基于水風光互補優化的清潔能源運行管控系統研究

李永紅，趙 宇，徐 麟，芮 鈞，華 濤

（國網電力科學研究院，江蘇省南京市 211106）

0 引言

隨著清潔能源電站的大規模建設，截至2018年底我國風電裝機超過了1.84億kW，光伏裝機超過了1.7億kW，水電裝機3.5億kW，各項指標都位居世界首位。在清潔能源電站大規模發展的同時，清潔能源的消納問題也越來越突出，發生了大量的棄水棄風棄光現象。現有的水、風、光伏電站往往采取獨立運行的模式，大容量、波動性、隨機性的電源直接接入電網將對電網的穩定運行帶來很大的沖擊，如果能夠采取措施降低這種波動性和隨機性，將有助于提升電網對清潔能源的消納能力。資料研究表明，國內大部分地區水能、風能、太陽能資源在地理分布上具有高度的重疊性，同時，風能、太陽能及水能發電在年內、日內出力特性上也具有互補性強的特點。通過充分挖掘多種電源之間的時空及物理互補特性，利用水電良好的調節能力，在電源端進行深度聯合運行，減小總體出力的波動性、隨機性，可以提高系統供電的可靠性和經濟性。

通過建立水風光互補優化的清潔能源聯合運行管控系統，積極探索水風光電源互補運行、打捆外送的方式和途徑，提升清潔能源的消納能力。同時，國內電力市場的有序推進，也逐步地改變著電站的運營管理模式，對電站的運行管控提出了更高的要求。

1 系統的基本思路

水風光聯合運行管控系統主要的出發點在于充分挖掘各類電源的運行特性，找出其互補的特點，通過聯合優化的方式，提升系統的整體效益。系統需要綜合考慮多方面的因素，如各電源的物理特性、電網約束條件及電力市場的博弈策略等，在此基礎上建立統一的運行管理平臺，實現區域內清潔能源電站集中監控、水風光聯合優化運行控制、統一運營管理等功能。

原有的水電、風電、光伏發電系統往往采取各自獨立優化運行和分散管理的模式，系統之間缺少協同機制，各發電資源的互補特性難以發揮。通過建立統一的運行管理系統，對區域內的水風光電站進行集中的數據采集、預報預測、計劃調度、運行控制，在發電計劃與控制時更多采取聯合優化的方式，強化各模塊之間的協同機制，提高系統的整體性和一致性。

為了實現這一目標，需要突破原有監控和調度計劃系統的局限性，研究通用的公共信息模型、標準通信總線、全景數據監視以及業務集成管控等關鍵技術，構建統一的一體化管控平臺[1]。在該平臺之上，開發相應的發電能力預測、互補優化調度、聯合運行管控、在線考核評估等功能，并依據評估結果動態調整互補優化和聯合運行管控的策略，從而構成一個自適應優化的閉環控制系統。

依托云計算和大數據服務等先進的計算機技術建立一體化管控平臺，這是整個系統的一個基礎平臺，提供集約統一的基礎功能運行環境。在一體化管控平臺之上匯聚和集中了水電、風電、光伏發電的各項基本功能，通過構建可以獨立運行的子系統環境，減少子系統之間的耦合度，兼顧了各自子系統的運行管控特點，具有良好的包容性[3]。在各自相對獨立的子系統之上，建立了統一的水風光聯合優化系統，完成相應的算法和模型，挖掘各類電源之間的互補特性，和電力調度部門及電力交易中心進行信息交互，統一協調和管理各類電源的運行方式。系統中設計了專家知識庫系統，用來及時歸納總結系統運行中產生的各類規則及良好經驗，形成堅實的知識積累，并實時提供運行輔助決策支持。系統整體架構如圖1所示。

圖1 水風光聯合優化系統整體框架Figure 1 Framework of water-wind-light combined optimization system

對于整體新建的聯合優化系統采用統一平臺的方式，各子系統之間的關聯更加緊密，信息交互更加便捷，建設周期短成本低。另外，更多的情況是各子系統已經建成然后再建設聯合優化系統，這就要求系統的整體架構能夠兼容眾多原有的異構子系統[4]。因此，在設計時采用了分布式多代理模式來實現聯合優化系統，在原有系統中植入代理模塊，來完成異構系統的交互及計算能力分布式處理等功能。這是一個相對松耦合的系統，各自既聯系又相互獨立，在業務功能得到分布處理的同時，又不因為局部系統故障而影響整體性能，從而提高了整體的計算能力和魯棒性。圖2給出了水風光聯合優化主要功能模塊示意圖。

圖2 分布式多代理模式功能模塊Figure 2 Distributed multi-agent mode function

目前各自獨立的水、風、光發電能力預測和優化運行系統經過多年的發展和完善，已經趨于成熟，這為我們建立聯合運行管控系統提供了良好的基礎。由于各自系統在預測及優化運行時又具有各自的特點，預測精度受氣象數據、地形地貌等多種條件限制，在精度上有很大的差異，基礎系統的可靠、準確、快捷影響著整個系統的運行。聯合運行系統在各自子系統獨立預測及計劃基礎之上，結合發電能力、電網約束條件、實時電價策略、調度機構運作模式等多方面因素，進行聯合優化、廠內優化并進行調度命令的控制執行等（見圖3）。

2 系統的主要組成及功能

水風光聯合優化系統不但涉及了多種電源的優化運行及控制技術，而且對聯合運行提出了更高的要求，系統包括了一體化管控平臺、發電能力預測、運行方式、控制技術、聯合優化模式、風險分析等幾個方面內容[6]。

（1）水風光一體化管控平臺。這是系統運行的基礎軟件平臺，實現區域調控中心各類應用橫向集成和縱向貫通，提高信息化、智能化、集成化和自動化水平，滿足多元電源聯合發電系統生產管理的決策、指揮和控制的要求。

圖3 多約束條件下的聯合優化流程Figure 3 Joint Optimization Process under Multiple Constraints

（2）水電及新能源發電能力預測功能。結合區域水文氣象特征和數值氣象預報結果，構建區域水電及新能源發電能力預測模型，開展短期和超短期水電及新能源分區分域發電能力預測研究，為電網電力電量平衡、多元電源聯合調度及分析提供依據。

（3）計及大規模清潔能源接入的水電運行方式。水電具有快速啟停、水能可以通過水庫進行儲備的特點，成為互補優化和聯合運行中主要的調節力量，其運行方式將會發生很大的變化。綜合考慮電網負荷需求和區域水電及風光發電能力預測結果，結合清潔能源運行規律和特點，在滿足電網安全約束前提下，以整體效益最優為目標構建清潔能源發電影響下水電調度模型，生成風光與水電中長期聯合調度運行方案，制定短期聯合發電調度策略，為大規模清潔能源接入提供理論和分析依據。

（4）多元電源聯合優化模型與算法。分析水電、風電及光伏發電的季節和晝夜互補性，挖掘年度、月度、日調度周期的多元電源運行特點，考慮不同類型電源運行的差異性，制定聯合調度流程，建立互補優化模型，研究聯合優化調度算法，開發多元電源聯合優化日前、實時調度應用軟件。實現基于多元電源實時調度計劃與自動發電控制的一體化協調與自動控制技術。

（5）聯合運行效益及風險分析。全面分析和評價聯合運行的環境效益、經濟效益，并辨識影響多元電源聯合調度安全的風險因素，實現對多元電源聯合調度方案進行效益分析和風險評價。并根據分析與評估結果實時調整互補優化和聯合運行策略，形成一個閉環體系。

3 系統的特點及應用實例

3.1 系統的特點

聯合運行管控系統涉及了一體化平臺和多種異構的自動化控制系統，包括風電、光伏、水電、變電站等，為了取得良好的互補優化效果，充分發揮區域內多個電站的協同效應，需要對大量的異構系統進行集中優化和管控，并針對系統的特點和難點進行深入研究。

其中，一體化平臺需要快速高效、直觀便捷地實現多源海量信息的實時傳輸、跨區同步、分析處理、動態展示、智能預警等功能；互補優化需要結合當地情況進行長期的歷史數據積累與分析，研究和發掘水風光互補特性、地域性特點；針對目前風光功率預測準確度偏低的現狀，在水電深度參與負荷控制時，需實現基于預測概率的優化調度，完善風險控制策略；電網調度安全和電源企業增發電這兩個目標存在著協調互動問題，新能源與水電互補開發、打捆外送，能夠有效解決新能源獨立規模化開發送出難和對電網的沖擊等問題，計劃越準確越容易被調度機構采納；電力市場的推進使系統更加復雜化，把電力市場的預測結果納入到聯合調度系統中，聯合調度的結果又反過來影響價格預測，存在一個迭代尋優過程。

近期國家有關電力體制改革相關文件的密集出臺，推動電力體制改革和電力市場化，北京、廣州南北兩大電力交易中心和各省級電力交易中心的陸續建立，水電將根據其水庫調節能力逐步參與電力市場，對于清潔能源的棄風、棄光問題，最終也需要通過市場化的手段得以解決。在電力市場的發電側，主要采用“廠網分開，競價上網”的方式，需要在發電側實現競價上網輔助決策功能，提高競價上網能力，促進生產成本降低，提高社會和經濟效益。

3.2 龍羊峽水光互補應用

國內對于水風光互補優化運行的研究基本上還處于起步階段，理論性的研究居多，部分大型發電企業開展了局部的試點應用，其中由南瑞集團承建的龍羊峽水光互補項目有一定的代表意義。

龍羊峽水電站位于青海省共和縣和貴南縣交界處，水庫正常蓄水位2600m，相應庫容為247億m3，調節庫容為193.5億m3，電站位于龍羊峽入口處，是黃河龍—青段梯級開發規劃中的“龍頭”電站，具有良好的多年調節性能。電站安裝4臺單機容量為320MW的水輪發電機組，總裝機容量1280MW。電站以330kV一級電壓送出，出線5回，備用1回。

龍羊峽水光互補并網光伏電站遠期規劃建設850MWp，一期建設320MWp，電站以一回330kV線路送入龍羊峽水電站，利用龍羊峽水電站已建的5回送出線路接入系統。320MWp運行期年平均上網電量為4.82億kWh。光伏電站年利用小時1508h，龍羊峽水電站年利用小時4642h，水光互補后利用現有的龍羊峽水電站送出線路送出，可提高線路送出效率，節省光伏電站送出的投資，水光互補后送出條件優越。

系統運行效果可以推廣到更大范圍應用，以青海省2015年規劃光伏裝機4100MW為例，按龍羊峽320MW光伏電站7月和12月最大出力過程為基礎，由其各小時出力等比縮放模擬得到青海省光伏的出力過程，并將該出力過程作為負負荷，進行日負荷曲線修正，考慮光伏電站后青海電網7月和12月負荷曲線見圖4和圖5。

可見，考慮青海電網光伏電站規劃裝機最大發電出力情況時，青海電網7月和12月負荷低谷由凌晨4:00左右轉為中午13:00～15:00左右，峰谷差也由7月1330MW和12月1740MW增加到7月3320MW和12月4100MW。青海省水電裝機容量達到12050MW以上，完全有能力進行豐水期和枯水期峰谷差3320MW和4100MW進行調節。

龍羊峽電站水光互補前和水光互補后均為水電站對光伏電站進行補償消納，互補前后水電站均充分發揮了其調節作用，并達到了增加電網系統消納光伏目的，而進行龍羊峽水光互補項目的實施是在基本不改變龍羊峽水電站在電力系統中的作用和地位，不影響龍羊峽水電站的發電效益，在滿足龍羊峽及其梯級電站防洪、發電、灌溉等綜合利用要求前提下，且水光通過共同線路送出，在現有系統網架結構下充分發揮電網輸電能力，對提高新能源消納能力有一定的意義。

圖4 考慮光伏電站青海電網7月日負荷曲線Figure 4 Considering the July daily load curve of photovoltaic power station

圖5 考慮光伏電站青海電網12月日負荷曲線圖Figure 5 Considering the December daily load curve of photovoltaic power station

4 結論

隨著國內清潔能源電站的大規模建設和開發，清潔能源有效消納問題日益突出。水電由于其運行的可控性和靈活性，適合與風電、光伏能源聯合運行。根據地域內水風光發電和入網情況，建立清潔能源聯合運行管控系統，把相對孤立的水風光場站聯合起來，實現聯合運行和管控，發揮協同效應，可以大幅度的減輕清潔能源發電負荷波動問題，增加上網能力，促進電源與電網全面互動和協調平衡。同時，一體化的運營管控也提升了電力生產運營效率和管理水平、降低人員的勞動強度，為電力生產管控模式的求新變革以及集約化運營奠定堅實的物質技術基礎。

豐滿水電站廠區效果圖