中長(zhǎng)期水火電聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

蘇華英，廖勝利，王國(guó)松

（1. 貴州電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，貴州 貴陽(yáng) 550002；2. 大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024）

2006年通過(guò)我國(guó)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃綱要提出新世紀(jì)我國(guó)能源戰(zhàn)略的8個(gè)要點(diǎn)，其中將節(jié)能放在第一位。作為各行各業(yè)、千家萬(wàn)戶廣泛利用的二次能源，電力是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)動(dòng)力；作為高耗能行業(yè)，電力同時(shí)也是我國(guó)節(jié)能減排的重點(diǎn)，其節(jié)能降耗工作潛力巨大，前景廣闊。貴州是西電東送的主要輸出地，肩負(fù)著向廣東、廣西、湖南、重慶送電的重要任務(wù)。作為南方電網(wǎng)公司重要組成部分，由于網(wǎng)內(nèi)各個(gè)省網(wǎng)間電源結(jié)構(gòu)差異，水能資源分布時(shí)空不均，以及發(fā)電用煤供應(yīng)影響，貴州電網(wǎng)對(duì)于平衡網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷與用電有重要的突出作用。近些年來(lái)，隨著國(guó)家西電東送戰(zhàn)略目標(biāo)的逐步實(shí)施，貴州電網(wǎng)電力建設(shè)迎來(lái)飛速發(fā)展時(shí)期，截至2013年底，貴州電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)裝機(jī)3 514萬(wàn)kW，其中，火電裝機(jī)2 100萬(wàn)kW，占59.8%；水電裝機(jī)1 279萬(wàn)kW，占36.4%。

在實(shí)施貴州電網(wǎng)中長(zhǎng)期水火電聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)度過(guò)程中，既要進(jìn)行中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)，又要進(jìn)行全網(wǎng)各流域來(lái)水預(yù)測(cè)及煤情預(yù)測(cè)；既要從電網(wǎng)整體角度考慮電網(wǎng)的電力電量平衡過(guò)程，又要兼顧考慮機(jī)組的檢修計(jì)劃。對(duì)于如此龐大規(guī)模的系統(tǒng)，依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)無(wú)法勝任其復(fù)雜運(yùn)行調(diào)度管理的需求[1]，迫切需要開(kāi)發(fā)具有很強(qiáng)經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性的貴州中長(zhǎng)期水火電聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)度系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)策略

根據(jù)國(guó)家能源政策，在保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的前提下，結(jié)合貴州電網(wǎng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮優(yōu)先利用水能資源，盡可能安排能耗低的火電機(jī)組參與發(fā)電，充分發(fā)揮水電的調(diào)節(jié)作用，以節(jié)約煤炭資源，使電網(wǎng)的運(yùn)行與管理建立在更加科學(xué)的基礎(chǔ)上，切實(shí)提高計(jì)劃和實(shí)時(shí)運(yùn)行的決策水平，更好地發(fā)揮電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益。

由于在中長(zhǎng)期計(jì)劃制作過(guò)程中要考慮的因素較多，很多數(shù)據(jù)輸入與約束設(shè)置既要參考?xì)v史數(shù)據(jù)又要引入人工智能，通過(guò)人工經(jīng)驗(yàn)的方式輸入[2]。因此，貴州水火電聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)度系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要著眼于系統(tǒng)的實(shí)際需要，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)總控界面，各子系統(tǒng)的分控界面及各個(gè)環(huán)節(jié)的操作流程和數(shù)據(jù)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。模型研制、選擇及界面設(shè)計(jì)都從電網(wǎng)調(diào)度的實(shí)際情況出發(fā)，遵從電網(wǎng)調(diào)度的實(shí)際需要，使系統(tǒng)切實(shí)可用于實(shí)際中長(zhǎng)期計(jì)劃制作。以此為基礎(chǔ)，利用當(dāng)前廣泛應(yīng)用的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)，在J2EE平臺(tái)下，利用Eclipse程序設(shè)計(jì)工具，成功設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了功能齊全、界面友好、操作靈活、信息豐富，具有很強(qiáng)經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性的貴州中長(zhǎng)期水火電聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)度系統(tǒng)，可迅速完成從負(fù)荷數(shù)據(jù)提取，徑流描述設(shè)置，調(diào)節(jié)計(jì)算到電力電量平衡的中長(zhǎng)期方案制作、修改、選擇的全過(guò)程。系統(tǒng)強(qiáng)大的技術(shù)支持和節(jié)能原則為調(diào)度人員直接進(jìn)行中長(zhǎng)期方式制作提供了方便條件，為決策者選擇更合理的方案提供了有效的決策支持工具。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于J2EE平臺(tái)，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器為中心，前端采用Java核心技術(shù)——Applet設(shè)計(jì)的圖形界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理、操作，Java Applet由于其安全性及與平臺(tái)無(wú)關(guān)性被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)、銀行等企業(yè)大型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖1給出了貴州電網(wǎng)水火電聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)度系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

圖1 貴州電網(wǎng)水火電聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)度系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig. 1 The whole structure of hydro-thermal combined compensation dispatching system in Guizhou power grid

從圖1可以看出，系統(tǒng)分為3層：表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)支持層。表示層為用戶提供一個(gè)在瀏覽器里顯示的交互界面；業(yè)務(wù)邏輯層是所有的調(diào)度計(jì)劃制作功能模塊的集合；數(shù)據(jù)支持層負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯層中所用數(shù)據(jù)的持久存儲(chǔ)。其中表示層和業(yè)務(wù)邏輯層通過(guò)Java Servlet進(jìn)行連接，業(yè)務(wù)邏輯層通過(guò)JDBC Pool對(duì)數(shù)據(jù)支持層進(jìn)行讀寫操作，這樣3層就連成了一個(gè)完整的體系結(jié)構(gòu)。中長(zhǎng)期計(jì)劃制作時(shí)表示層（Applet）下載到瀏覽器端與用戶進(jìn)行交互，通過(guò)事件響應(yīng)，把用戶指令通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提交給Web服務(wù)器，再由業(yè)務(wù)邏輯層對(duì)指令和數(shù)據(jù)支持層進(jìn)行交互處理，最后將處理結(jié)果返回到瀏覽器端以表格或圖形的形式顯示給用戶，就這樣多次往返地提交響應(yīng)來(lái)完成整個(gè)調(diào)度計(jì)劃的制作。

系統(tǒng)在負(fù)荷庫(kù)、徑流庫(kù)、檢修庫(kù)、系統(tǒng)庫(kù)及水調(diào)遙測(cè)庫(kù)等數(shù)據(jù)庫(kù)的支持下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)從負(fù)荷數(shù)據(jù)提取，徑流描述設(shè)置，調(diào)節(jié)計(jì)算到電力電量平衡的中長(zhǎng)期方案制作的全過(guò)程。

2.2 系統(tǒng)組成

中長(zhǎng)期方式的制作過(guò)程主要包括負(fù)荷提取、徑流描述設(shè)置、水電調(diào)節(jié)計(jì)算、火電電量平衡計(jì)算及系統(tǒng)電力平衡計(jì)算幾個(gè)環(huán)節(jié)，因此貴州中長(zhǎng)期水火電聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)度系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中設(shè)計(jì)成由方案管理、負(fù)荷提取、電站選擇、徑流描述、調(diào)節(jié)計(jì)算、負(fù)荷平衡、報(bào)表管理及數(shù)據(jù)管理8個(gè)功能模塊組成。這8個(gè)模塊由系統(tǒng)總界面來(lái)控制管理，各功能模塊之間采用設(shè)計(jì)好的專用數(shù)據(jù)模塊控制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過(guò)對(duì)“窗口”，“對(duì)話框”，“菜單”，“按鈕”等圖形畫面和符號(hào)的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擬達(dá)到的功能。下面簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)主要模塊的功能。

1）方案管理。系統(tǒng)采用多方案管理模式，用戶可以對(duì)方案進(jìn)行新建、查看、選擇、比較、刪除及復(fù)制等操作，為用戶在考慮不同情況下方便地制作多個(gè)方案，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與需求選擇執(zhí)行方案。

2）電站選擇。用戶可以選擇某些水電站參與調(diào)節(jié)計(jì)算，對(duì)于不參與調(diào)節(jié)計(jì)算的水電站、基礎(chǔ)資料不全的水電站及中小水電站（在貴州電網(wǎng)中占有比重很?。梢愿鶕?jù)歷年資料或個(gè)人經(jīng)驗(yàn)人為設(shè)置其發(fā)電量。

3）徑流描述。從中長(zhǎng)期徑流預(yù)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)表中獲得各水庫(kù)的徑流數(shù)據(jù)，為水電站調(diào)節(jié)計(jì)算提供區(qū)間入庫(kù)流量數(shù)據(jù)。用戶可以選擇提取模型預(yù)報(bào)或頻率預(yù)報(bào)的徑流結(jié)果，當(dāng)然也可以參考?xì)v史年份，或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工輸入或干預(yù)。

4）調(diào)節(jié)計(jì)算?？紤]各種約束條件，選擇最小出力最大、系統(tǒng)保證出力約束下發(fā)電量最大或梯級(jí)蓄能值最大為目標(biāo)對(duì)烏江水電站群進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，以確定各電站調(diào)度結(jié)果，包括月末水位、各時(shí)段發(fā)電量、梯級(jí)蓄能值等，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷需求對(duì)火電站按一定規(guī)則進(jìn)行電量分配。

5）負(fù)荷平衡。由于水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)約束，火電機(jī)組爬坡速度要求等限制，當(dāng)系統(tǒng)電量達(dá)到平衡后，電力可能無(wú)法平衡，通過(guò)電力平衡結(jié)果來(lái)檢驗(yàn)調(diào)節(jié)計(jì)算中電量平衡結(jié)果是否合理，包括年典型日負(fù)荷平衡和8760負(fù)荷平衡。

6）數(shù)據(jù)管理。主要是對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)、水庫(kù)數(shù)據(jù)及電站數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，為系統(tǒng)運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)。通過(guò)簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互界面，便于用戶添加、刪除、修改電站及其相關(guān)信息，以適應(yīng)貴州電網(wǎng)新投產(chǎn)和竣工水火電機(jī)組較多的發(fā)展情況，保障系統(tǒng)能夠適應(yīng)電網(wǎng)今后的運(yùn)行管理。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多方案模式的設(shè)計(jì)

對(duì)于中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，無(wú)論是負(fù)荷預(yù)測(cè)、全年來(lái)水預(yù)測(cè)，還是缺煤預(yù)測(cè)，現(xiàn)階段預(yù)測(cè)結(jié)果的精度都不是很高，但是在中長(zhǎng)期調(diào)度計(jì)劃的制作過(guò)程中，卻難以回避這些問(wèn)題。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了多方案管理模式，如用戶可以根據(jù)不同的來(lái)水預(yù)測(cè)分別針對(duì)豐水、平水及枯水情況制作不同的調(diào)度方案，決策者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與需求選擇一個(gè)滿意的方案作為執(zhí)行方案或上報(bào)方案。

多方案模式設(shè)計(jì)為方案復(fù)制提供了可行性。由于中長(zhǎng)期方案制作過(guò)程中需要設(shè)置的數(shù)據(jù)與約束條件較多，當(dāng)要參考?xì)v史年已有的方案時(shí)，為避免過(guò)多的重復(fù)操作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了方案復(fù)制功能。該功能可以讓用戶將參考方案的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)置，約束條件設(shè)置及方案結(jié)果復(fù)制并生成一個(gè)新方案，這樣既可以最大限度地利用已有資源，又能避免數(shù)據(jù)或約束設(shè)置過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤。方案復(fù)制是通過(guò)SQL語(yǔ)句復(fù)制數(shù)據(jù)庫(kù)表記錄實(shí)現(xiàn)的，所有操作在同一個(gè)事務(wù)中完成，保證了方案數(shù)據(jù)的完整性與一致性。

3.2 人機(jī)交互決策方式

中長(zhǎng)期方式制作是一個(gè)考慮因素較多，涉及信息豐富的決策過(guò)程。無(wú)論是從負(fù)荷設(shè)置、徑流設(shè)置，還是調(diào)節(jié)計(jì)算或電力電量平衡過(guò)程都需要調(diào)度員有較豐富的經(jīng)驗(yàn)。系統(tǒng)采用一體化決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)，建立了強(qiáng)大的人機(jī)交互體系，界面友好，可視性強(qiáng)，人與機(jī)器交互以控件事件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)將人機(jī)交互與約束設(shè)置、優(yōu)化求解有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮和利用調(diào)度員的經(jīng)驗(yàn)，使求解效率與解的質(zhì)量得到大幅提高，同時(shí)使求解過(guò)程能夠真正應(yīng)用于實(shí)際。

3.3 合成虛擬水電站建模

截止到目前，烏江流域是我國(guó)十二大水電基地中，開(kāi)發(fā)和建成大中型水電站最多的梯級(jí)水電站群，即將面臨全流域梯級(jí)水電站竣工投產(chǎn)。由干流和主要支流水電站群組成的水電系統(tǒng)構(gòu)成了規(guī)模龐大的復(fù)雜串并混聯(lián)式水電系統(tǒng)，在計(jì)劃制作與實(shí)際調(diào)度過(guò)程中，面臨維數(shù)災(zāi)問(wèn)題[3]。在模型設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用虛擬電站簡(jiǎn)化支流梯級(jí)水電站群及干流徑流式水電站建模。烏江梯級(jí)已建成主要水電站（共計(jì)12座）如圖2所示，紅楓梯級(jí)中，一級(jí)為年調(diào)節(jié)水庫(kù)，二級(jí)為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，其他為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，干流上索風(fēng)營(yíng)為日調(diào)節(jié)水庫(kù)。在建模過(guò)程中將紅楓一級(jí)當(dāng)作一個(gè)電站，二級(jí)到六級(jí)合成一個(gè)虛擬電站，干流上將東風(fēng)和索風(fēng)營(yíng)合成一個(gè)虛擬電站，這樣就人為地將整個(gè)梯級(jí)簡(jiǎn)化成僅由7座水電站組成，達(dá)到降維求解的效果。在求解結(jié)束后，將這些合成的虛擬電站拆開(kāi)，以獲得各個(gè)電站的實(shí)際調(diào)度過(guò)程及計(jì)算結(jié)果。

圖2 烏江梯級(jí)水電站關(guān)系圖Fig. 2 The relation of hydropower stations in Wujiang Basin

3.4 火電分配及火電調(diào)峰

貴州電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)的火電裝機(jī)約占系統(tǒng)總裝機(jī)的60%。當(dāng)水電調(diào)節(jié)計(jì)算完成后，水電站各時(shí)段的平均出力及電量均已確定，系統(tǒng)未平衡的電量通過(guò)一定的規(guī)則分配給火電站。在對(duì)火電站電量分配過(guò)程中，采用了以下幾種規(guī)則：按煤耗率從小到大，按用戶自定義的負(fù)荷率，按可用容量的比例或按自定義順序。實(shí)際計(jì)劃調(diào)度過(guò)程中，各個(gè)電站都有負(fù)荷率上下限制要求，既避免分配不公平，使電站未分得電量，又避免電站負(fù)荷率接近1.0，完全沒(méi)有調(diào)峰能力。根據(jù)國(guó)家能源政策，應(yīng)該優(yōu)先考慮讓能耗低的火電機(jī)組參與平衡，因此系統(tǒng)默認(rèn)方式是按煤耗率從小到大的順序進(jìn)行分配，讓煤耗率小的機(jī)組與電站盡量多發(fā)電量。

貴州電網(wǎng)由于火電占有比重較大，面臨著向外送電的艱巨任務(wù)，同時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差問(wèn)題嚴(yán)重，電力電量供需矛盾突出，在電力平衡過(guò)程中即使所有水電站均參與調(diào)峰，仍無(wú)法滿足系統(tǒng)的調(diào)峰要求，火電站需要協(xié)助調(diào)峰。但是燃煤火電機(jī)組由于啟停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，增減出力速率（爬坡速度）小，出力變化過(guò)程中要額外消耗燃料，因此要對(duì)火電調(diào)峰方式作一些改進(jìn)。這里采用遞級(jí)火電調(diào)峰方式，其基本原理是在火電站出力安排過(guò)程中，采用負(fù)荷控制的辦法，將電站給定的持續(xù)時(shí)段數(shù)n（電站一旦達(dá)到某一出力，則必須以該出力持續(xù)運(yùn)行n個(gè)時(shí)段）和爬坡速度約束附加在剩余負(fù)荷圖上，得到新的負(fù)荷圖，然后讓火電站在新負(fù)荷圖上進(jìn)行平衡[4-6]。這樣，既能保證火電站相鄰時(shí)段出力差滿足爬坡速度要求，又保證了火電站全天各個(gè)時(shí)段出力盡量均勻。在對(duì)貴州電網(wǎng)歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)平衡發(fā)現(xiàn)，當(dāng)持續(xù)時(shí)段取3 h，爬坡速度取電站可用容量的0.20倍時(shí)，在避免水電站棄水調(diào)峰的情況下，基本滿足系統(tǒng)調(diào)峰要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1）所建的貴州中長(zhǎng)期水火電聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)度決策支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從負(fù)荷數(shù)據(jù)提取、徑流描述設(shè)置、調(diào)節(jié)計(jì)算到電力電量平衡的全過(guò)程，可迅速為調(diào)度人員和決策者提供科學(xué)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)合理、內(nèi)容豐富、形象直觀的中長(zhǎng)期調(diào)度信息。同時(shí)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中以國(guó)家能源政策為依據(jù)，具有環(huán)保和節(jié)能的功能。

2）無(wú)論是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、操作流程或是數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)都充分考慮了電網(wǎng)的實(shí)際特點(diǎn)。系統(tǒng)把基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提取，約束條件設(shè)置，調(diào)度方案的制定、選擇跟計(jì)算機(jī)技術(shù)融為一體，方便地實(shí)現(xiàn)了各個(gè)環(huán)節(jié)的人機(jī)交互，充分發(fā)揮人和機(jī)器的特點(diǎn)，提高了中長(zhǎng)期調(diào)度方式制作的靈活性，增加了決策的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性。

3）系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)采用了當(dāng)前廣泛應(yīng)用的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)（OOP）來(lái)作系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)，使得應(yīng)用軟件具有良好的可重用性、可靠性和界面的一致性，特別便于系統(tǒng)軟件的維護(hù)、再開(kāi)發(fā)。

[1] 丁恰，李利利，涂孟夫，等. 智能電網(wǎng)日前發(fā)電計(jì)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電網(wǎng)與清潔能源，2013，29（9）:1-5.DING Qia，LI Lili，TU Mengfu，et al. Design and key technologies of day-ahead generation scheduling system for smart grid[J]. Power System and Clean Energy，2013，29（9）: 1-5（in Chinese）.

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