考虑水电机组振动区的日内电力偏差分摊方法

2021-04-28陈汝昌朱余启伞晨峻蒋贤强王凯

广东电力 2021年4期

陈汝昌，朱余启，伞晨峻，蒋贤强，王凯

(1.云南电网有限责任公司云南电力调度控制中心, 云南昆明 650011；2.南京南瑞继保电气有限公司, 江苏南京 211102)

目前，南方电网现货市场还处于建设当中，在以调频里程为标的的调频辅助服务市场中，调频电厂会因参与系统调峰和承担较多日内电力偏差而产生不尽合理的调频里程。因此，亟需一套调峰、调频解耦的方案来保证电力现货市场顺利开展。

在运行日前发布次日电力电量平衡计划后，根据电网运行情况，为保证发供电平衡和电网的稳定运行，调度机构会在运行日对计划实时进行修改[1-4]。调峰、调频解耦的关键在于合理分摊由于计划修改、电源出力波动、负荷波动带来的日内电力偏差。

目前已有学者对制订日内计划进行深入研究：文献[5]提出一种考虑电量执行进度公平性的日内计划制订方法；文献[6]针对需求响应中柔性负荷多变的情况，根据其价格及激励模型，构建了一种多时间尺度的日前-日内-实时的协调调度模型；文献[7]为应对跨区新能源消纳系统中存在的不确定性，提出了一种计及新能源预测不确定性的跨区域日前-日内调度模型；文献[8]提出一种虚拟电厂参与日内计划机制，提高了虚拟电厂内部的可调整资源利用率。也有部分学者研究调度策略时将水电机组振动区考虑在内：文献[9]结合水电站自动发电控制(automatic generation control，AGC)机组关于穿越振动区的安全性需求，构建了基于穿越振动区风险控制的经济负荷分配模型，减少机组穿越振动区次数；文献[10]提出一种主动穿越振动区控制策略，能够主动将功率参考值上拉或下拉至振动区外，避免机组运行在振动区。目前主流的研究并未提出新能源、小水电、负荷波动或人工日内计划修改后，电力偏差分摊的解决方案，也未考虑水电机组振动区对偏差分摊的影响。

本文提出一种考虑水电机组振动区的日内电力偏差分摊方法，根据梯队电厂的备用容量比例进行偏差分摊，并考虑水电机组振动区的影响，对分摊结果进行修正。

1 电力偏差计算模型

电力偏差包括发电侧电力偏差和用电侧电力偏差。总电力偏差为用电侧电力偏差与发电侧偏差之差，即

ΔPtotal=ΔPload-ΔPgen.

式中：ΔPtotal为总电力偏差；ΔPload为用电侧电力偏差；ΔPgen为发电侧电力偏差。

1.1 发电侧电力偏差

发电侧电力偏差由径流式水电厂、非径流式水电厂、火电厂、新能源电厂等构成。

1.1.1 径流式水电厂

径流式水电站的电站库容很小，不能起到有效的调节作用，不能人为改变天然径流的水流过程，发电量仅依靠来水决定，又称无调节能力水电站[11]。径流式水电站的调节能力受气象、自然地理、流域特性等因素的影响，径流水电出力为不确定的随机变量[12-13]。因此，径流式水电的电力偏差计算公式为

1.1.2 非径流式水电厂

与径流式水电厂不同，非径流式水电厂具有水库，能够通过调节进出水来实现出力的调节，其实时出力可以较好地跟随计划值。因此，非径流式水电厂的电力偏差计算公式为

1.1.3 火电厂

火电厂的电力偏差计算公式为

1.1.4 新能源电厂

新能源电厂主要包括光伏电厂和风电厂，其出力受光照、风速、风向、温度等自然因素影响较大，呈现出随机波动特性[14-16]。新能源电厂的实际出力往往与计划值相去甚远，且现有的功率预测系统无法准确预测未来出力，考虑到偏差计算点通常为未来2 h之内，因此采用其实时出力替代日内计划，对应的电力偏差计算公式为

1.2 用电侧电力偏差

本文电力偏差分摊算法仅针对省内偏差，因此用电侧电力偏差包括省内负荷以及特殊送电计划。

1.2.1 省内负荷

省内负荷为省内各类负荷的总和，其未来短时间内出力可由超短期负荷预测系统预估，因此省内负荷的电力偏差计算公式为

1.2.2 特殊送电计划

“西电东送”属于特殊送电计划，认为送端省份的电力偏差属于发电侧偏差，而受端省份的电力偏差属于用电侧偏差。以送端省份为例，省内“西电东送”电力偏差可表示为

1.3 日内电力偏差组成因素

综上，可以看出日内电力偏差由以下几个因素组成：①径流式电站和新能源电厂出力的波动；②省内负荷的波动；③常规电厂计划日内被修改；④特殊送电计划，如“西电东送”的日内修改。

2 日内电力偏差滚动分摊模型

2.1 水电厂开机组合和振动区计算

水电厂在发电过程中，若出现出力不合理的情况，会导致水轮机组振摆过大，影响机组的安全运行和使用寿命[17-19]。在安排水轮机组时，需充分考虑振动区的影响，避免机组运行在振动区。

通常水轮机组的运行区间可分为稳定运行区间、许可运行区间和禁止运行区间。水轮机组运行在许可运行区间会对机组产生一定的损害，但是不会造成故障；运行在禁止运行期间，极易对机组造成严重破坏；运行在稳定区间，机组振动较小，稳定性较好[20]。本文在计算水电厂出力的时候，避开机组的禁止运行区间和许可运行区间，认为两者都属于机组的振动区。

2.1.1 全厂振动区计算

电力偏差的计算考虑水电厂全厂的振动区，因此需根据机组的振动区来计算全厂的等效振动区。一般情况下水电厂全厂的机组型号相同，即每台机组的额定容量和振动区相同，则全厂振动区可通过全厂最大出力范围内扣除稳定区间得到。

全厂最大出力范围

Ptotal=[0,nPr].

式中：n为机组数目；Pr为单机额定容量。

全厂稳定区间

Prun=(aPr,Pr]∪(2aPr,2Pr]∪…

∪(naPr,nPr].

式中a为单机振动区占单机额定容量的比例。

全厂振动区为

Pvib=PtotalPrun,

即Prun在Ptotal中的补集。

部分电厂存在机组包含多个振动区、机组振动区下限非零、多个机组振动区不同的情况，此时全厂出力区间可以通过机组稳定区间取排列组合获得，全厂振动区可以通过最大出力范围与出力区间取补集得到，具体如下：

Prun,i=Pr,iPvib,i.

全厂的稳定区间Prun可由所有机组的单机稳定区间的排列组合获得，进而通过公式Pvib=PtotalPrun可以获得全厂的振动区。

2.1.2 开机组合计算

开机方式指电厂所开机组，开机组合指电厂为满足全厂计划出力可安排的开机方式组合，开机组合对电厂的影响包括：①电厂计划下发前后应保证开机方式不能差别太大，否则将增加启停机组数目，带来不稳定性；②合理的开机方式能够保证电厂的正、负备用均衡，以应对正负调节需求。

省内滚动优化调度计算完成后，计算电厂在此出力下的可能开机组合。对于某水电厂，给定日计划任一时刻的全厂出力后，其开机台数范围可表示为：

2.2 日内电力偏差分摊算法

日内电力偏差分摊依据日前方式提供的电厂梯队和实时正负备用容量，对省内电力偏差按非径流式水电和火电的备用容量比例分摊至梯队电厂。分摊电力偏差时按梯队优先级逐级调用梯队电厂，同一梯队内的电厂按照正、负备用比例分摊，当前优先级电厂分摊后剩余电力偏差由下一级电厂承担。总体的计算流程如图1所示。

3 实例分析

基于南瑞继保开发的Sophic平台，通过C++编写算法程序，以云南电力调度控制中心现场数据(表1)为例，验证计算结果的准确性。

图1 日内电力偏差分摊算法流程Fig.1 Allocation algorithm flowchart of intraday power scheduling deviation

表1 振动区数据Tab.1 Vibration zone data

根据2.1.1节中全厂振动区的计算公式，可以得出：电厂1振动区为(0, 160 MW)、(225 MW, 320 MW)、(450 MW, 480 MW)；电厂2振动区为(0, 200 MW)、(350 MW, 400 MW)；电厂3振动区为(0, 165 MW)。

以云南电力调度控制中心实际运行系统日内计划及电力偏差数据为依据，验证本文所提考虑水电机组振动区的日内电力偏差分摊方法的正确性。计划值以288点为例，即每个计划值之间间隔5 min。部分日内计划、电力偏差及分摊结果数据见表2。

表2 部分电力偏差分摊结果Tab.2 Partial results of intraday power scheduling deviation allocation MW

全天电力偏差及梯队1电厂备用容量如图2所示，其中：电力偏差为正时，展示的是电厂正备用；电力偏差为负时，展示的是电厂负备用。日内计划修正结果如图3—图5所示。

图2 日内电力偏差及梯队1备用容量Fig.2 Intraday power scheduling deviation and reserve capacity of echelon one

对比表2和图2可以看出：①00：00—00：25期间，梯队1电厂的备用容量远大于日内电力偏差，但是若将全部偏差全部分摊给梯队1电厂，则将导致梯队1电厂出力达到全厂振动区，因此将日内计划修正值限制在振动区限值，偏差不平衡量由下一梯队电厂分摊；②12：00—12：25期间，日内电力偏差大于梯队1电厂备用容量，梯队1电厂分摊后的偏差不平衡量由下一梯队电厂分摊。