新疆開都河察-柳梯級AGC調(diào)度系統(tǒng)概述

王援生，徐康明，丁占濤，王文昕，劉金林

(國電新疆開都河流域水電開發(fā)有限公司，新疆 庫爾勒 841000)

察汗烏蘇、柳樹溝兩電站(以下簡稱“察電、柳電”)分別是開都河第五和第六級電站，察電尾水與柳電庫尾相接，開都河支流——察汗烏蘇溝匯入柳電水庫。察電原設(shè)計裝機309 MW，后增容至330 MW。柳電經(jīng)由察電220 kV高壓母線統(tǒng)一送出，兩站均由省調(diào)調(diào)度，在網(wǎng)內(nèi)調(diào)峰調(diào)頻作用突出。兩站有關(guān)設(shè)計參數(shù)如下：察汗烏蘇水電站為季調(diào)節(jié)水庫，裝機容量3×110 MW，單機額定流量81.7 m3/s，機組額定水頭148 m，正常蓄水位1 649 m，死水位1 620 m，汛限水位1 640 m；柳樹溝水電站為日調(diào)節(jié)水庫，裝機容量2×90 MW，單機額定流量121.5 m3/s，機組額定水頭84 m，正常蓄水位1 494.5 m，死水位1 493 m。

運行早期，察、柳兩站分別為單機AGC和全廠AGC模式。因兩站出力、流量不匹配及區(qū)間匯流等因素困擾，汛期柳電調(diào)度棄水問題比較突出，非汛期兩站“雙高”運行(水庫高水位、機組高效區(qū)運行)情況不夠理想，梯級水量和水能利用率不高。此外，電網(wǎng)AGC調(diào)節(jié)指令頻繁(以2016年9月為例，當(dāng)月察電共接收電網(wǎng)AGC指令84 369次，3臺機組累計運行1 800 h，單機平均每分鐘接收指令0.78次，兩次AGC指令最短間隔時間為20 s)，察電單機AGC模式下，機組調(diào)節(jié)臺次繁多，有關(guān)設(shè)備、裝置頻繁啟動、磨損嚴(yán)重。

為解決以上問題，于2015年啟動了梯級AGC調(diào)度系統(tǒng)研究與建設(shè)，2017年2月投入運行，2018年進(jìn)一步完善了優(yōu)化運行策略。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)運行流程

開都河察-柳梯級AGC調(diào)度系統(tǒng)運行流程，如圖1所示，由省調(diào)EMS系統(tǒng)發(fā)送AGC指令到察-柳梯級AGC調(diào)度系統(tǒng)，察-柳梯級AGC調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷指令情況分配至電廠AGC，由電廠AGC分配至各機組LCU。

圖1 系統(tǒng)流程

圖3 系統(tǒng)主界面

1.2 總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

開都河察-柳梯級AGC調(diào)度系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，各電廠AGC系統(tǒng)通過站內(nèi)通信網(wǎng)與梯級AGC系統(tǒng)通訊，梯級AGC系統(tǒng)通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)接收電網(wǎng)EMS系統(tǒng)AGC負(fù)荷分配指令。

圖2 總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

1.3 系統(tǒng)主界面

開都河察-柳梯級AGC調(diào)度系統(tǒng)主界面，如圖3所示，可監(jiān)視察柳兩站機組負(fù)荷分配情況，通過切換梯級AGC控制方式，實現(xiàn)流域梯級電站經(jīng)濟(jì)運行。

2 主要功能和特點

現(xiàn)階段系統(tǒng)主要執(zhí)行發(fā)電優(yōu)化調(diào)度任務(wù)，未來將與察汗烏蘇水情水調(diào)系統(tǒng)一起完成水庫調(diào)度(閘門控制)任務(wù)。目前系統(tǒng)調(diào)度控制權(quán)(開、停機和梯級總有功給定權(quán))在省調(diào)，與此相應(yīng)，梯級AGC優(yōu)化調(diào)度主要體現(xiàn)“以電定水”的原則。系統(tǒng)接收省調(diào)對察柳兩站的發(fā)電調(diào)度指令(總有功給定)后，結(jié)合兩站水位、開機、區(qū)間匯流和水耗、電價等情況，按照預(yù)先設(shè)定的優(yōu)化運行策略和程序，在線實時計算梯級電站和各臺機組的負(fù)荷并實時分配執(zhí)行，在保證梯級發(fā)電滿足給定總功率及其他限制條件下，使梯級棄水量或發(fā)電耗水量最少、經(jīng)濟(jì)效益最大。與一般通過日前96點負(fù)荷曲線調(diào)度不同，察柳梯級AGC系統(tǒng)完全按照電網(wǎng)AGC實時動態(tài)調(diào)節(jié)指令執(zhí)行。目前，系統(tǒng)的運算時間為0.02～0.08 s，通信時間約0.7 s，總歷時約0.8 s；梯級AGC響應(yīng)時間和調(diào)節(jié)速率滿足新疆電網(wǎng)要求(目前新疆電網(wǎng)要求：AGC響應(yīng)時間不超過10 s，調(diào)節(jié)速率每分鐘不低于50%額定容量)。

3 系統(tǒng)約束條件

察柳梯級AGC約束條件比較簡單，介紹如下：

(1)庫水位Hi約束

Hs≤Hi≤Hx

(1)

或

Hmin≤Hi≤Hmax

(2)

式中，Hs為死水位；Hi為當(dāng)前水位；Hx為正常蓄水位(汛限水位)；Hmin和Hmax根據(jù)實際情況確定和調(diào)整。

(2)機組特性曲線約束：根據(jù)機組振動特性等，經(jīng)省調(diào)同意設(shè)定2站5臺機組的出力下限均為50 MW。

(3)開、停機約束：目前兩站開、停機指令均由省調(diào)下達(dá)，電網(wǎng)AGC總有功指令自動保持在所有開機機組出力下限之和至額定功率之間。

4 系統(tǒng)優(yōu)化策略

目前，系統(tǒng)共設(shè)置了2類(廠間、廠內(nèi))5種策略，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)優(yōu)化策略

4.1 廠間(梯級)經(jīng)濟(jì)運行策略

4.1.1防棄水(梯級流量匹配)策略

主要用于主汛期柳電棄水風(fēng)險較高時日，通過預(yù)防和減少柳電棄水來體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性。該策略以柳電庫水位(Z柳)為主要判斷指標(biāo)。要點如下：

(1)當(dāng)Z柳>Z柳max時，系統(tǒng)在兩站機組出力限制條件下，優(yōu)先頂格分配負(fù)荷給柳電，剩余負(fù)荷安排給察電。一般設(shè)定Z柳max=1 494.5 m。

(2)當(dāng)Z柳

(3)當(dāng)Z柳min≤Z柳≤Z柳max時，在某一時間段(一般不超過4小時)，根據(jù)調(diào)度狀況等，人為設(shè)定某一柳電水位目標(biāo)值，若對防棄水較有把握，則設(shè)定：Z柳0.15 m時，系統(tǒng)在兩站機組出力限制條件下，優(yōu)先頂格分配負(fù)荷給察電或柳電，使柳電水位快速趨向目標(biāo)水位。當(dāng)∣Z柳目標(biāo)-Z柳∣≤0.15 m時，運用動態(tài)規(guī)劃法，建立目標(biāo)函數(shù)

min(△Q)=Qcf+Qch-Qlf

(3)

式中，△Q為流量變化量；Qcf為察電發(fā)電流量；Qch為察河流量；Qlf為柳電發(fā)電流量。

基于各站發(fā)電流量與下游水位關(guān)系曲線(Q-Z)、發(fā)電流量與水頭損失關(guān)系曲線(Q-h)、水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線(N-Q-H)以及機組出力限制等邊界條件，采用循環(huán)迭代算法，在流量最匹配解附近，選取最小偏量解△Q對應(yīng)的察柳兩站出力值分配兩站出力，使柳電庫水位向目標(biāo)值方向微調(diào)并動態(tài)穩(wěn)定于目標(biāo)值。

4.1.2梯級發(fā)電能耗最小策略

主要用于非汛期及汛期低棄水風(fēng)險時段，通過降低梯級發(fā)電總能耗來體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性。

運用動態(tài)規(guī)劃法，建立目標(biāo)函數(shù)

min(E)=QcHc+QlHl

(4)

式中，E為梯級勢能消耗總量；Q為發(fā)電流量；H為毛水頭；c為察電；l為柳電。基于各站發(fā)電流量與下游水位關(guān)系曲線(Q-Z)、發(fā)電流量與水頭損失關(guān)系曲線(Q-h)、水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線(N-Q-H)以及機組出力限制等邊界條件，采用循環(huán)迭代算法，計算不同負(fù)荷分配狀況下兩站勢能消耗總量，E值最小時即為最優(yōu)解。梯級AGC系統(tǒng)按此解分配兩站負(fù)荷。

為減少系統(tǒng)運算時間，使之滿足在線實時優(yōu)化運行要求，解算中采用了一種新的數(shù)據(jù)集建模方式，將水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線(N-Q-H)所代表的機組運轉(zhuǎn)特性數(shù)據(jù)集建模為方程體，變二維插值計算為方程求解過程，并將循環(huán)求解優(yōu)化為矩陣求解，測試計算時間由2 s級縮短到了0.05 s級。

為驗證梯級發(fā)電能耗最小策略的運行效果，選取了人工干預(yù)較少、策略運行較為完整的2018年3月20日為代表日，分析測算了該策略的經(jīng)濟(jì)運行效果：當(dāng)日察柳兩站負(fù)荷可調(diào)時段共計6.18 h，其中，系統(tǒng)節(jié)省能耗超過10 MW的深度優(yōu)化運行時段有1.93 h，節(jié)省能耗在5～10 MW之間的次深度優(yōu)化運行時間有2.01 h；當(dāng)日，察柳兩站節(jié)省能耗4.6萬kW·h，占到當(dāng)日發(fā)電量(565萬kW·h)的0.8%。

4.1.3梯級發(fā)電收入最大策略

(1)汛期棄水時段，通過多發(fā)高價電來實現(xiàn)效益最大化。因察電電價高于柳電，當(dāng)察電棄水或者察、柳兩電均棄水時，系統(tǒng)在兩站機組出力限制條件下，優(yōu)先頂格分配負(fù)荷給察電，使發(fā)電收入最大化。

(2)非汛期及汛期低棄水風(fēng)險時段，實現(xiàn)在單位梯級發(fā)電總能耗下發(fā)電收入最大化來體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性。運用動態(tài)規(guī)劃法，建立目標(biāo)函數(shù)

max(TGR)=(Pc*EPc+Pl*EPl)/(QcHc+QlHl)

(5)

式中，TGR為梯級總發(fā)電收入(Total Generation Revenue)；P為各電站出力；EP為各電站上網(wǎng)電價；其他參數(shù)定義同上。采用循環(huán)迭代算法，計算不同負(fù)荷分配狀況下目標(biāo)函數(shù)最大值時即為最優(yōu)解。梯級AGC系統(tǒng)按此解分配兩站負(fù)荷。

4.2 廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運行策略

目前，系統(tǒng)對廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運行設(shè)有小負(fù)荷最少機組調(diào)節(jié)策略(簡稱小負(fù)荷調(diào)節(jié)策略)和大負(fù)荷平均分配策略。

4.2.1小負(fù)荷調(diào)節(jié)策略

其目的是為了減少機組總的調(diào)節(jié)頻次從而減少設(shè)備磨損和調(diào)速系統(tǒng)能耗，其原則是廠內(nèi)負(fù)荷變動較小時，盡量減少參與調(diào)節(jié)的機組臺數(shù)。該策略也可減少多臺機組參與小負(fù)荷波動造成累計負(fù)荷偏差，從而較好地跟蹤有功給定值。當(dāng)前設(shè)定：察電總負(fù)荷增(減)量小于20 MW的有功變動時，首先由該站負(fù)荷最小(最大)的機組承擔(dān)增(減)量，如該機不能承擔(dān)全部增(減)量，則剩余增(減)量由負(fù)荷次低(次高)機組繼續(xù)承擔(dān)，依次類推。柳電小負(fù)荷變動指小于10 MW的有功變動，其調(diào)節(jié)策略同察電。

4.2.2大負(fù)荷平均分配策略

當(dāng)察(柳)站總負(fù)荷增減量大于等于20 MW(10 MW)時，系統(tǒng)將全廠總給定有功值重新平均分配至各運行機組。經(jīng)對察電總有功180、210、240、270、300 MW狀態(tài)下，3臺機組不同負(fù)荷分配情況計算分析，結(jié)果表明：隨著機組間不平衡負(fù)荷(負(fù)荷差值)增大，電站總的勢能消耗也在增加；在3臺機平均分配負(fù)荷時，電站總的勢能消耗最小。由此判斷：機組間平均分配負(fù)荷是一種最優(yōu)運行策略。以察電總負(fù)荷240 MW情況為例，其不平衡負(fù)荷與總勢能消耗關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 不平衡負(fù)荷與總勢能消耗關(guān)系曲線

5 結(jié)論與探討

察柳兩站水力聯(lián)系緊密，運行如同“一庫兩站”，兼之兩站電力送出落點相同，具備較好的梯級AGC調(diào)度條件。

運用動態(tài)規(guī)劃法并采取合適的優(yōu)化算法和參數(shù)簡化方法后，察柳梯級AGC系統(tǒng)運算時間很短，不會對電網(wǎng)要求的AGC響應(yīng)時間等構(gòu)成制約，系統(tǒng)可以在線實時優(yōu)化運行。

察(柳)站單機容量相同，機組效能特性、水道系統(tǒng)特性等幾乎一致，在此情況下，大負(fù)荷平均分配策略是一種簡便實用的廠內(nèi)最優(yōu)運行策略。

小負(fù)荷最少機組調(diào)節(jié)策略有其必要性和合理性，目前對該策略的效果(減少總的調(diào)節(jié)臺次等)缺乏定量評估，對小負(fù)荷取值區(qū)間或者最優(yōu)值的選擇缺少深入論證，有必要繼續(xù)研究和優(yōu)化。初步考慮：對單站小負(fù)荷調(diào)整策略的取值，可根據(jù)一段時間內(nèi)省調(diào)AGC指令負(fù)荷調(diào)整的分布統(tǒng)計情況予以動態(tài)調(diào)整；對該策略的實施效果，可根據(jù)機組小負(fù)荷實際調(diào)節(jié)次數(shù)，與假定平均分配負(fù)荷調(diào)節(jié)次數(shù)的比較予以定量評估。

理想情況下，實時經(jīng)濟(jì)(最優(yōu))運行自然得到短期和中長期經(jīng)濟(jì)(最優(yōu))運行效果。但目前察柳梯級AGC系統(tǒng)運行的結(jié)果卻并非一定如此。主要原因是：梯級AGC控制下的實時優(yōu)化運行是在一定的開機組合條件下運行，是有局限的，其優(yōu)化策略的本質(zhì)是“以電定水”，而中長期經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化策略的本質(zhì)是“以水定電”，兩種運行策略難以全時耦合。