基于實(shí)時棄水風(fēng)險評估的梯級水電優(yōu)化調(diào)度方法

蘇華英，王國松，廖勝利

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)公司電力調(diào)度控制中心，貴州 貴陽 550002；2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024)

0 引 言

實(shí)時調(diào)度是以日前計劃為基礎(chǔ)[1，2]，根據(jù)負(fù)荷、來水偏差等實(shí)際變化情況來調(diào)整和制定實(shí)時調(diào)度計劃。梯級水電實(shí)時調(diào)度在調(diào)整過程中還需要兼顧電網(wǎng)斷面控制及上下游水情實(shí)況進(jìn)行必要的出力重新分配，以實(shí)現(xiàn)梯級優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)。由于徑流預(yù)報的不確定性、電力平衡及電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行控制要求，需要對梯級各水電站出力進(jìn)行調(diào)整，而當(dāng)梯級水電站群面臨由于送出通道有限或發(fā)電負(fù)荷空間不足被迫棄水(或面臨棄水風(fēng)險)時，因涉及各水電站切身利益，如何在兼顧梯級水能資源最大化利用的前提下體現(xiàn)風(fēng)險共擔(dān)、調(diào)度公平是目前水電調(diào)度運(yùn)行面臨的重要課題。國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在實(shí)時調(diào)度系統(tǒng)的運(yùn)行模式[3，4]、實(shí)時協(xié)調(diào)模型[5-7]和負(fù)荷快速分配算法[8-13]等3個方面。王嘉陽等[14]針對實(shí)時調(diào)度中快速躲避機(jī)組限制區(qū)、兼顧電站日前計劃和出力平穩(wěn)性、最小化電站棄水等3方面，采用期末蓄能值最大模型，提出電站計算序位確定、電站組合確定、負(fù)荷偏差光滑處理、廠間負(fù)荷偏差分配和棄水調(diào)整策略，該方法和策略在確定電站計算序位時選取單庫蓄能率和耗水率分別作為第一級和第二級排序指標(biāo)，未考慮當(dāng)前出、入庫流量對各庫水位上升速度帶來的影響，具有一定的局限性，在實(shí)際運(yùn)行及梯級上下游協(xié)調(diào)工作中，不能很好的體現(xiàn)各級電站承擔(dān)的風(fēng)險程度，在未來的電力市場環(huán)境下，較難體現(xiàn)梯級水電調(diào)度的公平性。

本文以各電站歸屬不同發(fā)電業(yè)主的貴州牛欄江梯級水電站群為背景，提出基于實(shí)時棄水風(fēng)險評估的梯級水電優(yōu)化調(diào)度方法，對實(shí)時調(diào)度過程中棄水風(fēng)險進(jìn)行量化評估，并以此作為負(fù)荷快速重新分配的依據(jù)，在實(shí)現(xiàn)梯級水能高效利用的同時，能體現(xiàn)風(fēng)險共擔(dān)和公平調(diào)度。

1 模型構(gòu)建

1.1 模型設(shè)計

基于實(shí)時棄水風(fēng)險評估的梯級水電優(yōu)化調(diào)度方法，以評估梯級電站棄水風(fēng)險為切入點(diǎn)，根據(jù)流域?qū)嶋H來水及電網(wǎng)運(yùn)行約束，考慮各水庫運(yùn)行特性及梯級上下游水力聯(lián)系，輔助調(diào)度員進(jìn)行梯級各電站的負(fù)荷調(diào)整。

本算法模型通過獲取當(dāng)前入庫流量及電站出力實(shí)際情況計算各庫水位上漲速度，得出當(dāng)前負(fù)荷情況下的預(yù)棄水時間作為風(fēng)險評估指標(biāo)，在滿足梯級總負(fù)荷不變的情況下，重新分配各梯級電站出力，以實(shí)現(xiàn)各電站預(yù)棄時間盡量靠攏、棄水風(fēng)險盡量均衡為目標(biāo)；并且由于各電站庫容系數(shù)不同，梯級上下游之間存在密切的水力聯(lián)系，在均衡棄水風(fēng)險的同時可減少梯級棄水，實(shí)現(xiàn)梯級水能資源的高效利用。

1.2 模型目標(biāo)函數(shù)

本模型的目標(biāo)函數(shù)按照是否梯級電站群全部棄水分為兩種表達(dá)方式。當(dāng)存在梯級電站群全站棄水時，認(rèn)為各電站棄水風(fēng)險相同，則各電廠出力按照裝機(jī)比例進(jìn)行分配；否則，模型通過調(diào)整梯級各電廠出力計劃，在保證梯級總出力不變的同時最大化延長實(shí)時棄水高風(fēng)險電廠的預(yù)棄時間。故模型目標(biāo)函數(shù)為以下2組公式

(1)

(2)

式中，N(i，Pk)代表i時段梯級電站群P中第k個電廠的優(yōu)化出力；WPk代表梯級電站群P中第k個電廠的裝機(jī)容量；N′(i，P)代表i時段梯級電站群P的原始總出力；Q(i，Pk)代表梯級電站群P中第k個電廠在i時段內(nèi)的棄水流量；Z(i，Pk′末)代表i時段電站群P中風(fēng)險最高電站k′的水位變化速度；代表梯級i時段電站群P中風(fēng)險最高電站k′的水位上限；Z(i，Pk′末)代表i時段梯級電站群P中風(fēng)險最高電站k′的時段末水位。

1.3 約束條件

(1)負(fù)荷約束

(3)

(2)電站出力約束

(4)

(3)庫水位約束

(5)

(4)出庫流量約束

(6)

2 模型求解方法

2.1 棄水風(fēng)險定義

本文采用預(yù)棄水時間T來描述電站棄水風(fēng)險。通過獲取當(dāng)前入庫流量及電站出力實(shí)際情況計算電站水位上漲速度，再用最高水位至當(dāng)前水位的差值除以水位上漲速度，最后得出當(dāng)前負(fù)荷情況下的預(yù)棄水時間作為風(fēng)險評估指標(biāo)。若T≥0，則T越大棄水風(fēng)險越低；若T<0，表明當(dāng)前出力情況下，電站水位呈下降狀態(tài)，將其歸最低風(fēng)險。

為便于進(jìn)行各電站間棄水風(fēng)險的比較，體現(xiàn)公平調(diào)度及風(fēng)險共擔(dān)，需對風(fēng)險等級Risk進(jìn)行定義。根據(jù)汛期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可將預(yù)棄時間劃分為高、中、低3個等級。當(dāng)預(yù)棄時間值足夠大或超過某個經(jīng)驗(yàn)臨界上限，即未來發(fā)生棄水時間足夠長時，可認(rèn)為風(fēng)險等級低；當(dāng)預(yù)棄時間值小或逼近某個經(jīng)驗(yàn)臨界下限，即未來發(fā)生棄水時間很短時，可認(rèn)為風(fēng)險等級高。本文分別定義預(yù)棄時間0～300 min為高風(fēng)險、301～600 min為中風(fēng)險、601 min以上或?yàn)樨?fù)數(shù)(水位下降)為低風(fēng)險。

2.2 出力調(diào)整策略

實(shí)際運(yùn)行中，確定電站出力調(diào)整的優(yōu)先次序，快速、準(zhǔn)確的調(diào)整出力，是實(shí)時優(yōu)化調(diào)度過程中的關(guān)鍵部分。出力調(diào)整不僅要考慮梯級各電站間的電力聯(lián)系，確保出力調(diào)整后滿足電網(wǎng)電力平衡及電網(wǎng)通道等安全約束，而且要考慮各電站間的水力聯(lián)系，即上游電站出力的調(diào)整對下游電站水位變化造成的影響。

故，本文在進(jìn)行梯級電站出力調(diào)整過程中，引入流量滯時tk，即i時刻上游電站k的出庫流量在i+tk時間到達(dá)下游電站，進(jìn)而影響下游電站的水庫上漲速度及預(yù)棄時間，以體現(xiàn)梯級上下游的水力聯(lián)系。為體現(xiàn)梯級各電站電力聯(lián)系，在進(jìn)行i時刻的出力調(diào)整時采取如下策略：

(1)當(dāng)梯級電站群全部棄水的時候，按照裝機(jī)容量重新分配梯級原總出力。

(2)當(dāng)梯級電站群中存在任一個電站沒有棄水時，則按照預(yù)棄風(fēng)險大小進(jìn)行出力調(diào)整。首先，按照各廠最大出力方式計算預(yù)棄時間，若此時梯級總出力剛好等于原總出力，則認(rèn)為各電站預(yù)棄時間均達(dá)得到了最大延長，即可進(jìn)入下一個時段；若此時梯級總出力大于原總出力，說明發(fā)電負(fù)荷空間(或送出送道)有限，需要進(jìn)行減出力調(diào)整，則按照最新的預(yù)期風(fēng)險進(jìn)行優(yōu)先級排序，預(yù)棄風(fēng)險越低，則降出力調(diào)整的優(yōu)先級越高。每次調(diào)整均對優(yōu)先級最高的電站按照最小降出力速度進(jìn)行優(yōu)先減出力，并重新計算各電站預(yù)棄時間，直至優(yōu)化后的梯級總出力等于原總出力。

2.3 總體計算步驟

模型按照以下步驟進(jìn)行求解。

(1)定義風(fēng)險集合Risk，Risk由調(diào)度人員設(shè)置，用于劃分電廠預(yù)棄時間對應(yīng)的風(fēng)險等級，其形式為：下限預(yù)棄時間，上限預(yù)棄時間，對應(yīng)風(fēng)險等級的集合。

(2)根據(jù)梯級電站群各電廠計劃出力、入庫流量、初始水位對各電廠進(jìn)行初步演算，得到梯級電站群預(yù)棄時間集合TP。

(3)i時段遍歷T(i，p)，若?T(i，Pk)<0，即梯級電站群全部處于水位下降狀態(tài)，根據(jù)Risk對i時段各個電廠進(jìn)行風(fēng)險等級劃分(找到預(yù)棄時間所在的預(yù)棄時間區(qū)間，獲得相應(yīng)風(fēng)險等級)，然后進(jìn)入下i+1時段，對i+1時段進(jìn)行步驟3操作，直至全時段遍歷完；若?T(i，Pk)≥0則轉(zhuǎn)入步驟4。

(4)按裝機(jī)容量重新分配i時段梯級電站群各電廠出力，并根據(jù)新出力重新進(jìn)行計算獲得梯級電站群電站狀態(tài)。若?Q(i，Pk)>0，則對i+1時段進(jìn)行步驟3；否則，進(jìn)行步驟5。

(6)試算新出力下梯級電站群各站T(i，Pk)，根據(jù)T(i，Pk)進(jìn)行風(fēng)險等級劃分:①T(i，Pk)<0，表明出庫流量大于入庫流量，水位呈下降趨勢，屬于最低風(fēng)險等級;②T(i，Pk)≥0，表明出庫流量小于入庫流量，則T(i，Pk)越大風(fēng)險越低。i時段同時存在①、②時，①情況下的減出力優(yōu)先等級高于②。轉(zhuǎn)入驟7。

(7)判斷優(yōu)化后的梯級總出力是否等于原總出力。是，則轉(zhuǎn)入步驟8；否，則轉(zhuǎn)入步驟9。

(8)根據(jù)T(i，Pk)劃分的優(yōu)先減出力等級對梯級電站群電廠進(jìn)行出力調(diào)整，每次調(diào)整均對優(yōu)先級最高的電站按照其最小降出力速度進(jìn)行優(yōu)先減出力，然后轉(zhuǎn)入步驟6。

(9)i時段優(yōu)化結(jié)束，對i+1時段進(jìn)行步驟3。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文以大巖洞、象鼻嶺、小巖頭組成的貴州牛欄江梯級電站群為例，進(jìn)行應(yīng)用計算。該梯級各站分屬不同業(yè)主，且調(diào)節(jié)性能多樣，梯級各電站基本情況見表1。

表1 牛欄江流域梯級電站基本情況一覽

以汛期某日實(shí)際運(yùn)行情況為例，采用本文提出的優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行模擬計算，得出牛欄江大巖洞、象鼻嶺、小巖頭梯級電站群調(diào)度結(jié)果對比如圖1、圖2及表2。為方便圖形比較，將風(fēng)險等級進(jìn)行數(shù)值量化處理，定義低風(fēng)險為“1”，中風(fēng)險為“2”，高風(fēng)險為“3”。

經(jīng)對比分析，可以看出：

(1)優(yōu)化后整個梯級電站群的棄水風(fēng)險得到了平衡，高風(fēng)險電廠預(yù)棄時間得到延長，梯級各電站棄水風(fēng)險傾于一致，體現(xiàn)了調(diào)度公平、風(fēng)險共擔(dān)。

圖1 優(yōu)化前各梯級電站調(diào)度風(fēng)險等級結(jié)果

圖2 優(yōu)化后各梯級電站調(diào)度風(fēng)險等級結(jié)果

表2 梯級水電站群優(yōu)化前后調(diào)度結(jié)果對比

(2)優(yōu)化前后梯級總發(fā)電量保持不變，只是在各電站間進(jìn)行了重新分配，優(yōu)化調(diào)整不僅用足了發(fā)電空間，而且避免了對電力平衡及電網(wǎng)通道等安全約束的影響。

(3)采用本文提出的優(yōu)化方法，使得梯級總棄水量得到了明顯減少，期末總蓄能得到了提升，可以實(shí)現(xiàn)梯級整體優(yōu)化及水能資源的高效利用。

4 結(jié) 語

隨著我國西南地區(qū)大規(guī)模水電站群的投產(chǎn)運(yùn)行以及電力市場化改革的不斷推進(jìn)，電站棄水風(fēng)險和梯級水電站的公平調(diào)度問題將越來越受到關(guān)注。本文提出的基于實(shí)時棄水風(fēng)險評估的梯級水電優(yōu)化調(diào)度方法，可充分利用日前計劃指導(dǎo)性，實(shí)時調(diào)整日前計劃，滾動生成實(shí)時發(fā)電計劃；能滿足電力平衡及電網(wǎng)通道等安全約束，直觀的分析各電站所面臨的棄水風(fēng)險并體現(xiàn)梯級水電風(fēng)險共擔(dān)；同時，可對棄水進(jìn)行有效調(diào)整，避免或者減少不必要棄水，為梯級水電站群實(shí)時調(diào)度提供了一種可行的理論和技術(shù)參考，具有較好的工程實(shí)用性。