中长期水火电联合补偿调度系统设计与开发

苏华英，廖胜利，王国松

（1. 贵州电网公司电力调度控制中心，贵州 贵阳 550002；2. 大连理工大学，辽宁 大连 116024）

2006年通过我国中长期发展规划纲要提出新世纪我国能源战略的8个要点，其中将节能放在第一位。作为各行各业、千家万户广泛利用的二次能源，电力是社会经济发展的基础动力；作为高耗能行业，电力同时也是我国节能减排的重点，其节能降耗工作潜力巨大，前景广阔。贵州是西电东送的主要输出地，肩负着向广东、广西、湖南、重庆送电的重要任务。作为南方电网公司重要组成部分，由于网内各个省网间电源结构差异，水能资源分布时空不均，以及发电用煤供应影响，贵州电网对于平衡网内的负荷与用电有重要的突出作用。近些年来，随着国家西电东送战略目标的逐步实施，贵州电网电力建设迎来飞速发展时期，截至2013年底，贵州电网统调装机3 514万kW，其中，火电装机2 100万kW，占59.8%；水电装机1 279万kW，占36.4%。

在实施贵州电网中长期水火电联合补偿调度过程中，既要进行中长期负荷预测，又要进行全网各流域来水预测及煤情预测；既要从电网整体角度考虑电网的电力电量平衡过程，又要兼顾考虑机组的检修计划。对于如此庞大规模的系统，依靠传统经验，已经无法胜任其复杂运行调度管理的需求[1]，迫切需要开发具有很强经济性与实用性的贵州中长期水火电联合补偿调度系统。

1 系统设计开发策略

根据国家能源政策，在保证电网安全运行的前提下，结合贵州电网的特点，系统设计过程中考虑优先利用水能资源，尽可能安排能耗低的火电机组参与发电，充分发挥水电的调节作用，以节约煤炭资源，使电网的运行与管理建立在更加科学的基础上，切实提高计划和实时运行的决策水平，更好地发挥电网的经济运行效益。

由于在中长期计划制作过程中要考虑的因素较多，很多数据输入与约束设置既要参考历史数据又要引入人工智能，通过人工经验的方式输入[2]。因此，贵州水火电联合补偿调度系统在设计过程中主要着眼于系统的实际需要，重点对系统总控界面，各子系统的分控界面及各个环节的操作流程和数据流程进行设计。模型研制、选择及界面设计都从电网调度的实际情况出发，遵从电网调度的实际需要，使系统切实可用于实际中长期计划制作。以此为基础，利用当前广泛应用的面向对象程序设计技术，在J2EE平台下，利用Eclipse程序设计工具，成功设计开发了功能齐全、界面友好、操作灵活、信息丰富，具有很强经济性与实用性的贵州中长期水火电联合补偿调度系统，可迅速完成从负荷数据提取，径流描述设置，调节计算到电力电量平衡的中长期方案制作、修改、选择的全过程。系统强大的技术支持和节能原则为调度人员直接进行中长期方式制作提供了方便条件，为决策者选择更合理的方案提供了有效的决策支持工具。

2 系统结构及组成

2.1 系统结构

基于J2EE平台，整个系统结构以Web服务器和数据库服务器为中心，前端采用Java核心技术——Applet设计的图形界面对系统进行管理、操作，Java Applet由于其安全性及与平台无关性被广泛应用于电网、银行等企业大型系统设计。图1给出了贵州电网水火电联合补偿调度系统的总体结构。

图1 贵州电网水火电联合补偿调度系统的总体结构Fig. 1 The whole structure of hydro-thermal combined compensation dispatching system in Guizhou power grid

从图1可以看出，系统分为3层：表示层、业务逻辑层和数据支持层。表示层为用户提供一个在浏览器里显示的交互界面；业务逻辑层是所有的调度计划制作功能模块的集合；数据支持层负责业务逻辑层中所用数据的持久存储。其中表示层和业务逻辑层通过Java Servlet进行连接，业务逻辑层通过JDBC Pool对数据支持层进行读写操作，这样3层就连成了一个完整的体系结构。中长期计划制作时表示层（Applet）下载到浏览器端与用户进行交互，通过事件响应，把用户指令通过网络提交给Web服务器，再由业务逻辑层对指令和数据支持层进行交互处理，最后将处理结果返回到浏览器端以表格或图形的形式显示给用户，就这样多次往返地提交响应来完成整个调度计划的制作。

系统在负荷库、径流库、检修库、系统库及水调遥测库等数据库的支持下运行，实现从负荷数据提取，径流描述设置，调节计算到电力电量平衡的中长期方案制作的全过程。

2.2 系统组成

中长期方式的制作过程主要包括负荷提取、径流描述设置、水电调节计算、火电电量平衡计算及系统电力平衡计算几个环节，因此贵州中长期水火电联合补偿调度系统在开发过程中设计成由方案管理、负荷提取、电站选择、径流描述、调节计算、负荷平衡、报表管理及数据管理8个功能模块组成。这8个模块由系统总界面来控制管理，各功能模块之间采用设计好的专用数据模块控制数据结构进行数据交换，通过对“窗口”，“对话框”，“菜单”，“按钮”等图形画面和符号的操作来实现系统拟达到的功能。下面简要介绍几个主要模块的功能。

1）方案管理。系统采用多方案管理模式，用户可以对方案进行新建、查看、选择、比较、删除及复制等操作，为用户在考虑不同情况下方便地制作多个方案，然后根据经验与需求选择执行方案。

2）电站选择。用户可以选择某些水电站参与调节计算，对于不参与调节计算的水电站、基础资料不全的水电站及中小水电站（在贵州电网中占有比重很小），可以根据历年资料或个人经验人为设置其发电量。

3）径流描述。从中长期径流预测系统数据库表中获得各水库的径流数据，为水电站调节计算提供区间入库流量数据。用户可以选择提取模型预报或频率预报的径流结果，当然也可以参考历史年份，或者根据经验进行人工输入或干预。

4）调节计算。考虑各种约束条件，选择最小出力最大、系统保证出力约束下发电量最大或梯级蓄能值最大为目标对乌江水电站群进行调节计算，以确定各电站调度结果，包括月末水位、各时段发电量、梯级蓄能值等，同时根据系统负荷需求对火电站按一定规则进行电量分配。

5）负荷平衡。由于水电机组振动区约束，火电机组爬坡速度要求等限制，当系统电量达到平衡后，电力可能无法平衡，通过电力平衡结果来检验调节计算中电量平衡结果是否合理，包括年典型日负荷平衡和8760负荷平衡。

6）数据管理。主要是对电网数据、水库数据及电站数据进行管理，为系统运行提供基础数据维护。通过简洁的人机交互界面，便于用户添加、删除、修改电站及其相关信息，以适应贵州电网新投产和竣工水火电机组较多的发展情况，保障系统能够适应电网今后的运行管理。

3 系统关键技术

3.1 多方案模式的设计

对于中长期预测，无论是负荷预测、全年来水预测，还是缺煤预测，现阶段预测结果的精度都不是很高，但是在中长期调度计划的制作过程中，却难以回避这些问题。因此，系统设计过程中，采用了多方案管理模式，如用户可以根据不同的来水预测分别针对丰水、平水及枯水情况制作不同的调度方案，决策者根据经验与需求选择一个满意的方案作为执行方案或上报方案。

多方案模式设计为方案复制提供了可行性。由于中长期方案制作过程中需要设置的数据与约束条件较多，当要参考历史年已有的方案时，为避免过多的重复操作，系统设计了方案复制功能。该功能可以让用户将参考方案的基础数据设置，约束条件设置及方案结果复制并生成一个新方案，这样既可以最大限度地利用已有资源，又能避免数据或约束设置过程中出现错误。方案复制是通过SQL语句复制数据库表记录实现的，所有操作在同一个事务中完成，保证了方案数据的完整性与一致性。

3.2 人机交互决策方式

中长期方式制作是一个考虑因素较多，涉及信息丰富的决策过程。无论是从负荷设置、径流设置，还是调节计算或电力电量平衡过程都需要调度员有较丰富的经验。系统采用一体化决策支持系统设计，建立了强大的人机交互体系，界面友好，可视性强，人与机器交互以控件事件进行驱动。系统将人机交互与约束设置、优化求解有机地结合起来，充分发挥和利用调度员的经验，使求解效率与解的质量得到大幅提高，同时使求解过程能够真正应用于实际。

3.3 合成虚拟水电站建模

截止到目前，乌江流域是我国十二大水电基地中，开发和建成大中型水电站最多的梯级水电站群，即将面临全流域梯级水电站竣工投产。由干流和主要支流水电站群组成的水电系统构成了规模庞大的复杂串并混联式水电系统，在计划制作与实际调度过程中，面临维数灾问题[3]。在模型设计过程中，采用虚拟电站简化支流梯级水电站群及干流径流式水电站建模。乌江梯级已建成主要水电站（共计12座）如图2所示，红枫梯级中，一级为年调节水库，二级为多年调节水库，其他为日调节水库，干流上索风营为日调节水库。在建模过程中将红枫一级当作一个电站，二级到六级合成一个虚拟电站，干流上将东风和索风营合成一个虚拟电站，这样就人为地将整个梯级简化成仅由7座水电站组成，达到降维求解的效果。在求解结束后，将这些合成的虚拟电站拆开，以获得各个电站的实际调度过程及计算结果。

图2 乌江梯级水电站关系图Fig. 2 The relation of hydropower stations in Wujiang Basin

3.4 火电分配及火电调峰

贵州电网统调的火电装机约占系统总装机的60%。当水电调节计算完成后，水电站各时段的平均出力及电量均已确定，系统未平衡的电量通过一定的规则分配给火电站。在对火电站电量分配过程中，采用了以下几种规则：按煤耗率从小到大，按用户自定义的负荷率，按可用容量的比例或按自定义顺序。实际计划调度过程中，各个电站都有负荷率上下限制要求，既避免分配不公平，使电站未分得电量，又避免电站负荷率接近1.0，完全没有调峰能力。根据国家能源政策，应该优先考虑让能耗低的火电机组参与平衡，因此系统默认方式是按煤耗率从小到大的顺序进行分配，让煤耗率小的机组与电站尽量多发电量。

贵州电网由于火电占有比重较大，面临着向外送电的艰巨任务，同时系统负荷峰谷差问题严重，电力电量供需矛盾突出，在电力平衡过程中即使所有水电站均参与调峰，仍无法满足系统的调峰要求，火电站需要协助调峰。但是燃煤火电机组由于启停机时间长，增减出力速率（爬坡速度）小，出力变化过程中要额外消耗燃料，因此要对火电调峰方式作一些改进。这里采用递级火电调峰方式，其基本原理是在火电站出力安排过程中，采用负荷控制的办法，将电站给定的持续时段数n（电站一旦达到某一出力，则必须以该出力持续运行n个时段）和爬坡速度约束附加在剩余负荷图上，得到新的负荷图，然后让火电站在新负荷图上进行平衡[4-6]。这样，既能保证火电站相邻时段出力差满足爬坡速度要求，又保证了火电站全天各个时段出力尽量均匀。在对贵州电网历史负荷数据平衡发现，当持续时段取3 h，爬坡速度取电站可用容量的0.20倍时，在避免水电站弃水调峰的情况下，基本满足系统调峰要求。

4 结语

1）所建的贵州中长期水火电联合补偿调度决策支持系统实现了从负荷数据提取、径流描述设置、调节计算到电力电量平衡的全过程，可迅速为调度人员和决策者提供科学性强、经济合理、内容丰富、形象直观的中长期调度信息。同时系统在设计开发过程中以国家能源政策为依据，具有环保和节能的功能。

2）无论是系统的结构、操作流程或是数据流程设计都充分考虑了电网的实际特点。系统把基础数据提取，约束条件设置，调度方案的制定、选择跟计算机技术融为一体，方便地实现了各个环节的人机交互，充分发挥人和机器的特点，提高了中长期调度方式制作的灵活性，增加了决策的科学性和经济性。

3）系统软件开发采用了当前广泛应用的面向对象的程序设计技术（OOP）来作系统分析、系统设计和程序设计，使得应用软件具有良好的可重用性、可靠性和界面的一致性，特别便于系统软件的维护、再开发。

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