基于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行前提下的梯級水電站優(yōu)化調(diào)度新探討

陳 策，袁明友，黃 強(qiáng)，唐 維

(南充電業(yè)局，四川南充 637000)

0 引言

中國江河流域的水力資源十分豐富，但由于其空間分布的不均，開發(fā)程度的不一，各地區(qū)間的利用情況存在明顯差異，人均資源量仍不富裕。水力資源的合理優(yōu)化利用不僅關(guān)系到水電企業(yè)自身的利益，更具有重要的社會意義。特別是在當(dāng)前，在國家電力市場改革的進(jìn)程中，水電作為清潔、可再生能源的開發(fā)利用已被提升到了國家能源戰(zhàn)略的高度，具有更為重要的實際運用意義。

梯級水電站的形成就是充分利用水力資源的主要表現(xiàn)形式之一，它是分布在一條江河流域的上下游且有著水流聯(lián)系的水電站群。如何提高水資源的利用率、協(xié)調(diào)各水電站之間的用水矛盾、最大化水電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益等問題，已成為眾多研究學(xué)者關(guān)注的重點和難點。

早在20世紀(jì)40年代國外就提出了水庫優(yōu)化調(diào)度的一般方法，自此相關(guān)研究的理論、數(shù)學(xué)模型、計算算法都在不斷的提出、發(fā)展和更新。到目前，學(xué)者們已將研究重點轉(zhuǎn)移至水庫群優(yōu)化調(diào)度的模型和算法的改進(jìn)上［2］。國內(nèi)對此方面的研究也有著較大進(jìn)展，眾多文獻(xiàn)［3－10］無論是從短期調(diào)度或中長期調(diào)度考慮，還是從水量可調(diào)式或徑流式方面考慮，均通過經(jīng)典算法或現(xiàn)代智能或混合算法進(jìn)行了相關(guān)要點的研究和探討，并在實際運用中起到了一定的指導(dǎo)作用。

然而，單從水力優(yōu)化調(diào)度來看，上述文獻(xiàn)大都從同一個角度思考問題——即是將河流的水力資源作為研究主體，考慮資源利用與機(jī)組發(fā)電的約束關(guān)系，通過不同計算方法來實現(xiàn)對水力資源的優(yōu)化分配和利用。

水電站的優(yōu)化調(diào)度實質(zhì)就是水與電之間的相互協(xié)調(diào)，隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展升級，水電關(guān)系也會變得更加密切。因此，水電站機(jī)組發(fā)出的有功和無功多少直接影響當(dāng)前上網(wǎng)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。一般實際情況中，水電站會保證機(jī)組最大出力或是經(jīng)濟(jì)效益最大化。然而，此時水電站機(jī)組發(fā)出的有功和無功也許對于當(dāng)前當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)安全穩(wěn)定運行可能并不是最佳。因此，能夠兼?zhèn)潆娋W(wǎng)安全穩(wěn)定運行的水力優(yōu)化調(diào)度，才能更好地滿足社會和經(jīng)濟(jì)需求。這里在梯級電站優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)上，重新選擇思考角度，提出全新的思考模型，引入“多Agent系統(tǒng)”概念，將各個水電站看作一個個獨立且相關(guān)聯(lián)的個體，在保證地區(qū)電網(wǎng)或更大電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，探討如何分配梯級電站的上網(wǎng)出力，合理優(yōu)化利用水力資源。

1 多Agent系統(tǒng)技術(shù)簡介

Agent作為解決復(fù)雜系統(tǒng)的一個有效方法，能夠利用并行分布式處理技術(shù)和模塊化設(shè)計思想，把復(fù)雜系統(tǒng)劃分成相對獨立的Agent子系統(tǒng)，通過Agent之間的競爭和磋商等手段解決之間的矛盾和沖突。它具有靈活、協(xié)作、自治和易擴(kuò)展等優(yōu)點，在交通控制、辦公信息處理、分布式傳感器、軟件動態(tài)配置等各項領(lǐng)域應(yīng)用中均取得了令人滿意的成就。Agent實際系統(tǒng)中的多Agent主要研究目的是通過由多個Agent所組成的交互式團(tuán)體來求解超出Agent個體能力的大規(guī)模問題。它研究的是一組自治代理之間行為的協(xié)調(diào)，通過對它們的知識、目標(biāo)、規(guī)則的協(xié)同和調(diào)整，使它們能夠聯(lián)合起來采取行動或求解問題。

將“多Agent系統(tǒng)”技術(shù)應(yīng)用在水庫優(yōu)化協(xié)調(diào)調(diào)度上面，在確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的前提下，更加合理的協(xié)調(diào)梯級水電站的出力，使得經(jīng)濟(jì)效益或其他關(guān)注目標(biāo)最大或最優(yōu)化。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

通常梯級電站優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué)模型依據(jù)不同指標(biāo)建立不同函數(shù)，常用的有如下幾個。1)以水庫發(fā)電量最大化為目標(biāo)。

其中，△∑tj為 j水庫在 t時段的發(fā)電量;(Vtj，Qtj)分別表示t時段j水庫的蓄水狀態(tài)及水庫的入庫流量。

2)以水電站經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)。

其中，ftj為j水庫在t時段的發(fā)電效益。

3)其他目標(biāo)，如某一時期以防洪泄洪為主要任務(wù)，或以蓄水為主要任務(wù)等。

這里引入“多Agent系統(tǒng)”概念，將每一個水電站作為一個獨立體Agent，根據(jù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的要求，建立如下統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)。

其中，(Xi，Yj)表示所關(guān)心以及影響各個梯級水電站出力的信息元素反饋值;fi表示第i臺機(jī)組優(yōu)化后的出力大小。

2.2 約束條件

以電網(wǎng)穩(wěn)定安全運行建立的目標(biāo)函數(shù)，其基本約束條件與電網(wǎng)潮流優(yōu)化計算時相同，如下。

其中，Vi表示 i節(jié)點的電壓幅值;Vi.min和 Vi.max分別表示i節(jié)點的電壓上下限值;Pi表示i節(jié)點的有功;Pi.min和 Pi.max分別表示 i節(jié)點的有功上下限值;Qi表示 i節(jié)點的無功;Qi.min和 Qi.max分別表示 i節(jié)點的無功上下限值。

在實際電網(wǎng)運行中，應(yīng)根據(jù)具體情況的需求增加制定相應(yīng)的其他約束條件，如各水電站的庫容、水量平衡等約束。

2.3 實現(xiàn)方法

首先，在確定的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，找出所關(guān)心區(qū)域的電網(wǎng)樞紐點，通過優(yōu)化計算得出不同時期(如豐水期、枯水期)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行時各個樞紐節(jié)點的最優(yōu)運行條件，即是得到一組式(3)中的(Xi，Yj)。其中(Xi，Yj)信息值可通過式(5)和式(6)的類似目標(biāo)函數(shù)得到。例如式(5)即是將電網(wǎng)樞紐節(jié)點的電壓幅值和無功數(shù)值作為反饋給梯級水電站多“Agent系統(tǒng)”的信息元素。

1)以電網(wǎng)電壓質(zhì)量、無功就地平衡為目標(biāo)。

2)以電網(wǎng)有功功率損耗最小為目標(biāo)。

3)其他目標(biāo)，以無功功率損耗最小，或以電網(wǎng)傳輸功率最大等。

接著，梯級水電站的“多Agent系統(tǒng)”管理決策層收集(Xi，Yj)信息，并通過相應(yīng)的內(nèi)部規(guī)則及約束條件對各獨立Agent進(jìn)行二次統(tǒng)一協(xié)調(diào)、分析。

最后，梯級水電站優(yōu)化調(diào)度“多Agent系統(tǒng)”管理決策層得出最終各個水電站乃至各臺機(jī)組的出力方案 f1，f2…… fn。

實現(xiàn)主要步驟如圖1所示。

圖1 基于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行前提下的水力優(yōu)化調(diào)度流程示意圖

3 實例

3.1 南充電網(wǎng)的運行特點［12，13］

南充電網(wǎng)位于四川電網(wǎng)的東北部。截至2010年年底，主網(wǎng)共有變電站共25座，其中220 kV 5座，110 kV 16座，35 kV 4座，嘉陵江流域現(xiàn)有8級水電站在南充電網(wǎng)上網(wǎng)發(fā)電。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展和水力的不斷開發(fā)，預(yù)計2011年年底嘉陵江流域的梯級水電站將增至10級以上。

由于南充市是一個典型的農(nóng)業(yè)大市，工業(yè)相對其他城市欠發(fā)達(dá)，用電負(fù)荷相對穩(wěn)定的工業(yè)用電負(fù)荷在全網(wǎng)負(fù)荷中所占比例偏低，是一個以民用負(fù)荷為主的電網(wǎng)，因此受季節(jié)、溫度變化及嘉陵江來水大小的影響較大。電網(wǎng)的負(fù)荷特性表現(xiàn)顯著，用電負(fù)荷預(yù)測偏難且不易控制，特別是在枯水期時天氣氣溫較低——此時發(fā)電出力較少，負(fù)荷需求增大以及在豐水期時氣溫適宜——發(fā)電出力較多，負(fù)荷需求一般或偏少這兩種情況下表現(xiàn)尤為明顯。

南充電網(wǎng)作為一個有源網(wǎng)絡(luò)，各個水電站的出力情況直接關(guān)系到電網(wǎng)運行的穩(wěn)定和安全。因此，研究如何協(xié)調(diào)好各級水電站的發(fā)電出力，滿足用電負(fù)荷需求，對保證南充電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定運行，有著重要的實際意義。

3.2 南充電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

南充電網(wǎng)的110 kV主要網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中各個變電站之間的主要聯(lián)絡(luò)線以單線方式表示，各個水電站在對應(yīng)變電站的上網(wǎng)情況均以實際狀況標(biāo)明。

3.3 示 例

圖2 南充電網(wǎng)一次接線拓?fù)鋱D

這里采用PSASP(power system analysis software package)仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)潮流計算，各水電站優(yōu)化協(xié)調(diào)出力原則是在南充電網(wǎng)2011年最新潮流計算數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上局部選擇性調(diào)整。

選取了具有代表性的5個節(jié)點作為電壓樞紐節(jié)點以及4條線路的潮流作為分析對象。分別為220 kV果州站母線節(jié)點、220 kV荊溪站母線節(jié)點、220 kV大方站母線節(jié)點、220 kV保寧站母線節(jié)點、220 kV儀隴站母線節(jié)點以及220 kV保荊線，110 kV關(guān)州一線、110 kV關(guān)州二線和110 kV關(guān)州三線。所選節(jié)點及輸電線路在南充電網(wǎng)的實際地位十分關(guān)鍵，分別代表了南充電網(wǎng)各個片區(qū)的電壓質(zhì)量和潮流分布情況，因此上述對象的變化情況具有一定的研究價值。

3.3.1 基本潮流

2011年南充電網(wǎng)基本潮流如圖3所示，通過PSASP仿真系統(tǒng)，就豐小和枯大兩種典型運行方式下的水力優(yōu)化協(xié)調(diào)前后情況進(jìn)行如下計算和比較分析。

圖3 南充電網(wǎng)基本潮流示意圖

3.3.2 運行方式1:豐水期且氣溫適宜時

該方式屬于豐小運行方式，一般出現(xiàn)在一年中的春末夏初，氣溫回暖，江河水流量增大，梯級水電站通常會保持最大出力來獲得客觀的經(jīng)濟(jì)效益。但由于此時氣溫適宜，南充電網(wǎng)的負(fù)荷特性決定了用電需求不大，容易出現(xiàn)上網(wǎng)電力充足，系統(tǒng)電壓偏上限運行，電網(wǎng)的主線路也容易過負(fù)荷運行。

按照所提的思考模式，先得出電網(wǎng)運行方式1下的運行最優(yōu)值，再將這些最優(yōu)值反饋給梯級水電站的“多Agent系統(tǒng)”管理決策層，通過內(nèi)部協(xié)調(diào)規(guī)則得到新的出力方案。

圖4及表1、表2分別將該運行方式下協(xié)調(diào)前、后的電壓幅值及主線路潮流表示出來。

圖4 協(xié)調(diào)前后的樞紐節(jié)點電壓幅值

在該運行方式下，南充電網(wǎng)一方面可以適當(dāng)減少水電出力，另一方面也可通過將水電過剩出力通過主線路傳送至相鄰電網(wǎng)。協(xié)調(diào)后的南充電網(wǎng)電壓質(zhì)量比協(xié)調(diào)前的更加符合系統(tǒng)運行要求，主線路潮流過負(fù)荷的可能性也被大大地降低。

由此可見梯級水電站出力多少對整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行有著不可忽視的影響。

表1 運行方式1下的南充電網(wǎng)水力優(yōu)化協(xié)調(diào)前后的各水電站出力情況

表2 運行方式1下的南充電網(wǎng)水力優(yōu)化協(xié)調(diào)調(diào)前后的主要線路潮流負(fù)荷情況

3.3.3 運行方式2:枯水期且氣溫較低時

該方式屬于枯大運行方式，一般出現(xiàn)在一年中的冬季，河流水流量極少，梯級水電站通常停機(jī)蓄水或是少量上網(wǎng)發(fā)電。而此時由于氣溫較低，居民用電需求劇增，容易出現(xiàn)上網(wǎng)電力不足，系統(tǒng)電壓接近下限運行，如圖5“▲”所示。同時，主要線路為能滿足負(fù)荷增長需求，潮流相對流動性較大，從主網(wǎng)下載負(fù)荷的可能性比較大。未協(xié)調(diào)前的機(jī)組出力及主線路潮流分布情況分別見表3和表4。此時的南充電網(wǎng)運行方式極有可能影響相鄰地區(qū)電網(wǎng)(如遂寧、達(dá)州)乃至主網(wǎng)(四川電網(wǎng))的電壓質(zhì)量及安全穩(wěn)定性。

圖5 協(xié)調(diào)前后的樞紐節(jié)點電壓幅值

就所提方式，通過水電站“Agent管理系統(tǒng)”的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，得出新的出力方案，見表3協(xié)調(diào)后數(shù)據(jù)，此時南充電網(wǎng)的樞紐節(jié)點電壓及主線路潮流分別如圖5“●”及表4協(xié)調(diào)后所示。

由上可見，協(xié)調(diào)后的電網(wǎng)電壓質(zhì)量較協(xié)調(diào)前的優(yōu)質(zhì)，主線路的潮流負(fù)荷分配更加合理，減少了對主網(wǎng)系統(tǒng)的不利影響。

表3 運行方式2下的南充電網(wǎng)水力優(yōu)化協(xié)調(diào)前后的各水電站出力情況

表4 運行方式2下的南充電網(wǎng)水力優(yōu)化協(xié)調(diào)調(diào)前后的主要線路潮流負(fù)荷情況

綜上，統(tǒng)一協(xié)調(diào)優(yōu)化后的梯級水電站出力比沒有加入電網(wǎng)運行條件考慮因素的水電站出力更加合理實用，對于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重要的影響作用。

4 結(jié)論與展望

就梯級水電站的優(yōu)化調(diào)度問題，立足于電網(wǎng)穩(wěn)定安全，提出了先電網(wǎng)優(yōu)化再水庫調(diào)度優(yōu)化的調(diào)度方式，對于實際電網(wǎng)的運行調(diào)度有著重要的意義。隨著江河流域水能源的不斷開發(fā)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜緊密，水電站上網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)的安全影響也會越來越大，所提出的考慮方式值得借鑒和研討。但就梯級水電站之間的協(xié)調(diào)調(diào)度規(guī)則尚不成熟，需要結(jié)合梯級水電站本身調(diào)度進(jìn)一步完善和探討才能更好的運用于實際。

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