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“十四五”以來，由于電力負荷的快速增長，電力電量供應趨緊。2021年下半年以來，受燃料價格上漲、新能源出力不穩(wěn)定等多種因素影響，多地先后出現(xiàn)了“限電”情況，國家相關主管部門對于電力系統(tǒng)規(guī)劃中的可靠性問題愈發(fā)關注。隨著碳達峰碳中和目標的提出，新型電力系統(tǒng)加快構建，間歇性新能源的裝機占比將快速提升，肩負系統(tǒng)調(diào)節(jié)性功能的傳統(tǒng)電源由于功能定位和盈利模式發(fā)生變化，導致其增長存在很大的不確定性。同時，在每年負荷仍保持中高速增長的情況下，未來電力系統(tǒng)可靠性將面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，亟需開展以電力系統(tǒng)的可靠性和確保系統(tǒng)容量長期充裕性為基礎、以經(jīng)濟性為目標的電力規(guī)劃工作。

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荷特性的情況下，電力系統(tǒng)作為整體供應負荷的能力，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)恢復穩(wěn)定運行的能力，安全性是面向運行層面的問題。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

可靠性標準

電力系統(tǒng)可靠性的標準是指在特定區(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來度量的，評價電力系統(tǒng)可靠性的典型指標包括電力不足概率（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作為可靠性標準，可以表述為“某省LOLE不得高于2小時/年”，即該省的可靠性標準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)濟性的規(guī)劃用可靠性標準尚不明確，而這個標準是基于可靠性對電源進行規(guī)劃和經(jīng)濟性評估的重要基礎和邊界，如果沒有可靠性標準，電源規(guī)劃就沒有辦法回答“未來需要建設什么類型的電源以及各類型裝機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行的電力系統(tǒng)及主要設備進行統(tǒng)計與管理，例如所有在運發(fā)電設備、輸電設備的計劃停運率、非計劃停運率、燃料保障情況等，這些數(shù)據(jù)能夠?qū)Ω鞣N設備進行概率特性的建模，是可靠性評估環(huán)節(jié)的重要輸入。可靠性管理還包括擬定電力行業(yè)可靠性管理的標準、準則，電力行業(yè)各項可靠性信息的采集、統(tǒng)計、分析，電力系統(tǒng)運行可靠性的監(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)劃的設計方案進行可靠性與經(jīng)濟性比較分析等。電力系統(tǒng)可靠性評估中最關鍵的就是如何計算并網(wǎng)的全部發(fā)電機組按可接受標準及期望值要求時滿足電力系統(tǒng)負荷電力和電量需求的能力，即在特定的電源結構、負荷需求、外來/送電、一次能源供應，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能否滿足可靠性標準?？煽啃栽u估環(huán)節(jié)中最為關鍵的輸出指標是各類可靠性指標，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、建設何種類型和多大規(guī)模電源以滿足特定可靠性標準”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、負荷側可調(diào)節(jié)資源、儲能設施的規(guī)劃?？煽啃砸?guī)劃的重要依據(jù)是可靠性指標，在達到可靠性指標要求的基礎上，選擇最經(jīng)濟的源網(wǎng)荷儲的綜合規(guī)劃方案。

可靠性規(guī)劃確定后，可通過設計市場化手段獲取相應的資源，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上，合理設計容量成本回收機制，以保障發(fā)電企業(yè)投建電源的經(jīng)濟性。在優(yōu)先采取的市場化手段無法實現(xiàn)容量充裕度目標時，可采取行政性手段強制建設容量資源，但需要做好成本分攤的設計。

評估電力系統(tǒng)可靠性的技術手段

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)，是實現(xiàn)未來合理規(guī)模的電源規(guī)劃的技術保障。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)運行過程中發(fā)電側和輸電側設備的故障、老化過程，統(tǒng)計在仿真時間內(nèi)電力系統(tǒng)的失負荷次數(shù)和影響范圍來獲取可靠性指標。該方法能夠模擬元件的復雜壽命過程和復雜電網(wǎng)運行過程，能充分計及元件的非指數(shù)分布的修復時間和重疊故障，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的期望值，又能得到指標的概率分布，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)此綜合得出各負荷點的可靠性指標以及系統(tǒng)的可靠性指標。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)點負荷特性的變化；不易求解失負荷頻率相關指標等。

事故枚舉法

構造電力系統(tǒng)可能的事故，對事故進行排序，形成預想事故集合。從預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)級別失負荷。如果發(fā)生，則采取措施進行矯正。如矯正后，依然會發(fā)生負荷消減的情況，則記錄該事故導致的負荷削減量。通過構造這種事故和失負荷的關系，統(tǒng)計計算形成該負荷水平下的可靠性指標。

從世界各國工程領域的實際應用情況來看，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際電力系統(tǒng)的時序運行過程，能夠考慮發(fā)電機組和輸電網(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荷；二是能夠適應電力市場環(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)濟持留、用電側的電價響應等市場主體的經(jīng)濟行為對系統(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)，需要重點對新能源的出力概率特性進行建模，例如連續(xù)3日光伏發(fā)電功率小于其裝機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

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構，負責北美地區(qū)美國、加拿大和墨西哥的可靠性管理，NERC負責可靠性標準的制定，進行滾動的季度、每年和多年的可靠性評估，并對電力系統(tǒng)可靠性進行監(jiān)測和監(jiān)管，收集和統(tǒng)計發(fā)輸電設備的可靠性數(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責各區(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營機構完成。比如紐約電力市場就是由NYISO運營紐約州的電力市場，具有電力市場和系統(tǒng)運行、電力系統(tǒng)規(guī)劃、電力交易和市場監(jiān)測的職能。NYISO構建了綜合電力系統(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)可靠性標準，該標準采用LOLE指標，要求紐約州缺供負荷的標準為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年進行未來5年的可靠性評估和容量充裕度規(guī)劃?；玖鞒贪ㄋ膫€步驟：一是進行未來5年每年的負荷預測，構建負荷模型；二是梳理確定性的發(fā)電資源，例如每年中的在運機組、退役機組、在建設隊列中的新建機組等，并構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)可靠性進行評估，量化計算可靠性指標（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到要求的可靠性標準（0.1天/年）；四是在達不到可靠性標準的情況下，根據(jù)增加發(fā)電機組、實施需求側管理以及輸電網(wǎng)建設等多種可行規(guī)劃方案，在滿足可靠性標準的基礎上，提出經(jīng)濟的最優(yōu)的可靠性規(guī)劃方案組合。

國內(nèi)電力系統(tǒng)可靠性管理的相關建議

面對新能源裝機快速增長、負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)電源由于運營環(huán)境變化投資意愿不強的形勢，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)可靠性標準，并以此作為電力系統(tǒng)規(guī)劃的邊界。電力系統(tǒng)可靠性標準是電源規(guī)劃工作的關鍵邊界，未來任何時間周期的電源規(guī)劃應以滿足可靠性標準為目標。可靠性標準可分為國家標準和地方標準。國家層面應提出可靠性標準制定的原則和依據(jù)，國家可以提出基本的可靠性標準，即宏觀的可靠性指標下限。在地方層面，應根據(jù)不同省或區(qū)域的經(jīng)濟發(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準?？煽啃詷藴什荒?ldquo;一刀切”地要求100%可靠性要求，造成資源的浪費和用戶綜合用電成本的不合理上升。

二是同步構建可靠性監(jiān)管體系，定期統(tǒng)計和監(jiān)測各類可靠性指標。電力系統(tǒng)可靠性應由專門的政府主管部門進行監(jiān)管。在規(guī)劃環(huán)節(jié)，應根據(jù)可靠性標準，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)可靠性的實際指標，進行失電根因分析；在新的規(guī)劃周期，應對歷史的電源規(guī)劃方案進行效果分析，對容量過度冗余或緊缺都應分析原因并在新規(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體系、可靠性指標的計算方法等。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，對各類資源的調(diào)控方式具有更強的經(jīng)濟特征，仿真法也能夠?qū)Ω鞣N基于價格的發(fā)、儲、荷側的功率響應進行建模。最后，建立標準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，共同進行數(shù)據(jù)體系的搭建。

本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2022年02期，作者柴瑋供職于國能經(jīng)濟技術研究院有限責任公司，作者盛韻穎供職于中國華能集團能源研究院

原標題： 電源規(guī)劃中系統(tǒng)可靠性的評估與建議