基于多種小電電源協(xié)調(diào)分析的智能調(diào)度研究

吳東平，李 勝，馬瑋駿，陳 清，張 欣

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，昆明650011；2.南京金水尚陽信息技術(shù)有限公司，南京210046）

小電在不同地域電網(wǎng)有不同的界定，云南電網(wǎng)小電專指裝機容量小于25 MW 或并網(wǎng)電壓等級為110 kV 及以下由地區(qū)和縣級供電局調(diào)度的電站，目前小水電站1 600 多座，占整個小電約90%。這些電站裝機規(guī)模小，上網(wǎng)電價低，技術(shù)改造升級的能力弱，水能資源優(yōu)化利用空間大［1］。

當(dāng)今國家清潔能源政策地實施正處于關(guān)鍵時期，政府和企業(yè)各相關(guān)部門都要為可再生水電資源地利用提供支持，如何充分利用小電資源成為了一個重要的課題［2，3］。為有效進(jìn)行小水電優(yōu)化調(diào)度，現(xiàn)有的研究大多側(cè)重在對徑流預(yù)測模型的改進(jìn)上，但實際情況約束條件復(fù)雜，不僅需要增加大量水文監(jiān)控設(shè)備，對于不同地形、地貌造成的基流影響也難以確定，很難實現(xiàn)。本文對全網(wǎng)小電基礎(chǔ)資料進(jìn)行了整合，全面掌握省、地、縣三級統(tǒng)調(diào)小電發(fā)電運行信息及數(shù)目、裝機、分布等情況，接入全網(wǎng)統(tǒng)調(diào)小電發(fā)電運行信息，并建立全網(wǎng)小電調(diào)度管理指標(biāo)統(tǒng)計和考核評價功能，為大數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)，著力減少棄水，加強小電資源合理利用［4］。

本文基于水火風(fēng)光等多種小電電源協(xié)調(diào)分析，探討小電計劃的統(tǒng)一編制方法，滿足云南電力調(diào)度控制中心對省地縣調(diào)電源的集約化智能調(diào)度需求。

1 多種小電電源協(xié)調(diào)分析業(yè)務(wù)流程

云南電網(wǎng)由各類電源構(gòu)成，主要包括水電、火電、風(fēng)電、太陽能等，以及焚燒垃圾發(fā)電、生物電能等，這些電源由于其能源機理不同，在出力過程、峰谷差、電源波動等方面表現(xiàn)出了較大的差異，特征曲線的形式各異。為了能夠充分了解全網(wǎng)發(fā)電情況，通過結(jié)合市場交易以及負(fù)荷變化信息，著力開展小電發(fā)電計劃合理科學(xué)規(guī)劃工作。根據(jù)占比份額，云南電網(wǎng)的各種電源可歸納為風(fēng)、光、水、火及其他等5種能源類型，這些不同種類的電站有相應(yīng)的國家調(diào)控政策。本文歸納了在制定發(fā)電計劃時需要考慮的多種小電電源協(xié)調(diào)分析業(yè)務(wù)流程［5］，如圖1所示。

圖1 多種小電電源協(xié)調(diào)分析業(yè)務(wù)流程Fig.1 Workflow of multiple small power coordinate analysis

基于該流程，逐步推求出電力需求預(yù)測和綜合電力供給預(yù)測，作為發(fā)電計劃編制依據(jù)，最后根據(jù)國家清潔能源消納和電力供求優(yōu)惠等政策，在安全校核規(guī)則約束下，反向調(diào)節(jié)生成多目標(biāo)優(yōu)化的小水電發(fā)電計劃。

從圖1 可以看出，準(zhǔn)確的風(fēng)、光、水清潔能源的發(fā)電能力預(yù)測很大程度上依賴于氣象和水情信息的預(yù)報精度。而小區(qū)域的實時風(fēng)向風(fēng)速、日照和降水的氣象預(yù)報一方面對于現(xiàn)場觀測資料的依賴很大，一方面目前數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的網(wǎng)格精度最密的不過10 多公里（按赤道經(jīng)緯度換算），雖然維度高時略有減少，但對于風(fēng)電、光電和水電廠而言，這個尺度還是大了。

隨之帶來的問題是在缺乏確定性數(shù)據(jù)的情況下如何盡量做到合理預(yù)測。為此，我們提出一種交互式多階段發(fā)電計劃編制模式，利用短期、中期和長期預(yù)測-計劃-跟蹤-評估-反饋-協(xié)調(diào)循環(huán)迭代機制，參考?xì)v史同期和不久前發(fā)電計劃與氣象、水文信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系，假設(shè)上級分配的總發(fā)電量不變，動態(tài)調(diào)整風(fēng)、光、水電的計劃發(fā)電量，并以水電作為可靠調(diào)節(jié)量，分解到調(diào)節(jié)能力較強的水電站。

2 小電調(diào)度運行智能化方案

小電由于大多缺乏完備的生產(chǎn)監(jiān)控和管理系統(tǒng)，同時缺乏電網(wǎng)以及市場的實時信息，其優(yōu)化運行難以套用大中型電站的方式來做，但是一條送電線路、一個流域、一個縣或一個地區(qū)的小水電群卻具備了更多更豐富的信息。借助信息化手段，通過及時考慮各種制約因素，加強站網(wǎng)信息互動和業(yè)務(wù)支撐信息的動態(tài)更新，將小水電群按照某些特征劃分成發(fā)電斷面（也稱輸電斷面或潮流斷面）的若干虛擬單元，并進(jìn)行優(yōu)化運行，既考慮了電網(wǎng)安全校核，又與發(fā)電斷面中其他可利用的發(fā)電能源（水、風(fēng)、光等）關(guān)聯(lián)，是最為有效的資源優(yōu)化利用辦法。

2.1 改進(jìn)的多階段發(fā)電計劃編制方法

過去小電系統(tǒng)信息傳送多為電站單向?qū)﹄娋W(wǎng)調(diào)度機構(gòu)上報數(shù)據(jù)，較少得到全面的生產(chǎn)信息，本方案提出將信息傳輸改為雙向傳送模式，讓小電具備更全面有利的優(yōu)化運行條件。電網(wǎng)各級調(diào)度機構(gòu)掌握本流域和本地區(qū)較為全面的生產(chǎn)信息，當(dāng)本地區(qū)天氣預(yù)報和雨量測站有明顯降雨過程、送電線路故障、各類自然災(zāi)害發(fā)生時，可立即在小電系統(tǒng)中發(fā)布，小電電站登陸小電系統(tǒng)即可看到這些信息，及時進(jìn)行發(fā)電能力預(yù)測、發(fā)電情況跟蹤、評估，從而完成其優(yōu)化和應(yīng)急方案的制訂、實施。

發(fā)電計劃包括長、中、短期3種，發(fā)電能力預(yù)測通過分析、預(yù)測計算區(qū)域各電站在一段時間內(nèi)（日前、周及連續(xù)7天、月度、季度、年度等）的可發(fā)電量。其預(yù)測性能取決于天氣變化、電站和電網(wǎng)相關(guān)約束條件的匹配，并與流域內(nèi)地質(zhì)、生態(tài)、極端氣象災(zāi)害等情況下的特殊運行方式有關(guān)，但這些理想化的信息并不是都能獲得，就需運用經(jīng)驗、歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理。

本文提出“分級編制、統(tǒng)一平衡、動態(tài)調(diào)整”的交互式多階段發(fā)電計劃編制模式IMSPP（Interactive Multiple Stages Power Planning），系統(tǒng)建議和用戶自主選擇相結(jié)合，及時與上級調(diào)度指令和相關(guān)信息進(jìn)行交互，建立中長期-短期迭代循環(huán)優(yōu)化機制。

圖2 方法也稱為兩層式發(fā)電計劃編制法，原理可推廣到其他場合。左邊（第一層）利用電站積累的歷史數(shù)據(jù)或經(jīng)驗，并參考該地區(qū)的購售電合同計劃、頻率發(fā)電量和歷史發(fā)電量，模擬計算電站大致發(fā)電計劃數(shù)據(jù)，進(jìn)一步確定電站的機組開機方式，確保發(fā)電計劃編制電站出力變化空間在可行范圍。右邊（第二層）是細(xì)化發(fā)電計劃參數(shù)的過程，由用戶根據(jù)企業(yè)經(jīng)營策略、運行限制條件確定優(yōu)化運行的目標(biāo)函數(shù)及其優(yōu)先次序，計算得出電站相關(guān)發(fā)電方式［6，7］。

圖2 中的目標(biāo)函數(shù)次序只是一個示例，實際運用過程中可根據(jù)需要調(diào)整，也可增減。例如，針對小水水電徑流信息獲取困難，而電信息相對容易特點，我們增加了網(wǎng)供電峰谷差最小、關(guān)口峰谷差最小和供電成本最小三種目標(biāo)。

圖2 IMSPP方法示意圖Fig.2 IMSPP method diagram

網(wǎng)供電峰谷差最小是指地、縣電網(wǎng)需要上一級電網(wǎng)供電負(fù)荷的峰谷差最小。關(guān)口峰谷差最小是指地、縣電網(wǎng)與上一級接口交換潮流的峰谷差最小。供電成本最小是指地、縣電網(wǎng)在明確了上一級電網(wǎng)供購電價的情況，使本電網(wǎng)的供電成本最小。

在計算這些目標(biāo)函數(shù)過程中，以可行發(fā)電指標(biāo)分配原則為約束條件，設(shè)置“虛擬地區(qū)”，采用在虛擬地區(qū)內(nèi)提供等設(shè)備利用發(fā)電率發(fā)電、全年或汛期利用小時相等兩種發(fā)電指標(biāo)分配方法，給出發(fā)電指標(biāo)分配額度，建立多種電源的協(xié)調(diào)發(fā)電調(diào)度算法。

2.2 小水電優(yōu)化運行方式和流程改進(jìn)

小水電由于比重大、調(diào)節(jié)性能好，在小電調(diào)度運行中占有舉足輕重的地位。在實際運用過程中，約束條件是動態(tài)變化的，汛期和平枯時段的最高限制水位、電站間的發(fā)電出力相互影響構(gòu)成的發(fā)電斷面限制等，都需要及時進(jìn)行調(diào)整。小水電由于調(diào)節(jié)能力一般為徑流無調(diào)節(jié)或日調(diào)節(jié)，其電站優(yōu)化方式的制定以日或小時的短期優(yōu)化運行為主［8］。

（1）來水大于最大發(fā)電引用流量時，小水電最優(yōu)的方式是按裝機容量或少量超發(fā)的工況滿發(fā)運行。若電網(wǎng)線路送出受阻或市場需求不足，則安排受阻區(qū)域電站等比例棄水或電站輪停，電站有市場化交易的優(yōu)先按協(xié)議發(fā)電方式運行，該方式多發(fā)生在汛期（6-10月）。

（2）來水小于最大發(fā)電引用流量時，小水電的最優(yōu)運行方式是按廠內(nèi)優(yōu)化的成果運行，根據(jù)調(diào)節(jié)能力和機組間性能的差異，按預(yù)測來水過程日發(fā)電量最大模型計算負(fù)荷方式運行，該方式多發(fā)生在枯期（1-4及12月）和平水期（5和11月）。

除此之外，增加了發(fā)電情況跟蹤和小電工作評價兩個環(huán)節(jié)。其中發(fā)電情況跟蹤對正在執(zhí)行的發(fā)電計劃進(jìn)行跟蹤分析，將實際發(fā)電數(shù)據(jù)與計劃曲線進(jìn)行對比，設(shè)立評分標(biāo)準(zhǔn)，給出量化評分，實現(xiàn)對計劃執(zhí)行情況的實時分析，并對計劃執(zhí)行的風(fēng)險進(jìn)行預(yù)判，如果超出了風(fēng)險控制范圍則進(jìn)行告警。跟蹤分析深入到每個時段（15 min），動態(tài)調(diào)整發(fā)電計劃，提高準(zhǔn)確性。小電工作評價通過指標(biāo)和評分規(guī)則定義，對其數(shù)據(jù)上報、計劃執(zhí)行情況、調(diào)度工作合格率等不同的工作進(jìn)行綜合評價，反饋的結(jié)果影響下一階段該機構(gòu)的計劃認(rèn)可度。

3 關(guān)鍵環(huán)節(jié)模型算法集成

由于電網(wǎng)各類輸電設(shè)備故障、線路送出能力受限以及電力市場需求不足等造成的水電廠出力低于可調(diào)出力而產(chǎn)生的棄水損失電量，是棄水損失電量的最主要部分［9］［10］，其認(rèn)定和計算與水庫調(diào)節(jié)能力關(guān)系復(fù)雜，本文重點論述小水電占比較大的調(diào)節(jié)能力較差電站的棄水電量。

3.1 無調(diào)節(jié)水電站棄水電量計算

無調(diào)節(jié)電站無法對來水進(jìn)行調(diào)節(jié)，棄水電量為電站各小時可調(diào)出力（無檢修故障時為裝機容量）以內(nèi)受電網(wǎng)送出影響和受阻出力Nsz對應(yīng)電量的累計值。

日棄水電量：

式中：NKfi為電站i時段平均可發(fā)出力，該值小于電站可調(diào)出力；Nsfi為電站i時段平均實際出力。

對于汛期日均入庫流量大于最大發(fā)電引用流量或枯期日均入庫流量變化較小的工作日，棄水電量可進(jìn)一步簡化為Nsz*24，該電量值應(yīng)不超過各小時電站可調(diào)出力電量與日實發(fā)電量之差。

3.2日調(diào)節(jié)水電站棄水電量計算

日調(diào)節(jié)水電站可對日入庫水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，日棄水電量可簡化用日最大可能棄水電量與實際棄水量的折算電量之較小值進(jìn)行計算，即電站可調(diào)出力滿發(fā)電量和實發(fā)電量的差值與實際棄水量對應(yīng)電量的較小值。

式中：Wq為電站日棄水量；Ekd為電站可調(diào)出力滿發(fā)電量；Esf為電站日實發(fā)電量；m為日均發(fā)電耗水率。

3.3 多電源協(xié)調(diào)分析

多電源協(xié)調(diào)分析通過計算分析全區(qū)或指定區(qū)域電源消納情況，給出電網(wǎng)各電源協(xié)調(diào)分析平衡計算結(jié)果。包括以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）水電發(fā)電量中徑流描述方式的選擇。中長期徑流預(yù)報成果為中長期發(fā)電計劃編制分析缺省的徑流描述方式。根據(jù)能獲取的實際數(shù)據(jù)，選擇3種徑流描述方式之一用于計算：

●預(yù)報徑流—提取中長期徑流預(yù)報成果或?qū)Τ晒M(jìn)行校正；

●頻率徑流—提取中長期水文預(yù)報提供的指定頻率徑流過程或?qū)Υ诉M(jìn)行校正；

●歷史徑流—提取指定年份的多年平均徑流、最大徑流、最小徑流或?qū)Υ诉M(jìn)行。

（2）出力預(yù)測方式的選擇。各類電源在方案制定過程中需要考慮不同的出力情況，建議采用3種出力預(yù)測方式試算結(jié)果：

●購售電合同計劃—提取購售電合同所簽訂的發(fā)電計劃并視情修改；

●頻率發(fā)電量—對歷史發(fā)電量過程進(jìn)行排頻，提取指定頻率的發(fā)電量過程并視情修改；

●歷史發(fā)電量—提取指定年份的多年平均發(fā)電量、最大發(fā)電量、最小發(fā)電量數(shù)據(jù)并視情修改。

（3）其他參數(shù)取值方式的選擇。中長期發(fā)電計劃編制分析中涉及的眾多參數(shù)，建議提供二種或二種以上的取值方式，方便靈活操作。如，最高限制水位包括：汛限水位、正常高水位、正常高/汛限水位、歷史同期水位、調(diào)度圖水位。

（4）多方案比較技術(shù)。包含執(zhí)行前靜態(tài)比較和執(zhí)行中動態(tài)比較兩部分，結(jié)合發(fā)電情況跟蹤和統(tǒng)計分析，形成各方案主要指標(biāo)的分析圖表，分析各方案制定時參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)差異性。

●靜態(tài)比較—建立并保存通過不同方式計算得出多種發(fā)電調(diào)度方案，保存相關(guān)計算條件、計算結(jié)果、制定時間、制定人，通過詳細(xì)信息的可視化展示比對工具給出綜合評分。

●動態(tài)比較—對于正在執(zhí)行的發(fā)電計劃，與計劃曲線進(jìn)行綜合對比，對計劃執(zhí)行的風(fēng)險進(jìn)行分級預(yù)判，給出量化分值。例如：對全網(wǎng)小電、流域小電和電站發(fā)電跟蹤，根據(jù)閾值進(jìn)行偏差智能分析、越界告警和歷史分析等。

（5）運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。為方便量化評估，除通常的日報、月報、年報等統(tǒng)計項，加強了運行時統(tǒng)計分析，它們是：

●電網(wǎng)日棄水電量—按照電廠、供電局等進(jìn)行日棄水電量的統(tǒng)計，同時給出棄水原因分析；

●調(diào)度運行月報—統(tǒng)計各月不同調(diào)管類型基礎(chǔ)資料（裝機、電廠數(shù)量、月度新投產(chǎn)容量等）、發(fā)電情況、計劃完成情況等信息；

●小電調(diào)度運行日報—統(tǒng)計省地每日小電發(fā)電情況，按級給出本級下屬小電廠上報的昨日日電量、最高負(fù)荷、最低負(fù)荷和平均負(fù)荷，生成月累電量和年累電量。

在這些統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可發(fā)現(xiàn)全地區(qū)分類型（按發(fā)供電、調(diào)管關(guān)系、電源類型、分縣區(qū)）的昨日日電量、月累電量、年累電量、昨日最高負(fù)荷、最低負(fù)荷和平均負(fù)荷［11］，為下一階段各電源發(fā)電計劃的調(diào)整提供可靠依據(jù)，達(dá)到協(xié)調(diào)分析的目的。

圖3為發(fā)電情況跟蹤流程圖。

圖3 發(fā)電計劃跟蹤流程圖Fig.3 Process diagram of power plan tracing

4 小電智能調(diào)度實現(xiàn)案例分析

4.1 發(fā)電計劃編制與管理

為驗證本文所提方法的有效性，編寫了相關(guān)軟件，在實現(xiàn)第二節(jié)給出方案時，有“統(tǒng)一調(diào)度、分級管理”和“統(tǒng)一調(diào)度、上級指導(dǎo)下級的分級管理”兩種操作方式。前者，各級調(diào)度按各自的調(diào)度管轄范圍獨立編制其發(fā)電計劃，下級調(diào)度向上級調(diào)度機構(gòu)備案；后者，下級調(diào)度對本管轄范圍內(nèi)總發(fā)電計劃只有建議權(quán)，由上級調(diào)度機構(gòu)決定下級調(diào)度范圍內(nèi)的小水電的總發(fā)電計劃值，由下級調(diào)度具體細(xì)化到各直調(diào)（委托調(diào)度）的發(fā)電計劃。

發(fā)電計劃編制模塊具備日期選擇（典型日參考）、早晚峰設(shè)置、斷面管理、停機設(shè)置、建議計劃參考、給定電量分配、圖形設(shè)置、斷面校核、計劃保存與上傳等多種實用功能。

為了充分利用小水電的調(diào)節(jié)能力，軟件提供的實用發(fā)電計劃編制目標(biāo)函數(shù)［12］。發(fā)電計劃編制目標(biāo)函數(shù)除向大水電一樣外，特別實現(xiàn)了增加的針對小水電的網(wǎng)供電峰谷差最小、關(guān)口峰谷差最小和供電成本最小3種目標(biāo)。

用戶發(fā)電計劃曲線編制的主界面如圖4所示。紅框中是計劃制作單位某供電局的所有直調(diào)和地縣共調(diào)電廠，各電廠的數(shù)據(jù)是可以編輯的。界面右側(cè)這部分，可以通過滾動條拉動，最右側(cè)是各縣的統(tǒng)計，這部分?jǐn)?shù)據(jù)是不能編輯的，由各縣調(diào)單獨編制。表格左側(cè)綠框中是按調(diào)度關(guān)系統(tǒng)計的發(fā)電計劃，藍(lán)框中是按電廠類型統(tǒng)計的發(fā)電計劃曲線。

圖4 發(fā)電計劃編制界面Fig.4 Interface of power plan creation

4.2 多電源協(xié)調(diào)分析與評估

為保證各電廠發(fā)電計劃編制的合理性、科學(xué)性，保障地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運行，在編制、審核發(fā)電計劃時，除了提供便捷的目標(biāo)函數(shù)選擇和結(jié)果展示，還提供表格與圖形兩種形式的發(fā)電計劃與實際出力對比信息頁面（為突出重點，此部分不再贅述）。以地調(diào)協(xié)調(diào)為例，計算分析區(qū)域電源消納情況，給出各電源協(xié)調(diào)分析平衡計算結(jié)果，如圖5所示。

圖5 多電源協(xié)調(diào)分析Fig.5 Multiple power resource coordinate analysis

通過這種分析，可以有效發(fā)現(xiàn)各種電源的消納情況，并于發(fā)電能力評估相結(jié)合，及時調(diào)整某種電源在可行發(fā)電量范圍內(nèi)的出力計劃［13］，反饋到發(fā)電計劃編制模塊，進(jìn)行優(yōu)化迭代。發(fā)電能力評估充分考慮電網(wǎng)中現(xiàn)有的各類電源特性以及各時段的實際工況，通過綜合分析各類因素后，評估當(dāng)前電網(wǎng)具有的總發(fā)電能力。圖6給出某電網(wǎng)整體發(fā)電能力評估曲線。

圖6 電網(wǎng)發(fā)電能力評估Fig.6 Evaluation of power ability

除了發(fā)電能力外，我們還提出了對電站考核三元組［14］：報送信息的及時性，準(zhǔn)確性，誠實性。及時性是按電廠有沒有按調(diào)度要求及時上報有關(guān)的水情與發(fā)電信息，根據(jù)采用自動化系統(tǒng)上報的信息及時性優(yōu)于人工上報的原則進(jìn)行考核，自動化系統(tǒng)漏報數(shù)據(jù)扣分小于人工漏報數(shù)據(jù)。準(zhǔn)確性是按各水電廠上報預(yù)測來水與實際來水、預(yù)計發(fā)電量與實際發(fā)電量的相對準(zhǔn)確性來判斷。誠實性是針對各發(fā)電廠上報信息的真實性進(jìn)行評價，如電廠故意報大發(fā)電能力搶占市場份額、機組非停時故意報小入庫流量或預(yù)計發(fā)電能力的行為，將影響其誠實性。提供用戶對電廠按這三性考核的技術(shù)支持，以及為 用戶提供對這三性權(quán)重設(shè)置功能，建立對電廠運行評價指標(biāo)。該指標(biāo)的前期值與后期發(fā)電安排掛鉤的方式，實現(xiàn)對電廠的獎罰。也可按用戶具體辦法實現(xiàn)其獎懲機制的技術(shù)支持。

5 結(jié) 論

小電的管理和運行方式復(fù)雜，如何制定科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、可行的電站運行方式，是復(fù)雜而重要的生產(chǎn)任務(wù)，需要結(jié)合電網(wǎng)的特點和實際，研究與之相匹配調(diào)度管理理論方法，構(gòu)建智能化、靈活、方便的軟件平臺。本文研究小電調(diào)度智能管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，提出“分級編制、統(tǒng)一平衡、動態(tài)調(diào)整”的交互式多階段發(fā)電計劃編制模式IMSPP。該模式引入發(fā)電斷面的概念，采用更加靈活的歷史數(shù)據(jù)、實況數(shù)據(jù)和模型運算相結(jié)合的方式，迭代完成發(fā)電計劃編制。 □