瀾滄江梯級(jí)水電站發(fā)電與機(jī)組檢修聯(lián)合優(yōu)化研究

郭有安，管 鎮(zhèn)

(華能瀾滄江水電股份有限公司集控中心，云南昆明650214)

0 前 言

傳統(tǒng)的機(jī)組檢修模式中，水電機(jī)組檢修一般安排在枯水季節(jié)，不會(huì)對(duì)發(fā)電運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。但對(duì)于梯級(jí)水電站而言，枯期龍頭水庫(kù)可以發(fā)揮補(bǔ)償調(diào)節(jié)作用向下游供水，機(jī)組檢修安排變得更為復(fù)雜。瀾滄江梯級(jí)水電站已擁有小灣、糯扎渡兩個(gè)多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，為梯級(jí)水電站枯期大方式發(fā)電運(yùn)行創(chuàng)造了良好條件。傳統(tǒng)的機(jī)組檢修模式不僅與枯期大方式發(fā)電運(yùn)行相矛盾，而且單個(gè)電站檢修安排會(huì)對(duì)整個(gè)梯級(jí)運(yùn)行方式產(chǎn)生干擾，因此必須結(jié)合水庫(kù)消落、電力供需、主要設(shè)備檢修、檢修資源調(diào)配等因素在梯級(jí)水電站之間統(tǒng)籌安排發(fā)電運(yùn)行和機(jī)組檢修。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)組檢修優(yōu)化模型和方法開展了一定的研究，部分從電網(wǎng)調(diào)度角度出發(fā)，以滿足電力供應(yīng)和電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行安全為目的，如等備用模型、最小缺電量模型等[1]、[2]；部分從發(fā)電企業(yè)角度出發(fā)，以設(shè)備可靠性、檢修成本、企業(yè)之間公平性為目標(biāo)，提出發(fā)電企業(yè)機(jī)組檢修優(yōu)化策略，大多數(shù)適用于火電企業(yè)[3]、[4]。而水電機(jī)組檢修優(yōu)化研究較少，特別是將梯級(jí)水電站發(fā)電及機(jī)組檢修策略進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化尚未開展系統(tǒng)研究。本文針對(duì)瀾滄江流域梯級(jí)水電站，提出以等效總發(fā)電量最大為目標(biāo)進(jìn)行發(fā)電與機(jī)組檢修聯(lián)合優(yōu)化計(jì)算，在保證優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行的基礎(chǔ)上合理安排機(jī)組檢修，提高發(fā)電效益。

圖1 水電站備用容量及檢修影響電量示意

1 瀾滄江梯級(jí)水電站概況

瀾滄江是湄公河上游河段在中國(guó)境內(nèi)的名稱，瀾滄江干流水電基地是“中國(guó)十三大水電基地規(guī)劃”之一，云南省境內(nèi)瀾滄江干流河段共規(guī)劃了15個(gè)梯級(jí)水電站。目前，瀾滄江干流已建成投運(yùn)功果橋、小灣、漫灣、大朝山、糯扎渡、景洪兩庫(kù)六級(jí)電站，總庫(kù)容415億m3，總調(diào)節(jié)庫(kù)容221億m3，總裝機(jī)容量1 572萬(wàn)kW，平均年發(fā)電能力700億kW·h左右。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 檢修影響電量定義

大多數(shù)水電廠都會(huì)承擔(dān)一定的調(diào)峰任務(wù)，特別是枯水期，水電站負(fù)荷往往呈現(xiàn)明顯的峰、谷現(xiàn)象。若水電站檢修安排較為合理，那么水電站可用容量應(yīng)能滿足發(fā)電高峰的負(fù)荷安排，并能預(yù)留部分備用容量。相反，若同時(shí)檢修的機(jī)組較多、在系統(tǒng)用電高峰就會(huì)出現(xiàn)可用容量不足的情況，被迫降低出力運(yùn)行，從而產(chǎn)生部分電量損失，詳見圖1。

但是值得注意的是，這部分影響電量并非真實(shí)損失，一般情況下通過減少調(diào)峰運(yùn)行時(shí)間等方式避免損失，因此這部分影響電量一定程度上只是衡量電站機(jī)組檢修是否合理的一個(gè)指標(biāo)，可定義為

(1)

式中，E*為檢修影響電量，kW·h；Np，i為i時(shí)段該水電站典型或計(jì)劃負(fù)荷值，kW；Nu，i為i時(shí)段該水電站可用容量或最大出力，kW；t1、t2以及t3、t4分別高峰時(shí)段典型或計(jì)劃負(fù)荷超過電廠可用容量的始、末時(shí)間，Δt為時(shí)段長(zhǎng)，h。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

發(fā)電和檢修是本文關(guān)心的兩個(gè)目標(biāo)，前者希望梯級(jí)水電站通過優(yōu)化調(diào)度獲得更多的發(fā)電量；后者則希望避免機(jī)組檢修及發(fā)電運(yùn)行產(chǎn)生矛盾，盡量減少損失電量。該問題屬于多目標(biāo)優(yōu)化范疇，其目標(biāo)函數(shù)為等效總發(fā)電量(梯級(jí)總發(fā)電量與檢修影響電量之差)最大，可表達(dá)為：

(2)

2.3 約束條件

(1)水位約束

Zm，t，min≤Zm，t≤Zm，t，max

(3)

(2)電站出力約束

(4)

(3)出庫(kù)流量約束

(5)

(4)水量平衡約束

(6)

(5)檢修約束。主要包括：機(jī)組檢修期約束、檢修連續(xù)性約束、檢修機(jī)組臺(tái)數(shù)約束、線路檢修約束等。

表1 常規(guī)優(yōu)化調(diào)度模型計(jì)算結(jié)果及檢修影響

表2 聯(lián)合優(yōu)化模型計(jì)算結(jié)果及檢修影響

3 模型求解

根據(jù)目前瀾滄江梯級(jí)水電站的實(shí)際情況，小灣、糯扎渡兩庫(kù)在優(yōu)化計(jì)算過程中占有重要地位，因此本文在計(jì)算過程中將整個(gè)瀾滄江梯級(jí)簡(jiǎn)化為小灣、糯扎渡的雙庫(kù)系統(tǒng)，其他梯級(jí)水電站則視為徑流式電站。同時(shí)考慮到檢修資源配置等因素，一般情況下機(jī)組檢修在時(shí)間尺度上盡可能平均安排，避免同一電廠多臺(tái)機(jī)組同時(shí)開展檢修。

聯(lián)合優(yōu)化計(jì)算的總體求解思路是通過逐次逼近算法(DPSA)迭代搜索機(jī)組檢修方式，同時(shí)嵌套逐步優(yōu)化算法(POA)進(jìn)行梯級(jí)發(fā)電優(yōu)化運(yùn)行計(jì)算，從而獲得最優(yōu)解。其求解步驟如下：

(1)采用常規(guī)調(diào)度方法計(jì)算梯級(jí)水電站運(yùn)行方式，按照檢修約束條件依次安排全部電廠機(jī)組檢修。

(2)計(jì)算檢修影響電量，確定需要優(yōu)化檢修的機(jī)組臺(tái)數(shù)j。

(3)調(diào)整第k(1≤k≤j)臺(tái)機(jī)組檢修位置，固定其余機(jī)組的檢修位置。

(4)利用逐步優(yōu)化算法(POA)以梯級(jí)水電站等效總發(fā)電量最大為目標(biāo)進(jìn)行水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度計(jì)算。

(5)令k=k+1，重復(fù)(3)、(4)步直至k=j，完成一次迭代計(jì)算。

(6)重復(fù)(3)～(5)步，直至梯級(jí)水電站等效總發(fā)電量不再增加或滿足精度要求，計(jì)算結(jié)束。

4 瀾滄江梯級(jí)發(fā)電與機(jī)組檢修優(yōu)化實(shí)例

4.1 檢修計(jì)劃及各電站典型負(fù)荷曲線

以某年度瀾滄江梯級(jí)水電站機(jī)組檢修優(yōu)化為例驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果的合理性。該年度計(jì)劃?rùn)z修期為11月～次年5月，檢修總工期達(dá)1 318臺(tái)·日，春節(jié)期間除已開工檢修外不安排機(jī)組檢修。

綜合分析近幾年梯級(jí)電站枯水期逐日發(fā)電負(fù)荷曲線，得到各電站典型日負(fù)荷曲線，其中除景洪電站因下游航運(yùn)影響基本承擔(dān)基荷外，其余電站均不同程度的承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰任務(wù)。

4.2 發(fā)電與機(jī)組檢修聯(lián)合優(yōu)化

該年汛末(10月末)小灣、糯扎渡水庫(kù)分別已蓄至正常蓄水位附近，計(jì)劃在汛前(次年5月末)分別消落至1 175、775 m附近。為盡可能接近實(shí)際運(yùn)行情況，考慮部分市場(chǎng)需求因素，利用本文聯(lián)合優(yōu)化模型按偏枯10%、多年平均、偏豐10%三種來水條件進(jìn)行計(jì)算，并與常規(guī)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。聯(lián)合優(yōu)化結(jié)果顯示，11月～12月梯級(jí)檢修容量較原計(jì)劃有所提高，3月～5月檢修容量較原計(jì)劃有所降低；發(fā)電優(yōu)化方面盡管梯級(jí)總發(fā)電量較常規(guī)優(yōu)化有所減少，但是梯級(jí)等效總發(fā)電量提高很多；同時(shí)由于考慮了部分市場(chǎng)需求因素，整體上更加接近實(shí)際。詳見表1、表2、圖2及圖3。

4.3 延長(zhǎng)機(jī)組計(jì)劃?rùn)z修期

由表2可以看出，在考慮發(fā)電備用容量時(shí)，3種來水條件下檢修影響電量還在9億～18億kW·h，檢修影響仍然很大。考慮到汛前小灣、糯扎渡已經(jīng)消落到比較低的水位，兩庫(kù)在汛期前段(6月、7月)一般優(yōu)先蓄水讓電，梯級(jí)電站負(fù)荷不高，具備延長(zhǎng)計(jì)劃?rùn)z修期的條件。將該年度計(jì)劃?rùn)z修期擴(kuò)大為11月～次年7月，進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，計(jì)劃?rùn)z修期延長(zhǎng)后，不僅梯級(jí)電站枯期總發(fā)電量略有提高，檢修影響電量也有大幅降低，機(jī)組檢修對(duì)發(fā)電運(yùn)行的影響已降低至可以接受的范圍內(nèi)。詳見表3。

圖2 多年平均來水條件下常規(guī)優(yōu)化與聯(lián)合優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

圖3 多年平均來水聯(lián)合優(yōu)化后梯級(jí)檢修容量及可用容量

來水情況梯級(jí)總發(fā)電量/億kW·h檢修影響電量(無備用)/億kW·h等效總發(fā)電量(無備用)/億kW·h檢修影響電量(10%備用)/億kW·h等效總發(fā)電量(10%備用)/億kW·h偏枯10%40251001402521240039多年平均423160184229827142045偏豐10%447910944469736644425

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)針對(duì)具備較好調(diào)節(jié)能力的梯級(jí)水電站在檢修期存在的發(fā)電與機(jī)組檢修相互影響的問題，定義了機(jī)組檢修影響電量，提出了梯級(jí)電站發(fā)電與機(jī)組檢修聯(lián)合優(yōu)化的梯級(jí)等效總發(fā)電量最大模型。

(2)利用逐次逼近算法迭代搜索機(jī)組檢修方式，同時(shí)嵌套逐步優(yōu)化算法進(jìn)行梯級(jí)發(fā)電優(yōu)化運(yùn)行計(jì)算，通過不斷迭代逐步尋優(yōu)，從而獲得滿足各類約束條件的最優(yōu)解。

(3)利用聯(lián)合優(yōu)化模型對(duì)某年度瀾滄江梯級(jí)電站發(fā)電運(yùn)行及機(jī)組檢修進(jìn)行了聯(lián)合優(yōu)化實(shí)例計(jì)算，取得了符合實(shí)際的梯級(jí)電站發(fā)電運(yùn)行方式及機(jī)組檢修方案，驗(yàn)證了模型及算法的合理性。

(4)常規(guī)水電機(jī)組檢修期一般安排在11月～次年5月，計(jì)算結(jié)果表明常規(guī)機(jī)組檢修對(duì)梯級(jí)水庫(kù)枯期消落及發(fā)電運(yùn)行產(chǎn)生較大影響，對(duì)于瀾滄江梯級(jí)水電站而言，建議在多年平均或偏枯來水條件下，檢修期可延長(zhǎng)至7月末；當(dāng)汛期來水偏豐時(shí)，檢修期可延長(zhǎng)至7月中旬。

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