陳 策,袁明友,黃 強,唐 維
(南充電業(yè)局,四川南充 637000)
中國江河流域的水力資源十分豐富,但由于其空間分布的不均,開發(fā)程度的不一,各地區(qū)間的利用情況存在明顯差異,人均資源量仍不富裕。水力資源的合理優(yōu)化利用不僅關(guān)系到水電企業(yè)自身的利益,更具有重要的社會意義。特別是在當(dāng)前,在國家電力市場改革的進(jìn)程中,水電作為清潔、可再生能源的開發(fā)利用已被提升到了國家能源戰(zhàn)略的高度,具有更為重要的實際運用意義。
梯級水電站的形成就是充分利用水力資源的主要表現(xiàn)形式之一,它是分布在一條江河流域的上下游且有著水流聯(lián)系的水電站群。如何提高水資源的利用率、協(xié)調(diào)各水電站之間的用水矛盾、最大化水電企業(yè)的經(jīng)濟效益等問題,已成為眾多研究學(xué)者關(guān)注的重點和難點。
早在20世紀(jì)40年代國外就提出了水庫優(yōu)化調(diào)度的一般方法,自此相關(guān)研究的理論、數(shù)學(xué)模型、計算算法都在不斷的提出、發(fā)展和更新。到目前,學(xué)者們已將研究重點轉(zhuǎn)移至水庫群優(yōu)化調(diào)度的模型和算法的改進(jìn)上[2]。國內(nèi)對此方面的研究也有著較大進(jìn)展,眾多文獻(xiàn)[3-10]無論是從短期調(diào)度或中長期調(diào)度考慮,還是從水量可調(diào)式或徑流式方面考慮,均通過經(jīng)典算法或現(xiàn)代智能或混合算法進(jìn)行了相關(guān)要點的研究和探討,并在實際運用中起到了一定的指導(dǎo)作用。
然而,單從水力優(yōu)化調(diào)度來看,上述文獻(xiàn)大都從同一個角度思考問題——即是將河流的水力資源作為研究主體,考慮資源利用與機組發(fā)電的約束關(guān)系,通過不同計算方法來實現(xiàn)對水力資源的優(yōu)化分配和利用。
水電站的優(yōu)化調(diào)度實質(zhì)就是水與電之間的相互協(xié)調(diào),隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展升級,水電關(guān)系也會變得更加密切。因此,水電站機組發(fā)出的有功和無功多少直接影響當(dāng)前上網(wǎng)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。一般實際情況中,水電站會保證機組最大出力或是經(jīng)濟效益最大化。然而,此時水電站機組發(fā)出的有功和無功也許對于當(dāng)前當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)安全穩(wěn)定運行可能并不是最佳。因此,能夠兼?zhèn)潆娋W(wǎng)安全穩(wěn)定運行的水力優(yōu)化調(diào)度,才能更好地滿足社會和經(jīng)濟需求。這里在梯級電站優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)上,重新選擇思考角度,提出全新的思考模型,引入“多Agent系統(tǒng)”概念,將各個水電站看作一個個獨立且相關(guān)聯(lián)的個體,在保證地區(qū)電網(wǎng)或更大電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下,探討如何分配梯級電站的上網(wǎng)出力,合理優(yōu)化利用水力資源。
Agent作為解決復(fù)雜系統(tǒng)的一個有效方法,能夠利用并行分布式處理技術(shù)和模塊化設(shè)計思想,把復(fù)雜系統(tǒng)劃分成相對獨立的Agent子系統(tǒng),通過Agent之間的競爭和磋商等手段解決之間的矛盾和沖突。它具有靈活、協(xié)作、自治和易擴展等優(yōu)點,在交通控制、辦公信息處理、分布式傳感器、軟件動態(tài)配置等各項領(lǐng)域應(yīng)用中均取得了令人滿意的成就。Agent實際系統(tǒng)中的多Agent主要研究目的是通過由多個Agent所組成的交互式團體來求解超出Agent個體能力的大規(guī)模問題。它研究的是一組自治代理之間行為的協(xié)調(diào),通過對它們的知識、目標(biāo)、規(guī)則的協(xié)同和調(diào)整,使它們能夠聯(lián)合起來采取行動或求解問題。
將“多Agent系統(tǒng)”技術(shù)應(yīng)用在水庫優(yōu)化協(xié)調(diào)調(diào)度上面,在確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的前提下,更加合理的協(xié)調(diào)梯級水電站的出力,使得經(jīng)濟效益或其他關(guān)注目標(biāo)最大或最優(yōu)化。
通常梯級電站優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué)模型依據(jù)不同指標(biāo)建立不同函數(shù),常用的有如下幾個。1)以水庫發(fā)電量最大化為目標(biāo)。
其中,△∑tj為 j水庫在 t時段的發(fā)電量;(Vtj,Qtj)分別表示t時段j水庫的蓄水狀態(tài)及水庫的入庫流量。
2)以水電站經(jīng)濟效益最大化為目標(biāo)。
其中,ftj為j水庫在t時段的發(fā)電效益。
3)其他目標(biāo),如某一時期以防洪泄洪為主要任務(wù),或以蓄水為主要任務(wù)等。
這里引入“多Agent系統(tǒng)”概念,將每一個水電站作為一個獨立體Agent,根據(jù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的要求,建立如下統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)。
其中,(Xi,Yj)表示所關(guān)心以及影響各個梯級水電站出力的信息元素反饋值;fi表示第i臺機組優(yōu)化后的出力大小。
以電網(wǎng)穩(wěn)定安全運行建立的目標(biāo)函數(shù),其基本約束條件與電網(wǎng)潮流優(yōu)化計算時相同,如下。
其中,Vi表示 i節(jié)點的電壓幅值;Vi.min和 Vi.max分別表示i節(jié)點的電壓上下限值;Pi表示i節(jié)點的有功;Pi.min和 Pi.max分別表示 i節(jié)點的有功上下限值;Qi表示 i節(jié)點的無功;Qi.min和 Qi.max分別表示 i節(jié)點的無功上下限值。
在實際電網(wǎng)運行中,應(yīng)根據(jù)具體情況的需求增加制定相應(yīng)的其他約束條件,如各水電站的庫容、水量平衡等約束。
首先,在確定的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,找出所關(guān)心區(qū)域的電網(wǎng)樞紐點,通過優(yōu)化計算得出不同時期(如豐水期、枯水期)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行時各個樞紐節(jié)點的最優(yōu)運行條件,即是得到一組式(3)中的(Xi,Yj)。其中(Xi,Yj)信息值可通過式(5)和式(6)的類似目標(biāo)函數(shù)得到。例如式(5)即是將電網(wǎng)樞紐節(jié)點的電壓幅值和無功數(shù)值作為反饋給梯級水電站多“Agent系統(tǒng)”的信息元素。
1)以電網(wǎng)電壓質(zhì)量、無功就地平衡為目標(biāo)。
2)以電網(wǎng)有功功率損耗最小為目標(biāo)。
3)其他目標(biāo),以無功功率損耗最小,或以電網(wǎng)傳輸功率最大等。
接著,梯級水電站的“多Agent系統(tǒng)”管理決策層收集(Xi,Yj)信息,并通過相應(yīng)的內(nèi)部規(guī)則及約束條件對各獨立Agent進(jìn)行二次統(tǒng)一協(xié)調(diào)、分析。
最后,梯級水電站優(yōu)化調(diào)度“多Agent系統(tǒng)”管理決策層得出最終各個水電站乃至各臺機組的出力方案 f1,f2…… fn。
實現(xiàn)主要步驟如圖1所示。
圖1 基于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行前提下的水力優(yōu)化調(diào)度流程示意圖
南充電網(wǎng)位于四川電網(wǎng)的東北部。截至2010年年底,主網(wǎng)共有變電站共25座,其中220 kV 5座,110 kV 16座,35 kV 4座,嘉陵江流域現(xiàn)有8級水電站在南充電網(wǎng)上網(wǎng)發(fā)電。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展和水力的不斷開發(fā),預(yù)計2011年年底嘉陵江流域的梯級水電站將增至10級以上。
由于南充市是一個典型的農(nóng)業(yè)大市,工業(yè)相對其他城市欠發(fā)達(dá),用電負(fù)荷相對穩(wěn)定的工業(yè)用電負(fù)荷在全網(wǎng)負(fù)荷中所占比例偏低,是一個以民用負(fù)荷為主的電網(wǎng),因此受季節(jié)、溫度變化及嘉陵江來水大小的影響較大。電網(wǎng)的負(fù)荷特性表現(xiàn)顯著,用電負(fù)荷預(yù)測偏難且不易控制,特別是在枯水期時天氣氣溫較低——此時發(fā)電出力較少,負(fù)荷需求增大以及在豐水期時氣溫適宜——發(fā)電出力較多,負(fù)荷需求一般或偏少這兩種情況下表現(xiàn)尤為明顯。
南充電網(wǎng)作為一個有源網(wǎng)絡(luò),各個水電站的出力情況直接關(guān)系到電網(wǎng)運行的穩(wěn)定和安全。因此,研究如何協(xié)調(diào)好各級水電站的發(fā)電出力,滿足用電負(fù)荷需求,對保證南充電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定運行,有著重要的實際意義。
南充電網(wǎng)的110 kV主要網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中各個變電站之間的主要聯(lián)絡(luò)線以單線方式表示,各個水電站在對應(yīng)變電站的上網(wǎng)情況均以實際狀況標(biāo)明。
圖2 南充電網(wǎng)一次接線拓?fù)鋱D
這里采用PSASP(power system analysis software package)仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)潮流計算,各水電站優(yōu)化協(xié)調(diào)出力原則是在南充電網(wǎng)2011年最新潮流計算數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上局部選擇性調(diào)整。
選取了具有代表性的5個節(jié)點作為電壓樞紐節(jié)點以及4條線路的潮流作為分析對象。分別為220 kV果州站母線節(jié)點、220 kV荊溪站母線節(jié)點、220 kV大方站母線節(jié)點、220 kV保寧站母線節(jié)點、220 kV儀隴站母線節(jié)點以及220 kV保荊線,110 kV關(guān)州一線、110 kV關(guān)州二線和110 kV關(guān)州三線。所選節(jié)點及輸電線路在南充電網(wǎng)的實際地位十分關(guān)鍵,分別代表了南充電網(wǎng)各個片區(qū)的電壓質(zhì)量和潮流分布情況,因此上述對象的變化情況具有一定的研究價值。
3.3.1 基本潮流
2011年南充電網(wǎng)基本潮流如圖3所示,通過PSASP仿真系統(tǒng),就豐小和枯大兩種典型運行方式下的水力優(yōu)化協(xié)調(diào)前后情況進(jìn)行如下計算和比較分析。
圖3 南充電網(wǎng)基本潮流示意圖
3.3.2 運行方式1:豐水期且氣溫適宜時
該方式屬于豐小運行方式,一般出現(xiàn)在一年中的春末夏初,氣溫回暖,江河水流量增大,梯級水電站通常會保持最大出力來獲得客觀的經(jīng)濟效益。但由于此時氣溫適宜,南充電網(wǎng)的負(fù)荷特性決定了用電需求不大,容易出現(xiàn)上網(wǎng)電力充足,系統(tǒng)電壓偏上限運行,電網(wǎng)的主線路也容易過負(fù)荷運行。
按照所提的思考模式,先得出電網(wǎng)運行方式1下的運行最優(yōu)值,再將這些最優(yōu)值反饋給梯級水電站的“多Agent系統(tǒng)”管理決策層,通過內(nèi)部協(xié)調(diào)規(guī)則得到新的出力方案。
圖4及表1、表2分別將該運行方式下協(xié)調(diào)前、后的電壓幅值及主線路潮流表示出來。
圖4 協(xié)調(diào)前后的樞紐節(jié)點電壓幅值
在該運行方式下,南充電網(wǎng)一方面可以適當(dāng)減少水電出力,另一方面也可通過將水電過剩出力通過主線路傳送至相鄰電網(wǎng)。協(xié)調(diào)后的南充電網(wǎng)電壓質(zhì)量比協(xié)調(diào)前的更加符合系統(tǒng)運行要求,主線路潮流過負(fù)荷的可能性也被大大地降低。
由此可見梯級水電站出力多少對整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行有著不可忽視的影響。
表1 運行方式1下的南充電網(wǎng)水力優(yōu)化協(xié)調(diào)前后的各水電站出力情況
表2 運行方式1下的南充電網(wǎng)水力優(yōu)化協(xié)調(diào)調(diào)前后的主要線路潮流負(fù)荷情況
3.3.3 運行方式2:枯水期且氣溫較低時
該方式屬于枯大運行方式,一般出現(xiàn)在一年中的冬季,河流水流量極少,梯級水電站通常停機蓄水或是少量上網(wǎng)發(fā)電。而此時由于氣溫較低,居民用電需求劇增,容易出現(xiàn)上網(wǎng)電力不足,系統(tǒng)電壓接近下限運行,如圖5“▲”所示。同時,主要線路為能滿足負(fù)荷增長需求,潮流相對流動性較大,從主網(wǎng)下載負(fù)荷的可能性比較大。未協(xié)調(diào)前的機組出力及主線路潮流分布情況分別見表3和表4。此時的南充電網(wǎng)運行方式極有可能影響相鄰地區(qū)電網(wǎng)(如遂寧、達(dá)州)乃至主網(wǎng)(四川電網(wǎng))的電壓質(zhì)量及安全穩(wěn)定性。
圖5 協(xié)調(diào)前后的樞紐節(jié)點電壓幅值
就所提方式,通過水電站“Agent管理系統(tǒng)”的統(tǒng)一協(xié)調(diào),得出新的出力方案,見表3協(xié)調(diào)后數(shù)據(jù),此時南充電網(wǎng)的樞紐節(jié)點電壓及主線路潮流分別如圖5“●”及表4協(xié)調(diào)后所示。
由上可見,協(xié)調(diào)后的電網(wǎng)電壓質(zhì)量較協(xié)調(diào)前的優(yōu)質(zhì),主線路的潮流負(fù)荷分配更加合理,減少了對主網(wǎng)系統(tǒng)的不利影響。
表3 運行方式2下的南充電網(wǎng)水力優(yōu)化協(xié)調(diào)前后的各水電站出力情況
表4 運行方式2下的南充電網(wǎng)水力優(yōu)化協(xié)調(diào)調(diào)前后的主要線路潮流負(fù)荷情況
綜上,統(tǒng)一協(xié)調(diào)優(yōu)化后的梯級水電站出力比沒有加入電網(wǎng)運行條件考慮因素的水電站出力更加合理實用,對于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重要的影響作用。
就梯級水電站的優(yōu)化調(diào)度問題,立足于電網(wǎng)穩(wěn)定安全,提出了先電網(wǎng)優(yōu)化再水庫調(diào)度優(yōu)化的調(diào)度方式,對于實際電網(wǎng)的運行調(diào)度有著重要的意義。隨著江河流域水能源的不斷開發(fā),電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜緊密,水電站上網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)的安全影響也會越來越大,所提出的考慮方式值得借鑒和研討。但就梯級水電站之間的協(xié)調(diào)調(diào)度規(guī)則尚不成熟,需要結(jié)合梯級水電站本身調(diào)度進(jìn)一步完善和探討才能更好的運用于實際。
[1]韓冰,張粒子.梯級水電站優(yōu)化調(diào)度方法綜述[J].現(xiàn)代電力,2007,24(1):78-82.
[2]胡國強.梯級水電站優(yōu)化調(diào)度模型與算法研究[D].華北電力大學(xué)博士論文,2007.
[3]陳畢勝.梯級水電站長期優(yōu)化調(diào)度的研究與應(yīng)用[D].武漢:華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004.
[4]李義.梯級水電站短期優(yōu)化調(diào)度的研究與應(yīng)用[D].武漢:華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004.
[5]張銘,丁毅,袁曉輝,等.梯級水電站水庫群聯(lián)合發(fā)電優(yōu)化調(diào)度[J].華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,34(6):90-92.
[6]施展武,羅云霞,邱家駒.基于Matlab遺傳算法工具箱的梯級水電站優(yōu)化調(diào)度[J].電力自動化設(shè)備,2005,25(11):30-33.
[7]趙國杰,楊敏.基于動態(tài)固化的梯級水電站長期優(yōu)化調(diào)度研究[J].水力水電工程設(shè)計,2006,25(4):44 -46.
[8]王金文,石琦,伍永剛,等.水電系統(tǒng)長期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模型及其求解[J].電力系統(tǒng)自自動化,2002,26(24):22-25.
[9]鄒建國,芮鈞,吳正義.梯級水電站群優(yōu)化調(diào)度控制研究及解決方案[J].電力自動化設(shè)備,2007,27(10):107 -110.
[10]吳杰康,李贏.梯級水電站聯(lián)合優(yōu)化發(fā)電調(diào)度[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2010,22(4):11-18.
[11]劉偉達(dá),孟建良,龐春江,等.多Agent在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣時代,2004(8):72-74.
[12]南充電業(yè)局.四川南充電網(wǎng)2010年運行方式[R].2010.
[13]南充電業(yè)局.四川南充電網(wǎng)2011年運行方式[R].2011.