基于電網安全穩定運行前提下的梯級水電站優化調度新探討

陳 策，袁明友，黃 強，唐 維

(南充電業局，四川南充 637000)

0 引言

中國江河流域的水力資源十分豐富，但由于其空間分布的不均，開發程度的不一，各地區間的利用情況存在明顯差異，人均資源量仍不富裕。水力資源的合理優化利用不僅關系到水電企業自身的利益，更具有重要的社會意義。特別是在當前，在國家電力市場改革的進程中，水電作為清潔、可再生能源的開發利用已被提升到了國家能源戰略的高度，具有更為重要的實際運用意義。

梯級水電站的形成就是充分利用水力資源的主要表現形式之一，它是分布在一條江河流域的上下游且有著水流聯系的水電站群。如何提高水資源的利用率、協調各水電站之間的用水矛盾、最大化水電企業的經濟效益等問題，已成為眾多研究學者關注的重點和難點。

早在20世紀40年代國外就提出了水庫優化調度的一般方法，自此相關研究的理論、數學模型、計算算法都在不斷的提出、發展和更新。到目前，學者們已將研究重點轉移至水庫群優化調度的模型和算法的改進上［2］。國內對此方面的研究也有著較大進展，眾多文獻［3－10］無論是從短期調度或中長期調度考慮，還是從水量可調式或徑流式方面考慮，均通過經典算法或現代智能或混合算法進行了相關要點的研究和探討，并在實際運用中起到了一定的指導作用。

然而，單從水力優化調度來看，上述文獻大都從同一個角度思考問題——即是將河流的水力資源作為研究主體，考慮資源利用與機組發電的約束關系，通過不同計算方法來實現對水力資源的優化分配和利用。

水電站的優化調度實質就是水與電之間的相互協調，隨著電網的不斷發展升級，水電關系也會變得更加密切。因此，水電站機組發出的有功和無功多少直接影響當前上網電網的安全穩定運行。一般實際情況中，水電站會保證機組最大出力或是經濟效益最大化。然而，此時水電站機組發出的有功和無功也許對于當前當地電網安全穩定運行可能并不是最佳。因此，能夠兼備電網安全穩定運行的水力優化調度，才能更好地滿足社會和經濟需求。這里在梯級電站優化調度的基礎上，重新選擇思考角度，提出全新的思考模型，引入“多Agent系統”概念，將各個水電站看作一個個獨立且相關聯的個體，在保證地區電網或更大電力系統安全穩定運行的前提下，探討如何分配梯級電站的上網出力，合理優化利用水力資源。

1 多Agent系統技術簡介

Agent作為解決復雜系統的一個有效方法，能夠利用并行分布式處理技術和模塊化設計思想，把復雜系統劃分成相對獨立的Agent子系統，通過Agent之間的競爭和磋商等手段解決之間的矛盾和沖突。它具有靈活、協作、自治和易擴展等優點，在交通控制、辦公信息處理、分布式傳感器、軟件動態配置等各項領域應用中均取得了令人滿意的成就。Agent實際系統中的多Agent主要研究目的是通過由多個Agent所組成的交互式團體來求解超出Agent個體能力的大規模問題。它研究的是一組自治代理之間行為的協調，通過對它們的知識、目標、規則的協同和調整，使它們能夠聯合起來采取行動或求解問題。

將“多Agent系統”技術應用在水庫優化協調調度上面，在確保電網安全穩定運行的前提下，更加合理的協調梯級水電站的出力，使得經濟效益或其他關注目標最大或最優化。

2 數學模型

2.1 目標函數

通常梯級電站優化調度的數學模型依據不同指標建立不同函數，常用的有如下幾個。1)以水庫發電量最大化為目標。

其中，△∑tj為 j水庫在 t時段的發電量;(Vtj，Qtj)分別表示t時段j水庫的蓄水狀態及水庫的入庫流量。

2)以水電站經濟效益最大化為目標。

其中，ftj為j水庫在t時段的發電效益。

3)其他目標，如某一時期以防洪泄洪為主要任務，或以蓄水為主要任務等。

這里引入“多Agent系統”概念，將每一個水電站作為一個獨立體Agent，根據電網安全穩定運行的要求，建立如下統一目標函數。

其中，(Xi，Yj)表示所關心以及影響各個梯級水電站出力的信息元素反饋值;fi表示第i臺機組優化后的出力大小。

2.2 約束條件

以電網穩定安全運行建立的目標函數，其基本約束條件與電網潮流優化計算時相同，如下。

其中，Vi表示 i節點的電壓幅值;Vi.min和 Vi.max分別表示i節點的電壓上下限值;Pi表示i節點的有功;Pi.min和 Pi.max分別表示 i節點的有功上下限值;Qi表示 i節點的無功;Qi.min和 Qi.max分別表示 i節點的無功上下限值。

在實際電網運行中，應根據具體情況的需求增加制定相應的其他約束條件，如各水電站的庫容、水量平衡等約束。

2.3 實現方法

首先，在確定的電網結構基礎上，找出所關心區域的電網樞紐點，通過優化計算得出不同時期(如豐水期、枯水期)電網安全穩定運行時各個樞紐節點的最優運行條件，即是得到一組式(3)中的(Xi，Yj)。其中(Xi，Yj)信息值可通過式(5)和式(6)的類似目標函數得到。例如式(5)即是將電網樞紐節點的電壓幅值和無功數值作為反饋給梯級水電站多“Agent系統”的信息元素。

1)以電網電壓質量、無功就地平衡為目標。

2)以電網有功功率損耗最小為目標。

3)其他目標，以無功功率損耗最小，或以電網傳輸功率最大等。

接著，梯級水電站的“多Agent系統”管理決策層收集(Xi，Yj)信息，并通過相應的內部規則及約束條件對各獨立Agent進行二次統一協調、分析。

最后，梯級水電站優化調度“多Agent系統”管理決策層得出最終各個水電站乃至各臺機組的出力方案 f1，f2…… fn。

實現主要步驟如圖1所示。

圖1 基于電網安全穩定運行前提下的水力優化調度流程示意圖

3 實例

3.1 南充電網的運行特點［12，13］

南充電網位于四川電網的東北部。截至2010年年底，主網共有變電站共25座，其中220 kV 5座，110 kV 16座，35 kV 4座，嘉陵江流域現有8級水電站在南充電網上網發電。隨著電網的不斷發展和水力的不斷開發，預計2011年年底嘉陵江流域的梯級水電站將增至10級以上。

由于南充市是一個典型的農業大市，工業相對其他城市欠發達，用電負荷相對穩定的工業用電負荷在全網負荷中所占比例偏低，是一個以民用負荷為主的電網，因此受季節、溫度變化及嘉陵江來水大小的影響較大。電網的負荷特性表現顯著，用電負荷預測偏難且不易控制，特別是在枯水期時天氣氣溫較低——此時發電出力較少，負荷需求增大以及在豐水期時氣溫適宜——發電出力較多，負荷需求一般或偏少這兩種情況下表現尤為明顯。

南充電網作為一個有源網絡，各個水電站的出力情況直接關系到電網運行的穩定和安全。因此，研究如何協調好各級水電站的發電出力，滿足用電負荷需求，對保證南充電網運行的安全穩定運行，有著重要的實際意義。

3.2 南充電網的網絡拓撲結構

南充電網的110 kV主要網絡結構如圖2所示，其中各個變電站之間的主要聯絡線以單線方式表示，各個水電站在對應變電站的上網情況均以實際狀況標明。

3.3 示 例

圖2 南充電網一次接線拓撲圖

這里采用PSASP(power system analysis software package)仿真軟件進行系統潮流計算，各水電站優化協調出力原則是在南充電網2011年最新潮流計算數據的基礎上局部選擇性調整。

選取了具有代表性的5個節點作為電壓樞紐節點以及4條線路的潮流作為分析對象。分別為220 kV果州站母線節點、220 kV荊溪站母線節點、220 kV大方站母線節點、220 kV保寧站母線節點、220 kV儀隴站母線節點以及220 kV保荊線，110 kV關州一線、110 kV關州二線和110 kV關州三線。所選節點及輸電線路在南充電網的實際地位十分關鍵，分別代表了南充電網各個片區的電壓質量和潮流分布情況，因此上述對象的變化情況具有一定的研究價值。

3.3.1 基本潮流

2011年南充電網基本潮流如圖3所示，通過PSASP仿真系統，就豐小和枯大兩種典型運行方式下的水力優化協調前后情況進行如下計算和比較分析。

圖3 南充電網基本潮流示意圖

3.3.2 運行方式1:豐水期且氣溫適宜時

該方式屬于豐小運行方式，一般出現在一年中的春末夏初，氣溫回暖，江河水流量增大，梯級水電站通常會保持最大出力來獲得客觀的經濟效益。但由于此時氣溫適宜，南充電網的負荷特性決定了用電需求不大，容易出現上網電力充足，系統電壓偏上限運行，電網的主線路也容易過負荷運行。

按照所提的思考模式，先得出電網運行方式1下的運行最優值，再將這些最優值反饋給梯級水電站的“多Agent系統”管理決策層，通過內部協調規則得到新的出力方案。

圖4及表1、表2分別將該運行方式下協調前、后的電壓幅值及主線路潮流表示出來。

圖4 協調前后的樞紐節點電壓幅值

在該運行方式下，南充電網一方面可以適當減少水電出力，另一方面也可通過將水電過剩出力通過主線路傳送至相鄰電網。協調后的南充電網電壓質量比協調前的更加符合系統運行要求，主線路潮流過負荷的可能性也被大大地降低。

由此可見梯級水電站出力多少對整個電網的安全穩定運行有著不可忽視的影響。

表1 運行方式1下的南充電網水力優化協調前后的各水電站出力情況

表2 運行方式1下的南充電網水力優化協調調前后的主要線路潮流負荷情況

3.3.3 運行方式2:枯水期且氣溫較低時

該方式屬于枯大運行方式，一般出現在一年中的冬季，河流水流量極少，梯級水電站通常停機蓄水或是少量上網發電。而此時由于氣溫較低，居民用電需求劇增，容易出現上網電力不足，系統電壓接近下限運行，如圖5“▲”所示。同時，主要線路為能滿足負荷增長需求，潮流相對流動性較大，從主網下載負荷的可能性比較大。未協調前的機組出力及主線路潮流分布情況分別見表3和表4。此時的南充電網運行方式極有可能影響相鄰地區電網(如遂寧、達州)乃至主網(四川電網)的電壓質量及安全穩定性。

圖5 協調前后的樞紐節點電壓幅值

就所提方式，通過水電站“Agent管理系統”的統一協調，得出新的出力方案，見表3協調后數據，此時南充電網的樞紐節點電壓及主線路潮流分別如圖5“●”及表4協調后所示。

由上可見，協調后的電網電壓質量較協調前的優質，主線路的潮流負荷分配更加合理，減少了對主網系統的不利影響。

表3 運行方式2下的南充電網水力優化協調前后的各水電站出力情況

表4 運行方式2下的南充電網水力優化協調調前后的主要線路潮流負荷情況

綜上，統一協調優化后的梯級水電站出力比沒有加入電網運行條件考慮因素的水電站出力更加合理實用，對于電網的安全穩定運行具有重要的影響作用。

4 結論與展望

就梯級水電站的優化調度問題，立足于電網穩定安全，提出了先電網優化再水庫調度優化的調度方式，對于實際電網的運行調度有著重要的意義。隨著江河流域水能源的不斷開發，電網結構變得更加復雜緊密，水電站上網發電對電網的安全影響也會越來越大，所提出的考慮方式值得借鑒和研討。但就梯級水電站之間的協調調度規則尚不成熟，需要結合梯級水電站本身調度進一步完善和探討才能更好的運用于實際。

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