流域梯級(jí)水電站負(fù)荷智能調(diào)控模式研究

李 雪 梅 ， 鐘 青 祥

(國(guó)家能源大渡河流域生產(chǎn)指揮中心，四川 成都 610041)

1 概 述

從上世紀(jì)九十年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)流域集控中心建設(shè)開(kāi)始起步，先后建成了三峽梯調(diào)中心、華能瀾滄江集控中心、大渡河集控中心、雅礱江集控中心等特大型流域梯級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)以及寶興河、田灣河、古田溪等中小流域集控調(diào)度管理機(jī)構(gòu)。流域集控中心主要負(fù)責(zé)所管轄電站的設(shè)備監(jiān)視、負(fù)荷調(diào)整、一次設(shè)備倒閘操作、閘門(mén)調(diào)度等任務(wù)。在實(shí)時(shí)負(fù)荷調(diào)整上，集控中心普遍還是傳達(dá)電網(wǎng)調(diào)度命令，依賴電站AGC，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)負(fù)荷實(shí)時(shí)分配[1-3]。近年來(lái)，部分流域集控中心開(kāi)展了梯級(jí)AGC(或經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制EDC)初步探索，但仍處于不斷研究試驗(yàn)階段[4，5]。從流域整體出發(fā)，如何實(shí)現(xiàn)全流域負(fù)荷實(shí)時(shí)智能調(diào)控，減輕人工操作頻率，提高工作效率，提升流域整體經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，使流域梯級(jí)水電站遠(yuǎn)方調(diào)控更加安全、高效、智能，仍然是當(dāng)前研究的重要課題。

2 流域梯級(jí)水電站負(fù)荷調(diào)控模式現(xiàn)狀

目前，對(duì)于所管轄電站負(fù)荷的調(diào)控，一些流域集控中心只負(fù)責(zé)電網(wǎng)調(diào)度命令的傳達(dá)，不承擔(dān)實(shí)際調(diào)整任務(wù)，由電站根據(jù)調(diào)度命令自行調(diào)整。除此之外，具有負(fù)荷調(diào)控任務(wù)的流域集控中心，大部分只是將負(fù)荷調(diào)整的功能簡(jiǎn)單地從電站遷移到集控中心，通過(guò)接收上級(jí)電網(wǎng)調(diào)度對(duì)單個(gè)電站的負(fù)荷調(diào)令，遠(yuǎn)方調(diào)整負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)負(fù)荷分配。這兩類(lèi)集控中心對(duì)于電站的統(tǒng)一歸口管理有很好的成效，但在實(shí)時(shí)調(diào)度方面，還是主要通過(guò)負(fù)荷計(jì)劃、溝通協(xié)調(diào)來(lái)解決，對(duì)于優(yōu)化調(diào)度，提高水能利用率，未起到很好的作用。特別是針對(duì)徑流式的電站，水庫(kù)水位陡漲陡落，需要頻繁地申請(qǐng)調(diào)度來(lái)控制水位。同時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)令或負(fù)荷計(jì)劃曲線人工調(diào)整電站負(fù)荷，不僅調(diào)節(jié)頻次多，也無(wú)法滿足電站高頻調(diào)節(jié)精度要求。

近年來(lái)，梯級(jí)電站間優(yōu)化調(diào)度技術(shù)逐漸興起，烏江、田灣河、西洱河、黑水河等中小型流域集控中心開(kāi)展了經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制EDC初步探索[6-12]。EDC將梯級(jí)電站群作為一個(gè)整體接收電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)度命令，由EDC控制策略將負(fù)荷分配至各個(gè)電站，這在一定程度上可以解決站間負(fù)荷不匹配，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行差的問(wèn)題，但由于電站間機(jī)組特性、水庫(kù)特性、送出線路結(jié)構(gòu)、斷面控制等差異，造成最終分配結(jié)果達(dá)不到理想狀態(tài)。大渡河集控中心對(duì)于水力、電力聯(lián)系緊密的三個(gè)電站開(kāi)展了深入的EDC分配策略研究，由于送出線路一致，斷面潮流統(tǒng)一考慮，就可以只專(zhuān)注于站內(nèi)的優(yōu)化分配，效果顯著，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)大型流域梯級(jí)電站群總負(fù)荷自動(dòng)調(diào)控并投入電網(wǎng)運(yùn)行的先河。但大渡河EDC也僅考慮了部分電站的優(yōu)化調(diào)度，目前，從流域整體出發(fā)，實(shí)現(xiàn)全流域負(fù)荷實(shí)時(shí)智能調(diào)控，提升流域整體經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平的研究，還未有先例。

3 流域梯級(jí)水電站群負(fù)荷智能調(diào)控模式應(yīng)用

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展極大地提高了水電行業(yè)的信息化程度，海量數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)為進(jìn)一步提高水電調(diào)度決策的高效性和實(shí)用性創(chuàng)造了新的契機(jī)。針對(duì)目前流域集中調(diào)控存在的問(wèn)題，利用新興技術(shù)帶動(dòng)調(diào)控模式的變革是實(shí)現(xiàn)全流域智能調(diào)控的重要突破口。

在同在一條流域上，電站間由于機(jī)組特性、水庫(kù)調(diào)節(jié)性能、地理位置、送出線路等差異，造成各電站調(diào)度要求均有較大差異。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和目前調(diào)度現(xiàn)狀，可將流域電站調(diào)度方式分為兩類(lèi)情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。

3.1 單站AGC負(fù)荷計(jì)劃曲線自動(dòng)跟蹤

流域中某些單個(gè)電站，地理位置孤立，送出線路架構(gòu)特殊，對(duì)于機(jī)組運(yùn)行特性、水庫(kù)調(diào)節(jié)性能、電網(wǎng)調(diào)節(jié)等有特殊要求，同時(shí)，無(wú)法與流域其他電站緊密聯(lián)系。這類(lèi)電站目前只能沿用單站AGC調(diào)度方式，但可以從提高調(diào)節(jié)精度，減少人工調(diào)節(jié)頻次方面來(lái)優(yōu)化負(fù)荷調(diào)整方式。

目前，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度要求，電站需要根據(jù)調(diào)度日前發(fā)電計(jì)劃實(shí)時(shí)調(diào)整負(fù)荷，由于電網(wǎng)日前發(fā)電計(jì)劃負(fù)荷曲線波動(dòng)大，集控值班人員需要頻繁人工調(diào)節(jié)全站負(fù)荷值，人工負(fù)荷調(diào)整任務(wù)頻次及難度明顯增加，同時(shí)，受人工調(diào)節(jié)精度的影響，日發(fā)電計(jì)劃考核電量也會(huì)有所增加。

負(fù)荷計(jì)劃曲線自動(dòng)跟蹤功能設(shè)置在集控側(cè)，當(dāng)電站AGC投集控閉環(huán)控制時(shí)，集控自動(dòng)投入有功負(fù)荷自動(dòng)調(diào)整功能，并根據(jù)電站負(fù)荷調(diào)節(jié)速率，計(jì)算每次負(fù)荷調(diào)節(jié)開(kāi)始時(shí)間，將對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)有功負(fù)荷值自動(dòng)下發(fā)至電站AGC，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)整(圖1)。通過(guò)負(fù)荷計(jì)劃曲線自動(dòng)跟蹤功能，可根據(jù)電網(wǎng)有功負(fù)荷復(fù)雜調(diào)節(jié)規(guī)則精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化日前發(fā)電計(jì)劃，動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)組開(kāi)機(jī)組合及負(fù)荷調(diào)節(jié)量，實(shí)現(xiàn)日前發(fā)電計(jì)劃的自動(dòng)執(zhí)行，在滿足電網(wǎng)對(duì)負(fù)荷調(diào)節(jié)的高精度、高頻度要求的前提下，大幅度減少了集控人員操作頻次，有效提高了負(fù)荷調(diào)節(jié)智能化水平。

圖1 單站AGC負(fù)荷計(jì)劃曲線自動(dòng)跟蹤模式

3.2 區(qū)域電站EDC負(fù)荷集中控制

流域電站中存在一類(lèi)電站群，水力、電力聯(lián)系緊密，具有地理位置相近、送出線路相同等特征。針對(duì)此類(lèi)電站群，可劃分為一個(gè)區(qū)域，電網(wǎng)調(diào)度中心將此區(qū)域電站作為一個(gè)整體進(jìn)行調(diào)度，集控中心通過(guò)區(qū)域EDC來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)域電站間負(fù)荷的整體優(yōu)化分配(圖2)。EDC作為一個(gè)處于電網(wǎng)調(diào)度和電站AGC之間的運(yùn)行控制層，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度控制中心下達(dá)的區(qū)域電站總負(fù)荷，按照負(fù)荷分配策略，自動(dòng)計(jì)算各站負(fù)荷分配值，并同步下發(fā)至各站AGC，AGC再將其分配給機(jī)組。EDC負(fù)荷分配策略綜合考慮了水位、流量、棄水、機(jī)組性能、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等約束條件，可制定多種安全、經(jīng)濟(jì)調(diào)度分配模型，并根據(jù)調(diào)度實(shí)際需求自主選取或自動(dòng)匹配相應(yīng)模型。

EDC實(shí)現(xiàn)了區(qū)域電站間的負(fù)荷智能優(yōu)化分配，可大大減少集控調(diào)度人員人工調(diào)節(jié)頻次，同時(shí)，區(qū)域電站間負(fù)荷分配更加安全、合理、經(jīng)濟(jì)，有效提升了水能利用率，增強(qiáng)了區(qū)域電站整體安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

3.3 大渡河流域負(fù)荷智能調(diào)控模式的應(yīng)用

大渡河流域是我國(guó)十三大水電基地之一，其組成的巨型水電站群是四川電網(wǎng)主力調(diào)峰調(diào)頻基地。目前，大渡河流域梯級(jí)水電站負(fù)荷分配模式有二種：一種是位于同一送出線路的瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三站，已通過(guò)區(qū)域電站EDC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三站總負(fù)荷的站間實(shí)時(shí)智能分配。另一種是除瀑布溝、深溪溝、枕頭壩以外的集控電站，則通過(guò)AGC負(fù)荷計(jì)劃曲線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，根據(jù)電網(wǎng)日前發(fā)電計(jì)劃，定時(shí)定點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整各站負(fù)荷值。

圖2 區(qū)域電站EDC負(fù)荷集中控制模式

3.3.1 瀑布溝、深溪溝、枕頭壩區(qū)域電站EDC系統(tǒng)

瀑布溝、深溪溝、枕頭壩是位于大渡河中下游的三座以發(fā)電為主的大型電站，三座電站均由同一條通道送出。瀑布溝電站AGC受四川省電力調(diào)度控制，根據(jù)川渝聯(lián)絡(luò)線差值進(jìn)行負(fù)荷自動(dòng)調(diào)整，其負(fù)荷波動(dòng)具有頻繁性和不確定性。一方面，增加了集控調(diào)度人員向四川省電力調(diào)度中心申請(qǐng)負(fù)荷的頻次，另一方面，造成下游深溪溝、枕頭壩徑流式電站的水位大起大落，很容易產(chǎn)生棄水或者水庫(kù)拉空現(xiàn)象，影響梯級(jí)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。大渡河針對(duì)目前調(diào)度現(xiàn)狀，結(jié)合流域電站特性，建立了瀑布溝、深溪溝、枕頭壩區(qū)域電站EDC系統(tǒng)。EDC綜合考慮電網(wǎng)高強(qiáng)度調(diào)峰調(diào)頻和流域安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需求，通過(guò)10類(lèi)安全約束和6類(lèi)分配模型，實(shí)現(xiàn)了三站負(fù)荷的實(shí)時(shí)優(yōu)化分配，有效解決了電網(wǎng)負(fù)荷實(shí)時(shí)平衡與流域梯級(jí)水電站安全、經(jīng)濟(jì)耦合運(yùn)行的建模難題。

大渡河區(qū)域電站EDC負(fù)荷分配模型主要分負(fù)荷調(diào)令模式和非調(diào)令模式兩大類(lèi)。在調(diào)令模式下，當(dāng)電網(wǎng)下達(dá)負(fù)荷調(diào)節(jié)調(diào)令時(shí)，負(fù)荷分配以快速響應(yīng)電網(wǎng)需求、電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為主要原則，將各站負(fù)荷分配為有利于水電群經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方式，保障水能高效利用。在非調(diào)令模式下，將水位運(yùn)行區(qū)間劃分為高水位運(yùn)行區(qū)、可運(yùn)行區(qū)及死水位運(yùn)行區(qū)三段的方式，當(dāng)水位進(jìn)入高水位或死水位運(yùn)行區(qū)間且沒(méi)有返回可運(yùn)行區(qū)的趨勢(shì)時(shí)，自動(dòng)匹配水位異常模型，重新分配瀑布溝、深溪溝、枕頭壩站間負(fù)荷，以便異常水位可盡快返回其可運(yùn)行區(qū)，平抑計(jì)算誤差帶來(lái)的時(shí)間積累效應(yīng)。如果深溪溝、枕頭壩水庫(kù)水位均在可運(yùn)行區(qū)，且瀑布溝、深溪溝、枕頭壩電站至少有一個(gè)電站有棄水時(shí)，自動(dòng)匹配棄水控制分配模型，以減少電站棄水損失電量。

EDC分配策略構(gòu)成見(jiàn)圖3，其中調(diào)令模式下可選最大蓄能、水位平穩(wěn)、少調(diào)負(fù)荷、負(fù)荷平衡4類(lèi)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。非調(diào)令模式下，條件滿足自動(dòng)觸發(fā)進(jìn)入水位異常模型或棄水控制分配模型，水位異常模型優(yōu)先級(jí)高于棄水控制分配模型。

瀑布溝、深溪溝、枕頭壩區(qū)域電站EDC系統(tǒng)已運(yùn)行近三年，平均每年累計(jì)減少人工負(fù)荷調(diào)節(jié)次數(shù)3萬(wàn)余次，枯期通過(guò)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行減少耗水率，可增發(fā)電量1.2億kWh。

3.3.2 電網(wǎng)負(fù)荷計(jì)劃曲線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

針對(duì)四川省電力調(diào)度單站直調(diào)的電站，集控調(diào)度人員需要人工手動(dòng)按照有功負(fù)荷調(diào)整規(guī)則進(jìn)行調(diào)整。由于電網(wǎng)日前發(fā)電計(jì)劃負(fù)荷變動(dòng)頻繁，調(diào)度人員進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整任務(wù)頻次、難度及日發(fā)電計(jì)劃考核電量明顯增加。針對(duì)上述情況，大渡河建立了電網(wǎng)負(fù)荷計(jì)劃曲線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的自動(dòng)調(diào)整。負(fù)荷自動(dòng)調(diào)整流程見(jiàn)圖4，流域各站電網(wǎng)負(fù)荷計(jì)劃通過(guò)非控制網(wǎng)Ⅱ區(qū)“四川電網(wǎng)調(diào)度支持系統(tǒng)”發(fā)布，計(jì)劃曲線自動(dòng)跟蹤功能將自動(dòng)提取負(fù)荷計(jì)劃文本文件，轉(zhuǎn)存至控制網(wǎng)Ⅰ區(qū)“計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)”，在滿足安全要求的前提下，根據(jù)電站負(fù)荷爬坡率、機(jī)組禁運(yùn)區(qū)要求，以及電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)整規(guī)則解析，將日前發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，自動(dòng)生成集控側(cè)的日計(jì)劃負(fù)荷調(diào)節(jié)曲線，并在對(duì)應(yīng)時(shí)間將對(duì)應(yīng)時(shí)刻的負(fù)荷值下發(fā)至電站AGC，電站AGC再進(jìn)行站內(nèi)機(jī)組負(fù)荷分配。

電網(wǎng)負(fù)荷計(jì)劃曲線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)有效解決了流域電站負(fù)荷調(diào)整頻繁、人工調(diào)整負(fù)荷精度低等問(wèn)題，日發(fā)電計(jì)劃考核電量也大大減少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大渡河公司通過(guò)使用該系統(tǒng)，一年可減少1 200萬(wàn)kWh不合格電量考核。

4 全流域梯級(jí)水電站群EDC控制模式展望

區(qū)域電站EDC負(fù)荷集中控制能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一送出線路的區(qū)域電站間負(fù)荷實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)分配，但從流域整體的負(fù)荷匹配上來(lái)說(shuō)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。通過(guò)區(qū)域EDC拓展應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全流域水電站EDC是負(fù)荷實(shí)時(shí)智能調(diào)控的最終目標(biāo)(圖5)。在這種模式下，集控中心綜合考慮電站運(yùn)行情況、負(fù)荷匹配等因素，上報(bào)負(fù)荷計(jì)劃，電網(wǎng)調(diào)度中心根據(jù)計(jì)劃，對(duì)流域集控中心單點(diǎn)調(diào)度，下達(dá)總負(fù)荷，集控中心在保證完成電網(wǎng)下達(dá)任務(wù)的條件下，自主進(jìn)行梯級(jí)水電站間的負(fù)荷分配和優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)流域總體效益最大化。這種調(diào)度管理模式可以減輕電網(wǎng)調(diào)度任務(wù)強(qiáng)度，提高梯級(jí)電源質(zhì)量，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)，給梯級(jí)發(fā)電企業(yè)充分自由優(yōu)化調(diào)度管理，提高流域集控中心調(diào)度管理的積極性。

圖3 瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三站負(fù)荷分配策略選擇邏輯圖

由于流域電站送出線路、斷面限制、潮流分布等差異，流域EDC在進(jìn)行策略計(jì)算時(shí)，除了考慮流域內(nèi)部的出力、流量、水位、振動(dòng)區(qū)等約束外，還需要綜合考慮送出線路斷面潮流限制、斷面其他線路的實(shí)時(shí)功率等數(shù)據(jù)。針對(duì)此數(shù)據(jù)壁壘，流域EDC運(yùn)行主要有兩種實(shí)現(xiàn)途徑：(1)流域EDC根據(jù)自身約束條件，優(yōu)化分配站間負(fù)荷，但需要考慮電站負(fù)荷平衡、特殊電站優(yōu)先調(diào)節(jié)等機(jī)制，以便兼顧各電源點(diǎn)的潮流分布，實(shí)時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)對(duì)線路斷面的限額要求，保障電網(wǎng)安全。(2)打通數(shù)據(jù)通道，獲取到更豐富的電網(wǎng)潮流等數(shù)據(jù)，并將其作為約束條件納入EDC策略計(jì)算中，故EDC分配將可同時(shí)兼顧電網(wǎng)和電站要求，使分配更加安全、合理和高效。

圖4 負(fù)荷自動(dòng)調(diào)整流程圖

圖5 全流域梯級(jí)水電站群EDC控制模式

隨著技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)調(diào)度、集控、電站等機(jī)構(gòu)管理模式的逐漸變革，實(shí)現(xiàn)全流域EDC控制是可期的。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者深入研究了流域梯級(jí)水電站負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)控模式的現(xiàn)狀，從流域區(qū)域集中調(diào)控方面著手，提出了單站AGC負(fù)荷計(jì)劃曲線自動(dòng)跟蹤和區(qū)域電站EDC負(fù)荷集中控制兩種智能調(diào)控模式，并重點(diǎn)介紹了兩種調(diào)控模式在大渡河流域的應(yīng)用。瀑布溝、深溪溝、枕頭壩區(qū)域電站EDC系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了電站間負(fù)荷實(shí)時(shí)智能分配，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)大型流域梯級(jí)電站實(shí)時(shí)負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)控新模式。通過(guò)最終實(shí)現(xiàn)流域EDC控制，在保障電網(wǎng)安全的前提下，有效提升流域集中管控能力和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，為流域梯級(jí)水電站群負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)度智能化、智慧化發(fā)展提供思路和渠道。