智能水電廠經濟運行系統及其關鍵技術

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0 引言

智能水電廠是適應智能電網源網協調要求，以信息數字化、通信網絡化、集成標準化、運管一體化、業務互動化、運行最優化、決策智能化為特征，采用智能電子裝置（IED）及智能設備，自動完成采集、測量、控制、保護等基本功能，具備基于一體化平臺的經濟運行、在線分析評估決策支持、安全防護多系統聯動等智能應用組件，實現生產運行安全可靠、經濟高效、友好互動目標的水電廠[1]。建設智能水電廠可以提升水電生產管理水平和層次，合理調配流域水資源，提高流域水能資源利用率，實現最優經濟運行[2]。

水電廠經濟運行是由多個緊密關聯的部分組成的復雜大系統優化問題，涉及水文預報、水庫調度、電力控制等多個技術領域，既有注重水資源利用效率的非實時優化調度，又有注重電力運行安全的實時優化控制[3]。傳統水電廠對以上領域分別開展研究和系統建設，缺乏整體性的頂層優化設計，導致水電廠經濟運行的整體性和協調性不足。

針對以上問題，智能水電廠經濟運行系統基于智能水電廠一體化管控平臺，在數據、業務和系統層面對傳統水電廠電力運行和水庫調度進行了深度融合，提高水電廠經濟運行的整體性、協調性和精細化程度，在安全可靠的基礎上，支撐智能水電廠經濟高效的目標。

1 系統架構

智能水電廠的體系結構自下而上可以依次分為一體化基礎支撐系統、現地測控系統、智能一體化管控平臺和各類應用系統[4]。其中一體化管控平臺以基礎支撐系統、現地測控系統為基礎，實現信息流和業務流的統一管理和應用服務，為包括水電廠經濟運行在內的諸多應用提供統一的基礎支撐。

1.1 一體化管控平臺

一體化管控平臺嚴格遵循公開的國際標準，實現面向設備對象、具備數據自描述能力的信息建模，構建統一、開放的水電標準通信總線，實現不同電力二次安全分區之間的可靠數據信息同步機制。平臺采用面向服務（SOA）的體系架構，提供統一的數據存儲、訪問、監視和預警平臺，實現水電廠全景數據監視，為電調、水調等各類業務提供基礎應用服務組件管理與發布服務，并實現不同業務之間的友好互動，對外提供標準化的二次開發接口，實現與第三方模型及業務系統的相互接入與有效協同，為不同安全區內的各類自動化系統提供統一的軟件運行平臺[1]。一體化管控平臺是整個水電廠統一的應用服務平臺，為水電廠經濟運行系統各組件提供了統一的運行環境和數據支撐，并提供了各類模型公用參數的同步機制[5]。其架構如圖1所示。

圖1 一體化管控平臺總體架構圖Fig.1 Graph of unified control and management platform architecture

1.2 經濟運行系統架構

水電廠經濟運行系統以一體化管控平臺為基礎，主要涵蓋水電廠自動發電控制（AGC）、自動電壓控制（AVC）、流域經濟調度控制（EDC）、水文預報、發電調度、防洪調度等組件。其中，自動發電控制（AGC）、自動電壓控制（AVC）、流域經濟調度控制（EDC）部署于電力系統安全I區，以梯級水電站群最小耗水量、最小耗能量等為優化目標，根據電力系統電力電量平衡和安全穩定要求，考慮各電站機組振動區和運行工況等約束條件，通過水電站間和站內機組間的聯合實時協調控制，實現水電站實時控制的安全性和經濟性；水文預報、發電調度、防洪調度等組件部署于電力系統安全II區，根據考慮防洪等綜合利用、電網和電廠運行約束，水電廠當前運行狀態和預計來水，制定水電廠中長期、短期運行和日內滾動修正方案，實現水電廠在時間尺度上由大到小的嵌套運行，保證水電廠在其水庫調節能力相應時間尺度內的長期運行過程中的安全經濟。

（1）經濟運行系統在智能水電廠架構中的位置。

智能水電廠通過建立公共信息模型，并基于一體化管控平臺的統一數據訪問和消息通信等基礎服務，將水文預報、發電能力預測、發電調度、洪水調度、風險分析、實時調度、流域經濟調度與控制（EDC）、自動發電控制（AGC）、自動電壓控制（AVC）、水文預報精度評定、經濟運行評價進行耦合，組成智能水電廠經濟運行系統。其在智能水電廠總體架構中位置見圖2。

（2）經濟運行水電聯調模式。

傳統水電廠水庫調度僅關注計劃編制、執行情況檢查、計劃修正環節，而電力運行僅關注計劃執行環節[3]，兩者獨立運行，相互之間無數據共享和互動，采用的參數定值、數學模型和優化策略也不盡一致，導致執行與計劃偏差和頻繁的修正調整。智能經濟運行系統基于一體化平臺的支撐，實現水電廠I區的電力運行和II區水庫調度之間的信息互通、模型共用、功能互動、業務閉環。智能水電廠經濟運行系統運行方式見圖3。

（3）經濟運行業務流程。

智能水電廠經濟運行系統按照業務流程包括分析預測、計劃制定與風險評估、執行跟蹤及滾動修正、評價考核幾個環節，分析預測部分進行水電廠來水和發電能力預測，發電調度和防洪調度利用其預測結果制定水電廠運行計劃和方案，并對其進行風險分析，提交建議計劃并獲取下達計劃后，通過實時調度和流域經濟調度與控制對計劃執行進行跟蹤、趨勢預測，根據情況對運行計劃滾動調整，執行完成后，對預測、調度、執行情況進行綜合評價與考核分析，并將評價分析成果反饋至相應的業務應用模塊。整體業務流程見圖4。

圖2 經濟運行系統在智能水電廠業務部署示意圖Fig.2 The disposal diagram of economic operation system in smart hydroelectric power plant

圖3 智能水電廠經濟運行系統運行示意Fig.3 The running diagram of economic operation system in smart hydroelectric power plant

圖4 經濟運行系統整體業務流程Fig.4 The business flow chart of economic operation system

2 系統軟件功能

經濟運行系統根據業務功能分為水文預報、發電能力預測、發電調度、洪水調度、風險分析、實時調度、流域經濟調度控制（EDC）、自動發電控制（AGC）、自動電壓控制（AVC）、水文預報精度評定、經濟運行評價等模塊。其主要實現以下功能：

（1）水文預報。

水文預報實現水電站入庫或區間來水預測，主要包括中長期預報、日徑流預報、短期來水預報、洪水預報模塊，其以不同的時段預報未來1年、數日和數小時的水電站入庫或區間來水流量。軟件實現預報對象、預報方案選擇、模型輸入數據自動獲取及修改、預報計算、預報結果圖表展示和修正、預報結果發布、存儲和管理、在線滾動預報等功能。

（2）發電調度。

發電調度包括長期、中期、短期發電調度，其以月、旬、日、小時、15分鐘等不同的計算時段類型，根據相應的入庫或區間來水預報，計算制定水電站未來1年、數日或次日等計算時段內的發電計劃。計劃制定過程中，通過長中短期計劃的套接，實現長時間尺度計劃對短時間尺度計劃的指導或約束，保證長期優化策略的在運行中得以實施和執行。軟件實現計算對象和目標選擇、計算參數和約束條件自動獲取及修改、方案計算及結果圖表展示、多方案對比分析、計算結果發布、方案存儲和管理等功能。

（3）洪水調度。

洪水調度遵照水電站自身的防洪任務和防洪調度規程，根據電站來水預報，對入庫洪水進行攔蓄和控制泄放，保障工程或下游防護對象的安全，并盡可能地發揮水庫最大的綜合效益。軟件實現計算對象和模式選擇、計算參數和約束條件自動獲取及修改、方案計算及結果圖表展示、多方案對比分析、計算結果發布、方案存儲和管理功能。

（4）風險分析。

風險分析針對發電調度、洪水調度制定的計劃方案，考慮水電站來水預報、電力負荷需求的精度或偏差，評估其執行過程中無法完成預期目標或突破約束條件等事件發生的可能性或偏離程度，為方案的選擇及其在執行中進行合理規避風險提供分析支撐。軟件實現方案選擇、風險指標分析計算、結算結果展示等功能。

（5）實時調度。

實時調度實現短期發電調度、計劃執行與控制的銜接的關鍵環節，其在線跟蹤和監視流域水雨情和梯級各水電站運行情況，依據在線滾動的短期來水預測和電力調度下達的未來或次日的發電計劃，對電站水庫的運行情況進行監視、日內剩余時段或未來24小時趨勢預測、趨勢越限報警，并根據運行目標完成或偏差情況，滾動調整電站出力、水庫蓄泄計劃。

（6）流域經濟調度控制。

流域經濟調度控制（EDC）綜合考慮流量平衡、電量平衡、站間負荷轉移、站間聯合躲避振動區等調度約束，實現梯級負荷實時優化分配、梯級發電流量平衡、梯級電站庫水位聯合控制、梯級電站電網潮流平衡控制、運行異常應急響應等功能，協同各水電廠AGC軟件對流域水電站間水位調整及負荷分配進行在線自動優化控制。

（7）預報精度評定。

預報精度評定根據預報時段和類型相應的規范標準，在水電站預報來水發生后，將預報過程與實測過程進行對比分析，評定預報結果的優劣。軟件實現預報斷面及其歷史預報結果和相應實際來水的自動提取、預報和實際來水的對比分析、精度評定計算及計算結果的展示等功能。

（8）經濟運行評價。

經濟運行評價根據電站歷史采集、計劃、運行數據，通過計算數據合格率、調優化增發電量、水能利用提高率、調峰棄水損失電量、發電負荷率、耗水率、水量利用率、裝機利用小時數等指標，評價電站經濟運行的成效。軟件實現指標計算數據的自動獲取、指標計算及成果展示、成果統計分析和管理等功能。

3 經濟運行系統的關鍵技術

（1）水文預報。

水文預報是智能水電廠經濟運行的重要基礎。對于中長期預報，其具有較長的預見期，能夠在解決防洪與抗旱、蓄水與棄水及各部門用水之間矛盾時及早采取措施進行統籌安排，以獲取最大的效益；對于短期來水預報和洪水預報，其預報的精度、預見期直接影響電站的運行決策，在洪水來臨前進行預泄將有效保障下游城市的防洪安全；同時對洪尾的攔蓄則會抬高水庫水頭，提高后期的發電收益。

對于智能水電廠經濟運行系統，水文預報一方面基于一體化管控平臺，獲取全球共享氣象站點信息、衛星數據降雨和雪蓋信息、氣象系統歷史實況和預報信息、數值天氣預報等信息，并研究無資料地區水文預報、數值天氣預報和水文預報耦合、結合DEM數據的預報建模等模型和方法，豐富預報模型和方法，提升預報的精度、預見期和適應性；另一方面通過預報成果的共享、分析挖掘和軟件功能提升其對經濟運行的支撐能力，包括洪水的預警技術、預報結果的隨機性規律分析、流域歷史典型洪水分析等。

（2）發電調度。

中長期發電調度是有調節水庫的水電廠經濟運行中的重要環節，其制定的計劃方案指導短期發電計劃方案的制定和實時運行方式，支撐水電廠長期和總體的高效經濟運行。傳統的水電廠發電調度中長期調度主要采用以水定電方式，根據中長期來水預測或多年來水情況，在滿足水電廠承擔任務前提下，以自身發電量或發電效益最大等為目標，制定水電廠水庫中長期運行計劃方案。隨著水電和新能源電站持續快速開發，電力電量富余增加，以及特高壓電網持續建設和電力體制改革的推進，水電廠運行管理的外部環境有巨大變化，智能水電廠經濟運行系統增加電網運行和電力市場需求及環境等信息的獲取，建立適應各種電力市場和電網運行環境下的發電能力預測分析模型和軟件功能，支撐水電廠經濟指標核算和競價決策。

短期發電調度是智能水電廠經濟運行的重要內容，短期發電調度要承接中長期發電調度計劃的運行策略指導，其計劃方案側重于水電廠出力計劃的制定，并直接應用于電力運行。傳統短期發電調度受制于計算機性能和算法的局限，對于電網運行安全運行約束和機組運行特性與工況考慮較少。智能水電廠經濟運行系統將短期發電調度與流域經濟調度控制（EDC）和水電廠自動發電控制（AGC）進行耦合，增加考慮了機組不可運行區、頻繁啟停、頻繁穿越不可運行區、大規模負荷轉移、機組檢修計劃等相關運行約束條件，并結合水文預報中的河道演算方法考慮水電站間水流時滯，提高優化運行方案的可用性，提升水電廠運行效率和效益。

（3）洪水調度。

傳統洪水調度大多只考慮泄洪設施的整體泄流，難以根據閘門調度規程和指令快速制定出較為理想的洪水調度過程。智能水電廠經濟運行系統防洪調度依據水電站當前及洪水期內運行特性，動態評價面臨洪水過程，預判其相應于水庫當前運行狀況的洪水風險級別，結合現有的削峰、預泄、錯峰等洪水調度方法，進行自適應洪水分級調度，實現水庫完成防洪任務前提下的水資源合理利用。在此基礎上，考慮閘門允許開度集、閘門操作水位、閘門啟閉順序、閘門開度組合等限制條件，建立基于可變規則的閘門群實時優化調度模型及實時求解算法，實現根據預報入庫洪水過程自動制定閘門優化操作過程方案。

（4）實時調度。

由于流域來水和電力負荷需求預測與實際存在偏差，發電計劃執行過程中，需要在線跟蹤水電站水庫實際來水和運行情況，綜合考慮水資源綜合利用和優化發電，在線分析并根據需要調整運行方案，經上級電力調度機構批準后下達給梯級經濟調度控制和水電廠自動發電控制進行控制執行。實時調度既可以按照短期發電調度的模型進行滾動修正計算，也可以利用歷史運行數據建立的專家知識庫以及推理策略，進行在線調度計算，另外還可以根據電量、水量等控制目標進行仿真分析計算，進行修正方案計算。

（5）梯級經濟調度控制（EDC）。

流域經濟調度控制實現流域水電站群實時有功負荷在電站間的優化分配和庫水位組合的動態控制，并在線協同水電廠自動發電控制（AGC），共同完成流域水電站群實時總負荷在梯級水電站間和水電站機組間的優化分配。梯級經濟調度與控制一方面通過前饋控制機制降低水位越限的概率，另一方面采用多目標優化思想，建立在滿足水位控制需求和相關約束條件下，以最小耗能量為目標的優化模型和實時解算方法。

（6）運行調度耦合。

智能水電廠經濟運行系統通過運行調度耦合機制將側重于水庫蓄泄和電站發電計劃方案制定的水文預報與發電調度等應用和側重于實時控制的梯級經濟調度控制與水電廠發電控制等應用的深度耦合，支持一體化的閉環調控。耦合主要包括優化策略、數學模型、定值參數、數據和業務流程多個層面。在優化策略和數學模型方面，針對不同的業務需求確定一致的計劃制作與運行控制業務需求和目標，并保證發電調度、流域經濟調度與控制和水電廠自動發電控制應用在參數、約束條件、計算算法上的一致性。在定值參數方面，在模型和算法的建立上，采用統一的參數體系，并在系統功能上實現參數的同步，以保持一致。在數據和業務流程方面，通過針對經濟運行的各業務需求的梳理和整體設計，并基于一體化管控平臺，實現數據和業務功能的連貫、順暢的無縫銜接。

4 結束語

本文完整介紹了智能水電廠經濟運行系統，涵蓋了系統架構、軟件功能和關鍵技術方面內容。系統以一體化管控平臺為基礎，對水電廠業務和功能需求進行的整體分析與設計，打破水電廠電力二次安全分區和傳統水調電調業務分割對水電廠經濟運行的約束，實現完整統一的數據交互和業務功能，促進了水電廠安全經濟運行水平的提升和水能資源的充分利用。

未來，隨著特高壓電網持續建設和電力體制改革的推進，以及風光電源大規模接入電網情況下對水電互補調節需求的增加，還需要經濟運行系統在跨區域聯合運行情況下的業務方式和模型、電力市場背景下的水電廠競報價策略仿真分析和決策支持、風光水互補調度與控制等方面進一步深入研究和應用，支持水電廠不斷適應新的環境和需求，持續提高安全經濟運行水平。

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