電力市場環(huán)境下瀾滄江大型水庫汛前水位消落規(guī)則及應(yīng)對策略

尹述紅，李紅剛，王昱倩

(華能瀾滄江水電股份有限公司集控中心，云南 昆明 650214)

1 概述

云南省境內(nèi)瀾滄江流域梯級電站是我國重要的水電基地之一，其中設(shè)置有小灣、糯扎渡2個年調(diào)節(jié)以上的大水庫，是瀾滄江梯級電站的龍頭水庫，也是西電東送的主要電源點之一，梯級中其余已投產(chǎn)水電站水庫調(diào)節(jié)性能均較差。小灣、糯扎渡水庫的運行方式不僅對于瀾滄江梯級電站，乃至對于整個云南電網(wǎng)、南方區(qū)域電網(wǎng)的運行都具有舉足輕重的意義，小灣、糯扎水電站的主要特征參數(shù)見表1。2018年，為了探索更加高效、合理的梯級電站優(yōu)化調(diào)度規(guī)則，調(diào)度人員結(jié)合瀾滄江梯級電站運行實際情況提出了關(guān)鍵水位控制技術(shù)[1]，該技術(shù)將瀾滄江梯級電站簡化為小灣-糯扎渡模式，分別對小灣、糯扎渡水庫年初、汛前、汛末、年末4個關(guān)鍵水位進行控制，尤其是對最為關(guān)鍵的汛前水位進行控制，以梯級發(fā)電量最大和汛枯比最小作為目標，得出豐、平、枯不同典型來水年小灣、糯扎渡水庫關(guān)鍵水位控制目標，于年初制定未來1年的調(diào)度運行規(guī)則，該方法在瀾滄江梯級電站調(diào)度運行實踐工作中取得了良好的效果。

表1 小灣、糯扎渡主要特征參數(shù)

近年來，電力市場化交易規(guī)則趨于完善，流域梯級電站的運行方式發(fā)生了一系列變化[2-4]，研究者們也做出了很多有意義的探索，取得了大量的研究成果[5-7]。瀾滄江流域梯級電站參與市場化交易的方式主要有兩部分，一是上游五級水庫調(diào)節(jié)性能較差的電站以打捆的方式參與廣東電力市場化交易；二是中下游五級電站除漫灣外均以打捆的方式參與云南電力市場化交易，其中漫灣電站由于投產(chǎn)時間較早，根據(jù)云南省優(yōu)先發(fā)用電計劃，不參與市場化交易，電價為統(tǒng)一定價。

本文針對瀾滄江中下游功果橋、小灣、漫灣、糯扎渡、景洪5級電站進行測算，將梯級電站簡化為小灣-糯扎渡模式，考慮2021年實際分月電價的影響，以梯級電站發(fā)電效益最大為目標，采用NSGA-Ⅱ算法進行多目標求解，分別針對豐、平、枯不同典型年來水，率定電力市場化環(huán)境下瀾滄江大水庫小灣、糯扎渡水庫的汛前水位控制規(guī)則，指出隨著汛前水位控制目標的變化，對梯級電站發(fā)電量和發(fā)電效益的影響，并提出應(yīng)對策略，為瀾滄江梯級電站調(diào)度運行工作提供參考。

2 梯級電站優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 目標函數(shù)

針對豐、平、枯不同的來水條件，考慮瀾滄江梯級電站分月電價，以及電站的實際運行條件和約束要求，使得調(diào)度期內(nèi)發(fā)電效益最大，目標函數(shù)見式(1)。

(1)

式中，E—梯級電站在調(diào)度期內(nèi)的最大發(fā)電效益；i—時段序號；m—總時段；t—電站序號；n—總電站個數(shù)；eit—第i個時段第t個電站的電價；Nit—第i個時段第t個電站的出力；qit—第i個時段第t個電站的發(fā)電流量；Zit—第i個時段第t個電站的發(fā)電水頭；Δt—最小計算時段。

2.2 約束條件

瀾滄江梯級電站聯(lián)合調(diào)度計算過程中主要考慮以下約束條件：

(1)水量平衡約束

V(t，i+1)=V(t，i)+(Q(t，i+1)-Q(t，i))×Δt

(2)

式中，V(t，i+1)—第t個電站i+1時段的庫容；V(t，i)—第t個電站i時段的庫容；Q(t，i+1)—第t個電站時段的入庫流量；Q(t，i)—第t個電站時段的出庫流量；Δt—時段長。

(2)水庫水位約束：

Zmin≤Z≤Zmax

(3)

式中，Z—水庫水位；Zmin—當(dāng)前時段允許運行的最低水位；Zmax—當(dāng)前時段允許運行的最高水位。

(3)電站出力約束：

Cmin≤C≤Cmax

(4)

式中，C—水庫水位；Cmin—當(dāng)前時段允許運行的最低出力；Cmax—當(dāng)前時段允許運行的最高出力。電站出力應(yīng)注意避開機組振動區(qū)。

(4)最小出庫流量

Fmin≤F

(5)

式中，F(xiàn)—當(dāng)前出庫；Fmin—當(dāng)前時段要求的最小出庫。

2.3 模型求解

梯級電站中長期調(diào)度規(guī)則的制定通常以月為時段，將水庫水位或庫容作為狀態(tài)變量，通過對各狀態(tài)變量的優(yōu)化計算，得出相對精細化的調(diào)度規(guī)則，用于指導(dǎo)電站發(fā)電運行。本文所述大水庫汛前水位控制規(guī)則是指在一個調(diào)度期內(nèi)選擇汛前水位作為主要狀態(tài)變量，同時將年初、年末、汛末水位作為關(guān)鍵狀態(tài)變量，除關(guān)鍵狀態(tài)變量以外的其他狀態(tài)點根據(jù)確定性的調(diào)度原則進行自動填充，形成完整的狀態(tài)序列，對于年調(diào)節(jié)以上電站水庫來說，結(jié)合目標函數(shù)進行優(yōu)化求解。

本文所述電力市場環(huán)境下瀾滄江梯級電站大水庫關(guān)鍵水位控制的求解問題為多目標優(yōu)化問題求解，多目標優(yōu)化問題求解的本質(zhì)是希望找到一組滿足約束條件的決策向量，使目標函數(shù)在某一區(qū)域內(nèi)極大或極小，即求得最優(yōu)解。而對于多目標優(yōu)化問題來說，由于多個目標通常具有不同的意義和量綱，有些目標之間甚至是競爭關(guān)系，因此，最優(yōu)解幾乎是不存在的，只存在Pareto最優(yōu)解，即非劣最優(yōu)解或非支配解。Pareto最優(yōu)解的含義是存在一個解集，這些解之間就目標函數(shù)而言是無法比較優(yōu)劣的，其特點是無法在改進任何目標函數(shù)的同時不削弱至少一個其他目標函數(shù)。通常多目標優(yōu)化問題的Pareto最優(yōu)解都具有多個，實際運行中，結(jié)合調(diào)度人員經(jīng)驗選取解決問題的最優(yōu)解。本文結(jié)合實際工程需求和優(yōu)化原理，采用NSGA-Ⅱ算法對瀾滄江梯級水電站水庫進行優(yōu)化模擬調(diào)度。

傳統(tǒng)的GA算法借鑒了進化生物學(xué)中的遺傳、突變、自然選擇以及雜交等現(xiàn)象，通過代與代之間的迭代，采用選擇、交叉、變異運算進行尋優(yōu)。NSGA算法與傳統(tǒng)GA算法的主要區(qū)別在于執(zhí)行選擇算子之前采用非支配排序分層方法，將整個種群分類，更好的個體將以更大的機會遺傳到下一代，使得準Pareto面上的個體分布均布，保持群體的多樣性，防止早熟收斂。而NSGA-Ⅱ算法又在NSGA算法的基礎(chǔ)上做出了一些改進，包括通過快速非支配排序算法降低計算復(fù)雜度，引入精英策略、擴大采用空間以及采用擁擠度和擁擠度比較算子，進一步優(yōu)化。其中引入精英策略、擴大采用空間是指將父代種群與其產(chǎn)生的子代種群組合，共同競爭產(chǎn)生下一代種群，有利于保持父代種群中的優(yōu)良個體進入下一代，保證優(yōu)良的種群個體在進化過程中不會丟棄，提高優(yōu)化結(jié)果精度。擁擠度是指給定個體周圍的個體的密度，采用擁擠度比較算子不但克服了NSGA算法中需要人為制定共享參數(shù)的缺陷，而且將其作為種群中個體間的比較標準，使得準Pareto面上的個體能夠均勻擴展，保證種群的多樣性。

NSGA-Ⅱ算法的基本思想是：首先，隨機產(chǎn)生一定規(guī)模的初始種群，對其進行非支配排序，然后通過選擇、交叉、變異運算得到第一代子代種群。從第二代開始，將父代種群與子代種群合并，通過快速非支配排序，對每個非支配層中的個體進行擁擠度計算，根據(jù)非支配關(guān)系以及個體的擁擠度選取合適的個體組成新的父代種群。再通過GA算法的基本操作產(chǎn)生新的子代種群，直到滿足結(jié)束條件為止。NSGA-Ⅱ算法流程如圖1所示。

圖1 NSGA-Ⅱ算法流程圖

3 應(yīng)用結(jié)果

分別針對(P=15%)、平水年(P=50%)和枯水年(P=85%)不同頻率典型年來水，考慮瀾滄江梯級電站參與云南電力市場化交易的實際分月電價，枯期平均上網(wǎng)電價約為0.25元，汛期平均上網(wǎng)電價約為0.14元，對小灣、糯扎渡水庫汛前水位進行分解計算，部分計算結(jié)果分別見表2—4。

表2 豐水年小灣、糯扎渡汛前水位計算

4 結(jié)論及應(yīng)對策略

4.1 結(jié)論

由第3部分計算結(jié)果可知，在電力市場化環(huán)境下，為確保瀾滄江梯級電站發(fā)電效益最大，在豐、平、枯不同典型年來水條件下小灣、糯扎渡的汛前水位控制目標以及隨著汛前水位的變化，梯級水電站發(fā)電效益和發(fā)電量的變化情況如下。

(1)豐水年：若瀾滄江流域來水為豐水年，為確保梯級水電站發(fā)電效益最大，需將小灣、糯扎渡汛前分別消落至1166～1170m、765～770m，汛末分別蓄至正常蓄水位1240、812m附近。對應(yīng)的梯級電站發(fā)電效益約為150億元；對應(yīng)的梯級電站發(fā)電量約為761億kWh，發(fā)電量汛枯比約為83%。在小灣水庫控制水位不變的情況下，隨著糯扎渡汛前水位抬升，發(fā)電量有所增加而發(fā)效益下降。在糯扎渡水庫控制水位不變的情況下，隨著小灣汛前水位抬升，發(fā)電量有所增加而發(fā)效益下降；隨著小灣汛前水位進一步抬升，出現(xiàn)棄水之后，梯級發(fā)電量開始下降，而發(fā)電效益進一步下降。

表3 平水年小灣、糯扎渡汛前水位計算

表4 枯水年小灣、糯扎渡汛前水位計算

(2)平水年：若瀾滄江流域來水為平水年，為確保梯級電站發(fā)電效益最大，需將小灣、糯扎渡汛前分別消落至1166～1170m、765～770m，汛末分別蓄至1240、812m附近，對應(yīng)的梯級電站發(fā)電效益約為132億元；對應(yīng)的梯級電站發(fā)電量約為656億kWh。在小灣水庫控制水位不變的情況下，隨著糯扎渡汛前水位抬升，發(fā)電量有所增加而發(fā)效益下降。在糯扎渡水庫控制水位不變的情況下，隨著小灣汛前水位抬升，發(fā)電量有所增加而發(fā)效益下降。

(3)枯水年：若瀾滄江流域來水為枯水年，為確保梯級電站發(fā)電效益最大，需將小灣汛前消落至1166～1170m，汛末蓄至1240m附近，但對于糯扎渡來說，若汛前水位消落過低，在滿足下游綜合用水需求的條件下，汛末則不能蓄至正常蓄水位附近，反而會造成發(fā)電效益下降。在瀾滄江來水為枯水年的情況下，糯扎渡汛前水位消落至785～790m，則可保證梯級電站發(fā)電效益最大。對應(yīng)的梯級電站發(fā)電效益約為113億kWh時；對應(yīng)的梯級電站發(fā)電量約為562億kWh。在小灣水庫控制水位不變的情況下，隨著糯扎渡汛前水位抬升，發(fā)電量有所增加而發(fā)效益呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢。在糯扎渡水庫控制水位不變的情況下，隨著小灣汛前水位抬升，發(fā)電量有所增加而發(fā)效益下降。

4.2 應(yīng)對策略

根據(jù)4.1結(jié)果分析所述，為確保瀾滄江梯級電站發(fā)電效益最大，除了來水較枯的年份以外，在一個調(diào)度期內(nèi)，應(yīng)該將小灣、糯扎渡水庫的汛前水位盡可能消落至較低水平，汛末則蓄至正常蓄水位附近；在來水較枯的年份，應(yīng)該將小灣汛前水位盡可能消落至較低水平，汛末蓄至正常蓄水位附近，而糯扎渡汛前則不必消落過低。實際運行中，由于小灣、糯扎渡具有良好的大庫調(diào)節(jié)性能，在系統(tǒng)中承擔(dān)著兜底保供作用，發(fā)電序位靠后，難以按照發(fā)電效益最大的原則運行，因此，結(jié)合調(diào)度人員經(jīng)驗提出以下應(yīng)對策略：

一是建議在政策制定層面充分考慮小灣、糯扎渡大水庫在系統(tǒng)中承擔(dān)的蓄豐補枯的調(diào)節(jié)作用，在電價等方面做出補償，或安排小灣、糯扎渡水電站不參與電力市場化交易，上網(wǎng)電價按照統(tǒng)一電價執(zhí)行。二是全力保障省內(nèi)用電，以及借助南網(wǎng)大平臺動態(tài)統(tǒng)籌優(yōu)化西電東送計劃，汛前將小灣、糯扎渡水庫水位消落至死水位附近，汛期有序蓄水。三是科學(xué)安排水、火、風(fēng)、光多能源互補調(diào)度，合理控制大水庫關(guān)鍵水位，爭取梯級水電站多發(fā)枯期高價電。

綜上所述，由于枯期電價較高，適當(dāng)加大枯期電量，對于整個計算周期來說，雖然未能保證梯級電站發(fā)電量最大及汛枯比最小，但可以保證梯級電站發(fā)電效益最大，該結(jié)論與調(diào)度人員實際工作經(jīng)驗一致，本文所述的電力市場化環(huán)境下瀾滄江大水庫汛前水位控制規(guī)則是合理、可靠的，可應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，該方法具有推廣到其他類似流域梯級電站大水庫調(diào)度運行中的價值。