东北电网水调自动化系统功能及构架探讨

2011-08-18冯雁敏陈守峰张雪源

东北电力技术 2011年9期

冯雁敏,陈守峰,张雪源

(1.东北电力科学研究院有限公司,辽宁沈阳 110006;2.东北电网有限公司,辽宁沈阳 110180)

水调自动化系统是电网调度自动化系统的重要组成部分,进行与水库运行有关的监测、预报、调度和管理,是确保水库安全、经济运行的技术支撑。系统依靠先进的数据采集、通信传输和计算机应用等技术,及时准确地获取水文、气象、水库、电力等运行信息,应用计算机技术及数学优化理论进行在线水文预报、优化调度和水务计算管理等,提供包括防洪、发电、航运、灌溉、供水在内的优化调度决策方案,实现水电厂和电网调度自动化、经济化[1-7]。目前,网省级以上水调自动化系统的数据采集、网络通信及数据服务、专业应用都能无缝地集成在一起,人机界面的应用基本满足用户功能需求,但高级应用功能的实施普遍有一定差距,只有完善高级应用功能才能更好地发挥水调自动化系统的作用,以实现水能资源的高效利用。

东北电网水电装机容量不足全网总装机容量的10%,随着风电的迅速发展,电网调峰矛盾日益突出,水电在电网中的作用和任务越来越重[8]。东北电网水电站群之间由于存在着复杂的水力、电力联系以及受诸多不确定因素和非线性约束条件的影响,其优化调度是一个复杂的非线性、非凸的优化问题。

水电能源优化调度关系到电网安全、稳定和经济运行,是水调自动化系统中不可或缺的决策支持。建设完善水调自动化系统可提高东北电网水电整体质量和效率,可充分发挥水电调峰、调频、事故备用及防洪、灌溉等多种作用,实现整个电网的经济优化运行及节能增效。

1 东北电网直调水电厂联合优化运行

1.1 直调水电厂概况

东北电网直调水电厂包括白山、丰满、云峰等13个水电站,跨流域分布在松江河、第二松花江、鸭绿江和嫩江等流域,构成串并联混合梯级水电站群,水库、电站类型多样,水力、水流连接复杂,时、空、水、电耦合关系复杂,各电站特性参数见表1。

表1 东北电网直调水电厂特性参数

1.2 水电站群联合运行的必要性

a. 满足安全防洪度汛的要求

流域降雨在时间和地区分布上存在着差异,利用各水库调节性能的不同,通过水库之间的削峰、错峰可提高流域梯级整体的防洪能力。

b. 实现发电效益最大化的需要

梯级电站间有紧密的水力、电力联系,各电站发电效益受上、下游电站的影响。电站群联合运行可进行全流域负荷的二次分配,可使龙头水库的调节作用得到更充分发挥,从流域整体水能利用率最大化角度出发,合理分配各梯级负荷,实现发电效益的最大化。

1.3 关键问题探讨

东北电网直调水电厂联合优化调度是很有特点而又非常复杂的,应做具体研究。

a. 常规机组与抽水蓄能机组并存。白山抽水蓄能机组的投运,相当于参与了上下库间的流量调节,使优化调度模型的描述与求解变得更为困难,但混合式抽水蓄能电站有其独特的优势,在供水期蓄能机组抽水时可提高上库水位和发电水头,在蓄水期只作发电运行,以补偿装机不足,减少弃水,可获取比单一式抽水蓄能电站更大的效益。应开展混合式抽水蓄能电站在梯级电站中优化调度相关研究,实现梯级电站效益最大化。

b. 水流、水力连接复杂。由于松山水库跨支流引水和白山抽蓄机组的存在,使水流系统出现分流与回流,且下游水库回水会影响上游电站的发电水头,当上下游电站的距离很短时这种影响尤为明显。主要表现在以下3个方面:①当电站担负调峰调频任务时,其出力和流量变化较大,以致在下游形成水位、流速急剧变动的不稳定水流,这将引起发电水头的变化,影响电站运行的经济性。应开展计及下游不稳定流影响的电站日最优运行模型和求解方法的研究;②梯级电站水流时滞影响梯级电站运行的水量平衡和最优化运行原则,应开展考虑水流流达时间影响的梯级电站最优运行原则及计算方法的研究;③对于日调节水电站,水库面积小,水头低,用水量变化对库水位变动影响明显时,将对电站水头产生不容忽略的作用,需要在制定最优运行方式时予以考虑,应开展计及库水位影响的水电站群日最优运行研究。

c. 涉及跨国利益。一个水电站中既有中国的机组又有国外 (朝鲜)的发电机组,这在我国目前也仅在东北电网中存在。如何均衡两国之间的利益关系,使水电站的效益最大化是一个很值得研究的课题。

2 水调自动化系统总体构架

2.1 系统构成

水调自动化系统是集信息采集、水文预报、水库调度、会商查询为一体的水库调度作业系统,应由水情测报系统、数据采集监视处理系统、数据中心及数据库管理系统、通信网络系统、高级应用系统、应用服务平台组成。

a. 水情测报系统

水情测报系统应用通信、遥测及计算机技术,完成流域内降雨量、水位、流量等参数的实时收集和处理,为防洪、供水、发电等优化调度提供基础的数据支持,以实现流域水资源优化配置。

b. 数据采集、监视、处理系统

数据采集是指水情、气象、机组、电站、水库及电网运行数据的采集。实时数据监视主要监视与水库调度有关的雨水情、机组发电、闸门泄流等实时数据。数据处理是指对采集的各类水文、机电、气象数据进行整理、计算及存储。

c. 数据库及数据库管理系统

数据库负责各种数据的存储、调用等,提供各种通用的数据访问服务。数据库分为实时库与数据中心两大类,前者负责存储各类实时数据,后者负责历史数据的统筹管理和存储。数据库管理包括数据录入、数据备份、数据库备份、用户管理等。

d. 通信网络系统

通信网络系统负责各种水调信息的传输,各种数据通过该系统向上、向下传递并在整个水调自动化系统中共享与交互。监控或调度信息往往实时性要求较高,应建设高速数据总线以满足数据监控、导入导出、决策分析的需求,高速数据总线贯穿水情测报系统、数据中心、决策支持系统及应用服务平台,提供统一的纵向实时数据源支持。

e. 高级应用系统

高级应用泛指利用基础数据,通过计算获得梯级水库调度所需的数据或调度等方案的应用。主要包括水务计算、实时洪水预报、调洪演算、中长期水文预报、防洪优化调度、发电优化调度、水情特征值统计分析等。

f. 应用服务平台

应用服务平台是系统最终的信息界面,各种类型的应用服务均可在此进行结果展示与信息互动。如会商查询、防汛决策指挥、培训仿真、调度值班日志、信息报警、Web发布、信息查询、业务报表、远程查询及诊断、人机界面编辑等。

2.2 信息流程与处理

图1 信息流程结构

水情测报数据是水调自动化系统的基础数据源,经通信网络传输后,汇总至数据中心,对于实时性要求高的数据由实时数据库管理,而历史数据则由数据中心分析存储。各种数据服务汇总至决策支持系统后,由功能模块对各种信息进行分析处理,形成平台需求的最终信息结果,并以多种客户端表现形式展现给用户,并通过应用服务平台与网调、梯调、上级防汛单位等外联部门进行信息交互。水调自动化系统信息流程与处理结构见图1。

3 高级应用系统

3.1 建设内容

水调自动化系统高级应用是实现水能高效利用的重要技术手段,不仅要有理论先进、具有实用性和可操作性的技术支持体系,还必须建立在一定的设备装备基础上,要有先进的计算机监控系统、水情自动测报系统、水调自动化系统等。系统应包括以下功能:①雨、水情分析;②水文预报;③洪水预报调度;④发电调度;⑤负荷预测;⑥效益考核与风险分析。

3.1.1 雨、水情分析

雨、水情分析提供流域雨水情数据的显示分析资料。包括水位过程线、雨量柱状图、流量过程线、暴雨等值线图、雨洪对应图、运行综合图、水位对比过程线、水库调度图等模块。

3.1.2 水文预报

水文预报是在掌握流域水文、气象信息基础上,对未来水情变化进行的预测。来水预报功能支持对前期和实时水文气象要素的分析比对,提供多种数值预报方法,实现对水文要素未来趋势和过程的准确预报。根据预见期的长短,分为短期实时洪水预报、水文预报、中长期径流预报。水文预报为电站优化调度和防洪决策支持提供来水依据。

3.1.3 防洪优化调度

防洪优化调度研究水库群承担其下游共同的防洪任务时的洪水调度方法,并对各水库的蓄洪泄洪次序作出决策。防洪调度目标是在确保各水库安全的前提下,实现最大限度地削减入库洪峰,使得本级以下水库入库过程尽可能均匀,并尽量减小弃水,提高水能利用率;在遭遇不可避免的洪水淹没时,使总淹没损失尽可能减少。防洪调度应具有单库、梯级常规调度功能及梯级防洪优化调度会商功能,以更好地满足水库群防洪优化调度需要。

3.1.4 发电调度

发电调度是根据水库入流过程和综合利用要求,考虑水轮机组的运转特性、电站的动力特性,制定电站及其水库最优运行方式,以实现效益最大化。发电调度可分为以下几类。

a. 厂内经济运行

厂内经济运行的基本任务是根据机组及电站的动力特性,在满足负荷或总耗水量情况下,确定厂内工作机组的最优台数、组合及启停次序,并将负荷 (或流量)在机组间实现最优分配,以获得尽可能大的经济效益。常用的优化准则为当水电站负荷给定时要求耗水 (能)量最小,或可耗水量一定时力求发电量最大。

b. 短期优化调度

短期优化调度是将1天 (或1周)内的来水按用水部门的需水过程进行径流的重新分配。短期优化运行优化准则分为2类:一是水电系统总耗水(能)量最小,或系统在计算期末总蓄能量最大,或让等值火电发电量 (发电费用)最小,当已知日负荷计划时,优化有调节性能水电站的用水量,使得在控制期内水电站群耗水 (能)量或发电费用最少;二是发电量 (效益)最大准则,即已知水电站群各水库的初始水位和控制期内的用水量,根据有调节性能水电站的可动用水量优化各水电站的出力过程,以使电站群的总发电量 (效益)最大。

c. 中长期优化调度

水电站中长期优化调度是研究水库在较长的时期 (季、年及多年)内的最优运行方式的制定和实施等问题,主要是通过建立水库调度过程的数学模型进行研究。按径流描述方法分为确定性模型和随机模型;按目标的选定情况分类分为单目标最优和多目标最优。

d. 水火电联合调度

电力系统的变动负荷及调峰调频任务一般由水电和火电共同承担。水电通过2条途径减少燃料费用:通过增加发电量,而使火电减少发电量,以降低其燃料费用;通过承担变动负荷,改善火电站运行条件,降低煤耗率,以减少其燃料费。这是相互矛盾的2条途径,即水电站承担变动负荷越大,其调节损失越大,发电量越小,相反,水电站的日负荷曲线越平缓,则发电量越大。水火联调实质是在各水电站和等效火电站间的负荷最优分配问题,即如何最好地协调解决好相互矛盾的各种作用,以使电力系统总的费用支出最小。

e. 水务报表

水务报表进行与水库调度有关的水务报表计算。包括出入库流量计算、水库调度日报表、旬(周)报表、月报表及年报表计算、智能报表等。表格格式可以固定,也可以自由组合。计算指标包括库水位、尾水位、水头、库容、机组出力、出库流量、发电量、降雨量等。水务计算程序由水务计算配置程序、水务计算编辑程序、算法文件、计算函数等构成。

3.1.5 负荷预测

负荷预测是电网运行计划和发展规划编制的前提,是电网运行控制和管理决策的基础。目前,常用的预测方法有时间序列分析法、混沌预测法、专家系统法、神经网络法及小波神经元网络法等。负荷预测的主要指标是准确度,但影响电网负荷变化的因素众多,很难用一种数学模型将各种影响因素及其规律进行有效归纳,其精度受到很大限制。因此,根据影响因素和负荷变化规律的不同分别建立不同的模型,使模型能够比较好地适应因素改变,从而保持模型有较高的预测精确度。

3.1.6 效益考核及风险分析

水电能源优化调度效益考核是对水电运行及调度的效益进行分析、考核和评价,可从中总结经验和教训,提高未来运行与调度的水平。经济运行指标计算模型应遵循相应的国家或行业标准。水电站运行存在许多不可预见因素,会对水库调度带来风险,包括:来水风险、决策放水风险、发电效益风险。而来水风险起决定性作用。风险决策分析的目的就是采用相关方法对产生风险的各种可能的误差进行分析和评估,找出风险效益匹配或风险偏好最合适的决策方案。

3.2 各功能之间联系

这几个问题紧密相连,一种运行方式的合理制定与其他运行方式的制定密切相关。水文预报和负荷预测是水库调度和决策的基础。短期水文预报用于实时发电计划、防洪和水文限制;中长期水文预报主要用于发电计划、多年水库管理、水库群多年水量平衡。厂内运行方式所研究问题局限于厂内,短期、长期运行方式均属于厂间运行方式问题。短期运行方式的特点是已知日用水量或已知日负荷曲线。长期运行方式的特点为未来径流来水未知,采用随机过程描述,许多因素都带有随机性和不确定性。

在研究水电站最优运行方式的基本资料及所满足的原则和条件时,须从厂内问题开始,在解决厂内最优运行方式问题的基础上,得到水电站优化动力特性曲线,进而研究短期运行问题,得到的水电站时段 (短期)平均动力特性曲线,最后研究解决长期最优运行问题。在实际编制运行方案时,则应首先制定长期最优运行方式,以确定水电站短期日用水量,再制定短期最优运行方式,将日用水量(或日发电量)最优地分配到各瞬时,以确定各瞬间的电站负荷,最后制定厂内最优运行方式,以确定最优的开机台数、开机次序及机组间负荷最优分配。水调自动化系统高级应用中各种运行方式的关系如图2所示。

4 水调自动化系统业务实施流程

图2 高级应用系统中各种功能间的关系

水库调度业务流程最初从气象预报工作开始,专业气象台需做出短期 (1～3天)和中期 (周、旬)天气预报,水调自动化系统利用已建成的水情自动测报系统和能量管理系统系统,对水情、雨情、气象等实时数据进行自动采集和分析,逐日进行水务综合管理、滚动进行水文预报和水库优化调度等,提供满足防洪、发电及其他综合利用要求的水库调度决策,支持单个水电站和水电站群的经济调度,负责实现与上、下级调度系统通信,并接收上级防汛部门调度指令。

发电调度优化基本上是 “以水定电”的过程,即在一定的调度时间内给定水库库容期初或期末的状态,根据水库来水情况及其他约束条件,选择调度期内用水策略,使发电运行全过程达到最优,其具体步骤是:首先,从水情系统读取给定的用水量,然后结合前几日实际发电曲线和电网负荷曲线,以使目标函数最优为目标,满足全部约束条件,对数学模型进行优化迭代,得到水电站群的发电生产过程线,经过技术人员修正,上报网调;在收到网调下达的发电调度计划后,如果满足约束条件,再根据 “以电定水”的原则,分析负荷曲线;如果满足全部安全约束条件,以耗水量、耗能量或耗煤量最小为目标进行优化分配,制定出分解的发电调度计划,下发到各厂执行。同时,进行下一轮的优化发电计划计算,从而形成一个闭环的控制系统。经过不断的优化和修正,尽可能提高流域水能利用效率,实现流域梯级各水电站发电机组的联合经济运行。水调自动化系统业务实施流程见图3。