清华大学电力系统不确定性分析课件---概述_799108034

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一些统计数字…… 世界范围内的重大停电事故的原因统计
天灾：雷电、暴风雪、太阳风暴、鼠害等 人祸：电力设备的人为破坏，运行人员的误操 作 电网本身的问题：设备老化，负荷增长过快带 来的电力短缺。（近年来的几次重大停电事故 往往伴随高温天气带来的负荷急剧增加） 统计表明，上述三类原因大约各占1/3
——概率风险分析
综合考虑后果和发生概率的风险评估方法 是电力行业向航空、核工业借鉴的新兴方 向（代表作：李文沅的学术专著《 Risk Assessment of Power Systems》）
风险＝
Σi(事故i发生的概率×事故i的后果)
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风险（Risk）的感性认识
预测防范
•大概率 •预测评估 •防范措施
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电力系统不确定性因素
——传统电力工业中不确定性来源及起作用因素
计划和运行中发输配用各个环节的不确定性 发电可用性 ：非计划停运； 设备故障； 继电保护误动 或拒动；经济因素—燃料价格、市场价格；备用可用性； 无功功率需求；气象变量如降雨量、水电可用性；环境 法规包括热排放限制。 传输容量：线路额定值；天气因素如周围环境温度、风 和冰暴；地球物理学事件如雷电、地震、地磁暴；非计 划停运和设备失效（故障）、区域间功率交换。 负荷：与天气有关的因素如温度和年降雨量；经济因素 如经济增长率；突发事件；新型电子控制负荷，负荷功 率因素的变化。 配电系统：设备失效（故障）；非计划停运；经济因素 如配电类型、甩负荷政策；与天气有关的因素如环境温 度。
研究趋势
由确定性研究转向不确定性研究的文献数量剧增 由单一不确定性转向多重不确定性 不确定性研究渗透到越来越多的领域
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电力系统的不确定性
——电力系统是什么样的系统？
大系统与小系统？大机组、大电厂、大电网、 大电流、高电压/独立电力系统、分布式发电、 微型电力系统 广域系统：国际、省际、…千家万户 集中与分散？ 静态与动态系统？ 线性与非线性系统？ 强大与脆弱系统？ 确定性与不确定性系统？
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电力系统不确定性因素
——新的不确定性来源（2）
新能源及分布式发电
分布式发电目前主要有风电、光伏电池、燃料电池和小（微） 型燃气轮机发电 与传统计划的、有效控制的发电能源相比，这些电源接入与退 出电网是随机的，其随机性比传统能源大得多；
风电场输出功率的波动性和间隙性，潮流可能双向流动；
社，2007
参考书：
TB114 TM7 可靠性工程原理方面的书籍 电力系统分析方面的书籍
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教学要求
掌握电力系统不确定性分析的基础知识 通过分组讨论和学术报告，培养文献调 研、合作学习的科研能力 通过适量外文阅读，提高外文阅读能力 考核方式：
写学术论文或翻译占30% 平时作业20% 最后的随堂考试占50%
五朵金花(模型结构)
单目标规划 多目标规划（MOP: Multi-Objective Programming ） 目标规划（GP: Goal Programming ） 动态规划（DP: Dynamic Programming ） 多层规划（MLP: Multi-Level Programming）
电力系统的不确定性研究
——可靠性分析
电力可靠性研究是电力系统不确定性研究 的主要领域
第一层 第二层
发电系统可靠性评估 发输电合成系统可靠性评估
输电系统可靠性评估
发电厂变电所电气 主接线可靠性评估 第三层 电力系统可靠性评估
配电系统可靠性评估
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电力系统的不确定性研究
——其它的不确定性分析
电力系统经典分析的不确定性扩展
太阳光发电依赖日照状况； 微型燃气轮机，“即插即用”； 目前缺乏考虑其性能细节及装置模型，特别是动态模型的信息。
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电力系统不确定性因素
——新的不确定性来源（3）
电力重组带来的新市场、市场手段、交易结构、及 市场力引起的不确定性和相关问题
市场交易带来日常运行的不确定性。发电厂竞价上网 使众多参与者的利益最优化引起的运行风险（使系统安全性 下降）的不确定性 维持长期可靠性（缺乏中央协调）的不确定性 把不稳固的传输作为一种服务引起的问题 阻塞的处理，尤其是由瞬时变化的潮流或远距离地区间的功 率交换引起的阻塞
应急响应
•小概率 •短时 •快速响应
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善后处理
•RCA事故根源分析 •责任划分 •赔偿与系统重建
养兵千日
追根溯源
电力系统的不确定性研究 研究不确定性的目的：
掌握不确定性因素对系统的影响作用规律 探索不完整信息基础上的决策方法 消除不确定性因素的不利影响
不确定性
确定性
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课程特点 研究型课程 信息新，有可探索和置疑的地方 信息量大，需要充分投入学习 研讨特性，老师和同学的交互性 学习重点在于研究方法的掌握，研究思 想的体会，而不仅仅关注某些知识点的 学习
随机性 模糊性 不确知性
不 确 知 性 数 学
模 糊 数 学
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经 典 概 率 论
不 确 定 性 数 学
不确定理论与不确定规划
三大名模(建模机理)
期望值模型（EVM: Expected value Model） 机会约束规划模型(CCP: Chance-Constrained Programming) 相关机会规划模型(DCP: Dependent-Chance Programming)
金陵十二钗(系统信息)
随机变量、模糊变量、粗糙变量、随机模糊变量、模糊随机变量、 随机粗糙变量、粗糙随机变量、模糊粗糙变量、粗糙模糊变量、 双随机变量、双模糊变量、双粗糙变量
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不确定理论与不确定规划
系统信息（I） 双重粗糙 双重模糊 双重随机 粗糙模糊 模糊粗糙 粗糙随机 随机粗糙 随机模糊 模糊随机 粗糙 模糊 随机 单目标规划 多目标规划 目标规划 动态规划 多层规划 期望值模型 机会约束模型 相关机会模型 建模机理（P）
一些统计数字……
根据粗略的统计，从1965年以来，世界范围内的 重大停电事故超过60起 涉及的国家包括：
美国、英国、意大利、加拿大、西班牙、瑞典、希腊 、新加坡、挪威、土耳其、智利、孟加拉国、澳大利 亚、马来西亚、芬兰、格鲁吉亚、阿根廷、阿尔及利 亚、菲律宾、印度、尼日利亚、法国、埃及…… 遍及6大洲（所幸南极洲还没有☺） 无论是发达国家，还是发展中国家，都免不了遭受停 电之灾
模型结构（S）
Sourced from: Baoding Liu （刘宝碇）
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Introduction to Uncertain Programming
对不确定性的研究趋势
理论发展
概率方法是目前研究最深入、应用最广泛的数学工具 模糊数学的概念日益得到应用 新兴的粗糙集理论、证据理论、集对数等在不确定性 研究上显示出强大的生命力
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电力系统脆弱性（vulnerability）及其根源
外 部 内 部
故 意 的 人 为 自然灾害 破坏
网络
市场 通信
信息 决策
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近年来世界范围内的大停电事故
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飓风“艾琳”持续肆虐美东地区并于 2011年8月28日上午登陆纽约，这场被 奥巴马称为“极其危险”的飓风已经迫 使美东地区两座核电站关闭（卡尔弗特 悬崖核电站、奥伊斯特河核电站），并 2011年3月11日下午，日本发生里 有大约三百万户家庭和企业遭遇大停电。 氏8.8级特大地震。受地震影响 2010年6月26日，菲律宾大马尼拉 区大部分地区和附近几个省发生大 规模停电。停电导致交通等失灵， 造成大马尼拉区主要街道交通堵塞 严重。三条高架电车也因停电停止 运行，数以万计的乘客滞留在车站 内，导致交通混乱。
电力系统不确定性分析
课程概述
内容提要
确定性&不确定性
电力系统的不确定性与风险分析 本课程教学的内容、方法与要求
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系统的确定性/不确定性(Uncertainty)
确定性
不确定性
系统行为的 必然性、可预测性
系统行为的 偶然性、不可预测性
一定的条件 初始条件 边界条件
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不确定性分类
不确定性
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电力系统不确定性因素
——新的不确定性来源（1）
多变的运行模式带来的不确定性
举例： 可用传输容量（Available Transfer Capability-ATC） ATC=TTC-TRM-CBM-ETC
TTC是总的传输容量，是给定的满足所有规定的可靠性约束的互联传 输系统的传输极限（或最大传输能力）的量度。 TRM是输电可靠性裕度。是系统不确定性因素对互联网络传输能力影 响的量度。 CBM是容量效益裕度，是供电实体保留的输电能力，以保证从互联系 统取得的发电量能满足发电可靠性要求。 ETC是现有的输电协议（包括零售用户）占用的输电能力 ATC计算中不确定性和误差有多种：缺乏对传输极限的直接度量，负 荷预报和调度不确定，并行回路潮流，“正常运行裕度”，线路或设 备的非计划停运，计算/模拟不准确
电力系统潮流计算 电力系统故障计算 电力系统稳定分析：静态稳定；暂态稳定；电 压稳定
电力系统负荷预测 电气设备故障诊断和状态检修、资产管理 电力投资项目（工程）经济评价 可再生能源开发评价中的不确定性分析 其它（电源规划、电网规划、城网和农村电网改造）
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电力系统的不确定性研究
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电力系统不确定性因素
——新的不确定性来源（3）
电力重组带来的新市场、市场手段、交易结构、及 市场力引起的不确定性和相关问题
市场不规则引起的问题，脆弱的或进行中的市场，不成熟的 市场，变化着的市场结构。 投资的不确定性，投资全靠市场吸引 电厂规划的不确定性 电网规划的不确定性
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的福岛第一核电厂1号机组 (FUKUSHIMA-DAIICHI-1)发生 放射性泄露事故。随后，2号、 3号机组也相继发生事故。为填 补用电缺口，东京昨天开始实 行日本战后首次轮流停电措施。
2010年7月23日，西班牙第二大城市巴塞罗那发生大面积停电， 城市陷入严重混乱。有轨电车和2条地铁线停运，很多乘客被 困在车厢和隧道内，部分城际火车晚点，市内70%的交通信号 灯熄灭，城市交通瘫痪；大部分地区生活、商业设施受到影响； 数百名乘客被困在电梯内里；停电还造成不少商店停业，一些 医院暂停手术，市内移动电话的使用也受到一定影响。 9
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学习参考资料
自编讲义 参考教材
George J. Anders. Probability Concepts in Electric Power Systems. John Wiley & Sons, Inc. 1990 郭永基. 可靠性工程原理. 清华大学出版社：2002 Wenyuan Li. Risk Assessment of Power Systems: Models, Methods and Applications. IEEE and Wiley-Interscience Publication 鲁宗相，电厂事故的可电力系统是异常复杂的系统，难以驾驭的
现代电网的特征：高参数、大机组、大电厂、 大电网、高电压、远距离及高度自动化（复
杂大电网）
大停电事故是不可避免的
大面积连锁停电服从幂律分布
尽可能减少和缓解大停电事故
大停电事故的发生总存在起始薄弱环节和连锁 过程，有一定规律可循