考慮電站調(diào)峰性能差異的短期精細化調(diào)度方法

黃馗 程瑞翔 胡甲秋 李向陽 朱昀柯 武新宇

摘要：隨著電網(wǎng)調(diào)管水電規(guī)模的擴大以及調(diào)度精細化的需求，如何考慮不同電站調(diào)節(jié)性能差異進行精細化調(diào)峰，使得火電平穩(wěn)運行，減少參與深度調(diào)峰，成為電網(wǎng)短期水電調(diào)度亟需解決的關(guān)鍵難題。針對電網(wǎng)短期精細化調(diào)度問題，提出了在水電站群調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度模型中考慮各水電站調(diào)峰性能差異的差異化調(diào)峰優(yōu)化模型，更好地利用水電的調(diào)節(jié)能力，使得短期調(diào)度計劃編制更加準確、合理。依照電網(wǎng)所轄水電站的調(diào)節(jié)性能不同劃分弱調(diào)峰電站、調(diào)峰電站以及平衡電站進行差異化約束處理，并采用關(guān)聯(lián)搜索方法對差異化調(diào)峰優(yōu)化模型進行求解。選取廣西37座水電站進行實例驗證，結(jié)果表明：對比傳統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型，差異化調(diào)峰優(yōu)化模型考慮了不同水電站調(diào)節(jié)性能的差異，進一步降低系統(tǒng)剩余負荷的峰谷差，平抑剩余系統(tǒng)負荷波動并調(diào)平系統(tǒng)負荷微小和頻繁波動，是一種滿足實際工程需求的精細化調(diào)度方法。

關(guān)鍵詞：精細化調(diào)度；差異化調(diào)峰；短期調(diào)度；梯級水電站群

中圖分類號：TV72? 文獻標識碼：A? 文章編號：1001.9235（2024）01.0139.07

A Refined Short.term Scheduling Method Considering the Difference of Peak.shaving Performance of Hydropower Stations

HUANG Kui1，CHENG Ruixiang2，HU Jiaqiu1，LI Xiangyang3，ZHU Yunke2，WU Xinyu2*

（1.Power Dispatching and Control Center，Guangxi Power Grid Co.，Ltd，Nanning 530023，China;

2.Institute of Hydropower & Hydroinformatics，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China;

3.Comprehensive Technology Center of? Pearl River Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources，Guangzhou 510611，China）

Abstract： The scale of regulated hydropower in the power grid and the demand for refined dispatch continue to expand.How to carry out refined peak.shaving considering the differences in the regulatory performance of different power stations，which makes thermal power run smoothly and reduces the depth of participation in peak shaving，is the key problem to be solved in short.term hydropower dispatch of the power grid.To deal with the refined short.term scheduling of some provincial power grids，this paper proposes a peak.shaving optimization model of hydropower station groups considering peak.shaving performance differences.The model makes the short.term scheduling plan more accurate and reasonable and can better use hydropower regulation capacity.According to the different regulatory performance of the hydropower stations under the power grid，the paper conducts differentiated constraint processing to the weak peak.load station，the peak.load station，and the balanced power station.In addition，the successive associated search method is applied to solve the differentiated peak load optimization model.A total of 37 hydropower stations in Guangxi power grid are selected for the case study.The results show that compared with the traditional model，the differential peak.shaving optimization model takes into account the difference in regulation performance of different hydropower stations.It further reduces the peak.valley difference of the residual load of the system，smooths the fluctuation of the residual load of the system，and levels the small and frequent fluctuations of the system load，which is a fine scheduling method to meet the actual engineering requirements.

Keywords：refined scheduling;differential peak shaving;short.term scheduling;cascaded hydropower stations

隨著國民經(jīng)濟的迅速增長以及新能源大規(guī)模并網(wǎng)，電網(wǎng)公司所承擔(dān)的調(diào)峰形勢日益嚴峻。水電由于其機組啟停迅速、爬坡能力強的優(yōu)點，能夠調(diào)節(jié)系統(tǒng)負荷，使火電機組以及核電機組所承擔(dān)的系統(tǒng)余荷盡量平穩(wěn)，進而減少火電參與深度調(diào)峰［1-2］。因此，研究電網(wǎng)如何在短期調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度中充分發(fā)揮水電調(diào)峰性能、實現(xiàn)精細化調(diào)度［3-6］，對其安全穩(wěn)定地運行具有重要意義。

水電短期調(diào)峰優(yōu)化問題是一個多決策變量、高維、多復(fù)雜約束條件、大規(guī)模非凸非線性的優(yōu)化問題［7-8］。眾多學(xué)者已對水電短期調(diào)峰優(yōu)問題進行了深入的研究，通過關(guān)聯(lián)搜索算法、動態(tài)規(guī)劃及其近似算法（如POA）、MILP以及啟發(fā)式算法對其進行求解。常規(guī)水電短期調(diào)峰優(yōu)化模型的優(yōu)化目標［2，9］主要有系統(tǒng)剩余負荷最大值最小［8］、系統(tǒng)剩余負荷均方差最小［10-12］、剩余負荷平均距最小［13-15］以及剩余負荷峰谷差最小［16］。武新宇等［8］以水電調(diào)節(jié)剩余負荷最大值最小為目標函數(shù)建立短期模型，并通過逐次逼近的關(guān)聯(lián)搜索方法對優(yōu)化模型進行求解。肖小剛等［17］提出了根據(jù)水電裝機容量及其對電網(wǎng)的影響程度對水電進行層級劃分的多級協(xié)同模式調(diào)度調(diào)峰模型。張世欽［11］以系統(tǒng)剩余負荷方差最小為目標函數(shù)建立短期調(diào)峰優(yōu)化模型并通過改進粒子群算法進行求解。張政等［16］以發(fā)電量最大和電網(wǎng)剩余負荷峰谷差最小為目標并采用MILP進行求解，但在傳統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型中沒有考慮電站調(diào)峰性能差異對水電參與調(diào)峰的影響。

本文在傳統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型基礎(chǔ)上考慮水電站群的調(diào)峰性能差異，提出了短期電網(wǎng)差異化調(diào)峰優(yōu)化模型，根據(jù)水電的調(diào)節(jié)性能不同處理模型中的電站時間耦合型約束，進行差異化調(diào)峰。調(diào)節(jié)性能差的弱調(diào)峰電站通過將滿發(fā)時段盡可能安排在系統(tǒng)負荷高峰期，進而參與部分調(diào)峰，調(diào)節(jié)性能較好的調(diào)峰電站按照傳統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型進行規(guī)則性調(diào)峰，平衡電站通過出力頻繁波動降低系統(tǒng)剩余負荷波動，進而實現(xiàn)了電力平衡，減少火電參與深度調(diào)峰。廣西37座水電站的實例應(yīng)用表明，對不同調(diào)節(jié)能力的水電站進行差異化調(diào)峰，能夠使得短期計劃編制更加合理、精確、貼合實際。

1 差異化調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度模型

在電網(wǎng)短期調(diào)峰優(yōu)化模型中，考慮到部分水電站調(diào)節(jié)能力不強以及調(diào)節(jié)性能好的常規(guī)水電站難以調(diào)平系統(tǒng)微小且頻繁跳動負荷的問題。本文將參與短期計劃編制的水電站劃分為3類：小裝機容量水電站（以下稱弱調(diào)峰電站）、調(diào)節(jié)性能強的常規(guī)水電站（以下稱調(diào)峰電站）以及下游裝機容量較大且水庫調(diào)節(jié)能力較好的平衡水電站（以下稱平衡電站）進行差異化調(diào)峰。本文通過將弱調(diào)峰電站、調(diào)峰電站以及平衡電站分別采用不同的調(diào)峰模型建立兩階段差異化調(diào)峰優(yōu)化模型進行優(yōu)化。第一階段，弱調(diào)峰電站基于初始解求解弱調(diào)峰電站調(diào)度模型參與部分調(diào)峰，調(diào)峰電站以及平衡電站基于初始解通過剩余負荷最大值最小模型進行規(guī)則性優(yōu)化調(diào)峰，實現(xiàn)調(diào)峰電量最大；第二階段，平衡電站以第一階段的最優(yōu)解為初始解求解剩余負荷均方差最小模型優(yōu)化整體調(diào)峰效果，平抑剩余負荷波動，調(diào)平系統(tǒng)微小頻繁的負荷跳動，實現(xiàn)短期計劃精細化編制。

1.1 電網(wǎng)剩余負荷最大值最小模型

1.1.1 目標函數(shù)

第一階段，調(diào)峰電站以及平衡電站以電網(wǎng)經(jīng)水電調(diào)峰后的剩余負荷最大值最小為目標函數(shù)，表達式為：

式中 u——電網(wǎng)最大剩余負荷；Dt——第t時段的系統(tǒng)負荷；Ct——第t時段的系統(tǒng)剩余負荷；ptm——電站m在t時段的平均出力；T——調(diào)度期時段數(shù)；M——水電站數(shù)目。

1.1.2 約束條件

水量平衡：

末水位控制：

zt+1m=zendm（5）

式中 zt+1m——m號電站在第t時段的末水位，zendm——m號電站的調(diào)度期末水位。

發(fā)電流量約束：

電網(wǎng)水電總出力限制：

庫水位約束：

出庫流量限制：

最小開機出力限制：

（ptm-pminm）ptm≥0（12）

式中 pminm——m號水電站最小開機出力，即ptm大于pminm或為0。

水電站出力爬坡限制：

ptm-pt-1m≤Δpm（13）

式中 Δpm——m號水電站相鄰時段最大出力升降限制。

水電站出力波動限制：

式中 Ytm——水電站出力升降時段的狀態(tài)變量；m號水電站出力上升開始至下降開始，或由下降開始至上升開始的時間間隔不少于tpm個時段。

調(diào)峰電站在剩余負荷最大值最小調(diào)峰優(yōu)化模型中需要滿足出力升降最小持續(xù)時段數(shù)限制以實現(xiàn)規(guī)則性優(yōu)化調(diào)峰；平衡電站在剩余負荷最大值最小調(diào)峰優(yōu)化模型中不考慮出力升降最小持續(xù)時段數(shù)限制以平抑系統(tǒng)負荷跳動；弱調(diào)峰電站通過出力持續(xù)時間確定出力升降最小持續(xù)時段數(shù)限制，通過將滿發(fā)時段盡可能安排在系統(tǒng)負荷高峰時段，參與部分調(diào)峰。

在系統(tǒng)剩余負荷最大值最小調(diào)峰優(yōu)化模型中，平衡電站需滿足式（3）—（13）約束，調(diào)峰電站需滿足式（3）—（15）約束。

1.2 弱調(diào)峰電站調(diào)度模型

式中 Em——m號電站的來水量確定的預(yù)估發(fā)電量。

弱調(diào)峰電站在滿足式（3）—（15）約束條件的情況下求解式（16）。

1.3 剩余負荷均方差最小模型

1.3.1 目標函數(shù)

在第二階段優(yōu)化中，平衡電站以剩余負荷均方差最小為目標函數(shù)，見式（17）：

1.3.2 約束條件

剩余負荷均方差最小模型需滿足式（3）—（12）約束條件，忽略平衡電站出力波動、出力爬坡以及出力升降最小持續(xù)時段數(shù)限制等，使平衡電站出力頻繁波動以調(diào)平系統(tǒng)微小頻繁的負荷跳動。

1.4 模型轉(zhuǎn)換

1.4.1 目標函數(shù)等效轉(zhuǎn)換

由于剩余負荷最大值最小的目標函數(shù)形式不利于求解，采用凝聚函數(shù)法［18］將目標函數(shù)進行轉(zhuǎn)換。其中目標函數(shù)可轉(zhuǎn)換為：

1.4.2 約束條件等效轉(zhuǎn)換

在短期調(diào)度優(yōu)化模型中，采用利于處理時間關(guān)聯(lián)約束條件的發(fā)電流量作為決策變量，將水電站與出力相關(guān)的時間耦合型約束轉(zhuǎn)化修正為流量相關(guān)約束。

2 求解方法

2.1 短期發(fā)電調(diào)度計劃快速生成初始解

為快速生成全部參與計算電站的初始解，本文采用短期發(fā)電調(diào)度計劃快速生成方法生成初始解。首先通過來水量預(yù)估發(fā)電量，通過預(yù)估發(fā)電量確定弱調(diào)峰電站的出力持續(xù)時間。然后通過滿足調(diào)度期末水位、發(fā)電用水量、總電量以及減少棄水等一系列基本操作，耦合時段排序調(diào)峰規(guī)則和滿足時段關(guān)聯(lián)約束的負荷分配方法，生成符合降低耗水率、有利于負荷平衡、上下游水庫協(xié)調(diào)等原則的差異化兩階段調(diào)峰優(yōu)化模型的初始解［19］，其中弱調(diào)峰電站的滿發(fā)時段盡可能安排在系統(tǒng)負荷高峰時段。

2.2 關(guān)聯(lián)搜索方法

為處理水電站出力爬坡限制、出力波動限制以及最小出力升降時段限制等復(fù)雜時間耦合型約束，本文采用文獻［8］提出的關(guān)聯(lián)搜索方法對短期優(yōu)化調(diào)度模型進行求解。關(guān)聯(lián)搜索算法能夠有效地處理大規(guī)模水電系統(tǒng)優(yōu)化問題中的復(fù)雜約束，而逐步優(yōu)化算法、MILP方法以及遺傳算法由于約束條件的復(fù)雜性難以滿足求解效率以及求解結(jié)果的穩(wěn)定性。文獻［8］通過初始搜索、影響范圍擴展、影響范圍邊緣修正以及出入庫水量差調(diào)整等操作對出力升降時段數(shù)、出力波動、出力爬坡等約束進行可行性修正，按照距離發(fā)起點由遠及近的順序在保證滿足已修正約束條件的前提下修正關(guān)聯(lián)時段的出力，直到滿足約束條件［8，20］。

3 實例分析

3.1 工程背景

廣西電網(wǎng)是中國西南地區(qū)水電資源豐富的省級電網(wǎng)之一，具有水電規(guī)模大、部分水庫調(diào)節(jié)能力差等特點，且與紅水河流域上游總調(diào)電站銜接協(xié)調(diào)。廣西電網(wǎng)負責(zé)調(diào)管紅水河流域下游、西江流域、郁江流域以及柳江流域水電站，共34座。廣西電網(wǎng)以巖灘和大化水電站作為平衡電站，并與紅水河流域上游總調(diào)電站，天生橋一級、天生橋二級以及龍灘水電站相銜接。表1為廣西壯族自治區(qū)內(nèi)37座大中型水電站調(diào)峰性能劃分表。圖1為全部參與計算的水電群拓撲圖。

3.2 結(jié)果分析

本文以某日發(fā)電調(diào)度計劃為例，以15 min為計算時段，分別用傳統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型和差異化調(diào)峰優(yōu)化模型進行對比。本算例調(diào)峰分析對比見表2。兩種調(diào)峰優(yōu)化模型均能有效地降低系統(tǒng)剩余負荷的峰谷差以及波動性，使得火電以及核電更加平穩(wěn)地運行。通過調(diào)峰分析對比可知，差異化調(diào)峰優(yōu)化模型的調(diào)峰性能比傳統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型更加優(yōu)越。差異化調(diào)峰優(yōu)化模型求解后的系統(tǒng)剩余負荷峰谷差為792.00 MW，方差為22 602.05 MW2，比傳統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型分別縮小17.36%和6.29%。說明差異化調(diào)峰優(yōu)化模型能夠進一步平抑負荷的波動，降低剩余負荷峰谷差，使得火電及核電能夠平穩(wěn)運行。

圖2、3分別為差異化調(diào)峰優(yōu)化模型和傳統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型得到的水電出力過程。通過圖2、3的對比可知，傳統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型求得的系統(tǒng)剩余負荷過程在存在多個時段的微小頻繁的負荷跳動，剩余負荷過程出力升降最小持續(xù)時段為1個時段，即15 min。如在00：30—01：15時段內(nèi)系統(tǒng)剩余負荷先上升447.5 MW，再下降503.0 MW，然后上升27 MW，最后下降85 MW。而差異化調(diào)峰優(yōu)化模型在保證調(diào)峰電量的基礎(chǔ)上調(diào)平了頻繁微小的負荷波動，使得余留給火電和核電系統(tǒng)的剩余負荷能夠被順利地分配。剩余負荷過程出力升降最小持續(xù)時段為3個時段，即45 min，單個時段的最大負荷爬坡值為172 MW。這是因為在傳統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化方法中，所有參與計算的電站均滿足出力升降過程持續(xù)最小時段以及出力波動限制約束的條件，無法精確地調(diào)平系統(tǒng)負荷頻繁波動。而差異化調(diào)峰優(yōu)化方法在傳統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上考慮到水電站的調(diào)峰性能的差異，調(diào)峰電站以及平衡電站在第一階段求解剩余負荷最大值最小模型保證調(diào)峰電量最大。然后，平衡電站忽略出力過程升降最小持續(xù)時段以及出力波動限制約束，在保證調(diào)峰電量的基礎(chǔ)上進行二次尋優(yōu)，出力頻繁波動以實現(xiàn)電力平衡，減少火電參與深度調(diào)峰。

圖4、5分別為平衡電站巖灘和調(diào)峰電站樂灘的傳統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型與差異化調(diào)峰優(yōu)化模型出力過程對比。由圖4、5可知：差異化調(diào)峰優(yōu)化模型較傳統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型相比，充分考慮了平衡電站、弱調(diào)峰電站與調(diào)峰電站之間的調(diào)節(jié)性能差異，平衡電站通過頻繁出力波動來實現(xiàn)系統(tǒng)電力平衡；調(diào)峰電站進行規(guī)則性調(diào)峰優(yōu)化；弱調(diào)峰電站參與部分調(diào)峰。這是因為在傳統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化方法中，所有參與計算的水電站均滿足時間耦合型約束，不考慮調(diào)節(jié)性能差異；而在差異化調(diào)峰優(yōu)化模型中，弱調(diào)峰電站由于調(diào)節(jié)能力差，只需將滿發(fā)時段盡可能安排在系統(tǒng)負荷高峰時段，參與部分調(diào)峰；調(diào)峰電站求解剩余負荷最大值最小模型進行傳統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化，保證調(diào)峰電量。而平衡電站在剩余負荷最大值最小模型的優(yōu)化解基礎(chǔ)上，通過剩余負荷均方差最小模型對平衡電站的出力過程進行尋優(yōu)，使得平衡電站出力頻繁波動，調(diào)平系統(tǒng)負荷頻繁微小跳動兼顧保證調(diào)峰電量，實現(xiàn)短期精細化調(diào)度。

4 結(jié)論

本文提出的差異化調(diào)峰優(yōu)化模型能夠充分利用調(diào)節(jié)電站的不同調(diào)峰能力進行，使得短期計劃編制更加合理、精確、符合工程實際。其中，調(diào)節(jié)性能差的弱調(diào)峰電站通過將滿發(fā)時段盡可能安排在系統(tǒng)負荷高峰期，進而參與部分調(diào)峰，避免由于徑流預(yù)測誤差等問題導(dǎo)致調(diào)峰任務(wù)難以完成。調(diào)節(jié)性能較好的調(diào)峰電站按照傳統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型進行規(guī)則性調(diào)峰，利用其良好的調(diào)峰性能保證調(diào)峰電量最大。平衡電站保證調(diào)峰電量的基礎(chǔ)上通過出力頻繁波動降低系統(tǒng)剩余負荷波動，調(diào)平微小頻繁的系統(tǒng)剩余負荷跳動，減少火電核電參與深度調(diào)峰。

參考文獻：

［1］蘇承國，王沛霖，武新宇，等.考慮機組組合的梯級水電站短期調(diào)峰MILP模型［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2018，42（6）：1883-1891.

［2］張政，程春田，李澤宏，等.水電站群短期調(diào)峰優(yōu)化模型目標函數(shù)比較研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2021，45（9）：3523-3533.

［3］FENG Z K，NIU W J，WANG W C，et al.A mixed integer linear programming model for unit commitment of thermal plants with peak shaving operation aspect in regional power grid lack of flexible hydropower energy［J］.Energy，2019，175：618-629.

［4］SHEN J J，CHENG C T，WANG S，et al.Multiobjective optimal operations for an interprovincial hydropower system considering peak.shaving demands［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2020，120.DOI：101016/j.rser.2019.109617.

［5］ZHANG J J，CHENG C T，YU S，et al.Sharing hydropower flexibility in interconnected power systems：A case study for the China Southern power grid［J］.Applied Energy，2021，288.DOI：10.1016/J.APENERGY.2021.116645.

［6］聞昕，劉凡騫，譚喬鳳，等.復(fù)雜水利-電力約束下梯級水電站短期多層級多目標優(yōu)化調(diào)度研究［J］.水利學(xué)報，2023，54（4）：392-404.

［7］程春田，武新宇，申建建，等.大規(guī)模水電站群短期優(yōu)化調(diào)度方法Ⅰ：總體概述［J］.水利學(xué)報，2011，42（9）：1017-1024.

［8］武新宇，程春田，申建建，等.大規(guī)模水電站群短期優(yōu)化調(diào)度方法Ⅲ：多電網(wǎng)調(diào)峰問題［J］.水利學(xué)報，2012，43（1）：31-42.

［9］曹輝，武云霞，梁志明，等.梯級水電站水光互補系統(tǒng)調(diào)峰運行方式研究［J］.水力發(fā)電，2023，49（1）：73-78.

［10］LIAO S L，LIU Z W，LIU B X，et al.Daily peak shaving operation of cascade hydropower stations with sensitive hydraulic connections considering water delay time［J］.Renewable Energy，2021，169：970-981.

［11］張世欽.基于改進粒子群算法的風(fēng)光水互補發(fā)電系統(tǒng)短期調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度［J］.水電能源科學(xué)，2018，36（4）：208-212.

［12］周建中，吳巍，盧鵬，等.響應(yīng)電網(wǎng)負荷需求的梯級水電站短期調(diào)峰調(diào)度［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2016，35（6）：1-10.

［13］CHENG X L，F(xiàn)ENG S Z，HUANG Y X，et al.A New Peak.Shaving Model Based on Mixed Integer Linear Programming with Variable Peak.Shaving Order［J］.Energies，2021，14（4）.DOI：10.3390/en14040887.

［14］鐘儒鴻，程春田，廖勝利，等.兼顧多電網(wǎng)調(diào)峰與水電消納的跨流域梯級水電站調(diào)度方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2021，45（14）：114-122.

［15］LIAO S L，YANG H L，LIU B X，et al.Daily peak.shaving model of cascade hydropower serving multi.grids considering an HVDC channel shared constraint［J］.Renewable Energy，2022，199：112-122.

［16］張政，武新宇，程春田，等.復(fù)雜約束下梯級水電站短期廠網(wǎng)協(xié)調(diào)多目標MILP模型［J］.電力系統(tǒng)自動化，2021，45（21）：197-205.

［17］肖小剛，周建中，張祥，等.多級協(xié)同模式下華中電網(wǎng)大規(guī)模水電站群跨網(wǎng)調(diào)峰調(diào)度研究［J］.水電能源科學(xué)，2020，38（3）：66-70.

［18］LI X S.An entropy.based aggregate method for minimax optimization［J］.Engineering Optimization，1992，18（4）：277-285.

［19］武新宇，應(yīng)其霖，廖勝利，等.梯級水電站群短期發(fā)電調(diào)度計劃快速生成方法［J］.水資源研究，2018（3）：236-250.

［20］劉本希，武新宇，程春田，等.大小水電可消納電量期望值最大短期協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型［J］.水利學(xué)報，2015，46（12）：1497-1505.