李永紅，趙 宇，徐 麟，芮 鈞，華 濤

（國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇省南京市 211106）

0 引言

隨著清潔能源電站的大規(guī)模建設(shè)，截至2018年底我國風電裝機超過了1.84億kW，光伏裝機超過了1.7億kW，水電裝機3.5億kW，各項指標都位居世界首位。在清潔能源電站大規(guī)模發(fā)展的同時，清潔能源的消納問題也越來越突出，發(fā)生了大量的棄水棄風棄光現(xiàn)象。現(xiàn)有的水、風、光伏電站往往采取獨立運行的模式，大容量、波動性、隨機性的電源直接接入電網(wǎng)將對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來很大的沖擊，如果能夠采取措施降低這種波動性和隨機性，將有助于提升電網(wǎng)對清潔能源的消納能力。資料研究表明，國內(nèi)大部分地區(qū)水能、風能、太陽能資源在地理分布上具有高度的重疊性，同時，風能、太陽能及水能發(fā)電在年內(nèi)、日內(nèi)出力特性上也具有互補性強的特點。通過充分挖掘多種電源之間的時空及物理互補特性，利用水電良好的調(diào)節(jié)能力，在電源端進行深度聯(lián)合運行，減小總體出力的波動性、隨機性，可以提高系統(tǒng)供電的可靠性和經(jīng)濟性。

通過建立水風光互補優(yōu)化的清潔能源聯(lián)合運行管控系統(tǒng)，積極探索水風光電源互補運行、打捆外送的方式和途徑，提升清潔能源的消納能力。同時，國內(nèi)電力市場的有序推進，也逐步地改變著電站的運營管理模式，對電站的運行管控提出了更高的要求。

1 系統(tǒng)的基本思路

水風光聯(lián)合運行管控系統(tǒng)主要的出發(fā)點在于充分挖掘各類電源的運行特性，找出其互補的特點，通過聯(lián)合優(yōu)化的方式，提升系統(tǒng)的整體效益。系統(tǒng)需要綜合考慮多方面的因素，如各電源的物理特性、電網(wǎng)約束條件及電力市場的博弈策略等，在此基礎(chǔ)上建立統(tǒng)一的運行管理平臺，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)清潔能源電站集中監(jiān)控、水風光聯(lián)合優(yōu)化運行控制、統(tǒng)一運營管理等功能。

原有的水電、風電、光伏發(fā)電系統(tǒng)往往采取各自獨立優(yōu)化運行和分散管理的模式，系統(tǒng)之間缺少協(xié)同機制，各發(fā)電資源的互補特性難以發(fā)揮。通過建立統(tǒng)一的運行管理系統(tǒng)，對區(qū)域內(nèi)的水風光電站進行集中的數(shù)據(jù)采集、預報預測、計劃調(diào)度、運行控制，在發(fā)電計劃與控制時更多采取聯(lián)合優(yōu)化的方式，強化各模塊之間的協(xié)同機制，提高系統(tǒng)的整體性和一致性。

為了實現(xiàn)這一目標，需要突破原有監(jiān)控和調(diào)度計劃系統(tǒng)的局限性，研究通用的公共信息模型、標準通信總線、全景數(shù)據(jù)監(jiān)視以及業(yè)務(wù)集成管控等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建統(tǒng)一的一體化管控平臺[1]。在該平臺之上，開發(fā)相應(yīng)的發(fā)電能力預測、互補優(yōu)化調(diào)度、聯(lián)合運行管控、在線考核評估等功能，并依據(jù)評估結(jié)果動態(tài)調(diào)整互補優(yōu)化和聯(lián)合運行管控的策略，從而構(gòu)成一個自適應(yīng)優(yōu)化的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

依托云計算和大數(shù)據(jù)服務(wù)等先進的計算機技術(shù)建立一體化管控平臺，這是整個系統(tǒng)的一個基礎(chǔ)平臺，提供集約統(tǒng)一的基礎(chǔ)功能運行環(huán)境。在一體化管控平臺之上匯聚和集中了水電、風電、光伏發(fā)電的各項基本功能，通過構(gòu)建可以獨立運行的子系統(tǒng)環(huán)境，減少子系統(tǒng)之間的耦合度，兼顧了各自子系統(tǒng)的運行管控特點，具有良好的包容性[3]。在各自相對獨立的子系統(tǒng)之上，建立了統(tǒng)一的水風光聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)，完成相應(yīng)的算法和模型，挖掘各類電源之間的互補特性，和電力調(diào)度部門及電力交易中心進行信息交互，統(tǒng)一協(xié)調(diào)和管理各類電源的運行方式。系統(tǒng)中設(shè)計了專家知識庫系統(tǒng)，用來及時歸納總結(jié)系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的各類規(guī)則及良好經(jīng)驗，形成堅實的知識積累，并實時提供運行輔助決策支持。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 水風光聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)整體框架Figure 1 Framework of water-wind-light combined optimization system

對于整體新建的聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)采用統(tǒng)一平臺的方式，各子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)更加緊密，信息交互更加便捷，建設(shè)周期短成本低。另外，更多的情況是各子系統(tǒng)已經(jīng)建成然后再建設(shè)聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)，這就要求系統(tǒng)的整體架構(gòu)能夠兼容眾多原有的異構(gòu)子系統(tǒng)[4]。因此，在設(shè)計時采用了分布式多代理模式來實現(xiàn)聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)，在原有系統(tǒng)中植入代理模塊，來完成異構(gòu)系統(tǒng)的交互及計算能力分布式處理等功能。這是一個相對松耦合的系統(tǒng)，各自既聯(lián)系又相互獨立，在業(yè)務(wù)功能得到分布處理的同時，又不因為局部系統(tǒng)故障而影響整體性能，從而提高了整體的計算能力和魯棒性。圖2給出了水風光聯(lián)合優(yōu)化主要功能模塊示意圖。

圖2 分布式多代理模式功能模塊Figure 2 Distributed multi-agent mode function

目前各自獨立的水、風、光發(fā)電能力預測和優(yōu)化運行系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，已經(jīng)趨于成熟，這為我們建立聯(lián)合運行管控系統(tǒng)提供了良好的基礎(chǔ)。由于各自系統(tǒng)在預測及優(yōu)化運行時又具有各自的特點，預測精度受氣象數(shù)據(jù)、地形地貌等多種條件限制，在精度上有很大的差異，基礎(chǔ)系統(tǒng)的可靠、準確、快捷影響著整個系統(tǒng)的運行。聯(lián)合運行系統(tǒng)在各自子系統(tǒng)獨立預測及計劃基礎(chǔ)之上，結(jié)合發(fā)電能力、電網(wǎng)約束條件、實時電價策略、調(diào)度機構(gòu)運作模式等多方面因素，進行聯(lián)合優(yōu)化、廠內(nèi)優(yōu)化并進行調(diào)度命令的控制執(zhí)行等（見圖3）。

2 系統(tǒng)的主要組成及功能

水風光聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)不但涉及了多種電源的優(yōu)化運行及控制技術(shù)，而且對聯(lián)合運行提出了更高的要求，系統(tǒng)包括了一體化管控平臺、發(fā)電能力預測、運行方式、控制技術(shù)、聯(lián)合優(yōu)化模式、風險分析等幾個方面內(nèi)容[6]。

（1）水風光一體化管控平臺。這是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)軟件平臺，實現(xiàn)區(qū)域調(diào)控中心各類應(yīng)用橫向集成和縱向貫通，提高信息化、智能化、集成化和自動化水平，滿足多元電源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)管理的決策、指揮和控制的要求。

圖3 多約束條件下的聯(lián)合優(yōu)化流程Figure 3 Joint Optimization Process under Multiple Constraints

（2）水電及新能源發(fā)電能力預測功能。結(jié)合區(qū)域水文氣象特征和數(shù)值氣象預報結(jié)果，構(gòu)建區(qū)域水電及新能源發(fā)電能力預測模型，開展短期和超短期水電及新能源分區(qū)分域發(fā)電能力預測研究，為電網(wǎng)電力電量平衡、多元電源聯(lián)合調(diào)度及分析提供依據(jù)。

（3）計及大規(guī)模清潔能源接入的水電運行方式。水電具有快速啟停、水能可以通過水庫進行儲備的特點，成為互補優(yōu)化和聯(lián)合運行中主要的調(diào)節(jié)力量，其運行方式將會發(fā)生很大的變化。綜合考慮電網(wǎng)負荷需求和區(qū)域水電及風光發(fā)電能力預測結(jié)果，結(jié)合清潔能源運行規(guī)律和特點，在滿足電網(wǎng)安全約束前提下，以整體效益最優(yōu)為目標構(gòu)建清潔能源發(fā)電影響下水電調(diào)度模型，生成風光與水電中長期聯(lián)合調(diào)度運行方案，制定短期聯(lián)合發(fā)電調(diào)度策略，為大規(guī)模清潔能源接入提供理論和分析依據(jù)。

（4）多元電源聯(lián)合優(yōu)化模型與算法。分析水電、風電及光伏發(fā)電的季節(jié)和晝夜互補性，挖掘年度、月度、日調(diào)度周期的多元電源運行特點，考慮不同類型電源運行的差異性，制定聯(lián)合調(diào)度流程，建立互補優(yōu)化模型，研究聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度算法，開發(fā)多元電源聯(lián)合優(yōu)化日前、實時調(diào)度應(yīng)用軟件。實現(xiàn)基于多元電源實時調(diào)度計劃與自動發(fā)電控制的一體化協(xié)調(diào)與自動控制技術(shù)。

（5）聯(lián)合運行效益及風險分析。全面分析和評價聯(lián)合運行的環(huán)境效益、經(jīng)濟效益，并辨識影響多元電源聯(lián)合調(diào)度安全的風險因素，實現(xiàn)對多元電源聯(lián)合調(diào)度方案進行效益分析和風險評價。并根據(jù)分析與評估結(jié)果實時調(diào)整互補優(yōu)化和聯(lián)合運行策略，形成一個閉環(huán)體系。

3 系統(tǒng)的特點及應(yīng)用實例

3.1 系統(tǒng)的特點

聯(lián)合運行管控系統(tǒng)涉及了一體化平臺和多種異構(gòu)的自動化控制系統(tǒng)，包括風電、光伏、水電、變電站等，為了取得良好的互補優(yōu)化效果，充分發(fā)揮區(qū)域內(nèi)多個電站的協(xié)同效應(yīng)，需要對大量的異構(gòu)系統(tǒng)進行集中優(yōu)化和管控，并針對系統(tǒng)的特點和難點進行深入研究。

其中，一體化平臺需要快速高效、直觀便捷地實現(xiàn)多源海量信息的實時傳輸、跨區(qū)同步、分析處理、動態(tài)展示、智能預警等功能；互補優(yōu)化需要結(jié)合當?shù)厍闆r進行長期的歷史數(shù)據(jù)積累與分析，研究和發(fā)掘水風光互補特性、地域性特點；針對目前風光功率預測準確度偏低的現(xiàn)狀，在水電深度參與負荷控制時，需實現(xiàn)基于預測概率的優(yōu)化調(diào)度，完善風險控制策略；電網(wǎng)調(diào)度安全和電源企業(yè)增發(fā)電這兩個目標存在著協(xié)調(diào)互動問題，新能源與水電互補開發(fā)、打捆外送，能夠有效解決新能源獨立規(guī)?；_發(fā)送出難和對電網(wǎng)的沖擊等問題，計劃越準確越容易被調(diào)度機構(gòu)采納；電力市場的推進使系統(tǒng)更加復雜化，把電力市場的預測結(jié)果納入到聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)中，聯(lián)合調(diào)度的結(jié)果又反過來影響價格預測，存在一個迭代尋優(yōu)過程。

近期國家有關(guān)電力體制改革相關(guān)文件的密集出臺，推動電力體制改革和電力市場化，北京、廣州南北兩大電力交易中心和各省級電力交易中心的陸續(xù)建立，水電將根據(jù)其水庫調(diào)節(jié)能力逐步參與電力市場，對于清潔能源的棄風、棄光問題，最終也需要通過市場化的手段得以解決。在電力市場的發(fā)電側(cè)，主要采用“廠網(wǎng)分開，競價上網(wǎng)”的方式，需要在發(fā)電側(cè)實現(xiàn)競價上網(wǎng)輔助決策功能，提高競價上網(wǎng)能力，促進生產(chǎn)成本降低，提高社會和經(jīng)濟效益。

3.2 龍羊峽水光互補應(yīng)用

國內(nèi)對于水風光互補優(yōu)化運行的研究基本上還處于起步階段，理論性的研究居多，部分大型發(fā)電企業(yè)開展了局部的試點應(yīng)用，其中由南瑞集團承建的龍羊峽水光互補項目有一定的代表意義。

龍羊峽水電站位于青海省共和縣和貴南縣交界處，水庫正常蓄水位2600m，相應(yīng)庫容為247億m3，調(diào)節(jié)庫容為193.5億m3，電站位于龍羊峽入口處，是黃河龍—青段梯級開發(fā)規(guī)劃中的“龍頭”電站，具有良好的多年調(diào)節(jié)性能。電站安裝4臺單機容量為320MW的水輪發(fā)電機組，總裝機容量1280MW。電站以330kV一級電壓送出，出線5回，備用1回。

龍羊峽水光互補并網(wǎng)光伏電站遠期規(guī)劃建設(shè)850MWp，一期建設(shè)320MWp，電站以一回330kV線路送入龍羊峽水電站，利用龍羊峽水電站已建的5回送出線路接入系統(tǒng)。320MWp運行期年平均上網(wǎng)電量為4.82億kWh。光伏電站年利用小時1508h，龍羊峽水電站年利用小時4642h，水光互補后利用現(xiàn)有的龍羊峽水電站送出線路送出，可提高線路送出效率，節(jié)省光伏電站送出的投資，水光互補后送出條件優(yōu)越。

系統(tǒng)運行效果可以推廣到更大范圍應(yīng)用，以青海省2015年規(guī)劃光伏裝機4100MW為例，按龍羊峽320MW光伏電站7月和12月最大出力過程為基礎(chǔ)，由其各小時出力等比縮放模擬得到青海省光伏的出力過程，并將該出力過程作為負負荷，進行日負荷曲線修正，考慮光伏電站后青海電網(wǎng)7月和12月負荷曲線見圖4和圖5。

可見，考慮青海電網(wǎng)光伏電站規(guī)劃裝機最大發(fā)電出力情況時，青海電網(wǎng)7月和12月負荷低谷由凌晨4:00左右轉(zhuǎn)為中午13:00～15:00左右，峰谷差也由7月1330MW和12月1740MW增加到7月3320MW和12月4100MW。青海省水電裝機容量達到12050MW以上，完全有能力進行豐水期和枯水期峰谷差3320MW和4100MW進行調(diào)節(jié)。

龍羊峽電站水光互補前和水光互補后均為水電站對光伏電站進行補償消納，互補前后水電站均充分發(fā)揮了其調(diào)節(jié)作用，并達到了增加電網(wǎng)系統(tǒng)消納光伏目的，而進行龍羊峽水光互補項目的實施是在基本不改變龍羊峽水電站在電力系統(tǒng)中的作用和地位，不影響龍羊峽水電站的發(fā)電效益，在滿足龍羊峽及其梯級電站防洪、發(fā)電、灌溉等綜合利用要求前提下，且水光通過共同線路送出，在現(xiàn)有系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下充分發(fā)揮電網(wǎng)輸電能力，對提高新能源消納能力有一定的意義。

圖4 考慮光伏電站青海電網(wǎng)7月日負荷曲線Figure 4 Considering the July daily load curve of photovoltaic power station

圖5 考慮光伏電站青海電網(wǎng)12月日負荷曲線圖Figure 5 Considering the December daily load curve of photovoltaic power station

4 結(jié)論

隨著國內(nèi)清潔能源電站的大規(guī)模建設(shè)和開發(fā)，清潔能源有效消納問題日益突出。水電由于其運行的可控性和靈活性，適合與風電、光伏能源聯(lián)合運行。根據(jù)地域內(nèi)水風光發(fā)電和入網(wǎng)情況，建立清潔能源聯(lián)合運行管控系統(tǒng)，把相對孤立的水風光場站聯(lián)合起來，實現(xiàn)聯(lián)合運行和管控，發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，可以大幅度的減輕清潔能源發(fā)電負荷波動問題，增加上網(wǎng)能力，促進電源與電網(wǎng)全面互動和協(xié)調(diào)平衡。同時，一體化的運營管控也提升了電力生產(chǎn)運營效率和管理水平、降低人員的勞動強度，為電力生產(chǎn)管控模式的求新變革以及集約化運營奠定堅實的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。

豐滿水電站廠區(qū)效果圖