雅礱江流域梯級(jí)電站群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究

張 家 平

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司集控中心，四川 成都 610051)

1 雅礱江流域梯級(jí)電站群聯(lián)合調(diào)度背景

隨著雅礱江流域水能資源“四階段開發(fā)戰(zhàn)略”的逐步實(shí)施, 官地電站于2012年3月底投產(chǎn), 錦東電站于2012年12月底投產(chǎn),錦西電站于2013年8月投產(chǎn)，至2015年雅礱江下游梯級(jí)水電站開發(fā)將全面完成，從上游至下游，將依次形成錦西、錦東、官地、二灘、桐子林水電站群。2012年雅礱江公司集控中心正式投運(yùn)，集控中心實(shí)現(xiàn)了對(duì)流域梯級(jí)水電站群的統(tǒng)一調(diào)度和遠(yuǎn)程集中控制。如何發(fā)揮龍頭水庫的調(diào)節(jié)作用、優(yōu)化利用水能資源、增加梯級(jí)發(fā)電量,是目前面臨的重要課題。雅礱江流域集控中心通過研究實(shí)踐，總結(jié)流域梯級(jí)電站群水電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的方法和規(guī)律，為科學(xué)合理利用水資源、增加梯級(jí)發(fā)電量做出了重大貢獻(xiàn)。2013年雅礱江公司流域電站年累計(jì)發(fā)電量達(dá)383.4326億kWh，完成年計(jì)劃電量的122.42%，較去年同期多發(fā)199.5323億kWh。

2 流域梯級(jí)電站群聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化的內(nèi)涵

流域梯級(jí)電站群水電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度是指，為了挖掘梯級(jí)水電生產(chǎn)的潛力和效益，將同屬某一流域水力聯(lián)系緊密的水電站組成梯級(jí)電站群，利用各水庫的不同水文與庫容特性，改變有調(diào)節(jié)能力水庫和電站的運(yùn)行方式，通過梯級(jí)電站對(duì)水資源的各自利用方式，提高整個(gè)梯級(jí)的發(fā)電能力，充分發(fā)揮水資源的綜合利用效益，并統(tǒng)一組織各梯級(jí)的生產(chǎn)和管理，實(shí)現(xiàn)企業(yè)效益最大化。流域梯級(jí)電站群的聯(lián)合調(diào)度具有兩層含義：一是梯級(jí)之間聯(lián)系緊密，是不可分割的整體，必須實(shí)施聯(lián)合調(diào)度；二是水庫調(diào)度和電力調(diào)度是一種互動(dòng)關(guān)系，要確保方案最優(yōu)、效益最大，勢(shì)必要求水、電聯(lián)合，下達(dá)聯(lián)合調(diào)度指令，即水電聯(lián)合調(diào)度。梯級(jí)電站群的聯(lián)合調(diào)度是實(shí)現(xiàn)水電聯(lián)合調(diào)度的基礎(chǔ)和前提，水電聯(lián)合調(diào)度是電站綜合效益得以充分發(fā)揮的保障，是流域梯級(jí)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的核心。

3 雅礱江流域梯級(jí)電站群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度原則

雅礱江公司集控中心實(shí)行水庫調(diào)度和發(fā)電調(diào)度同臺(tái)值班方式，在調(diào)度過程中則遵循“水電互動(dòng)，方案最優(yōu)”的調(diào)度規(guī)則，即先根據(jù)水情預(yù)測(cè)及水庫綜合運(yùn)用方式，初步確定梯級(jí)電站發(fā)電負(fù)荷及機(jī)組的運(yùn)行方式，之后再結(jié)合電網(wǎng)負(fù)荷需求及電站機(jī)組情況，由調(diào)度決策系統(tǒng)依據(jù)當(dāng)時(shí)的防洪、電網(wǎng)負(fù)荷等限制條件，確定最優(yōu)的水庫、發(fā)電調(diào)度方案。在確定水電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案時(shí)，根據(jù)日常運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出水電優(yōu)化調(diào)度原則，指導(dǎo)日常集控運(yùn)行工作。

3.1 以水定電，出入庫平衡

對(duì)于同一流域的上下游水電站, 一般存在較為嚴(yán)密的水力聯(lián)系,特別對(duì)于上游為季調(diào)節(jié)及以上調(diào)節(jié)水庫、下游為日調(diào)節(jié)水庫的兩個(gè)直接水力聯(lián)系的電站, 上游電站的下泄流量能直接指導(dǎo)下游電站制定最優(yōu)發(fā)電計(jì)劃, 因此, 雅礱江公司采用上下游電站匹配運(yùn)行的方法, 以提高發(fā)電效益，即上游電站下泄流量已知, 采用“以水定電”的方式優(yōu)化下游電站的運(yùn)行。

3.2 水庫適時(shí)蓄水

在流域水電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的過程中，汛初水庫蓄水時(shí)可先蓄調(diào)節(jié)能力較小的水庫，而龍頭水庫后蓄，從而提高梯級(jí)電站的引用水頭；汛后則龍頭水庫先開始加大發(fā)電，對(duì)下游各梯級(jí)水庫進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，使梯級(jí)電站枯季的發(fā)電能力有大幅度的提高，相應(yīng)提高流域徑流的水量利用率。

3.3 合理控制庫水位

梯級(jí)水電站群間存在著水頭的聯(lián)系,下游水庫若庫水位過高,則抬高了上游水電站尾水位,降低上游水庫發(fā)電水頭,減少發(fā)電量；下游水庫若庫水位過低,則自身發(fā)電水頭亦可能偏低,也導(dǎo)致發(fā)電收益減少。

3.4 錦西、錦東兩電站視為一個(gè)電源點(diǎn)

錦西、錦東兩電站采用“一庫兩站”設(shè)計(jì)，在聯(lián)合調(diào)度過程中將其視為一個(gè)電源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，錦東機(jī)組投運(yùn)情況跟隨錦西機(jī)組投運(yùn)情況變化而變化，最大限度地發(fā)揮電站在電網(wǎng)中承擔(dān)的發(fā)電、調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用和黑啟動(dòng)等重要作用，并實(shí)現(xiàn)減少棄水和提高發(fā)電總量的目標(biāo)。

3.5 下游日調(diào)節(jié)水庫維持在略低于額定水位

雅礱江流域上游錦西水庫庫容較大，屬于年調(diào)節(jié)水庫，而下游錦東水庫正常蓄水位為1 646 m，死水位為1 640 m，兩者之間僅相差6 m，屬于日調(diào)節(jié)水庫。當(dāng)錦東水庫入庫流量小于本站機(jī)組發(fā)電流量與生態(tài)流量(考慮到錦東攔河閘壩下游生態(tài)環(huán)境的要求，設(shè)置生態(tài)流量泄放洞,滿足下游生態(tài)用水)之和時(shí)，可能導(dǎo)致水位急劇下降至死水位。但如果水庫水位過高，當(dāng)發(fā)生機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，水庫水位會(huì)迅速上升，甚至導(dǎo)致錦東閘壩溢流。故為使水庫水位維持在正常水位動(dòng)態(tài)平衡范圍內(nèi)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)錦東水庫維持略低于額定水位。

3.6 流域電站負(fù)荷調(diào)整設(shè)置優(yōu)先級(jí)

理想情況下，流域梯級(jí)電站群水電聯(lián)合調(diào)度最優(yōu)化的方案是采用下游日調(diào)節(jié)水庫電站發(fā)電流量與生態(tài)流量之和等于入庫流量的運(yùn)行方式。實(shí)際上，為了保證始終滿足發(fā)電流量的要求，往往會(huì)采取入庫流量略大于發(fā)電流量的運(yùn)行方式。在這樣的運(yùn)行方式下，涉及到上下游電站機(jī)組負(fù)荷調(diào)整時(shí)，為了充分利用水資源，減少棄水，并維持日調(diào)節(jié)水庫水位正常，增負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)按照先下游電站后上游電站的順序進(jìn)行，減負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)則相反。

3.7 實(shí)時(shí)調(diào)度過程中進(jìn)行適時(shí)調(diào)整

雅礱江公司集控中心在做發(fā)電計(jì)劃曲線時(shí)采取以水定電、出入平衡的原則，但在實(shí)際發(fā)電過程中由于水情預(yù)報(bào)等因素難免出現(xiàn)誤差，運(yùn)行值班人員作為實(shí)時(shí)調(diào)度者，可采取相關(guān)手段進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，如：錦西、錦東電站作為一個(gè)電源點(diǎn)，當(dāng)水庫出入不平衡時(shí)，可將錦西、錦東電站負(fù)荷分配進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，電站機(jī)組間的負(fù)荷分配相差越大，電站耗水率則越大，故在實(shí)時(shí)調(diào)度過程中，盡量使機(jī)組間負(fù)荷分配均衡；另外，由于錦東電站設(shè)置生態(tài)流量洞，在實(shí)時(shí)調(diào)度過程中，可靈活運(yùn)用生態(tài)流量洞，當(dāng)錦東水庫水位偏高時(shí)，及時(shí)調(diào)整生態(tài)流量洞開度，調(diào)整錦東庫水位，保證水庫出入平衡。

4 梯級(jí)電站群聯(lián)合調(diào)度數(shù)學(xué)模型及其求解

以雅礱江流域錦西、錦東電站為對(duì)象，研究水電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用于指導(dǎo)日常調(diào)度工作，取得良好的效果。目標(biāo)函數(shù)調(diào)度準(zhǔn)則為：在給定用水量的條件下，同時(shí)滿足負(fù)荷約束、出力約束、庫容約束、發(fā)電流量約束、水量平衡以及梯級(jí)水庫的其他限制條件等約束，決定一個(gè)調(diào)度期內(nèi)(設(shè)定為1 d)各時(shí)段各電站的發(fā)電量，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)電站發(fā)電總量最大化。目標(biāo)函數(shù)假定時(shí)段1為發(fā)電量計(jì)算公式的初始時(shí)段，則最大發(fā)電量為初始時(shí)段內(nèi)錦西、錦東的發(fā)電總量加下一時(shí)段兩電站的發(fā)電量。

4.1 目標(biāo)函數(shù)

(1)

4.2 約束條件

(1)系統(tǒng)負(fù)荷約束：

Pi,t≤pi,t≤pi,t,i=y,e;t=1,2,…T

(2)

(2)出力約束：

Ni,t≤Ni,t≤Ni,t,i=ye;t=1,2,…T

(3)

(3)發(fā)電流量約束：

Qi,t≤Qi≤Qi,t,i=y,e;t=1,2,…T

(4)

(4)庫容約束：

Vi,t≤Vi,t≤Vi,t,i=y,e;t=1,2,…T

(5)

(5)水量平衡約束：

Vi,t=Vi,t-1+a(QIi,t-1-Qi,t-1-QSi,t-1),i=y,e;t=1,2,…T

QIe,t=Qy,1-r

(6)

(6)其他約束條件。包括水庫的庫容特性、水庫水位流量特性、電站的最優(yōu)發(fā)電流量特性及電站日用水量限制等。水庫水位、可投運(yùn)機(jī)組臺(tái)數(shù)、型號(hào)等參數(shù)已知。

式中Et(Vy,t,Ve,t)表示梯級(jí)水庫從時(shí)段初水庫蓄水量出發(fā)，從時(shí)段1到時(shí)段t時(shí)刻的最優(yōu)發(fā)電量；V，V為表示流域兩水庫t時(shí)刻各自的蓄水量；Qy,t，Q為表示流域兩水庫t時(shí)刻各自的發(fā)電流量；T為調(diào)度周期；Pi,t、pi,t分別表示i水庫t時(shí)刻的系統(tǒng)負(fù)荷下限與上限；Ni,t、Ni,t分別表示i水庫t時(shí)刻的出力下限與上限；Qi,t、Qi,t分別表示i水庫t時(shí)刻的發(fā)電流量下限與上限；Vi,t、Vi,t分別表示i水庫最小與最大蓄水庫容；a為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；T為時(shí)滯系數(shù)。

4.3 尋優(yōu)和求解方法

動(dòng)態(tài)規(guī)劃法和粒子群算法是解決多階段優(yōu)化問題常用的方法之一，本文擬采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)梯級(jí)電站水庫優(yōu)化模型進(jìn)行求解。以動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理來解決梯級(jí)調(diào)度水庫聯(lián)合調(diào)度問題。首先把梯級(jí)各水庫的蓄水量作為狀態(tài)，以時(shí)段徑流量作為參量，以出力作為決策變量，從而使多維函數(shù)求極值的問題，化簡(jiǎn)為多個(gè)求解一維極值的問題，進(jìn)而使目標(biāo)函數(shù)可解。

5 雅礱江流域梯級(jí)電站群水電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的效益

錦西水庫具有年調(diào)節(jié)能力，與下游錦東、官地、二灘、桐子林水電站聯(lián)合調(diào)度，可增加五座梯級(jí)電站多年平均年發(fā)電量60億kWh，平枯期電量70億kWh，枯水年平枯期平均出力136.1萬kW，從而使四川電網(wǎng)2020年水平水電站群的枯水年枯水期平均出力由1 273.2萬kW增加到1 560萬kW，增幅達(dá)22.5%，屆時(shí)四川系統(tǒng)水電站群的調(diào)節(jié)性能將得到較大改善。待下游全部機(jī)組投產(chǎn)并正常運(yùn)行后，其裝機(jī)容量占當(dāng)年四川電網(wǎng)系統(tǒng)總?cè)萘?.4%，占當(dāng)年水電總裝機(jī)容量的16.8%，不僅可為電力系統(tǒng)提供174億kWh的潔凈電力，還具有360萬kW火電(調(diào)峰能力為30%)的容量效益。根據(jù)2015年平衡分析結(jié)果，雅礱江公司擔(dān)任系統(tǒng)的調(diào)峰容量約占系統(tǒng)最大峰谷差的19%，其調(diào)峰效益系數(shù)為目前國(guó)內(nèi)單機(jī)容量30萬kW機(jī)組的2倍多，雅礱江公司梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度的實(shí)施，可顯著提高電網(wǎng)運(yùn)行安全性。

6 結(jié) 語

流域梯級(jí)電站群水電聯(lián)合調(diào)度是一種先進(jìn)的、高效率的調(diào)度模式。隨著我國(guó)大中型流域水電梯級(jí)滾動(dòng)開發(fā)建設(shè)的不斷深人, 各流域水電開發(fā)公司為追求綜合效益最大化, 在確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下, 逐漸形成對(duì)梯級(jí)水庫和電站進(jìn)行統(tǒng)一水電聯(lián)合調(diào)度管理的模式。筆者圍繞雅礱江流域梯級(jí)電站群水電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的原則，尋找聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行的最優(yōu)化策略，提出“統(tǒng)一調(diào)度、以水定電、出入平衡”和“區(qū)別化調(diào)整負(fù)荷”的運(yùn)行策略，從而實(shí)現(xiàn)流域梯級(jí)電站群經(jīng)濟(jì)效益的最大化，旨在為流域梯級(jí)電站群實(shí)施聯(lián)合調(diào)度提供參考思路。

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作者簡(jiǎn)介:

張家平(1985-)，男，江蘇豐縣人，本科，工程師，從事水電站集控運(yùn)行工作.