基于廣東調(diào)峰需求的西電東送與抽水蓄能電廠協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度策略研究

單政博，伍陽(yáng)陽(yáng),2，陳亦平，方必武，杜旭，何劍軍

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510663； 2.云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司，云南 昆明 650217）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的深化調(diào)整，廣東省內(nèi)社會(huì)用電負(fù)荷不斷增加，第二產(chǎn)業(yè)用電比例不斷降低，第三產(chǎn)業(yè)用電比例逐步上升，廣東電網(wǎng)負(fù)荷曲線在夏季呈現(xiàn)典型的三峰三谷特性，在冬季呈現(xiàn)典型的兩峰兩谷特性，峰谷差不斷增大，在峰谷轉(zhuǎn)換期間負(fù)荷升降幅度及速度陡增[1-4]。由于目前廣東省內(nèi)裝機(jī)中以煤電機(jī)組為主，調(diào)節(jié)速率難以跟隨負(fù)荷的劇烈變化，電網(wǎng)調(diào)峰面臨巨大挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，為踐行國(guó)家西電東送戰(zhàn)略[5]，助力“雙碳”目標(biāo)達(dá)成，南方電網(wǎng)已建成“八交十一直”西電東送大通道，西電在廣東電力供應(yīng)中的占比近三成。西電計(jì)劃通過(guò)日前方式安排和日內(nèi)滾動(dòng)修改確定，不具備傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)調(diào)節(jié)特性。若西電計(jì)劃未能很好地與廣東負(fù)荷特性匹配，將造成廣東省內(nèi)電源的頻繁調(diào)節(jié)與無(wú)序調(diào)節(jié)，甚至?xí)谪?fù)荷劇烈變化的峰谷轉(zhuǎn)換期對(duì)南方電網(wǎng)的頻率安全帶來(lái)威脅。與此同時(shí)，為服務(wù)新型電力系統(tǒng)建設(shè)，緩解電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻壓力，抽水蓄能電廠裝機(jī)規(guī)模將在未來(lái)三個(gè)五年計(jì)劃中顯著增長(zhǎng)[6-7]。實(shí)時(shí)調(diào)度運(yùn)行中，充分利用蓄能機(jī)組的快速調(diào)節(jié)能力，協(xié)調(diào)優(yōu)化網(wǎng)內(nèi)各類型電源的調(diào)度策略，提升對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷變化特點(diǎn)的適應(yīng)性，將成為緩解電網(wǎng)的調(diào)峰壓力的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[8]提出了直流聯(lián)絡(luò)線運(yùn)行方式與多區(qū)域機(jī)組啟停方式協(xié)調(diào)優(yōu)化的發(fā)輸電計(jì)劃模式，但沒(méi)有涉及蓄能機(jī)組的聯(lián)合優(yōu)化；文獻(xiàn)[9-10]研究了風(fēng)電、核電與抽水蓄能機(jī)組聯(lián)合參與電網(wǎng)調(diào)峰的調(diào)度策略，但未涉及大規(guī)模網(wǎng)間送受電計(jì)劃的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

為實(shí)現(xiàn)西電、抽水蓄能機(jī)組及廣東省內(nèi)電源計(jì)劃的協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度，本文首先對(duì)典型日內(nèi)西電、蓄能電廠及廣東省內(nèi)電源的協(xié)調(diào)運(yùn)行情況進(jìn)行分析，針對(duì)上述3種類型電源在實(shí)際調(diào)度運(yùn)行存在的問(wèn)題，提出一種以廣東省內(nèi)電源無(wú)序調(diào)節(jié)程度最小為目標(biāo)函數(shù)，西電與蓄能電廠聯(lián)合參與廣東調(diào)峰的混合整數(shù)規(guī)劃模型，優(yōu)化實(shí)際運(yùn)行中西電、蓄能電廠與廣東省內(nèi)電源的協(xié)調(diào)配合，減少?gòu)V東省內(nèi)電源的頻繁與無(wú)序調(diào)節(jié)，提升大電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

1 典型日3種類型電源的協(xié)調(diào)運(yùn)行情況

圖1給出典型日廣東負(fù)荷、西電、廣東省內(nèi)電源出力及西電占比變化曲線。

圖1 廣東負(fù)荷、西電、廣東省內(nèi)電源出力及 西電占比變化曲線

從全天來(lái)看，西電在廣東電力供應(yīng)中的占比較為穩(wěn)定，夜間稍有下降，全天平均值為29.1%，在廣東負(fù)荷中占有較大比重。在上午（8:45-10:00時(shí)段）廣東負(fù)荷緩慢上升，廣東省內(nèi)電源出力卻緩慢下降，呈現(xiàn)明顯的反調(diào)峰現(xiàn)象。

圖2 給出了當(dāng)天西電變化速率和廣東負(fù)荷變化速率的對(duì)比。在廣東省內(nèi)電源出現(xiàn)反調(diào)峰的時(shí)段，西電的變化速率明顯大于廣東負(fù)荷的變化速率，西電計(jì)劃與廣東負(fù)荷特性不匹配是造成廣東省內(nèi)電源反調(diào)峰的主要原因。

圖2 廣東負(fù)荷變化速率與西電變化速率曲線

在早晨8:00和中午12:00，廣東負(fù)荷的變化速率達(dá)到最大，分別為439 MW/min、-584 MW/min。午間11:15-12:15時(shí)段，廣東負(fù)荷在一個(gè)小時(shí)內(nèi)下降12495 MW，西電下降3774 MW，尤其是在11:55-12:05這10分鐘內(nèi)，廣東負(fù)荷下降5130 MW，西電下降1149 MW，西電調(diào)節(jié)速率無(wú)法匹配廣東負(fù)荷的變化速率，調(diào)峰壓力主要落在廣東省內(nèi)電源和蓄能機(jī)組。由于廣東省內(nèi)裝機(jī)以煤電為主，廣東省內(nèi)電源快速調(diào)節(jié)能力不足（尤其在機(jī)組檢修高峰期），快速調(diào)峰任務(wù)主要由蓄能機(jī)組承擔(dān)。但在11:55之后，廣東負(fù)荷迅速下降，蓄能機(jī)組確未能由停機(jī)工況快速轉(zhuǎn)入泵工況，電網(wǎng)頻率由50.01 Hz迅速上升至50.08 Hz；在12:02蓄能機(jī)組轉(zhuǎn)為泵工況后，電網(wǎng)頻率逐步恢復(fù)。由于當(dāng)日抽水蓄能電廠計(jì)劃未能和廣東負(fù)荷特性很好匹配，蓄能機(jī)組的快速調(diào)節(jié)能力未能得到充分發(fā)揮，甚至對(duì)電網(wǎng)頻率安全造成威脅。

以上分析表明，協(xié)調(diào)優(yōu)化西電、蓄能電廠計(jì)劃曲線與廣東負(fù)荷特性的適應(yīng)性，是有效降低避免廣東省內(nèi)電源無(wú)序與頻繁調(diào)節(jié)程度，充分發(fā)揮蓄能機(jī)組快速調(diào)節(jié)能力，提升電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行安全與經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵。在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)該從日前計(jì)劃與日內(nèi)計(jì)劃兩方面進(jìn)行調(diào)整。在日前，根據(jù)廣東電網(wǎng)日前負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)三者的發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化編排；在日內(nèi)，根據(jù)廣東負(fù)荷超短期預(yù)測(cè)，對(duì)三者的發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化更新。

2 策略研究

西電東送與抽水蓄能電廠協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度的關(guān)鍵在于讓西電更大程度上地參與廣東電網(wǎng)調(diào)峰，充分發(fā)揮蓄能電廠的快速調(diào)節(jié)能力，降低廣東省內(nèi)電源的無(wú)序與頻繁調(diào)節(jié)程度。

本章以廣東省內(nèi)電源無(wú)序與頻繁調(diào)節(jié)程度最小為目標(biāo)，建立如下混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型解決西電、蓄能電廠聯(lián)合參與廣東電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題。該模型通過(guò)優(yōu)化西電、蓄能電廠及廣東省內(nèi)電源的發(fā)電計(jì)劃，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)。在模型中，蓄能電廠選取廣東境內(nèi)的惠蓄、清蓄兩家電廠作為本次優(yōu)化對(duì)象。

模型中的符號(hào)說(shuō)明如下：

1）模型的所有向量都是長(zhǎng)度為T的向量，一般情況下T為96；

2）PGD、PXD、PHX、PQX、Pload分別代表廣東省內(nèi)電源、西電、惠蓄、清蓄在一天內(nèi)的發(fā)電計(jì)劃及廣東負(fù)荷，PGDi為PGD中的第i個(gè)元素，為當(dāng)天廣東省內(nèi)電源出力的平均值；

3）PHX_g、PQX_g分別代表一天中惠蓄、清蓄電廠在發(fā)電工況下的出力向量，為一個(gè)連續(xù)變量；

4）IHX_g、IHX_s、IHX_pi=1～M代表惠蓄電廠在一天中的運(yùn)行狀態(tài)向量，分別對(duì)應(yīng)于發(fā)電、停機(jī)、泵狀態(tài)（其中泵狀態(tài)又分為M種狀態(tài)），均為0-1變量；IQX_g、IQX_s、IQX_pi=1～M代表清蓄電廠在一天中的運(yùn)行狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)于發(fā)電、停機(jī)、泵工況（其中泵狀態(tài)又分為N種狀態(tài)），均為0-1變量；

5）PHX_gmin、PHX_gmax、PQX_gmin、PQX_gmax、分別代表惠蓄、清蓄電廠在發(fā)電工況下出力的上下限；

6）PXDmin、PXDmax代表西電出力的上下限；PGDmin、PGDmax代表廣東省內(nèi)電源出力的上下限；Bmin、Bmax代表廣東省內(nèi)電源出力調(diào)節(jié)速率的上下限；Cmin、Cmax代表西電出力調(diào)節(jié)速率的上下限；

7）A代表廣東省內(nèi)電源出力、西電調(diào)節(jié)速率轉(zhuǎn)化矩陣；

8）KHX、KQX代表惠蓄、清蓄電廠的發(fā)電抽水轉(zhuǎn)化效率，一般為0.75；EXD為一天內(nèi)的西電東送電量，為常數(shù)。

該模型中需要優(yōu)化的變量為：PGD、PXD、PHX_g、PQX_g、PHX_g、PHX_S、IHX_pi=1～M、IQX_g、PQX_s、IQX_pi=1～M，均是長(zhǎng)度為T的列向量。模型中包含16個(gè)約束條件，在2.1節(jié)中會(huì)有具體解釋。

PGD、PXD、PQX、PHX_g、PQX_g為連續(xù)性變量，IHX_g、IHX_s、IHX_pi、IQX_g、IQX_s、IQX_pi為0-1變量。

2.1 模型分析

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)分為兩部分，第一部分衡量一天內(nèi)廣東省內(nèi)電源出力偏離其均值的程度，近似于方差的概念，其大小反映一天內(nèi)廣東省內(nèi)電源出力曲線的波動(dòng)幅度。第二部分衡量一天內(nèi)廣東省內(nèi)電源出力的調(diào)節(jié)量，其大小反映廣東省內(nèi)電源出力調(diào)節(jié)的整體幅度。

如果僅用第一部分作為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化出的廣東省內(nèi)發(fā)電出力有可能存在反調(diào)峰現(xiàn)象。在優(yōu)化求解中，當(dāng)廣東省內(nèi)電源某時(shí)刻出力偏離其平均值時(shí)，算法會(huì)在下一個(gè)時(shí)刻對(duì)其進(jìn)行修正，但修正的幅度有可能過(guò)大，導(dǎo)致反調(diào)峰現(xiàn)象，與實(shí)際不符。因此，將第二部分添加至目標(biāo)函數(shù)中，可以對(duì)修正幅度進(jìn)行一定限制，避免發(fā)生反調(diào)峰，使優(yōu)化結(jié)果更符合實(shí)際。

2.1.2 抽水蓄能電廠及相關(guān)約束條件

模型涉及惠蓄、清蓄兩個(gè)抽水蓄能電廠，故引入兩套變量及相應(yīng)的約束條件?；菪?、清蓄的裝機(jī)容量分別為8×300 MW、4×320 MW，各廠每臺(tái)機(jī)組在發(fā)電工況下的出力范圍分別為：150～300 MW、160～320 MW，每臺(tái)機(jī)組在抽水工況下的出力為-300 MW、-320 MW。因此，惠蓄、清蓄電廠的發(fā)電出力在150～2400 MW、160～1280 MW范圍內(nèi)是連續(xù)的，而抽水工況下的出力是離散的，由其開(kāi)泵臺(tái)數(shù)決定。此外，根據(jù)蓄能電廠有關(guān)運(yùn)行規(guī)定，惠蓄、清蓄電廠的發(fā)電工況、抽水工況存在互斥關(guān)系。

考慮上述因素，與抽水蓄能電廠相關(guān)的約束條件為式(2)～(11)。

1）蓄能電廠狀態(tài)約束

以惠蓄電廠為例進(jìn)行說(shuō)明，引入0-1變量IHX_g、IHX_s、IHX_pi=1～M代表惠蓄電廠在一天中的發(fā)電、停機(jī)、泵工況所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，列向量中元素為1的時(shí)刻代表蓄能電廠此時(shí)處于該列向量所代表的工況。泵工況所對(duì)應(yīng)0-1向量的數(shù)目等于當(dāng)日最大可開(kāi)泵臺(tái)數(shù)，一般由斷面限制、機(jī)組檢修及水頭等因素決定。任何時(shí)刻惠蓄電廠只能處于三種工況中的一種，由此得到約束條件(4)。同理，可以得到清蓄電廠對(duì)應(yīng)的約束條件(5)。

任何時(shí)刻，惠蓄、清蓄電廠的發(fā)電工況、抽水工況存在互斥關(guān)系，由此可得約束條件(6)、(7)。

2）蓄能電廠發(fā)電工況出力約束

引入連續(xù)變量PHX_g、PQX_g表示惠蓄、清蓄電廠在發(fā)電工況下的出力，其最大出力限制由斷面約束、機(jī)組檢修及水頭等因素決定，最小出力限制一般為單臺(tái)機(jī)組發(fā)電工況下的最小出力，由此可得約束條件(8)、(9)。

3）蓄能電廠總出力約束

引入PHX、PQX作為惠蓄、清蓄電廠一天中的出力。PHX、PQX等于3種工況下的出力之和，其中蓄能電廠在每個(gè)泵狀態(tài)下具有相應(yīng)的出力，由此得到約束條件(2)、(3)。

4）蓄能電廠水量約束

原則上，蓄能電廠在一天中抽水工況下的抽水量等與其發(fā)電工況下的放水量，考慮到蓄能電廠的能量轉(zhuǎn)化效率，由此可得約束(10)、(11)。

2.1.3 西電及相關(guān)約束

1）電力約束

西電在一天內(nèi)各時(shí)刻的出力應(yīng)滿足日方式中最大最小出力要求，由此可得約束條件(12)。

2）西電調(diào)節(jié)速率約束

該項(xiàng)約束對(duì)應(yīng)于約束條件(13)，可根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)給定。

3）電量約束

在對(duì)西電發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，要保證一天內(nèi)西電東送的電量滿足要求，由此得到約束條件(14)。

2.1.4 廣東省內(nèi)電源及相關(guān)約束

1）電力約束

廣東省內(nèi)電源出力應(yīng)滿足日方式中的相關(guān)限制要求，由此得到約束條件(15)。

2）調(diào)節(jié)速率約束

廣東省內(nèi)裝機(jī)大部分為煤電機(jī)組，限制了廣東省內(nèi)電源出力的調(diào)節(jié)速率，由此可得約束條件(16)。

2.1.5 廣東省內(nèi)電力平衡約束

廣東電網(wǎng)負(fù)荷等于廣東省內(nèi)電源出力、西電出力及蓄能機(jī)組出力三者之和，由此得約束條件(1)。

2.2 模型求解方法

因目標(biāo)函數(shù)中含有絕對(duì)值符號(hào)，本文所建立的模型屬于混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，直接求解難度較大。為便于求解，在原有約束條件中添加如下約束條件，將目標(biāo)函數(shù)線性化。

目標(biāo)函數(shù)被轉(zhuǎn)換為：

經(jīng)過(guò)上述等效轉(zhuǎn)換后，原模型的求解變?yōu)橐粋€(gè)混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，可通過(guò)相關(guān)數(shù)學(xué)算法進(jìn)行求解[11]。

3 算例分析

在應(yīng)用該模型到實(shí)際日前計(jì)劃編制時(shí)，以廣東負(fù)荷日前預(yù)測(cè)值作為模型的初始數(shù)據(jù)，得到西電、廣東省內(nèi)電源及蓄能電廠的日前優(yōu)化發(fā)電計(jì)劃；在日內(nèi)進(jìn)行滾動(dòng)計(jì)劃修改時(shí)，以廣東負(fù)荷超短期預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新廣東負(fù)荷曲線，進(jìn)而利用該模型滾動(dòng)優(yōu)化西電、廣東省內(nèi)電源及蓄能電廠日內(nèi)發(fā)電計(jì)劃。

本算例利用第2章中典型日的實(shí)際數(shù)據(jù)，進(jìn)行西電、廣東省內(nèi)電源及蓄能電廠發(fā)電計(jì)劃的二次優(yōu)化編排，以此說(shuō)明模型的優(yōu)化效果。

圖3給出了廣東省內(nèi)電源優(yōu)化后的發(fā)電計(jì)劃和原始計(jì)劃、廣東負(fù)荷曲線的對(duì)比。

圖3 廣東省內(nèi)電源優(yōu)化發(fā)電計(jì)劃與原始計(jì)劃、 廣東負(fù)荷曲線對(duì)比

優(yōu)化后的廣東省內(nèi)電源發(fā)電計(jì)劃相比于原計(jì)劃較為平滑，調(diào)整次數(shù)和幅度大幅減少；在上午廣東負(fù)荷緩慢上升期間（8:45-10:00），沒(méi)有出現(xiàn)反調(diào)峰。以模型中的目標(biāo)函數(shù)值來(lái)衡量?jī)?yōu)化前后廣東省內(nèi)電源出力調(diào)整程度的變化，如表1所示。優(yōu)化后的廣東省內(nèi)電源出力調(diào)整程度比優(yōu)化前較大程度地減小。

表1 目標(biāo)函數(shù)值在廣東省內(nèi)電源發(fā)電計(jì)劃優(yōu)化前后的變化

圖4給出了優(yōu)化后的西電發(fā)電計(jì)劃與原始計(jì)劃、廣東負(fù)荷曲線的對(duì)比。

圖4 西電的優(yōu)化發(fā)電計(jì)劃與原始計(jì)劃、廣東負(fù)荷曲線的對(duì)比

優(yōu)化的西電發(fā)電計(jì)劃和廣東負(fù)荷特性匹配性更高。在負(fù)荷迅速變化（7:30-8:30、11:15-12:15）的時(shí)段，優(yōu)化后的西電發(fā)電計(jì)劃增大了其在該階段的調(diào)節(jié)速率，更大程度上參與廣東調(diào)峰。在上午負(fù)荷緩慢上升的時(shí)段，優(yōu)化后的西電計(jì)劃相比于原計(jì)劃，降低了其調(diào)節(jié)速率，避免了廣東省內(nèi)電源的反調(diào)峰。

圖5給出惠蓄、清蓄電廠發(fā)電計(jì)劃在優(yōu)化前后的對(duì)比。在中午負(fù)荷迅速下降時(shí)段（12:00左右），優(yōu)化后的抽水蓄能電廠發(fā)電計(jì)劃相較于原始計(jì)劃，能夠更早地轉(zhuǎn)入泵工況，充分發(fā)揮蓄能機(jī)組的快速調(diào)節(jié)能力，在一定程度上保證電網(wǎng)的頻率安全；在早晨負(fù)荷攀峰時(shí)段，優(yōu)化的抽水蓄能電廠發(fā)電計(jì)劃相較于原始計(jì)劃更早停泵，并快速轉(zhuǎn)入發(fā)電工況。從全天來(lái)看，優(yōu)化后的抽水蓄能電廠發(fā)電計(jì)劃更大程度上地參與電網(wǎng)調(diào)峰，充分發(fā)揮蓄能機(jī)組的快速調(diào)節(jié)能力，但會(huì)增加抽水蓄能機(jī)組的啟停次數(shù)。

圖5 蓄能電廠發(fā)電計(jì)劃在優(yōu)化前后的對(duì)比

算例分析表明，本文所建立的混合整數(shù)規(guī)劃模型能夠在一定程度上對(duì)西電、抽水蓄能電廠的發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，讓兩者更大程度上地參與電網(wǎng)調(diào)峰，降低廣東省內(nèi)電源的調(diào)整程度，避免廣東省內(nèi)電源反調(diào)峰，保證電網(wǎng)在負(fù)荷迅速變化時(shí)期的頻率安全和機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從典型日的實(shí)際數(shù)據(jù)出發(fā)，分析廣東省內(nèi)電源、西電、抽水蓄能電廠的發(fā)電計(jì)劃與廣東負(fù)荷的協(xié)調(diào)匹配情況及存在的問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，本文以廣東省內(nèi)電源無(wú)序與頻繁調(diào)節(jié)程度最小為目標(biāo)函數(shù)，考慮西電與抽水蓄能電廠聯(lián)合參與廣東電網(wǎng)調(diào)峰，建立用于優(yōu)化西電、蓄能電廠及廣東省內(nèi)機(jī)組發(fā)電計(jì)劃的混合整數(shù)規(guī)劃模型，并給出相應(yīng)的求解方法。本文以典型日的實(shí)際數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)典型日內(nèi)的西電計(jì)劃、抽水蓄能電廠及廣東省內(nèi)機(jī)組發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行了二次編排優(yōu)化。算例分析表明，上述三者的發(fā)電計(jì)劃存在一定的優(yōu)化空間，合理地協(xié)調(diào)西電、抽水蓄能電廠發(fā)電計(jì)劃與廣東負(fù)荷特性匹配，可以一定程度上地減輕廣東省內(nèi)機(jī)組的調(diào)峰壓力。