节能发电调度模式下梯级电站负荷分配方案研究

李坤军 ，张 龙，卫太祥 ，李 超

（1.华能西藏发电有限公司藏木水电厂，西藏山南856417；2.四川华能宝兴河公司水电有限责任公司，四川雅安625000）

节能发电调度模式下梯级电站负荷分配方案研究

李坤军1，张 龙1，卫太祥1，李 超2

（1.华能西藏发电有限公司藏木水电厂，西藏山南856417；2.四川华能宝兴河公司水电有限责任公司，四川雅安625000）

节能调度模式的提出，打破了传统的均衡调度模式，使电网的调度目标逐渐转向最大限度地减少资源、资源消费和污染物排放，促进电力系统高效、清洁运行。但是目前的机组调度排序并未考虑到梯级电站上下游之间紧密的水力电力联系，容易出现无益弃水或欠发电量的情况，为此以宝兴河中上游的硗碛、民治、宝兴、小关子为例，提出了梯级电站负荷分配的方案，并开发了相应的软件，以期更好最大限度地利用水力资源，服务于电网调度。

节能调度模式；统一调度；负荷分配；梯级电站；宝兴河

1 概述

为提高电力工业能源使用效率，节约能源，减少环境污染，促进能源和电力结构调整，保证电力工业的可持续发展，国务院特别颁布了《节能发电调度办法（试行）》，要求对各发电机组按照污染物排放、发电煤耗从小到大的顺序安排发电，以体现节能降耗。这样，传统的均衡调度模式逐步被打破，电网的调度目标逐渐转向最大限度地减少能源、资源消费和污染物排放，促进电力系统高效、清洁运行。

目前，宝兴河梯级电站采取分站调度的模式，即电网调度中心对每个电站单独下达发电曲线。由于各梯级水电站单独运行，而硗碛、民治、宝兴、小关子梯级电站（以下简称梯级四电站）中的民治、宝兴、小关子为无调节能力的径流式电站且上下游之间水力电力联系十分紧密，因此，极易出现上下游电站负荷不匹配而导致出现无益弃水或电量欠发，这无疑与节能调度模式的原则和思想不符。因此，在目前节能发电调度模式和原则下，研究四电站的统一调度方案显得十分有必要。

2 梯级电站概况

硗碛、民治、宝兴、小关子四电站位于雅安宝兴河上游河段，为首尾相接的梯级电站，4个电站之间无其他电站，水力衔接十分紧密。四电站规模适中，总装机容量700 MW，单机容量最小35 MW、最大80 MW。

硗碛水库为龙头水库，具有年调节能力，其余3个电站的水库库容小，调节能力差，见表1。

表1 硗碛、民治、宝兴、小关子四电站基本情况

3 当前调度方式下发电排序存在的问题

目前梯级四电站采取的是分站调度模式，即由电网调度中心直接对各电站下达日负荷曲线。在当前调度模式的机组发电排序中，无调节能力的水电站排在有调节能力的水电站之前，但是这一排序未能考虑到流域梯级上下游电站之间紧密的水力电力联系。

四电站上一级电站尾水紧接下一级电站水库，上、下级电站间水力联系十分紧密，所以上一级电站的运行方式直接控制着下一级电站，下游电站受上游电站特别是龙头水库硗碛电站运行方式的影响很大。由于各梯级水电站单独运行，且民治、宝兴、小关子为无调节能力的径流式电站，因此，如果不能有效匹配好上、下级电站间的发电负荷关系，当有调节能力的硗碛水电站负荷过大时，将造成下游的民治、宝兴、小关子无益弃水，使总耗水量增大；若硗碛水电站负荷偏小，民治、宝兴、小关子负荷偏大，便会导致下游电站无水可发而无法完成电网下达的发电任务的情况。

4 节能发电调度规则下梯级四电站负荷分配方案

4.1 梯级四电站间的水力及电力联系规律

梯级水力联系主要包括梯级来水比例关系及流量传播关系两方面。

4.1.1 来水比例关系

四电站多年平均入库流量的比例关系接近其所控制流域集雨面积比例关系，见表2。在实际运行过程中，硗碛电站的发电运行方式对宝兴电站的发电运行方式有控制性的影响。

表2 四电站间来水关系表

4.1.2 流量传播规律

在民治电站投产发电前，硗碛电站尾水出口与宝兴大坝之间存在一段约10 km的河段，长期运行观察的结果表明：硗碛负荷调整增加或减少的流量传播至下游宝兴电站时间为1.00~1.75 h。

宝兴电站尾水出口与小关子大坝之间存在一段长约4 km的河道，长期运行观察的结果表明：宝兴负荷调整增加或减少的流量传播至小关子宝兴电站时间为0.4~0.67 h。

4.1.3 梯级电站发电负荷电力联系规律

若四电站负荷正在平衡运行时，电网调度部门临时对某一个电站负荷做出实时调整，则其他3个电站也要做出相应的负荷调整，以使四电站间负荷达到新的平衡。在民治电站投产前，硗碛、宝兴、小关子三电站负荷调整关系如下：

1）当对硗碛负荷进行实时调整时，按照图1比例关系依次对宝兴、小关子负荷进行调整。

2）当对宝兴负荷进行实时调整时，按照图2比例和时间关系分别对硗碛和小关子负荷进行调整。

图1 对硗碛调整负荷时的比例和时间关系

3）当对小关子负荷进行实时调整时，按照图3比例和时间关系分别对硗碛和宝兴负荷进行调整。

图2 对宝兴调整负荷时的比例和时间关系

图3 对小关子调整负荷时的比例和时间关系

4.2 电站负荷分配方案

在上述背景下，为了合理利用各水电站水库间的水力联系及调节性能上的差异，充分发挥硗碛水库的调节作用，保证水库在枯水期按计划消落水位，优化配置水资源，合理分配厂间以及年内丰、平、枯期和日内峰、平、谷段电量，增发全流域梯级电量，提高流域整体的水能利用效率，制定了如下的四电站梯级负荷分配方案。

该方案将一年分为3个时段进行实施，即：①丰水期（5月26日至10月25日），由宝兴、小关子水电站平衡后的计划电量反推硗碛水库放水，以保证上下游电站出力、水量匹配，继而由硗碛水库放水确定硗碛、民治水电站的计划电量；②枯水期（11月26日至4月25日），根据硗碛水库的中长期运行方案确定的放水计划及区间流量情况，计算民治、宝兴、小关子电站的发电量，以保证硗碛电站按计划放空库容的同时民治、宝兴、小关子电站能完成发电计划；③汛前平水期（4月26日至5月25日）及汛末平水期（10月26日至11月25日），平水期要求将硗碛水库水位稳定在死水位（正常蓄水位），按照天然来水情况进行发电，因此在该时期，应该先根据流域水情预测，计算硗碛发电量，然后根据区间来水情况计算下游民治、宝兴、小关子水电站的发电量，以保证硗碛电站按计划稳定库水位的同时民治、宝兴、小关子水电站能完成发电计划。

针对各时段来水情况及硗碛水库运行方式的不同，采取不同的操作流程，保证四电站的出力、水量匹配，避免出现无益弃水及欠发等情况。

根据径流预测的日入库流量及区间流量，以日发电量最大或日发电收益最大为目标，以及电网调度约束，进行梯级水电站短期联合优化调度，并按日发电计划的编制要求，编制调整日发电计划并上报电网调度中心。

4.2.1 日发电计划编制方案

1）数学模型

以日为周期，考虑电网潮流分布、网内其它水火电站发电出力等因素，在由中长期优化调度方案确定的硗碛水位变化过程，以及预报径流、检修计划等条件下，确定梯级水电站日内发电出力过程，该出力过程满足以下要求：负荷曲线比照全网日负荷需求曲线确定；机组负荷应避开振动区运行；出力曲线尽可能均匀；可根据实际情况设定日发电水量。

2）目标函数

式中：E为梯级电站日发电量，MW·h；Ai为第i个电站出力系数；Qi，t为第i个电站在第t时段发电流量，m3/s；Hi，t为第 i个电站在第 t时段平均发电净水头，m；Mt为第t时段小时数；T为年内计算总时段数；N为梯级电站总数。

3）约束条件

①水量平衡约束

式中：Vn，t和 Vn，t+1为第 n 水库第 t时段和下一时段末的蓄水量，m3；Rn，t为第 n 水库第 t时段的平均入库流量，m3/s；Qn，t为第 n 个电厂第 t时段的发电流量，m3/s；Sn，t为第 n 电厂第 t时段的弃水流量，m3/s。

②梯级水电厂水量联系约束

式中：△tn-1为第n-1电厂到第n电厂的水流滞时对应的时段数；In，t为第t时段第n-1电厂到第n电厂之间的区间平均入流，m3/s。

③水库蓄水量约束

式中：Vn，min和 Vn，max为第 n 水库调度期内的所要求的最小蓄水量和最大蓄水量，m3。

④各水电厂机组过水能力约束

式中：Qn，min和 Qn，max为第 n 电厂调度期内的所要求的最小过机流量和最大过机流量，m3/s。

⑤各水电厂出力约束

式中：Ni，min为第i个电站的允许的最小出力，MW（取决于水轮机的种类与特性）；Ni，min为第i个电站的装机容量，MW。

⑥日负荷曲线特征参数约束

式中：Ni，t为第i个电站在第t时段的出力，MW；N′i，t为选取的典型日第i个电站在第t时段的出力，MW。

⑦变量非负约束

上述所有变量均为非负变量。

4.2.2 日负荷的优化分配

日负荷优化分配模型，即在电网给定梯级水电站总出力的前提下，充分考虑梯级水电站间水量平衡、上下级电站间的水力联系等约束条件，考虑入库径流、机组运行工况等因素，机组发电出力满足加减负荷速率要求（包括电网提出的爬坡率要求），考虑设备检修计划、送出限制等的影响，以龙头水库日耗水量最小为原则，在硗碛、民治、宝兴、小关子水电站之间合理分配梯级总出力。

1）目标函数

2）约束条件

①电网负荷平衡

梯级水电站的发电负荷必须是根据系统需要来决定的，在每日发电计划下达时，电网调度中心会给出一个梯级水电站群总的发电计划曲线，在每一个时段t内，该梯级水电站群的发电负荷是一个确定的值。

其中：Pti为第i电厂第t时段内的出力；Pt为系统在

禁止养殖区按主要功能划分为生物多样性维护生态保护区、饮用水水源保护区、城镇规划控制区、基本农田保护区、河流渠道公共水域等五类。该区总面积约为884.36平方公里，约占全市国土总面积40.97%。

第t时段内对梯级总的出力要求。

②水量平衡

③电站出力约束

④电站水量限制

其中：Vmnin和Vmnax为第n个电站的最小库容和最大库容。

已知条件有：梯级总的出力过程Pi，各水库的来水过程qin，以及各水库的初始库容V0n。

3）求解方法

可采用遗传算法求解。

4.3 电站负荷分配方案的软件实现

基于以上分析，研究开发了梯级四电站的负荷分配软件，且该软件写入电网SGOSS系统（即智能电网决策支持系统）和宝兴河流域水情自动测报系统，为电网调度部门端和宝兴河公司梯级集控端提供双向服务和支撑。负荷分配软件包括负荷实施分配模块及发电日计划模块。

4.3.1 日发电计划分配模块

根据硗碛水库运行计划及各站来水预测，则根据梯级负荷匹配原则，在满足各站约束特别是电网低高比及潮流约束条件，自动计算分配各电站的日96点负荷曲线，并生产报价文件。

4.3.2 实施调度调整模块

可自动获取各电站的未来预报流量、出力计划等信息，滚动预测计算未来各电站的坝上水位过程，并对弃水、库蓄水量不足等异常信息进行预警，为调度人员调整负荷提供决策参考依据。各电站的未来水库运行状态、预警提示信息等可在界面直观展示。调度人员可直接在界面修改任意时间、任意电站或梯级的负荷值，并自动匹配计算其余各电站的负荷调整方案。具体描述如下：

在当前状态下，若调令下达三电站总负荷调整值，则根据三电站当前运行状态和来水趋势预测，按照三电站间存在的水力、电力联系规律，将调令要求的总负荷调整值合理分配给硗碛、宝兴、小关子三电站，使三电站能均衡、稳定运行至下次调令调整时。

在当前状态下，若调令下达某一电站负荷调整值，则根据三电站当前运行状态和来水趋势预测，按照三电站间存在的水力、电力联系规律，以保持三电站间水力、电力匹配，不产生超发电量、发电量和弃水为原则，计算分析另二电站相应需调整的负荷值、调整负荷的时间。

5 结语

1）通过梯级电站负荷分配软件的应用，在节能发电调度模式下，发电计划编制更加合理，有利于电网计划和调度部门按计划安排负荷，有利于水资源的高效利用。

2）在实时调度过程中，应用梯级电站负荷分配软件，使梯级电站优化运行做到实时、滚动，为梯级水电站短期优化调度提供重要的决策支持。

3）待民治电站投产后，将民治电站接入软件，使系统进一步完善。

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2015-09-20