第1章緒論
　　1.1輸電系統(tǒng)規(guī)劃概述
　　1.1.1輸電規(guī)劃的基本任務
　　輸電規(guī)劃的*根本目的是盡可能經(jīng)濟地發(fā)展電網(wǎng)并保證電網(wǎng)的可靠性水平。電網(wǎng)的發(fā)展主要涉及選擇加強方案及其實施時間。制定老化設備退役和更換的決策也是輸電規(guī)劃的一個重要任務。
　　促使輸電系統(tǒng)發(fā)展的主要因素如下：
　�。�1）負荷增長；
　�。�2）新電源；
　�。�3）設備老化；
　�。�4）商業(yè)機會；
　�。�5）與鄰近電網(wǎng)間的電力輸出和輸入的變化；
　�。�6）用戶供電可靠性需求的變化；
　�。�7）新負荷和獨立發(fā)電商（independent power producer，IPP）的接入；
　�。�8）新的過網(wǎng)服務要求。
　　大多數(shù)輸電發(fā)展項目的動因是前三個因素，即負荷增長、新電源和設備老化。傳統(tǒng)電力公司是垂直結構的，發(fā)電、輸電和配電由同一公司所有，因此也由單一的公司進行規(guī)劃。自20世紀90年代解除對電力行業(yè)的管制以來，大多數(shù)國家將發(fā)電與輸電分開，發(fā)電與輸電資產(chǎn)也分屬不同的公司，它們的運營、規(guī)劃和管理也由這些公司分別負責。本書著重于輸電系統(tǒng)的概率規(guī)劃，假定關于電源的信息是已知的。
　　據(jù)規(guī)劃時段不同，輸電規(guī)劃可以分為以下三個階段：
　�。�1）長期規(guī)劃；
　�。�2）中期規(guī)劃；
　�。�3）短期規(guī)劃。
　　長期規(guī)劃的規(guī)劃期為20～30年，主耍從系統(tǒng)發(fā)展的高層面角度考慮問題。長期規(guī)劃所討論的問題是初步的，在隨后的規(guī)劃階段中可能被大幅度修改甚至重新定義，因為在這一階段數(shù)據(jù)和信息非常不確定。中期規(guī)劃的規(guī)劃期為10～20年，在這一階段將根據(jù)過去數(shù)年的實際信息對長期規(guī)劃中提出的初步考慮進行修正，并將研究結果用于指導短期規(guī)劃項目。短期規(guī)劃處理的是必須在10年內要解決的問題，需要對具體規(guī)劃方案進行深入研究和比較，這一階段的規(guī)劃研究應該為規(guī)劃項目提供資金預算計劃。
　　輸電規(guī)劃包括如下任務：
　�。�1）確定電壓等級；
　�。�2）網(wǎng)絡加強；
　�。�3）變電站主接線結構；
　�。�4）無功源規(guī)劃；
　�。�5）負荷或獨立發(fā)電商接入規(guī)劃；
　�。�6）設備規(guī)劃（備用、退役、更換）；
　�。�7）新技術選擇（輕型高壓直流（high-voltage direct current，HVDC）技術、柔性
　　交流輸電（flexible AC transmission system，F(xiàn)ACTS）技術、超導技術、基于廣域測量
　　系統(tǒng)（wide-area measurement system，WAMS）的技術；
　�。�8）網(wǎng)絡加強方案和特殊保護系統(tǒng)的比較。
　　一個輸電規(guī)劃項目可能涉及上述一個或多個任務，每個任務都需要進行技術、經(jīng)濟、環(huán)境、社會和政策上的評估。僅技術評估就包括空間和時間多方面的考量，需要進行大量的研究，研究范圍涵蓋負荷預測、潮流計算、預想故障分析、**潮流計算、電壓和暫態(tài)穩(wěn)定分析、短路分析、可靠性評估。從本質上說，這些研究是對多年后的情況進行仿真模擬，其目的是對各規(guī)劃方案進行比較并做出選擇，因此需要確定將來哪些情況可能出現(xiàn)，以及在各種情況下輸電系統(tǒng)將以何種萬式運行。各系統(tǒng)狀態(tài)和運行方式的組合量幾乎是龐大無限的，因此無法對全部情況進行仿真模擬，這顯然需要簡化系統(tǒng)建模并對系統(tǒng)狀態(tài)進行篩選。
　　輸電規(guī)劃是極其復雜的問題，在系統(tǒng)建模時通常分為幾個子問題考慮，因此需要在子問題間進行協(xié)調。在此過程中，系統(tǒng)規(guī)劃工程師的判斷和預選的可行方案在協(xié)調中起到非常重要的作用。人們提出了很多輸電規(guī)劃**化模型的方法，其實這些方法只是解決一個或多個特定子問題的技術。我們必須認識到：僅基于一個**化模型來做系統(tǒng)加強方案是不現(xiàn)實的，事實上許多環(huán)境、社會、政策上的約束和考慮因素都不可能被定量地建模。
　　在對系統(tǒng)狀態(tài)進行篩選時，必須考慮負荷水平、電網(wǎng)拓撲結構、發(fā)電模式、系統(tǒng)元件的可用度、設備在不同季節(jié)下的額定參數(shù)、可能的開關切換、保護與控制措施等因素。通常用兩種方法進行篩選：確定法和概率法。傳統(tǒng)的確定法已沿用了很多年，該方法對系統(tǒng)狀態(tài)的篩選依賴于規(guī)劃工程師的判斷，而規(guī)劃決策僅取決于選擇系統(tǒng)狀態(tài)所導致的后果。概率法相對較新，雖然已有將概率法應用于輸電規(guī)劃的研究和工作，但目前尚未在實踐中得到廣泛應用。概率法的基本思想是根據(jù)各系統(tǒng)狀態(tài)的出現(xiàn)概率對其進行隨機選擇，把所模擬系統(tǒng)狀態(tài)的概率和備狀態(tài)下的后果相結合做出規(guī)劃決策。
　　1.1.2傳統(tǒng)規(guī)劃準則
　　為確保系統(tǒng)發(fā)展的可靠性和經(jīng)濟性，傳統(tǒng)的輸電規(guī)劃準則分為***、區(qū)域級和公司級。著名的北美電力可靠性管理機構（North American Electric ReliabilityCorporation，NERC）可靠性準則就是一個很好的例子，其包括以下部分：
　�。�1）電源與負荷需求平衡；
　�。�2）關鍵基礎設施保護；
　�。�3）通信；
　�。�4）應急準備和運行；
　�。�5）裝置設計、連接和維護；
　�。�6）互聯(lián)調度和協(xié)調；
　�。�7）聯(lián)網(wǎng)可靠性運行和協(xié)調；
　�。�8）建模、數(shù)據(jù)和分析；
　�。�9）核能；
　�。�10）員工績效、培訓和資格；
　�。�11）保護與控制；
　�。�12）輸電運行；
　�。�13）輸電規(guī)劃；
　�。�14）電壓與無功。
　　可以看出，這一準則涵蓋了廣泛的領域，遠超出輸電規(guī)劃的范疇。應該認識到：輸電規(guī)劃的準則并不局限于輸電規(guī)劃本身，而應與上述各方面準則聯(lián)系起來，這一原則非常重要。
　　傳統(tǒng)輸電規(guī)劃準則至少包括但不局限于如下幾方面[1-3]：
　　1）確定的安全原則
　　這一原則基本上歸諸于N-l原則。N-l原則是指輸電系統(tǒng)必須含有足夠多的元件，以保證在任何系統(tǒng)條件下，當某一元件發(fā)生故障或停運后，不會對系統(tǒng)造成任何系統(tǒng)問題，包括過載、低電壓或過電壓、其位元件失效、非計劃的負荷削減、暫態(tài)不穩(wěn)定和電壓不穩(wěn)定。NERC準則還包括在規(guī)劃中對兩個或兩個以上元件停運的情況下的系統(tǒng)運行要求。然而，由于多元件停運的組合數(shù)目太大，實際中僅能對少數(shù)重要的多元件停運狀態(tài)進行評估。
　　2）電壓等級
　　電壓等級通常選為現(xiàn)有系統(tǒng)中已有的一個等級來提供所需的電力傳輸容量，同時又不會引起不合理的經(jīng)濟損失。當現(xiàn)有電壓等級無法以合理的成本為系統(tǒng)提供所需容量時，就需要通過技術和經(jīng)濟上的分析建立新的電壓等級。
　　3）設備的額定值
　　設備的額定值（包括正常和緊急情況下的額定值）是輸電規(guī)劃的重要輸入?yún)��?shù)，通常由設備制造商或按行業(yè)標準決定。輸電設備包括傳輸線、地下或海底電纜、電力變壓器、測量變壓器、并聯(lián)和串聯(lián)電容器、并聯(lián)和串聯(lián)電抗器、斷路器、開關、靜態(tài)無功補償裝置（static VAR compensator，SVC）、靜態(tài)同步補償器（static synchronouscompensator，STATCOM）、高壓直流輸電設備、母線和繼電保護裝置。
　　4）系統(tǒng)運行限值
　　除了設備額定值，系統(tǒng)運行限值也是輸電系統(tǒng)的重要輸入?yún)��?shù)，主要包括電壓、頻率、熱容量、暫態(tài)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性和小信號穩(wěn)定性的限值。這些限值分為事故前與事故后兩類，其度量單位多種多樣，如兆瓦（megawatt，MW）、兆乏（megavolt-amperes reactive，Mvar）、安培、赫茲、伏特、百分比等。若系統(tǒng)超限運行，則可能會引起不穩(wěn)定、系統(tǒng)解列、連鎖斷電等后果。
　　5）傳輸能力
　　傳輸能力是指在一定系統(tǒng)條件下，兩個區(qū)域間能夠通過區(qū)域界面?zhèn)鬏數(shù)碾娏θ萘�。區(qū)域界面通常包括一組傳輸線。傳輸能力涉及兩個術語：總傳輸能力（totaltransfer capability，TTC）和可用傳輸能力（available transfer capability．ATC）[4]�？捎脗鬏斈芰�可由下式得到，即ATC=TTC - TRM - CBM - ETC式中，輸電可靠性裕度（transmission reliability margin，TRM）是在各系統(tǒng)條件下、在不確定因素的合理范圍內，確保系統(tǒng)安全所需的電力傳輸裕度；容量效益裕度（capacity benefit margin，CBM）是為了能夠從其他互聯(lián)系統(tǒng)中獲得電力來滿足發(fā)電可靠性要求而預留的傳輸容量裕度；己占用的輸電能力（existing transmissioncommitment，ETC）指輸電服務中已經(jīng)安排的傳輸容量。顯然，總傳輸能力和可用傳輸能力的確定不僅與熱限值有關，還與穩(wěn)定性限值有關。
　　6）聯(lián)網(wǎng)要求
　　隨著對電力行業(yè)管制的解除，輸電系統(tǒng)的開放方式接入成為現(xiàn)實，接入輸電系統(tǒng)的各類互聯(lián)設備大量增加，包括發(fā)電設備、傳輸設備和終端用戶設備。發(fā)電設備不僅包括發(fā)電機，還包括獨立發(fā)電商和可再生能源。互聯(lián)項目需要進行大量的可行性、系統(tǒng)影響和設備研究，這自然也成為輸電規(guī)劃的一部分。互聯(lián)需求不僅與技術問題相關，還與監(jiān)管政策和商業(yè)模式密切相關。
　　7）保護和控制
　　某些輸電規(guī)劃項目中，合理的保護與控制方案能夠保證系統(tǒng)安全．同時避免增加一次設備，大大減少了資本投入。除了傳統(tǒng)的保護與控制方案，特殊保護系統(tǒng)（special protection system，SPS）和廣域測量系統(tǒng)在系統(tǒng)安全中扮演重要角色。特殊保護系統(tǒng)有時也稱為校正控制方案（remedial action scheme，RAS），包括低壓減載、低頻減載、自動無功控制、切除發(fā)電、線路跳閘、暫態(tài)過電壓控制等不同的方案‘5]。所有特殊保護系統(tǒng)都必須符合可靠性標準和設計原則。廣域測量系統(tǒng)也可稱為廣域控制系統(tǒng)，其功能己不僅局限于測量，近年來得到了快速的發(fā)展和應用。然而，目前廣域測量系統(tǒng)的可靠性標準尚未建立。
　　8）數(shù)據(jù)和模型
　　所有關于規(guī)劃的研究都需要用充分而準確的數(shù)據(jù)和模型，包括用于靜態(tài)和動態(tài)仿真的內部與外部模型。獲得負荷、電源、用戶聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)和模型需要輸電公司與用戶之間的協(xié)調。這些數(shù)據(jù)的有效管理包括數(shù)據(jù)有效性、數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)分析，對輸電規(guī)劃十分重要。
　　9）經(jīng)濟分析準則
　　一般而言，有不止一個規(guī)劃方案能夠滿足輸電規(guī)劃的技術要求，因此需要進行經(jīng)濟分析以確定哪個方案總成本**�？偝杀景�括資本投入和運行成本。在傳統(tǒng)的輸電規(guī)劃中，經(jīng)濟分析不考慮不可靠性成本。成本分析需要在長達多年的規(guī)劃期內進行。由于無法準確預測未來的經(jīng)濟參數(shù)，通常需要進行敏感度研究以考察這些參數(shù)變化帶來的影響。
　　1.2輸電系統(tǒng)概率規(guī)劃的必要性
　　概率規(guī)劃的目的是在現(xiàn)有輸電規(guī)劃過程中增加概率方面的考慮，而非取代在1.1.2節(jié)中列出的那些傳統(tǒng)的規(guī)劃準則。大多數(shù)傳統(tǒng)規(guī)劃準則在概率規(guī)劃中仍然適用，不同的是概率規(guī)劃要涉及如下方面：
　�。�1） N-l原則不再是**的安全準則，除了單一無件故障，還需考慮多元件同時斷電的情況。
　�。�2）不僅要仿真斷電事故的后果，還要模擬斷電事故發(fā)生的概率。
　�。�3）需要用概率模型或模糊模型為電網(wǎng)結構、負荷預測、發(fā)電模式和其他參數(shù)的不確定性建模。
　�。�4）除了傳統(tǒng)研究（潮流、**潮流、預想故障分析、穩(wěn)定性評估），還需進行概率方法的研究（概率潮流、概率的預想故障分析、概率的穩(wěn)定性評估），特別是概率的系統(tǒng)可靠性評估，其己成為輸電概率規(guī)劃的關鍵步驟。
　�。�5）不可靠性成本評估是全局經(jīng)濟分析的關鍵，在規(guī)劃決策中起到重要作用。不可靠性成本取決于多種概率因素，它的引入使得經(jīng)濟分析具有概率特征，還可以考慮經(jīng)濟參數(shù)中的不確定因素。
　　需要實施輸電系統(tǒng)概率規(guī)劃的原因如下[6-8]：
　�。�1）確定性準則的主要缺陷在于它無法考慮斷電數(shù)據(jù)和系統(tǒng)參數(shù)的隨機特征。例如，如果一宗斷電事故發(fā)生的概率小到可以忽略不計，那么即使這是一宗惡性事故，其后果也可忽略不計。如果規(guī)劃方案基于這種事故，則會引入過度投資。相反，如果一宗斷電事故雖然不嚴重，但卻時常發(fā)生，那么不考慮這類事故的影響的規(guī)劃方案仍然會引起高風險的后果。概率規(guī)劃不僅能夠識別事故的嚴重程度，還能識別其發(fā)生的可能性。
　�。�2）確定性準則基于“*壞的情況”，而*壞的情況可能被遺漏。例如，處于系統(tǒng)峰值負荷的狀態(tài)通常被認為是一種*壞的情況

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