王利杰，劉興偉

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；2.華電四川寶珠寺水力發(fā)電廠，四川廣元628003）

基于水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的水電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究及應(yīng)用

王利杰1，劉興偉2

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；2.華電四川寶珠寺水力發(fā)電廠，四川廣元628003）

提出水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，作為實(shí)行分時(shí)電價(jià)的水電廠的運(yùn)行管理指標(biāo)，更能體現(xiàn)水能資源的經(jīng)濟(jì)效益。建立基于水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最大準(zhǔn)則的水電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化模型，并考慮電量約束比限制，利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法進(jìn)行模型求解。實(shí)例應(yīng)用表明，該模型適用于實(shí)行分時(shí)電價(jià)的水電廠，可提高電廠發(fā)電效益，實(shí)現(xiàn)水能資源最大化利用。

水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；電量約束比；經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；水電廠

0　引言

分時(shí)電價(jià)是一種用戶需求側(cè)電價(jià)，作為需求側(cè)管理（Demand Side Management，DSM）的一種重要手段在世界各國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用［1～3］，分時(shí)電價(jià)的實(shí)行對(duì)我國(guó)能源政策及能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

具有年調(diào)節(jié)能力的水電廠，其分時(shí)電價(jià)包括豐枯電價(jià)和峰谷電價(jià)，通常采用耗水量作為運(yùn)行管理指標(biāo)，但是該指標(biāo)未涉及電價(jià)因素，無法直接反應(yīng)電廠運(yùn)行管理的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)行分時(shí)電價(jià)的水電廠可采用水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，即單位水量創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，代替耗水率作為運(yùn)行管理指標(biāo)，能夠直觀體現(xiàn)出水電廠的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。因此，基于水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最大準(zhǔn)則進(jìn)行水電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化研究更加有利于提高水電廠經(jīng)濟(jì)效益和管理水平。

1　經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型研究

式中θ—水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，元/m3；

pt—第t時(shí)段的上網(wǎng)電價(jià)，元/kW·h；

T—調(diào)度時(shí)段數(shù)；

n—機(jī)組臺(tái)數(shù)；

Δt—單個(gè)時(shí)段長(zhǎng)度，h；

Ni（t）—t時(shí)段第i臺(tái)機(jī)組的出力值，kW；

Qi（t）—t時(shí)段第i臺(tái)機(jī)組的發(fā)電流量，m3/h；

Δt′—單個(gè)時(shí)段長(zhǎng)度，h；

wi（t）—t時(shí)段第i臺(tái)機(jī)組的開停機(jī)耗水量，m3。

1.2約束條件

（1）負(fù)荷平衡約束：

以實(shí)行分時(shí)電價(jià)的水電廠所在流域以及所處電網(wǎng)中擔(dān)任的角色和發(fā)揮的作用為出發(fā)點(diǎn)，綜合考慮水文預(yù)報(bào)信息、電網(wǎng)負(fù)荷需求、電量約束比以及電廠自身的運(yùn)行檢修計(jì)劃等因素，根據(jù)系統(tǒng)分配給電廠的次日發(fā)電量以及電廠目標(biāo)電價(jià)，考慮機(jī)組特性等限制，確定工作機(jī)組的最優(yōu)臺(tái)數(shù)、組合及機(jī)組間負(fù)荷的最優(yōu)分配，給出電廠的日計(jì)劃曲線、相應(yīng)機(jī)組開停計(jì)劃、水庫(kù)水位日變化曲線、最優(yōu)機(jī)組組合及機(jī)組間負(fù)荷分配方案，從而使水電廠水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最大。

1.1目標(biāo)函數(shù)

水電廠廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最大數(shù)學(xué)模型描述如下：

式中E—發(fā)電量，kW·h。（2）上游水位約束：

式中Z—運(yùn)行水頭，m；

Zmin，Zmax—分別是上游水位在各個(gè)時(shí)期的上、下限，m。

（3）機(jī)組出力約束：

式中Pmin，Pmax—第i臺(tái)機(jī)組的單機(jī)出力上、下限，kW。

（4）機(jī)組發(fā)電流量約束：

式中Qmin，Qmax—第i臺(tái)機(jī)組的最小、最大發(fā)電流量，m3/h。

（5）峰平谷電量約束比

每日峰平谷各時(shí)段的電量約束情況根據(jù)電網(wǎng)要求輸入。

2　模型求解

基于水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最大的水電廠優(yōu)化運(yùn)行問題主要解決以日為調(diào)度周期、以15min（或1h）為計(jì)算時(shí)段的水電廠日調(diào)度計(jì)劃編制問題，為水電廠上報(bào)次日發(fā)電計(jì)劃提供參考。根據(jù)上級(jí)部門給定電廠總發(fā)電量和國(guó)民經(jīng)濟(jì)其它部門綜合利用要求，結(jié)合短期來水和人工負(fù)荷預(yù)測(cè)信息，考慮電廠水量平衡、機(jī)組調(diào)節(jié)性能等因素，建立以水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最大為目標(biāo)的日發(fā)電計(jì)劃優(yōu)化模型并利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法［4］進(jìn)行模型求解。水電廠水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最大優(yōu)化，即次日電廠發(fā)電計(jì)劃編制過程如圖1所示。

具體操作步驟如下：

步驟1：根據(jù)短期預(yù)報(bào)來水和水庫(kù)的日初、末水位，由水量平衡求出平均出庫(kù)流量；由平均出庫(kù)流量、下游電廠的壩前水位求出電廠的下游水位，進(jìn)而計(jì)算出各個(gè)時(shí)段電廠毛水頭。

步驟2：將給定的平段負(fù)荷比例范圍以5%的步長(zhǎng)進(jìn)行離散；

步驟3：由電廠次日總發(fā)電量、高低比、平段負(fù)荷比例等參數(shù)計(jì)算出各個(gè)階段的發(fā)電量；

步驟4：將早高峰發(fā)電量在0至峰段最大發(fā)電量值之間以1萬kW·h為步長(zhǎng)，進(jìn)行離散，進(jìn)而求出電廠在各個(gè)時(shí)段所分配到的出力，即得出一種可能的日負(fù)荷曲線形式；

步驟5：在步驟四求出的日負(fù)荷曲線下，按照當(dāng)前時(shí)段水頭下的機(jī)組預(yù)想出力將負(fù)荷分配到各個(gè)機(jī)組，在負(fù)荷分配同時(shí)考慮機(jī)組特性、來水等約束條件，對(duì)于不符合約束的情形予以修正；計(jì)算出當(dāng)前情形下的水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；

步驟6：依次選取不同離散值重復(fù)步驟3至步驟5，計(jì)算出各自情形下水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并比較得出最大的水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及當(dāng)前情形下的日負(fù)荷曲線以及機(jī)組開停機(jī)指導(dǎo)；水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最大優(yōu)化完成。

3　應(yīng)用分析

某實(shí)行分時(shí)電價(jià)的水電廠具有年調(diào)節(jié)能力，裝機(jī)容量4×175MW，設(shè)計(jì)水頭84.4m，設(shè)計(jì)年平均發(fā)電量23.5億kW·h。以該水電廠所在流域和所處電網(wǎng)中擔(dān)任的角色和發(fā)揮的作用為出發(fā)點(diǎn)，采用水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最大準(zhǔn)則建立經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化模型，利用java語言開發(fā)基于分時(shí)電價(jià)的水電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型求解，協(xié)同界面如圖2所示。

圖1　水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最大優(yōu)化模型求解流程圖

表1　某水電廠豐水期電價(jià)

該水電廠在某豐水期電網(wǎng)系統(tǒng)分配的次日發(fā)電量為707萬kW·h，峰平谷電量約束比約為1∶1∶0.8。該廠豐水期電價(jià)見表1。在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)“條件設(shè)置”中設(shè)定水庫(kù)初始水位573.77m，次日入庫(kù)流量427m3/s，以及機(jī)組檢修停機(jī)計(jì)劃等，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)運(yùn)行計(jì)算，確定工作機(jī)組的最優(yōu)臺(tái)數(shù)、組合及機(jī)組間負(fù)荷的最優(yōu)分配，給出電廠的日計(jì)劃負(fù)荷曲線（如圖3所示）、相應(yīng)機(jī)組開停計(jì)劃及機(jī)組間負(fù)荷分配方案（如圖4所示）。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)出具的96點(diǎn)出力過程，水電廠可向電網(wǎng)系統(tǒng)上報(bào)次日發(fā)電計(jì)劃，在滿足電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻的要求下，使日發(fā)電量獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益；另一方面，通過與電網(wǎng)下達(dá)的發(fā)電計(jì)劃曲線進(jìn)行對(duì)比分析，在電廠實(shí)際運(yùn)行中可向電網(wǎng)系統(tǒng)申請(qǐng)?jiān)黾涌蛰d機(jī)組負(fù)荷，以減少空耗，增發(fā)電量，提高經(jīng)濟(jì)效益，提升水電廠運(yùn)行管理水平。

4　結(jié)語

（1）本文結(jié)合實(shí)行分時(shí)電價(jià)的水電廠運(yùn)行管理情況，提出以水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最大化為準(zhǔn)則的水電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型，并利用java語言實(shí)現(xiàn)了模型的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法求解過程，開發(fā)出了基于分時(shí)電價(jià)的水電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)日計(jì)劃制作模塊。

（2）實(shí)例應(yīng)用分析表明，水能綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最大模型適用于實(shí)行分時(shí)電價(jià)的水電廠發(fā)電運(yùn)行管理，可使電廠日發(fā)電量獲得最大經(jīng)濟(jì)效益，并為電廠向電網(wǎng)系統(tǒng)爭(zhēng)取發(fā)電負(fù)荷提供理論依據(jù)，對(duì)電廠提高經(jīng)濟(jì)效益，提升運(yùn)行管理水平，實(shí)現(xiàn)水能資源最大化利用具有重要的借鑒意義。

圖2　某水電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)日計(jì)劃制作界面

圖3　電廠次日計(jì)劃出力過程

圖4　次日各機(jī)組出力過程

［1］Sheen J N，Chen C S，Yang J K.Time-of-use pricing for load management programs in Taiwan Power Company［J］. IEEE Trans on Power Systems，1994，9（1）：388～396.

［2］Rinaldy S R.An efficient load model for analyzing demand side management impacts［J］.IEEE Trans on Power Systems，1993，8（3）：1219～1226.

［3］馬光文，王黎，過夏明.分時(shí)電價(jià)下多用途水庫(kù)的運(yùn)用方式研究［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2002，13（5）：583～587.

［4］吾買爾·吐爾遜，塔義爾·肉孜，夏慶成，等.基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的水電站機(jī)組間負(fù)荷分配程序開發(fā)［J］.人民長(zhǎng)江，2012，1（43）：63～65.

Study and Application of Economic Operation of Hydropower Plant Based on Hydroenergy Comprehensive Economic Indicators

WANG Li-jie1，LIU Xing-wei2
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.Huadian Sichuan Baozhusi Hydropower Plant，Guangyuan 628003，China）

Advance an indicator of operation and management in Time-Varying electrovalence hydropower plant，that is hydroenergy comprehensive economic indicator，and it can reflect the economic benefits of hydropower resources. Then，economic operation optimization model of hydropower station is established based on rule of maximum hydroenergy comprehensive economic indicators，by analyzing the actual operation condition of time-varying electricity hydropower station，and solved by using dynamic programming algorithm，and it can take the constraints of power proportion into account. Application instance analysis shows that the model is suitable for operation management of the time-varying electricity price hydropower plant，to increasing the power generation efficiency，and maximizing hydropower resources utilization.

hydroenergy comprehensive economic indicators；constraint of power proportion；economic operation；hydropower plant

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.004

TV21

B

2095-3429（2015）04-0013-03

2015-07-17

修回日期：2015-08-21

王利杰（1984-），男，山東棲霞人，碩士，工程師，主要從事水力發(fā)電工程運(yùn)行與管理的科研工作。