梯級水電站調度運行的優化管理

[法國]

V.皮龍 等

蘭榮蓉　　孫　言　譯

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梯級水電站調度運行的優化管理

[法國]

V.皮龍 等

摘要：CNR公司是法國最早也是獨家的可再生能源生產商，擁有并運營羅納河上19座徑流式梯級水電站。為優化能源管理，該公司成立了創新性綜合協調機構，即間歇式可再生能源優化和遠程控制中心，并聯合內部開發的IT工具進行發電預測、水電資產監管及歐洲批發市場電力銷售優化等。實踐證明，在嚴格的安全限制下，該中心使CNR公司實現了電力銷售最大化，并進行了風險對沖，減少了均衡成本，從而有效促進間歇式可再生能源融入歐洲電力市場。

關鍵詞：水電開發規劃；優化管理；聯合運營；CNR公司；法國

法國CNR公司成立于1933年，1934年獲得羅納河特許開發權。其目標是運營并開發羅納河，并與法國政府賦予其的3項重任保持一致，即水力發電、航運開發及為灌溉和其他農業用途供水。

1羅納河水電梯級

1.1徑流式梯級電站

羅納河梯級電站是CNR公司的主要資產，總裝機容量約3 000 MW，包括19座徑流式水電站。CNR公司特許開發權的范圍涵蓋瑞士邊境至地中海之間的河道，也包括長330 km寬闊航道上的14座船閘、長400 km的河堤和32座泵站。羅納河在法國境內長517 km，流域面積約88 500 km2。從阿爾卑斯山區的高山雪原到索恩(Sane)子流域的緩流多雨，各支流水文條件差別較大。在流域南部(塞文地區)，支流甚至經常爆發洪水。

CNR公司運營的羅納河開發項目為徑流式電站的開發。除雨季外，通過大壩攔河蓄水，將大部分水引至水電站和船閘所在河道，水輪機將水能轉換成電能，通過高壓電網輸送給消費者，最后河水又流回至電站下游的羅納河段。

攔河壩形成的小水庫，可向下游持續泄放生態流量。然而，水庫庫容非常有限，對羅納河的日徑流量影響較小。由于庫容較小，因此徑流式電站的運行易受上游電站(包括羅納河上游位于瑞士境內和法國境內某些支流上的其他水電站)及水文氣象事件的影響。

1.2CNR公司項目開發及運行

CNR公司項目開發遵守嚴格的管理制度，重點關注水利工程安全。每個開發項目都有各自的運行規則曲線(圖1)，且這些曲線均是依據相關部門認可的規范確定，并符合防洪、航運、灌溉、核安全、環境、農業和旅游用途等相關方面的要求。

在枯水期，水電站運行的庫水位盡可能高，以確保通航；在汛期，盡量使庫水位和尾水位(TWL)與大壩建設前的天然水位保持一致。運用船載水工模型，借助預測控制，將設備控制在極小誤差范圍內。

在枯水期和汛期之間，即所謂的“發電期”，在調節正常蓄水位上下20～50 cm范圍庫容優化電站出力。與羅納河的平均流量相比，這些調節庫容非常小。例如，魯西永(Péage-de-Roussillon)電站站址處的平均流量小于羅納河50 min內的平均徑流量。不過，各電站在發電計劃中都利用了上述有效庫容來對整個梯級的總發電日計劃進行優化。通過對每座電站的發電流量計劃控制來實現對發電計劃的實時控制。為實時應對不可預見的事件，在每座電站優化過程中，有部分調節庫容未予以考慮，為實時控制留出余地。

2歐洲電力市場

2.1歐洲電力批發市場

在輸送給(個人或商業)終端客戶前，電力首先在批發市場上銷售。電力交易分為長期(提前3 a)、中期(提前3周)、日前(提前1 d)和當天交易幾種形式。

不同的交易市場均能讓交易主體在確定的交易區發送買入或賣出電力的指令。交易市場會根據公共交易規則，以透明的方式使這些訂單相互匹配，隨后將交易轉移至歐洲商品清算中心(ECC)，最終ECC再將能源交易指定給相應交易區域的輸電系統運營商。

2.2產品和定價

期貨和現貨有明顯區別。期貨是產品交易后在未來給定期限交付，允許不同交易主體簽訂電力買/賣合同，以合同日協商的價格在未來幾周、幾個月、幾個季度或者幾年內提供電力。這種期貨合同提供標準化的產品以促進交易(基本負荷或最大負荷)。從長遠看，期貨產品價格波動比現貨產品平均價格波動更小。這些產品有助于終端消費者確定價格，有利于生產商和供應商對沖其生產/消費風險，保障其收益和成本。

現貨是提前1 d的日產品/小時產品。價格是在交付前1 d通過拍賣機制商定，由法國輸電系統運營商(TSO)實時調整價格，可反映調整前的短期供需平衡。短期價格波動非常大，某個時段的過量需求不可能由之前幾小時的過量供給來抵消，因此電力基本不可儲存，供需平衡的影響因素也變化多樣。現貨產品能讓生產商/供應商平衡其小時生產量和消費量。

2.3責任平衡

不同的TSO要求電力市場上要有不同行為者來“平衡責任”，確保輸入電網的電能隨時與消耗者消耗的電能保持平衡。

CNR公司需要平衡各方責任，須在前1 d的00：00和16：00向TSO報送未來1 d每30 min的電力輸入和輸出平衡計劃，并依據生產計劃每30 min予以實時更新。在財務上，CNR公司要為其賬戶下所有的事后不平衡承擔責任。

CNR公司的發電量主要受氣象條件影響，其預測有風險，因此該公司必須通過調整發電產量和銷電量來應對失衡風險，從而控制成本。

3電能管理

3.1綜合協調機構

預測氣象條件的影響，通過調整供需平衡對所有水電站進行實時動態管理，并確保良好的通航條件，這些都是CNR公司每天要應對的挑戰。為此，該公司成立了創新性綜合協調機構，即間歇式可再生能源優化和遠程控制中心，總部設在里昂。該機構負責校對預測行為，優化生產、銷售，同時監督和控制水電站。通過該機構，不同團隊能快速交換信息，適應預測變化，或適應可能影響生產和銷售的經營活動。

該機構關聯的IT工具由CNR公司的工程和IT團隊內部開發，從而將不同的工具完全整合，以靈活應對市場運作和監管變化。

在嚴格的安全限制條件下，該機構使CNR公司實現了電力銷售最大化，并減少了均衡成本。由于徑流式水電、風能和太陽能等可再生能源是間歇式能源，因此應對不確定性是一項持續的挑戰。

3.2價格風險

電力價格每時每刻都在變化。為應對長期價格風險，部分電力以長期合同銷售，以確保一定營業額。長期合同銷售的那部分電力，由CNR公司針對生產分位數的風險政策確定，該分位數來自于對以往生產的統計分析。

為應對短期價格風險，CNR公司開發出特殊的價格預測模型。西歐中部和法國市場電力價格每小時的變化，都能用當天的電力需求以及不同電力生產商邊際成本的差異來解釋。

CNR公司開發的價格預測模型中，按邊際生產成本遞增的順序，將生產源進行疊加。疊層底部是可再生能源(包括徑流式)，其邊際生產成本接近零，而最高的邊際生產成本位于疊層頂部(通常是燃油電站)。需求曲線和邊際生產成本疊層的交點即預測的電力價格。

3.3電量風險

與銷售量相關的第1個預測提前幾個月發布。這些預測以季節性氣象預測和積雪預測為基礎，用月度時間超越概率曲線表示。預測值與歷史電量統計數據的偏差有助于調整中期合同。隨著交易時間趨近，可以提高預測精度，包括土壤濕度等更多可預測的信息，考慮聯合氣象預測而非季節性預測，可在中期合同遞增的同時不增加電量短缺風險。

CNR公司年均發電量約為15 TWh，中長期年銷電量達11 TWh，而剩余的4 TWh電量在期貨市場或目前市場中交易。這些銷售基于完整的水文氣象預測鏈，從降雨量預測到羅納河支流雨量徑流預測(包括積雪模擬)，最后到羅納河及其水電梯級的水力模擬。這個完整的預測鏈考慮到提前4 d的氣象預測，較好地適應了羅納河泄洪及法國和西歐中部電力批發市場的傳播時間。如果應用到其他地方，那么預測鏈的時間界限需根據生產資產的特征及管制框架(包括按購電協議水電站的運行進行管制)進行調整。

除了可對水電站的電量銷售優化外，水文氣象預測在優化維護計劃和避免(或降低)因水輪機問題而導致發電損失方面也有所幫助。同時，為確保水利工程安全，通過與負責洪水預測和警示當地利益相關者的管理部門交換信息，以強制運用這類預測。精確預測可管理好WSL和TWL，實現CNR公司徑流式電站的聯合優化調度。

3.4最大化電力產出價值

雖然CNR公司每座水電站的調節庫容非常有限，但精細管理卻能產生較大效益。通過精確預測來水量，CNR公司可調節每座電站當日下泄量，以有效利用庫水位容許的變幅。電價高時(通常在08：00～20：00之間)放空水庫，發電量略超過天然流量允許的發電量；電價低時(通常是在夜晚)，下泄量略低于天然來流量，水庫重新蓄水(見圖2)。圖2是某水電站4 d流量模擬過程。在該例中，相應于水庫蓄放，庫水位的變化幅度為25 cm。

不論在時間還是幅度上，單純對每座水電站日發電量的調節都非常有限。關鍵是要能聯合調度電站群，以使每座水電站的過度下泄得到累積，從而能夠調整從上游至下游的流量變化過程。前1 d的有效調度和同步運行的實時實現等均需精確的來流量預測、準確的水電站梯級水工模型以及水電站群的集中遠程控制。

電站同步運行的實現使得高峰期發電量大幅增加。羅納河的發電情況與電力批發市場現貨價格預測相匹配，以獲得最高價格和最大收益(見圖3)。

羅納河日均發電容量為1 600 MW，通過調節，可使日超12 h的發電容量在高峰負荷期(08：00～20：00)額外增大400 MW。換言之，對總裝機約3 000 MW的徑流式梯級電站群而言，每隔1 d的日

均最小和最大發電容量相差約1 000 MW。

4結語

CNR公司通過其創新性綜合協調機構來管理其間歇式發電。在歐洲電力批發市場，為協調平衡好各方責任，CNR公司開發出先進的預測技術，成立互動組織，以協調處理預測、計劃、銷售及資產遠程控制等問題，這是高效管理價格變化不確定性及電力生產與銷售不平衡問題的必備條件。該機構有助于CNR公司未來發展，而非僅僅管理不確定性。通過精心調度，優化了其19座梯級徑流式水電站的出力。同樣，該公司也為其他可再生能源生產商提供能源管理服務，使其從公司的優化間歇式能源管理方面獲益。這些工具和方法還可運用于發展中國家根據購電協議銷售電力的非營利性水電站，以便為電站業主和運營方帶來額外收益。

蘭榮蓉孫言譯

(編輯：唐湘茜)

收稿日期：2016-02-15

文章編號：1006-0081(2016)05-0038-04

中圖法分類號：TV211.14

文獻標志碼：A