新疆開都河察-柳梯級AGC調度系統概述

王援生，徐康明，丁占濤，王文昕，劉金林

(國電新疆開都河流域水電開發有限公司，新疆 庫爾勒 841000)

察汗烏蘇、柳樹溝兩電站(以下簡稱“察電、柳電”)分別是開都河第五和第六級電站，察電尾水與柳電庫尾相接，開都河支流——察汗烏蘇溝匯入柳電水庫。察電原設計裝機309 MW，后增容至330 MW。柳電經由察電220 kV高壓母線統一送出，兩站均由省調調度，在網內調峰調頻作用突出。兩站有關設計參數如下：察汗烏蘇水電站為季調節水庫，裝機容量3×110 MW，單機額定流量81.7 m3/s，機組額定水頭148 m，正常蓄水位1 649 m，死水位1 620 m，汛限水位1 640 m；柳樹溝水電站為日調節水庫，裝機容量2×90 MW，單機額定流量121.5 m3/s，機組額定水頭84 m，正常蓄水位1 494.5 m，死水位1 493 m。

運行早期，察、柳兩站分別為單機AGC和全廠AGC模式。因兩站出力、流量不匹配及區間匯流等因素困擾，汛期柳電調度棄水問題比較突出，非汛期兩站“雙高”運行(水庫高水位、機組高效區運行)情況不夠理想，梯級水量和水能利用率不高。此外，電網AGC調節指令頻繁(以2016年9月為例，當月察電共接收電網AGC指令84 369次，3臺機組累計運行1 800 h，單機平均每分鐘接收指令0.78次，兩次AGC指令最短間隔時間為20 s)，察電單機AGC模式下，機組調節臺次繁多，有關設備、裝置頻繁啟動、磨損嚴重。

為解決以上問題，于2015年啟動了梯級AGC調度系統研究與建設，2017年2月投入運行，2018年進一步完善了優化運行策略。

1 系統架構

1.1 系統運行流程

開都河察-柳梯級AGC調度系統運行流程，如圖1所示，由省調EMS系統發送AGC指令到察-柳梯級AGC調度系統，察-柳梯級AGC調度系統根據負荷指令情況分配至電廠AGC，由電廠AGC分配至各機組LCU。

圖1 系統流程

圖3 系統主界面

1.2 總體網絡結構

開都河察-柳梯級AGC調度系統總體網絡結構，如圖2所示，各電廠AGC系統通過站內通信網與梯級AGC系統通訊，梯級AGC系統通過調度數據網接收電網EMS系統AGC負荷分配指令。

圖2 總體網絡結構示意

1.3 系統主界面

開都河察-柳梯級AGC調度系統主界面，如圖3所示，可監視察柳兩站機組負荷分配情況，通過切換梯級AGC控制方式，實現流域梯級電站經濟運行。

2 主要功能和特點

現階段系統主要執行發電優化調度任務，未來將與察汗烏蘇水情水調系統一起完成水庫調度(閘門控制)任務。目前系統調度控制權(開、停機和梯級總有功給定權)在省調，與此相應，梯級AGC優化調度主要體現“以電定水”的原則。系統接收省調對察柳兩站的發電調度指令(總有功給定)后，結合兩站水位、開機、區間匯流和水耗、電價等情況，按照預先設定的優化運行策略和程序，在線實時計算梯級電站和各臺機組的負荷并實時分配執行，在保證梯級發電滿足給定總功率及其他限制條件下，使梯級棄水量或發電耗水量最少、經濟效益最大。與一般通過日前96點負荷曲線調度不同，察柳梯級AGC系統完全按照電網AGC實時動態調節指令執行。目前，系統的運算時間為0.02～0.08 s，通信時間約0.7 s，總歷時約0.8 s；梯級AGC響應時間和調節速率滿足新疆電網要求(目前新疆電網要求：AGC響應時間不超過10 s，調節速率每分鐘不低于50%額定容量)。

3 系統約束條件

察柳梯級AGC約束條件比較簡單，介紹如下：

(1)庫水位Hi約束

Hs≤Hi≤Hx

(1)

或

Hmin≤Hi≤Hmax

(2)

式中，Hs為死水位；Hi為當前水位；Hx為正常蓄水位(汛限水位)；Hmin和Hmax根據實際情況確定和調整。

(2)機組特性曲線約束：根據機組振動特性等，經省調同意設定2站5臺機組的出力下限均為50 MW。

(3)開、停機約束：目前兩站開、停機指令均由省調下達，電網AGC總有功指令自動保持在所有開機機組出力下限之和至額定功率之間。

4 系統優化策略

目前，系統共設置了2類(廠間、廠內)5種策略，如圖4所示。

圖4 系統優化策略

4.1 廠間(梯級)經濟運行策略

4.1.1防棄水(梯級流量匹配)策略

主要用于主汛期柳電棄水風險較高時日，通過預防和減少柳電棄水來體現其經濟性。該策略以柳電庫水位(Z柳)為主要判斷指標。要點如下：

(1)當Z柳>Z柳max時，系統在兩站機組出力限制條件下，優先頂格分配負荷給柳電，剩余負荷安排給察電。一般設定Z柳max=1 494.5 m。

(2)當Z柳

(3)當Z柳min≤Z柳≤Z柳max時，在某一時間段(一般不超過4小時)，根據調度狀況等，人為設定某一柳電水位目標值，若對防棄水較有把握，則設定：Z柳0.15 m時，系統在兩站機組出力限制條件下，優先頂格分配負荷給察電或柳電，使柳電水位快速趨向目標水位。當∣Z柳目標-Z柳∣≤0.15 m時，運用動態規劃法，建立目標函數

min(△Q)=Qcf+Qch-Qlf

(3)

式中，△Q為流量變化量；Qcf為察電發電流量；Qch為察河流量；Qlf為柳電發電流量。

基于各站發電流量與下游水位關系曲線(Q-Z)、發電流量與水頭損失關系曲線(Q-h)、水輪機運轉特性曲線(N-Q-H)以及機組出力限制等邊界條件，采用循環迭代算法，在流量最匹配解附近，選取最小偏量解△Q對應的察柳兩站出力值分配兩站出力，使柳電庫水位向目標值方向微調并動態穩定于目標值。

4.1.2梯級發電能耗最小策略

主要用于非汛期及汛期低棄水風險時段，通過降低梯級發電總能耗來體現其經濟性。

運用動態規劃法，建立目標函數

min(E)=QcHc+QlHl

(4)

式中，E為梯級勢能消耗總量；Q為發電流量；H為毛水頭；c為察電；l為柳電?；诟髡景l電流量與下游水位關系曲線(Q-Z)、發電流量與水頭損失關系曲線(Q-h)、水輪機運轉特性曲線(N-Q-H)以及機組出力限制等邊界條件，采用循環迭代算法，計算不同負荷分配狀況下兩站勢能消耗總量，E值最小時即為最優解。梯級AGC系統按此解分配兩站負荷。

為減少系統運算時間，使之滿足在線實時優化運行要求，解算中采用了一種新的數據集建模方式，將水輪機運轉特性曲線(N-Q-H)所代表的機組運轉特性數據集建模為方程體，變二維插值計算為方程求解過程，并將循環求解優化為矩陣求解，測試計算時間由2 s級縮短到了0.05 s級。

為驗證梯級發電能耗最小策略的運行效果，選取了人工干預較少、策略運行較為完整的2018年3月20日為代表日，分析測算了該策略的經濟運行效果：當日察柳兩站負荷可調時段共計6.18 h，其中，系統節省能耗超過10 MW的深度優化運行時段有1.93 h，節省能耗在5～10 MW之間的次深度優化運行時間有2.01 h；當日，察柳兩站節省能耗4.6萬kW·h，占到當日發電量(565萬kW·h)的0.8%。

4.1.3梯級發電收入最大策略

(1)汛期棄水時段，通過多發高價電來實現效益最大化。因察電電價高于柳電，當察電棄水或者察、柳兩電均棄水時，系統在兩站機組出力限制條件下，優先頂格分配負荷給察電，使發電收入最大化。

(2)非汛期及汛期低棄水風險時段，實現在單位梯級發電總能耗下發電收入最大化來體現其經濟性。運用動態規劃法，建立目標函數

max(TGR)=(Pc*EPc+Pl*EPl)/(QcHc+QlHl)

(5)

式中，TGR為梯級總發電收入(Total Generation Revenue)；P為各電站出力；EP為各電站上網電價；其他參數定義同上。采用循環迭代算法，計算不同負荷分配狀況下目標函數最大值時即為最優解。梯級AGC系統按此解分配兩站負荷。

4.2 廠內經濟運行策略

目前，系統對廠內經濟運行設有小負荷最少機組調節策略(簡稱小負荷調節策略)和大負荷平均分配策略。

4.2.1小負荷調節策略

其目的是為了減少機組總的調節頻次從而減少設備磨損和調速系統能耗，其原則是廠內負荷變動較小時，盡量減少參與調節的機組臺數。該策略也可減少多臺機組參與小負荷波動造成累計負荷偏差，從而較好地跟蹤有功給定值。當前設定：察電總負荷增(減)量小于20 MW的有功變動時，首先由該站負荷最小(最大)的機組承擔增(減)量，如該機不能承擔全部增(減)量，則剩余增(減)量由負荷次低(次高)機組繼續承擔，依次類推。柳電小負荷變動指小于10 MW的有功變動，其調節策略同察電。

4.2.2大負荷平均分配策略

當察(柳)站總負荷增減量大于等于20 MW(10 MW)時，系統將全廠總給定有功值重新平均分配至各運行機組。經對察電總有功180、210、240、270、300 MW狀態下，3臺機組不同負荷分配情況計算分析，結果表明：隨著機組間不平衡負荷(負荷差值)增大，電站總的勢能消耗也在增加；在3臺機平均分配負荷時，電站總的勢能消耗最小。由此判斷：機組間平均分配負荷是一種最優運行策略。以察電總負荷240 MW情況為例，其不平衡負荷與總勢能消耗關系曲線如圖5所示。

圖5 不平衡負荷與總勢能消耗關系曲線

5 結論與探討

察柳兩站水力聯系緊密，運行如同“一庫兩站”，兼之兩站電力送出落點相同，具備較好的梯級AGC調度條件。

運用動態規劃法并采取合適的優化算法和參數簡化方法后，察柳梯級AGC系統運算時間很短，不會對電網要求的AGC響應時間等構成制約，系統可以在線實時優化運行。

察(柳)站單機容量相同，機組效能特性、水道系統特性等幾乎一致，在此情況下，大負荷平均分配策略是一種簡便實用的廠內最優運行策略。

小負荷最少機組調節策略有其必要性和合理性，目前對該策略的效果(減少總的調節臺次等)缺乏定量評估，對小負荷取值區間或者最優值的選擇缺少深入論證，有必要繼續研究和優化。初步考慮：對單站小負荷調整策略的取值，可根據一段時間內省調AGC指令負荷調整的分布統計情況予以動態調整；對該策略的實施效果，可根據機組小負荷實際調節次數，與假定平均分配負荷調節次數的比較予以定量評估。

理想情況下，實時經濟(最優)運行自然得到短期和中長期經濟(最優)運行效果。但目前察柳梯級AGC系統運行的結果卻并非一定如此。主要原因是：梯級AGC控制下的實時優化運行是在一定的開機組合條件下運行，是有局限的，其優化策略的本質是“以電定水”，而中長期經濟運行優化策略的本質是“以水定電”，兩種運行策略難以全時耦合。