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電力系統(tǒng)可靠性的概念

廣義的電力系統(tǒng)可靠性包括兩類含義：一是充裕度，即考慮所有時間段各類型發(fā)電資源的有效容量以及各種需求負(fù)荷特性的情況下，電力系統(tǒng)作為整體供應(yīng)負(fù)荷的能力，充裕度是面向未來的、考慮各個環(huán)節(jié)概率特性的規(guī)劃層面的問題；二是安全性，即考慮各類系統(tǒng)擾動情況下，電力系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的能力，安全性是面向運(yùn)行層面的問題。本文論述的電力系統(tǒng)可靠性指大電網(wǎng)（不含配電網(wǎng)）的發(fā)電充裕度。

電力系統(tǒng)可靠性管理體系要素

可靠性標(biāo)準(zhǔn)

電力系統(tǒng)可靠性的標(biāo)準(zhǔn)是指在特定區(qū)域供電能力的下限。電力系統(tǒng)可靠性是通過定量的可靠性指標(biāo)來度量的，評價電力系統(tǒng)可靠性的典型指標(biāo)包括電力不足概率（Loss of Load Probability,LOLP）、電力不足時間期望（Loss of Load Expectation,LOLE）、電量不足期望（Expected Energy Not Supplied，EENS）等。例如，采用電力不足時間期望值LOLE作為可靠性標(biāo)準(zhǔn)，可以表述為“某省LOLE不得高于2小時/年”，即該省的可靠性標(biāo)準(zhǔn)為全年缺電時間不能超過2小時。

目前，國內(nèi)用于精確計算頂峰容量和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的規(guī)劃用可靠性標(biāo)準(zhǔn)尚不明確，而這個標(biāo)準(zhǔn)是基于可靠性對電源進(jìn)行規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)性評估的重要基礎(chǔ)和邊界，如果沒有可靠性標(biāo)準(zhǔn)，電源規(guī)劃就沒有辦法回答“未來需要建設(shè)什么類型的電源以及各類型裝機(jī)需要多少才能夠滿足供電”這樣的問題。如果采用極端的100%可靠的規(guī)劃方法，考慮到系統(tǒng)最高凈負(fù)荷（95%以上）需求通常只持續(xù)很少（1%以下）的時間，那勢必會造成大量提供有效容量的裝機(jī)資產(chǎn)在大部分時間里都處于閑置狀態(tài)，造成社會資源的浪費(fèi)和用戶綜合用能成本的升高。

可靠性管理

電力可靠性管理主要是對已運(yùn)行的電力系統(tǒng)及主要設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計與管理，例如所有在運(yùn)發(fā)電設(shè)備、輸電設(shè)備的計劃停運(yùn)率、非計劃停運(yùn)率、燃料保障情況等，這些數(shù)據(jù)能夠?qū)Ω鞣N設(shè)備進(jìn)行概率特性的建模，是可靠性評估環(huán)節(jié)的重要輸入?？煽啃怨芾磉€包括擬定電力行業(yè)可靠性管理的標(biāo)準(zhǔn)、準(zhǔn)則，電力行業(yè)各項(xiàng)可靠性信息的采集、統(tǒng)計、分析，電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的監(jiān)督等。

可靠性評估

電力系統(tǒng)可靠性評估主要包括研究電力系統(tǒng)可靠性的評價方法、模型，對電力系統(tǒng)規(guī)劃的設(shè)計方案進(jìn)行可靠性與經(jīng)濟(jì)性比較分析等。電力系統(tǒng)可靠性評估中最關(guān)鍵的就是如何計算并網(wǎng)的全部發(fā)電機(jī)組按可接受標(biāo)準(zhǔn)及期望值要求時滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷電力和電量需求的能力，即在特定的電源結(jié)構(gòu)、負(fù)荷需求、外來/送電、一次能源供應(yīng)，并考慮電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)不確定性的情況下，所計算的可靠性指標(biāo)能否滿足可靠性標(biāo)準(zhǔn)?？煽啃栽u估環(huán)節(jié)中最為關(guān)鍵的輸出指標(biāo)是各類可靠性指標(biāo)，如前述電力不足時間期望值LOLE、電量不足期望值EENS等。此外，可靠性評估也需要回答“不同的電源規(guī)劃方案能夠?qū)⑾到y(tǒng)可靠性提升到什么程度”的問題。

可靠性規(guī)劃

面向可靠性的規(guī)劃旨在解決“在未來何時、何地、建設(shè)何種類型和多大規(guī)模電源以滿足特定可靠性標(biāo)準(zhǔn)”的問題。傳統(tǒng)的可靠性規(guī)劃主要是針對發(fā)電電源，更廣義的可靠性規(guī)劃也包括骨干輸電通道規(guī)劃、負(fù)荷側(cè)可調(diào)節(jié)資源、儲能設(shè)施的規(guī)劃。可靠性規(guī)劃的重要依據(jù)是可靠性指標(biāo)，在達(dá)到可靠性指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，選擇最經(jīng)濟(jì)的源網(wǎng)荷儲的綜合規(guī)劃方案。

可靠性規(guī)劃確定后，可通過設(shè)計市場化手段獲取相應(yīng)的資源，例如根據(jù)特定電源的收入需求，評估未來電能量市場收入的基礎(chǔ)上，合理設(shè)計容量成本回收機(jī)制，以保障發(fā)電企業(yè)投建電源的經(jīng)濟(jì)性。在優(yōu)先采取的市場化手段無法實(shí)現(xiàn)容量充裕度目標(biāo)時，可采取行政性手段強(qiáng)制建設(shè)容量資源，但需要做好成本分?jǐn)偟脑O(shè)計。

評估電力系統(tǒng)可靠性的技術(shù)手段

電力系統(tǒng)可靠性評估是電力可靠性管理的核心環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)未來合理規(guī)模的電源規(guī)劃的技術(shù)保障。國內(nèi)外電力系統(tǒng)可靠性評估方法主要分為三大類：仿真法、解析法和事故枚舉法。

仿真法

仿真法一般基于蒙特卡羅、馬科夫鏈等理論模擬電力系統(tǒng)的不確定性。仿真法通過模擬電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中發(fā)電側(cè)和輸電側(cè)設(shè)備的故障、老化過程，統(tǒng)計在仿真時間內(nèi)電力系統(tǒng)的失負(fù)荷次數(shù)和影響范圍來獲取可靠性指標(biāo)。該方法能夠模擬元件的復(fù)雜壽命過程和復(fù)雜電網(wǎng)運(yùn)行過程，能充分計及元件的非指數(shù)分布的修復(fù)時間和重疊故障，為客觀評價不同狀態(tài)下電網(wǎng)的可靠性提供了有效工具。采用仿真法既可以提供可靠性指標(biāo)的期望值，又能得到指標(biāo)的概率分布，易于察覺某些發(fā)生概率小但對系統(tǒng)影響大的事件。

解析法

解析法的主要思路是通過對各元件故障產(chǎn)生的影響分析，列出全部可能的故障影響事件，再據(jù)此綜合得出各負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)以及系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。解析法存在一些不足，主要表現(xiàn)在：難以模擬具有多種故障特性的電力元件，僅適用于電力元件的狀態(tài)概率呈指數(shù)分布的情況；不能計及節(jié)點(diǎn)負(fù)荷特性的變化；不易求解失負(fù)荷頻率相關(guān)指標(biāo)等。

事故枚舉法

構(gòu)造電力系統(tǒng)可能的事故，對事故進(jìn)行排序，形成預(yù)想事故集合。從預(yù)想事故集合中選取一個事故，測試這個事故是否能立刻引發(fā)系統(tǒng)故障，判斷是否發(fā)生系統(tǒng)級別失負(fù)荷。如果發(fā)生，則采取措施進(jìn)行矯正。如矯正后，依然會發(fā)生負(fù)荷消減的情況，則記錄該事故導(dǎo)致的負(fù)荷削減量。通過構(gòu)造這種事故和失負(fù)荷的關(guān)系，統(tǒng)計計算形成該負(fù)荷水平下的可靠性指標(biāo)。

從世界各國工程領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用情況來看，基于仿真法的電力系統(tǒng)可靠性評估軟件是主流，主要考慮到三個方面：一是仿真法是模擬實(shí)際電力系統(tǒng)的時序運(yùn)行過程，能夠考慮發(fā)電機(jī)組和輸電網(wǎng)的物理約束，特別是能夠同時考慮發(fā)電容量短缺和輸電網(wǎng)輸送能力限制造成的失負(fù)荷；二是能夠適應(yīng)電力市場環(huán)境下的可靠性評估，即在仿真模型中加入電力市場的出清優(yōu)化算法，并能夠量化對發(fā)電的經(jīng)濟(jì)持留、用電側(cè)的電價響應(yīng)等市場主體的經(jīng)濟(jì)行為對系統(tǒng)物理供電的影響；三是面向新能源高穿透率的電力系統(tǒng)新常態(tài)，需要重點(diǎn)對新能源的出力概率特性進(jìn)行建模，例如連續(xù)3日光伏發(fā)電功率小于其裝機(jī)10%的概率，仿真法具有較好的對新能源的時序特性的概率建模能力。

北美電力系統(tǒng)可靠性管理經(jīng)驗(yàn)

北美具有較為完備的電力系統(tǒng)可靠性管理體系。北美電力可靠性委員會（North American Electric Reliability Corporation，NERC）是北美電力系統(tǒng)可靠性管理的核心機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)北美地區(qū)美國、加拿大和墨西哥的可靠性管理，NERC負(fù)責(zé)可靠性標(biāo)準(zhǔn)的制定，進(jìn)行滾動的季度、每年和多年的可靠性評估，并對電力系統(tǒng)可靠性進(jìn)行監(jiān)測和監(jiān)管，收集和統(tǒng)計發(fā)輸電設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)。

在美國，NERC具有下屬西部、中西部、PJM區(qū)域、東北部、得州、西南部六個區(qū)域可靠性委員會，每個可靠性委員會負(fù)責(zé)各區(qū)域的可靠性管理工作。

具體執(zhí)行可靠性規(guī)劃是由各電力市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)完成。比如紐約電力市場就是由NYISO運(yùn)營紐約州的電力市場，具有電力市場和系統(tǒng)運(yùn)行、電力系統(tǒng)規(guī)劃、電力交易和市場監(jiān)測的職能。NYISO構(gòu)建了綜合電力系統(tǒng)規(guī)劃體系（CSPP），該體系中包括可靠性規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)性規(guī)劃和公共政策輸電網(wǎng)規(guī)劃。其中可靠性規(guī)劃是整個規(guī)劃體系的第一個環(huán)節(jié)，即針對保證紐約州的電力系統(tǒng)可靠性的規(guī)劃。

NYISO的可靠性規(guī)劃的目標(biāo)是要滿足東北部區(qū)域可靠性委員會制定的電力系統(tǒng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)采用LOLE指標(biāo)，要求紐約州缺供負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)為10年中不超過1天或不超過0.1天/年，并以此作為可靠性規(guī)劃的邊界。NYISO每3年進(jìn)行未來5年的可靠性評估和容量充裕度規(guī)劃。基本流程包括四個步驟：一是進(jìn)行未來5年每年的負(fù)荷預(yù)測，構(gòu)建負(fù)荷模型；二是梳理確定性的發(fā)電資源，例如每年中的在運(yùn)機(jī)組、退役機(jī)組、在建設(shè)隊(duì)列中的新建機(jī)組等，并構(gòu)造所有類型電源的概率模型；三是采用基于仿真法的可靠性評估軟件，對未來每年的紐約州電力系統(tǒng)可靠性進(jìn)行評估，量化計算可靠性指標(biāo)（如LOLE、EENS），以識別州內(nèi)11個分區(qū)以及州整體的可靠性是否達(dá)到要求的可靠性標(biāo)準(zhǔn)（0.1天/年）；四是在達(dá)不到可靠性標(biāo)準(zhǔn)的情況下，根據(jù)增加發(fā)電機(jī)組、實(shí)施需求側(cè)管理以及輸電網(wǎng)建設(shè)等多種可行規(guī)劃方案，在滿足可靠性標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)的可靠性規(guī)劃方案組合。

國內(nèi)電力系統(tǒng)可靠性管理的相關(guān)建議

面對新能源裝機(jī)快速增長、負(fù)荷仍然維持較高速度增長、但具備調(diào)節(jié)性能力的傳統(tǒng)電源由于運(yùn)營環(huán)境變化投資意愿不強(qiáng)的形勢，我國電力系統(tǒng)的可靠性在“十四五”乃至更長一段時期內(nèi)將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，對此，筆者提出如下三方面建議：

一是抓緊制定電力系統(tǒng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)，并以此作為電力系統(tǒng)規(guī)劃的邊界。電力系統(tǒng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)是電源規(guī)劃工作的關(guān)鍵邊界，未來任何時間周期的電源規(guī)劃應(yīng)以滿足可靠性標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)?？煽啃詷?biāo)準(zhǔn)可分為國家標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)。國家層面應(yīng)提出可靠性標(biāo)準(zhǔn)制定的原則和依據(jù)，國家可以提出基本的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，即宏觀的可靠性指標(biāo)下限。在地方層面，應(yīng)根據(jù)不同省或區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、電量增長情況、用戶失電成本等，提出滿足地方可靠性需求的標(biāo)準(zhǔn)?？煽啃詷?biāo)準(zhǔn)不能“一刀切”地要求100%可靠性要求，造成資源的浪費(fèi)和用戶綜合用電成本的不合理上升。

二是同步構(gòu)建可靠性監(jiān)管體系，定期統(tǒng)計和監(jiān)測各類可靠性指標(biāo)。電力系統(tǒng)可靠性應(yīng)由專門的政府主管部門進(jìn)行監(jiān)管。在規(guī)劃環(huán)節(jié)，應(yīng)根據(jù)可靠性標(biāo)準(zhǔn)，評估合理的電源規(guī)劃方案；定期統(tǒng)計和監(jiān)測各地區(qū)電力系統(tǒng)可靠性的實(shí)際指標(biāo)，進(jìn)行失電根因分析；在新的規(guī)劃周期，應(yīng)對歷史的電源規(guī)劃方案進(jìn)行效果分析，對容量過度冗余或緊缺都應(yīng)分析原因并在新規(guī)劃方案中予以糾正。

三是盡快建立適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的可靠性評估方法體系。建立面向以新能源為主的新型電力系統(tǒng)的可靠性評估方法。首先，建立可靠性評估的方法和流程，包括電源規(guī)劃的周期、采用的可靠性評價指標(biāo)體系、可靠性指標(biāo)的計算方法等。其次，建立基于仿真法的可靠性評估工具，以新能源為主的新型電力系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的主要特征是新能源占比高和靈活性資源潛力大，仿真法對于新能源的時序特性、儲能、可調(diào)節(jié)負(fù)荷等有較為靈活的建模能力。隨著電力現(xiàn)貨市場的快速推進(jìn)，對各類資源的調(diào)控方式具有更強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)特征，仿真法也能夠?qū)Ω鞣N基于價格的發(fā)、儲、荷側(cè)的功率響應(yīng)進(jìn)行建模。最后，建立標(biāo)準(zhǔn)化和透明的可靠性評估數(shù)據(jù)體系，需形成政府、發(fā)電和電網(wǎng)的聯(lián)合工作組，共同進(jìn)行數(shù)據(jù)體系的搭建。

作者：

國能經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 柴 瑋

中國華能集團(tuán)能源研究院     盛韻穎

本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》（上旬）2022年2期

原標(biāo)題：從標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)管、評估三方面助力提升電力系統(tǒng)可靠性