梯级水电站调度运行的优化管理

[法国]

V.皮龙 等

兰荣蓉　　孙　言　译



梯级水电站调度运行的优化管理

[法国]

V.皮龙 等

摘要：CNR公司是法国最早也是独家的可再生能源生产商，拥有并运营罗纳河上19座径流式梯级水电站。为优化能源管理，该公司成立了创新性综合协调机构，即间歇式可再生能源优化和远程控制中心，并联合内部开发的IT工具进行发电预测、水电资产监管及欧洲批发市场电力销售优化等。实践证明，在严格的安全限制下，该中心使CNR公司实现了电力销售最大化，并进行了风险对冲，减少了均衡成本，从而有效促进间歇式可再生能源融入欧洲电力市场。

关键词：水电开发规划；优化管理；联合运营；CNR公司；法国

法国CNR公司成立于1933年，1934年获得罗纳河特许开发权。其目标是运营并开发罗纳河，并与法国政府赋予其的3项重任保持一致，即水力发电、航运开发及为灌溉和其他农业用途供水。

1罗纳河水电梯级

1.1径流式梯级电站

罗纳河梯级电站是CNR公司的主要资产，总装机容量约3 000 MW，包括19座径流式水电站。CNR公司特许开发权的范围涵盖瑞士边境至地中海之间的河道，也包括长330 km宽阔航道上的14座船闸、长400 km的河堤和32座泵站。罗纳河在法国境内长517 km，流域面积约88 500 km2。从阿尔卑斯山区的高山雪原到索恩(Sane)子流域的缓流多雨，各支流水文条件差别较大。在流域南部(塞文地区)，支流甚至经常爆发洪水。

CNR公司运营的罗纳河开发项目为径流式电站的开发。除雨季外，通过大坝拦河蓄水，将大部分水引至水电站和船闸所在河道，水轮机将水能转换成电能，通过高压电网输送给消费者，最后河水又流回至电站下游的罗纳河段。

拦河坝形成的小水库，可向下游持续泄放生态流量。然而，水库库容非常有限，对罗纳河的日径流量影响较小。由于库容较小，因此径流式电站的运行易受上游电站(包括罗纳河上游位于瑞士境内和法国境内某些支流上的其他水电站)及水文气象事件的影响。

1.2CNR公司项目开发及运行

CNR公司项目开发遵守严格的管理制度，重点关注水利工程安全。每个开发项目都有各自的运行规则曲线(图1)，且这些曲线均是依据相关部门认可的规范确定，并符合防洪、航运、灌溉、核安全、环境、农业和旅游用途等相关方面的要求。

在枯水期，水电站运行的库水位尽可能高，以确保通航；在汛期，尽量使库水位和尾水位(TWL)与大坝建设前的天然水位保持一致。运用船载水工模型，借助预测控制，将设备控制在极小误差范围内。

在枯水期和汛期之间，即所谓的“发电期”，在调节正常蓄水位上下20～50 cm范围库容优化电站出力。与罗纳河的平均流量相比，这些调节库容非常小。例如，鲁西永(Péage-de-Roussillon)电站站址处的平均流量小于罗纳河50 min内的平均径流量。不过，各电站在发电计划中都利用了上述有效库容来对整个梯级的总发电日计划进行优化。通过对每座电站的发电流量计划控制来实现对发电计划的实时控制。为实时应对不可预见的事件，在每座电站优化过程中，有部分调节库容未予以考虑，为实时控制留出余地。

2欧洲电力市场

2.1欧洲电力批发市场

在输送给(个人或商业)终端客户前，电力首先在批发市场上销售。电力交易分为长期(提前3 a)、中期(提前3周)、日前(提前1 d)和当天交易几种形式。

不同的交易市场均能让交易主体在确定的交易区发送买入或卖出电力的指令。交易市场会根据公共交易规则，以透明的方式使这些订单相互匹配，随后将交易转移至欧洲商品清算中心(ECC)，最终ECC再将能源交易指定给相应交易区域的输电系统运营商。

2.2产品和定价

期货和现货有明显区别。期货是产品交易后在未来给定期限交付，允许不同交易主体签订电力买/卖合同，以合同日协商的价格在未来几周、几个月、几个季度或者几年内提供电力。这种期货合同提供标准化的产品以促进交易(基本负荷或最大负荷)。从长远看，期货产品价格波动比现货产品平均价格波动更小。这些产品有助于终端消费者确定价格，有利于生产商和供应商对冲其生产/消费风险，保障其收益和成本。

现货是提前1 d的日产品/小时产品。价格是在交付前1 d通过拍卖机制商定，由法国输电系统运营商(TSO)实时调整价格，可反映调整前的短期供需平衡。短期价格波动非常大，某个时段的过量需求不可能由之前几小时的过量供给来抵消，因此电力基本不可储存，供需平衡的影响因素也变化多样。现货产品能让生产商/供应商平衡其小时生产量和消费量。

2.3责任平衡

不同的TSO要求电力市场上要有不同行为者来“平衡责任”，确保输入电网的电能随时与消耗者消耗的电能保持平衡。

CNR公司需要平衡各方责任，须在前1 d的00：00和16：00向TSO报送未来1 d每30 min的电力输入和输出平衡计划，并依据生产计划每30 min予以实时更新。在财务上，CNR公司要为其账户下所有的事后不平衡承担责任。

CNR公司的发电量主要受气象条件影响，其预测有风险，因此该公司必须通过调整发电产量和销电量来应对失衡风险，从而控制成本。

3电能管理

3.1综合协调机构

预测气象条件的影响，通过调整供需平衡对所有水电站进行实时动态管理，并确保良好的通航条件，这些都是CNR公司每天要应对的挑战。为此，该公司成立了创新性综合协调机构，即间歇式可再生能源优化和远程控制中心，总部设在里昂。该机构负责校对预测行为，优化生产、销售，同时监督和控制水电站。通过该机构，不同团队能快速交换信息，适应预测变化，或适应可能影响生产和销售的经营活动。

该机构关联的IT工具由CNR公司的工程和IT团队内部开发，从而将不同的工具完全整合，以灵活应对市场运作和监管变化。

在严格的安全限制条件下，该机构使CNR公司实现了电力销售最大化，并减少了均衡成本。由于径流式水电、风能和太阳能等可再生能源是间歇式能源，因此应对不确定性是一项持续的挑战。

3.2价格风险

电力价格每时每刻都在变化。为应对长期价格风险，部分电力以长期合同销售，以确保一定营业额。长期合同销售的那部分电力，由CNR公司针对生产分位数的风险政策确定，该分位数来自于对以往生产的统计分析。

为应对短期价格风险，CNR公司开发出特殊的价格预测模型。西欧中部和法国市场电力价格每小时的变化，都能用当天的电力需求以及不同电力生产商边际成本的差异来解释。

CNR公司开发的价格预测模型中，按边际生产成本递增的顺序，将生产源进行叠加。叠层底部是可再生能源(包括径流式)，其边际生产成本接近零，而最高的边际生产成本位于叠层顶部(通常是燃油电站)。需求曲线和边际生产成本叠层的交点即预测的电力价格。

3.3电量风险

与销售量相关的第1个预测提前几个月发布。这些预测以季节性气象预测和积雪预测为基础，用月度时间超越概率曲线表示。预测值与历史电量统计数据的偏差有助于调整中期合同。随着交易时间趋近，可以提高预测精度，包括土壤湿度等更多可预测的信息，考虑联合气象预测而非季节性预测，可在中期合同递增的同时不增加电量短缺风险。

CNR公司年均发电量约为15 TWh，中长期年销电量达11 TWh，而剩余的4 TWh电量在期货市场或目前市场中交易。这些销售基于完整的水文气象预测链，从降雨量预测到罗纳河支流雨量径流预测(包括积雪模拟)，最后到罗纳河及其水电梯级的水力模拟。这个完整的预测链考虑到提前4 d的气象预测，较好地适应了罗纳河泄洪及法国和西欧中部电力批发市场的传播时间。如果应用到其他地方，那么预测链的时间界限需根据生产资产的特征及管制框架(包括按购电协议水电站的运行进行管制)进行调整。

除了可对水电站的电量销售优化外，水文气象预测在优化维护计划和避免(或降低)因水轮机问题而导致发电损失方面也有所帮助。同时，为确保水利工程安全，通过与负责洪水预测和警示当地利益相关者的管理部门交换信息，以强制运用这类预测。精确预测可管理好WSL和TWL，实现CNR公司径流式电站的联合优化调度。

3.4最大化电力产出价值

虽然CNR公司每座水电站的调节库容非常有限，但精细管理却能产生较大效益。通过精确预测来水量，CNR公司可调节每座电站当日下泄量，以有效利用库水位容许的变幅。电价高时(通常在08：00～20：00之间)放空水库，发电量略超过天然流量允许的发电量；电价低时(通常是在夜晚)，下泄量略低于天然来流量，水库重新蓄水(见图2)。图2是某水电站4 d流量模拟过程。在该例中，相应于水库蓄放，库水位的变化幅度为25 cm。

不论在时间还是幅度上，单纯对每座水电站日发电量的调节都非常有限。关键是要能联合调度电站群，以使每座水电站的过度下泄得到累积，从而能够调整从上游至下游的流量变化过程。前1 d的有效调度和同步运行的实时实现等均需精确的来流量预测、准确的水电站梯级水工模型以及水电站群的集中远程控制。

电站同步运行的实现使得高峰期发电量大幅增加。罗纳河的发电情况与电力批发市场现货价格预测相匹配，以获得最高价格和最大收益(见图3)。

罗纳河日均发电容量为1 600 MW，通过调节，可使日超12 h的发电容量在高峰负荷期(08：00～20：00)额外增大400 MW。换言之，对总装机约3 000 MW的径流式梯级电站群而言，每隔1 d的日

均最小和最大发电容量相差约1 000 MW。

4结语

CNR公司通过其创新性综合协调机构来管理其间歇式发电。在欧洲电力批发市场，为协调平衡好各方责任，CNR公司开发出先进的预测技术，成立互动组织，以协调处理预测、计划、销售及资产远程控制等问题，这是高效管理价格变化不确定性及电力生产与销售不平衡问题的必备条件。该机构有助于CNR公司未来发展，而非仅仅管理不确定性。通过精心调度，优化了其19座梯级径流式水电站的出力。同样，该公司也为其他可再生能源生产商提供能源管理服务，使其从公司的优化间歇式能源管理方面获益。这些工具和方法还可运用于发展中国家根据购电协议销售电力的非营利性水电站，以便为电站业主和运营方带来额外收益。

兰荣蓉孙言译

(编辑：唐湘茜)

收稿日期：2016-02-15

文章编号：1006-0081(2016)05-0038-04

中图法分类号：TV211.14

文献标志码：A