大渡河流域梯級電站經(jīng)濟調(diào)度策略研究

盧立宇,黃煒斌,陶春華,李永利,王金龍

(1.西華大學建設與管理工程學院,四川成都610039;2.四川大學水電學院,四川成都610065；3.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司,四川成都610041;4.國網(wǎng)四川省電力公司,四川成都610041)

大渡河流域梯級電站經(jīng)濟調(diào)度策略研究

盧立宇1,黃煒斌2,陶春華3,李永利3,王金龍4

(1.西華大學建設與管理工程學院,四川成都610039;2.四川大學水電學院,四川成都610065；3.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司,四川成都610041;4.國網(wǎng)四川省電力公司,四川成都610041)

以大渡河瀑布溝、深溪溝梯級電站AGC聯(lián)合運行為依托,基于分層控制原理,提出了一套廠網(wǎng)協(xié)調(diào)模式下的梯級電站經(jīng)濟調(diào)度(EDC)負荷實時分配策略,構建了相應的數(shù)學模型。為了檢驗策略及模型的合理性和可行性,進行了模擬運行。結果表明,所提策略及方法可在滿足各項安全約束的前提下,實現(xiàn)瀑、深兩站梯級總負荷的廠間實時分配,使兩電站在負荷與水量上匹配,進而提高了水量利用率,增加了發(fā)電效益。

梯級水電站；AGC；廠間經(jīng)濟運行；智能分配；控制策略

0 引 言

水電站 AGC (Automatic Generation Control)作為水電廠自動化系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行的關鍵組成部分之一,是實現(xiàn)負荷優(yōu)化分配和電力生產(chǎn)效益最大化必備的技術手段[1]。隨著越來越多的電廠AGC成功投運,流域梯級AGC將在電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行以及梯級電站實現(xiàn)“無人值班(少人值守),遠方集控”中發(fā)揮越來越重要的作用。然而,單站AGC開發(fā)的主要目標是維持電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行,適當考慮了廠內(nèi)經(jīng)濟運行,卻無法顧及梯級水電站上下游間的水力聯(lián)系和各水庫調(diào)節(jié)性能上的差異。當電網(wǎng)分別針對各站下達AGC負荷指令后,因電量和水量上的不匹配,極易導致梯級電站產(chǎn)生棄水或長期處于低水頭運行,影響梯級安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。由國電大渡河流域梯級電站集控中心調(diào)度控制的瀑布溝、深溪溝電站就面臨著這樣的問題。

瀑布溝、深溪溝水電站位于大渡河中下游,是兩座以發(fā)電為主的大型水電站。其中,瀑布溝水電站裝機容量3 600 MW,具備不完全年調(diào)節(jié)能力；深溪溝水電站是瀑布溝的反調(diào)節(jié)電站,裝機容量660 MW,其水庫庫容較小,基本不具備調(diào)節(jié)能力。瀑、深兩站均為四川電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻電站,已具備AGC功能,并可投入運行。但深溪溝水庫水位受瀑布溝及自身負荷影響很大,當省調(diào)分別對瀑、深兩站下達AGC指令,很容易引起深站庫水位大幅波動,甚至出現(xiàn)大量棄水或水庫拉空情況。為此,瀑布溝AGC投入省調(diào)聯(lián)合運行,而深溪溝AGC處于停用狀態(tài),其負荷調(diào)節(jié)仍需調(diào)度員向省調(diào)申請許可后手動調(diào)節(jié),不但影響梯級聯(lián)合運行的經(jīng)濟效益發(fā)揮,而且頻繁聯(lián)系和調(diào)節(jié)增加了調(diào)度工作的強度和難度。

為此,本文以大渡河瀑、深兩水電站AGC實際控制工程問題為依托,對兩站AGC聯(lián)合運行所涉及到的實時調(diào)度問題進行了分析研究,提出了一種廠網(wǎng)協(xié)調(diào)模式下的梯級EDC(Economic Dispatch Control)控制策略,建立了一套以深溪溝電站為主要控制對象的瀑深廠間負荷實時分配控制模型,并采用工程化算法對模型進行了求解。結果表明,在滿足各項安全約束的條件下,實現(xiàn)了瀑布溝、深溪溝兩站梯級總負荷的廠間實時智能分配,使得瀑布溝、深溪溝水電站在負荷與水量上相匹配,提高了水量利用率,增加了發(fā)電效益。

1 EDC實時負荷分配策略

解決瀑、深兩站AGC聯(lián)合協(xié)調(diào)運行的關鍵,在于使深站在正常水位范圍內(nèi)保持安全穩(wěn)定運行,避免出現(xiàn)不合理棄水或水庫拉空現(xiàn)象?；诖?可在深溪溝死水位Zs,死(790 m)與正常蓄水位Zs,蓄(850 m)之間設定兩個水位閾值(下限Zs,down和上限Zs,up),將庫水位分3個區(qū)間。根據(jù)深站實時水位所在區(qū)間,考慮有無棄水情況,制定兩站廠間負荷分配策略。

(1)水位運行區(qū)間劃分。若深站實時水位Zs,t>Zs,up,為高水位區(qū)；若Zs,t

(2)水位異?？刂撇呗浴．斏钫舅贿M入高水位區(qū)或死水位區(qū),且沒有返回可運行區(qū)的趨勢時,即當Zs,t>Zs,up且Q入>Q出(Q入、Q出分別為深溪溝入庫、出庫流量),或Zs,t

(3)棄水分配策略。當深站水位在可運行區(qū),且瀑深兩水電站至少一站有棄水時,采用棄水下的負荷分配策略,以充分利用棄水流量,減少電站棄水損失。即,梯級總負荷調(diào)增,有棄水的電站優(yōu)先承擔增加的負荷；梯級總負荷調(diào)減,無棄水的電站優(yōu)先承擔減少的負荷；若瀑深兩站均存在棄水,則按梯級總棄水流量最小控制進行負荷分配,以使更多的水存儲在上游,以減少梯級水能損失。

(4)大、小負荷分配策略。若深站水位在可運行區(qū),且瀑深兩站均無棄水,根據(jù)梯級總發(fā)電負荷指令值與總實發(fā)出力的變幅大小,分為大負荷分配策略和小負荷分配策略。相對于大負荷分配,當電網(wǎng)下達的梯級總負荷指令值較小時,為減少電站的調(diào)節(jié)次數(shù),提高電站運行的經(jīng)濟性,宜采用小負荷分配策略。即,將小負荷差額由一個電站來負擔。具體為：梯級總負荷調(diào)增,若深站水位位于高水位區(qū),小負荷差額分給深站；梯級總負荷調(diào)減,若深站水位位于死水位區(qū),小負荷差額分給深站；若深站水位位于可運行區(qū),不論梯級總負荷調(diào)增還是調(diào)減,小負荷差額均由運行人員根據(jù)實際需要事先設定的調(diào)節(jié)順序優(yōu)先的電站承擔。分配流程：①根據(jù)小負荷差額的正負偏差及深站庫水位情況,確定電站承擔負荷調(diào)節(jié)的優(yōu)先次序。②小負荷差額首先分配給優(yōu)先次序較高的電站,同時檢查分配結果是否滿足電站有功可調(diào)區(qū)間約束和避開振動區(qū)約束,若滿足,輸出結果；否則,進行下一步。③優(yōu)先次序高的電站維持實發(fā)出力不變,小負荷差額分配給另一電站,同時檢查分配結果是否滿足該站的有功可調(diào)區(qū)間約束和避開振動區(qū)約束,若滿足,輸出結果；否則,進行下一步。④將小負荷差額以各種可能拆分,分別分配給兩個電站,直至兩站負荷分配值均滿足有功可調(diào)區(qū)間和避開振動區(qū)約束,輸出結果。

(5)策略的優(yōu)先級。水位異常下的負荷分配策略是優(yōu)先級最高；其次是棄水下的負荷分配策略；最后是大負荷分配策略和小負荷分配策略。策略構成圖見圖1。

圖1 大渡河瀑深梯級AGC廠間負荷實時分配策略構成

2 EDC實時負荷分配模型

2.1 模型構建

不同于“以電定水”模式下的短期優(yōu)化調(diào)度,梯級廠間負荷實時分配過程中,梯級總出力值實時跟蹤電網(wǎng)負荷變化,具有不可預知性；且實時調(diào)度實質(zhì)上是一個與時間無關的空間優(yōu)化問題,站間水流滯時引起能量和水量傳遞上的滯后性,雖然一定程度上不利于梯級電站的實時控制[2],但卻為下一時段的控制策略提供了依據(jù)。瀑深梯級之間的流量滯時τ=0.5 h。為了有效地控制深站庫水位的變化,充分利用已發(fā)生的水情信息,按負荷分配方案執(zhí)行Δt=τ時長后的結果進行控制。按照前述廠間負荷實時分配策略,構建5個廠間負荷實時分配控制模型,分別如下：

(1)深站水位異?？刂颇Ｐ汀Ｔ趯崟r調(diào)度中,經(jīng)濟性必須讓位于安全性,由于深溪溝電站庫容小、調(diào)節(jié)性能差,其進入高水位區(qū)或死水位區(qū)且沒有返回可運行區(qū)的趨勢時,易產(chǎn)生棄水或水庫拉空現(xiàn)象,不利于電站及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行,因此提出了深站水位異?？刂颇Ｐ?其目標函數(shù)為

(1)

式中,Zs,t+1為深站按照t時段的分配結果執(zhí)行到時段末的庫水位。該模型旨在通過廠間負荷的重新匹配,使得按分配結果執(zhí)行Δt時段后的深站水位盡可能的靠近其可運行區(qū)的中間值,以達到返回并持續(xù)穩(wěn)定運行在可運行區(qū)的目的。

(2)梯級總棄水量最小模型。為使更多的水存儲在上游,減少梯級水能損失,采用目標函數(shù)

(2)

(3)能量轉(zhuǎn)換效率最大模型。在蓄水量一定的條件下,提高能量轉(zhuǎn)化效率也就提高了水電站的經(jīng)濟效益。因此,可將能量轉(zhuǎn)換效率作為水電站經(jīng)濟運行的一項優(yōu)化準則[3]。即

(3)式中,E電,t為t時段系統(tǒng)要求的電能；E耗,t為t時段發(fā)電耗用的水體勢能；ρ和g分別為水密度和重力加速度；Pc,t為t時段電網(wǎng)下達的梯級AGC發(fā)電負荷指令；Pi,t為t時段梯級AGC分配給i電站的發(fā)電負荷；n為參與負荷分配的梯級電站個數(shù)；Δt為t時段時長,Δt=τ；Hi,t、Qi,t分別為i電站t時段的發(fā)電水頭和出庫流量。對于某一特定的時段,電網(wǎng)下達的梯級發(fā)電負荷指令值Pc,t是個已知的常數(shù),所以式(3)等價于式(4)。其實質(zhì)是在保證梯級總功率平衡下,梯級水電站耗用的水位能最小。即

(4)

其中,懲罰因子A是為確保深站水位能夠持續(xù)穩(wěn)定運行在可運行區(qū)而加入的懲罰項,取值規(guī)則為

(5)

式中,α為一正常數(shù)。

(4)深站水位平穩(wěn)模型。目標函數(shù)

(6)

其以深站水位變幅最小為控制目標,按流量平衡進行負荷分配,從而實現(xiàn)負荷與流量上的匹配,達到深站水位盡可能平穩(wěn)的目的。

(5)深站少調(diào)負荷模型。目標函數(shù)為

(7)

式中,Ps,t為深站的負荷分配值；Ns,t為深站當前實發(fā)出力。該模型以深站分配負荷值相對其當前實發(fā)出力的變化最小為目標進行負荷分配,達到瀑站多調(diào)負荷,深站少調(diào)負荷的目的。

2.2 約束條件

無論是哪種負荷分配策略,均須滿足如下約束條件:

(1)動力平衡約束

(8)

(2)水量平衡約束

Vi,t+1=Vi,t+3 600(qi,t-Qi,t)Δt

(9)

式中,Vi,t、Vi,t+1分別為i電站t時段初、末水庫蓄水量；qi,t為i電站t時段入庫流量。

(3)流量平衡約束

(10)

(4)發(fā)電流量約束

(11)

(5)水位約束

(12)

(6)出庫流量約束

(13)

(7)有功可調(diào)區(qū)間約束

(14)

(8)電站出力變幅約束

(15)

式中,Ni,t為i電站t時段初的實發(fā)出力；ΔNi為i電站允許的最大出力變幅,以防止電站負荷大幅波動影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行,由電站AGC的系統(tǒng)特性決定。

(9)避開振動區(qū)約束

(16)

(10)站間負荷轉(zhuǎn)移約束

(17)

式中,ΔPt為t時段梯級發(fā)電負荷指令值相對于當前總實發(fā)出力值的變化量。

(11)非負條件約束。即,以上所有變量均為非負變量。

2.3 求解算法

目前,用于負荷分配的求解算法主要有以等微增率法[4]、動態(tài)規(guī)劃(DP)及其改進算法[3]為主的傳統(tǒng)經(jīng)典算法和以遺傳算法(GA)[5]、粒子群算法(PSO)[6]等為代表的現(xiàn)代仿生學方法[7]。等微增率法通過“微分”的思想以各臺機組流量特性曲線的微增率來進行負荷的最優(yōu)分配,主要適用于機組臺數(shù)不多且性能曲線較簡單的單站廠內(nèi)機組間的負荷分配。動態(tài)規(guī)劃算法理論嚴謹,能夠絕對收斂于全局最優(yōu)解,但因其處理多維問題時易出現(xiàn)“維數(shù)災”,導致計算耗時太長而無法滿足系統(tǒng)運行的實時性要求；其各種改進算法雖在一定程度上降低了求解問題的計算量,但由于使用條件的限制,用于離線的單站或水電站群短、中、長期優(yōu)化調(diào)度中較多。遺傳算法、粒子群算法等現(xiàn)代仿生學方法從本質(zhì)上說是不依賴于具體問題的直接搜索方法,可以很好地處理多維優(yōu)化問題。然而,由于這些方法不能絕對保證每次都收斂于唯一確定的最優(yōu)解,因而在負荷分配過程中很容易引起機組啟?？刂坪拓摵烧{(diào)整的不確定性。

綜上所述,由于研究對象只有兩個電站,且時間維度只有一維,本文基于分層控制原理,在梯級AGC控制模型的構建過程中將梯級各電站概化為單一機組,采用簡單實用的工程化算法對模型求解,有效降低了求解難度和求解時間,大大提高了模型的實用性和時效性。具體算法流程見圖2。

圖2 模型算法求解流程

3 實例結果及分析

基于電站實際運行工況和水情信息,采用大渡河瀑深梯級AGC系統(tǒng)實時跟蹤電網(wǎng)調(diào)度下達的瀑深梯級總負荷指令進行模擬運行,以檢驗策略的穩(wěn)定性和合理性。某日瀑布溝水電站3臺機組投入運行,電站振動區(qū)為[0,180]∪[380,490]∪[1 430,1 520]MW；深溪溝水電站2臺機組投入運行,電站振動區(qū)為[0,30]∪[140,160]∪[235,252]MW,設置的水位可運行區(qū)為656～659 m。為了方便運行結果的對比分析,模擬運行時瀑、深兩站的起始水位分別取實測水位797.81 m和658.67 m。設置系統(tǒng)區(qū)分大、小負荷分配策略的門檻值為30 MW；大負荷分配時,1～10 h采用的是深站少調(diào)負荷模型控制,10～17 h采用的是深站水位平穩(wěn)模型控制,其他時段按能量轉(zhuǎn)換效率最大模型進行負荷的優(yōu)化分配。模擬運行與實際運行的過程、結果對比分別見圖3、表2。

圖3 模擬運行與實際運行過程對比

表2 模擬運行與實際運行結果對比

從圖3可以看出,在相同的梯級總負荷指令下,與電網(wǎng)調(diào)度直接將發(fā)電負荷分別下達至電站的實際運行過程相比,梯級AGC在進行負荷分配時很好地保證了瀑、深兩站避開振動區(qū)運行,并且深溪溝電站全天穿越振動區(qū)3次,比實際運行的9次少了6次；在水位變化過程中,相同的起始水位下,瀑、深兩站的模擬運行日末水位均比實際運行高,說明模擬運行的發(fā)電耗水、耗能減小,并且深溪溝電站全天的水位波動范圍為656.41～658.67 m,很好地控制在了可運行區(qū)內(nèi),比實際運行時的水位波動范圍655.76～658.83 m有所減小,同時水位升降次數(shù)也比實際運行少,變化相對平緩。

由表2可以看出,模擬運行下的瀑布溝水庫水位降幅為0.41 m,比實際運行減少0.19 m；深溪溝水庫水位降幅為1.60 m,比實際運行減少0.35 m；梯級總發(fā)電耗水13 897萬m3,比實際運行減少了388萬m3。經(jīng)計算,采用電網(wǎng)給定的兩電站出力方案,瀑布溝當天實際平均耗水率為3.34 m3/(kW·h),深溪溝為13.31 m3/(kW·h),梯級總的實際平均耗水率為5.35 m3/(kW·h)；而按梯級EDC系統(tǒng)模擬運行方案,瀑布溝模擬平均耗水率為3.31 m3/(kW·h),深溪溝為11.58 m3/(kW·h),梯級總的模擬平均耗水率為5.16 m3/(kW·h),較前者節(jié)約耗水3.55%，且每次總負荷分配均可在1 s內(nèi)完成,保證了系統(tǒng)運行的實時性。由此可見,梯級AGC系統(tǒng)采用本文提出的分配策略進行聯(lián)合實時調(diào)度后,梯級總效益提高明顯,系統(tǒng)在使梯級總發(fā)電耗水和耗能減小的同時,有效避免了不必要的穿越振動區(qū)和落入振動區(qū)運行的情況,從而在發(fā)電耗能、耗水成本和電站運行工況轉(zhuǎn)換成本之間取得了良好的平衡,模擬運行結果令人滿意。

4 結 論

為有效解決大渡河瀑布溝、深溪溝兩站AGC在確保安全穩(wěn)定條件下的聯(lián)合優(yōu)化運行問題,本文基于分層控制原理,提出了一套廠網(wǎng)協(xié)調(diào)模式下的梯級EDC廠間負荷實時分配策略,構建了相應的數(shù)學模型,給出了詳細的求解流程,并進行了實例模擬計算。模擬結果表明,所提策略及方法在滿足各項安全約束和站間負荷匹配的前提下,實現(xiàn)了瀑、深兩站梯級總負荷的廠間實時優(yōu)化分配,提高了水量利用率,增加了發(fā)電效益,為梯級EDC功能的成功實施奠定了基礎。目前,集控中心已完成瀑深兩站EDC相關實驗,基本具備EDC投運條件。

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(責任編輯 陳 萍)

Study on Economic Dispatching Control Strategy of Cascade Hydropower Stations in Dadu River

LU Liyu1, HUANG Weibin2, TAO Chunhua3, LI Yongli3, WANG Jinlong4

(1. College of Construction and Management, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan, China;2. College of Water Resource and Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China3. Dadu River Hydropower Development Co., Ltd., Chengdu 610041, Sichuan, China;4. State Grid Sichuan Electric Power Company, Chengdu 610041, Sichuan, China)

Based on the study of AGC joint operation of Pubugou Hydropower Station and Shenxigou Hydropower Station in Dadu River, the economic dispatching control strategy of two cascade stations are proposed on the basis of hierarchical control theory, in which, a real-time load dispatching can be achieved under the mode of station-network coordination. The mathematical models are constructed and the general resolution ideas are proposed. In order to check up the rationality and feasibility of strategy and models, the numerical simulation is carried out. The results show that the strategy and method can realize real-time load distribution between two stations under the premise of satisfying various safety constraints, and realize the matching of load and water utilization of two stations. So the water utilization can be improved and the power generation will be increased．

cascade hydropower station; AGC; economic operation between stations; smart dispatching; control strategy

2015- 03- 21

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2013CB036406- 4)

盧立宇(1977—),女,四川瀘州人,講師,主要從事工程經(jīng)濟運行科研與教學；黃煒斌(通訊作者)．

TV697.12(271)

A

0559- 9342(2017)03- 0106- 05