沙坪二級水電站機(jī)組閘門實(shí)時協(xié)調(diào)控制策略研究

汪文元，王建華，汪廣明，黃煒斌，馬光文

(1.國家能源大渡河沙坪發(fā)電有限公司，四川 樂山 614300；2.國家能源集團(tuán)大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；3.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；4.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

0 引 言

沙坪二級水電站位于大渡河規(guī)劃梯級的22級梯級的第二級，目前上接枕頭壩二級，下接龔嘴電站，電站具有日調(diào)節(jié)能力。由于電站本身水位控制區(qū)間較小、上下游水力聯(lián)系復(fù)雜、機(jī)組振動區(qū)間較大等多種原因的影響，在實(shí)際運(yùn)行中機(jī)組發(fā)電流量無法匹配入庫流量變化，導(dǎo)致汛期電站不得不操作頻繁閘門以控制水庫水位處于安全的運(yùn)行范圍，而過于頻繁的閘門操作會產(chǎn)生一定的安全風(fēng)險。因此，研究合理的實(shí)時機(jī)組負(fù)荷分配和閘門調(diào)度控制策略對保證電站安全運(yùn)行具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

水電站實(shí)時調(diào)度控制策略是對短期發(fā)電計劃的具體執(zhí)行調(diào)整的重要環(huán)節(jié)，國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量廣泛的研究實(shí)踐，主要包括電站運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理、機(jī)組間負(fù)荷分配和實(shí)時調(diào)度控制條件等方面。其中對于電站運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理方式的研究主要包括梯級上下游不同量級流量動態(tài)的水流滯時關(guān)系[1-2]，水位-庫容曲線、尾水位-流量曲線的線性化處理[3]，不同水頭下的各機(jī)組動態(tài)振動區(qū)和電站聯(lián)合振動區(qū)分析[4-5]等內(nèi)容；機(jī)組間負(fù)荷分配包括廠間負(fù)荷分配和廠內(nèi)負(fù)荷分配，目前主要研究各種改進(jìn)算法的應(yīng)用[6-7]以及結(jié)合實(shí)際運(yùn)行的各項控制條件下的控制策略[8]；在實(shí)時調(diào)度模型策略方面目前主要是基于降低模型求解復(fù)雜度、提高模型計算效率的方向進(jìn)行策略構(gòu)建研究[9-10]。

上述研究現(xiàn)狀中的主要的研究對象為梯級水電站之間的調(diào)度控制，而在實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中，梯級水電站常常不屬于同一業(yè)主，或者屬于同一業(yè)主但無法接受電網(wǎng)統(tǒng)一下達(dá)的負(fù)荷，站間無法進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移調(diào)度。同時研究中較少考慮到閘門的操作次數(shù)的控制，因此導(dǎo)致計算結(jié)果泄洪流量波動較大，閘門頻繁操作以至于計算結(jié)果無法適應(yīng)實(shí)際調(diào)度運(yùn)行。因而對于單一電站如何通過自身調(diào)度盡量減少機(jī)組振動區(qū)的運(yùn)行時間、減少閘門的操作次數(shù)的研究還存在較多空白。本文以沙坪二級水電站的實(shí)際情況為例，提出了單一電站機(jī)組閘門實(shí)時協(xié)調(diào)控制策略，以求解決沙坪二級水電站實(shí)際運(yùn)行中遇到的實(shí)際問題。

1 出入庫流量動態(tài)平衡控制策略

由于實(shí)時調(diào)度對象為沙坪二級電站單一電站，僅依靠站間的機(jī)組負(fù)荷轉(zhuǎn)移和閘門調(diào)度已經(jīng)無法改善閘門過度操作和機(jī)組限制區(qū)運(yùn)行的問題。因此本文認(rèn)為為了使沙坪電站具有自主調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷的能力，電網(wǎng)可賦予沙坪更大的自由調(diào)整權(quán)，若沙坪電站在實(shí)際運(yùn)行中能擁有適量可自主調(diào)節(jié)的出力調(diào)整余量，并基于入庫流量預(yù)測，提前對自身出力進(jìn)行主動調(diào)節(jié)，則極有可能大大減少不合格電量、減少閘門操作次數(shù)，進(jìn)而提高水庫的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。

1.1 策略基本邏輯結(jié)構(gòu)

該策略基本邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示，策略以電站擁有一定的負(fù)荷調(diào)整裕度為條件。已知沙坪二級電站上游來水滯時時間約為80 min，在實(shí)時調(diào)控決策一開始，擬定輸入沙坪未來80 min的負(fù)荷計劃和當(dāng)前的閘門狀態(tài)、枕頭壩過去80 min的出庫流量以及沙坪過去80 min的水位，預(yù)測沙坪電站未來80 min的水位過程。以死水位550.0 m和正常蓄水位554.0 m作為水位上下限，可根據(jù)預(yù)測的水位過程分3種情況進(jìn)入不同的控制策略：當(dāng)水位超過上限時，進(jìn)入水位超上限控制策略；當(dāng)水位低于下限時，進(jìn)入水位超下限控制策略；當(dāng)水位既不超上限也不超下限時，進(jìn)入水位不超限控制策略。

圖1 控制策略基本邏輯結(jié)構(gòu)

1.2 水位超上限控制模式

水位超上限控制模式的基本邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)水位出現(xiàn)超上限(大于554 m)的情況，此時先考慮增加負(fù)荷，下一時刻負(fù)荷的可調(diào)整的上限為：出力能力與負(fù)荷計劃+50 MW的最小值，然后再對水位進(jìn)行是否超限判定：

圖2 水位超上限控制模式

(1)如果在出力限制于負(fù)荷調(diào)整余量的范圍內(nèi)，通過上調(diào)負(fù)荷能使水位不再高于554 m，則下達(dá)閘門調(diào)整、負(fù)荷調(diào)整指令，按照指令執(zhí)行進(jìn)入下一時刻，當(dāng)前時刻末水位作為下一時刻模擬的初水位，在實(shí)際中，下一時刻的初水位來自于監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(2)如果負(fù)荷調(diào)整到上限仍然存在超上限的情況，則通過逐步加大閘門開度并重新模擬水位，直至水位不再超上限。下達(dá)閘門調(diào)整、負(fù)荷調(diào)整指令，按照指令執(zhí)行進(jìn)入下一時刻，當(dāng)前時段末水位作為下一時刻模擬的初水位。

1.3 水位超下限控制模式

水位超下限控制模式基本邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)水位出現(xiàn)超上限(大于554 m)的情況，此時先考慮增加負(fù)荷，下一時刻負(fù)荷的可調(diào)整的上限為出力能力與負(fù)荷計劃+50 MW的最小值，然后再對水位進(jìn)行是否超限判定：

圖3 水位超下限控制模式

(1)如果在出力限制于負(fù)荷調(diào)整余量的范圍內(nèi)，通過上調(diào)負(fù)荷能使水位不再高于554 m，則下達(dá)閘門調(diào)整、負(fù)荷調(diào)整指令，按照指令執(zhí)行進(jìn)入下一時刻，當(dāng)前時刻末水位作為下一時刻模擬的初水位，在實(shí)際中，下一時刻的初水位來自于監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(2)如果負(fù)荷調(diào)整到上限仍然存在超上限的情況，則通過逐步加大閘門開度并重新模擬水位，直至水位不再超上限。下達(dá)閘門調(diào)整、負(fù)荷調(diào)整指令，按照指令執(zhí)行進(jìn)入下一時刻，當(dāng)前時段末水位作為下一時刻模擬的初水位。

1.4 水位不超限控制模式

水位不超限控制模式基本邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示，模擬未來80 min的水位過程中，若水位一直介于550～554 m，未出現(xiàn)水位超限情況，此時須進(jìn)一步對水位進(jìn)行判定：

圖4 水位不超限控制模式

(1)若水位出現(xiàn)小于551 m的情況。逐步減小閘門開度直至水位不再低于551 m或者閘門全關(guān)，若閘門全關(guān)后依舊存在水位低于551 m的情況，則在計算負(fù)荷與負(fù)荷調(diào)整余量的范圍內(nèi)，減小負(fù)荷抬高水位，但不再判定減小負(fù)荷后水位是否仍然超下限(即不執(zhí)行強(qiáng)減負(fù)荷操作)，直接下達(dá)閘門調(diào)整、負(fù)荷調(diào)整指令，按照指令執(zhí)行進(jìn)入下一時刻，當(dāng)前時段末水位作為下一時刻模擬的初水位。

(2)若水位出現(xiàn)大于553.5 m的情況。直接令下一時刻的出力按計劃出力加負(fù)荷調(diào)整余量，并生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整指令，按照指令執(zhí)行進(jìn)入下一時刻，當(dāng)前時段末水位作為下一時刻模擬的初水位。

(3)若水位一直介于551～553.5 m之間。此時需判斷上一時刻是否調(diào)整負(fù)荷，如果沒有調(diào)整，則本時刻亦不調(diào)整；如果上一時刻調(diào)整過負(fù)荷，且調(diào)整時間超過30 min，則本次負(fù)荷仍不需調(diào)整；如果上一時刻調(diào)整負(fù)荷，且調(diào)整時間未超過30 min，則按照上一次調(diào)整來執(zhí)行本時段調(diào)整。最后下達(dá)閘門調(diào)整、負(fù)荷調(diào)整指令，按照本指令執(zhí)行進(jìn)入下一時刻，此時刻末水位作為下一時刻模擬的初水位。

1.5 策略決策基本數(shù)學(xué)模型

選擇合適的控制目標(biāo)直接決定最優(yōu)方案的選取?？紤]到實(shí)際情況的不同，則選取的最優(yōu)方案不一樣，需要設(shè)定相應(yīng)的控制目標(biāo)。在各個模式下的控制目標(biāo)根據(jù)優(yōu)先級依次為水位控制目標(biāo)、閘門動作次數(shù)控制目標(biāo)、耗水率控制目標(biāo)、以及電站棄水量控制目標(biāo)。在決策方案求解過程中也根據(jù)該優(yōu)先級選擇最優(yōu)的決策方案。

(1)目標(biāo)一，水位控制目標(biāo)是最基本的選取目標(biāo)，如果水位超出水庫的范圍550～554 m，則此方案一定不能選取。同時，為了使水庫水位處于穩(wěn)定狀態(tài)，水庫的綜合效益最大，需要選擇最優(yōu)水庫目標(biāo)。水庫目標(biāo)的選取設(shè)定了兩種模式：模式一是確定最優(yōu)的水位范圍，在這個范圍之內(nèi)認(rèn)為水位都符合要求；模式二是確定最優(yōu)的水位，方案中模擬的水位越接近此水位認(rèn)為方案越優(yōu)。水位控制模式的選取決定水位控制目標(biāo)的選取。

E1=min|Z-Zg|

(1)

式中，Zg為調(diào)度期內(nèi)設(shè)定的最優(yōu)水位，m；Z為控制目標(biāo)的水位，m。

(2)目標(biāo)二，閘門動作次數(shù)最小。在非汛期基本無閘門調(diào)整。在汛期為主要的控制目標(biāo)，必須保證在汛期閘門動作次數(shù)要有明顯的下降。

E2=minCgate

(2)

式中，Cgate為調(diào)度期內(nèi)閘門開動的次數(shù)。

(3)目標(biāo)三，機(jī)組平均耗水率最低。即單位負(fù)荷的耗水量。這個目標(biāo)即是追求總負(fù)荷最大，同時也使得總出庫流量較小，從而達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益。

E3=min?

(3)

式中，?為調(diào)度期內(nèi)機(jī)組的平均耗水率。

(4)目標(biāo)四，電站棄水量最小。在非汛期，不應(yīng)該存在棄水量。在汛期，棄水量越小，則效益越高。

(4)

式中，Dt為t時段的棄水量。

決策過程中還需要考慮電站運(yùn)行時的主要約束，水電站實(shí)時優(yōu)化調(diào)度計算時需要考慮的約束條件較多，包括電網(wǎng)、水庫、電站及其機(jī)組等多方面的約束，具體包括：

水庫水力聯(lián)系

Ii，t=Qi-1，t-τ+Si-1，t-τ+Ri，t

(5)

式中，Ii，t為i電站t時段入庫徑流；Si-1，t-τ為i-1號電站t時段棄水流量；τ和Ri，t分別為i-1與i電站間水流時滯和區(qū)間入流。

水量平衡

(6)

式中，Vi，t為i電站t時段末庫容。

電站庫容/流量/出力約束

(7)

電站出力/水位/流量變幅約束

(8)

式中，Zi，T、Zi，end分別為i電站調(diào)度期未計算水位和控制末水位；ΔPi、ΔZi、ΔQi分別為i電站t時段最大出力、水位和流量變幅。

單站負(fù)荷平衡

(9)

式中，Li為i電站承擔(dān)的有功出力設(shè)定值。

機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行限制

(10)

機(jī)組最短開停機(jī)歷時限制

(11)

1.6 策略求解思路

進(jìn)行負(fù)荷和閘門開度的調(diào)整時，由于維度較少，使用窮舉法可快速準(zhǔn)確的找到最優(yōu)解。最優(yōu)解的選取即按照控制目標(biāo)的優(yōu)先級進(jìn)行依次選取。閘門的開度范圍是0～80 m，每一次調(diào)整的范圍是0.5 m。負(fù)荷的調(diào)整范圍是0～348 MW。由于沙坪水庫調(diào)度的復(fù)雜性，將負(fù)荷控制模式分為4種，以便在不同的情況下選取。

(1)模式一，固定負(fù)荷調(diào)整模式。即在調(diào)整的時間段內(nèi)，負(fù)荷是某固定值。

(2)模式二，計劃偏離負(fù)荷調(diào)整模式。即在計劃負(fù)荷的基礎(chǔ)上確定一個固定的偏離量。計劃負(fù)荷加上偏離量為方案中的負(fù)荷。

(3)模式三，固定負(fù)荷與計劃偏離調(diào)整模式。在前幾個時段，按照固定負(fù)荷調(diào)整模式，在后時段，按照計劃偏離負(fù)荷調(diào)整模式。

(4)模式四，負(fù)荷不調(diào)整模式。不對機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整。負(fù)荷申報控制策略模擬的時間長度為3 h，時間間隔為5 min。首先逐個選取時間點(diǎn)，在此時間點(diǎn)之前，負(fù)荷設(shè)置為計劃負(fù)荷，閘門開度設(shè)置為閘門初始開度；在此時間點(diǎn)之后，窮舉機(jī)組負(fù)荷和閘門開度，并且運(yùn)行此模型，獲取水庫在此時間段的運(yùn)行數(shù)據(jù)，主要包括壩上水位、負(fù)荷計劃過程、閘門開度過程、發(fā)電流量、泄洪流量等數(shù)據(jù)。獲取所有方案之后，再根據(jù)相應(yīng)的決策模式選擇最優(yōu)的方案。

2 模擬計算

2.1 策略效果模擬

以沙坪電站2019年7月1日00∶00∶00～11月6日00∶00∶00之間(根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，2019年5 000多次閘門動作基本都發(fā)生在該時段內(nèi))的實(shí)測沙坪電站入庫流量作為流量輸入、以機(jī)組出力數(shù)據(jù)作為負(fù)荷計劃，以7月1日00∶00∶00時刻的壩前水位作為初始水位，利用實(shí)時調(diào)控策略，對整個時段內(nèi)的閘門開度、出力進(jìn)行滾動決策，滾動決策步長為5 min，即每隔5 min進(jìn)行一次決策，每次決策將確定下一時刻的出力和閘門開度。

圖5為給出了某一負(fù)荷調(diào)整余量(±60 MW)前提下，采用本文提出的實(shí)時調(diào)控策略計算得到的沙坪壩前水位以及出力過程與實(shí)測結(jié)果的對比。從7月5日全天的水位過程來看，實(shí)時調(diào)控得到的水位變化過程趨勢與實(shí)測結(jié)果相同，而給出的7月5日全天的出力過程相對于實(shí)際出力(在本次計算中相當(dāng)于計劃負(fù)荷)過程波動更大，可見實(shí)時調(diào)控策略在監(jiān)測水位過程的基礎(chǔ)上，利用負(fù)荷調(diào)整余量對計劃負(fù)荷進(jìn)行了多次調(diào)整。從整個汛期的水位過程來看，本文策略將沙坪壩前水位基本控制在551～553.5 m之間，雖然相對于實(shí)際水位波動更大，但沒有出現(xiàn)超出上限554.0 m或低于死水位550.0 m的情況。此外，整個汛期的出力過程波動也相對于計劃過程更大，這是本策略模型中使用負(fù)荷余量進(jìn)行實(shí)時調(diào)控的結(jié)果。

圖5 實(shí)測上游水位和出力與實(shí)時調(diào)控計算結(jié)果對比

2.2 最優(yōu)負(fù)荷調(diào)整余量計算

表1為給出了不同負(fù)荷調(diào)整余量條件下，實(shí)時調(diào)控決策的計算結(jié)果?？梢钥吹?，在本文給出的實(shí)時調(diào)控決策方法下，原有的±2%的負(fù)荷限制下的閘門動作門次為1 900次，而隨著負(fù)荷調(diào)整余量的增加，最終得到的閘門動作門次逐漸降低，當(dāng)負(fù)荷調(diào)整余量為±50 MW時，閘門動作門次相比于±2%調(diào)整余量減少了接近一半，動作次數(shù)為1 010次，而當(dāng)負(fù)荷調(diào)整余量為±150 MW時，閘門動作門次減低至580次，已十分接近負(fù)荷調(diào)整無限制的567次。

此外，對比不同負(fù)荷調(diào)整余量條件下的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷調(diào)整余量越大，則本文提出的調(diào)控策略最終的實(shí)際總發(fā)電量越大。當(dāng)負(fù)荷調(diào)整余量為±50 MW時，最終調(diào)控得到的總發(fā)電量比實(shí)測數(shù)據(jù)高出2 443萬kW·h，相當(dāng)于增加了約3%的總發(fā)電量；而當(dāng)負(fù)荷調(diào)整余量為±150 MW時，總發(fā)電量比實(shí)測數(shù)據(jù)高出4 588 kW·h，相當(dāng)于增加了約6.7%的總發(fā)電量。然而，±150 MW情況下增加的總發(fā)電量并不是最大的，顯然，在負(fù)荷調(diào)整余量為±150 MW以內(nèi)存在一個最優(yōu)的負(fù)荷調(diào)整余量，在減少閘門動作門次的同時增大發(fā)電效益。從表1可以看出，在本文提出的實(shí)時調(diào)控模型中，隨著負(fù)荷調(diào)整余量的增大，閘門動作門次逐漸減小，擁有110～120 MW的負(fù)荷調(diào)整余量時，得到的發(fā)電效益最高。

表1 不同負(fù)荷調(diào)整余量條件下實(shí)時調(diào)控決策的計算結(jié)果

圖6表示不同負(fù)荷余量下減少閘門動作次數(shù)的邊際效益，邊際效益即在不同負(fù)荷調(diào)整余量下增加單位負(fù)荷余量引起閘門操作減少量?？梢钥闯?，隨著負(fù)荷調(diào)整余量的增大，增加余量對于減少動閘門次的邊際效益是逐漸減小的。因此，本文認(rèn)為±120 MW的負(fù)荷調(diào)整余量為沙坪電站理論上最優(yōu)的負(fù)荷調(diào)整余量。

圖6 不同負(fù)荷余量對于減少閘門動作次數(shù)的邊際效益

3 結(jié) 論

本文針對沙坪二級電站實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的出入庫流量不匹配、閘門操作過多等問題提出了機(jī)組閘門實(shí)時協(xié)調(diào)調(diào)度控制策略，利用實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行滾動決策，結(jié)果表明，隨著沙坪電站擁有的負(fù)荷調(diào)整余量的增大，采用該策略計算得到的閘門動作門次逐漸降低，但增大余量對于減少動閘門次的邊際效益遞減，因此本研究認(rèn)為本文提出的控制策略能夠有效解決沙坪二級電站的實(shí)際運(yùn)行問題，且在綜合考慮發(fā)電效益和閘門操作門次的情況下，±120 MW的負(fù)荷調(diào)整余量是最優(yōu)的負(fù)荷余量。