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(1.貴陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴州 貴陽 550081;2.國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,甘肅 蘭州 730050;3. 重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室,重慶 400044)
隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展,其運行可靠性受氣象因素的影響也越來越大。在發(fā)電側(cè),隨著全球范圍內(nèi)的能源危機問題日益嚴峻,新能源發(fā)電技術(shù)得到了迅速發(fā)展。風力發(fā)電以其清潔、可再生、建設(shè)周期短、技術(shù)較為成熟等特點在新能源發(fā)電中占據(jù)了重要地位。由于風電具有明顯的隨機性、間歇性特點,大規(guī)模的風電接入電網(wǎng)勢必會影響電網(wǎng)的運行可靠性;在輸電側(cè),隨著電壓等級不斷提高,架空輸電線路的跨度也越來越大,且其長期暴露在大氣環(huán)境中,極易受雷電、大風、沙塵、冰雪等氣象災(zāi)害的影響導(dǎo)致故障停運,從而影響電網(wǎng)的運行可靠性。
氣象領(lǐng)域的研究指出:氣候系統(tǒng)的演變過程具有自記憶特性,在不同的時間標度上有相似的統(tǒng)計特性,即大氣環(huán)境具有時間周期性[1]。因此,在氣象因素影響下的電網(wǎng)可靠性也應(yīng)是隨時間變化的,評估電網(wǎng)的時變可靠性對系統(tǒng)規(guī)劃、中長期調(diào)度和月發(fā)電計劃制定等具有重要意義。
在研究氣象因素導(dǎo)致風力發(fā)電隨機性對電網(wǎng)可靠性的影響時,因為風電機組出力與風速直接相關(guān),所以目前許多文獻對風速預(yù)測模型進行了研究?,F(xiàn)有的風速模型主要有:機器學(xué)習(xí)模型、時間序列模型和概率分布模型[2]。文獻[3-6]采用了各種機器學(xué)習(xí)方法及智能算法對風速進行短期預(yù)測。機器學(xué)習(xí)方法能考慮多種變量對風速的影響,預(yù)測精度較高,但模型復(fù)雜,計算量大。風速的時間序列模型通常適用于風速的中短期預(yù)測,文獻[7-9]在自回歸動平均模型(autoregressive integrated moving average model,ARIMA)的基礎(chǔ)上進行了改進,提高了風速預(yù)測精度,風速時間序列模型的階數(shù)對預(yù)測精度影響較大,低階模型建模比較容易但誤差較大,高階模型參數(shù)估計困難。風速的概率分布模型反映的是風速長期的統(tǒng)計規(guī)律,通常適用于長期風速預(yù)測。常用的風速概率分布模型主要有瑞利分布、威布爾分布、對數(shù)正態(tài)分布等,其中威布爾分布使用最為廣泛[10]。文獻[11-12]用威布爾分布對實際風速數(shù)據(jù)進行模擬,取得了較好的效果。概率分布模型較為簡單,使用方便,但是精度不高,且不能反映風速的時間變化特征。在風電接入對電網(wǎng)可靠性的影響方面,文獻[13-16]從不同角度對風電出力隨機性下的電網(wǎng)運行可靠性進行了評估。
在研究氣象因素導(dǎo)致線路故障對電網(wǎng)可靠性的影響時,現(xiàn)有文獻的研究重點主要關(guān)注氣象因素對線路可靠性模型的影響。文獻[17]對一些氣候因素,如每年的極大風速和冰層厚度等對輸電線路可靠性的影響進行了分析,研究結(jié)果顯示氣候變化會顯著地影響輸電線路的可靠性。文獻[18]對極端氣候事件導(dǎo)致的連鎖停運故障進行研究,用極端氣候隨機模型和連鎖故障停運模擬相結(jié)合的方法對電網(wǎng)可靠性進行評估。文獻[19]分析了氣候變化對電力系統(tǒng)元件可靠性的影響,提出了極端天氣下提高電力系統(tǒng)彈性的防御策略。文獻[20-22]提出一種月時間尺度下的輸電線路時變故障率模型來反映氣象災(zāi)害影響下線路故障與時間相關(guān)的規(guī)律,并用IEEE-RTS79系統(tǒng)作為算例計算了系統(tǒng)時變的可靠性指標。
綜上所述,氣象因素對風力發(fā)電和輸電線路運行均有較大影響,但目前同時考慮氣象因素對這二者影響條件下的風電并網(wǎng)系統(tǒng)可靠性評估還很缺乏。針對這一不足,綜合考慮了風電出力和輸電線路故障率周期時變特性對電網(wǎng)的影響,建立了風速和輸電線路故障率的周期時變模型。在上述模型的基礎(chǔ)上,用蒙特卡洛模擬法對風電并網(wǎng)系統(tǒng)的時變可靠性進行評估,最后用算例進行了驗證。
從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集[23]中選取了甘肅民勤氣象站2011—2015年的風速數(shù)據(jù),對不同時間尺度下的風速變化特征進行了分析。根據(jù)整理的風速數(shù)據(jù),繪制出2011—2015年日平均風速的時序圖,如圖1所示。
圖1 民勤氣象站2011—2015年日平均風速
將時間按年進行劃分后可以看出,每一年風速的變化規(guī)律是相似的,即風速以年為時間尺度時表現(xiàn)出周期性。因此,可用累年均值分析風速在一年內(nèi)的變化規(guī)律。以天為單位將累年日平均風速按時間順序進行排列,將累年月平均風速用光滑曲線連接起來表示其變化趨勢,二者繪制在一幅圖上,如圖2所示。
圖2 2011—2015年累年日平均風速及月變化趨勢
可見,風速以年為時間尺度時主要表現(xiàn)出周期特征,以月為時間尺度時表現(xiàn)出全年隨時間的主要變化趨勢,以日為時間尺度時在月變化趨勢附近表現(xiàn)出波動特征。這里將風速的這種多時間尺度變化規(guī)律概括為風速的周期時變特性。
由上述分析可知,同一地區(qū)每一年風速的變化規(guī)律是相似的。因此,其周期特征可以通過累年均值來反映。以累年月平均數(shù)據(jù)為樣本,用擬合函數(shù)f(t)表示其變化趨勢;用累年日平均風速和擬合函數(shù)值作差得到波動量,用服從某一概率分布的隨機變量ε(v)模擬其波動特征。最后將擬合函數(shù)與隨機變量相疊加得到風速的周期時變模型F(t)。
采用曲線擬合法根據(jù)具體的風速樣本建立不同地區(qū)的風速周期時變模型。用擬合優(yōu)度確定擬合函數(shù)形式及概率分布類型,用最小二乘法確定模型中的待定參數(shù)值。曲線擬合法是在建模過程中一種常用的數(shù)據(jù)處理方法。其思路是,用某種方法尋找一條光滑曲線使其盡量逼近樣本數(shù)據(jù)。比較常用的曲線擬合方法是最小二乘法。
最小二乘法曲線擬合的原理是:對于一組已知的數(shù)據(jù)集合{(xi,yi)}(i=0,1,2,…,n),構(gòu)建一個函數(shù)g(a,x),其中a為待定的參數(shù)向量,通過使誤差平方和SE最小來確定函數(shù)g(a,x)中的未知參數(shù),計算誤差平方和的公式如式(1)。
SE=∑(g(a,xi)-yi)2
(1)
式中函數(shù)g(a,x)稱為擬合函數(shù)或最小二乘解。使用Matlab軟件中的曲線擬合工具箱來實現(xiàn)曲線擬合,計算擬合優(yōu)度和確定擬合模型中的參數(shù)值。
下面以民勤氣象站2011—2015年的風速樣本為基礎(chǔ),詳細介紹風速周期時變模型的建立過程。
1.1.1 風速月變化趨勢擬合
首先對風速的月變化趨勢進行曲線擬合,以累年月平均風速作為縱坐標,以每月天數(shù)的中位數(shù)作為橫坐標,得到圖3中的散點。使用Matlab曲線擬合工具箱中的傅里葉函數(shù)和高斯函數(shù)進行擬合,擬合優(yōu)度中R2為可決系數(shù),越接近于1擬合效果越好;RMSE為均方根誤差,越接近于0擬合效果越好。擬合優(yōu)度如表1所示。
表1 風速月變化趨勢擬合函數(shù)擬合優(yōu)度
從表1可以看出,二階傅里葉函數(shù)與三階傅里葉函數(shù)的擬合優(yōu)度接近,但三階傅里葉函數(shù)表達式更為復(fù)雜,待定參數(shù)更多,因此為了降低復(fù)雜度,這里選擇二階傅里葉函數(shù)作為擬合函數(shù),其函數(shù)表達式為
f(t)=a0+a1cos(ωt)+b1sin(ωt)+
a2cos(2ωt)+b2sin(2ωt)
(2)
用最小二乘法可計算出擬合函數(shù)中的待定參數(shù)值,如表2所示。
表2 風速月變化趨勢擬合函數(shù)中待定參數(shù)的擬合值
確定參數(shù)值后可繪制出擬合曲線,將其與累年月平均風速比較,如圖3所示,從圖中可以看出采用二階傅里葉擬合函數(shù)能較好地反映風速的月變化趨勢。
圖3 風速月平均風速及擬合曲線
1.1.2 風速波動分量擬合
風速的波動分量是累年日平均風速與擬合函數(shù)值的差值,表達式為
Δv(t)=v0(t)-f(t)
(3)
式中:Δv(t)是第t天風速的波動分量;v0(t)是風速在第t天的累年日均值;f(t)是第t天的擬合函數(shù)值。
根據(jù)上述的風速樣本及擬合函數(shù)值計算出的Δv(t)在零值附近來回波動,具有隨機性,可看作是服從某一概率分布的隨機變量ε(v),與時間無關(guān)。繪制Δv(t)的頻率直方圖,此直方圖的矩形頂邊接近一光滑曲線,該曲線就是隨機變量ε(v)服從的概率密度函數(shù)曲線。同樣地,運用曲線擬合的方法可確定風速波動分量的概率分布模型及其參數(shù)。隨機變量ε(v)有正有負,因此應(yīng)選取橫坐標能取到負值的概率密度函數(shù)。下面分別選取了正態(tài)分布、三參數(shù)伽馬分布及三參數(shù)威布爾分布對其進行擬合,擬合優(yōu)度如表3所示。
表3 風速波動分量概率分布擬合優(yōu)度
擬合優(yōu)度的結(jié)果顯示三參數(shù)威布爾的擬合效果較好,因此選擇三參數(shù)威布爾分布作為風速波動分量的概率分布模型,其概率密度函數(shù)為
(4)
式中:α為尺度參數(shù);β為形狀參數(shù);γ為位置參數(shù)。用最小二乘法確定參數(shù)值,如表4所示。
表4 風速波動分量概率分布擬合中待定參數(shù)的擬合值
確定參數(shù)值后可求解出對應(yīng)的三參數(shù)威布爾分布概率密度函數(shù),風速波動分量的頻率直方圖及概率密度函數(shù)擬合曲線如圖4所示??梢钥闯鋈齾?shù)威布爾分布較好地體現(xiàn)了風速波動分量的概率分布特征。
1.1.3 風速的周期時變模型
所舉例中風速的月變化趨勢用二階傅里葉擬合函數(shù)f(t)來表示,波動分量用服從三參數(shù)威布爾分布的隨機變量ε(v)來表示,風速的周期時變模型為二者的疊加,表達式為
圖4 風速波動分量頻率直方圖及概率密度擬合曲線
(5)
式中,F(xiàn)(t)為風速周期時變模型在第t天的模擬值。
實際風速值與模型模擬值的比較如圖5所示,可以看出二者能較好地吻合。
圖5 累年日平均風速與模型模擬值
氣象站的標準觀測高度距地面10 m,因此在計算風機出力時需將風速換算到風機輪轂高度。根據(jù)GB/T 18710-2002《風電場風能資源評估方法》[24],對不同高度的風速進行換算,公式為
(6)
式中:a為風切變指數(shù);v2為高度z2的風速;v1為高度z1的風速。風切變指數(shù)可用式(7)計算:
(7)
式中,v1、v2分別為高度z1、z2下風速的實測值。若沒有不同高度的實測風速數(shù)據(jù),風切變指數(shù)a可取0.143作為近似值。
通過風機出力與風速之間的函數(shù)關(guān)系[25],可得到風電場的出力模型,其函數(shù)表達式如下:
(8)
式中:Pt為第t天的風電場出力,Pr為風電場裝機容量,MW;Vt為第t天的風速;Vci、Vr、Vco分別表示風機的切入風速、額定風速和切除風速,m/s;中間變量A、B和C可由以下公式表達:
(9)
(10)
(11)
將由風速的周期時變模型F(t)模擬生成的時變風速作為變量Vt代入式(8)中,可得風電場出力的周期時變模型Pt。
隨著電壓等級不斷提高,架空輸電線路的跨度也越來越大,且其長期暴露在大氣環(huán)境中,極易受雷電、大風、沙塵、冰雪等氣象災(zāi)害的影響。文獻[26-27]指出氣象災(zāi)害是造成架空輸電線路故障停運的主要原因。目前電力系統(tǒng)可靠性評估中線路故障率常采用多年統(tǒng)計得到的年均值進行計算,而實際上由于氣象災(zāi)害具有明顯的時空分布特征,因此受其影響,輸電線路的故障率也是隨時間、空間變化的。下面借鑒文獻[20]的研究思路和研究方法,建立了輸電線路周期時變模型。
與風速類似,從年時間尺度來看氣象災(zāi)害也具有周期性,例如中國每年的1—2月易發(fā)生冰雪災(zāi)害,每年的7—8月雷電災(zāi)害頻發(fā),由氣象導(dǎo)致的線路故障頻率也隨之變化。因此,基于多年的氣象災(zāi)害導(dǎo)致線路故障的記錄,按月進行統(tǒng)計,可計算得到線路各月的歷史同期故障率。
單條輸電線路歷史同期月故障率可以表示為
(12)
式中:λk(m)表示線路k在歷史同期的第m月的故障率,次/(100 km月);nkym為線路k在第y年的m月的故障次數(shù);Tm表示第m月的時間;Y為統(tǒng)計的總年數(shù);Lk表示線路k的長度,km。
式(12)可推廣到計算相似氣象條件下某一地區(qū)多條線路的歷史同期各月故障率,公式為
(13)
式中,λ(m)表示同一電壓等級線路在歷史同期的第m月的故障率,次/(100 km月)。
根據(jù)甘肅電網(wǎng)2014—2016年330 kV輸電線路故障記錄進行統(tǒng)計,用式(12)、式(13)計算出甘肅地區(qū)輸電線路的歷史同期各月故障率,并與年均值故障率進行比較,如圖6所示。
圖6 甘肅地區(qū)線路歷史同期各月故障率與年均值故障率
基于上面得到的歷史同期故障率,可進一步用曲線擬合的方法模擬其變化規(guī)律,用擬合函數(shù)H(t)來建立輸電線路故障率的周期時變模型。
以圖6中甘肅地區(qū)線路的歷史同期各月故障率為樣本,用不同階數(shù)的傅里葉函數(shù)和高斯函數(shù)對其進行曲線擬合,其擬合優(yōu)度如表5所示。
表5 甘肅地區(qū)線路歷史同期各月故障率擬合優(yōu)度
從表5中可以看出,用三階傅里葉函數(shù)對兩地區(qū)的故障率進行擬合均能取得較好的擬合效果,因此選用三階傅里葉函數(shù)作為擬合函數(shù),其函數(shù)表達式為
f(t)=a0+a1cos(ωt)+b1sin(ωt)+a2cos(2ωt)+
b2sin(2ωt)+a3cos(3ωt)+b3sin(3ωt)
(14)
用最小二乘法計算出擬合函數(shù)中的待定參數(shù),如表6所示。
確定參數(shù)值后可繪制出對應(yīng)的擬合曲線,歷史同期故障率及擬合曲線如圖7所示。
表6 線路故障率擬合函數(shù)中待定參數(shù)的擬合值
圖7 甘肅地區(qū)線路歷史同期各月故障率及擬合曲線
從圖7中可以看出擬合曲線與歷史同期故障率是基本吻合的,且根據(jù)表5可知三階傅里葉函數(shù)的擬合精度較高,說明該擬合函數(shù)能較好地反映故障率的時變特征。
將前面建立的風速和輸電線路故障率的周期時變模型運用到傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)可靠性評估中,得到了綜合考慮氣象因素對風電出力及輸電線路故障率影響下的風電并網(wǎng)系統(tǒng)時變可靠性評估方法。
根據(jù)所建立的風速周期時變模型,可在發(fā)電側(cè)模擬風電場出力的隨機性、季節(jié)性等特征;根據(jù)所建立的輸電線路故障率的周期時變模型,可在輸電側(cè)模擬氣象災(zāi)害影響下的線路故障率的時變特征。將二者結(jié)合起來,運用蒙特卡洛模擬法,可計算風電并網(wǎng)系統(tǒng)的時變可靠性,將系統(tǒng)各月的失負荷概率(loss of load probability,LOLP)和電力不足期望(expected domand not supplied,EDNS)作為可靠性指標對風電并網(wǎng)系統(tǒng)的時變可靠性進行評估。
基于風速和輸電線路故障率周期時變模型的風電并網(wǎng)系統(tǒng)時變可靠性評估的流程如圖8所示。
用蒙特卡洛模擬法對風速周期時變模型進行抽樣時,由于模型中有一部分是隨機變量ε(v),因此每次抽樣首先需要生成服從擬合得到的概率分布的隨機數(shù),再與f(t)疊加得到第i次抽樣的風速模擬值Fi(t)。然后根據(jù)考察的時間區(qū)間產(chǎn)生[t1,t2]之間均勻分布的隨機正整數(shù)ti,其中t1、t2分別為抽取時間區(qū)間的上、下限。例如在計算系統(tǒng)一月份的可靠性指標時ti∈[1,31],抽取的風速表達式為
圖8 基于風速和線路故障率周期時變模型的風電并網(wǎng)系統(tǒng)可靠性評估流程
vi=Fi(ti),ti∈t1,t2
(15)
式中:vi為第i次抽取的風速值;Fi(ti)為第i次抽樣的風速周期時變模型生成的第ti天的風速模擬值。進一步由式(8)可計算出風電場的出力。各月ti所對應(yīng)的抽樣時間區(qū)間如表7所示。
表7 各月ti對應(yīng)的抽樣區(qū)間
輸電線路采用兩狀態(tài)模型,即正常運行狀態(tài)和故障停運狀態(tài),其不可用率的表達式為
(16)
式中:U為線路的不可用率;λ為故障率;μ修復(fù)率。在所提出的風電并網(wǎng)系統(tǒng)可靠性評估中,關(guān)注的是月時間尺度的可靠性指標,因此λ采用所提出的輸電線路故障率周期時變模型,而μ基本上與時間無關(guān),因此可取多年統(tǒng)計值進行計算。
用蒙特卡洛模擬法對系統(tǒng)中各元件的運行狀態(tài)進行抽樣時,用產(chǎn)生隨機數(shù)的方法來模擬各個元件的狀態(tài),通常是產(chǎn)生[0,1]之間均勻分布的隨機數(shù)Rj,每個元件的狀態(tài)由式(17)確定:
(17)
式中:0表示正常工作狀態(tài);1表示故障停運狀態(tài);Uj是第j個元件的不可用率。
按上述方法多次對某月的風電場出力、線路故障率和系統(tǒng)中各元件狀態(tài)進行抽取,可模擬系統(tǒng)各種運行狀態(tài),進而計算得到系統(tǒng)在該月的失負荷概率(LOLP)和各月的電力不足期望(EDNS)。
按照前述方法建立了甘肅瓜州、馬鬃山、玉門、民勤、環(huán)縣等5個風電集中地區(qū)的風速周期時變模型和甘肅地區(qū)的輸電線路故障率周期時變模型。根據(jù)圖8所示的可靠性評估流程,用Matlab軟件進行編程,以改造的IEEE-RTS79系統(tǒng)為算例,對其時變可靠性進行了評估。
原IEEE-RTS79系統(tǒng)中不含風電機組,現(xiàn)分別將節(jié)點22、15、13、1和7處的1臺50 MW、12 MW、197 MW、20 MW和100 MW的發(fā)電機組替換為等裝機容量的風電場,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及各元件參數(shù)見文獻[28],算例中的負荷采用系統(tǒng)各月的峰值負荷,如圖9所示。
圖9 IEEE-RTS79系統(tǒng)各月峰值負荷
算例對Case 1和Case 2兩種情形下系統(tǒng)各月的失負荷概率和電力不足期望指標進行了計算。兩種情形下所采用的風速模型和線路故障率模型如表8所示。
表8 Case 1和Case 2的計算條件說明
計算所得結(jié)果如圖10和圖11所示。
圖10 Case 1和Case 2情形下系統(tǒng)各月的LOLP
圖11 Case 1和Case 2情形下系統(tǒng)各月的EDNS
系統(tǒng)可靠性指標中失負荷概率LOLP和電力不足期望EDNS越大,說明系統(tǒng)可靠性越低;反之,系統(tǒng)可靠性越高。目前風電并網(wǎng)系統(tǒng)可靠性評估多采用Case 1的計算條件,即風速模型采用威布爾分布,線路故障率模型采用年均值故障率。但威布爾分布本質(zhì)上是一種概率分布模型,不具備時間屬性,并且年均值故障率也無法反映其各月的差異,因此采用上述條件計算得到的系統(tǒng)各月可靠性指標并不能真實反映系統(tǒng)可靠性隨時間的變化情況。從圖10和圖11中可以看出,Case 1所得結(jié)果比Case 2偏低,即采用傳統(tǒng)方法評估風電并網(wǎng)系統(tǒng)各月可靠性時,可能會造成對可靠性的低估。這是因為,相比于Case 1,Case 2的計算條件充分考慮了氣象因素導(dǎo)致的風電出力和線路故障率周期時變特性對電網(wǎng)的影響,更加接近實際。
利用所提方法能真實反映系統(tǒng)可靠性隨時間的變化情況,使系統(tǒng)運行人員提前對系統(tǒng)各月的可靠性水平有所把握,事先制定好相應(yīng)的降風險措施。例如,在運行方面,加強氣象災(zāi)害多發(fā)時段相關(guān)線路的巡檢工作;檢修方面,事先制定好高風險時段的應(yīng)急措施并準備好事故搶險物資;調(diào)度方面,在制定月發(fā)電計劃時,可在系統(tǒng)可靠性較低月份限制部分風電場的出力,以減小風電出力隨機性對電網(wǎng)的影響,同時加大部分火電機組的出力以保證供電。
針對現(xiàn)有風電并網(wǎng)系統(tǒng)可靠性評估方法不能反映系統(tǒng)可靠性隨時間變化的問題,提出了風速和輸電線路故障率的周期時變模型,并結(jié)合蒙特卡洛模擬法計算得到了風電并網(wǎng)系統(tǒng)各月的可靠性指標,通過研究得出以下結(jié)論:
1)風速具有周期時變特性,可將其描述成月變化趨勢與日波動分量的疊加。其中月變化趨勢用擬合函數(shù)表示,日波動分量用服從特定概率分布的隨機變量表示。通過對多年風速樣本的曲線擬合來建立適應(yīng)該地區(qū)風速變化規(guī)律的周期時變模型。
2)輸電線路故障大多是由氣象災(zāi)害導(dǎo)致的,而氣象災(zāi)害也具有周期時變特性。通過統(tǒng)計氣象災(zāi)害引起的輸電線路故障次數(shù),計算得到線路的歷史同期各月故障率,并用曲線擬合方法建立了輸電線路故障率的周期時變模型,充分反映了氣象災(zāi)害影響下輸電線路故障率隨時間的變化情況。
3)將風速和輸電線路故障率的周期時變模型與蒙特卡洛模擬法相結(jié)合,實現(xiàn)了對風電并網(wǎng)系統(tǒng)時變可靠性的評估。相比傳統(tǒng)方法,所提方法得到的結(jié)果更能反映系統(tǒng)可靠性隨時間變化的實際情況,評估結(jié)果可為電力系統(tǒng)中長期調(diào)度、運維及檢修決策等提供參考。