市場環境下意大利水電站運營的優化工具

2015-03-24 08:23:26意大利波吉

水利水電快報 2015年10期

［意大利］A.波吉

市場環境下意大利水電站運營的優化工具

［意大利］A.波吉

摘要:為了使在市場環境下水電站的運營收益最大化，必須有正確的運營約束，管理實時運行中的意外事件。闡述了針對3個重要任務的專門優化工具的主要特征，同時幫助使用者以最經濟的方式應對故障、不可預測的流量和平衡電力電量等計劃外的事件。

關鍵詞:水電站;水電站管理;意大利

意大利水電站收益的優化通過圍繞三大重要任務使用專門工具來實現。這三大任務是:約束的定義(明確能使水電站的靈活性最大化的可行性) ;實時操作;實時調整(使水量不平衡最小化)。每一個任務都具備如下特點:優化過程(目標函數的描述各不相同)、各項約束，以及投資期不同階段側重點各不相同。

在意大利以及許多其他國家，競爭性電力市場的引入徹底改變了水電站的運營局面。市場自由化之前，水電運營方的主要目標是盡可能地多發電，防止棄水，以及滿足所有與運營和特許經營有關的約束。而在市場背景下，重心則轉移到在兼顧上述各項約束的條件下，如何獲得最大的經濟效益，同時為了抓住市場機遇，使水電站運營的靈活性最大化。

在實時運營中，以最經濟的方式管理計劃外事件，比如故障、不可預測的流量和平衡電力電量也相當重要。

為了應對新的市場條件，以實現水電管理目標，意大利國家電力公司(Enel)攜手意大利電氣試驗中心(CESI)共同開發了3組不同的工具:

(1) OMA(開放市場下水電系統的優化)定義了在滿足各約束條件下能使水電站運營的靈活性最大化的可行性;

(2) OASI(水電系統實時優化)用于水庫群電站系統的實時運營;

(3) OPG(針對每一臺發電機組帶有詳細調度安排的水電系統的優化)旨在將用水量及其不平衡最小化。

1　OMA

開發OMA工具的目的是為了定義在滿足各運營約束的條件下，能使水電站運營的靈活性最大化的可行性。根據可獲得的最新信息，執行該任務的時間最早可在交付日(D)之前14 d或交付日當天。在第1種情況下，OMA的輸出用于日前市場的競標過程;在第2種情況下，則用于日間市場的競標過程。各約束由區域中心定義。每一項約束均負責管理若干個獨立的水庫群系統，水熱電的優化配置由國家中心在競標過程中完成。

OMA的主要輸入要素包括在給定時間步長的末尾(如，一周的末尾)每座水庫期望水位的季節性定義、電廠計劃內的修整、環境和運營約束(每日和/或小時)、蓄水水位、當天市場調度的發電量(PV)，以及歷史的與目前的天然流量。預測的天然流量可由運營方綜合天氣預報等其他可獲得信息后進行人工定義，或者由OMA憑借過去幾天的歷史水流對未來進行預估。

考慮到上述約束，可以為調度求得無限數量的非最佳物理解。OMA的目的在于找到所有可能的物理解的上邊界和下邊界。隨后可用在競標環節，在此環節評估水電系統需要用到的物理細節較少。由于一些水電系統高度復雜，需要考慮所有的約束和水力平衡，所進行的計算工作量很大，所以在對競標過程進行優化時預測可行性極限非常重要。皮亞韋(Piave)河上的水電系統包括37座水電站和43個水力節點，是OMA下運行的最復雜的系統。

在OMA中，水電系統由水電站、水力節點(包括水庫、流域，以及無體積的水力節點)和相互間的關聯(包括水渠、壓力水管和天然河流)的集合表示。每一個元素都由合適的參數表征。

在圍繞調度尋找一切可能的物理解的極限之前，OMA運用所有可獲得的現場的信息來詳解所有水力節點初始條件的最佳預測。分析期的每一天，OMA的主要輸出包括:

(1)每座電站每小時最小和最大的出力; (2)每個節點每小時最小和最大的水位; (3)每座電站每天最小和最大的發電量。這幾點同樣也作為競標過程的輸入數據。

2　OASI

開發OASI工具的目的是為了水庫群水電系統的實時運營。特別是旨在預測午夜前或者下一個市場時段之前實現PV，并周期性檢查水庫和流域中的水位、天然水流、平衡電力電量和運營約束的實時演變。若一座電站無法實現其PV，OASI就會計算該系統中每一座電站新的調度發電水平(不同于PV)，將不平衡和/或其他偏差(例如，棄水、泄水以及調度水位)的常規總成本降至最低。考慮到輔助性服務市場上的水庫型電站、流域電站和徑流式電站的市場不同，每一座電站和每一種偏差的常規單位成本也可能各不相同。

水電系統在OASI中的表現形式與它在OMA中相同。這一點對于避免調度階段和實時運營階段的誤匹配非常重要。

OASI一個很重要的應用與電站分組有關。意大利的電力并網導則允許發電商在一定條件下將位于同一條河流上的電站歸為一組，統一將它作為市場上的一個發電單位。在此情況下，市場的產出對歸為一組的所有電站都是一個PV，據此發電商可以將發電任務合理分配到各座電站。OASI是自動化執行此任務的有效工具，優化PV分配方法，并以最低的常規成本滿足各項約束。

圖1顯示了位于西西里島錫梅托河(Simeto)上的特洛伊那(Troina)電站和古洛塔弗瑪塔(Grottafumata)電站，應用OASI將PV在這兩座電站中進行了分配。

圖1　錫梅托河上的特洛伊那電站和古洛塔弗瑪塔電站

3　OPG

開發OPG工具的目的是為了將水的用量和失衡降到最小。OPG運用能效曲線等詳細地對電站進行表征，以確定單個機組如何運行才能在耗水量較小且沒有失衡的情況下完成PV。

該工具可用于所有電站，但截至目前，OPG的主要應用是針對長距離引水電站，使其用水不平衡降至最小。圖2顯示了這樣一座電站的典型配置:一條長距離輸水(通常為一小時或更長)的渠道，位于主水庫和與壓力水管直接相連的小型流域之間。引水口通常沿渠道沿線布置，直接將水排入流域內。這類電站不適用于現行的市場規則，因為流域水流所帶動的機組發電量有限，電站的發電量只能通過控制渠道始端的流量來調節。這種電站通常會造成用水量巨大的不平衡。