电力市场环境下电力系统安全稳定控制系统面临的挑战.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/收稿日期:2001-02-20;修回日期:2001-04-09基金项目:国家教委高等学校骨干教师资助计划资助项目电力市场环境下电力系统安全稳定控 制 系 统 面 临 的 挑 战荆朝霞,段献忠(华中科技大学 电力工程系,湖北 武汉430074)摘要:安全稳定问题是电力系统运行的重要问题。电力市场的实行,使安全稳定分析和控制的环境有了很大的变化,如远距离、大规模的功率传输大大增加,系统安全裕度减小,不确定因素增加等。在这种情况下,电力系统安全稳定控制系统面临着许多挑战。针对这些问题进行了分析,并提出了电力市场下电力系统安全稳定控制系统的设想。关键词:电力系统;电力市场;安全控制系统中图分类号:TM 73;F 12319 文献标识码:A 文章编号:1006-6047(2001)09-0049-050 引言近年来,世界各国的电力系统都在经历一次大的变革:私有化、市场化和电力企业的重组。我国部分地区,如浙江、上海、山东和东北电网也已经开放了发电市场,进行竞价上网,开始了市场化进程。将发电、输电、配电垂直垄断的电力企业分解并推向市场,已成为必然的趋势。安全稳定问题是电力系统运行中的重要问题。在垂直垄断的情况下,发、输、配的规划和调度是统一进行的,传统的安全分析主要是离线的分析,所用的数据不全面、不精确,模型也很粗糙,考虑的是最不利的情况,系统一般都有很大的裕度,没有充分利用现有的发电、输电能力,电力系统的主要目标是在保证系统安全的情况下尽可能地满足用电的需求。而在电力市场环境下,其主要目标是在保证系统安全的情况下使各参与者的经济利益最大化。为了获得最大利益,必须实时地了解系统确切的运行状态和安全稳定裕度,最大可能地利用现有系统,在系统出现安全问题时快速地制定安全控制策略,尽量减小经济损失,或增加经济效益。电力市场的实行,使安全分析的环境有了很大变化。具体来说,可概括为以下几个方面:a.为了追求最大的经济利益,将尽可能平等地使用现有的设备,系统将运行在更加接近临界稳定点的状态,系统的安全裕度将变小。b.垂直垄断企业的解体,使发电、输电、配电等成为独立核算的实体,调度、控制等都必须依据平等、经济的原则,不再存在上下级的关系。c.为了各自的经济利益,远距离、大规模的功率传输大大增加。d.运行方式不能预先确定且变化频繁,要求能快速地进行安全分析并提出解决方案。e.市场的参与者众多,自由权增加,电力系统运行中的不确定因素增加。f.安全控制设备可能分散在不同的所有者手中。新环境必然会提出新要求,传统的安全稳定控制系统在某种意义上已不能适应电力市场的要求。本文对电力系统安全稳定控制系统在电力市场下面临的各种挑战作了简单的分析,并提出了电力市场下安全稳定控制系统的设想。1 面临的挑战电力系统安全稳定控制系统在电力市场下面临着许多挑战,如相关法律、规范的制定,输电阻塞的管理,系统状态和安全性的量化评估,各种经济指标的计算,方便、灵活的系统控制方法(FACTS),数据的测量、传输和建模,快速的计算方法,电力系统的规划和发展等,下面对之进行分析。111 相关法津、规范的制定任何一项改革都是社会利益的重新分配,会触动部分人或集团的利益,因而受到巨大的阻力,改革必须由政府强制推行。特别是电力行业的改革,涉及的资产非常庞大(如我国电力行业的资产占全国总资产的1/61),国际上,大多数国家的改革都是由国家元首亲自推动的。如在英国,是撒切尔夫人于1987年发布了进行电力改革的命令;在美国,也是布什总统于1992年颁布的能源政策法案启动了电力行业的市场化进程。竞争的市场在一般情况下会优化资源的分配,第21卷第9期2001年9月 电力自动化设备Electric Power Automation Equipment Vol.21 No.9Sep.2001 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/增进整个社会的福利,但市场这个“看不见的手”在经济活动中并不是万能的,在某些情况下,如不完全竞争的市场,不合理的竞争规则等,都会造成市场失灵2。电力系统由于其固有的特性,一般是垄断竞争的市场,因此必须靠政府这个“看得见的手”进行调控。政府必须通过制定相关的法律和市场规则,详细规定不同部门的责、权和利,促进公平、有效的竞争,并对市场作一定程度的监管。对于电力系统在电力市场环境下的安全控制来说,公平、合理、有效的规则是至关重要的。具体的,政府有以下两方面的职责:a.制定详细的市场规则,对保证系统安全稳定和已经出现的安全稳定问题的责任公平地分摊。注意,此规则必须保证能将相关的责任公平、合理地分摊,以激励有关加强系统安全稳定的投资和建设,增强系统的安全稳定性。b.监督市场规则的实施,若市场成员未履行其职责以致影响了系统安全稳定,应有一定的惩罚措施。112 输电阻塞的管理输电阻塞(Congestion)问题在电力系统中虽然一直存在,但这个术语是随着电力市场和双边交易的出现才产生的。如何解决输电阻塞问题,对电力系统的安全稳定有着重大的影响。在实行电力市场的国家和地区中,由于其社会、历史、经济条件不同,解决输电阻塞的方法也不尽相同,主要可分为预防方法和纠正方法两类3。预防方法是在实际运行前确定一种可以避免阻塞的调度方案,比如最优潮流法。纠正方法是在实时的运行中通过控制发电机的出力来防止阻塞,如分区法。预防方法不能从根本上消除阻塞,只能减少实时运行中阻塞发生的机率,在实际中,预防方法一般不能单独使用,必须与一种纠正方法联合使用。输电阻塞的解决方法无论对电力系统的短期安全稳定还是长期安全稳定,都有重大的影响。比如有A和B两个地区通过联络线连接,A区的电力比较充裕而负荷较少,B区的电力相对缺乏而负荷则比较重,因此潮流的方向一般是由A到B。若在A区和B区的联络线上发生了输电阻塞,不管用哪种阻塞处理方法,只要对A区的电厂和B区的用户收取较多的阻塞费用,而对B区的电厂和A区的用户收取较少的阻塞费用,在短期看,B区的用户会尽量减少电力消耗,而B区的电厂则会尽量多发电,这样便会减轻对联络线的压力并增强系统的短期安全稳定性;从长远看,采取这样的阻塞费用方案,会诱导投资者将新电厂建在B区而新负荷建在A区,因此从结构上增强了系统的安全和稳定。113 系统状态的量化评估在电力市场环境下,要快速地进行安全稳定分析并制定控制策略,就必须使调度员对系统的结构、当前的状态和稳定程度有一清晰的认识,因此必须对之进行量化评估,即用简单的、具体的数字来说明系统当前的状态,而不是模糊的安全与不安全、稳定与不稳定。与电力系统安全稳定控制相关的指标包括:a.发电能力指标。如LOLP为负荷超过可能的发电能力的可能性;LOEE为当负荷超过可能的发电能力时,不能被满足的负荷的大小。b.系统可靠性指标。如SAIFI为系统平均中断频率指标,CAIDI为用户平均中断时间指标。c.静态安全分析指标。如最大输送能力,电压稳定裕度指标,灵敏度指标等。d.暂态安全分析指标。如故障临界切除时间。前2种是反映整个系统满足用户需求情况的概率指标4,5,是在离线情况下根据统计数据计算的,主要用于电力系统的规划;后2种指标则是按确定性的方法计算的,目前基本上也都是离线计算。在电力市场环境下,离线的、定性的分析不再满足需要,一方面要研究快速的算法,根据系统的实时状态在线计算各种指标,另一方面要研究新的指标,能更全面、更准确地反映系统的安全稳定程度。114 各种经济指标的计算在电力市场环境下,经济性是第一目标,在保证系统安全稳定的同时,必须使各参与者的利益均达到最大化,从而达到整个电力行业利益的最大化。为了达到此目的,就要进行各种经济指标的分析、计算。11411 停电价格停电会给用户带来不便和经济损失。在制定系统的安全稳定控制策略时,必须同时考虑停电损失,选择对整个行业来说损失最小的方案。停电价格就是反映停电损失的一个指标,一般用统计的方法确定。11412 可靠性价格的计算为了达到不同的可靠性,系统的代价是不同的,因此对不同可靠性的用户,电价应该是不同的,高可靠性的用户应该支付较高的电价。如何区分不同可靠性的用户的电价,使其正确反映供电成本,是需要解决的问题。11413 安全控制辅助服务价格的计算6,7在垂直垄断的电力系统中,由于发、输、配等各个环节的所有设备都属于同一所有者,安全稳定性被看作提供电能的基本要求,进行安全稳定控制时,一般都没有详细考虑控制的代价;但在电力市场下,所有权分散到了不同的所有者中,进行安全控制的各种辅助服务,如调频、备用、电压控制等都不能再无偿获得,必须在双方(或多方)自愿的前提下按经济原则进行购买。因此,确定各方认可的公平合理的定价方案,是进行安全稳定控制的前提。05 电力自动化设备 2001年 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/11414 各种方案控制成本的计算实现控制目标,有多种方案,须对各种方案进行经济性分析、比较后选择控制成本最低的一种。115 方便、灵活的系统控制方法(FACTS)电力市场下,远距离、大容量的电力传输将会越来越多,潮流的变化也会越来越频繁、剧烈,对系统进行快速、灵活地控制就显得越来越重要。FACTS技术是提高输电容量,改善系统可控性的重要手段,这在电力市场下,显得尤其重要。除了传统的FACTS研究内容,如新型FACTS元件的开发,FACTS元件的建模,FACTS元的控制等,和电力市场有关的,还有以下几个方面:a.不同FACTS元件,特别是所有权分散在不同所有者手中时的协调控制。目前有一部分学者对FACTS元件的协调控制进行了研究,但大多没有考虑市场条件下的所有权分散的问题8,9。b.用FACTS元件进行安全稳定控制的经济性分析。FACTS元件并不是进行安全稳定控制的唯一手段。目前大多数FACTS元件的价格都比较昂贵。在市场化后,投资者必须,也必然会首先进行经济性分析,只有在安装FACTS元件能增加收益的情况下才会进行投资。116 数据处理和快速的计算、分析方法11611 数据的存储和分析电力市场下电力系统的安全稳定分析和控制要以大量的数据为基础。具体包括:系统静态数据,如网络拓扑结构,网络参数;实时运行数据;负荷预测信息;发电厂的报价信息;双边/多边交易的信息等。这其中,既包括静态历史数据,又包括动态实时数据,这些信息可能位于不同的位置,存储在不同的介质中,由不同的数据库系统管理。要实现对这些数据的综合分析,必须建立统一的数据模型和通信标准10,11,并利用数据仓库和数据挖掘技术1214对不同数据库中的数据进行统一管理。11612 实时的安全稳定分析和控制决策电力市场下,要进行在线的安全稳定分析,要求在很短的时间内对系统的安全稳定性进行评估,在发生安全稳定问题时,要很快地提供解决方案。现有的安全稳定分析大多是基于离线的分析,速度较慢,而部分的在线分析方法在精度上又不能满足系统的要求。在电力市场实际运行中,迫切需求快速的在线安全稳定分析和控制决策系统。已经有很多学者在这方面展开了研究15。11613 状态估计要实现在线分析,首先必须得到关于系统状态的准确数据。这就需要从EMS中获取数据,其中包括大量的冗余数据,并用状态估计的方法对系统状态进行估计。能量管理系统EMS在电力系统中应用已有很多年了,但在垄断的体制下,电力企业没有动力去研究和应用需要精确的实时数据的应用程序,状态估计的结果并不十分令人满意。电力市场下,实时的安全稳定分析对状态估计的精确性要求特别高,错误的或不良的、不精确的数据会给安全稳定分析带来严重的后果。状态估计要满足电力市场下实时安全稳定分析的要求,还有很多问题需要解决16。11614 并行计算的研究在确定控制策略时,要对多种方案进行分析、比较,计算量非常大,要快速得到最优的控制方案,必须利用多处理器进行并行计算17。11615 概率方法的应用电力系统运行中存在许多不确定因素,如天气、意外事故等。电力市场的实行,使发电厂的自由权增加,控制设备的所有权分散,系统运行方式的变化频繁且不可预知,不确定因素更加增多。进行安全稳定分析、控制时,必须结合概率的方法。11616 各应用之间的统一接口和数据通信电力系统安全稳定分析包括ATC计算1820、电压稳定分析、功角稳定分析、暂态安全稳定分析等多个模块,各模块之间有大量的数据交换。必须定义统一的接口进行通信,减少不必要的重复计算。11617 友好的人机界面分析的结果必须以可视、直观、简单的方式显示,帮助调度员快速地作出决定。117 电力系统的规划和发展a.建立激励投资体制,保证电力发展有足够的资金投入。在进行改革的初期,由于投资收益的不确定性,投资者可能会处于观望状态,如果没有相应的鼓励投资机制,电力投资必定会减少,在负荷增加的情况下,可能会大大减弱系统的安全稳定性。b.电力系统规划,包括电源规划和电网规划应满足安全稳定和经济要求。电源规划和电网规划两者是息息相关的,不能独立进行。但电力市场环境下,电源和电网分属于不同的所有者,应由谁来进行规划,如何进行规划?哥伦比亚采取由国家统一规划的方法,然后进行公开招标,但若某项目没有私人企业愿意投资,就必须由国家进行投资,这种方法可以保证电源和电网规划的一致性21。2 安全控制系统的组成在不同的市场模式下,安全稳定控制有不同的策略,但完整的电力系统安全稳定控制系统都应由以下几个部分组成。a.市场规则:合理的市场规则是保证系统安全的最基本的条件。市场规则要提供一种激励机制,在长期,保证电网的足够的投资和合理的结构,在短15第9期 荆朝霞,等:电力市场环境下电力系统安全稳定控制系统面临的挑战 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/期,使电网能被有效地使用,减少阻塞,在阻塞发生时,市场参与者能够主动地参与调节。b.数据采集和传输系统:数据采集和传输根据数据的来源和特点按不同的方式进行。比如实时网络数据从EMS中获得,而交易信息从交易中心获取。数据传输,也可以通过电力载波、微波、光纤或因特网等不同的媒介。c.数据库系统:安全稳定控制涉及的数据量多,来源不一,需要利用数据仓库技术进行管理。d.安全稳定分析系统:这是安全稳定控制的关键,而阻塞处理则是其核心。阻塞处理的方法不能一概而论,与具体的市场模式有很大的关系。e.执行系统:电力市场环境下的安全稳定控制执行系统与传统的系统没有本质的区别,市场环境下,对其速度、精度等的要求更高。以上几个部分之间的关系及信息的流向如图1所示。实际运行中,大量的RTU不断地从系统中采集各种实时数据并传送到EMS的实时数据库中。另外,系统中还存在网络参数数据库、电力交易信息数据库等,数据仓库对这些不同的数据库进行管理,在需要的时候抽取相应的数据根据系统运行规则进行经济分析和安全稳定分析,制定出满足系统安全稳定的最经济的控制策略,并将控制命令发送到各控制元件(可以是发电机、输电网、FACTS元件等)。3 结论电力系统的安全、稳定是保证电力市场平稳、经济运行的前提条件,但电力市场条件下,安全稳定控制系统仍然面临着规则的制定、阻塞处理、快速分析计算、灵活的系统控制等诸多挑战,对这些问题进行深入研究有着重大的意义。参考文献:1 赵忆宁.电力体制改革能否再快一点J.望新闻周刊,2000,(36):20-27.ZHAO Y i2ning.Can the power system reform be sped up.Out2lok Weekly,2000,(36):20-27.2 张培刚,厉以宁.宏观经济学和微观经济学M.北京:人民出版社,1980.ZHANG Pei2gang,LI Y i2ning.Macroeconomics and microeco2nomics.Beijing:Peoples Press,1980.3Christie R D,Wollenberg B F,Wangensteen I.Transmissionmanagement in the deregulated environmentJ.Proceedingofthe 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1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/18Ilie M D.Available transfer capability(ATC)and Its valueunder open access J.IEEE Trans.on Power Systems,1997,12(2):636-645.19Ejebe G C.Available transfer capability calculation J.IEEE Trans.on Power Systems,1998,13(2):1521-1527.20 Hamond G.Assessment of available transfer capability oftransmission systemsJ.IEEE Trans.on Power Systems,2000,15(1):27-32.21Hammons TJ,Corredor P H,Fonseca A M,et al.Competi2tive generation agreements in latin american systems withsignificant hydro generation J.IEEE Power EngineeringReview,1999,19(9):4-21.(责任编辑:戴绪云)作者简介:荆朝霞(1975-),女,河南巩义人,博士,主要从事电力市场方面的研究;段献忠(1966-),男,湖南冷水江人,博士,教授,主要从事电力系统分析,FACTS,计算机技术在电力系统中的应用和电力市场方面的研究。Challenges of Security Control System in Deregulated EnvironmentJING Zhao2xia,DUAN Xian2zhong(Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)Abstract:Security stability is very important in power systemoperation.With the deregulation of electricity in2dustry,the environment of security stability analysis and control is undergoing great changes,such as larger ca2pacity power transmission over longer distance,operation closer to security limit,more uncertainty factors,andso on.In this environment,the security control system of electric power system encounters many challenges.The situation is briefly analyzed and the concept of the security control system in electric power market is pro2posed.Key words:electric power system;electric power market;security control system(上接第36页)磁环网问题,其次是中低压侧短路容量大增,常常需更换大容量断路器而增加投资,同时继电保护的整定计算和配置复杂,故障切除时间较长,有可能发生中低压侧母线故障两台主变跳闸,而引起大面积停电事故。因此建议同一变电所两台主变的中低压侧分列运行,如条件允许,可在适当位置加装备用电源自投和低周低压减载装置,这样从根本上解决了中低压侧母线故障造成两台主变跳闸,可能引起的大面积停电事故,提高了用电可靠性。7 结束语从微机变压器保护发展的实际情况看,当前阶段,微机变压器保护选择一主一后、主后分开的方式,在技术上是可靠的,经济上是可行的。随着技术的发展及一次设备的完善,使用双跳圈开关,增加TA二次绕组,就有条件采用主后一体、两套完全独立的保护配置,能做到屏面布置简洁、回路清晰、投退更方便、独立性更强,且价格增幅不大,是今后主变微机保护发展的方向。参考文献:1 王维俭,侯炳蕴.大型机组继电保护理论基础M.第2版.北京:中国电力出版社,1997.WANGWei2jian,HOU Bing2yun.The theoretical foundationof large2scale generator2transformer set relay protection.Be2jing:China Electric Power Press,1997.2 陈德树.计算机继电保护原理与技术M.北京:水利电力出版社,1990.CHEN De2shu.Principle and technology of computer2baserlaly.Beijing:Hydraulic and Electric Power Press,1990.(责任编辑:戴绪云)作者简介:刘 群(1963-),男,河北临城人,工程师,从事继电保护运行管理工作;曹凯丽(1959-),女,湖南长沙人,高级工程师,从事继电保护运行管理工作。An Introduction to the Typical Design of Computer Transformer ProtectionLIU Qun1,CAO Kai2li1,WU Hui2xia2,G ONG T ong2mei2(1.Anhui Electric Power Dispatching Center,Hefei 230061,China;2.Zhengzhou Electric Power Bureau,Zhengzhou 450006,China)Abstract:According to the existing problems in the configuration and setting of transformer protection,andcombined with its typical configuration design of Anhui province,the aim,features and setting principles of dif2ferent protection configurations are deeply discussed.The choosing and configuration of the backup protection atboth HV and LV sides of main transformer are especially presented.The transformer operation modes and theon2off of TAs line2break interlock are discussed.In order to make the computer transformer protections moreconvenient in operation and maintenance,the concrete measures and improving ways are introduced in detail.Key words:transformer protection;typical design;configuration and setting35第9期 荆朝霞,等:电力市场环境下电力系统安全稳定控制系统面临的挑战