“一庫兩廠”水電站協(xié)同調度研究

唐 勇1，黃 春 雷，張 勝3，趙 宇

(1.國家電力調度控制中心，北京 100031； 2.南瑞集團/國網電力科學研究院有限公司，江蘇 南京 211106；3.國家電網有限公司 華中分部，湖北 武漢 430000)

我國和國際上的行政區(qū)通常以山脈或河流等自然地形劃分，其中兩國或兩地區(qū)分界的河流稱為界河。隨著水電站建設的持續(xù)推進，在界河建成的水電站也越來越多，為分享這些水電站的發(fā)電效益，需要界河兩邊不同的利益主體共同協(xié)同管理，如世界著名的伊泰普水電站介于巴西與巴拉圭間，依靠《伊瓜蘇協(xié)定》確定發(fā)電機組和發(fā)電量均分[1]；中朝界河鴨綠江水豐水電站根據《關于中朝鴨綠江水豐水力發(fā)電公司協(xié)定書》，規(guī)定了電力兩國各半分配[2]；我國金沙江下游溪洛渡水電站介于云南省與四川省之間，左、右岸電廠分別向國家電網和南方電網供電，各廠年發(fā)電量按既定比例分配，當日電量和月電量達不到分配比例時，可在月度、年度中滾動調整[3]。這些水電站電力調度和利益關系都呈現了多主體特征，已有協(xié)議大多提的是原則性要求。由于水庫可用水量、電網需求負荷的有限性和不確定性，在具體操作層面上如何平衡各方利益和開展協(xié)同調度這給運行管理帶來了新挑戰(zhàn)。

在水電站協(xié)同調度方面，文獻[4-5]探索了長江流域控制性水庫統(tǒng)一調度的必要性；文獻[6-10]對水庫群統(tǒng)一調度框架及模式、多主體梯級協(xié)同調度模型及效益補償等方面進行了研究；周杰清從開發(fā)設計角度，研究了界河水電站兩岸不同利益主體的水力資源分攤方法，從水頭、水能資源蘊藏量、河長、集雨面積4個角度進行了說明[11]；徐斌等提出了多利益主體水庫群基于討價還價理論的增量效益分配模型[12]。張粒子等研究了多運營主體流域梯級水電站參與的日前市場出清模型，提出“調蓄削峰”兩階段出力優(yōu)化調整策略[13]。可見，多利益主體水電站發(fā)電量大小除受水庫可用水量和發(fā)電水頭影響外，還受電力系統(tǒng)負荷(市場)需求、電網輸送能力等條件的制約，加上不同利益主體訴求，使其調度情況更加復雜[14]。本文針對一個水電站具有兩個分屬不同利益主體的電廠(即“一庫兩廠”)情況，研究基于電量借-還模型的、兼顧水電站總體效益最大化的協(xié)同調度方法，以實現合理、公平、公開調度。

1 “一庫兩廠”調度需求

“一庫兩廠”是指有兩個調度或運行需求不同的電廠(分廠)共用同一個水庫的水進行發(fā)電。由于各個電廠分屬于不同的調度(利益)主體，發(fā)電受各自所屬電網或利益主體需求上的支配，但又與別的電廠共用一庫水，在水量使用上相互制約，在水頭計算上相互影響。因此，兩個電廠在運行時需要在不同的時空尺度上相互配合，在滿足水庫綜合利用、各自電網及電廠安全運行約束前提下，使水能資源充分利用，并體現公平公正、違約補償、效益均分的原則，實現在水量利用上有借有還、電量分配上等同對待、電力需求上互補互濟等目的。

2 協(xié)同調度方法

2.1 協(xié)同調度原則

兩廠在共用一庫水前提下，如何利用有限的水能共同發(fā)電，使自身發(fā)電效益最大化，涉及到不同利益主體發(fā)電的博弈關系。在研究兩廠間的協(xié)同調度時，要求既不能違背國家的節(jié)能環(huán)保政策，也要兼顧各主體利益和電網安全實際需求，在公平前提下使協(xié)同調度結果具有可執(zhí)行性，總體原則如下：

(1) 考慮兩個電廠現行的電量分配和水庫調度需求；

(2) 遵循水電站總體效益最大化原則；

(3) 應鼓勵少水少發(fā)、多水多發(fā)需求；

(4) 可根據來水預報及實際水位實際滾動調整中長期發(fā)電計劃；

(5) 在電量協(xié)同方面體現公平、公正、公開目標。

2.2 中長期協(xié)調優(yōu)化調度

2.2.1解決思路

中長期協(xié)同調度主要在較長的時間尺度范圍內安排各廠的發(fā)電計劃，運行時可進行滾動修正。調度時主要考慮各電網輸送能力和水庫綜合利用約束，注重水量及水頭利用，以各電廠的累積效益之和最大化作為目標值，即以水庫總水量優(yōu)化利用來實現水電站總體效益最大化，以水庫運行邊界控制來滿足水庫綜合利用要求，以各電廠發(fā)電約束條件來體現各不同利益主體的運行需求。

2.2.2調度模型

中長期協(xié)同調度的模型如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2.2.3解算方法

在解算方法上，采用動態(tài)規(guī)劃法[14]進行計算，水庫(水位、出庫等)和全廠最大出力(電廠累計)約束按照總約束進行考慮外，在電廠發(fā)電方面，為體現少水少發(fā)、多水多發(fā)和公平發(fā)電原則，求解時可用水量初始分配比例按公式(6)進行，并進行水量轉化為出力計算。當其中一個電廠無法消納分配的出力時，自動轉移到其他電廠利用，當所有電廠均無法充分利用水庫的可用水量時，多余的水蓄積。

2.3 短期協(xié)同調度

2.3.1解決思路

在有限水量的條件下，以公式(6)作為水量分配原則(已有協(xié)議按協(xié)議執(zhí)行)，在一個蓄(供)水期內有水不發(fā)則認為自動放棄不可留用。當某時段電力需求不均衡時，可在一定時間序列范圍內實現電量在各電廠間調劑，體現合作博弈的思想。短期日協(xié)同調度具體如下所述。

(1) 水電站總體效益不受損，即日可用水量有制約，可有條件進行松弛，體現前期少(多)用后期多(少)用原則；

(2) 在安全約束條件下各電廠余留水量允許后移，但有一定的制約(不超過運行約束)；

(3) 電量偏差累計值必須在一個蓄放周期內完成協(xié)同分配，否則作為損失扣減或放棄；

(4) 當雙方在負荷需求有限時導致棄水概率增加或棄水時，風險共同承擔。

由于水庫有一定的調節(jié)能力，在日可用水量約束下，水電站日內發(fā)電出力在不同時段分布對日總電量影響不大。因此，本文短期日協(xié)同調度主要研究日電量在各分廠間分配問題。基于上述原則構建短期日協(xié)同調度時，可從兩個維度進行考慮，即橫向的時間(時序)維度和縱向的空間(各電廠間)維度。在時間維度上，各電廠在可用水量約束下，考慮前期累積借還電量使用；在空間維度上，允許電廠間根據當日負荷的需求在一定范圍內自行安排。當累積可使用電量不足以滿足需求時，在不過多破壞優(yōu)化調度線前提下，可提前透支一定比例水或向對方“借水”來發(fā)電。

2.3.2調度模型

由于水庫具有一定的調節(jié)能力，水電站總體效益最大化目標通過中長期優(yōu)化調度線進行控制，短期調度目標主要在執(zhí)行的協(xié)同上，而其關鍵在于各電廠的發(fā)電能力和借(還)電量計算上。假定各電廠在蓄(供)水期開始的第t日調度發(fā)電量為Ei,t，則從蓄(供)水期開始(t=1)，短期協(xié)同調度模型如下：

(7)

其中：

(8)

(9)

公式(9)計算除要滿足式(3)的約束條件外，還需滿足Zt+1-Zt≤ΔZ，ΔZ為日水位變幅約束。

此外，當i電廠第t日Ei,t大于可用機組(扣除檢修)最大發(fā)電量、電網線路輸送限額、系統(tǒng)負荷需求時，按限額的電量進行發(fā)電。

2.3.3解算方法

短期協(xié)同調度主要體現在電量的分配上，水量優(yōu)化通過中長期調度實現，并通過最優(yōu)水位調度線來指導短期運行。所以，在解算方面，結合最優(yōu)水位過程線的控制要求，從蓄(供)水期開始，按照公式(7)采用時序法來逐日進行協(xié)同調度計算。逐日運行的計算流程如圖1所示。

圖1 短期協(xié)同調度計算流程Fig.1 Short-term collaborative scheduling computing process

3 算例分析

3.1 對象概述

本文以金沙江下游溪洛渡水電站為例進行實例分析。溪洛渡水電站位于四川和云南交界的金沙江下游干流，水庫正常蓄水位為600 m，死水位為540 m，為不完全年調節(jié)，水電站共裝有18臺單機容量為770 MW的機組，總裝機容量為13 860 MW，2014年全部建成投產，分為左、右兩岸兩個廠房，各有9臺機組，分別由國家電力調度控制中心和南方電網有限公司電力調度控制中心進行調度，是一個典型的“一庫兩廠、雙網同調”水電站。汛期(6月1日至10月31日)國家電網和南方電網按1∶1電量比例進行發(fā)電，非汛期發(fā)電比例分別為42%和58%。短期調度時6月1日前借(還)電量歸零，汛期由于來水較多，不存在借(還)電量問題，汛后(11月1日)重新計算借還電量。

3.2 算例計算

3.2.1中長期運行結果

以溪洛渡2017年旬實際入庫流量和年末實際水位進行控制，最小出庫流量約束1 700 m3/s。汛限水位根據實際運行情況分段控制(6月560 m，7～8月580 m，9月后600 m)，以常規(guī)(調度圖)、優(yōu)化(發(fā)電量最大為目標)兩種方法進行操作計算，水庫水位運行結果如圖2所示，電量計算結果如表1所示。

表2 短期協(xié)同調度計算成果Tab.2 Short - term cooperative scheduling calculation results

圖2 水庫中長期調度水位過程線Fig.2 Process line of water level for medium and long term operation of reservoir

調度方式考慮庫容差電量的電量值/(億kW·h)調度方式考慮庫容差電量的電量值/(億kW·h)實際值613.91優(yōu)化調度665.77常規(guī)調度值630.86

3.2.2短期運行結果

以水庫日水位變幅不超過2 m、出庫流量不小于1 700 m3/s為約束，南方電網和國家電網的電量分配比例汛期為1∶1、非汛期比例為58%：42%，由于左右兩個電廠裝機容量一致，可認為λi,t按相同的比例分配可用水量。在實際應用中，以中長期協(xié)同優(yōu)化調度水位結果作為控制線，結合短期來水預報確定各電廠的日可用水量。在模擬計算分析中，為便于比較，以2017年實際運行水位控制，實際入庫來水代替預報入庫來水。2017年逐日計算結果統(tǒng)計如表2所示。

3.3 結果分析

在中長期調度計算方面，從表1可看出，按調度圖調度增加了16.96億kW·h，增幅2.76%；優(yōu)化調度比實際增加了51.87億kW·h，增幅8.45%。增加的電量主要集中在汛期，因為預先無法估計水電的消納情況，按照常規(guī)及優(yōu)化方法，只要水力足夠就滿發(fā)。因此，多出的電量可認為由兩部分構成：① 由于預先知道來水，優(yōu)化時做到汛前騰庫、汛后攔尾、高水位運行；② 裝機棄水電量轉化為計算電量。

而在短期發(fā)電調度模擬計算中，計算總電量值與實際值偏差也集中在汛期，主要是無法獲取逐日電網輸送限額、負荷需求和檢修等相關數據，計算時按照滿額進行發(fā)電，導致汛期多出62億kW·h，在實際應用中可加入相關約束進行計算。在模擬計算時，汛前(5月31日)，南方電網結余24.61億kW·h未發(fā)，國家電網超發(fā)24.61億kW·h(借)的數值被清零，計算結果也基本符合實際。

4 結 論

隨著我國水電站建設的持續(xù)推進，多利益主體水電站將會越來越多，如何協(xié)調各方利益關系，實現公平、公正的調度是當前需要探討的問題。本文研究結論如下。

(1) 在中長期優(yōu)化調度中，考慮不同利益主體需求和水庫自身運行約束，優(yōu)化運行結果滿足水庫運行效益最大化目標，達到充分利用水能資源目的。

(2) 短期協(xié)同調度以系數劃分可用水量方式，提出了借-還電量的計算方法，為不同利益主體在實際運行中遇到的特殊情況提供了彈性解決方法，且用記賬方式記錄，并規(guī)定使用期限(到期自動清零)，體現了公平公正、違約補償、效益均分的原則。

(3) 本文經過實例模擬計算，結果表明與實際差異控制在5%以內，方法切實可行，為解決這類型的水電廠利益協(xié)調提供了一種思路和方法，但針對越來越多的梯級流域不同利益主體水電站間的協(xié)同調度有待于探討。