基于水能综合经济指标的水电厂经济运行研究及应用

王利杰，刘兴伟

（1.华电电力科学研究院，浙江杭州310030；2.华电四川宝珠寺水力发电厂，四川广元628003）

基于水能综合经济指标的水电厂经济运行研究及应用

王利杰1，刘兴伟2

（1.华电电力科学研究院，浙江杭州310030；2.华电四川宝珠寺水力发电厂，四川广元628003）

提出水能综合经济指标，作为实行分时电价的水电厂的运行管理指标，更能体现水能资源的经济效益。建立基于水能综合经济指标最大准则的水电厂经济运行优化模型，并考虑电量约束比限制，利用动态规划算法进行模型求解。实例应用表明，该模型适用于实行分时电价的水电厂，可提高电厂发电效益，实现水能资源最大化利用。

水能综合经济指标；电量约束比；经济运行；水电厂

0　引言

分时电价是一种用户需求侧电价，作为需求侧管理（Demand Side Management，DSM）的一种重要手段在世界各国得到了广泛的应用［1～3］，分时电价的实行对我国能源政策及能源产业的发展具有重要现实意义。

具有年调节能力的水电厂，其分时电价包括丰枯电价和峰谷电价，通常采用耗水量作为运行管理指标，但是该指标未涉及电价因素，无法直接反应电厂运行管理的经济效益。实行分时电价的水电厂可采用水能综合经济指标，即单位水量创造的经济价值，代替耗水率作为运行管理指标，能够直观体现出水电厂的运行经济效益。因此，基于水能综合经济指标最大准则进行水电厂经济运行优化研究更加有利于提高水电厂经济效益和管理水平。

1　经济运行模型研究

式中θ—水能综合经济指标，元/m3；

pt—第t时段的上网电价，元/kW·h；

T—调度时段数；

n—机组台数；

Δt—单个时段长度，h；

Ni（t）—t时段第i台机组的出力值，kW；

Qi（t）—t时段第i台机组的发电流量，m3/h；

Δt′—单个时段长度，h；

wi（t）—t时段第i台机组的开停机耗水量，m3。

1.2约束条件

（1）负荷平衡约束：

以实行分时电价的水电厂所在流域以及所处电网中担任的角色和发挥的作用为出发点，综合考虑水文预报信息、电网负荷需求、电量约束比以及电厂自身的运行检修计划等因素，根据系统分配给电厂的次日发电量以及电厂目标电价，考虑机组特性等限制，确定工作机组的最优台数、组合及机组间负荷的最优分配，给出电厂的日计划曲线、相应机组开停计划、水库水位日变化曲线、最优机组组合及机组间负荷分配方案，从而使水电厂水能综合经济指标最大。

1.1目标函数

水电厂厂内经济运行水能综合经济指标最大数学模型描述如下：

式中E—发电量，kW·h。（2）上游水位约束：

式中Z—运行水头，m；

Zmin，Zmax—分别是上游水位在各个时期的上、下限，m。

（3）机组出力约束：

式中Pmin，Pmax—第i台机组的单机出力上、下限，kW。

（4）机组发电流量约束：

式中Qmin，Qmax—第i台机组的最小、最大发电流量，m3/h。

（5）峰平谷电量约束比

每日峰平谷各时段的电量约束情况根据电网要求输入。

2　模型求解

基于水能综合经济指标最大的水电厂优化运行问题主要解决以日为调度周期、以15min（或1h）为计算时段的水电厂日调度计划编制问题，为水电厂上报次日发电计划提供参考。根据上级部门给定电厂总发电量和国民经济其它部门综合利用要求，结合短期来水和人工负荷预测信息，考虑电厂水量平衡、机组调节性能等因素，建立以水能综合经济指标最大为目标的日发电计划优化模型并利用动态规划算法［4］进行模型求解。水电厂水能综合经济指标最大优化，即次日电厂发电计划编制过程如图1所示。

具体操作步骤如下：

步骤1：根据短期预报来水和水库的日初、末水位，由水量平衡求出平均出库流量；由平均出库流量、下游电厂的坝前水位求出电厂的下游水位，进而计算出各个时段电厂毛水头。

步骤2：将给定的平段负荷比例范围以5%的步长进行离散；

步骤3：由电厂次日总发电量、高低比、平段负荷比例等参数计算出各个阶段的发电量；

步骤4：将早高峰发电量在0至峰段最大发电量值之间以1万kW·h为步长，进行离散，进而求出电厂在各个时段所分配到的出力，即得出一种可能的日负荷曲线形式；

步骤5：在步骤四求出的日负荷曲线下，按照当前时段水头下的机组预想出力将负荷分配到各个机组，在负荷分配同时考虑机组特性、来水等约束条件，对于不符合约束的情形予以修正；计算出当前情形下的水能综合经济指标；

步骤6：依次选取不同离散值重复步骤3至步骤5，计算出各自情形下水能综合经济指标，并比较得出最大的水能综合经济指标以及当前情形下的日负荷曲线以及机组开停机指导；水能综合经济指标最大优化完成。

3　应用分析

某实行分时电价的水电厂具有年调节能力，装机容量4×175MW，设计水头84.4m，设计年平均发电量23.5亿kW·h。以该水电厂所在流域和所处电网中担任的角色和发挥的作用为出发点，采用水能综合经济指标最大准则建立经济运行优化模型，利用java语言开发基于分时电价的水电厂经济运行系统实现模型求解，协同界面如图2所示。

图1　水能综合经济指标最大优化模型求解流程图

表1　某水电厂丰水期电价

该水电厂在某丰水期电网系统分配的次日发电量为707万kW·h，峰平谷电量约束比约为1∶1∶0.8。该厂丰水期电价见表1。在经济运行系统“条件设置”中设定水库初始水位573.77m，次日入库流量427m3/s，以及机组检修停机计划等，进行经济运行计算，确定工作机组的最优台数、组合及机组间负荷的最优分配，给出电厂的日计划负荷曲线（如图3所示）、相应机组开停计划及机组间负荷分配方案（如图4所示）。

根据经济运行系统出具的96点出力过程，水电厂可向电网系统上报次日发电计划，在满足电网调峰、调频的要求下，使日发电量获得最大的经济效益；另一方面，通过与电网下达的发电计划曲线进行对比分析，在电厂实际运行中可向电网系统申请增加空载机组负荷，以减少空耗，增发电量，提高经济效益，提升水电厂运行管理水平。

4　结语

（1）本文结合实行分时电价的水电厂运行管理情况，提出以水能综合经济指标最大化为准则的水电厂经济运行模型，并利用java语言实现了模型的动态规划算法求解过程，开发出了基于分时电价的水电厂经济运行系统日计划制作模块。

（2）实例应用分析表明，水能综合经济指标最大模型适用于实行分时电价的水电厂发电运行管理，可使电厂日发电量获得最大经济效益，并为电厂向电网系统争取发电负荷提供理论依据，对电厂提高经济效益，提升运行管理水平，实现水能资源最大化利用具有重要的借鉴意义。

图2　某水电厂经济运行系统日计划制作界面

图3　电厂次日计划出力过程

图4　次日各机组出力过程

［1］Sheen J N，Chen C S，Yang J K.Time-of-use pricing for load management programs in Taiwan Power Company［J］. IEEE Trans on Power Systems，1994，9（1）：388～396.

［2］Rinaldy S R.An efficient load model for analyzing demand side management impacts［J］.IEEE Trans on Power Systems，1993，8（3）：1219～1226.

［3］马光文，王黎，过夏明.分时电价下多用途水库的运用方式研究［J］.水科学进展，2002，13（5）：583～587.

［4］吾买尔·吐尔逊，塔义尔·肉孜，夏庆成，等.基于动态规划的水电站机组间负荷分配程序开发［J］.人民长江，2012，1（43）：63～65.

Study and Application of Economic Operation of Hydropower Plant Based on Hydroenergy Comprehensive Economic Indicators

WANG Li-jie1，LIU Xing-wei2
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.Huadian Sichuan Baozhusi Hydropower Plant，Guangyuan 628003，China）

Advance an indicator of operation and management in Time-Varying electrovalence hydropower plant，that is hydroenergy comprehensive economic indicator，and it can reflect the economic benefits of hydropower resources. Then，economic operation optimization model of hydropower station is established based on rule of maximum hydroenergy comprehensive economic indicators，by analyzing the actual operation condition of time-varying electricity hydropower station，and solved by using dynamic programming algorithm，and it can take the constraints of power proportion into account. Application instance analysis shows that the model is suitable for operation management of the time-varying electricity price hydropower plant，to increasing the power generation efficiency，and maximizing hydropower resources utilization.

hydroenergy comprehensive economic indicators；constraint of power proportion；economic operation；hydropower plant

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.004

TV21

B

2095-3429（2015）04-0013-03

2015-07-17

修回日期：2015-08-21

王利杰（1984-），男，山东栖霞人，硕士，工程师，主要从事水力发电工程运行与管理的科研工作。