梯級水電站跨省區(qū)多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度方法

黃文浩，林杰勝，謝國棟，劉 欣，侯夢龍

(南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司運行分公司，廣東 清遠 513207)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，國內(nèi)市場上工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市生活的用電量呈現(xiàn)逐漸增長趨勢，中國的電力系統(tǒng)裝機容量也在迅速增加，目前電力系統(tǒng)的組成仍然以燃煤發(fā)電和水力發(fā)電為主要構(gòu)成部分。但隨著核能、風能和太陽能等新型能源的逐漸普及，對電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力提出了更高的要求。

楊龍杰等[1]針對火力發(fā)電，在研究電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度方法時，首先研究了電網(wǎng)之間的耦合問題，分析電網(wǎng)間的運行特征和調(diào)峰潛力因素，根據(jù)電網(wǎng)在調(diào)峰條件下的運行特征，提出了一種階梯式優(yōu)化調(diào)度模型，實現(xiàn)多電網(wǎng)之間的調(diào)峰調(diào)度，滿足電站整體的控制和經(jīng)濟效益；張艷華等[2]針對風電系統(tǒng)的調(diào)峰問題，研究出一種聯(lián)合調(diào)峰法，利用水電輸出的通道和調(diào)峰模式，將風電場中的風電和光電相結(jié)合，分析梯級電站之間的調(diào)峰策略，以余荷方差最小原則，建立對應(yīng)的調(diào)峰調(diào)度系統(tǒng)，通過目標函數(shù)進行控制，實現(xiàn)短期內(nèi)的優(yōu)化調(diào)度。

在上述研究基礎(chǔ)上，本文提出了梯級水電站跨省區(qū)多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度方法。

1 跨省區(qū)多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度

1.1 多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)建

設(shè)計梯級水電站跨省區(qū)電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度方法，通過J2EE技術(shù)將多電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)簡化，在開發(fā)、部署和管理等各個層級均實現(xiàn)客戶和瀏覽器之間的業(yè)務(wù)交互，保證流程的完整性[3]。

多電網(wǎng)的調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度整體結(jié)構(gòu)

建立整體結(jié)構(gòu)后，針對梯級水電站跨省區(qū)的多電網(wǎng)調(diào)度需求，構(gòu)建相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度模型，實現(xiàn)多電網(wǎng)的調(diào)峰優(yōu)化，具體模型如圖2所示。

圖2 多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度模型

為保證水電站數(shù)據(jù)能在優(yōu)化調(diào)度過程中保存并發(fā)揮作用，需要與服務(wù)器端和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)的共享和交換，其中不僅包含檢修、預報模塊，還包含其他的自動化及管理模塊，在各個模塊數(shù)據(jù)中，梯級水電站的中長期和短期預報模塊提供多個電網(wǎng)的預報數(shù)據(jù)[4]，檢修模塊根據(jù)水電站的實際情況提供相應(yīng)的檢修方案，并根據(jù)情況完成約束條件的計算和初始值設(shè)置[5]。在梯級水電站跨省區(qū)多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)建中，需要綜合考慮多種因素，同時還需要考慮多電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)度目標函數(shù)，以實現(xiàn)最優(yōu)的調(diào)峰調(diào)度。

1.2 多電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)度目標函數(shù)設(shè)置

在多電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)度目標函數(shù)設(shè)置中，需要明確調(diào)度的目標，即實現(xiàn)電力系統(tǒng)中負荷的平衡和電力的優(yōu)化配置。為了實現(xiàn)這一目標，在多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度模型的基礎(chǔ)上，需要對維持水電站發(fā)電需求、控制對應(yīng)的水位以及水電站輸出電量進行深入分析，以確定最優(yōu)的電力調(diào)度方案。

正常情況下設(shè)置水電站的跨省區(qū)多電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化數(shù)據(jù)長周期調(diào)度目標，是以年為單位的，過程中以月或旬作為計算時段，明確調(diào)度時間段內(nèi)各個水電站對應(yīng)的最優(yōu)水位情況，進行長期電量優(yōu)化。水電站跨省區(qū)多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度的最終結(jié)果會影響電站及電網(wǎng)的運行效益[6]，基于水電站模式的跨省區(qū)電網(wǎng)輸送群體調(diào)度，考慮水電站的運行條件，同時在復雜特高壓電流線路基礎(chǔ)上，實現(xiàn)輸電限制的具體約束，在設(shè)置約束限制條件時，需要保持目標函數(shù)模型的緊密耦合性，但這也會相應(yīng)的增加求解難度[7]。在研究過程中將發(fā)電量、枯水期剩余負荷等相關(guān)因素考慮進去，能保證對水電站多電網(wǎng)供電的調(diào)峰調(diào)度長期優(yōu)化，同時兼顧多電網(wǎng)短期內(nèi)的負荷分配工作，建立約束目標函數(shù)。

為保證水電站在跨省區(qū)多電網(wǎng)環(huán)境下的調(diào)峰能良好實現(xiàn)，確保多電網(wǎng)正常運行和峰值平衡，建立相應(yīng)的調(diào)峰調(diào)度約束條件。假設(shè)水電站m在t時段的水庫容量為Vm，t，隨機時段t下能實現(xiàn)的發(fā)電流量為qm，t，水電站運行過程中的實際棄水流量為q′m，t，需要保證水電站之間的水量平衡，維持水電站發(fā)電需求，公式為

Vm，t+1=Vm，t+(Qm，t-qm，t-q′m，t)Δt

(1)

式中，Qm，t為m在t時段的水庫入水流量；Δt為t時段內(nèi)包含的小時數(shù)。

在此基礎(chǔ)上為保證水電站發(fā)電穩(wěn)定，需控制對應(yīng)的水位

Zm，T=Z′mVm，t+1

(2)

式中，Zm，T為調(diào)峰調(diào)度時期的期末水位；Z′m為期末控制水位。

建立調(diào)峰調(diào)度時期的期末水位的約束條件

(3)

水電站輸出電量的限制表示為

(4)

圖3 梯級水電站跨省區(qū)的優(yōu)化調(diào)度調(diào)節(jié)框架

根據(jù)梯級水電站跨省區(qū)的優(yōu)化調(diào)度調(diào)節(jié)框架，設(shè)置調(diào)度時間段內(nèi)的水電站總電量的目標函數(shù)

(5)

式中，M1為省內(nèi)水電站數(shù)量；M2為省外的水電站數(shù)量；m為水電站運行編號；t為多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化的調(diào)度時段編號[8]；T為水電站跨省區(qū)的調(diào)度周期長度；pm，t為水電站m在t時段條件下的電量輸出。

1.3 實現(xiàn)多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度

多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度需要全面考慮各種因素的影響，在目標函數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，建立合理的聯(lián)系和協(xié)調(diào)關(guān)系，能夠在優(yōu)化調(diào)度方法中實現(xiàn)最優(yōu)的多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度方法。

梯級水電站的跨省區(qū)多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度，不同于單一調(diào)度情況，情況相對更復雜，面對差異較大的各個電網(wǎng)峰值和對應(yīng)的出現(xiàn)時間，在研究時主要遵循兩個原則，其一是考慮跨省區(qū)條件下各個電網(wǎng)的負荷需求，其二是滿足水電站的出電量，保證電力分配[9]。

在進行多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化過程中，首先通過修補策略進行尋優(yōu)，為保證新生成的優(yōu)化調(diào)度策略能滿足上述建立約束條件，所以對約束進行修補。根據(jù)電量平衡條件，以及電站的爬坡效應(yīng)和電網(wǎng)輸電線路的處理程度，建立對應(yīng)的修補策略[10]。

從t=1時段開始逐次對電網(wǎng)g的出電情況進行核驗，電網(wǎng)g出電限制可表示為

(6)

統(tǒng)計計算電網(wǎng)g各個時間段內(nèi)的受電量

(7)

(8)

經(jīng)過循環(huán)多次的修正，可以滿足跨省區(qū)多電網(wǎng)之間的電量平衡，同時減少水電站的約束限制，由此完成梯級水電站跨省區(qū)多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度研究。

2 實驗分析

為能驗證出所研究調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度方法的有效性，對梯級水電站所處枯水期的某一天，進行短期的多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度實驗，實驗中水電站和各電網(wǎng)之間的初始條件如表1所示。

表1 梯級水電站受電及基本參數(shù)情況

表1中各個電網(wǎng)系統(tǒng)所承擔的負荷均為預測值，受到所獲得數(shù)據(jù)準確性的影響，實驗中以電網(wǎng)的典型日負載特征為依據(jù)，形成實驗預測假定，在各個電網(wǎng)的實際運行中，第2天的負荷需要由短時間的負荷預測值來決定調(diào)度變化，過程中對鄰近周期的負荷情況進行平均處理，這能有效地保證對調(diào)度系統(tǒng)方法的一般性和普適性。

實驗中假設(shè)2個水電站內(nèi)包含的所有機組設(shè)備都不檢修，為了減少水電站機組設(shè)備頻繁轉(zhuǎn)移的情況，設(shè)定機組設(shè)備的最短開機時間為2 h，為保證實驗的正常進行，將跨省區(qū)范圍輸電范圍內(nèi)的直流送電限制在640 萬kW的最大容量范圍內(nèi)。在實驗過程中以日為調(diào)度期，圖4中一個調(diào)度時段的長度為8 min，調(diào)度過程中統(tǒng)計并獲取梯級水電站及各個電網(wǎng)的調(diào)峰結(jié)果(見圖4)。

圖4 電網(wǎng)調(diào)峰結(jié)果

在圖4中針對跨省區(qū)電網(wǎng)在不同時段下的電網(wǎng)調(diào)峰情況可以看出，上海、浙江、廣東這三個省份的電網(wǎng)通過高壓直流輸電線路完成對應(yīng)的受電，且在各個時間段均能保持在輸電限額之下，輸電性能的平穩(wěn)狀態(tài)。根據(jù)圖4中數(shù)據(jù)，可以得到跨省區(qū)電網(wǎng)間的電量分配結(jié)果，具體如表2所示。

表2 跨省區(qū)電網(wǎng)間的電量分配結(jié)果

從表2中可以看出，在梯級水電站的跨省區(qū)供電過程中，在構(gòu)建的多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度方法下，水電站向多個電網(wǎng)輸送電量得到有效控制，各個電網(wǎng)的受電量期望值和實際值之間相差不大，受電控制比例也符合前期的預測情況。

為深度驗證調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度方法的有效性，對接收兩個水電站的不同跨省區(qū)電網(wǎng)進行調(diào)峰前后的余荷峰谷差統(tǒng)計，結(jié)果如表3所示。

表3 跨省區(qū)不同電網(wǎng)的負荷峰谷差變化

根據(jù)表3可知，梯級水電站經(jīng)過所研究方法完成優(yōu)化調(diào)度調(diào)峰后，其所屬受電段的各個電網(wǎng)對應(yīng)的峰谷差明顯減小，結(jié)合圖4可以看出各個電網(wǎng)的余荷情況也逐漸趨于穩(wěn)定，證明研究方法對跨省區(qū)的多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度具備良好的有效性。

3 結(jié) 論

為了保障能源的安全供應(yīng)和提高其利用效率，梯級水電站跨省區(qū)多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度方法得到了廣泛關(guān)注和研究。對于梯級水電站的跨省區(qū)多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度問題，提出一種調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度方法，在滿足水電站正常運行的情況下，確定多電網(wǎng)的運行條件，為了實現(xiàn)多電網(wǎng)的跨省區(qū)調(diào)峰，在研究中加入了對應(yīng)的調(diào)峰約束條件，在多個約束條件下，實現(xiàn)多電網(wǎng)的負荷均衡。通過研究得到如下結(jié)論：

(1)針對跨省區(qū)電網(wǎng)在不同時段下的電網(wǎng)調(diào)峰情況可以看出，上海、浙江、廣東在各個時間段均能保持在輸電限額之下，輸電性能的平穩(wěn)狀態(tài)。

(2)在構(gòu)建的多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度方法下，水電站向多個電網(wǎng)輸送電量得到有效控制，能滿足梯級水電站的跨省區(qū)多電網(wǎng)供電調(diào)峰調(diào)度。

(3)梯級水電站經(jīng)過所提方法完成優(yōu)化調(diào)度調(diào)峰后，所屬受電段的各個電網(wǎng)對應(yīng)的峰谷差明顯減小，性能良好。

梯級水電站跨省區(qū)多電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度需要綜合考慮多種因素，以實現(xiàn)最優(yōu)的電力調(diào)度方案。在未來的研究中，需要進一步深入探討相關(guān)技術(shù)，為實現(xiàn)電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻。