基于多种小电电源协调分析的智能调度研究

吴东平，李 胜，马玮骏，陈 清，张 欣

（1.云南电网有限责任公司，昆明650011；2.南京金水尚阳信息技术有限公司，南京210046）

小电在不同地域电网有不同的界定，云南电网小电专指装机容量小于25 MW 或并网电压等级为110 kV 及以下由地区和县级供电局调度的电站，目前小水电站1 600 多座，占整个小电约90%。这些电站装机规模小，上网电价低，技术改造升级的能力弱，水能资源优化利用空间大［1］。

当今国家清洁能源政策地实施正处于关键时期，政府和企业各相关部门都要为可再生水电资源地利用提供支持，如何充分利用小电资源成为了一个重要的课题［2，3］。为有效进行小水电优化调度，现有的研究大多侧重在对径流预测模型的改进上，但实际情况约束条件复杂，不仅需要增加大量水文监控设备，对于不同地形、地貌造成的基流影响也难以确定，很难实现。本文对全网小电基础资料进行了整合，全面掌握省、地、县三级统调小电发电运行信息及数目、装机、分布等情况，接入全网统调小电发电运行信息，并建立全网小电调度管理指标统计和考核评价功能，为大数据分析提供依据，着力减少弃水，加强小电资源合理利用［4］。

本文基于水火风光等多种小电电源协调分析，探讨小电计划的统一编制方法，满足云南电力调度控制中心对省地县调电源的集约化智能调度需求。

1 多种小电电源协调分析业务流程

云南电网由各类电源构成，主要包括水电、火电、风电、太阳能等，以及焚烧垃圾发电、生物电能等，这些电源由于其能源机理不同，在出力过程、峰谷差、电源波动等方面表现出了较大的差异，特征曲线的形式各异。为了能够充分了解全网发电情况，通过结合市场交易以及负荷变化信息，着力开展小电发电计划合理科学规划工作。根据占比份额，云南电网的各种电源可归纳为风、光、水、火及其他等5种能源类型，这些不同种类的电站有相应的国家调控政策。本文归纳了在制定发电计划时需要考虑的多种小电电源协调分析业务流程［5］，如图1所示。

图1 多种小电电源协调分析业务流程Fig.1 Workflow of multiple small power coordinate analysis

基于该流程，逐步推求出电力需求预测和综合电力供给预测，作为发电计划编制依据，最后根据国家清洁能源消纳和电力供求优惠等政策，在安全校核规则约束下，反向调节生成多目标优化的小水电发电计划。

从图1 可以看出，准确的风、光、水清洁能源的发电能力预测很大程度上依赖于气象和水情信息的预报精度。而小区域的实时风向风速、日照和降水的气象预报一方面对于现场观测资料的依赖很大，一方面目前数值预报产品的网格精度最密的不过10 多公里（按赤道经纬度换算），虽然维度高时略有减少，但对于风电、光电和水电厂而言，这个尺度还是大了。

随之带来的问题是在缺乏确定性数据的情况下如何尽量做到合理预测。为此，我们提出一种交互式多阶段发电计划编制模式，利用短期、中期和长期预测-计划-跟踪-评估-反馈-协调循环迭代机制，参考历史同期和不久前发电计划与气象、水文信息的关联关系，假设上级分配的总发电量不变，动态调整风、光、水电的计划发电量，并以水电作为可靠调节量，分解到调节能力较强的水电站。

2 小电调度运行智能化方案

小电由于大多缺乏完备的生产监控和管理系统，同时缺乏电网以及市场的实时信息，其优化运行难以套用大中型电站的方式来做，但是一条送电线路、一个流域、一个县或一个地区的小水电群却具备了更多更丰富的信息。借助信息化手段，通过及时考虑各种制约因素，加强站网信息互动和业务支撑信息的动态更新，将小水电群按照某些特征划分成发电断面（也称输电断面或潮流断面）的若干虚拟单元，并进行优化运行，既考虑了电网安全校核，又与发电断面中其他可利用的发电能源（水、风、光等）关联，是最为有效的资源优化利用办法。

2.1 改进的多阶段发电计划编制方法

过去小电系统信息传送多为电站单向对电网调度机构上报数据，较少得到全面的生产信息，本方案提出将信息传输改为双向传送模式，让小电具备更全面有利的优化运行条件。电网各级调度机构掌握本流域和本地区较为全面的生产信息，当本地区天气预报和雨量测站有明显降雨过程、送电线路故障、各类自然灾害发生时，可立即在小电系统中发布，小电电站登陆小电系统即可看到这些信息，及时进行发电能力预测、发电情况跟踪、评估，从而完成其优化和应急方案的制订、实施。

发电计划包括长、中、短期3种，发电能力预测通过分析、预测计算区域各电站在一段时间内（日前、周及连续7天、月度、季度、年度等）的可发电量。其预测性能取决于天气变化、电站和电网相关约束条件的匹配，并与流域内地质、生态、极端气象灾害等情况下的特殊运行方式有关，但这些理想化的信息并不是都能获得，就需运用经验、历史数据进行智能处理。

本文提出“分级编制、统一平衡、动态调整”的交互式多阶段发电计划编制模式IMSPP（Interactive Multiple Stages Power Planning），系统建议和用户自主选择相结合，及时与上级调度指令和相关信息进行交互，建立中长期-短期迭代循环优化机制。

图2 方法也称为两层式发电计划编制法，原理可推广到其他场合。左边（第一层）利用电站积累的历史数据或经验，并参考该地区的购售电合同计划、频率发电量和历史发电量，模拟计算电站大致发电计划数据，进一步确定电站的机组开机方式，确保发电计划编制电站出力变化空间在可行范围。右边（第二层）是细化发电计划参数的过程，由用户根据企业经营策略、运行限制条件确定优化运行的目标函数及其优先次序，计算得出电站相关发电方式［6，7］。

图2 中的目标函数次序只是一个示例，实际运用过程中可根据需要调整，也可增减。例如，针对小水水电径流信息获取困难，而电信息相对容易特点，我们增加了网供电峰谷差最小、关口峰谷差最小和供电成本最小三种目标。

图2 IMSPP方法示意图Fig.2 IMSPP method diagram

网供电峰谷差最小是指地、县电网需要上一级电网供电负荷的峰谷差最小。关口峰谷差最小是指地、县电网与上一级接口交换潮流的峰谷差最小。供电成本最小是指地、县电网在明确了上一级电网供购电价的情况，使本电网的供电成本最小。

在计算这些目标函数过程中，以可行发电指标分配原则为约束条件，设置“虚拟地区”，采用在虚拟地区内提供等设备利用发电率发电、全年或汛期利用小时相等两种发电指标分配方法，给出发电指标分配额度，建立多种电源的协调发电调度算法。

2.2 小水电优化运行方式和流程改进

小水电由于比重大、调节性能好，在小电调度运行中占有举足轻重的地位。在实际运用过程中，约束条件是动态变化的，汛期和平枯时段的最高限制水位、电站间的发电出力相互影响构成的发电断面限制等，都需要及时进行调整。小水电由于调节能力一般为径流无调节或日调节，其电站优化方式的制定以日或小时的短期优化运行为主［8］。

（1）来水大于最大发电引用流量时，小水电最优的方式是按装机容量或少量超发的工况满发运行。若电网线路送出受阻或市场需求不足，则安排受阻区域电站等比例弃水或电站轮停，电站有市场化交易的优先按协议发电方式运行，该方式多发生在汛期（6-10月）。

（2）来水小于最大发电引用流量时，小水电的最优运行方式是按厂内优化的成果运行，根据调节能力和机组间性能的差异，按预测来水过程日发电量最大模型计算负荷方式运行，该方式多发生在枯期（1-4及12月）和平水期（5和11月）。

除此之外，增加了发电情况跟踪和小电工作评价两个环节。其中发电情况跟踪对正在执行的发电计划进行跟踪分析，将实际发电数据与计划曲线进行对比，设立评分标准，给出量化评分，实现对计划执行情况的实时分析，并对计划执行的风险进行预判，如果超出了风险控制范围则进行告警。跟踪分析深入到每个时段（15 min），动态调整发电计划，提高准确性。小电工作评价通过指标和评分规则定义，对其数据上报、计划执行情况、调度工作合格率等不同的工作进行综合评价，反馈的结果影响下一阶段该机构的计划认可度。

3 关键环节模型算法集成

由于电网各类输电设备故障、线路送出能力受限以及电力市场需求不足等造成的水电厂出力低于可调出力而产生的弃水损失电量，是弃水损失电量的最主要部分［9］［10］，其认定和计算与水库调节能力关系复杂，本文重点论述小水电占比较大的调节能力较差电站的弃水电量。

3.1 无调节水电站弃水电量计算

无调节电站无法对来水进行调节，弃水电量为电站各小时可调出力（无检修故障时为装机容量）以内受电网送出影响和受阻出力Nsz对应电量的累计值。

日弃水电量：

式中：NKfi为电站i时段平均可发出力，该值小于电站可调出力；Nsfi为电站i时段平均实际出力。

对于汛期日均入库流量大于最大发电引用流量或枯期日均入库流量变化较小的工作日，弃水电量可进一步简化为Nsz*24，该电量值应不超过各小时电站可调出力电量与日实发电量之差。

3.2日调节水电站弃水电量计算

日调节水电站可对日入库水量进行调节，日弃水电量可简化用日最大可能弃水电量与实际弃水量的折算电量之较小值进行计算，即电站可调出力满发电量和实发电量的差值与实际弃水量对应电量的较小值。

式中：Wq为电站日弃水量；Ekd为电站可调出力满发电量；Esf为电站日实发电量；m为日均发电耗水率。

3.3 多电源协调分析

多电源协调分析通过计算分析全区或指定区域电源消纳情况，给出电网各电源协调分析平衡计算结果。包括以下关键技术：

（1）水电发电量中径流描述方式的选择。中长期径流预报成果为中长期发电计划编制分析缺省的径流描述方式。根据能获取的实际数据，选择3种径流描述方式之一用于计算：

●预报径流—提取中长期径流预报成果或对成果进行校正；

●频率径流—提取中长期水文预报提供的指定频率径流过程或对此进行校正；

●历史径流—提取指定年份的多年平均径流、最大径流、最小径流或对此进行。

（2）出力预测方式的选择。各类电源在方案制定过程中需要考虑不同的出力情况，建议采用3种出力预测方式试算结果：

●购售电合同计划—提取购售电合同所签订的发电计划并视情修改；

●频率发电量—对历史发电量过程进行排频，提取指定频率的发电量过程并视情修改；

●历史发电量—提取指定年份的多年平均发电量、最大发电量、最小发电量数据并视情修改。

（3）其他参数取值方式的选择。中长期发电计划编制分析中涉及的众多参数，建议提供二种或二种以上的取值方式，方便灵活操作。如，最高限制水位包括：汛限水位、正常高水位、正常高/汛限水位、历史同期水位、调度图水位。

（4）多方案比较技术。包含执行前静态比较和执行中动态比较两部分，结合发电情况跟踪和统计分析，形成各方案主要指标的分析图表，分析各方案制定时参数与目标函数差异性。

●静态比较—建立并保存通过不同方式计算得出多种发电调度方案，保存相关计算条件、计算结果、制定时间、制定人，通过详细信息的可视化展示比对工具给出综合评分。

●动态比较—对于正在执行的发电计划，与计划曲线进行综合对比，对计划执行的风险进行分级预判，给出量化分值。例如：对全网小电、流域小电和电站发电跟踪，根据阈值进行偏差智能分析、越界告警和历史分析等。

（5）运行数据统计分析。为方便量化评估，除通常的日报、月报、年报等统计项，加强了运行时统计分析，它们是：

●电网日弃水电量—按照电厂、供电局等进行日弃水电量的统计，同时给出弃水原因分析；

●调度运行月报—统计各月不同调管类型基础资料（装机、电厂数量、月度新投产容量等）、发电情况、计划完成情况等信息；

●小电调度运行日报—统计省地每日小电发电情况，按级给出本级下属小电厂上报的昨日日电量、最高负荷、最低负荷和平均负荷，生成月累电量和年累电量。

在这些统计分析数据的基础上，可发现全地区分类型（按发供电、调管关系、电源类型、分县区）的昨日日电量、月累电量、年累电量、昨日最高负荷、最低负荷和平均负荷［11］，为下一阶段各电源发电计划的调整提供可靠依据，达到协调分析的目的。

图3为发电情况跟踪流程图。

图3 发电计划跟踪流程图Fig.3 Process diagram of power plan tracing

4 小电智能调度实现案例分析

4.1 发电计划编制与管理

为验证本文所提方法的有效性，编写了相关软件，在实现第二节给出方案时，有“统一调度、分级管理”和“统一调度、上级指导下级的分级管理”两种操作方式。前者，各级调度按各自的调度管辖范围独立编制其发电计划，下级调度向上级调度机构备案；后者，下级调度对本管辖范围内总发电计划只有建议权，由上级调度机构决定下级调度范围内的小水电的总发电计划值，由下级调度具体细化到各直调（委托调度）的发电计划。

发电计划编制模块具备日期选择（典型日参考）、早晚峰设置、断面管理、停机设置、建议计划参考、给定电量分配、图形设置、断面校核、计划保存与上传等多种实用功能。

为了充分利用小水电的调节能力，软件提供的实用发电计划编制目标函数［12］。发电计划编制目标函数除向大水电一样外，特别实现了增加的针对小水电的网供电峰谷差最小、关口峰谷差最小和供电成本最小3种目标。

用户发电计划曲线编制的主界面如图4所示。红框中是计划制作单位某供电局的所有直调和地县共调电厂，各电厂的数据是可以编辑的。界面右侧这部分，可以通过滚动条拉动，最右侧是各县的统计，这部分数据是不能编辑的，由各县调单独编制。表格左侧绿框中是按调度关系统计的发电计划，蓝框中是按电厂类型统计的发电计划曲线。

图4 发电计划编制界面Fig.4 Interface of power plan creation

4.2 多电源协调分析与评估

为保证各电厂发电计划编制的合理性、科学性，保障地区电网安全稳定经济运行，在编制、审核发电计划时，除了提供便捷的目标函数选择和结果展示，还提供表格与图形两种形式的发电计划与实际出力对比信息页面（为突出重点，此部分不再赘述）。以地调协调为例，计算分析区域电源消纳情况，给出各电源协调分析平衡计算结果，如图5所示。

图5 多电源协调分析Fig.5 Multiple power resource coordinate analysis

通过这种分析，可以有效发现各种电源的消纳情况，并于发电能力评估相结合，及时调整某种电源在可行发电量范围内的出力计划［13］，反馈到发电计划编制模块，进行优化迭代。发电能力评估充分考虑电网中现有的各类电源特性以及各时段的实际工况，通过综合分析各类因素后，评估当前电网具有的总发电能力。图6给出某电网整体发电能力评估曲线。

图6 电网发电能力评估Fig.6 Evaluation of power ability

除了发电能力外，我们还提出了对电站考核三元组［14］：报送信息的及时性，准确性，诚实性。及时性是按电厂有没有按调度要求及时上报有关的水情与发电信息，根据采用自动化系统上报的信息及时性优于人工上报的原则进行考核，自动化系统漏报数据扣分小于人工漏报数据。准确性是按各水电厂上报预测来水与实际来水、预计发电量与实际发电量的相对准确性来判断。诚实性是针对各发电厂上报信息的真实性进行评价，如电厂故意报大发电能力抢占市场份额、机组非停时故意报小入库流量或预计发电能力的行为，将影响其诚实性。提供用户对电厂按这三性考核的技术支持，以及为 用户提供对这三性权重设置功能，建立对电厂运行评价指标。该指标的前期值与后期发电安排挂钩的方式，实现对电厂的奖罚。也可按用户具体办法实现其奖惩机制的技术支持。

5 结 论

小电的管理和运行方式复杂，如何制定科学、经济、可行的电站运行方式，是复杂而重要的生产任务，需要结合电网的特点和实际，研究与之相匹配调度管理理论方法，构建智能化、灵活、方便的软件平台。本文研究小电调度智能管理系统关键技术，提出“分级编制、统一平衡、动态调整”的交互式多阶段发电计划编制模式IMSPP。该模式引入发电断面的概念，采用更加灵活的历史数据、实况数据和模型运算相结合的方式，迭代完成发电计划编制。 □