喀什河流域梯级电站EDC研究及应用

魏 苗，朱丽晓，孙永红，郑庆明，刘 佳，申 勇

(1. 国家能源集团新疆吉林台水电开发有限公司，新疆 伊犁 835100；2. 国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 210098)

在第七十五届联合国大会一般性辩论上，碳中和被高亮提及。中国作为世界人口大国和经济大国，也应该从气象、能源、经济等多个维度出发，最终走向“中和”。水电作为清洁、可再生能源，在实现这个目标的过程中不可或缺。在梯级电站进行经济调度控制(EDC)，具有重要的意义。

喀什河流域梯级现有6座水电站，从上游到下游分别是：萨里克特、塔勒德萨依、吉林台一级、吉林台二级、尼勒克、温泉。其中吉林台二级为日调节电站，位于吉林台一级与尼勒克水电站之间，隶属于伊犁河流域开发建设管理局，其他5座水电站隶属于吉林台公司，共装有20台水轮发电机，总装机1 080 MW。

1)塔萨两站概况。萨里克特和塔勒德萨依水电站均为引水式电站，引水渠分别长为8.8 km、7.5 km，发电水量经枢纽进水闸由引水渠引入压力前池发电，前池无调节能力，发电水量受来水变化影响极大，导致前池水位变化和负荷需要频繁调整，实现高水位高效运行存在极大的困难；同时，由于2座水电站均隶属于伊犁电网调管水电站，其发电负荷受限于新疆电网，汛期部分时段限电严重，弃水较多。

2)吉尼温三站概况。吉林台一级、尼勒克、温泉3座电站为混合式梯级电站，其中，尼勒克水电站为径流引水式电站，前池无调节能力，引水渠道全长31 km，水流滞时为4～6 h；由于吉林台一级水电站承担流域中下游防洪、灌溉任务，同时承担新疆电网主要调峰调频任务，发电负荷变化幅度大，对尼勒克水电站发电运行产生极大影响；温泉水电站为季调节电站，有一定的调蓄能力；3站均隶属于新疆电网调管电站，与新疆电网220 kV系统相连，3站送出负荷潮流多变。

3)吉林台一级、尼勒克及温泉水电站3站送出线路如图1所示。

图1 吉林台一级、尼勒克及温泉水电站送出线路图

从图1看出，吉林台一级水电站出线有两路，分别为：皇林一线、皇林二线、林尼线，通过对历年电网运行方式分析，皇林一线、皇林二线经常通过林尼线送至750 kV伊犁变。

吉林台一级水电站运行中，易挤占尼勒克水电站送出线路伊尼线通道。按照新疆电网调度管理中心运行要求，伊尼线夏季送出不得超240 MW，冬季不得超280 MW，尼勒克水电站总装机240 MW，设计水头185.5 m，满负荷设计发电流量146.4 m3/s，上游调节性电站发电运行影响满负荷率多达60%以上，尼勒克水电站极易产生限电弃水，当伊犁地区送出受限时，3站均会明显相互挤占。

由于以上存在的种种问题，将5个电站作为一个整体，统筹考虑，统一进行经济调度控制，是迫在眉睫的事，这样充分利用吉林台一级和温泉的水库调蓄作用，确保梯级整体不发生弃水，使喀什河流域水资源发挥出最大效益，对提升梯级电站整体经济效益有非常积极的作用。

1 EDC模型简介

水电站经济调度控制(Economic Dispatch Control简称EDC)是在满足电网安全和机组安全的条件下，以梯级蓄能量最大等原则，对梯级负荷进行优化调度，动态控制梯级水位，实现梯级电站经济效益的最大化[1-2]。

EDC模型主要有以下几种：

1)蓄能量最大模型。

目标函数[3]：

(1)

QIi,t=QOi-1,t-τ+qi,t

(2)

(3)

式中：E表示调度期末蓄能增量；T表示调度时段总数；n表示电站数；ki表示第i个电站的出力系数；Hi,j表示第i个电站第t时段的水头大小；QIi,t表示对应时段的入库流量；QOi,t表示对应时段的出库流量；qi,t表示对应时段的区间流量；τ表示上游电站水量到达下游电站坝前的水流滞时。

2)水位异常控制模型。在死水位Zi,s和正常蓄水位Zi,n之间设置一个水位控制范围Zi,down～Zi,up。如果实时水位Zi,t满足Zi,up≤Zi,t≤Zi,n，则认为进入了高水位运行区；如果实时水位Zi,t满足Zi,s≤Zi,t≤Zi,down，则认为进入了死水位运行区；如果实时水位Zi,t满足Zi,down≤Zi,t≤Zi,up，则认为在水位正常运行区。其中，Zi,s、Zi,n、Zi,down、Zi,up、Zi,t分别表示i电站死水位、正常蓄水位、低水位线、高水位线、t时段水位。

对于异常高的水位，采用优先发电策略，直至水位到达正常范围内。

对于异常低的水位，采用不发电或不优先发电策略，将负荷优先分配给其上级电站；如果其上级电站水位在正常水位附近，则将负荷分配给更上一级电站，其上级电站作为过流电站；并在此基础上，逐时段计算下游受影响电站，将上游电站水位影响因素逐级减轻，直至水位到达正常范围内。

3)水位平稳控制模型。当水库水位处于正常范围内，或者水库水位虽然在高水位运行区但入库流量小于出库流量，或水位在低水位运行区但入库流量大于出库流量时，在满足各项安全约束的前提下，以某一个或几个水库水位变化最小为控制目标[4]，按流量平衡进行厂间负荷分配，从而实现负荷与流量上的匹配，达到水位尽可能平稳的目的。

目标函数：

S=Min{Max{δ1，δ2，δ3，δ4，δ5}}

(4)

式中，δi是第i电站水位变化幅度。

4)少调负荷控制模型。针对某个调节对象，计算负荷变化次数和变化幅度，分别加入惩罚因子，以最终惩罚量综合最小为最优。

目标函数：

Pchange=Min{Max{p1，p2，p3，p4，p5}}

(5)

pi=fi(wavc,time)

(6)

式中：pi是第i电站负荷调整函数，和负荷调整次数和调整幅度有关，i=1,2,…,5；wave是负荷变化幅度；time是负荷变化次数。

5)小负荷分配模型。当梯级总发电负荷指令值相对于当前总实发出力波动较小时，为了减少电站调节次数，可采用小负荷分配策略，将小负荷差额由一个电站来负担，并计算由此引起的对各电站的影响，选择对各电站影响最小的分配策略。

Pchange=Min{p1，p2，p3，p4，p5}

(7)

pi=fi(wavc,time)

(8)

式中：pi是第i电站负荷调整函数，和负荷调整次数和调整幅度有关，i=1,2,...,5；wave是负荷变化幅度；time是负荷变化次数。

6)模型约束条件。以上模型遵循的约束条件如下[5]。

水量平衡约束：

Vi,t=Vi,t-1+(QIi,t-QOi,t)·Δt

(9)

水位约束：

Zi,min≤Zi,t≤Zi,max

(10)

水位变幅约束：

Zi,t-Zi,t-1=ZRCi

(11)

梯级电站总负荷平衡约束：

(12)

机组检修约束：

NumEni,t=NumMaxi,t

(13)

出力约束：

Pi,min≤Pi,t≤Pi,max

(14)

出力变幅约束：

Pi,t-Pi,t-1=PRCi

(15)

流量变幅约束：

Qi,t-Qi,t-1=QRCi

(16)

出库流量约束：

Qi,min≤Qi,t≤Qi,max

(17)

式中：Vi,t是t时段末水库i的库容大小；Zi,t是i水库t时段末水位；Zi,min和Zi,max分别表示i电站t时段最低水位和最高水位；ZRCi为i电站允许的时段库水位最大变幅；PCt是t时段梯级总负荷；Pi,t表t时段电站i的负荷；NumEni,t为i电站t时段可用机组台数；NumMaxi,t为i电站考虑检修计划后t时段的最大可用机组台数；Pi,min和Pi,max分别表示i电站t时段最小出力和最大出力；PRCi为i电站当前时段出力的最大变幅；Qi,min和Qi,max分别表示i电站时段最小和最大下泄流量；QRCi为i电站允许的时段最大出库流量变幅。

2 EDC模型适用性分析

1)梯级蓄能最大模型。梯级蓄能最大模型也是国内梯级水电优化调度研究较多的模型之一，该模型的调度原则是优先使用下游电站的水量，尽量将水量蓄至上游水库，其缺点是可能会导致末级水库放空。

喀什河流域末级水库温泉水库具有季调节能力，是仅有的两个有调蓄能力的水库之一，调洪库容：0.306亿m3，汛期电站最大发电流量约242.4 m3/s，发电水量为0.16亿m3，放空概率很小，本模型可以适用。

2)水位异常控制模型。对于萨里克特、塔勒德萨依这样的上游没有调节水库的拦河引水式水电站，入库流量全靠天然来水，容易产生弃水或水库拉空现象，采用本模型控制水位显得尤其重要。

3)水位平稳控制模型。本模型主要是为了达到水位尽可能平稳的目的。在满足各项安全约束的前提下，以某一个或几个水库水位变化最小为控制目标，按流量平衡进行厂间负荷分配，从而实现负荷与流量上的匹配，是正常情况可以适用的模型。

4)少调负荷控制模型。本模型以梯级电站分配负荷相对于当前实发出力的变化量最小为控制目标，进行负荷的站间分配，达到部分电站多调负荷、部分电站少调负荷的目的，可有效避免机组在振动区运行，减少机组损耗，降低运行维护工作量，应当采用。

5)小负荷分配模型。本模型主要针对梯级总负荷设定值相对于总出力变幅较小时的情况。为了避免电站负荷频繁调节和解决小负荷调整响应速度慢的问题，本模型先依据梯级各水电站优先级和对应机组的调节裕量排序，提高负荷调整响应速度，提高机组运行效率，应当采用。

3 模型应用

在考虑调度目标选取、各电站水力联系、多年调节水库运行特点、区域电网运行特点的基础上，建立了喀什河流域梯级电站优化调度的多模型自适应系统，将梯级蓄能量最大模型、水位异常控制模型、水位平稳控制模型、少调负荷控制模型、小负荷分配模型等进行优化组合，根据不同的边界条件进行自适应选择。

3.1 模型自适应选择流程

系统针对梯级水电站不同的边界条件进行自动识别，自适应选用模型进行计算，模型选择流程示意图如图2。

3.2 水位异常控制模型

萨里克特、塔勒德萨依和尼勒克3个径流式电站，根据其正常水位范围制定水位异常控制模型，如图3、图4、图5。

图2 EDC模型选择流程示意图

图3 萨里克特水位异常控制模型示意图

图4 塔勒德萨依水位异常控制模型示意图

图5 尼勒克水位异常控制模型示意图

3.3 最大蓄能模型

吉林台和温泉采用蓄能最大模型和POA求解算法[6]，求解流程如图6。

图6 POA求解流程示意图

3.4 计算成果分析

假设时段长为1 h，按1 d计算，计算成果如表1。

由计算成果可以看出，与原先人工经验控制相比，径流式引水式电站运行水位基本平稳，无弃水，吉林台一级和温泉运行水位分别提高0.4、0.2 m，水耗减少率分别为0.70%，0.46%，塔萨2站综合水耗减少率为0.57%；以尼勒克水电站为例，其上游吉林台一级水库水位1 405.68 m对应的库容是1 758.82 m3，水位1 405.64 m对应的库容是1 757.18 m3，库容差164万m3，其下游温泉水库水位949.43 m对应的库容是131.303 m3，949.45 m对应的库容是131.625 m3，库容差14.2万m3；考虑各级区间来水，尼勒克借用上下2库库容，以占用下游库容10%计算，可至少减少弃水1.42万m3，以平均耗水率2.59计算，每天多发0.054 8万kWh，这样每年减少弃水约500万m3，增加发电量20万kWh。

以各级电站区间来水大致相等考虑，塔萨两级电站借用吉林台一级库容，减少弃水和增加发电量和尼勒克电站相当；尼勒克处于各级电站中游，其弃水所具有的蓄能也处于均值水平，以此计算，梯级五级电站平均每年一共可增加发电量约100万kWh。

3.5 模型应用中的关键点

1)EDC系统充分考虑萨里克特及塔勒德萨依水电站，按照设定的水位上下限运行区间运行，监控系统在设定时间内反馈前池水位变化情况，当超过设定上限时，按照异常水位控制模型调整负荷，使水位逐步恢复至设定运行区间。

表1 梯级电站蓄能最大模型计算成果表

2)在汛期，主要考虑以满足下游灌溉用水为基础的情况下，按照3站流量关系匹配最优经济负荷分配，优先选用高水头低水耗径流式尼勒克水电站，并结合异常水位控制模型和水位平稳模型进行调整，其余负荷按照蓄能最大模型约束条件分配其余2站间负荷。

3)限电期间，充分利用吉林台一级和温泉的调节性能，将吉林台一级及温泉水电站负荷至优先转移到尼勒克水电站，减少尼勒克水电站限电弃水。

4 结 语

喀什河流域梯级水电站中，由于5座水电站中有3座是径流式水电站，基本无调蓄能力，洪水预报的准确性对能否完全避免弃水至关重要，因此，随着洪水预报精度的进一步提高，经济调度可望进一步得到优化。

目前喀什河流域梯级电站EDC系统处于研究和试运行阶段，通过仿真计算，喀什河流域梯级电站EDC调度的实施，避免大机组小负荷运行振动效应，提高机组运行效率，提高各电站单机出力和机组负荷率，优化机组运行工况，延长机组使用寿命，可为流域梯级综合效益带来大幅度的提升，对混合式梯级水电站的经济运行具有普遍的参考意义。