《輸電系統(tǒng)概率規(guī)劃》譯自 IEEE Fellow、加拿大工程院院士(CAE Fellow)和加拿大工程研究院院士(EIC Fellow)李文沅教授的專著 Probabilistic Transmission System Planning。基于深厚專業(yè)知識和長期工程實(shí)踐，面對電力系統(tǒng)中輸電系統(tǒng)概率規(guī)劃的諸多方面，作者在《輸電系統(tǒng)概率規(guī)劃》提出了若干新的模型和概念，尤其是大量工程應(yīng)用，為讀者展示了別開生面的思路和解決方法。 《輸電系統(tǒng)概率規(guī)劃》分為 12 章和 3 個(gè)附錄。除第 1 章外，內(nèi)容可分為如下四個(gè)部分：第 2～7 章全面系統(tǒng)地介紹輸電系統(tǒng)概率規(guī)劃中所涉及的主要概念、模型、方法和數(shù)據(jù)；第 8 章主要介紹在輸電系統(tǒng)概率規(guī)劃中使用模糊技術(shù)來處理數(shù)據(jù)的不確定性；第 9～12 章介紹輸電系統(tǒng)概率規(guī)劃中四個(gè)重要內(nèi)容的具體方法及其實(shí)際應(yīng)用(網(wǎng)架加強(qiáng)概率規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)元件退役概率規(guī)劃、變電站概率規(guī)劃和單回路送電系統(tǒng)概率規(guī)劃)；附錄介紹概率、統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)和可靠性評估的相關(guān)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識。
《輸電系統(tǒng)概率規(guī)劃》理論分析透徹，所舉實(shí)例均來自工程實(shí)際項(xiàng)目，可供電力工程技術(shù)人員、管理干部和科研工作者參考，也可作為高等院校教師、研究生、高年級學(xué)生以及有關(guān)各類研討班的參考教材。
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(wù)
輸電規(guī)劃的*根本目的是盡可能經(jīng)濟(jì)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(qiáng)方案及其實(shí)施時(shí)間。制定老化設(shè)備退役和更換的決策也是輸電規(guī)劃的一個(gè)重要任務(wù)。
促使輸電系統(tǒng)發(fā)展的主要因素如下：
（1）負(fù)荷增長；
（2）新電源；
（3）設(shè)備老化；
（4）商業(yè)機(jī)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(fù)荷和獨(dú)立發(fā)電商（independent power producer，IPP）的接入；
（8）新的過網(wǎng)服務(wù)要求。
大多數(shù)輸電發(fā)展項(xiàng)目的動因是前三個(gè)因素，即負(fù)荷增長、新電源和設(shè)備老化。傳統(tǒng)電力公司是垂直結(jié)構(gòu)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(jìn)行規(guī)劃。自20世紀(jì)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(yùn)營、規(guī)劃和管理也由這些公司分別負(fù)責(zé)。本書著重于輸電系統(tǒng)的概率規(guī)劃，假定關(guān)于電源的信息是已知的。
據(jù)規(guī)劃時(shí)段不同，輸電規(guī)劃可以分為以下三個(gè)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?yàn)樵谶@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(shí)際信息對長期規(guī)劃中提出的初步考慮進(jìn)行修正，并將研究結(jié)果用于指導(dǎo)短期規(guī)劃項(xiàng)目。短期規(guī)劃處理的是必須在10年內(nèi)要解決的問題，需要對具體規(guī)劃方案進(jìn)行深入研究和比較，這一階段的規(guī)劃研究應(yīng)該為規(guī)劃項(xiàng)目提供資金預(yù)算計(jì)劃。
輸電規(guī)劃包括如下任務(wù)：
（1）確定電壓等級；
（2）網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)；
（3）變電站主接線結(jié)構(gòu)；
（4）無功源規(guī)劃；
（5）負(fù)荷或獨(dú)立發(fā)電商接入規(guī)劃；
（6）設(shè)備規(guī)劃（備用、退役、更換）；
（7）新技術(shù)選擇（輕型高壓直流（high-voltage direct current，HVDC）技術(shù)、柔性
交流輸電（flexible AC transmission system，F(xiàn)ACTS）技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、基于廣域測量
系統(tǒng)（wide-area measurement system，WAMS）的技術(shù)；
（8）網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)方案和特殊保護(hù)系統(tǒng)的比較。
一個(gè)輸電規(guī)劃項(xiàng)目可能涉及上述一個(gè)或多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都需要進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會和政策上的評估。僅技術(shù)評估就包括空間和時(shí)間多方面的考量，需要進(jìn)行大量的研究，研究范圍涵蓋負(fù)荷預(yù)測、潮流計(jì)算、預(yù)想故障分析、**潮流計(jì)算、電壓和暫態(tài)穩(wěn)定分析、短路分析、可靠性評估。從本質(zhì)上說，這些研究是對多年后的情況進(jìn)行仿真模擬，其目的是對各規(guī)劃方案進(jìn)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(yùn)行。各系統(tǒng)狀態(tài)和運(yùn)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(jìn)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(jìn)行篩選。
輸電規(guī)劃是極其復(fù)雜的問題，在系統(tǒng)建模時(shí)通常分為幾個(gè)子問題考慮，因此需要在子問題間進(jìn)行協(xié)調(diào)。在此過程中，系統(tǒng)規(guī)劃工程師的判斷和預(yù)選的可行方案在協(xié)調(diào)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(shí)這些方法只是解決一個(gè)或多個(gè)特定子問題的技術(shù)。我們必須認(rèn)識到：僅基于一個(gè)**化模型來做系統(tǒng)加強(qiáng)方案是不現(xiàn)實(shí)的，事實(shí)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(jìn)行篩選時(shí)，必須考慮負(fù)荷水平、電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、發(fā)電模式、系統(tǒng)元件的可用度、設(shè)備在不同季節(jié)下的額定參數(shù)、可能的開關(guān)切換、保護(hù)與控制措施等因素。通常用兩種方法進(jìn)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(dǎo)致的后果。概率法相對較新，雖然已有將概率法應(yīng)用于輸電規(guī)劃的研究和工作，但目前尚未在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)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(jìn)行隨機(jī)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(jié)合做出規(guī)劃決策。
1.1.2傳統(tǒng)規(guī)劃準(zhǔn)則
為確保系統(tǒng)發(fā)展的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，傳統(tǒng)的輸電規(guī)劃準(zhǔn)則分為***、區(qū)域級和公司級。著名的北美電力可靠性管理機(jī)構(gòu)（North American Electric ReliabilityCorporation，NERC）可靠性準(zhǔn)則就是一個(gè)很好的例子，其包括以下部分：
（1）電源與負(fù)荷需求平衡；
（2）關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)；
（3）通信；
（4）應(yīng)急準(zhǔn)備和運(yùn)行；
（5）裝置設(shè)計(jì)、連接和維護(hù)；
（6）互聯(lián)調(diào)度和協(xié)調(diào)；
（7）聯(lián)網(wǎng)可靠性運(yùn)行和協(xié)調(diào)；
（8）建模、數(shù)據(jù)和分析；
（9）核能；
（10）員工績效、培訓(xùn)和資格；
（11）保護(hù)與控制；
（12）輸電運(yùn)行；
（13）輸電規(guī)劃；
（14）電壓與無功。
可以看出，這一準(zhǔn)則涵蓋了廣泛的領(lǐng)域，遠(yuǎn)超出輸電規(guī)劃的范疇。應(yīng)該認(rèn)識到：輸電規(guī)劃的準(zhǔn)則并不局限于輸電規(guī)劃本身，而應(yīng)與上述各方面準(zhǔn)則聯(lián)系起來，這一原則非常重要。
傳統(tǒng)輸電規(guī)劃準(zhǔn)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(dāng)某一元件發(fā)生故障或停運(yùn)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(jì)劃的負(fù)荷削減、暫態(tài)不穩(wěn)定和電壓不穩(wěn)定。NERC準(zhǔn)則還包括在規(guī)劃中對兩個(gè)或兩個(gè)以上元件停運(yùn)的情況下的系統(tǒng)運(yùn)行要求。然而，由于多元件停運(yùn)的組合數(shù)目太大，實(shí)際中僅能對少數(shù)重要的多元件停運(yùn)狀態(tài)進(jìn)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(gè)等級來提供所需的電力傳輸容量，同時(shí)又不會引起不合理的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)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(shí)，就需要通過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的分析建立新的電壓等級。
3）設(shè)備的額定值
設(shè)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(shè)備制造商或按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)決定。輸電設(shè)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(guān)、靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置（static VAR compensator，SVC）、靜態(tài)同步補(bǔ)償器（static synchronouscompensator，STATCOM）、高壓直流輸電設(shè)備、母線和繼電保護(hù)裝置。
4）系統(tǒng)運(yùn)行限值
除了設(shè)備額定值，系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)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(gè)區(qū)域間能夠通過區(qū)域界面?zhèn)鬏數(shù)碾娏θ萘俊^(qū)域界面通常包括一組傳輸線。傳輸能力涉及兩個(gè)術(shù)語：總傳輸能力（totaltransfer capability，TTC）和可用傳輸能力（available transfer capability．ATC）[4]。可用傳輸能力可由下式得到，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(nèi)，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(yù)留的傳輸容量裕度；己占用的輸電能力（existing transmissioncommitment，ETC）指輸電服務(wù)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(guān)，還與穩(wěn)定性限值有關(guān)。
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(shí)，接入輸電系統(tǒng)的各類互聯(lián)設(shè)備大量增加，包括發(fā)電設(shè)備、傳輸設(shè)備和終端用戶設(shè)備。發(fā)電設(shè)備不僅包括發(fā)電機(jī)，還包括獨(dú)立發(fā)電商和可再生能源。互聯(lián)項(xiàng)目需要進(jìn)行大量的可行性、系統(tǒng)影響和設(shè)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(shù)問題相關(guān)，還與監(jiān)管政策和商業(yè)模式密切相關(guān)。
7）保護(hù)和控制
某些輸電規(guī)劃項(xiàng)目中，合理的保護(hù)與控制方案能夠保證系統(tǒng)安全．同時(shí)避免增加一次設(shè)備，大大減少了資本投入。除了傳統(tǒng)的保護(hù)與控制方案，特殊保護(hù)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(hù)系統(tǒng)有時(shí)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(hù)系統(tǒng)都必須符合可靠性標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)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(yīng)用。然而，目前廣域測量系統(tǒng)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)尚未建立。
8）數(shù)據(jù)和模型
所有關(guān)于規(guī)劃的研究都需要用充分而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和模型，包括用于靜態(tài)和動態(tài)仿真的內(nèi)部與外部模型。獲得負(fù)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(diào)。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(jì)分析準(zhǔn)則
一般而言，有不止一個(gè)規(guī)劃方案能夠滿足輸電規(guī)劃的技術(shù)要求，因此需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析以確定哪個(gè)方案總成本**。總成本包括資本投入和運(yùn)行成本。在傳統(tǒng)的輸電規(guī)劃中，經(jīng)濟(jì)分析不考慮不可靠性成本。成本分析需要在長達(dá)多年的規(guī)劃期內(nèi)進(jìn)行。由于無法準(zhǔn)確預(yù)測未來的經(jīng)濟(jì)參數(shù)，通常需要進(jìn)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(zhǔn)則。大多數(shù)傳統(tǒng)規(guī)劃準(zhǔn)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(zhǔn)則，除了單一無件故障，還需考慮多元件同時(shí)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(jié)構(gòu)、負(fù)荷預(yù)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(yù)想故障分析、穩(wěn)定性評估），還需進(jìn)行概率方法的研究（概率潮流、概率的預(yù)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(guān)鍵步驟。
（5）不可靠性成本評估是全局經(jīng)濟(jì)分析的關(guān)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(jì)分析具有概率特征，還可以考慮經(jīng)濟(jì)參數(shù)中的不確定因素。
需要實(shí)施輸電系統(tǒng)概率規(guī)劃的原因如下[6-8]：
（1）確定性準(zhǔn)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(jī)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(jì)，那么即使這是一宗惡性事故，其后果也可忽略不計(jì)。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(yán)重，但卻時(shí)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(fēng)險(xiǎn)的后果。概率規(guī)劃不僅能夠識別事故的嚴(yán)重程度，還能識別其發(fā)生的可能性。
（2）確定性準(zhǔn)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(fù)荷的狀態(tài)通常被認(rèn)為是一種*壞的情況
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