喀什河流域梯級(jí)電站EDC研究及應(yīng)用

魏 苗，朱麗曉，孫永紅，鄭慶明，劉 佳，申 勇

(1. 國家能源集團(tuán)新疆吉林臺(tái)水電開發(fā)有限公司，新疆 伊犁 835100；2. 國電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 210098)

在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上，碳中和被高亮提及。中國作為世界人口大國和經(jīng)濟(jì)大國，也應(yīng)該從氣象、能源、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)維度出發(fā)，最終走向“中和”。水電作為清潔、可再生能源，在實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的過程中不可或缺。在梯級(jí)電站進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制(EDC)，具有重要的意義。

喀什河流域梯級(jí)現(xiàn)有6座水電站，從上游到下游分別是：薩里克特、塔勒德薩依、吉林臺(tái)一級(jí)、吉林臺(tái)二級(jí)、尼勒克、溫泉。其中吉林臺(tái)二級(jí)為日調(diào)節(jié)電站，位于吉林臺(tái)一級(jí)與尼勒克水電站之間，隸屬于伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，其他5座水電站隸屬于吉林臺(tái)公司，共裝有20臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)，總裝機(jī)1 080 MW。

1)塔薩兩站概況。薩里克特和塔勒德薩依水電站均為引水式電站，引水渠分別長為8.8 km、7.5 km，發(fā)電水量經(jīng)樞紐進(jìn)水閘由引水渠引入壓力前池發(fā)電，前池?zé)o調(diào)節(jié)能力，發(fā)電水量受來水變化影響極大，導(dǎo)致前池水位變化和負(fù)荷需要頻繁調(diào)整，實(shí)現(xiàn)高水位高效運(yùn)行存在極大的困難；同時(shí)，由于2座水電站均隸屬于伊犁電網(wǎng)調(diào)管水電站，其發(fā)電負(fù)荷受限于新疆電網(wǎng)，汛期部分時(shí)段限電嚴(yán)重，棄水較多。

2)吉尼溫三站概況。吉林臺(tái)一級(jí)、尼勒克、溫泉3座電站為混合式梯級(jí)電站，其中，尼勒克水電站為徑流引水式電站，前池?zé)o調(diào)節(jié)能力，引水渠道全長31 km，水流滯時(shí)為4～6 h；由于吉林臺(tái)一級(jí)水電站承擔(dān)流域中下游防洪、灌溉任務(wù)，同時(shí)承擔(dān)新疆電網(wǎng)主要調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)，發(fā)電負(fù)荷變化幅度大，對(duì)尼勒克水電站發(fā)電運(yùn)行產(chǎn)生極大影響；溫泉水電站為季調(diào)節(jié)電站，有一定的調(diào)蓄能力；3站均隸屬于新疆電網(wǎng)調(diào)管電站，與新疆電網(wǎng)220 kV系統(tǒng)相連，3站送出負(fù)荷潮流多變。

3)吉林臺(tái)一級(jí)、尼勒克及溫泉水電站3站送出線路如圖1所示。

圖1 吉林臺(tái)一級(jí)、尼勒克及溫泉水電站送出線路圖

從圖1看出，吉林臺(tái)一級(jí)水電站出線有兩路，分別為：皇林一線、皇林二線、林尼線，通過對(duì)歷年電網(wǎng)運(yùn)行方式分析，皇林一線、皇林二線經(jīng)常通過林尼線送至750 kV伊犁變。

吉林臺(tái)一級(jí)水電站運(yùn)行中，易擠占尼勒克水電站送出線路伊尼線通道。按照新疆電網(wǎng)調(diào)度管理中心運(yùn)行要求，伊尼線夏季送出不得超240 MW，冬季不得超280 MW，尼勒克水電站總裝機(jī)240 MW，設(shè)計(jì)水頭185.5 m，滿負(fù)荷設(shè)計(jì)發(fā)電流量146.4 m3/s，上游調(diào)節(jié)性電站發(fā)電運(yùn)行影響滿負(fù)荷率多達(dá)60%以上，尼勒克水電站極易產(chǎn)生限電棄水，當(dāng)伊犁地區(qū)送出受限時(shí)，3站均會(huì)明顯相互擠占。

由于以上存在的種種問題，將5個(gè)電站作為一個(gè)整體，統(tǒng)籌考慮，統(tǒng)一進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制，是迫在眉睫的事，這樣充分利用吉林臺(tái)一級(jí)和溫泉的水庫調(diào)蓄作用，確保梯級(jí)整體不發(fā)生棄水，使喀什河流域水資源發(fā)揮出最大效益，對(duì)提升梯級(jí)電站整體經(jīng)濟(jì)效益有非常積極的作用。

1 EDC模型簡介

水電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制(Economic Dispatch Control簡稱EDC)是在滿足電網(wǎng)安全和機(jī)組安全的條件下，以梯級(jí)蓄能量最大等原則，對(duì)梯級(jí)負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，動(dòng)態(tài)控制梯級(jí)水位，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)電站經(jīng)濟(jì)效益的最大化[1-2]。

EDC模型主要有以下幾種：

1)蓄能量最大模型。

目標(biāo)函數(shù)[3]：

(1)

QIi,t=QOi-1,t-τ+qi,t

(2)

(3)

式中：E表示調(diào)度期末蓄能增量；T表示調(diào)度時(shí)段總數(shù)；n表示電站數(shù)；ki表示第i個(gè)電站的出力系數(shù)；Hi,j表示第i個(gè)電站第t時(shí)段的水頭大?。籕Ii,t表示對(duì)應(yīng)時(shí)段的入庫流量；QOi,t表示對(duì)應(yīng)時(shí)段的出庫流量；qi,t表示對(duì)應(yīng)時(shí)段的區(qū)間流量；τ表示上游電站水量到達(dá)下游電站壩前的水流滯時(shí)。

2)水位異?？刂颇Ｐ?。在死水位Zi,s和正常蓄水位Zi,n之間設(shè)置一個(gè)水位控制范圍Zi,down～Zi,up。如果實(shí)時(shí)水位Zi,t滿足Zi,up≤Zi,t≤Zi,n，則認(rèn)為進(jìn)入了高水位運(yùn)行區(qū)；如果實(shí)時(shí)水位Zi,t滿足Zi,s≤Zi,t≤Zi,down，則認(rèn)為進(jìn)入了死水位運(yùn)行區(qū)；如果實(shí)時(shí)水位Zi,t滿足Zi,down≤Zi,t≤Zi,up，則認(rèn)為在水位正常運(yùn)行區(qū)。其中，Zi,s、Zi,n、Zi,down、Zi,up、Zi,t分別表示i電站死水位、正常蓄水位、低水位線、高水位線、t時(shí)段水位。

對(duì)于異常高的水位，采用優(yōu)先發(fā)電策略，直至水位到達(dá)正常范圍內(nèi)。

對(duì)于異常低的水位，采用不發(fā)電或不優(yōu)先發(fā)電策略，將負(fù)荷優(yōu)先分配給其上級(jí)電站；如果其上級(jí)電站水位在正常水位附近，則將負(fù)荷分配給更上一級(jí)電站，其上級(jí)電站作為過流電站；并在此基礎(chǔ)上，逐時(shí)段計(jì)算下游受影響電站，將上游電站水位影響因素逐級(jí)減輕，直至水位到達(dá)正常范圍內(nèi)。

3)水位平穩(wěn)控制模型。當(dāng)水庫水位處于正常范圍內(nèi)，或者水庫水位雖然在高水位運(yùn)行區(qū)但入庫流量小于出庫流量，或水位在低水位運(yùn)行區(qū)但入庫流量大于出庫流量時(shí)，在滿足各項(xiàng)安全約束的前提下，以某一個(gè)或幾個(gè)水庫水位變化最小為控制目標(biāo)[4]，按流量平衡進(jìn)行廠間負(fù)荷分配，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷與流量上的匹配，達(dá)到水位盡可能平穩(wěn)的目的。

目標(biāo)函數(shù)：

S=Min{Max{δ1，δ2，δ3，δ4，δ5}}

(4)

式中，δi是第i電站水位變化幅度。

4)少調(diào)負(fù)荷控制模型。針對(duì)某個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象，計(jì)算負(fù)荷變化次數(shù)和變化幅度，分別加入懲罰因子，以最終懲罰量綜合最小為最優(yōu)。

目標(biāo)函數(shù)：

Pchange=Min{Max{p1，p2，p3，p4，p5}}

(5)

pi=fi(wavc,time)

(6)

式中：pi是第i電站負(fù)荷調(diào)整函數(shù)，和負(fù)荷調(diào)整次數(shù)和調(diào)整幅度有關(guān)，i=1,2,…,5；wave是負(fù)荷變化幅度；time是負(fù)荷變化次數(shù)。

5)小負(fù)荷分配模型。當(dāng)梯級(jí)總發(fā)電負(fù)荷指令值相對(duì)于當(dāng)前總實(shí)發(fā)出力波動(dòng)較小時(shí)，為了減少電站調(diào)節(jié)次數(shù)，可采用小負(fù)荷分配策略，將小負(fù)荷差額由一個(gè)電站來負(fù)擔(dān)，并計(jì)算由此引起的對(duì)各電站的影響，選擇對(duì)各電站影響最小的分配策略。

Pchange=Min{p1，p2，p3，p4，p5}

(7)

pi=fi(wavc,time)

(8)

式中：pi是第i電站負(fù)荷調(diào)整函數(shù)，和負(fù)荷調(diào)整次數(shù)和調(diào)整幅度有關(guān)，i=1,2,...,5；wave是負(fù)荷變化幅度；time是負(fù)荷變化次數(shù)。

6)模型約束條件。以上模型遵循的約束條件如下[5]。

水量平衡約束：

Vi,t=Vi,t-1+(QIi,t-QOi,t)·Δt

(9)

水位約束：

Zi,min≤Zi,t≤Zi,max

(10)

水位變幅約束：

Zi,t-Zi,t-1=ZRCi

(11)

梯級(jí)電站總負(fù)荷平衡約束：

(12)

機(jī)組檢修約束：

NumEni,t=NumMaxi,t

(13)

出力約束：

Pi,min≤Pi,t≤Pi,max

(14)

出力變幅約束：

Pi,t-Pi,t-1=PRCi

(15)

流量變幅約束：

Qi,t-Qi,t-1=QRCi

(16)

出庫流量約束：

Qi,min≤Qi,t≤Qi,max

(17)

式中：Vi,t是t時(shí)段末水庫i的庫容大?。籞i,t是i水庫t時(shí)段末水位；Zi,min和Zi,max分別表示i電站t時(shí)段最低水位和最高水位；ZRCi為i電站允許的時(shí)段庫水位最大變幅；PCt是t時(shí)段梯級(jí)總負(fù)荷；Pi,t表t時(shí)段電站i的負(fù)荷；NumEni,t為i電站t時(shí)段可用機(jī)組臺(tái)數(shù)；NumMaxi,t為i電站考慮檢修計(jì)劃后t時(shí)段的最大可用機(jī)組臺(tái)數(shù)；Pi,min和Pi,max分別表示i電站t時(shí)段最小出力和最大出力；PRCi為i電站當(dāng)前時(shí)段出力的最大變幅；Qi,min和Qi,max分別表示i電站時(shí)段最小和最大下泄流量；QRCi為i電站允許的時(shí)段最大出庫流量變幅。

2 EDC模型適用性分析

1)梯級(jí)蓄能最大模型。梯級(jí)蓄能最大模型也是國內(nèi)梯級(jí)水電優(yōu)化調(diào)度研究較多的模型之一，該模型的調(diào)度原則是優(yōu)先使用下游電站的水量，盡量將水量蓄至上游水庫，其缺點(diǎn)是可能會(huì)導(dǎo)致末級(jí)水庫放空。

喀什河流域末級(jí)水庫溫泉水庫具有季調(diào)節(jié)能力，是僅有的兩個(gè)有調(diào)蓄能力的水庫之一，調(diào)洪庫容：0.306億m3，汛期電站最大發(fā)電流量約242.4 m3/s，發(fā)電水量為0.16億m3，放空概率很小，本模型可以適用。

2)水位異常控制模型。對(duì)于薩里克特、塔勒德薩依這樣的上游沒有調(diào)節(jié)水庫的攔河引水式水電站，入庫流量全靠天然來水，容易產(chǎn)生棄水或水庫拉空現(xiàn)象，采用本模型控制水位顯得尤其重要。

3)水位平穩(wěn)控制模型。本模型主要是為了達(dá)到水位盡可能平穩(wěn)的目的。在滿足各項(xiàng)安全約束的前提下，以某一個(gè)或幾個(gè)水庫水位變化最小為控制目標(biāo)，按流量平衡進(jìn)行廠間負(fù)荷分配，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷與流量上的匹配，是正常情況可以適用的模型。

4)少調(diào)負(fù)荷控制模型。本模型以梯級(jí)電站分配負(fù)荷相對(duì)于當(dāng)前實(shí)發(fā)出力的變化量最小為控制目標(biāo)，進(jìn)行負(fù)荷的站間分配，達(dá)到部分電站多調(diào)負(fù)荷、部分電站少調(diào)負(fù)荷的目的，可有效避免機(jī)組在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，減少機(jī)組損耗，降低運(yùn)行維護(hù)工作量，應(yīng)當(dāng)采用。

5)小負(fù)荷分配模型。本模型主要針對(duì)梯級(jí)總負(fù)荷設(shè)定值相對(duì)于總出力變幅較小時(shí)的情況。為了避免電站負(fù)荷頻繁調(diào)節(jié)和解決小負(fù)荷調(diào)整響應(yīng)速度慢的問題，本模型先依據(jù)梯級(jí)各水電站優(yōu)先級(jí)和對(duì)應(yīng)機(jī)組的調(diào)節(jié)裕量排序，提高負(fù)荷調(diào)整響應(yīng)速度，提高機(jī)組運(yùn)行效率，應(yīng)當(dāng)采用。

3 模型應(yīng)用

在考慮調(diào)度目標(biāo)選取、各電站水力聯(lián)系、多年調(diào)節(jié)水庫運(yùn)行特點(diǎn)、區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立了喀什河流域梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度的多模型自適應(yīng)系統(tǒng)，將梯級(jí)蓄能量最大模型、水位異?？刂颇Ｐ?、水位平穩(wěn)控制模型、少調(diào)負(fù)荷控制模型、小負(fù)荷分配模型等進(jìn)行優(yōu)化組合，根據(jù)不同的邊界條件進(jìn)行自適應(yīng)選擇。

3.1 模型自適應(yīng)選擇流程

系統(tǒng)針對(duì)梯級(jí)水電站不同的邊界條件進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，自適應(yīng)選用模型進(jìn)行計(jì)算，模型選擇流程示意圖如圖2。

3.2 水位異常控制模型

薩里克特、塔勒德薩依和尼勒克3個(gè)徑流式電站，根據(jù)其正常水位范圍制定水位異?？刂颇Ｐ?，如圖3、圖4、圖5。

圖2 EDC模型選擇流程示意圖

圖3 薩里克特水位異?？刂颇Ｐ褪疽鈭D

圖4 塔勒德薩依水位異常控制模型示意圖

圖5 尼勒克水位異?？刂颇Ｐ褪疽鈭D

3.3 最大蓄能模型

吉林臺(tái)和溫泉采用蓄能最大模型和POA求解算法[6]，求解流程如圖6。

圖6 POA求解流程示意圖

3.4 計(jì)算成果分析

假設(shè)時(shí)段長為1 h，按1 d計(jì)算，計(jì)算成果如表1。

由計(jì)算成果可以看出，與原先人工經(jīng)驗(yàn)控制相比，徑流式引水式電站運(yùn)行水位基本平穩(wěn)，無棄水，吉林臺(tái)一級(jí)和溫泉運(yùn)行水位分別提高0.4、0.2 m，水耗減少率分別為0.70%，0.46%，塔薩2站綜合水耗減少率為0.57%；以尼勒克水電站為例，其上游吉林臺(tái)一級(jí)水庫水位1 405.68 m對(duì)應(yīng)的庫容是1 758.82 m3，水位1 405.64 m對(duì)應(yīng)的庫容是1 757.18 m3，庫容差164萬m3，其下游溫泉水庫水位949.43 m對(duì)應(yīng)的庫容是131.303 m3，949.45 m對(duì)應(yīng)的庫容是131.625 m3，庫容差14.2萬m3；考慮各級(jí)區(qū)間來水，尼勒克借用上下2庫庫容，以占用下游庫容10%計(jì)算，可至少減少棄水1.42萬m3，以平均耗水率2.59計(jì)算，每天多發(fā)0.054 8萬kWh，這樣每年減少棄水約500萬m3，增加發(fā)電量20萬kWh。

以各級(jí)電站區(qū)間來水大致相等考慮，塔薩兩級(jí)電站借用吉林臺(tái)一級(jí)庫容，減少棄水和增加發(fā)電量和尼勒克電站相當(dāng)；尼勒克處于各級(jí)電站中游，其棄水所具有的蓄能也處于均值水平，以此計(jì)算，梯級(jí)五級(jí)電站平均每年一共可增加發(fā)電量約100萬kWh。

3.5 模型應(yīng)用中的關(guān)鍵點(diǎn)

1)EDC系統(tǒng)充分考慮薩里克特及塔勒德薩依水電站，按照設(shè)定的水位上下限運(yùn)行區(qū)間運(yùn)行，監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)反饋前池水位變化情況，當(dāng)超過設(shè)定上限時(shí)，按照異常水位控制模型調(diào)整負(fù)荷，使水位逐步恢復(fù)至設(shè)定運(yùn)行區(qū)間。

表1 梯級(jí)電站蓄能最大模型計(jì)算成果表

2)在汛期，主要考慮以滿足下游灌溉用水為基礎(chǔ)的情況下，按照3站流量關(guān)系匹配最優(yōu)經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配，優(yōu)先選用高水頭低水耗徑流式尼勒克水電站，并結(jié)合異常水位控制模型和水位平穩(wěn)模型進(jìn)行調(diào)整，其余負(fù)荷按照蓄能最大模型約束條件分配其余2站間負(fù)荷。

3)限電期間，充分利用吉林臺(tái)一級(jí)和溫泉的調(diào)節(jié)性能，將吉林臺(tái)一級(jí)及溫泉水電站負(fù)荷至優(yōu)先轉(zhuǎn)移到尼勒克水電站，減少尼勒克水電站限電棄水。

4 結(jié) 語

喀什河流域梯級(jí)水電站中，由于5座水電站中有3座是徑流式水電站，基本無調(diào)蓄能力，洪水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性對(duì)能否完全避免棄水至關(guān)重要，因此，隨著洪水預(yù)報(bào)精度的進(jìn)一步提高，經(jīng)濟(jì)調(diào)度可望進(jìn)一步得到優(yōu)化。

目前喀什河流域梯級(jí)電站EDC系統(tǒng)處于研究和試運(yùn)行階段，通過仿真計(jì)算，喀什河流域梯級(jí)電站EDC調(diào)度的實(shí)施，避免大機(jī)組小負(fù)荷運(yùn)行振動(dòng)效應(yīng)，提高機(jī)組運(yùn)行效率，提高各電站單機(jī)出力和機(jī)組負(fù)荷率，優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行工況，延長機(jī)組使用壽命，可為流域梯級(jí)綜合效益帶來大幅度的提升，對(duì)混合式梯級(jí)水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有普遍的參考意義。