梯級水電站調(diào)度運行的優(yōu)化管理

[法國]

V.皮龍 等

蘭榮蓉　　孫　言　譯

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梯級水電站調(diào)度運行的優(yōu)化管理

[法國]

V.皮龍 等

摘要：CNR公司是法國最早也是獨家的可再生能源生產(chǎn)商，擁有并運營羅納河上19座徑流式梯級水電站。為優(yōu)化能源管理，該公司成立了創(chuàng)新性綜合協(xié)調(diào)機構(gòu)，即間歇式可再生能源優(yōu)化和遠(yuǎn)程控制中心，并聯(lián)合內(nèi)部開發(fā)的IT工具進行發(fā)電預(yù)測、水電資產(chǎn)監(jiān)管及歐洲批發(fā)市場電力銷售優(yōu)化等。實踐證明，在嚴(yán)格的安全限制下，該中心使CNR公司實現(xiàn)了電力銷售最大化，并進行了風(fēng)險對沖，減少了均衡成本，從而有效促進間歇式可再生能源融入歐洲電力市場。

關(guān)鍵詞：水電開發(fā)規(guī)劃；優(yōu)化管理；聯(lián)合運營；CNR公司；法國

法國CNR公司成立于1933年，1934年獲得羅納河特許開發(fā)權(quán)。其目標(biāo)是運營并開發(fā)羅納河，并與法國政府賦予其的3項重任保持一致，即水力發(fā)電、航運開發(fā)及為灌溉和其他農(nóng)業(yè)用途供水。

1羅納河水電梯級

1.1徑流式梯級電站

羅納河梯級電站是CNR公司的主要資產(chǎn)，總裝機容量約3 000 MW，包括19座徑流式水電站。CNR公司特許開發(fā)權(quán)的范圍涵蓋瑞士邊境至地中海之間的河道，也包括長330 km寬闊航道上的14座船閘、長400 km的河堤和32座泵站。羅納河在法國境內(nèi)長517 km，流域面積約88 500 km2。從阿爾卑斯山區(qū)的高山雪原到索恩(Sane)子流域的緩流多雨，各支流水文條件差別較大。在流域南部(塞文地區(qū))，支流甚至經(jīng)常爆發(fā)洪水。

CNR公司運營的羅納河開發(fā)項目為徑流式電站的開發(fā)。除雨季外，通過大壩攔河蓄水，將大部分水引至水電站和船閘所在河道，水輪機將水能轉(zhuǎn)換成電能，通過高壓電網(wǎng)輸送給消費者，最后河水又流回至電站下游的羅納河段。

攔河壩形成的小水庫，可向下游持續(xù)泄放生態(tài)流量。然而，水庫庫容非常有限，對羅納河的日徑流量影響較小。由于庫容較小，因此徑流式電站的運行易受上游電站(包括羅納河上游位于瑞士境內(nèi)和法國境內(nèi)某些支流上的其他水電站)及水文氣象事件的影響。

1.2CNR公司項目開發(fā)及運行

CNR公司項目開發(fā)遵守嚴(yán)格的管理制度，重點關(guān)注水利工程安全。每個開發(fā)項目都有各自的運行規(guī)則曲線(圖1)，且這些曲線均是依據(jù)相關(guān)部門認(rèn)可的規(guī)范確定，并符合防洪、航運、灌溉、核安全、環(huán)境、農(nóng)業(yè)和旅游用途等相關(guān)方面的要求。

在枯水期，水電站運行的庫水位盡可能高，以確保通航；在汛期，盡量使庫水位和尾水位(TWL)與大壩建設(shè)前的天然水位保持一致。運用船載水工模型，借助預(yù)測控制，將設(shè)備控制在極小誤差范圍內(nèi)。

在枯水期和汛期之間，即所謂的“發(fā)電期”，在調(diào)節(jié)正常蓄水位上下20～50 cm范圍庫容優(yōu)化電站出力。與羅納河的平均流量相比，這些調(diào)節(jié)庫容非常小。例如，魯西永(Péage-de-Roussillon)電站站址處的平均流量小于羅納河50 min內(nèi)的平均徑流量。不過，各電站在發(fā)電計劃中都利用了上述有效庫容來對整個梯級的總發(fā)電日計劃進行優(yōu)化。通過對每座電站的發(fā)電流量計劃控制來實現(xiàn)對發(fā)電計劃的實時控制。為實時應(yīng)對不可預(yù)見的事件，在每座電站優(yōu)化過程中，有部分調(diào)節(jié)庫容未予以考慮，為實時控制留出余地。

2歐洲電力市場

2.1歐洲電力批發(fā)市場

在輸送給(個人或商業(yè))終端客戶前，電力首先在批發(fā)市場上銷售。電力交易分為長期(提前3 a)、中期(提前3周)、日前(提前1 d)和當(dāng)天交易幾種形式。

不同的交易市場均能讓交易主體在確定的交易區(qū)發(fā)送買入或賣出電力的指令。交易市場會根據(jù)公共交易規(guī)則，以透明的方式使這些訂單相互匹配，隨后將交易轉(zhuǎn)移至歐洲商品清算中心(ECC)，最終ECC再將能源交易指定給相應(yīng)交易區(qū)域的輸電系統(tǒng)運營商。

2.2產(chǎn)品和定價

期貨和現(xiàn)貨有明顯區(qū)別。期貨是產(chǎn)品交易后在未來給定期限交付，允許不同交易主體簽訂電力買/賣合同，以合同日協(xié)商的價格在未來幾周、幾個月、幾個季度或者幾年內(nèi)提供電力。這種期貨合同提供標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品以促進交易(基本負(fù)荷或最大負(fù)荷)。從長遠(yuǎn)看，期貨產(chǎn)品價格波動比現(xiàn)貨產(chǎn)品平均價格波動更小。這些產(chǎn)品有助于終端消費者確定價格，有利于生產(chǎn)商和供應(yīng)商對沖其生產(chǎn)/消費風(fēng)險，保障其收益和成本。

現(xiàn)貨是提前1 d的日產(chǎn)品/小時產(chǎn)品。價格是在交付前1 d通過拍賣機制商定，由法國輸電系統(tǒng)運營商(TSO)實時調(diào)整價格，可反映調(diào)整前的短期供需平衡。短期價格波動非常大，某個時段的過量需求不可能由之前幾小時的過量供給來抵消，因此電力基本不可儲存，供需平衡的影響因素也變化多樣。現(xiàn)貨產(chǎn)品能讓生產(chǎn)商/供應(yīng)商平衡其小時生產(chǎn)量和消費量。

2.3責(zé)任平衡

不同的TSO要求電力市場上要有不同行為者來“平衡責(zé)任”，確保輸入電網(wǎng)的電能隨時與消耗者消耗的電能保持平衡。

CNR公司需要平衡各方責(zé)任，須在前1 d的00：00和16：00向TSO報送未來1 d每30 min的電力輸入和輸出平衡計劃，并依據(jù)生產(chǎn)計劃每30 min予以實時更新。在財務(wù)上，CNR公司要為其賬戶下所有的事后不平衡承擔(dān)責(zé)任。

CNR公司的發(fā)電量主要受氣象條件影響，其預(yù)測有風(fēng)險，因此該公司必須通過調(diào)整發(fā)電產(chǎn)量和銷電量來應(yīng)對失衡風(fēng)險，從而控制成本。

3電能管理

3.1綜合協(xié)調(diào)機構(gòu)

預(yù)測氣象條件的影響，通過調(diào)整供需平衡對所有水電站進行實時動態(tài)管理，并確保良好的通航條件，這些都是CNR公司每天要應(yīng)對的挑戰(zhàn)。為此，該公司成立了創(chuàng)新性綜合協(xié)調(diào)機構(gòu)，即間歇式可再生能源優(yōu)化和遠(yuǎn)程控制中心，總部設(shè)在里昂。該機構(gòu)負(fù)責(zé)校對預(yù)測行為，優(yōu)化生產(chǎn)、銷售，同時監(jiān)督和控制水電站。通過該機構(gòu)，不同團隊能快速交換信息，適應(yīng)預(yù)測變化，或適應(yīng)可能影響生產(chǎn)和銷售的經(jīng)營活動。

該機構(gòu)關(guān)聯(lián)的IT工具由CNR公司的工程和IT團隊內(nèi)部開發(fā)，從而將不同的工具完全整合，以靈活應(yīng)對市場運作和監(jiān)管變化。

在嚴(yán)格的安全限制條件下，該機構(gòu)使CNR公司實現(xiàn)了電力銷售最大化，并減少了均衡成本。由于徑流式水電、風(fēng)能和太陽能等可再生能源是間歇式能源，因此應(yīng)對不確定性是一項持續(xù)的挑戰(zhàn)。

3.2價格風(fēng)險

電力價格每時每刻都在變化。為應(yīng)對長期價格風(fēng)險，部分電力以長期合同銷售，以確保一定營業(yè)額。長期合同銷售的那部分電力，由CNR公司針對生產(chǎn)分位數(shù)的風(fēng)險政策確定，該分位數(shù)來自于對以往生產(chǎn)的統(tǒng)計分析。

為應(yīng)對短期價格風(fēng)險，CNR公司開發(fā)出特殊的價格預(yù)測模型。西歐中部和法國市場電力價格每小時的變化，都能用當(dāng)天的電力需求以及不同電力生產(chǎn)商邊際成本的差異來解釋。

CNR公司開發(fā)的價格預(yù)測模型中，按邊際生產(chǎn)成本遞增的順序，將生產(chǎn)源進行疊加。疊層底部是可再生能源(包括徑流式)，其邊際生產(chǎn)成本接近零，而最高的邊際生產(chǎn)成本位于疊層頂部(通常是燃油電站)。需求曲線和邊際生產(chǎn)成本疊層的交點即預(yù)測的電力價格。

3.3電量風(fēng)險

與銷售量相關(guān)的第1個預(yù)測提前幾個月發(fā)布。這些預(yù)測以季節(jié)性氣象預(yù)測和積雪預(yù)測為基礎(chǔ)，用月度時間超越概率曲線表示。預(yù)測值與歷史電量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的偏差有助于調(diào)整中期合同。隨著交易時間趨近，可以提高預(yù)測精度，包括土壤濕度等更多可預(yù)測的信息，考慮聯(lián)合氣象預(yù)測而非季節(jié)性預(yù)測，可在中期合同遞增的同時不增加電量短缺風(fēng)險。

CNR公司年均發(fā)電量約為15 TWh，中長期年銷電量達11 TWh，而剩余的4 TWh電量在期貨市場或目前市場中交易。這些銷售基于完整的水文氣象預(yù)測鏈，從降雨量預(yù)測到羅納河支流雨量徑流預(yù)測(包括積雪模擬)，最后到羅納河及其水電梯級的水力模擬。這個完整的預(yù)測鏈考慮到提前4 d的氣象預(yù)測，較好地適應(yīng)了羅納河泄洪及法國和西歐中部電力批發(fā)市場的傳播時間。如果應(yīng)用到其他地方，那么預(yù)測鏈的時間界限需根據(jù)生產(chǎn)資產(chǎn)的特征及管制框架(包括按購電協(xié)議水電站的運行進行管制)進行調(diào)整。

除了可對水電站的電量銷售優(yōu)化外，水文氣象預(yù)測在優(yōu)化維護計劃和避免(或降低)因水輪機問題而導(dǎo)致發(fā)電損失方面也有所幫助。同時，為確保水利工程安全，通過與負(fù)責(zé)洪水預(yù)測和警示當(dāng)?shù)乩嫦嚓P(guān)者的管理部門交換信息，以強制運用這類預(yù)測。精確預(yù)測可管理好WSL和TWL，實現(xiàn)CNR公司徑流式電站的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。

3.4最大化電力產(chǎn)出價值

雖然CNR公司每座水電站的調(diào)節(jié)庫容非常有限，但精細(xì)管理卻能產(chǎn)生較大效益。通過精確預(yù)測來水量，CNR公司可調(diào)節(jié)每座電站當(dāng)日下泄量，以有效利用庫水位容許的變幅。電價高時(通常在08：00～20：00之間)放空水庫，發(fā)電量略超過天然流量允許的發(fā)電量；電價低時(通常是在夜晚)，下泄量略低于天然來流量，水庫重新蓄水(見圖2)。圖2是某水電站4 d流量模擬過程。在該例中，相應(yīng)于水庫蓄放，庫水位的變化幅度為25 cm。

不論在時間還是幅度上，單純對每座水電站日發(fā)電量的調(diào)節(jié)都非常有限。關(guān)鍵是要能聯(lián)合調(diào)度電站群，以使每座水電站的過度下泄得到累積，從而能夠調(diào)整從上游至下游的流量變化過程。前1 d的有效調(diào)度和同步運行的實時實現(xiàn)等均需精確的來流量預(yù)測、準(zhǔn)確的水電站梯級水工模型以及水電站群的集中遠(yuǎn)程控制。

電站同步運行的實現(xiàn)使得高峰期發(fā)電量大幅增加。羅納河的發(fā)電情況與電力批發(fā)市場現(xiàn)貨價格預(yù)測相匹配，以獲得最高價格和最大收益(見圖3)。

羅納河日均發(fā)電容量為1 600 MW，通過調(diào)節(jié)，可使日超12 h的發(fā)電容量在高峰負(fù)荷期(08：00～20：00)額外增大400 MW。換言之，對總裝機約3 000 MW的徑流式梯級電站群而言，每隔1 d的日

均最小和最大發(fā)電容量相差約1 000 MW。

4結(jié)語

CNR公司通過其創(chuàng)新性綜合協(xié)調(diào)機構(gòu)來管理其間歇式發(fā)電。在歐洲電力批發(fā)市場，為協(xié)調(diào)平衡好各方責(zé)任，CNR公司開發(fā)出先進的預(yù)測技術(shù)，成立互動組織，以協(xié)調(diào)處理預(yù)測、計劃、銷售及資產(chǎn)遠(yuǎn)程控制等問題，這是高效管理價格變化不確定性及電力生產(chǎn)與銷售不平衡問題的必備條件。該機構(gòu)有助于CNR公司未來發(fā)展，而非僅僅管理不確定性。通過精心調(diào)度，優(yōu)化了其19座梯級徑流式水電站的出力。同樣，該公司也為其他可再生能源生產(chǎn)商提供能源管理服務(wù)，使其從公司的優(yōu)化間歇式能源管理方面獲益。這些工具和方法還可運用于發(fā)展中國家根據(jù)購電協(xié)議銷售電力的非營利性水電站，以便為電站業(yè)主和運營方帶來額外收益。

蘭榮蓉孫言譯

(編輯：唐湘茜)

收稿日期：2016-02-15

文章編號：1006-0081(2016)05-0038-04

中圖法分類號：TV211.14

文獻標(biāo)志碼：A