梯級水電站跨省區多電網調峰優化調度方法

黃文浩，林杰勝，謝國棟，劉 欣，侯夢龍

(南方電網調峰調頻發電有限公司運行分公司，廣東 清遠 513207)

0 引 言

隨著社會經濟的高速發展，國內市場上工業、農業和城市生活的用電量呈現逐漸增長趨勢，中國的電力系統裝機容量也在迅速增加，目前電力系統的組成仍然以燃煤發電和水力發電為主要構成部分。但隨著核能、風能和太陽能等新型能源的逐漸普及，對電力系統的調節能力提出了更高的要求。

楊龍杰等[1]針對火力發電，在研究電網協同調度方法時，首先研究了電網之間的耦合問題，分析電網間的運行特征和調峰潛力因素，根據電網在調峰條件下的運行特征，提出了一種階梯式優化調度模型，實現多電網之間的調峰調度，滿足電站整體的控制和經濟效益；張艷華等[2]針對風電系統的調峰問題，研究出一種聯合調峰法，利用水電輸出的通道和調峰模式，將風電場中的風電和光電相結合，分析梯級電站之間的調峰策略，以余荷方差最小原則，建立對應的調峰調度系統，通過目標函數進行控制，實現短期內的優化調度。

在上述研究基礎上，本文提出了梯級水電站跨省區多電網調峰優化調度方法。

1 跨省區多電網調峰優化調度

1.1 多電網調峰優化調度模型構建

設計梯級水電站跨省區電網調峰優化調度方法，通過J2EE技術將多電網的結構進行相應簡化，在開發、部署和管理等各個層級均實現客戶和瀏覽器之間的業務交互，保證流程的完整性[3]。

多電網的調峰優化調度整體結構如圖1所示。

圖1 調峰優化調度整體結構

建立整體結構后，針對梯級水電站跨省區的多電網調度需求，構建相應的優化調度模型，實現多電網的調峰優化，具體模型如圖2所示。

圖2 多電網調峰優化調度模型

為保證水電站數據能在優化調度過程中保存并發揮作用，需要與服務器端和基礎數據庫進行數據的共享和交換，其中不僅包含檢修、預報模塊，還包含其他的自動化及管理模塊，在各個模塊數據中，梯級水電站的中長期和短期預報模塊提供多個電網的預報數據[4]，檢修模塊根據水電站的實際情況提供相應的檢修方案，并根據情況完成約束條件的計算和初始值設置[5]。在梯級水電站跨省區多電網調峰優化調度模型構建中，需要綜合考慮多種因素，同時還需要考慮多電網調峰調度目標函數，以實現最優的調峰調度。

1.2 多電網調峰調度目標函數設置

在多電網調峰調度目標函數設置中，需要明確調度的目標，即實現電力系統中負荷的平衡和電力的優化配置。為了實現這一目標，在多電網調峰優化調度模型的基礎上，需要對維持水電站發電需求、控制對應的水位以及水電站輸出電量進行深入分析，以確定最優的電力調度方案。

正常情況下設置水電站的跨省區多電網調度優化數據長周期調度目標，是以年為單位的，過程中以月或旬作為計算時段，明確調度時間段內各個水電站對應的最優水位情況，進行長期電量優化。水電站跨省區多電網調峰優化調度的最終結果會影響電站及電網的運行效益[6]，基于水電站模式的跨省區電網輸送群體調度，考慮水電站的運行條件，同時在復雜特高壓電流線路基礎上，實現輸電限制的具體約束，在設置約束限制條件時，需要保持目標函數模型的緊密耦合性，但這也會相應的增加求解難度[7]。在研究過程中將發電量、枯水期剩余負荷等相關因素考慮進去，能保證對水電站多電網供電的調峰調度長期優化，同時兼顧多電網短期內的負荷分配工作，建立約束目標函數。

為保證水電站在跨省區多電網環境下的調峰能良好實現，確保多電網正常運行和峰值平衡，建立相應的調峰調度約束條件。假設水電站m在t時段的水庫容量為Vm，t，隨機時段t下能實現的發電流量為qm，t，水電站運行過程中的實際棄水流量為q′m，t，需要保證水電站之間的水量平衡，維持水電站發電需求，公式為

Vm，t+1=Vm，t+(Qm，t-qm，t-q′m，t)Δt

(1)

式中，Qm，t為m在t時段的水庫入水流量；Δt為t時段內包含的小時數。

在此基礎上為保證水電站發電穩定，需控制對應的水位

Zm，T=Z′mVm，t+1

(2)

式中，Zm，T為調峰調度時期的期末水位；Z′m為期末控制水位。

建立調峰調度時期的期末水位的約束條件

(3)

水電站輸出電量的限制表示為

(4)

圖3 梯級水電站跨省區的優化調度調節框架

根據梯級水電站跨省區的優化調度調節框架，設置調度時間段內的水電站總電量的目標函數

(5)

式中，M1為省內水電站數量；M2為省外的水電站數量；m為水電站運行編號；t為多電網調峰優化的調度時段編號[8]；T為水電站跨省區的調度周期長度；pm，t為水電站m在t時段條件下的電量輸出。

1.3 實現多電網調峰優化調度

多電網調峰優化調度需要全面考慮各種因素的影響，在目標函數設置的基礎上，建立合理的聯系和協調關系，能夠在優化調度方法中實現最優的多電網調峰優化調度方法。

梯級水電站的跨省區多電網調峰優化調度，不同于單一調度情況，情況相對更復雜，面對差異較大的各個電網峰值和對應的出現時間，在研究時主要遵循兩個原則，其一是考慮跨省區條件下各個電網的負荷需求，其二是滿足水電站的出電量，保證電力分配[9]。

在進行多電網調峰優化過程中，首先通過修補策略進行尋優，為保證新生成的優化調度策略能滿足上述建立約束條件，所以對約束進行修補。根據電量平衡條件，以及電站的爬坡效應和電網輸電線路的處理程度，建立對應的修補策略[10]。

從t=1時段開始逐次對電網g的出電情況進行核驗，電網g出電限制可表示為

(6)

統計計算電網g各個時間段內的受電量

(7)

(8)

經過循環多次的修正，可以滿足跨省區多電網之間的電量平衡，同時減少水電站的約束限制，由此完成梯級水電站跨省區多電網調峰優化調度研究。

2 實驗分析

為能驗證出所研究調峰優化調度方法的有效性，對梯級水電站所處枯水期的某一天，進行短期的多電網調峰優化調度實驗，實驗中水電站和各電網之間的初始條件如表1所示。

表1 梯級水電站受電及基本參數情況

表1中各個電網系統所承擔的負荷均為預測值，受到所獲得數據準確性的影響，實驗中以電網的典型日負載特征為依據，形成實驗預測假定，在各個電網的實際運行中，第2天的負荷需要由短時間的負荷預測值來決定調度變化，過程中對鄰近周期的負荷情況進行平均處理，這能有效地保證對調度系統方法的一般性和普適性。

實驗中假設2個水電站內包含的所有機組設備都不檢修，為了減少水電站機組設備頻繁轉移的情況，設定機組設備的最短開機時間為2 h，為保證實驗的正常進行，將跨省區范圍輸電范圍內的直流送電限制在640 萬kW的最大容量范圍內。在實驗過程中以日為調度期，圖4中一個調度時段的長度為8 min，調度過程中統計并獲取梯級水電站及各個電網的調峰結果(見圖4)。

圖4 電網調峰結果

在圖4中針對跨省區電網在不同時段下的電網調峰情況可以看出，上海、浙江、廣東這三個省份的電網通過高壓直流輸電線路完成對應的受電，且在各個時間段均能保持在輸電限額之下，輸電性能的平穩狀態。根據圖4中數據，可以得到跨省區電網間的電量分配結果，具體如表2所示。

表2 跨省區電網間的電量分配結果

從表2中可以看出，在梯級水電站的跨省區供電過程中，在構建的多電網調峰優化調度方法下，水電站向多個電網輸送電量得到有效控制，各個電網的受電量期望值和實際值之間相差不大，受電控制比例也符合前期的預測情況。

為深度驗證調峰優化調度方法的有效性，對接收兩個水電站的不同跨省區電網進行調峰前后的余荷峰谷差統計，結果如表3所示。

表3 跨省區不同電網的負荷峰谷差變化

根據表3可知，梯級水電站經過所研究方法完成優化調度調峰后，其所屬受電段的各個電網對應的峰谷差明顯減小，結合圖4可以看出各個電網的余荷情況也逐漸趨于穩定，證明研究方法對跨省區的多電網調峰優化調度具備良好的有效性。

3 結 論

為了保障能源的安全供應和提高其利用效率，梯級水電站跨省區多電網調峰優化調度方法得到了廣泛關注和研究。對于梯級水電站的跨省區多電網調峰優化調度問題，提出一種調峰優化調度方法，在滿足水電站正常運行的情況下，確定多電網的運行條件，為了實現多電網的跨省區調峰，在研究中加入了對應的調峰約束條件，在多個約束條件下，實現多電網的負荷均衡。通過研究得到如下結論：

(1)針對跨省區電網在不同時段下的電網調峰情況可以看出，上海、浙江、廣東在各個時間段均能保持在輸電限額之下，輸電性能的平穩狀態。

(2)在構建的多電網調峰優化調度方法下，水電站向多個電網輸送電量得到有效控制，能滿足梯級水電站的跨省區多電網供電調峰調度。

(3)梯級水電站經過所提方法完成優化調度調峰后，所屬受電段的各個電網對應的峰谷差明顯減小，性能良好。

梯級水電站跨省區多電網調峰優化調度需要綜合考慮多種因素，以實現最優的電力調度方案。在未來的研究中，需要進一步深入探討相關技術，為實現電力系統的可持續發展作出更大的貢獻。