金沙江下游巨型梯級(jí)電站群調(diào)控技術(shù)探索與實(shí)施

程 建,瞿衛(wèi)華,李 輝,何宏江,劉 瑩

(長(zhǎng)江電力,北京 100038)

金沙江下游巨型梯級(jí)電站群調(diào)控技術(shù)探索與實(shí)施

程 建,瞿衛(wèi)華,李 輝,何宏江,劉 瑩

(長(zhǎng)江電力,北京 100038)

以金沙江下游水電站的梯級(jí)開發(fā)為背景,重點(diǎn)研討了對(duì)烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩這4座巨型電站進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度與遠(yuǎn)程監(jiān)控所需的關(guān)鍵技術(shù),包括海量數(shù)據(jù)的高速通信與防誤技術(shù)、高可靠性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度策略與電站群站內(nèi)負(fù)荷分配策略等。并以成都區(qū)調(diào)中心和溪洛渡電站為例,對(duì)上述技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新細(xì)節(jié)進(jìn)行了闡述。

梯級(jí)電站群;調(diào)控一體化;聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度;水庫(kù)儲(chǔ)能最大模型;A G C;效率優(yōu)先算法

0 引言

梯級(jí)水電站是由建立在同一流域上的若干個(gè)水電站構(gòu)成,它們?cè)谒徽{(diào)節(jié)、水能利用、水庫(kù)容量、水文治理等方面相互依托,相互影響。為最大限度地發(fā)揮梯級(jí)樞紐的經(jīng)濟(jì)效益,梯級(jí)電站群一般以整個(gè)樞紐為一個(gè)發(fā)電實(shí)體進(jìn)行規(guī)劃,結(jié)合各電站庫(kù)容規(guī)模、水輪機(jī)組的出力特性、線路建設(shè)條件、電力調(diào)度與消納計(jì)劃、防汛水情要求等技術(shù)特點(diǎn),綜合設(shè)計(jì)全樞紐的理論最大儲(chǔ)能和最大發(fā)電方案,以達(dá)到多儲(chǔ)能、多發(fā)電、少棄水,統(tǒng)一調(diào)度管理,減少重復(fù)投資的目標(biāo)。也為國(guó)家資源高效、科學(xué)利用發(fā)揮積極的作用。

梯級(jí)電站群一般會(huì)按區(qū)域?qū)㈦娬救簞潥w同一家公司進(jìn)行建設(shè)與管理,已規(guī)劃的金沙江下游水電站烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩由三峽總公司承建,這4座巨型水電站所在區(qū)域河段全長(zhǎng)約783 km,落差約729 m,總裝機(jī)容量約4 600萬kW,年發(fā)電量約1 960億kW·h。建成后,所有電站都將躋身世界前十大水電站之列,是我國(guó)重要的水電能源基地,對(duì)電網(wǎng)的安全性舉足輕重。同時(shí),對(duì)如此規(guī)模的電站群進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,其經(jīng)濟(jì)效益也將相當(dāng)可觀。

為安全調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度、智能調(diào)度,三峽總公司就近在成都設(shè)立了三峽梯調(diào)成都區(qū)調(diào)中心,它的設(shè)計(jì)思想為:①充分發(fā)揮電站群的規(guī)模優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)益差互補(bǔ),提高電力輸出的穩(wěn)定性與電能品質(zhì);②通過對(duì)各種經(jīng)濟(jì)調(diào)控策略的應(yīng)用,提高產(chǎn)出效能;③結(jié)合“無人值班、少人值守”的管理思路,探索中控室后移等電站管理方式;④依托長(zhǎng)江電力技術(shù)中心支持,不斷推演和改進(jìn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度數(shù)學(xué)模型。公司將成都區(qū)調(diào)中心的這種新型管理模式定義為“調(diào)控一體化”模式,本文也將針對(duì)“調(diào)控一體化”模式進(jìn)行技術(shù)探討。

1 梯級(jí)水電站群“調(diào)控一體化”設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于公司對(duì)成都區(qū)調(diào)“調(diào)控一體化”模式的定位,調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)為[1]:

(1)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)控各電站的線路出力與運(yùn)行方式,發(fā)揮電站群規(guī)模優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)益差互補(bǔ),確保為電網(wǎng)輸出可靠、穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)電能。

(2)能夠統(tǒng)一調(diào)度梯級(jí)樞紐流量,提高梯級(jí)電站群的發(fā)電效益。包括:①以庫(kù)容、水頭、流量和電站出力為維數(shù),求解梯級(jí)庫(kù)容的理論最大效能;②以單機(jī)效率和出力為維數(shù),求解當(dāng)前流量下的理論最大出力和在出力不變的情況下,求解理論最小耗水量。

(3)能夠采集各電站的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息,實(shí)現(xiàn)在成都區(qū)調(diào)對(duì)各電站所有設(shè)備“全監(jiān)全控”的功能。

實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的側(cè)重因素還包括:

(1)按“全監(jiān)全控”策略,實(shí)時(shí)接收電站監(jiān)控系統(tǒng)所有數(shù)據(jù),并對(duì)電站運(yùn)行設(shè)備具有與電站側(cè)相同的控制與調(diào)節(jié)能力。

(2)應(yīng)突出實(shí)時(shí)的、可靠的通信能力對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控的重要性,主要包括高冗余度的物理連接通道、高速的數(shù)據(jù)通信能力、海量數(shù)據(jù)的可靠處理機(jī)制。

(3)下行控制命令必須具備驗(yàn)證、確認(rèn)及執(zhí)行單元必要防誤閉鎖等安全控制策略。

(4)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)需與水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)有良好的接口,共享支持經(jīng)濟(jì)運(yùn)行計(jì)算所需的數(shù)據(jù),包括國(guó)家防總與長(zhǎng)江防總調(diào)節(jié)指令。

(5)具備基于金沙江下游電站群的優(yōu)化控制策略計(jì)算與控制功能,包括梯級(jí)電站群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度運(yùn)算策略、基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的效率優(yōu)先負(fù)荷分配策略、閘門自動(dòng)遠(yuǎn)控功能等。

2 研發(fā)的主要技術(shù)難點(diǎn)

對(duì)于梯級(jí)巨型電站群的開發(fā),國(guó)內(nèi)尚屬首次,許多工作均在摸索中不斷開發(fā)與完善,其中最重要的4點(diǎn)包括:

(1)前所未有的海量數(shù)據(jù)處理策略研究。

成都區(qū)調(diào)下轄烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩電站均屬巨型水力發(fā)電站,每個(gè)電站都有海量的數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)上送,現(xiàn)已投運(yùn)的兩個(gè)電站中,向家壩電站測(cè)點(diǎn)約8萬點(diǎn),溪洛渡電站測(cè)點(diǎn)約16萬點(diǎn),如此大規(guī)模的測(cè)點(diǎn)通信量,既要滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控所需的采集分辨率,又要使用主流通信協(xié)議,其挑戰(zhàn)前所未有。

(2)高度可靠的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究。

按“調(diào)控一體化”設(shè)計(jì)思想,成都區(qū)調(diào)既是梯級(jí)調(diào)度中心,也是中央監(jiān)視與控制中心,負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況,并在第一時(shí)間做出處理。而這些功能都要基于可靠的數(shù)據(jù)通信,通信的中斷與遲滯,將影響到運(yùn)行人員和系統(tǒng)本身及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障,積患成疾直至故障擴(kuò)大,威脅安全生產(chǎn)。

尤其是在新電站建設(shè)與調(diào)試期間,現(xiàn)場(chǎng)干擾源較多,大部分的時(shí)間內(nèi)處于“邊調(diào)試、邊運(yùn)營(yíng)、邊完善”的復(fù)雜工況之下,低冗余度的通信鏈路將受到極大的挑戰(zhàn),因此,在設(shè)計(jì)時(shí),就必須以更為健壯的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配套的軟件功能來替代傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),以滿足多重通道自動(dòng)切換、數(shù)據(jù)補(bǔ)傳、鏈路檢測(cè)等功能。

(3)適應(yīng)于金沙江下游電站群特點(diǎn)的梯級(jí)電站群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度運(yùn)算策略研究。

(4)適應(yīng)于金沙江下游電站群特點(diǎn)的基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的優(yōu)先分配算法研究。

3 解決方案的探索與實(shí)施

3.1 海量數(shù)據(jù)通信策略的解決方案研究

研究成都區(qū)調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)與電站監(jiān)控系統(tǒng)之間的海量數(shù)據(jù)交換,需解決兩方面的問題:

(1)通信接口方式的選擇

目前,調(diào)控中心與電站之間主流的通信方式有3種:遠(yuǎn)程傳輸單元(RTU)接口模式、廠站實(shí)時(shí)控制網(wǎng)延伸模式、開放規(guī)約通信模式[1],其特點(diǎn)如下:

1)遠(yuǎn)程傳輸單元(RTU)接口方式,由調(diào)度部門在電站設(shè)置獨(dú)立的遠(yuǎn)程控制單元,作為電站與梯調(diào)之間信息上傳下達(dá)的平臺(tái)。該模式早期為調(diào)度部門普遍使用,但隨著通信技術(shù)的發(fā)展與成熟,該模式采集數(shù)據(jù)量少、傳輸信息單一等缺點(diǎn),已不能滿足調(diào)控一體化的數(shù)據(jù)需求了。

2)廠站實(shí)時(shí)控制網(wǎng)延伸方式,即:將集控中心調(diào)度自動(dòng)化上位機(jī)當(dāng)做電站監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)的延伸,使用相同的實(shí)時(shí)控制網(wǎng)連接服務(wù)器;規(guī)劃相同的網(wǎng)絡(luò)地址段和相同的數(shù)據(jù)規(guī)約。調(diào)度數(shù)據(jù)服務(wù)器可直接從實(shí)時(shí)控制網(wǎng)上獲取廣播數(shù)據(jù)更新數(shù)據(jù)庫(kù),也可直接下令至現(xiàn)地控制單元LCU。該模式在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)完整性、建設(shè)成本等方面有很大的優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)過于其中,兩側(cè)檢修相互干擾;而且要求調(diào)度與電站兩側(cè)均使用相同廠家的系統(tǒng)(或數(shù)據(jù)規(guī)約),通用性弱,不便于后期設(shè)備換型改造。

3)開放規(guī)約通信方式,即:調(diào)度自動(dòng)化與廠站監(jiān)控系統(tǒng)采用開放通信規(guī)約進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)廠站設(shè)備的所有監(jiān)控功能均依賴廠站監(jiān)控系統(tǒng)完成。此方式功能分界清晰,受限制條件少,是目前建設(shè)集控中心監(jiān)控系統(tǒng)的主流方式。

綜合開放性、成熟性與穩(wěn)定性考慮,成都區(qū)調(diào)中心最終選擇使用開放規(guī)約(IEC60870-5-104)與電站群之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

(2)對(duì)IEC60870-5-104規(guī)約的優(yōu)化

調(diào)試中發(fā)現(xiàn),使用標(biāo)準(zhǔn)的IEC60870-5-104規(guī)約從事海量數(shù)據(jù)通信,實(shí)現(xiàn)起來有兩點(diǎn)不足:①兩側(cè)通信點(diǎn)表不一致且檢查困難,時(shí)常導(dǎo)致通信錯(cuò)位;②數(shù)據(jù)傳輸速率慢;給投運(yùn)工作帶來了較大的阻礙。要解決上述問題,唯有對(duì)IEC60870-5-104規(guī)約進(jìn)行優(yōu)化,包括:

1)補(bǔ)充IEC60870-5-104規(guī)約內(nèi)容,設(shè)計(jì)并開發(fā)單邊通信點(diǎn)表技術(shù)。

創(chuàng)新性地提出單邊通信點(diǎn)表技術(shù),即:以電站側(cè)的通信點(diǎn)表為主點(diǎn)表,當(dāng)成都區(qū)調(diào)側(cè)與電站側(cè)建立IEC60870-5-104通信鏈接后,首先使用電站側(cè)的通信點(diǎn)表更新本側(cè)配置軟件,然后再進(jìn)行通信的一種方法。其技術(shù)核心為:①通過通信規(guī)約A交換通信兩側(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)靜態(tài)屬性,包括:點(diǎn)名、點(diǎn)描述、設(shè)備單元名稱、單位、報(bào)警限值等必要的信息;②僅通信服務(wù)端建立通信點(diǎn)表;③通信服務(wù)端動(dòng)態(tài)建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù);④通信客戶端在采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約通信并獲取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)前,調(diào)用通信規(guī)約A獲取通信點(diǎn)靜態(tài)屬性,建立客戶端數(shù)據(jù)庫(kù)及通信點(diǎn)表;⑤其他需要訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的程序應(yīng)以點(diǎn)名作為數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)示獲取數(shù)據(jù),以保持?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)示的相對(duì)穩(wěn)定性;⑥在數(shù)據(jù)庫(kù)重新生成期間,提供不更新的副本數(shù)據(jù)庫(kù)供其他程序使用。

2)開發(fā)雙緩存技術(shù)以提升大規(guī)模數(shù)據(jù)上送的實(shí)時(shí)性。

IEC60870-5-104通信鏈接建立后,在成都區(qū)調(diào)側(cè)采用接收與處理異步的技術(shù),建立接收緩存和處理緩存。這樣,即使廠站數(shù)據(jù)發(fā)生“雪崩”,成都區(qū)調(diào)側(cè)也不會(huì)因?yàn)樘幚聿患皶r(shí)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)阻塞。

以溪洛渡電站數(shù)據(jù)采集為例:開關(guān)量近12萬點(diǎn),模擬量近4萬點(diǎn)。模擬量約200 ms掃查周期,每次掃查周期約1 200個(gè)變化報(bào)文,在如此海量數(shù)據(jù)變化的狀態(tài)下,總召數(shù)據(jù)(全部數(shù)據(jù)逐點(diǎn)上送)作為低優(yōu)先級(jí)背景掃描數(shù)據(jù),改進(jìn)前約需近10 min,改進(jìn)后多次測(cè)量均值為30 s左右,極大地提高了低優(yōu)先級(jí)背景數(shù)據(jù)總召的速率。

3.2 高度可靠的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究

當(dāng)前,主流的水電站集控中心通常采用雙通道熱備方式與電站通信,當(dāng)主用通道故障時(shí),切換到備用通道。為了確保電調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)的安全性、可靠性及實(shí)時(shí)性,成都區(qū)調(diào)中心在規(guī)劃時(shí)便提出基于多服務(wù)器、多規(guī)約、多鏈路、相互校驗(yàn)的集群通信設(shè)計(jì)思想,如圖1所示。

圖1 金沙江下游集控中心電調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(不含烏東德、白鶴灘)

本系統(tǒng)各重要環(huán)節(jié)均為冗余配置,任何單一設(shè)備的故障,均不影響系統(tǒng)功能。主要特點(diǎn)如下:

(1)雙機(jī)熱備冗余技術(shù)

系統(tǒng)的重要設(shè)備均采用雙機(jī)熱備冗余技術(shù),如歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、操作員站、應(yīng)用服務(wù)器、電站通信服務(wù)器、調(diào)度通信服務(wù)器等。冗余配置的雙機(jī)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行相同的任務(wù),備機(jī)一般不輸出任何數(shù)據(jù),互相檢測(cè),相互備用。當(dāng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)主機(jī)故障時(shí),根據(jù)具體情況,備機(jī)可自動(dòng)升為主機(jī)運(yùn)行。

(2)多機(jī)集群冗余技術(shù)

鑒于通信功能在金沙江下游巨型電站“調(diào)控一體化”中的突出重要性,在國(guó)際上首次采用4臺(tái)通信服務(wù)器構(gòu)成四重集群冗余系統(tǒng),負(fù)責(zé)成都梯調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)與溪洛渡、向家壩電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通信,大幅提升了區(qū)調(diào)與電站通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。合理利用該集群技術(shù),對(duì)集群某一路通道設(shè)備或通信的調(diào)試不影響區(qū)調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

(3)雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)

重要網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu),兩個(gè)網(wǎng)同時(shí)工作,相互備用。任意一個(gè)網(wǎng)故障均不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

成都電調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)與向家壩、溪洛渡通信采用2個(gè)主用通道,1個(gè)備用通道,1個(gè)應(yīng)急通道,極大保障了通道的可靠性。

3.3 適應(yīng)于金沙江下游電站群特點(diǎn)的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度算法研究

梯級(jí)水電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度能在現(xiàn)有工程的規(guī)模下,顯著提高梯級(jí)水電站的運(yùn)行效益,常用的做法是在某一優(yōu)化原則下,結(jié)合電站群水庫(kù)的運(yùn)行約束條件,通過優(yōu)化算法求解達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

現(xiàn)階段,受涉網(wǎng)調(diào)度權(quán)限,成都區(qū)調(diào)中心暫時(shí)無法在電網(wǎng)給定梯級(jí)總負(fù)荷不變的情況下,自由調(diào)度各電站的出力。經(jīng)濟(jì)運(yùn)行暫以梯級(jí)水庫(kù)儲(chǔ)能最大為模型,建立目標(biāo)函數(shù)求解,結(jié)合各電站的水輪機(jī)特性,通過調(diào)節(jié)水位、流量等方式,使梯級(jí)電站群在當(dāng)前工況下,始終保持各水庫(kù)總儲(chǔ)能最大。

(1)梯級(jí)水電站儲(chǔ)能最大模型目標(biāo)函數(shù)

式中,i=1,2,3,4,其中i=1代表烏東德;i=2代表白鶴灘;i=3代表溪洛渡;i=4代表向家壩;E為梯級(jí)電站在計(jì)算時(shí)段的總儲(chǔ)能;Ki為電站群第i個(gè)電站綜合出力系數(shù);Hi為第i個(gè)水電站在計(jì)算時(shí)段的平均水頭;QIi為第i個(gè)水電站在計(jì)算時(shí)段的水庫(kù)入庫(kù)流量;QOi為第i個(gè)水電站在計(jì)算時(shí)段內(nèi)的出庫(kù)流量;QPi為第i個(gè)水電站在計(jì)算時(shí)段的發(fā)電流量;QRi為第i個(gè)水電站在計(jì)算時(shí)段的水庫(kù)契稅流量。

(2)約束條件

1)出力約束:水庫(kù)最大儲(chǔ)能E基于各電站當(dāng)前的調(diào)度給定值或調(diào)度曲線計(jì)算。

2)上下游水位約束:下限≤Hi≤上限,向家壩電站上游水位變幅不得超過2 m。

3)流量約束:下限≤QOi≤上限。

4)水量平衡約束[2]:某一水庫(kù)水量等于初期水量加入庫(kù)流量,減去發(fā)電流量為泄水量,即:

5)水庫(kù)蓄水量約束[2]:水庫(kù)蓄水量應(yīng)等于入庫(kù)流量加支流流量。即:

式中,QPi-1為上一電站發(fā)電流量;QRi-1為上一電站泄流量;Qi為支流流量。

3.4.站內(nèi)AGC基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的水輪機(jī)效率優(yōu)先分

配法的研究

目前,金沙江下游電站群AGC普遍采用修正等比例負(fù)荷分配策略進(jìn)行廠內(nèi)負(fù)荷分配(即:盡可能均分機(jī)組負(fù)荷),未考慮水輪機(jī)效率特性,導(dǎo)致負(fù)荷分配時(shí)存在著明顯的效率損失。以溪洛渡電站為例,水輪機(jī)效率在設(shè)計(jì)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)為74%～96.7%,正常運(yùn)行工況內(nèi)為90%～96.7%,負(fù)荷可選擇的效率區(qū)間很大,這也就給我們留下了更多的挖掘潛力,如果我們能盡可能提高機(jī)組的整體運(yùn)行效率,就能做到用相同的水發(fā)更多電(或發(fā)相同的電使用更少的水)的目標(biāo)。

鑒于此,梯級(jí)電站群宜同時(shí)在廠內(nèi)研究投運(yùn)基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的水輪機(jī)效率優(yōu)先的AGC分配算法[3],尤其在枯水期,此算法將對(duì)提高各電站的年發(fā)電量起到積極的推動(dòng)作用[4],現(xiàn)將該算法的主要思想介紹如下:

(1)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法DP

DP是20世紀(jì)50年代美國(guó)數(shù)學(xué)家R.Bellman提出的一種用于解決多階段決策問題的技術(shù),成為現(xiàn)代最優(yōu)控制的基礎(chǔ)理論之一,是水資源規(guī)劃與管理中應(yīng)用最廣泛的優(yōu)化方法。在水電系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度中,DP多用于獲得水電廠的綜合運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線,這些曲線為短期調(diào)度提供了計(jì)算的基礎(chǔ)。由于存在維數(shù)災(zāi),在動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的基礎(chǔ)上,又發(fā)展了離散動(dòng)態(tài)規(guī)劃(DDDP)逐步優(yōu)化算法(POA)等優(yōu)化算法,常用于解決水電站優(yōu)化調(diào)度問題。這類方法的思路都是將具有多狀態(tài)變量和復(fù)雜約束條件的大系統(tǒng)求解模型通過一定方法,分解成一系列結(jié)構(gòu)相似的子系統(tǒng),再用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法求解。

DP模型通過權(quán)衡機(jī)組啟停費(fèi)用與非最優(yōu)功率組合的損失,考慮機(jī)組最優(yōu)工況,水頭損失以及下游水位變化,計(jì)算一天水電機(jī)組的運(yùn)行機(jī)組數(shù),該功能已應(yīng)用于伊泰普水電站。

考慮到溪洛渡電站水頭—功率—效率數(shù)據(jù)可以精確獲得,數(shù)學(xué)模型可以改成以全廠綜合效率最高為優(yōu)化目標(biāo),如下:

1)目標(biāo)函數(shù)

其中:η為全廠發(fā)電效率;ηi為第i臺(tái)機(jī)組發(fā)電效率;i為機(jī)組編號(hào);Ni為第i臺(tái)機(jī)組有功值;n為機(jī)組臺(tái)數(shù)。

2)出力平衡約束

3)機(jī)組出力約束

其中:Nimin為第i臺(tái)機(jī)組在當(dāng)前水頭下可發(fā)最小有功值;Nimax為第i臺(tái)機(jī)組在當(dāng)前水頭下可發(fā)最大有功值。

4)機(jī)組禁運(yùn)區(qū)(振動(dòng)區(qū)和氣蝕區(qū))約束

其中:Vi,kmin為第i臺(tái)機(jī)組第k個(gè)禁運(yùn)區(qū)下限; Vi,kmax為第i臺(tái)機(jī)組第k個(gè)禁運(yùn)區(qū)上限。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解模型

1)階段變量。以工作機(jī)組的臺(tái)數(shù)k作為階段變量,如k=2表示第二階段可以有兩臺(tái)機(jī)組工作(當(dāng)然也可以是一臺(tái)機(jī)組工作)。

2)狀態(tài)變量Nck。為第k階段所有運(yùn)行機(jī)組的負(fù)荷總和。顯然,該狀態(tài)變量所描述的過程具有無后效性。

3)決策變量Nk。以新投入的運(yùn)行機(jī)組所帶負(fù)荷作為決策變量。如Nk表示第k階段投入運(yùn)行的機(jī)組所帶的負(fù)荷,當(dāng)Nk＝0時(shí),說明第k階段不需投入新機(jī)組運(yùn)行。

4)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程。第k階段運(yùn)行機(jī)組的總負(fù)荷減去第k階段新投入運(yùn)行機(jī)組的負(fù)荷等于第k-1階段運(yùn)行機(jī)組的總負(fù)荷。即

5)約束條件:

式中,Nkmin、Nkmax分別表示第k臺(tái)機(jī)組的最小、最大出力限制。

6)目標(biāo)函數(shù)和遞推方程。目標(biāo)函數(shù)為在滿足電力系統(tǒng)給定負(fù)荷的前提下,電站總發(fā)電效率最高,即輸入功率最小(效率=輸出功率/輸入功率)。即

式中Pi(Ni)——第i臺(tái)機(jī)組所帶負(fù)荷Ni時(shí)的輸入功率;n——可投入運(yùn)行的機(jī)組總臺(tái)數(shù);Pc——電站總輸入功率。

若采用正向遞推順序,根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理可得出遞推計(jì)算方程式為

式中Pk(Nki)——第k階段第i臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行所帶負(fù)荷Nk時(shí)的輸入功率;

Ak——第k階段初所有未運(yùn)行機(jī)組的集合,第k階段投入運(yùn)行的機(jī)組應(yīng)該在該集合中選取;

Dk——決策變量的可行域由約束條件給定;

P*ck——當(dāng)電站有k臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí),所帶負(fù)荷為Nck時(shí)最小輸入功率。

(2)AGC效率優(yōu)先分配策略的設(shè)計(jì)

要使AGC基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的效率優(yōu)先算法進(jìn)行計(jì)算,首先需要從H9000實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)讀取相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),操作員選擇聯(lián)控功能及調(diào)節(jié)模式并軟件計(jì)算有功分配值后,將調(diào)節(jié)指令下發(fā)到監(jiān)控系統(tǒng)命令區(qū),由監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)地機(jī)組LCU交互,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組有功調(diào)節(jié)和控制。AGC優(yōu)化運(yùn)行軟件功能框圖設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 AGC優(yōu)化運(yùn)行軟件功能框圖

動(dòng)態(tài)規(guī)劃法軟件實(shí)現(xiàn)步驟:

1)根據(jù)當(dāng)前水頭,查表初始化機(jī)組各個(gè)出力工況下參數(shù)InitUnitPQ,根據(jù)機(jī)組有功步長(zhǎng)間隔,初始化有功從0至最大出力各個(gè)工況效率、流量等,并計(jì)算對(duì)應(yīng)輸入功率,對(duì)于機(jī)組禁運(yùn)區(qū),輸入功率設(shè)置為HUGE_VAL(極大值),便于將來舍棄該工況。

2)初始化全廠最優(yōu)分配表init_Plant_Table,機(jī)組選擇標(biāo)記均置0,各最優(yōu)分配機(jī)組號(hào)均賦0,輸入功率置HUGE_VAL。

3)以機(jī)組臺(tái)數(shù)為階段變量,以機(jī)組總負(fù)荷為狀態(tài)變量,以新投入機(jī)組為決策變量,把機(jī)組臺(tái)數(shù)i置為1,尋找機(jī)組可調(diào)范圍內(nèi)最優(yōu)分配表,生成階段變量為1的可調(diào)范圍內(nèi)最優(yōu)分配表[5]。

4)對(duì)于階段變量i,在階段變量為i-1最優(yōu)分配表基礎(chǔ)上,增加1臺(tái)機(jī)組,計(jì)算階段變量為i的最優(yōu)分配表,生成全廠i臺(tái)可調(diào)機(jī)組在可調(diào)范圍內(nèi)最優(yōu)分配表。

5)依次循環(huán),最終計(jì)算出當(dāng)前發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)下,全廠各工況最優(yōu)分配表,當(dāng)給定全廠總有功時(shí),通過查表,可以得出機(jī)組有功分配組合。

4 結(jié)束語(yǔ)

梯級(jí)電站群有較為明顯的綜合效益優(yōu)勢(shì),隨著調(diào)控一體化等新概念、新技術(shù)在金沙江下游電站群中的實(shí)施與發(fā)展,必將進(jìn)一步推動(dòng)水電站向數(shù)字化、智能化、智慧化方向邁進(jìn),發(fā)揮電站群的整體運(yùn)營(yíng)優(yōu)勢(shì),統(tǒng)一調(diào)度管理,減少重復(fù)投資的目標(biāo),為社會(huì)提供優(yōu)質(zhì)的電力產(chǎn)品,為公司在網(wǎng)電分離改革及資源高效利用等方面發(fā)揮正面的作用。

[1]王崢瀛,等.金沙江下游巨型機(jī)組電站群調(diào)控一體化控制系統(tǒng)研制報(bào)告[Z].

[2]王菲娜,談 飛.梯級(jí)水電站群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究與應(yīng)用[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2015(4):150-156.

[3]王崢瀛,譚 華,王桂平.巨型電站群遠(yuǎn)程調(diào)控一體化技術(shù)研究[J].水電站機(jī)電技術(shù),2013,36(3).

[4]王勁夫,林 峰.中型梯級(jí)水電站實(shí)現(xiàn)”無人值班”集中監(jiān)控的技術(shù)探討[J].水電廠自動(dòng)化,2005(1).

[5]王德寬,張 毅,劉曉波.白山梯級(jí)水電廠監(jiān)控系統(tǒng)及基自動(dòng)化改造[J].水力發(fā)電,1999(9).

TV736

B

1672-5387(2017)07-0016-06

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.005

2017-04-27

程 建(1970-),男,教授級(jí)高級(jí)工程師,從事電力行業(yè)生產(chǎn)管理與技術(shù)研究工作。