基于多種小電電源協調分析的智能調度研究

吳東平，李 勝，馬瑋駿，陳 清，張 欣

（1.云南電網有限責任公司，昆明650011；2.南京金水尚陽信息技術有限公司，南京210046）

小電在不同地域電網有不同的界定，云南電網小電專指裝機容量小于25 MW 或并網電壓等級為110 kV 及以下由地區和縣級供電局調度的電站，目前小水電站1 600 多座，占整個小電約90%。這些電站裝機規模小，上網電價低，技術改造升級的能力弱，水能資源優化利用空間大［1］。

當今國家清潔能源政策地實施正處于關鍵時期，政府和企業各相關部門都要為可再生水電資源地利用提供支持，如何充分利用小電資源成為了一個重要的課題［2，3］。為有效進行小水電優化調度，現有的研究大多側重在對徑流預測模型的改進上，但實際情況約束條件復雜，不僅需要增加大量水文監控設備，對于不同地形、地貌造成的基流影響也難以確定，很難實現。本文對全網小電基礎資料進行了整合，全面掌握省、地、縣三級統調小電發電運行信息及數目、裝機、分布等情況，接入全網統調小電發電運行信息，并建立全網小電調度管理指標統計和考核評價功能，為大數據分析提供依據，著力減少棄水，加強小電資源合理利用［4］。

本文基于水火風光等多種小電電源協調分析，探討小電計劃的統一編制方法，滿足云南電力調度控制中心對省地縣調電源的集約化智能調度需求。

1 多種小電電源協調分析業務流程

云南電網由各類電源構成，主要包括水電、火電、風電、太陽能等，以及焚燒垃圾發電、生物電能等，這些電源由于其能源機理不同，在出力過程、峰谷差、電源波動等方面表現出了較大的差異，特征曲線的形式各異。為了能夠充分了解全網發電情況，通過結合市場交易以及負荷變化信息，著力開展小電發電計劃合理科學規劃工作。根據占比份額，云南電網的各種電源可歸納為風、光、水、火及其他等5種能源類型，這些不同種類的電站有相應的國家調控政策。本文歸納了在制定發電計劃時需要考慮的多種小電電源協調分析業務流程［5］，如圖1所示。

圖1 多種小電電源協調分析業務流程Fig.1 Workflow of multiple small power coordinate analysis

基于該流程，逐步推求出電力需求預測和綜合電力供給預測，作為發電計劃編制依據，最后根據國家清潔能源消納和電力供求優惠等政策，在安全校核規則約束下，反向調節生成多目標優化的小水電發電計劃。

從圖1 可以看出，準確的風、光、水清潔能源的發電能力預測很大程度上依賴于氣象和水情信息的預報精度。而小區域的實時風向風速、日照和降水的氣象預報一方面對于現場觀測資料的依賴很大，一方面目前數值預報產品的網格精度最密的不過10 多公里（按赤道經緯度換算），雖然維度高時略有減少，但對于風電、光電和水電廠而言，這個尺度還是大了。

隨之帶來的問題是在缺乏確定性數據的情況下如何盡量做到合理預測。為此，我們提出一種交互式多階段發電計劃編制模式，利用短期、中期和長期預測-計劃-跟蹤-評估-反饋-協調循環迭代機制，參考歷史同期和不久前發電計劃與氣象、水文信息的關聯關系，假設上級分配的總發電量不變，動態調整風、光、水電的計劃發電量，并以水電作為可靠調節量，分解到調節能力較強的水電站。

2 小電調度運行智能化方案

小電由于大多缺乏完備的生產監控和管理系統，同時缺乏電網以及市場的實時信息，其優化運行難以套用大中型電站的方式來做，但是一條送電線路、一個流域、一個縣或一個地區的小水電群卻具備了更多更豐富的信息。借助信息化手段，通過及時考慮各種制約因素，加強站網信息互動和業務支撐信息的動態更新，將小水電群按照某些特征劃分成發電斷面（也稱輸電斷面或潮流斷面）的若干虛擬單元，并進行優化運行，既考慮了電網安全校核，又與發電斷面中其他可利用的發電能源（水、風、光等）關聯，是最為有效的資源優化利用辦法。

2.1 改進的多階段發電計劃編制方法

過去小電系統信息傳送多為電站單向對電網調度機構上報數據，較少得到全面的生產信息，本方案提出將信息傳輸改為雙向傳送模式，讓小電具備更全面有利的優化運行條件。電網各級調度機構掌握本流域和本地區較為全面的生產信息，當本地區天氣預報和雨量測站有明顯降雨過程、送電線路故障、各類自然災害發生時，可立即在小電系統中發布，小電電站登陸小電系統即可看到這些信息，及時進行發電能力預測、發電情況跟蹤、評估，從而完成其優化和應急方案的制訂、實施。

發電計劃包括長、中、短期3種，發電能力預測通過分析、預測計算區域各電站在一段時間內（日前、周及連續7天、月度、季度、年度等）的可發電量。其預測性能取決于天氣變化、電站和電網相關約束條件的匹配，并與流域內地質、生態、極端氣象災害等情況下的特殊運行方式有關，但這些理想化的信息并不是都能獲得，就需運用經驗、歷史數據進行智能處理。

本文提出“分級編制、統一平衡、動態調整”的交互式多階段發電計劃編制模式IMSPP（Interactive Multiple Stages Power Planning），系統建議和用戶自主選擇相結合，及時與上級調度指令和相關信息進行交互，建立中長期-短期迭代循環優化機制。

圖2 方法也稱為兩層式發電計劃編制法，原理可推廣到其他場合。左邊（第一層）利用電站積累的歷史數據或經驗，并參考該地區的購售電合同計劃、頻率發電量和歷史發電量，模擬計算電站大致發電計劃數據，進一步確定電站的機組開機方式，確保發電計劃編制電站出力變化空間在可行范圍。右邊（第二層）是細化發電計劃參數的過程，由用戶根據企業經營策略、運行限制條件確定優化運行的目標函數及其優先次序，計算得出電站相關發電方式［6，7］。

圖2 中的目標函數次序只是一個示例，實際運用過程中可根據需要調整，也可增減。例如，針對小水水電徑流信息獲取困難，而電信息相對容易特點，我們增加了網供電峰谷差最小、關口峰谷差最小和供電成本最小三種目標。

圖2 IMSPP方法示意圖Fig.2 IMSPP method diagram

網供電峰谷差最小是指地、縣電網需要上一級電網供電負荷的峰谷差最小。關口峰谷差最小是指地、縣電網與上一級接口交換潮流的峰谷差最小。供電成本最小是指地、縣電網在明確了上一級電網供購電價的情況，使本電網的供電成本最小。

在計算這些目標函數過程中，以可行發電指標分配原則為約束條件，設置“虛擬地區”，采用在虛擬地區內提供等設備利用發電率發電、全年或汛期利用小時相等兩種發電指標分配方法，給出發電指標分配額度，建立多種電源的協調發電調度算法。

2.2 小水電優化運行方式和流程改進

小水電由于比重大、調節性能好，在小電調度運行中占有舉足輕重的地位。在實際運用過程中，約束條件是動態變化的，汛期和平枯時段的最高限制水位、電站間的發電出力相互影響構成的發電斷面限制等，都需要及時進行調整。小水電由于調節能力一般為徑流無調節或日調節，其電站優化方式的制定以日或小時的短期優化運行為主［8］。

（1）來水大于最大發電引用流量時，小水電最優的方式是按裝機容量或少量超發的工況滿發運行。若電網線路送出受阻或市場需求不足，則安排受阻區域電站等比例棄水或電站輪停，電站有市場化交易的優先按協議發電方式運行，該方式多發生在汛期（6-10月）。

（2）來水小于最大發電引用流量時，小水電的最優運行方式是按廠內優化的成果運行，根據調節能力和機組間性能的差異，按預測來水過程日發電量最大模型計算負荷方式運行，該方式多發生在枯期（1-4及12月）和平水期（5和11月）。

除此之外，增加了發電情況跟蹤和小電工作評價兩個環節。其中發電情況跟蹤對正在執行的發電計劃進行跟蹤分析，將實際發電數據與計劃曲線進行對比，設立評分標準，給出量化評分，實現對計劃執行情況的實時分析，并對計劃執行的風險進行預判，如果超出了風險控制范圍則進行告警。跟蹤分析深入到每個時段（15 min），動態調整發電計劃，提高準確性。小電工作評價通過指標和評分規則定義，對其數據上報、計劃執行情況、調度工作合格率等不同的工作進行綜合評價，反饋的結果影響下一階段該機構的計劃認可度。

3 關鍵環節模型算法集成

由于電網各類輸電設備故障、線路送出能力受限以及電力市場需求不足等造成的水電廠出力低于可調出力而產生的棄水損失電量，是棄水損失電量的最主要部分［9］［10］，其認定和計算與水庫調節能力關系復雜，本文重點論述小水電占比較大的調節能力較差電站的棄水電量。

3.1 無調節水電站棄水電量計算

無調節電站無法對來水進行調節，棄水電量為電站各小時可調出力（無檢修故障時為裝機容量）以內受電網送出影響和受阻出力Nsz對應電量的累計值。

日棄水電量：

式中：NKfi為電站i時段平均可發出力，該值小于電站可調出力；Nsfi為電站i時段平均實際出力。

對于汛期日均入庫流量大于最大發電引用流量或枯期日均入庫流量變化較小的工作日，棄水電量可進一步簡化為Nsz*24，該電量值應不超過各小時電站可調出力電量與日實發電量之差。

3.2日調節水電站棄水電量計算

日調節水電站可對日入庫水量進行調節，日棄水電量可簡化用日最大可能棄水電量與實際棄水量的折算電量之較小值進行計算，即電站可調出力滿發電量和實發電量的差值與實際棄水量對應電量的較小值。

式中：Wq為電站日棄水量；Ekd為電站可調出力滿發電量；Esf為電站日實發電量；m為日均發電耗水率。

3.3 多電源協調分析

多電源協調分析通過計算分析全區或指定區域電源消納情況，給出電網各電源協調分析平衡計算結果。包括以下關鍵技術：

（1）水電發電量中徑流描述方式的選擇。中長期徑流預報成果為中長期發電計劃編制分析缺省的徑流描述方式。根據能獲取的實際數據，選擇3種徑流描述方式之一用于計算：

●預報徑流—提取中長期徑流預報成果或對成果進行校正；

●頻率徑流—提取中長期水文預報提供的指定頻率徑流過程或對此進行校正；

●歷史徑流—提取指定年份的多年平均徑流、最大徑流、最小徑流或對此進行。

（2）出力預測方式的選擇。各類電源在方案制定過程中需要考慮不同的出力情況，建議采用3種出力預測方式試算結果：

●購售電合同計劃—提取購售電合同所簽訂的發電計劃并視情修改；

●頻率發電量—對歷史發電量過程進行排頻，提取指定頻率的發電量過程并視情修改；

●歷史發電量—提取指定年份的多年平均發電量、最大發電量、最小發電量數據并視情修改。

（3）其他參數取值方式的選擇。中長期發電計劃編制分析中涉及的眾多參數，建議提供二種或二種以上的取值方式，方便靈活操作。如，最高限制水位包括：汛限水位、正常高水位、正常高/汛限水位、歷史同期水位、調度圖水位。

（4）多方案比較技術。包含執行前靜態比較和執行中動態比較兩部分，結合發電情況跟蹤和統計分析，形成各方案主要指標的分析圖表，分析各方案制定時參數與目標函數差異性。

●靜態比較—建立并保存通過不同方式計算得出多種發電調度方案，保存相關計算條件、計算結果、制定時間、制定人，通過詳細信息的可視化展示比對工具給出綜合評分。

●動態比較—對于正在執行的發電計劃，與計劃曲線進行綜合對比，對計劃執行的風險進行分級預判，給出量化分值。例如：對全網小電、流域小電和電站發電跟蹤，根據閾值進行偏差智能分析、越界告警和歷史分析等。

（5）運行數據統計分析。為方便量化評估，除通常的日報、月報、年報等統計項，加強了運行時統計分析，它們是：

●電網日棄水電量—按照電廠、供電局等進行日棄水電量的統計，同時給出棄水原因分析；

●調度運行月報—統計各月不同調管類型基礎資料（裝機、電廠數量、月度新投產容量等）、發電情況、計劃完成情況等信息；

●小電調度運行日報—統計省地每日小電發電情況，按級給出本級下屬小電廠上報的昨日日電量、最高負荷、最低負荷和平均負荷，生成月累電量和年累電量。

在這些統計分析數據的基礎上，可發現全地區分類型（按發供電、調管關系、電源類型、分縣區）的昨日日電量、月累電量、年累電量、昨日最高負荷、最低負荷和平均負荷［11］，為下一階段各電源發電計劃的調整提供可靠依據，達到協調分析的目的。

圖3為發電情況跟蹤流程圖。

圖3 發電計劃跟蹤流程圖Fig.3 Process diagram of power plan tracing

4 小電智能調度實現案例分析

4.1 發電計劃編制與管理

為驗證本文所提方法的有效性，編寫了相關軟件，在實現第二節給出方案時，有“統一調度、分級管理”和“統一調度、上級指導下級的分級管理”兩種操作方式。前者，各級調度按各自的調度管轄范圍獨立編制其發電計劃，下級調度向上級調度機構備案；后者，下級調度對本管轄范圍內總發電計劃只有建議權，由上級調度機構決定下級調度范圍內的小水電的總發電計劃值，由下級調度具體細化到各直調（委托調度）的發電計劃。

發電計劃編制模塊具備日期選擇（典型日參考）、早晚峰設置、斷面管理、停機設置、建議計劃參考、給定電量分配、圖形設置、斷面校核、計劃保存與上傳等多種實用功能。

為了充分利用小水電的調節能力，軟件提供的實用發電計劃編制目標函數［12］。發電計劃編制目標函數除向大水電一樣外，特別實現了增加的針對小水電的網供電峰谷差最小、關口峰谷差最小和供電成本最小3種目標。

用戶發電計劃曲線編制的主界面如圖4所示。紅框中是計劃制作單位某供電局的所有直調和地縣共調電廠，各電廠的數據是可以編輯的。界面右側這部分，可以通過滾動條拉動，最右側是各縣的統計，這部分數據是不能編輯的，由各縣調單獨編制。表格左側綠框中是按調度關系統計的發電計劃，藍框中是按電廠類型統計的發電計劃曲線。

圖4 發電計劃編制界面Fig.4 Interface of power plan creation

4.2 多電源協調分析與評估

為保證各電廠發電計劃編制的合理性、科學性，保障地區電網安全穩定經濟運行，在編制、審核發電計劃時，除了提供便捷的目標函數選擇和結果展示，還提供表格與圖形兩種形式的發電計劃與實際出力對比信息頁面（為突出重點，此部分不再贅述）。以地調協調為例，計算分析區域電源消納情況，給出各電源協調分析平衡計算結果，如圖5所示。

圖5 多電源協調分析Fig.5 Multiple power resource coordinate analysis

通過這種分析，可以有效發現各種電源的消納情況，并于發電能力評估相結合，及時調整某種電源在可行發電量范圍內的出力計劃［13］，反饋到發電計劃編制模塊，進行優化迭代。發電能力評估充分考慮電網中現有的各類電源特性以及各時段的實際工況，通過綜合分析各類因素后，評估當前電網具有的總發電能力。圖6給出某電網整體發電能力評估曲線。

圖6 電網發電能力評估Fig.6 Evaluation of power ability

除了發電能力外，我們還提出了對電站考核三元組［14］：報送信息的及時性，準確性，誠實性。及時性是按電廠有沒有按調度要求及時上報有關的水情與發電信息，根據采用自動化系統上報的信息及時性優于人工上報的原則進行考核，自動化系統漏報數據扣分小于人工漏報數據。準確性是按各水電廠上報預測來水與實際來水、預計發電量與實際發電量的相對準確性來判斷。誠實性是針對各發電廠上報信息的真實性進行評價，如電廠故意報大發電能力搶占市場份額、機組非停時故意報小入庫流量或預計發電能力的行為，將影響其誠實性。提供用戶對電廠按這三性考核的技術支持，以及為 用戶提供對這三性權重設置功能，建立對電廠運行評價指標。該指標的前期值與后期發電安排掛鉤的方式，實現對電廠的獎罰。也可按用戶具體辦法實現其獎懲機制的技術支持。

5 結 論

小電的管理和運行方式復雜，如何制定科學、經濟、可行的電站運行方式，是復雜而重要的生產任務，需要結合電網的特點和實際，研究與之相匹配調度管理理論方法，構建智能化、靈活、方便的軟件平臺。本文研究小電調度智能管理系統關鍵技術，提出“分級編制、統一平衡、動態調整”的交互式多階段發電計劃編制模式IMSPP。該模式引入發電斷面的概念，采用更加靈活的歷史數據、實況數據和模型運算相結合的方式，迭代完成發電計劃編制。 □