梯级水电站跨省区多电网调峰优化调度方法

黄文浩，林杰胜，谢国栋，刘 欣，侯梦龙

(南方电网调峰调频发电有限公司运行分公司，广东 清远 513207)

0 引 言

随着社会经济的高速发展，国内市场上工业、农业和城市生活的用电量呈现逐渐增长趋势，中国的电力系统装机容量也在迅速增加，目前电力系统的组成仍然以燃煤发电和水力发电为主要构成部分。但随着核能、风能和太阳能等新型能源的逐渐普及，对电力系统的调节能力提出了更高的要求。

杨龙杰等[1]针对火力发电，在研究电网协同调度方法时，首先研究了电网之间的耦合问题，分析电网间的运行特征和调峰潜力因素，根据电网在调峰条件下的运行特征，提出了一种阶梯式优化调度模型，实现多电网之间的调峰调度，满足电站整体的控制和经济效益；张艳华等[2]针对风电系统的调峰问题，研究出一种联合调峰法，利用水电输出的通道和调峰模式，将风电场中的风电和光电相结合，分析梯级电站之间的调峰策略，以余荷方差最小原则，建立对应的调峰调度系统，通过目标函数进行控制，实现短期内的优化调度。

在上述研究基础上，本文提出了梯级水电站跨省区多电网调峰优化调度方法。

1 跨省区多电网调峰优化调度

1.1 多电网调峰优化调度模型构建

设计梯级水电站跨省区电网调峰优化调度方法，通过J2EE技术将多电网的结构进行相应简化，在开发、部署和管理等各个层级均实现客户和浏览器之间的业务交互，保证流程的完整性[3]。

多电网的调峰优化调度整体结构如图1所示。

图1 调峰优化调度整体结构

建立整体结构后，针对梯级水电站跨省区的多电网调度需求，构建相应的优化调度模型，实现多电网的调峰优化，具体模型如图2所示。

图2 多电网调峰优化调度模型

为保证水电站数据能在优化调度过程中保存并发挥作用，需要与服务器端和基础数据库进行数据的共享和交换，其中不仅包含检修、预报模块，还包含其他的自动化及管理模块，在各个模块数据中，梯级水电站的中长期和短期预报模块提供多个电网的预报数据[4]，检修模块根据水电站的实际情况提供相应的检修方案，并根据情况完成约束条件的计算和初始值设置[5]。在梯级水电站跨省区多电网调峰优化调度模型构建中，需要综合考虑多种因素，同时还需要考虑多电网调峰调度目标函数，以实现最优的调峰调度。

1.2 多电网调峰调度目标函数设置

在多电网调峰调度目标函数设置中，需要明确调度的目标，即实现电力系统中负荷的平衡和电力的优化配置。为了实现这一目标，在多电网调峰优化调度模型的基础上，需要对维持水电站发电需求、控制对应的水位以及水电站输出电量进行深入分析，以确定最优的电力调度方案。

正常情况下设置水电站的跨省区多电网调度优化数据长周期调度目标，是以年为单位的，过程中以月或旬作为计算时段，明确调度时间段内各个水电站对应的最优水位情况，进行长期电量优化。水电站跨省区多电网调峰优化调度的最终结果会影响电站及电网的运行效益[6]，基于水电站模式的跨省区电网输送群体调度，考虑水电站的运行条件，同时在复杂特高压电流线路基础上，实现输电限制的具体约束，在设置约束限制条件时，需要保持目标函数模型的紧密耦合性，但这也会相应的增加求解难度[7]。在研究过程中将发电量、枯水期剩余负荷等相关因素考虑进去，能保证对水电站多电网供电的调峰调度长期优化，同时兼顾多电网短期内的负荷分配工作，建立约束目标函数。

为保证水电站在跨省区多电网环境下的调峰能良好实现，确保多电网正常运行和峰值平衡，建立相应的调峰调度约束条件。假设水电站m在t时段的水库容量为Vm，t，随机时段t下能实现的发电流量为qm，t，水电站运行过程中的实际弃水流量为q′m，t，需要保证水电站之间的水量平衡，维持水电站发电需求，公式为

Vm，t+1=Vm，t+(Qm，t-qm，t-q′m，t)Δt

(1)

式中，Qm，t为m在t时段的水库入水流量；Δt为t时段内包含的小时数。

在此基础上为保证水电站发电稳定，需控制对应的水位

Zm，T=Z′mVm，t+1

(2)

式中，Zm，T为调峰调度时期的期末水位；Z′m为期末控制水位。

建立调峰调度时期的期末水位的约束条件

(3)

水电站输出电量的限制表示为

(4)

图3 梯级水电站跨省区的优化调度调节框架

根据梯级水电站跨省区的优化调度调节框架，设置调度时间段内的水电站总电量的目标函数

(5)

式中，M1为省内水电站数量；M2为省外的水电站数量；m为水电站运行编号；t为多电网调峰优化的调度时段编号[8]；T为水电站跨省区的调度周期长度；pm，t为水电站m在t时段条件下的电量输出。

1.3 实现多电网调峰优化调度

多电网调峰优化调度需要全面考虑各种因素的影响，在目标函数设置的基础上，建立合理的联系和协调关系，能够在优化调度方法中实现最优的多电网调峰优化调度方法。

梯级水电站的跨省区多电网调峰优化调度，不同于单一调度情况，情况相对更复杂，面对差异较大的各个电网峰值和对应的出现时间，在研究时主要遵循两个原则，其一是考虑跨省区条件下各个电网的负荷需求，其二是满足水电站的出电量，保证电力分配[9]。

在进行多电网调峰优化过程中，首先通过修补策略进行寻优，为保证新生成的优化调度策略能满足上述建立约束条件，所以对约束进行修补。根据电量平衡条件，以及电站的爬坡效应和电网输电线路的处理程度，建立对应的修补策略[10]。

从t=1时段开始逐次对电网g的出电情况进行核验，电网g出电限制可表示为

(6)

统计计算电网g各个时间段内的受电量

(7)

(8)

经过循环多次的修正，可以满足跨省区多电网之间的电量平衡，同时减少水电站的约束限制，由此完成梯级水电站跨省区多电网调峰优化调度研究。

2 实验分析

为能验证出所研究调峰优化调度方法的有效性，对梯级水电站所处枯水期的某一天，进行短期的多电网调峰优化调度实验，实验中水电站和各电网之间的初始条件如表1所示。

表1 梯级水电站受电及基本参数情况

表1中各个电网系统所承担的负荷均为预测值，受到所获得数据准确性的影响，实验中以电网的典型日负载特征为依据，形成实验预测假定，在各个电网的实际运行中，第2天的负荷需要由短时间的负荷预测值来决定调度变化，过程中对邻近周期的负荷情况进行平均处理，这能有效地保证对调度系统方法的一般性和普适性。

实验中假设2个水电站内包含的所有机组设备都不检修，为了减少水电站机组设备频繁转移的情况，设定机组设备的最短开机时间为2 h，为保证实验的正常进行，将跨省区范围输电范围内的直流送电限制在640 万kW的最大容量范围内。在实验过程中以日为调度期，图4中一个调度时段的长度为8 min，调度过程中统计并获取梯级水电站及各个电网的调峰结果(见图4)。

图4 电网调峰结果

在图4中针对跨省区电网在不同时段下的电网调峰情况可以看出，上海、浙江、广东这三个省份的电网通过高压直流输电线路完成对应的受电，且在各个时间段均能保持在输电限额之下，输电性能的平稳状态。根据图4中数据，可以得到跨省区电网间的电量分配结果，具体如表2所示。

表2 跨省区电网间的电量分配结果

从表2中可以看出，在梯级水电站的跨省区供电过程中，在构建的多电网调峰优化调度方法下，水电站向多个电网输送电量得到有效控制，各个电网的受电量期望值和实际值之间相差不大，受电控制比例也符合前期的预测情况。

为深度验证调峰优化调度方法的有效性，对接收两个水电站的不同跨省区电网进行调峰前后的余荷峰谷差统计，结果如表3所示。

表3 跨省区不同电网的负荷峰谷差变化

根据表3可知，梯级水电站经过所研究方法完成优化调度调峰后，其所属受电段的各个电网对应的峰谷差明显减小，结合图4可以看出各个电网的余荷情况也逐渐趋于稳定，证明研究方法对跨省区的多电网调峰优化调度具备良好的有效性。

3 结 论

为了保障能源的安全供应和提高其利用效率，梯级水电站跨省区多电网调峰优化调度方法得到了广泛关注和研究。对于梯级水电站的跨省区多电网调峰优化调度问题，提出一种调峰优化调度方法，在满足水电站正常运行的情况下，确定多电网的运行条件，为了实现多电网的跨省区调峰，在研究中加入了对应的调峰约束条件，在多个约束条件下，实现多电网的负荷均衡。通过研究得到如下结论：

(1)针对跨省区电网在不同时段下的电网调峰情况可以看出，上海、浙江、广东在各个时间段均能保持在输电限额之下，输电性能的平稳状态。

(2)在构建的多电网调峰优化调度方法下，水电站向多个电网输送电量得到有效控制，能满足梯级水电站的跨省区多电网供电调峰调度。

(3)梯级水电站经过所提方法完成优化调度调峰后，所属受电段的各个电网对应的峰谷差明显减小，性能良好。

梯级水电站跨省区多电网调峰优化调度需要综合考虑多种因素，以实现最优的电力调度方案。在未来的研究中，需要进一步深入探讨相关技术，为实现电力系统的可持续发展作出更大的贡献。