考慮電網安全約束的跨流域水電站群發電調度方法

馬高權，申建建，周 娜，張 一，謝蒙飛

(1.昆明電力交易中心有限責任公司，云南昆明650200；2. 大連理工大學水電與水信息研究所，遼寧大連116024)

0 引 言

最近十多年是我國水電和電網建設的高速發展時期，西南金沙江、瀾滄江、雅礱江等特大流域干流梯級水電站群集中投產運行[1- 3]，形成了一批裝機容量超千萬千瓦的大規模梯級水電系統，全國水電裝機也從2004年突破1億kW快速增長到2018年3.5億kW，增幅高達2.5倍[4]；與此同時，超/特高壓交直流配套輸電工程逐步投運，以楚穗直流、普僑直流、牛從直流、金中直流等特高壓直流聯絡線為紐帶，實現了梯級干流大型水電站群跨流域跨省區互聯運行，水電系統邁入到更為復雜的調度運行階段[5- 6]。

在互聯運行平臺下，水電站并網關系空非常復雜的，既有單一流域上下游水電站并入不同輸電控制斷面(如瀾滄江干流下游功果橋、小灣、糯扎渡等水電站分別并入金中直流、楚穗直流、普僑直流)，也有不同流域水電站并入同一輸電控制斷面(如小灣和金安橋水電站同時并入楚穗直流)，這種并網關系實質是復雜的電網安全運行約束[7]，會直接影響水電站的發電方式和并網規模，加之市場環境下新的電力交易合約電量控制條件[8]，以及傳統的水電站自身的運行要求與限制[9- 10]，進而形成了時空高度耦合的水力電力約束條件集，使得水電調度運行建模及求解面臨很大著困難，需要切實有效的實用化模型和方法。

為此，本文以云南瀾滄江、金沙江干流梯級水電站群為依托工程，考慮水電站并網網架結構，提出一種跨流域水電站群發電調度方法。首先以水電站發電量為控制條件，構建了調度期耗水最小優化模型，提出耦合多種降維策略的多維搜索方法實現模型高效求解，在搜索過程中采用多級控制斷面的校核修正策略，保證了調度結果滿足電網安全約束。通過跨流域水電站群調度運行實例，驗證了模型方法的有效性和實用性。

1 數學模型

1.1 目標函數

現階段，我國處于新電改過渡時期，市場交易以中長期電量交易為主[8，11]，在實際調度運行中，通常需要以年度或月度的市場合約電量作為控制目標，考慮電網安全運行要求以及水庫來水等約束條件，確定更小時間尺度的調度運行方案。為此，本文采用調度期發電耗水量最小為目標[12]，構建了跨流域水電站群發電調度優化模型，以在滿足目標電量的情況下盡可能提高水能利用率，其數學表達式為

(1)

式中，Qm,t為電站m在t時段的發電流量；Δt為t時段小時數；M、m分別為水電站總數和編號，1≤m≤M；T、t分別為調度期時段總數和時段編號，1≤t≤T。

1.2 約束條件

(1)交易電量平衡約束

(2)

式中，Em，t為電站m時段t的發電量，1≤t≤T；Em，0為月交易計劃電量。

(2)水量平衡約束

Vm，t+1=Vm，t+3 600(Im，t-Qm，t-Dm，t)

(3)

式中，Vm，t為水庫m時段t的初始庫容；Im，t、Dm，t分別為t時段水庫m的入庫流量、棄水流量。

(3)庫水位約束

(4)

(4)發電流量約束

(5)

(5)出庫流量約束

(6)

(6)出力約束

(7)

(7)電網安全約束

(8)

式中，Nd為控制斷面d的最大出力限制；Ωd為斷面d包含的電站集合。

2 模型求解

2.1 優化算法

2.1.1多維搜索算法

跨流域水電站群優化調度計算規模隨電站數量、計算時段等呈指數增長，需要高效的降維求解算法。通過分析跨流域水電站群優化調度問題特征，本文提出多維搜索算法，耦合逐步優化、離散微分動態規劃、逐次逼近3種降維策略[13- 14]，實現了在時間、電站、可行域三個方面多維度同時降維。

首先采用逐步優化算法將調度期多階段問題轉化為在時間維上迭代求解兩階段優化問題。時段t和t+1的兩階段優化問題目標函數一般形式可表示為

(9)

第二步，采用離散微分動態規劃壓縮上述兩階段問題的全局尋優空間，結合狀態逐密策略，將該問題轉化為針對變量xl，t的兩階段局部優化問題，加速兩階段問題的求解。

2.1.2求解流程

上述多維搜索算法的詳細求解步驟為：①獲取初始解， 設迭代次數i=0。②將電站分為N組，第n組電站的個數為Mn(1≤n≤N)。若某個電站存在多個有中長期調節性能的上游電站，則將它們分為一組；否則按照上下游關系將連續幾個梯級串聯水電站分為一組，每一分組中電站數不超過限定數值。③設t=0。④若i>0，當部分電站t時段初水位在第i輪迭代中發生變化，或者部分電站t+1時段末水位在第i-1輪迭代中變化，則轉步驟5。否則t=t+1，若tN。⑧設ε=ε/2，若ε小于精度，則設ε為初始值，轉步驟9；否則返回步驟5。⑨設t=t+1，若t

2.2 約束處理策略

本文將約束條件分兩類進行處理，對于常規的水量平衡方程以及單點限制約束，采用懲罰函數法構建懲罰項，具體如下

(10)

式中，β1，β2，β3，β4，β5，β6，β7，β8為懲罰系數。

對于復雜電網約束，采用多級控制斷面的校核分解策略進行處理，優化中首先松弛該約束，以保證搜索效率；優化結束后，對所有控制斷面約束逐一進行安全校核，識別越限斷面，并進行適當修正。控制斷面約束的描述方式及處理過程主要包括以下步驟：

(1)通過拓撲圖形描述網架結構，見圖1。從圖1可以看出，任一時段多個電站的出力應滿足其直接聯絡線的輸送限制，同時需要與其他的電站滿足上級聯絡線的輸送限制。

圖1 控制斷面約束描述拓撲結構

(2)若某時段某聯絡線關聯的電站出力之和大于聯絡線輸送能力，則該控制斷面約束被破壞，需要修正關聯電站的出力，以聯絡線b為例，具體調整方式見公式(11)。

(11)

(3)若上級聯絡線余留容量可以輸送聯絡線b的超載負荷，則可以將該聯絡線對應的調整出力Δpb，t轉移至上級聯絡線d包含的聯絡線c和電站D1，即通過增加C1，C2，D1等電站出力保證聯絡線d的總體輸送功率盡可能不變。

3 實例分析

本文通過瀾滄江和金沙江干流主要梯級水電站的中期發電調度進行方法驗證，調度周期設置為1個月，調度步長為1 d，各電站電量根據市場成交電量和優先電量綜合得到，詳見表1。結合電網運行方式，重點考慮了楚穗直流和金中直流的安全輸送約束，其中小灣和金安橋發電通過楚穗直流并網送出，要求調度期內輸送功率不超過3 600 MW，梨園、阿海、功果橋發電通過金中直流并網送出，最大輸送限制為3 000 MW。采用本文優化調度模型和方法確定跨流域梯級水電站群的月度發電計劃。

表1為電量控制條件與優化調度方案的對比結果。從表1可以看出，各電站的計算電量與給定的控制目標基本一致，其中漫灣、大朝山水電站偏差較大，較控制目標分別減少2 100萬kW·h和2 000萬kW·h，但滿足5%的偏差精度控制范圍，是合理的。與常規的發電調度結果相比，在相同電量控制條件下，本文方法的發電調度耗水量為439億m3，較常規方法減少5.9億m3，有效減少了發電耗水，提高了水能利用率。

表1 各水電站的計算電量與電量控制目標

圖2為楚穗直流、金中直流聯絡線控制斷面的電力輸送結果。從圖2可以直觀看出，瀾滄江和金沙江梯級跨流域協調結果滿足了斷面各時段的出力上限要求，其中楚穗直流控制斷面個別時段基本按最大能力運行，如22日小灣出力1 938.9 MW，金安橋出力1 660.9 MW，合計3 599.8 MW，與斷面控制上限3 600 MW基本相同，充分利用了送出通道能力。從單個水電站結果分析，小灣、糯扎渡等大型

圖2 電網控制斷面出力結果

水電站均運行在合理的水位范圍內(見圖3)，受月度發電量控制限制，月末水位較月初均有不同程度上升，符合實際運行情況。從計算效率分析，本文方法在ThinkPad(Intel(R) Core(TM) i7-4710MQ CPU@2.5 GHz， 內存12 G)筆記本電腦設備上運行時間為90 s，可以滿足實際生產中的時效性要求。

圖3 主要水電站的水位變化過程

4 結 論

隨著我國水電高速開發以及配套電網工程建設地不斷推進，西南跨流域大規模水電站群聯合運行面臨更加復雜的調度控制要求和電網安全約束，加劇了水電調度建模及求解難度。本文針對復雜電網約束下的跨流域水電站中期調度問題，構建了以調度期發電耗水最小為目標的優化模型，給出了集成多種經典降維算法的多維搜索方法，實現了大規模水電優化的高效計算，同時針對復雜網架帶來的輸電控制斷面約束，提出多級斷面校核修正策略，保證優化結果滿足電力輸送安全要求。本文模型和方法通過云南電網瀾滄江和金沙江干流梯級水電站群協調運行進行驗證，得到了如下結論：

(1)與常規調度方式相比，在控制電站發電量條件下，本文模型有效降低了水電站的發電耗水，提高了水能利用率。

(2)通過跨流域梯級水電站群協調，可以有效滿足電網控制斷面要求，有利于水電運行計劃的順利執行。

(3)本文模型和方法為復雜電網結構的跨流域水電站群實際運行提供了一種技術實現思路。