基于實(shí)時(shí)棄水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的梯級(jí)水電優(yōu)化調(diào)度方法

蘇華英，王國松，廖勝利

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

0 引 言

實(shí)時(shí)調(diào)度是以日前計(jì)劃為基礎(chǔ)[1，2]，根據(jù)負(fù)荷、來水偏差等實(shí)際變化情況來調(diào)整和制定實(shí)時(shí)調(diào)度計(jì)劃。梯級(jí)水電實(shí)時(shí)調(diào)度在調(diào)整過程中還需要兼顧電網(wǎng)斷面控制及上下游水情實(shí)況進(jìn)行必要的出力重新分配，以實(shí)現(xiàn)梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)。由于徑流預(yù)報(bào)的不確定性、電力平衡及電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行控制要求，需要對梯級(jí)各水電站出力進(jìn)行調(diào)整，而當(dāng)梯級(jí)水電站群面臨由于送出通道有限或發(fā)電負(fù)荷空間不足被迫棄水(或面臨棄水風(fēng)險(xiǎn))時(shí)，因涉及各水電站切身利益，如何在兼顧梯級(jí)水能資源最大化利用的前提下體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)、調(diào)度公平是目前水電調(diào)度運(yùn)行面臨的重要課題。國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)的運(yùn)行模式[3，4]、實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)模型[5-7]和負(fù)荷快速分配算法[8-13]等3個(gè)方面。王嘉陽等[14]針對實(shí)時(shí)調(diào)度中快速躲避機(jī)組限制區(qū)、兼顧電站日前計(jì)劃和出力平穩(wěn)性、最小化電站棄水等3方面，采用期末蓄能值最大模型，提出電站計(jì)算序位確定、電站組合確定、負(fù)荷偏差光滑處理、廠間負(fù)荷偏差分配和棄水調(diào)整策略，該方法和策略在確定電站計(jì)算序位時(shí)選取單庫蓄能率和耗水率分別作為第一級(jí)和第二級(jí)排序指標(biāo)，未考慮當(dāng)前出、入庫流量對各庫水位上升速度帶來的影響，具有一定的局限性，在實(shí)際運(yùn)行及梯級(jí)上下游協(xié)調(diào)工作中，不能很好的體現(xiàn)各級(jí)電站承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)程度，在未來的電力市場環(huán)境下，較難體現(xiàn)梯級(jí)水電調(diào)度的公平性。

本文以各電站歸屬不同發(fā)電業(yè)主的貴州牛欄江梯級(jí)水電站群為背景，提出基于實(shí)時(shí)棄水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的梯級(jí)水電優(yōu)化調(diào)度方法，對實(shí)時(shí)調(diào)度過程中棄水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化評(píng)估，并以此作為負(fù)荷快速重新分配的依據(jù)，在實(shí)現(xiàn)梯級(jí)水能高效利用的同時(shí)，能體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)和公平調(diào)度。

1 模型構(gòu)建

1.1 模型設(shè)計(jì)

基于實(shí)時(shí)棄水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的梯級(jí)水電優(yōu)化調(diào)度方法，以評(píng)估梯級(jí)電站棄水風(fēng)險(xiǎn)為切入點(diǎn)，根據(jù)流域?qū)嶋H來水及電網(wǎng)運(yùn)行約束，考慮各水庫運(yùn)行特性及梯級(jí)上下游水力聯(lián)系，輔助調(diào)度員進(jìn)行梯級(jí)各電站的負(fù)荷調(diào)整。

本算法模型通過獲取當(dāng)前入庫流量及電站出力實(shí)際情況計(jì)算各庫水位上漲速度，得出當(dāng)前負(fù)荷情況下的預(yù)棄水時(shí)間作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)，在滿足梯級(jí)總負(fù)荷不變的情況下，重新分配各梯級(jí)電站出力，以實(shí)現(xiàn)各電站預(yù)棄時(shí)間盡量靠攏、棄水風(fēng)險(xiǎn)盡量均衡為目標(biāo)；并且由于各電站庫容系數(shù)不同，梯級(jí)上下游之間存在密切的水力聯(lián)系，在均衡棄水風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)可減少梯級(jí)棄水，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)水能資源的高效利用。

1.2 模型目標(biāo)函數(shù)

本模型的目標(biāo)函數(shù)按照是否梯級(jí)電站群全部棄水分為兩種表達(dá)方式。當(dāng)存在梯級(jí)電站群全站棄水時(shí)，認(rèn)為各電站棄水風(fēng)險(xiǎn)相同，則各電廠出力按照裝機(jī)比例進(jìn)行分配；否則，模型通過調(diào)整梯級(jí)各電廠出力計(jì)劃，在保證梯級(jí)總出力不變的同時(shí)最大化延長實(shí)時(shí)棄水高風(fēng)險(xiǎn)電廠的預(yù)棄時(shí)間。故模型目標(biāo)函數(shù)為以下2組公式

(1)

(2)

式中，N(i，Pk)代表i時(shí)段梯級(jí)電站群P中第k個(gè)電廠的優(yōu)化出力；WPk代表梯級(jí)電站群P中第k個(gè)電廠的裝機(jī)容量；N′(i，P)代表i時(shí)段梯級(jí)電站群P的原始總出力；Q(i，Pk)代表梯級(jí)電站群P中第k個(gè)電廠在i時(shí)段內(nèi)的棄水流量；Z(i，Pk′末)代表i時(shí)段電站群P中風(fēng)險(xiǎn)最高電站k′的水位變化速度；代表梯級(jí)i時(shí)段電站群P中風(fēng)險(xiǎn)最高電站k′的水位上限；Z(i，Pk′末)代表i時(shí)段梯級(jí)電站群P中風(fēng)險(xiǎn)最高電站k′的時(shí)段末水位。

1.3 約束條件

(1)負(fù)荷約束

(3)

(2)電站出力約束

(4)

(3)庫水位約束

(5)

(4)出庫流量約束

(6)

2 模型求解方法

2.1 棄水風(fēng)險(xiǎn)定義

本文采用預(yù)棄水時(shí)間T來描述電站棄水風(fēng)險(xiǎn)。通過獲取當(dāng)前入庫流量及電站出力實(shí)際情況計(jì)算電站水位上漲速度，再用最高水位至當(dāng)前水位的差值除以水位上漲速度，最后得出當(dāng)前負(fù)荷情況下的預(yù)棄水時(shí)間作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)。若T≥0，則T越大棄水風(fēng)險(xiǎn)越低；若T<0，表明當(dāng)前出力情況下，電站水位呈下降狀態(tài)，將其歸最低風(fēng)險(xiǎn)。

為便于進(jìn)行各電站間棄水風(fēng)險(xiǎn)的比較，體現(xiàn)公平調(diào)度及風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)，需對風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Risk進(jìn)行定義。根據(jù)汛期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可將預(yù)棄時(shí)間劃分為高、中、低3個(gè)等級(jí)。當(dāng)預(yù)棄時(shí)間值足夠大或超過某個(gè)經(jīng)驗(yàn)臨界上限，即未來發(fā)生棄水時(shí)間足夠長時(shí)，可認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)低；當(dāng)預(yù)棄時(shí)間值小或逼近某個(gè)經(jīng)驗(yàn)臨界下限，即未來發(fā)生棄水時(shí)間很短時(shí)，可認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高。本文分別定義預(yù)棄時(shí)間0～300 min為高風(fēng)險(xiǎn)、301～600 min為中風(fēng)險(xiǎn)、601 min以上或?yàn)樨?fù)數(shù)(水位下降)為低風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 出力調(diào)整策略

實(shí)際運(yùn)行中，確定電站出力調(diào)整的優(yōu)先次序，快速、準(zhǔn)確的調(diào)整出力，是實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度過程中的關(guān)鍵部分。出力調(diào)整不僅要考慮梯級(jí)各電站間的電力聯(lián)系，確保出力調(diào)整后滿足電網(wǎng)電力平衡及電網(wǎng)通道等安全約束，而且要考慮各電站間的水力聯(lián)系，即上游電站出力的調(diào)整對下游電站水位變化造成的影響。

故，本文在進(jìn)行梯級(jí)電站出力調(diào)整過程中，引入流量滯時(shí)tk，即i時(shí)刻上游電站k的出庫流量在i+tk時(shí)間到達(dá)下游電站，進(jìn)而影響下游電站的水庫上漲速度及預(yù)棄時(shí)間，以體現(xiàn)梯級(jí)上下游的水力聯(lián)系。為體現(xiàn)梯級(jí)各電站電力聯(lián)系，在進(jìn)行i時(shí)刻的出力調(diào)整時(shí)采取如下策略：

(1)當(dāng)梯級(jí)電站群全部棄水的時(shí)候，按照裝機(jī)容量重新分配梯級(jí)原總出力。

(2)當(dāng)梯級(jí)電站群中存在任一個(gè)電站沒有棄水時(shí)，則按照預(yù)棄風(fēng)險(xiǎn)大小進(jìn)行出力調(diào)整。首先，按照各廠最大出力方式計(jì)算預(yù)棄時(shí)間，若此時(shí)梯級(jí)總出力剛好等于原總出力，則認(rèn)為各電站預(yù)棄時(shí)間均達(dá)得到了最大延長，即可進(jìn)入下一個(gè)時(shí)段；若此時(shí)梯級(jí)總出力大于原總出力，說明發(fā)電負(fù)荷空間(或送出送道)有限，需要進(jìn)行減出力調(diào)整，則按照最新的預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，預(yù)棄風(fēng)險(xiǎn)越低，則降出力調(diào)整的優(yōu)先級(jí)越高。每次調(diào)整均對優(yōu)先級(jí)最高的電站按照最小降出力速度進(jìn)行優(yōu)先減出力，并重新計(jì)算各電站預(yù)棄時(shí)間，直至優(yōu)化后的梯級(jí)總出力等于原總出力。

2.3 總體計(jì)算步驟

模型按照以下步驟進(jìn)行求解。

(1)定義風(fēng)險(xiǎn)集合Risk，Risk由調(diào)度人員設(shè)置，用于劃分電廠預(yù)棄時(shí)間對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其形式為：下限預(yù)棄時(shí)間，上限預(yù)棄時(shí)間，對應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的集合。

(2)根據(jù)梯級(jí)電站群各電廠計(jì)劃出力、入庫流量、初始水位對各電廠進(jìn)行初步演算，得到梯級(jí)電站群預(yù)棄時(shí)間集合TP。

(3)i時(shí)段遍歷T(i，p)，若?T(i，Pk)<0，即梯級(jí)電站群全部處于水位下降狀態(tài)，根據(jù)Risk對i時(shí)段各個(gè)電廠進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分(找到預(yù)棄時(shí)間所在的預(yù)棄時(shí)間區(qū)間，獲得相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí))，然后進(jìn)入下i+1時(shí)段，對i+1時(shí)段進(jìn)行步驟3操作，直至全時(shí)段遍歷完；若?T(i，Pk)≥0則轉(zhuǎn)入步驟4。

(4)按裝機(jī)容量重新分配i時(shí)段梯級(jí)電站群各電廠出力，并根據(jù)新出力重新進(jìn)行計(jì)算獲得梯級(jí)電站群電站狀態(tài)。若?Q(i，Pk)>0，則對i+1時(shí)段進(jìn)行步驟3；否則，進(jìn)行步驟5。

(6)試算新出力下梯級(jí)電站群各站T(i，Pk)，根據(jù)T(i，Pk)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分:①T(i，Pk)<0，表明出庫流量大于入庫流量，水位呈下降趨勢，屬于最低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí);②T(i，Pk)≥0，表明出庫流量小于入庫流量，則T(i，Pk)越大風(fēng)險(xiǎn)越低。i時(shí)段同時(shí)存在①、②時(shí)，①情況下的減出力優(yōu)先等級(jí)高于②。轉(zhuǎn)入驟7。

(7)判斷優(yōu)化后的梯級(jí)總出力是否等于原總出力。是，則轉(zhuǎn)入步驟8；否，則轉(zhuǎn)入步驟9。

(8)根據(jù)T(i，Pk)劃分的優(yōu)先減出力等級(jí)對梯級(jí)電站群電廠進(jìn)行出力調(diào)整，每次調(diào)整均對優(yōu)先級(jí)最高的電站按照其最小降出力速度進(jìn)行優(yōu)先減出力，然后轉(zhuǎn)入步驟6。

(9)i時(shí)段優(yōu)化結(jié)束，對i+1時(shí)段進(jìn)行步驟3。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文以大巖洞、象鼻嶺、小巖頭組成的貴州牛欄江梯級(jí)電站群為例，進(jìn)行應(yīng)用計(jì)算。該梯級(jí)各站分屬不同業(yè)主，且調(diào)節(jié)性能多樣，梯級(jí)各電站基本情況見表1。

表1 牛欄江流域梯級(jí)電站基本情況一覽

以汛期某日實(shí)際運(yùn)行情況為例，采用本文提出的優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得出牛欄江大巖洞、象鼻嶺、小巖頭梯級(jí)電站群調(diào)度結(jié)果對比如圖1、圖2及表2。為方便圖形比較，將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行數(shù)值量化處理，定義低風(fēng)險(xiǎn)為“1”，中風(fēng)險(xiǎn)為“2”，高風(fēng)險(xiǎn)為“3”。

經(jīng)對比分析，可以看出：

(1)優(yōu)化后整個(gè)梯級(jí)電站群的棄水風(fēng)險(xiǎn)得到了平衡，高風(fēng)險(xiǎn)電廠預(yù)棄時(shí)間得到延長，梯級(jí)各電站棄水風(fēng)險(xiǎn)傾于一致，體現(xiàn)了調(diào)度公平、風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)。

圖1 優(yōu)化前各梯級(jí)電站調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果

圖2 優(yōu)化后各梯級(jí)電站調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果

表2 梯級(jí)水電站群優(yōu)化前后調(diào)度結(jié)果對比

(2)優(yōu)化前后梯級(jí)總發(fā)電量保持不變，只是在各電站間進(jìn)行了重新分配，優(yōu)化調(diào)整不僅用足了發(fā)電空間，而且避免了對電力平衡及電網(wǎng)通道等安全約束的影響。

(3)采用本文提出的優(yōu)化方法，使得梯級(jí)總棄水量得到了明顯減少，期末總蓄能得到了提升，可以實(shí)現(xiàn)梯級(jí)整體優(yōu)化及水能資源的高效利用。

4 結(jié) 語

隨著我國西南地區(qū)大規(guī)模水電站群的投產(chǎn)運(yùn)行以及電力市場化改革的不斷推進(jìn)，電站棄水風(fēng)險(xiǎn)和梯級(jí)水電站的公平調(diào)度問題將越來越受到關(guān)注。本文提出的基于實(shí)時(shí)棄水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的梯級(jí)水電優(yōu)化調(diào)度方法，可充分利用日前計(jì)劃指導(dǎo)性，實(shí)時(shí)調(diào)整日前計(jì)劃，滾動(dòng)生成實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃；能滿足電力平衡及電網(wǎng)通道等安全約束，直觀的分析各電站所面臨的棄水風(fēng)險(xiǎn)并體現(xiàn)梯級(jí)水電風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)；同時(shí)，可對棄水進(jìn)行有效調(diào)整，避免或者減少不必要棄水，為梯級(jí)水電站群實(shí)時(shí)調(diào)度提供了一種可行的理論和技術(shù)參考，具有較好的工程實(shí)用性。