基于水能綜合經濟指標的水電廠經濟運行研究及應用

王利杰，劉興偉

（1.華電電力科學研究院，浙江杭州310030；2.華電四川寶珠寺水力發電廠，四川廣元628003）

基于水能綜合經濟指標的水電廠經濟運行研究及應用

王利杰1，劉興偉2

（1.華電電力科學研究院，浙江杭州310030；2.華電四川寶珠寺水力發電廠，四川廣元628003）

提出水能綜合經濟指標，作為實行分時電價的水電廠的運行管理指標，更能體現水能資源的經濟效益。建立基于水能綜合經濟指標最大準則的水電廠經濟運行優化模型，并考慮電量約束比限制，利用動態規劃算法進行模型求解。實例應用表明，該模型適用于實行分時電價的水電廠，可提高電廠發電效益，實現水能資源最大化利用。

水能綜合經濟指標；電量約束比；經濟運行；水電廠

0　引言

分時電價是一種用戶需求側電價，作為需求側管理（Demand Side Management，DSM）的一種重要手段在世界各國得到了廣泛的應用［1～3］，分時電價的實行對我國能源政策及能源產業的發展具有重要現實意義。

具有年調節能力的水電廠，其分時電價包括豐枯電價和峰谷電價，通常采用耗水量作為運行管理指標，但是該指標未涉及電價因素，無法直接反應電廠運行管理的經濟效益。實行分時電價的水電廠可采用水能綜合經濟指標，即單位水量創造的經濟價值，代替耗水率作為運行管理指標，能夠直觀體現出水電廠的運行經濟效益。因此，基于水能綜合經濟指標最大準則進行水電廠經濟運行優化研究更加有利于提高水電廠經濟效益和管理水平。

1　經濟運行模型研究

式中θ—水能綜合經濟指標，元/m3；

pt—第t時段的上網電價，元/kW·h；

T—調度時段數；

n—機組臺數；

Δt—單個時段長度，h；

Ni（t）—t時段第i臺機組的出力值，kW；

Qi（t）—t時段第i臺機組的發電流量，m3/h；

Δt′—單個時段長度，h；

wi（t）—t時段第i臺機組的開停機耗水量，m3。

1.2約束條件

（1）負荷平衡約束：

以實行分時電價的水電廠所在流域以及所處電網中擔任的角色和發揮的作用為出發點，綜合考慮水文預報信息、電網負荷需求、電量約束比以及電廠自身的運行檢修計劃等因素，根據系統分配給電廠的次日發電量以及電廠目標電價，考慮機組特性等限制，確定工作機組的最優臺數、組合及機組間負荷的最優分配，給出電廠的日計劃曲線、相應機組開停計劃、水庫水位日變化曲線、最優機組組合及機組間負荷分配方案，從而使水電廠水能綜合經濟指標最大。

1.1目標函數

水電廠廠內經濟運行水能綜合經濟指標最大數學模型描述如下：

式中E—發電量，kW·h。（2）上游水位約束：

式中Z—運行水頭，m；

Zmin，Zmax—分別是上游水位在各個時期的上、下限，m。

（3）機組出力約束：

式中Pmin，Pmax—第i臺機組的單機出力上、下限，kW。

（4）機組發電流量約束：

式中Qmin，Qmax—第i臺機組的最小、最大發電流量，m3/h。

（5）峰平谷電量約束比

每日峰平谷各時段的電量約束情況根據電網要求輸入。

2　模型求解

基于水能綜合經濟指標最大的水電廠優化運行問題主要解決以日為調度周期、以15min（或1h）為計算時段的水電廠日調度計劃編制問題，為水電廠上報次日發電計劃提供參考。根據上級部門給定電廠總發電量和國民經濟其它部門綜合利用要求，結合短期來水和人工負荷預測信息，考慮電廠水量平衡、機組調節性能等因素，建立以水能綜合經濟指標最大為目標的日發電計劃優化模型并利用動態規劃算法［4］進行模型求解。水電廠水能綜合經濟指標最大優化，即次日電廠發電計劃編制過程如圖1所示。

具體操作步驟如下：

步驟1：根據短期預報來水和水庫的日初、末水位，由水量平衡求出平均出庫流量；由平均出庫流量、下游電廠的壩前水位求出電廠的下游水位，進而計算出各個時段電廠毛水頭。

步驟2：將給定的平段負荷比例范圍以5%的步長進行離散；

步驟3：由電廠次日總發電量、高低比、平段負荷比例等參數計算出各個階段的發電量；

步驟4：將早高峰發電量在0至峰段最大發電量值之間以1萬kW·h為步長，進行離散，進而求出電廠在各個時段所分配到的出力，即得出一種可能的日負荷曲線形式；

步驟5：在步驟四求出的日負荷曲線下，按照當前時段水頭下的機組預想出力將負荷分配到各個機組，在負荷分配同時考慮機組特性、來水等約束條件，對于不符合約束的情形予以修正；計算出當前情形下的水能綜合經濟指標；

步驟6：依次選取不同離散值重復步驟3至步驟5，計算出各自情形下水能綜合經濟指標，并比較得出最大的水能綜合經濟指標以及當前情形下的日負荷曲線以及機組開停機指導；水能綜合經濟指標最大優化完成。

3　應用分析

某實行分時電價的水電廠具有年調節能力，裝機容量4×175MW，設計水頭84.4m，設計年平均發電量23.5億kW·h。以該水電廠所在流域和所處電網中擔任的角色和發揮的作用為出發點，采用水能綜合經濟指標最大準則建立經濟運行優化模型，利用java語言開發基于分時電價的水電廠經濟運行系統實現模型求解，協同界面如圖2所示。

圖1　水能綜合經濟指標最大優化模型求解流程圖

表1　某水電廠豐水期電價

該水電廠在某豐水期電網系統分配的次日發電量為707萬kW·h，峰平谷電量約束比約為1∶1∶0.8。該廠豐水期電價見表1。在經濟運行系統“條件設置”中設定水庫初始水位573.77m，次日入庫流量427m3/s，以及機組檢修停機計劃等，進行經濟運行計算，確定工作機組的最優臺數、組合及機組間負荷的最優分配，給出電廠的日計劃負荷曲線（如圖3所示）、相應機組開停計劃及機組間負荷分配方案（如圖4所示）。

根據經濟運行系統出具的96點出力過程，水電廠可向電網系統上報次日發電計劃，在滿足電網調峰、調頻的要求下，使日發電量獲得最大的經濟效益；另一方面，通過與電網下達的發電計劃曲線進行對比分析，在電廠實際運行中可向電網系統申請增加空載機組負荷，以減少空耗，增發電量，提高經濟效益，提升水電廠運行管理水平。

4　結語

（1）本文結合實行分時電價的水電廠運行管理情況，提出以水能綜合經濟指標最大化為準則的水電廠經濟運行模型，并利用java語言實現了模型的動態規劃算法求解過程，開發出了基于分時電價的水電廠經濟運行系統日計劃制作模塊。

（2）實例應用分析表明，水能綜合經濟指標最大模型適用于實行分時電價的水電廠發電運行管理，可使電廠日發電量獲得最大經濟效益，并為電廠向電網系統爭取發電負荷提供理論依據，對電廠提高經濟效益，提升運行管理水平，實現水能資源最大化利用具有重要的借鑒意義。

圖2　某水電廠經濟運行系統日計劃制作界面

圖3　電廠次日計劃出力過程

圖4　次日各機組出力過程

［1］Sheen J N，Chen C S，Yang J K.Time-of-use pricing for load management programs in Taiwan Power Company［J］. IEEE Trans on Power Systems，1994，9（1）：388～396.

［2］Rinaldy S R.An efficient load model for analyzing demand side management impacts［J］.IEEE Trans on Power Systems，1993，8（3）：1219～1226.

［3］馬光文，王黎，過夏明.分時電價下多用途水庫的運用方式研究［J］.水科學進展，2002，13（5）：583～587.

［4］吾買爾·吐爾遜，塔義爾·肉孜，夏慶成，等.基于動態規劃的水電站機組間負荷分配程序開發［J］.人民長江，2012，1（43）：63～65.

Study and Application of Economic Operation of Hydropower Plant Based on Hydroenergy Comprehensive Economic Indicators

WANG Li-jie1，LIU Xing-wei2
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.Huadian Sichuan Baozhusi Hydropower Plant，Guangyuan 628003，China）

Advance an indicator of operation and management in Time-Varying electrovalence hydropower plant，that is hydroenergy comprehensive economic indicator，and it can reflect the economic benefits of hydropower resources. Then，economic operation optimization model of hydropower station is established based on rule of maximum hydroenergy comprehensive economic indicators，by analyzing the actual operation condition of time-varying electricity hydropower station，and solved by using dynamic programming algorithm，and it can take the constraints of power proportion into account. Application instance analysis shows that the model is suitable for operation management of the time-varying electricity price hydropower plant，to increasing the power generation efficiency，and maximizing hydropower resources utilization.

hydroenergy comprehensive economic indicators；constraint of power proportion；economic operation；hydropower plant

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.004

TV21

B

2095-3429（2015）04-0013-03

2015-07-17

修回日期：2015-08-21

王利杰（1984-），男，山東棲霞人，碩士，工程師，主要從事水力發電工程運行與管理的科研工作。