節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式下梯級(jí)電站負(fù)荷分配方案研究

李坤軍 ，張 龍，衛(wèi)太祥 ，李 超

（1.華能西藏發(fā)電有限公司藏木水電廠，西藏山南856417；2.四川華能寶興河公司水電有限責(zé)任公司，四川雅安625000）

節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式下梯級(jí)電站負(fù)荷分配方案研究

李坤軍1，張 龍1，衛(wèi)太祥1，李 超2

（1.華能西藏發(fā)電有限公司藏木水電廠，西藏山南856417；2.四川華能寶興河公司水電有限責(zé)任公司，四川雅安625000）

節(jié)能調(diào)度模式的提出，打破了傳統(tǒng)的均衡調(diào)度模式，使電網(wǎng)的調(diào)度目標(biāo)逐漸轉(zhuǎn)向最大限度地減少資源、資源消費(fèi)和污染物排放，促進(jìn)電力系統(tǒng)高效、清潔運(yùn)行。但是目前的機(jī)組調(diào)度排序并未考慮到梯級(jí)電站上下游之間緊密的水力電力聯(lián)系，容易出現(xiàn)無益棄水或欠發(fā)電量的情況，為此以寶興河中上游的磽磧、民治、寶興、小關(guān)子為例，提出了梯級(jí)電站負(fù)荷分配的方案，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件，以期更好最大限度地利用水力資源，服務(wù)于電網(wǎng)調(diào)度。

節(jié)能調(diào)度模式；統(tǒng)一調(diào)度；負(fù)荷分配；梯級(jí)電站；寶興河

1 概述

為提高電力工業(yè)能源使用效率，節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，促進(jìn)能源和電力結(jié)構(gòu)調(diào)整，保證電力工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，國(guó)務(wù)院特別頒布了《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法（試行）》，要求對(duì)各發(fā)電機(jī)組按照污染物排放、發(fā)電煤耗從小到大的順序安排發(fā)電，以體現(xiàn)節(jié)能降耗。這樣，傳統(tǒng)的均衡調(diào)度模式逐步被打破，電網(wǎng)的調(diào)度目標(biāo)逐漸轉(zhuǎn)向最大限度地減少能源、資源消費(fèi)和污染物排放，促進(jìn)電力系統(tǒng)高效、清潔運(yùn)行。

目前，寶興河梯級(jí)電站采取分站調(diào)度的模式，即電網(wǎng)調(diào)度中心對(duì)每個(gè)電站單獨(dú)下達(dá)發(fā)電曲線。由于各梯級(jí)水電站單獨(dú)運(yùn)行，而磽磧、民治、寶興、小關(guān)子梯級(jí)電站（以下簡(jiǎn)稱梯級(jí)四電站）中的民治、寶興、小關(guān)子為無調(diào)節(jié)能力的徑流式電站且上下游之間水力電力聯(lián)系十分緊密，因此，極易出現(xiàn)上下游電站負(fù)荷不匹配而導(dǎo)致出現(xiàn)無益棄水或電量欠發(fā)，這無疑與節(jié)能調(diào)度模式的原則和思想不符。因此，在目前節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式和原則下，研究四電站的統(tǒng)一調(diào)度方案顯得十分有必要。

2 梯級(jí)電站概況

磽磧、民治、寶興、小關(guān)子四電站位于雅安寶興河上游河段，為首尾相接的梯級(jí)電站，4個(gè)電站之間無其他電站，水力銜接十分緊密。四電站規(guī)模適中，總裝機(jī)容量700 MW，單機(jī)容量最小35 MW、最大80 MW。

磽磧水庫為龍頭水庫，具有年調(diào)節(jié)能力，其余3個(gè)電站的水庫庫容小，調(diào)節(jié)能力差，見表1。

表1 磽磧、民治、寶興、小關(guān)子四電站基本情況

3 當(dāng)前調(diào)度方式下發(fā)電排序存在的問題

目前梯級(jí)四電站采取的是分站調(diào)度模式，即由電網(wǎng)調(diào)度中心直接對(duì)各電站下達(dá)日負(fù)荷曲線。在當(dāng)前調(diào)度模式的機(jī)組發(fā)電排序中，無調(diào)節(jié)能力的水電站排在有調(diào)節(jié)能力的水電站之前，但是這一排序未能考慮到流域梯級(jí)上下游電站之間緊密的水力電力聯(lián)系。

四電站上一級(jí)電站尾水緊接下一級(jí)電站水庫，上、下級(jí)電站間水力聯(lián)系十分緊密，所以上一級(jí)電站的運(yùn)行方式直接控制著下一級(jí)電站，下游電站受上游電站特別是龍頭水庫磽磧電站運(yùn)行方式的影響很大。由于各梯級(jí)水電站單獨(dú)運(yùn)行，且民治、寶興、小關(guān)子為無調(diào)節(jié)能力的徑流式電站，因此，如果不能有效匹配好上、下級(jí)電站間的發(fā)電負(fù)荷關(guān)系，當(dāng)有調(diào)節(jié)能力的磽磧水電站負(fù)荷過大時(shí)，將造成下游的民治、寶興、小關(guān)子無益棄水，使總耗水量增大；若磽磧水電站負(fù)荷偏小，民治、寶興、小關(guān)子負(fù)荷偏大，便會(huì)導(dǎo)致下游電站無水可發(fā)而無法完成電網(wǎng)下達(dá)的發(fā)電任務(wù)的情況。

4 節(jié)能發(fā)電調(diào)度規(guī)則下梯級(jí)四電站負(fù)荷分配方案

4.1 梯級(jí)四電站間的水力及電力聯(lián)系規(guī)律

梯級(jí)水力聯(lián)系主要包括梯級(jí)來水比例關(guān)系及流量傳播關(guān)系兩方面。

4.1.1 來水比例關(guān)系

四電站多年平均入庫流量的比例關(guān)系接近其所控制流域集雨面積比例關(guān)系，見表2。在實(shí)際運(yùn)行過程中，磽磧電站的發(fā)電運(yùn)行方式對(duì)寶興電站的發(fā)電運(yùn)行方式有控制性的影響。

表2 四電站間來水關(guān)系表

4.1.2 流量傳播規(guī)律

在民治電站投產(chǎn)發(fā)電前，磽磧電站尾水出口與寶興大壩之間存在一段約10 km的河段，長(zhǎng)期運(yùn)行觀察的結(jié)果表明：磽磧負(fù)荷調(diào)整增加或減少的流量傳播至下游寶興電站時(shí)間為1.00~1.75 h。

寶興電站尾水出口與小關(guān)子大壩之間存在一段長(zhǎng)約4 km的河道，長(zhǎng)期運(yùn)行觀察的結(jié)果表明：寶興負(fù)荷調(diào)整增加或減少的流量傳播至小關(guān)子寶興電站時(shí)間為0.4~0.67 h。

4.1.3 梯級(jí)電站發(fā)電負(fù)荷電力聯(lián)系規(guī)律

若四電站負(fù)荷正在平衡運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)調(diào)度部門臨時(shí)對(duì)某一個(gè)電站負(fù)荷做出實(shí)時(shí)調(diào)整，則其他3個(gè)電站也要做出相應(yīng)的負(fù)荷調(diào)整，以使四電站間負(fù)荷達(dá)到新的平衡。在民治電站投產(chǎn)前，磽磧、寶興、小關(guān)子三電站負(fù)荷調(diào)整關(guān)系如下：

1）當(dāng)對(duì)磽磧負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整時(shí)，按照?qǐng)D1比例關(guān)系依次對(duì)寶興、小關(guān)子負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整。

2）當(dāng)對(duì)寶興負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整時(shí)，按照?qǐng)D2比例和時(shí)間關(guān)系分別對(duì)磽磧和小關(guān)子負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整。

圖1 對(duì)磽磧調(diào)整負(fù)荷時(shí)的比例和時(shí)間關(guān)系

3）當(dāng)對(duì)小關(guān)子負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整時(shí)，按照?qǐng)D3比例和時(shí)間關(guān)系分別對(duì)磽磧和寶興負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整。

圖2 對(duì)寶興調(diào)整負(fù)荷時(shí)的比例和時(shí)間關(guān)系

圖3 對(duì)小關(guān)子調(diào)整負(fù)荷時(shí)的比例和時(shí)間關(guān)系

4.2 電站負(fù)荷分配方案

在上述背景下，為了合理利用各水電站水庫間的水力聯(lián)系及調(diào)節(jié)性能上的差異，充分發(fā)揮磽磧水庫的調(diào)節(jié)作用，保證水庫在枯水期按計(jì)劃消落水位，優(yōu)化配置水資源，合理分配廠間以及年內(nèi)豐、平、枯期和日內(nèi)峰、平、谷段電量，增發(fā)全流域梯級(jí)電量，提高流域整體的水能利用效率，制定了如下的四電站梯級(jí)負(fù)荷分配方案。

該方案將一年分為3個(gè)時(shí)段進(jìn)行實(shí)施，即：①豐水期（5月26日至10月25日），由寶興、小關(guān)子水電站平衡后的計(jì)劃電量反推磽磧水庫放水，以保證上下游電站出力、水量匹配，繼而由磽磧水庫放水確定磽磧、民治水電站的計(jì)劃電量；②枯水期（11月26日至4月25日），根據(jù)磽磧水庫的中長(zhǎng)期運(yùn)行方案確定的放水計(jì)劃及區(qū)間流量情況，計(jì)算民治、寶興、小關(guān)子電站的發(fā)電量，以保證磽磧電站按計(jì)劃放空庫容的同時(shí)民治、寶興、小關(guān)子電站能完成發(fā)電計(jì)劃；③汛前平水期（4月26日至5月25日）及汛末平水期（10月26日至11月25日），平水期要求將磽磧水庫水位穩(wěn)定在死水位（正常蓄水位），按照天然來水情況進(jìn)行發(fā)電，因此在該時(shí)期，應(yīng)該先根據(jù)流域水情預(yù)測(cè)，計(jì)算磽磧發(fā)電量，然后根據(jù)區(qū)間來水情況計(jì)算下游民治、寶興、小關(guān)子水電站的發(fā)電量，以保證磽磧電站按計(jì)劃穩(wěn)定庫水位的同時(shí)民治、寶興、小關(guān)子水電站能完成發(fā)電計(jì)劃。

針對(duì)各時(shí)段來水情況及磽磧水庫運(yùn)行方式的不同，采取不同的操作流程，保證四電站的出力、水量匹配，避免出現(xiàn)無益棄水及欠發(fā)等情況。

根據(jù)徑流預(yù)測(cè)的日入庫流量及區(qū)間流量，以日發(fā)電量最大或日發(fā)電收益最大為目標(biāo)，以及電網(wǎng)調(diào)度約束，進(jìn)行梯級(jí)水電站短期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，并按日發(fā)電計(jì)劃的編制要求，編制調(diào)整日發(fā)電計(jì)劃并上報(bào)電網(wǎng)調(diào)度中心。

4.2.1 日發(fā)電計(jì)劃編制方案

1）數(shù)學(xué)模型

以日為周期，考慮電網(wǎng)潮流分布、網(wǎng)內(nèi)其它水火電站發(fā)電出力等因素，在由中長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度方案確定的磽磧水位變化過程，以及預(yù)報(bào)徑流、檢修計(jì)劃等條件下，確定梯級(jí)水電站日內(nèi)發(fā)電出力過程，該出力過程滿足以下要求：負(fù)荷曲線比照全網(wǎng)日負(fù)荷需求曲線確定；機(jī)組負(fù)荷應(yīng)避開振動(dòng)區(qū)運(yùn)行；出力曲線盡可能均勻；可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定日發(fā)電水量。

2）目標(biāo)函數(shù)

式中：E為梯級(jí)電站日發(fā)電量，MW·h；Ai為第i個(gè)電站出力系數(shù)；Qi，t為第i個(gè)電站在第t時(shí)段發(fā)電流量，m3/s；Hi，t為第 i個(gè)電站在第 t時(shí)段平均發(fā)電凈水頭，m；Mt為第t時(shí)段小時(shí)數(shù)；T為年內(nèi)計(jì)算總時(shí)段數(shù)；N為梯級(jí)電站總數(shù)。

3）約束條件

①水量平衡約束

式中：Vn，t和 Vn，t+1為第 n 水庫第 t時(shí)段和下一時(shí)段末的蓄水量，m3；Rn，t為第 n 水庫第 t時(shí)段的平均入庫流量，m3/s；Qn，t為第 n 個(gè)電廠第 t時(shí)段的發(fā)電流量，m3/s；Sn，t為第 n 電廠第 t時(shí)段的棄水流量，m3/s。

②梯級(jí)水電廠水量聯(lián)系約束

式中：△tn-1為第n-1電廠到第n電廠的水流滯時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)段數(shù)；In，t為第t時(shí)段第n-1電廠到第n電廠之間的區(qū)間平均入流，m3/s。

③水庫蓄水量約束

式中：Vn，min和 Vn，max為第 n 水庫調(diào)度期內(nèi)的所要求的最小蓄水量和最大蓄水量，m3。

④各水電廠機(jī)組過水能力約束

式中：Qn，min和 Qn，max為第 n 電廠調(diào)度期內(nèi)的所要求的最小過機(jī)流量和最大過機(jī)流量，m3/s。

⑤各水電廠出力約束

式中：Ni，min為第i個(gè)電站的允許的最小出力，MW（取決于水輪機(jī)的種類與特性）；Ni，min為第i個(gè)電站的裝機(jī)容量，MW。

⑥日負(fù)荷曲線特征參數(shù)約束

式中：Ni，t為第i個(gè)電站在第t時(shí)段的出力，MW；N′i，t為選取的典型日第i個(gè)電站在第t時(shí)段的出力，MW。

⑦變量非負(fù)約束

上述所有變量均為非負(fù)變量。

4.2.2 日負(fù)荷的優(yōu)化分配

日負(fù)荷優(yōu)化分配模型，即在電網(wǎng)給定梯級(jí)水電站總出力的前提下，充分考慮梯級(jí)水電站間水量平衡、上下級(jí)電站間的水力聯(lián)系等約束條件，考慮入庫徑流、機(jī)組運(yùn)行工況等因素，機(jī)組發(fā)電出力滿足加減負(fù)荷速率要求（包括電網(wǎng)提出的爬坡率要求），考慮設(shè)備檢修計(jì)劃、送出限制等的影響，以龍頭水庫日耗水量最小為原則，在磽磧、民治、寶興、小關(guān)子水電站之間合理分配梯級(jí)總出力。

1）目標(biāo)函數(shù)

2）約束條件

①電網(wǎng)負(fù)荷平衡

梯級(jí)水電站的發(fā)電負(fù)荷必須是根據(jù)系統(tǒng)需要來決定的，在每日發(fā)電計(jì)劃下達(dá)時(shí)，電網(wǎng)調(diào)度中心會(huì)給出一個(gè)梯級(jí)水電站群總的發(fā)電計(jì)劃曲線，在每一個(gè)時(shí)段t內(nèi)，該梯級(jí)水電站群的發(fā)電負(fù)荷是一個(gè)確定的值。

其中：Pti為第i電廠第t時(shí)段內(nèi)的出力；Pt為系統(tǒng)在

禁止養(yǎng)殖區(qū)按主要功能劃分為生物多樣性維護(hù)生態(tài)保護(hù)區(qū)、飲用水水源保護(hù)區(qū)、城鎮(zhèn)規(guī)劃控制區(qū)、基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)、河流渠道公共水域等五類。該區(qū)總面積約為884.36平方公里，約占全市國(guó)土總面積40.97%。

第t時(shí)段內(nèi)對(duì)梯級(jí)總的出力要求。

②水量平衡

③電站出力約束

④電站水量限制

其中：Vmnin和Vmnax為第n個(gè)電站的最小庫容和最大庫容。

已知條件有：梯級(jí)總的出力過程Pi，各水庫的來水過程qin，以及各水庫的初始庫容V0n。

3）求解方法

可采用遺傳算法求解。

4.3 電站負(fù)荷分配方案的軟件實(shí)現(xiàn)

基于以上分析，研究開發(fā)了梯級(jí)四電站的負(fù)荷分配軟件，且該軟件寫入電網(wǎng)SGOSS系統(tǒng)（即智能電網(wǎng)決策支持系統(tǒng)）和寶興河流域水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，為電網(wǎng)調(diào)度部門端和寶興河公司梯級(jí)集控端提供雙向服務(wù)和支撐。負(fù)荷分配軟件包括負(fù)荷實(shí)施分配模塊及發(fā)電日計(jì)劃模塊。

4.3.1 日發(fā)電計(jì)劃分配模塊

根據(jù)磽磧水庫運(yùn)行計(jì)劃及各站來水預(yù)測(cè)，則根據(jù)梯級(jí)負(fù)荷匹配原則，在滿足各站約束特別是電網(wǎng)低高比及潮流約束條件，自動(dòng)計(jì)算分配各電站的日96點(diǎn)負(fù)荷曲線，并生產(chǎn)報(bào)價(jià)文件。

4.3.2 實(shí)施調(diào)度調(diào)整模塊

可自動(dòng)獲取各電站的未來預(yù)報(bào)流量、出力計(jì)劃等信息，滾動(dòng)預(yù)測(cè)計(jì)算未來各電站的壩上水位過程，并對(duì)棄水、庫蓄水量不足等異常信息進(jìn)行預(yù)警，為調(diào)度人員調(diào)整負(fù)荷提供決策參考依據(jù)。各電站的未來水庫運(yùn)行狀態(tài)、預(yù)警提示信息等可在界面直觀展示。調(diào)度人員可直接在界面修改任意時(shí)間、任意電站或梯級(jí)的負(fù)荷值，并自動(dòng)匹配計(jì)算其余各電站的負(fù)荷調(diào)整方案。具體描述如下：

在當(dāng)前狀態(tài)下，若調(diào)令下達(dá)三電站總負(fù)荷調(diào)整值，則根據(jù)三電站當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和來水趨勢(shì)預(yù)測(cè)，按照三電站間存在的水力、電力聯(lián)系規(guī)律，將調(diào)令要求的總負(fù)荷調(diào)整值合理分配給磽磧、寶興、小關(guān)子三電站，使三電站能均衡、穩(wěn)定運(yùn)行至下次調(diào)令調(diào)整時(shí)。

在當(dāng)前狀態(tài)下，若調(diào)令下達(dá)某一電站負(fù)荷調(diào)整值，則根據(jù)三電站當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和來水趨勢(shì)預(yù)測(cè)，按照三電站間存在的水力、電力聯(lián)系規(guī)律，以保持三電站間水力、電力匹配，不產(chǎn)生超發(fā)電量、發(fā)電量和棄水為原則，計(jì)算分析另二電站相應(yīng)需調(diào)整的負(fù)荷值、調(diào)整負(fù)荷的時(shí)間。

5 結(jié)語

1）通過梯級(jí)電站負(fù)荷分配軟件的應(yīng)用，在節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式下，發(fā)電計(jì)劃編制更加合理，有利于電網(wǎng)計(jì)劃和調(diào)度部門按計(jì)劃安排負(fù)荷，有利于水資源的高效利用。

2）在實(shí)時(shí)調(diào)度過程中，應(yīng)用梯級(jí)電站負(fù)荷分配軟件，使梯級(jí)電站優(yōu)化運(yùn)行做到實(shí)時(shí)、滾動(dòng)，為梯級(jí)水電站短期優(yōu)化調(diào)度提供重要的決策支持。

3）待民治電站投產(chǎn)后，將民治電站接入軟件，使系統(tǒng)進(jìn)一步完善。

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2015-09-20