電機組的類型、容量； 發(fā)電機組的臺數(shù)； 各發(fā)電機組的平均煤耗率； 燃料價格； 發(fā)電機組的強迫停運率； 發(fā)電機組的最小輸出功率； 發(fā)電機組所需的檢修時間。 水電機組與火電機組有很大差別。 首先，水電機組的發(fā)電量是由水文條件和水庫調(diào)度決定的，因此在發(fā)電調(diào)度中水電機組的發(fā)電量是給定的已知量； 其次，由于水庫上下游水位變動，水電機組的發(fā)電功率可能達不到銘牌容量。這種由水力條件決定的水電機組的實際發(fā)電能力稱為預(yù)想輸出功率。第38頁/共97頁隨機生產(chǎn)模擬的步驟隨機生產(chǎn)模擬的步驟 為了簡單起見，以下討論假定電力系統(tǒng)只

26、包含火電機組，且檢修計劃已知，因此參與運行的發(fā)電機組已全部確定。處理負(fù)荷資料，形成原始持續(xù)負(fù)荷曲線。確定發(fā)電機組帶負(fù)荷的優(yōu)先順序。按帶負(fù)荷順序安排發(fā)電機組運行，計算其發(fā)電量。修正等效負(fù)荷曲線。按照式LOLP和EENS公式計算系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。根據(jù)各發(fā)電機組的發(fā)電量計算系統(tǒng)燃料消耗量并進行發(fā)電成本分析。第39頁/共97頁 例:已知某電力系統(tǒng)的日負(fù)荷曲線如圖4-4及表4-1所示。 該系統(tǒng)共有3臺發(fā)電機組參加運行，其中前兩臺機組型號相同，容量為40MW，平均煤耗率為400g/kWh,強迫停運率為0. 10。 第3臺發(fā)電機組容量為20MW，平均煤耗為450g/kWh,強迫停運率為0. 20。 試對該系統(tǒng)

27、進行隨機生產(chǎn)模擬。第40頁/共97頁 首先，根據(jù)持續(xù)負(fù)荷曲線定義，求出該系統(tǒng)的原始持續(xù)負(fù)荷曲線f(0)(x)第41頁/共97頁第42頁/共97頁 系統(tǒng)的負(fù)荷電量由下式可以求出)MWh(14658122483123144163175184194208212233224dx)x(f820)0(Lv按照平均煤耗率應(yīng)首先讓兩臺40MW發(fā)電機組帶負(fù)荷，然后再讓20MW發(fā)電機組帶負(fù)荷。第43頁/共97頁v現(xiàn)在我們來安排第一臺40MW發(fā)電機組運行，其發(fā)電量應(yīng)從f(0)(x)求得，即dx)x(fP400)0(11gv式中P1=0.90。積分代表圖4-5中f(0)(x)曲線下面的從x=0到x=40之間的面積。由

28、表4-2可知)MWh(846)6212233224(9 . 01gv 然后按下式)40 x(f1 . 0)x(f9 . 0)x(f)0()0()1(第44頁/共97頁 對發(fā)電機1進行卷積計算，求等效負(fù)荷持續(xù)曲線f(1)(x)。必須注意，表4-2中，f(0)(x)， f(0)(x-40)， f(1)(x)的值比實際值大24倍。第45頁/共97頁 以下僅舉出圖中幾個點來說明建立f(1)(x)的過程: 當(dāng)x=40時， f(0)(x) =21/24 f(0)(x-40) = f(0)(0) = 24/24 故知f(1)(40)=0.921/24+0.1x24/24=21.3/24 當(dāng)x=80時， f(

29、0)(x) =1/24 f(0)(x-40) = f(0)(40) = 21/24 故知 f(1)(80)=0.91/24+0.1x21/24=3/24 當(dāng)x=100時， f(0)(x) =0.0 f(0)(x-40) = f(0)(60) = 16/24 故知f(1)(100)=0.90.0+0.1x16/24=16/24第46頁/共97頁 在求得了f(1)(x)后，即可安排第二臺40MW發(fā)電機組運行，它的發(fā)電量應(yīng)為dx)x(fP8040)1(22g 式中P2=0.90。積分代表圖4-5中f(1)(x)曲線下面的從x=40到x=80之間的面積。第47頁/共97頁 由表4-2可知)MWh(23

30、.508)6321 . 446 . 932 .1331548 .1637 .1756 .1845 .1944 .2023 .21(9 . 02gv 對發(fā)電機組2的卷積運算按下式進行)40 x(f1 . 0)x(f9 . 0)x(f)1()1()2(v 其運算過程及結(jié)果表示在表4 -3中。第48頁/共97頁 由表4 -3可以看出，當(dāng)發(fā)電機組2參與運行之后，等效持續(xù)負(fù)荷曲線f(2)(x)的最大負(fù)荷已達162MW。第49頁/共97頁v 在求得了f(2)(x)后，就可以安排第3臺發(fā)電機組運行，它的發(fā)電量應(yīng)由下式?jīng)Q定dx)x(fP10080)2(33gv 式中式中P P3 3=0.80=0.80。由表。

31、由表4-34-3知知)MWh(56.58)212. 3548. 3466. 3484. 3283. 4(8 . 03gv 為了出可靠性指標(biāo)，我們還需對20MW發(fā)電機組進行卷積計算)20 x(f2 . 0)x(f8 . 0)x(f)2()2()3(第50頁/共97頁第51頁/共97頁v 在求得f(3)(x)后，即可計算可靠性指標(biāo)。14425. 024/462. 3)100(fLOLP)3(dx)x(fENS182100)3(v 由表4-4有)MWh(21.528002. 02004. 02016. 03024. 03028. 0404. 0.1688. 23976. 22462. 3ENS第52

32、頁/共97頁v 我們還可以由另一種方法求EENS。由于三臺發(fā)電機組發(fā)電量的總和為)MWh(79.141256.5823.5088463g2g1ggv 而系統(tǒng)總負(fù)荷電量為1465MWh，故知)MWh(21.5279.14121465ENSv 在求得各發(fā)電機組發(fā)電量以后，不難求得各機組的燃料消耗量，并進一步進行成本分析。第53頁/共97頁v由本例可以看出，利用遞歸卷積計算公式進行隨機生產(chǎn)模擬時計算量很大。v目前國內(nèi)外隨機生產(chǎn)模擬很少直接采用這種方法。v但是，這個方法引出的等效持續(xù)負(fù)荷曲線等效持續(xù)負(fù)荷曲線以及遞歸卷積運算遞歸卷積運算等都是隨機生產(chǎn)模擬的基本概念，其它算法都是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。第

33、54頁/共97頁隨機生產(chǎn)模擬計算方法簡介隨機生產(chǎn)模擬計算方法簡介隨機生產(chǎn)模擬的計算方法： 傅里葉級數(shù)法，用50100項傅里葉級數(shù)描述持續(xù)負(fù)荷曲線，然后在傅里葉領(lǐng)域進行卷積計算； 標(biāo)準(zhǔn)卷積法，將概率學(xué)中對隨機變量概率分布函數(shù)的卷積計算公式作為算法的核心； 半不變量法，用隨機分布的數(shù)字特征半不變量來描述系統(tǒng)的持續(xù)負(fù)荷曲線和各發(fā)電機組的隨機停運； 等效電量函數(shù)法，先求出電力系統(tǒng)在不同負(fù)荷水平下的電量需求（形成電量函數(shù)），然后在考慮發(fā)電機組故障時直接修正各負(fù)荷水平所需的電量（即修正等效電量函數(shù)），完成隨機生產(chǎn)模擬計算。第55頁/共97頁第三節(jié)第三節(jié)電源規(guī)劃中的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法電源規(guī)劃中的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法第56

34、頁/共97頁 North China Electric Power University 電源規(guī)劃的任務(wù)電源規(guī)劃的任務(wù) 電源規(guī)劃的任務(wù)確定在何時、何地興建何種類型、何種規(guī)模的發(fā)電廠 在滿足負(fù)荷需求并達到各種技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的條件下，使規(guī)劃期內(nèi)電力系統(tǒng)安全運行且投資經(jīng)濟合理。 投資決策原則：第57頁/共97頁 North China Electric Power University投資決策原則：經(jīng)濟評價方法：第58頁/共97頁數(shù)學(xué)優(yōu)化方法的難點數(shù)學(xué)優(yōu)化方法的難點 從數(shù)學(xué)上，電源規(guī)劃的一個方案是包含許多電廠或機組的有序組合，即排序問題 高維數(shù)：各種類型的發(fā)電機組，長時間的電源過渡，涉及的決策變量多。

35、 非線性：目標(biāo)函數(shù)（投資現(xiàn)值、年運行費用），約束條件（如可靠性約束）。 隨機性：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（負(fù)荷預(yù)測、燃料、設(shè)備價格、水電廠水文數(shù)據(jù)、貼現(xiàn)率） 因此，嚴(yán)格最優(yōu)解幾乎不可能得到 目前的都在數(shù)學(xué)的嚴(yán)格性和計算量中折中，采取了一些簡化方法。第59頁/共97頁電源規(guī)劃的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法電源規(guī)劃的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法 混合整數(shù)規(guī)劃法 分解協(xié)調(diào)技術(shù) 動態(tài)規(guī)劃法 模擬進化方法第60頁/共97頁混合整數(shù)規(guī)劃法混合整數(shù)規(guī)劃法 由于電力系統(tǒng)中機組是一臺一臺安裝的，電廠特別是水電廠是一個一個建設(shè)的，將它們作為連續(xù)變量處理，會帶來一系列問題，最后規(guī)整處理又將降低結(jié)果的最優(yōu)性。 為解決矛盾，將一些變量設(shè)為整數(shù)，另一些變量設(shè)為連續(xù)變量

36、。這種變量設(shè)置的數(shù)學(xué)模型稱為混合整數(shù)規(guī)劃。 模型中的整數(shù)變量只表示電廠或機組投入運行或未投入運行（0，1變量），或表示機組裝了幾臺或第幾次裝機。每次計算容量時，將每臺機組容量乘以此整數(shù)變量即得出裝機容量。第61頁/共97頁分解協(xié)調(diào)技術(shù)分解協(xié)調(diào)技術(shù) 具有以下優(yōu)點： （1）將大系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)后，求解問題規(guī)模變小，提供工作效率和節(jié)省時間； （2）各子系統(tǒng)可以選用自己適合的模型，更符合實際情況； （3）使進行并行處理成為可能。 電源規(guī)劃模型一般分解為電源投資決策和生產(chǎn)優(yōu)化兩個子問題，可分別采用不同的優(yōu)化技術(shù) 由于兩個子問題不要求用相同的優(yōu)化算法，可利用它們的特點采用不同算法第62頁/共97頁動態(tài)

37、規(guī)劃法動態(tài)規(guī)劃法 運籌學(xué)的重要分支，是解決多階段決策過程最優(yōu)化的一種方法 用動態(tài)規(guī)劃法解決電源規(guī)劃問題，一般方法如下： （1）階段。按時間、按投入運行的新建電廠數(shù)目 （2）狀態(tài)。是系統(tǒng)原有和待建電廠的某種組合，對于某一階段Xi，狀態(tài)可表示為 0,1,2,ijXSjn第63頁/共97頁 （3）狀態(tài)轉(zhuǎn)移和決策變量。 根據(jù)動態(tài)規(guī)劃原理，在某一階段i，若初始狀態(tài)為xi-1，也就是上一階段的一個狀態(tài)，經(jīng)過這一階段采取某種策略di后轉(zhuǎn)移到本階段末的狀態(tài)xi，這種轉(zhuǎn)移可表示為 決策變量可能是本階段投入的新電廠或機組，這樣狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程可簡單表示為1,iiixxd1iiixxd第64頁/共97頁（4）目標(biāo)函數(shù)和

38、遞推公式 電源規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)是使系統(tǒng)總支出最小，根據(jù)具體情況而定。費用遞推公式如下：（5）約束條件110min,0iikiikk iFfx dFxF 從從i-1i-1階段狀態(tài)階段狀態(tài)xkxk轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到i i階段狀階段狀態(tài)態(tài)xixi所采用策略的新增機組有關(guān)所采用策略的新增機組有關(guān)費用費用從從i-1i-1階段狀態(tài)階段狀態(tài)xkxk至起點的最小費至起點的最小費用用第65頁/共97頁模擬進化方法模擬進化方法 模擬進化算法通過對生物進化機制的模擬發(fā)展而來，運算過程與生物進化過程相仿，其哲學(xué)基礎(chǔ)是達爾文”適者生存，優(yōu)勝劣汰“的自然選擇學(xué)說。 優(yōu)點體現(xiàn)在： （1）與傳統(tǒng)的單點搜索策略不同，模擬進化算法采用群

39、體搜索策略，同時對多個解進行評估。具備較好的全局搜索性能，避免陷入局部最優(yōu)。 （2）用適應(yīng)度函數(shù)來評價個體，不僅不受連續(xù)可微的限制，而且定義域可以任意設(shè)定，特別適于求解非連續(xù)變量的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。 （3）采用的不是確定性的原則，而是概率變遷規(guī)則來指導(dǎo)它的搜索方向。 （4）可求出一組解，包括全局最優(yōu)和局部最優(yōu)，可讓規(guī)劃者自行選擇。第66頁/共97頁基于遺傳算法的電源規(guī)劃模型基于遺傳算法的電源規(guī)劃模型 隨機確定待建電源的一組投入次序，經(jīng)染色體編碼后形成一個染色體，若干個體即可構(gòu)成遺傳算法的初始種群； 綜合考慮現(xiàn)有電源資料、負(fù)荷資料及有關(guān)約束條件，對種群中各個體進行運行模擬計算，確定個體中各待建電源的

40、投入年限和年運行費用； 考慮新建電源的投資及其他有關(guān)費用，計算各個體在規(guī)劃期的總計算費用，并計算各各個體的適應(yīng)度函數(shù)； 以個體總費用或適應(yīng)度函數(shù)值作為判據(jù)，檢驗迭代過程的收斂性?？傮w流程：第67頁/共97頁基于遺傳算法的電源規(guī)劃模型 染色體編碼實例第68頁/共97頁基于遺傳算法的電源規(guī)劃模型 目標(biāo)函數(shù)第69頁/共97頁第70頁/共97頁 North China Electric Power University【主要內(nèi)容】電源規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型目標(biāo)函數(shù)約束條件投資決策問題生產(chǎn)模擬問題第二節(jié)、電源規(guī)劃數(shù)學(xué)模型第71頁/共97頁 對于可行的電源規(guī)劃，通常認(rèn)為有相同的效益，因此在滿足負(fù)荷負(fù)荷需求需求和各

41、種約束條件約束條件及技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)下，總投入最小總投入最小的方案就是最經(jīng)濟的方案。第72頁/共97頁第73頁/共97頁第74頁/共97頁第75頁/共97頁第76頁/共97頁第77頁/共97頁第78頁/共97頁第79頁/共97頁第80頁/共97頁目標(biāo)函數(shù)實例 最小費用法，費用除了投資、燃料費及運行維修費以外，還包括停電損失費用。 此外，考慮到各類機組使用壽命不同，投建時間不同，在規(guī)劃期末將出現(xiàn)不同的剩余使用年限，所以應(yīng)把有關(guān)投資項目的折余值當(dāng)成殘值處理，從總費用中減去。 目標(biāo)函數(shù)為:1min PVC =TjjtjtjtjtjtiISFMO規(guī)劃方案j總費用的現(xiàn)值;PVCj投資費用;投資的

42、折余值燃料費用運行維修費用;停電損失費用;jtIjtSjtFjtMjtO第81頁/共97頁目標(biāo)函數(shù)中各項費用的具體計算方法 為了換算這些費用的現(xiàn)值，采取了以下的假定: 1)所有投資都在各年度初發(fā)生; 2)所有投資折余值都發(fā)生在水平年末; 3)燃料費用、運行維修費用及停電損失費用都發(fā)生在各年度的中點。1min PVC =TjjtjtjtjtjtiISFMO第82頁/共97頁目標(biāo)函數(shù)中各項費用的具體計算方法 1.投資費用與折余費用 =1tjtkkIUIMWi =1TjtktkkSUIMWi001tttTTt 對方案j在第t年所有擴建發(fā)電機組k的投資費用求和;發(fā)電機組k每兆瓦的平均投資;kUI發(fā)電機

43、組k的容量，MW;kMW一發(fā)電機組k在水平年末的折余系數(shù);kt應(yīng)該指出，在這里WASP無形中假定各發(fā)電機組在年初投資，當(dāng)年參加運行，忽略了各發(fā)電機組本身的投資過程及相應(yīng)的時間價值。第83頁/共97頁v 2.燃料費用燃料費用目標(biāo)函數(shù)中各項費用的具體計算方法 0.5,=1hydNtjtkjt hhFi考慮的水文條件數(shù)水文條件h的概率水文條件為h時，所有火電站及核電站的總?cè)剂腺M用。hydNk,jt h總?cè)剂腺M用由隨機生產(chǎn)模擬求得。在計算中考慮了火電機組隨機停運的影響，但對水電站則采用了強迫停運率FOR為零的假定。第84頁/共97頁目標(biāo)函數(shù)中各項費用的具體計算方法 0.5=1tjtllllMUF MW

44、UV Gi對第t年系統(tǒng)中全部發(fā)電機組l 的運行維修費用求和;機組l 單位固定運行維修費用，元 / MW;機組l 單位變動運行維修費用，元 / kWh;機組l 在第t年發(fā)電量的期望值lUFlUVlGv 3.運行維修費用運行維修費用第85頁/共97頁目標(biāo)函數(shù)中各項費用的具體計算方法2 0.5,1=132hydNtjt hjt hjtjt hnhAtAtNNcbOa NdiEE常數(shù)，為每千瓦時的費用，是輸入數(shù)據(jù);第t 年在水文條件h時的電量不足期望值，kW h系統(tǒng)在第t 年的總電能需求量，kWh, ,a b c,jt hNAtE這里所需的有關(guān)數(shù)據(jù)也是由隨機生產(chǎn)模擬計算求得。v 4.停電損失費用停電損

45、失費用第86頁/共97頁約束條件實例 電源規(guī)劃模型的約束條件包括電力平衡和可靠性約束條件。 1.電力平衡約束條件 設(shè) 為規(guī)劃方案j在第t年參與運行的各類型發(fā)電機組臺數(shù)，它應(yīng)滿足,1=jtj tjtjtjtKKARUj 方案在第 t 年指令性計劃擴建的臺數(shù)向量;j 方案在第t 年計劃退役的臺數(shù)向量;j 方案在第t 年準(zhǔn)備增加的機組臺數(shù)向量，它應(yīng)滿足jtAjtRjtUjtK0jtUjtAjtR為給定數(shù)據(jù)jtU為待求量，稱為系統(tǒng)布局第87頁/共97頁1.電力平衡約束條件 為了更細致地模擬負(fù)荷和水電站季節(jié)性特點和更準(zhǔn)確地處理火電站的檢修要求，把每年分為相等數(shù)目的時段。 每年中的可用發(fā)電容量與電力峰荷差值最小的時段叫做關(guān)鍵時段。設(shè)電力系統(tǒng)在關(guān)鍵時段的可用發(fā)電容量為 ，則可行的系統(tǒng)布局應(yīng)滿足 在關(guān)鍵時段系統(tǒng)的貯備系數(shù)應(yīng)在給定的最小貯備系數(shù) 與最大貯備系數(shù) 之間。 式中 ，為第t年關(guān)鍵時段的峰荷。,11rt pjt Prt paDP KbD,jt PP Krarb, t pD第88頁/共97頁2 可靠性約束條件 系統(tǒng)布局的可靠性用LOLP指標(biāo)衡量。 對一年內(nèi)各個時段及每種水文情況