唐 勇1，黃 春 雷，張 勝3，趙 宇

(1.國(guó)家電力調(diào)度控制中心，北京 100031； 2.南瑞集團(tuán)/國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 211106；3.國(guó)家電網(wǎng)有限公司 華中分部，湖北 武漢 430000)

我國(guó)和國(guó)際上的行政區(qū)通常以山脈或河流等自然地形劃分，其中兩國(guó)或兩地區(qū)分界的河流稱為界河。隨著水電站建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，在界河建成的水電站也越來(lái)越多，為分享這些水電站的發(fā)電效益，需要界河兩邊不同的利益主體共同協(xié)同管理，如世界著名的伊泰普水電站介于巴西與巴拉圭間，依靠《伊瓜蘇協(xié)定》確定發(fā)電機(jī)組和發(fā)電量均分[1]；中朝界河鴨綠江水豐水電站根據(jù)《關(guān)于中朝鴨綠江水豐水力發(fā)電公司協(xié)定書》，規(guī)定了電力兩國(guó)各半分配[2]；我國(guó)金沙江下游溪洛渡水電站介于云南省與四川省之間，左、右岸電廠分別向國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)供電，各廠年發(fā)電量按既定比例分配，當(dāng)日電量和月電量達(dá)不到分配比例時(shí)，可在月度、年度中滾動(dòng)調(diào)整[3]。這些水電站電力調(diào)度和利益關(guān)系都呈現(xiàn)了多主體特征，已有協(xié)議大多提的是原則性要求。由于水庫(kù)可用水量、電網(wǎng)需求負(fù)荷的有限性和不確定性，在具體操作層面上如何平衡各方利益和開展協(xié)同調(diào)度這給運(yùn)行管理帶來(lái)了新挑戰(zhàn)。

在水電站協(xié)同調(diào)度方面，文獻(xiàn)[4-5]探索了長(zhǎng)江流域控制性水庫(kù)統(tǒng)一調(diào)度的必要性；文獻(xiàn)[6-10]對(duì)水庫(kù)群統(tǒng)一調(diào)度框架及模式、多主體梯級(jí)協(xié)同調(diào)度模型及效益補(bǔ)償?shù)确矫孢M(jìn)行了研究；周杰清從開發(fā)設(shè)計(jì)角度，研究了界河水電站兩岸不同利益主體的水力資源分?jǐn)偡椒?，從水頭、水能資源蘊(yùn)藏量、河長(zhǎng)、集雨面積4個(gè)角度進(jìn)行了說(shuō)明[11]；徐斌等提出了多利益主體水庫(kù)群基于討價(jià)還價(jià)理論的增量效益分配模型[12]。張粒子等研究了多運(yùn)營(yíng)主體流域梯級(jí)水電站參與的日前市場(chǎng)出清模型，提出“調(diào)蓄削峰”兩階段出力優(yōu)化調(diào)整策略[13]?？梢姡嗬嬷黧w水電站發(fā)電量大小除受水庫(kù)可用水量和發(fā)電水頭影響外，還受電力系統(tǒng)負(fù)荷(市場(chǎng))需求、電網(wǎng)輸送能力等條件的制約，加上不同利益主體訴求，使其調(diào)度情況更加復(fù)雜[14]。本文針對(duì)一個(gè)水電站具有兩個(gè)分屬不同利益主體的電廠(即“一庫(kù)兩廠”)情況，研究基于電量借-還模型的、兼顧水電站總體效益最大化的協(xié)同調(diào)度方法，以實(shí)現(xiàn)合理、公平、公開調(diào)度。

1 “一庫(kù)兩廠”調(diào)度需求

“一庫(kù)兩廠”是指有兩個(gè)調(diào)度或運(yùn)行需求不同的電廠(分廠)共用同一個(gè)水庫(kù)的水進(jìn)行發(fā)電。由于各個(gè)電廠分屬于不同的調(diào)度(利益)主體，發(fā)電受各自所屬電網(wǎng)或利益主體需求上的支配，但又與別的電廠共用一庫(kù)水，在水量使用上相互制約，在水頭計(jì)算上相互影響。因此，兩個(gè)電廠在運(yùn)行時(shí)需要在不同的時(shí)空尺度上相互配合，在滿足水庫(kù)綜合利用、各自電網(wǎng)及電廠安全運(yùn)行約束前提下，使水能資源充分利用，并體現(xiàn)公平公正、違約補(bǔ)償、效益均分的原則，實(shí)現(xiàn)在水量利用上有借有還、電量分配上等同對(duì)待、電力需求上互補(bǔ)互濟(jì)等目的。

2 協(xié)同調(diào)度方法

2.1 協(xié)同調(diào)度原則

兩廠在共用一庫(kù)水前提下，如何利用有限的水能共同發(fā)電，使自身發(fā)電效益最大化，涉及到不同利益主體發(fā)電的博弈關(guān)系。在研究?jī)蓮S間的協(xié)同調(diào)度時(shí)，要求既不能違背國(guó)家的節(jié)能環(huán)保政策，也要兼顧各主體利益和電網(wǎng)安全實(shí)際需求，在公平前提下使協(xié)同調(diào)度結(jié)果具有可執(zhí)行性，總體原則如下：

(1) 考慮兩個(gè)電廠現(xiàn)行的電量分配和水庫(kù)調(diào)度需求；

(2) 遵循水電站總體效益最大化原則；

(3) 應(yīng)鼓勵(lì)少水少發(fā)、多水多發(fā)需求；

(4) 可根據(jù)來(lái)水預(yù)報(bào)及實(shí)際水位實(shí)際滾動(dòng)調(diào)整中長(zhǎng)期發(fā)電計(jì)劃；

(5) 在電量協(xié)同方面體現(xiàn)公平、公正、公開目標(biāo)。

2.2 中長(zhǎng)期協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度

2.2.1解決思路

中長(zhǎng)期協(xié)同調(diào)度主要在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度范圍內(nèi)安排各廠的發(fā)電計(jì)劃，運(yùn)行時(shí)可進(jìn)行滾動(dòng)修正。調(diào)度時(shí)主要考慮各電網(wǎng)輸送能力和水庫(kù)綜合利用約束，注重水量及水頭利用，以各電廠的累積效益之和最大化作為目標(biāo)值，即以水庫(kù)總水量?jī)?yōu)化利用來(lái)實(shí)現(xiàn)水電站總體效益最大化，以水庫(kù)運(yùn)行邊界控制來(lái)滿足水庫(kù)綜合利用要求，以各電廠發(fā)電約束條件來(lái)體現(xiàn)各不同利益主體的運(yùn)行需求。

2.2.2調(diào)度模型

中長(zhǎng)期協(xié)同調(diào)度的模型如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2.2.3解算方法

在解算方法上，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法[14]進(jìn)行計(jì)算，水庫(kù)(水位、出庫(kù)等)和全廠最大出力(電廠累計(jì))約束按照總約束進(jìn)行考慮外，在電廠發(fā)電方面，為體現(xiàn)少水少發(fā)、多水多發(fā)和公平發(fā)電原則，求解時(shí)可用水量初始分配比例按公式(6)進(jìn)行，并進(jìn)行水量轉(zhuǎn)化為出力計(jì)算。當(dāng)其中一個(gè)電廠無(wú)法消納分配的出力時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)移到其他電廠利用，當(dāng)所有電廠均無(wú)法充分利用水庫(kù)的可用水量時(shí)，多余的水蓄積。

2.3 短期協(xié)同調(diào)度

2.3.1解決思路

在有限水量的條件下，以公式(6)作為水量分配原則(已有協(xié)議按協(xié)議執(zhí)行)，在一個(gè)蓄(供)水期內(nèi)有水不發(fā)則認(rèn)為自動(dòng)放棄不可留用。當(dāng)某時(shí)段電力需求不均衡時(shí)，可在一定時(shí)間序列范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電量在各電廠間調(diào)劑，體現(xiàn)合作博弈的思想。短期日協(xié)同調(diào)度具體如下所述。

(1) 水電站總體效益不受損，即日可用水量有制約，可有條件進(jìn)行松弛，體現(xiàn)前期少(多)用后期多(少)用原則；

(2) 在安全約束條件下各電廠余留水量允許后移，但有一定的制約(不超過(guò)運(yùn)行約束)；

(3) 電量偏差累計(jì)值必須在一個(gè)蓄放周期內(nèi)完成協(xié)同分配，否則作為損失扣減或放棄；

(4) 當(dāng)雙方在負(fù)荷需求有限時(shí)導(dǎo)致棄水概率增加或棄水時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)共同承擔(dān)。

由于水庫(kù)有一定的調(diào)節(jié)能力，在日可用水量約束下，水電站日內(nèi)發(fā)電出力在不同時(shí)段分布對(duì)日總電量影響不大。因此，本文短期日協(xié)同調(diào)度主要研究日電量在各分廠間分配問(wèn)題?；谏鲜鲈瓌t構(gòu)建短期日協(xié)同調(diào)度時(shí)，可從兩個(gè)維度進(jìn)行考慮，即橫向的時(shí)間(時(shí)序)維度和縱向的空間(各電廠間)維度。在時(shí)間維度上，各電廠在可用水量約束下，考慮前期累積借還電量使用；在空間維度上，允許電廠間根據(jù)當(dāng)日負(fù)荷的需求在一定范圍內(nèi)自行安排。當(dāng)累積可使用電量不足以滿足需求時(shí)，在不過(guò)多破壞優(yōu)化調(diào)度線前提下，可提前透支一定比例水或向?qū)Ψ健敖杷眮?lái)發(fā)電。

2.3.2調(diào)度模型

由于水庫(kù)具有一定的調(diào)節(jié)能力，水電站總體效益最大化目標(biāo)通過(guò)中長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度線進(jìn)行控制，短期調(diào)度目標(biāo)主要在執(zhí)行的協(xié)同上，而其關(guān)鍵在于各電廠的發(fā)電能力和借(還)電量計(jì)算上。假定各電廠在蓄(供)水期開始的第t日調(diào)度發(fā)電量為Ei,t，則從蓄(供)水期開始(t=1)，短期協(xié)同調(diào)度模型如下：

(7)

其中：

(8)

(9)

公式(9)計(jì)算除要滿足式(3)的約束條件外，還需滿足Zt+1-Zt≤ΔZ，ΔZ為日水位變幅約束。

此外，當(dāng)i電廠第t日Ei,t大于可用機(jī)組(扣除檢修)最大發(fā)電量、電網(wǎng)線路輸送限額、系統(tǒng)負(fù)荷需求時(shí)，按限額的電量進(jìn)行發(fā)電。

2.3.3解算方法

短期協(xié)同調(diào)度主要體現(xiàn)在電量的分配上，水量?jī)?yōu)化通過(guò)中長(zhǎng)期調(diào)度實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)最優(yōu)水位調(diào)度線來(lái)指導(dǎo)短期運(yùn)行。所以，在解算方面，結(jié)合最優(yōu)水位過(guò)程線的控制要求，從蓄(供)水期開始，按照公式(7)采用時(shí)序法來(lái)逐日進(jìn)行協(xié)同調(diào)度計(jì)算。逐日運(yùn)行的計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 短期協(xié)同調(diào)度計(jì)算流程Fig.1 Short-term collaborative scheduling computing process

3 算例分析

3.1 對(duì)象概述

本文以金沙江下游溪洛渡水電站為例進(jìn)行實(shí)例分析。溪洛渡水電站位于四川和云南交界的金沙江下游干流，水庫(kù)正常蓄水位為600 m，死水位為540 m，為不完全年調(diào)節(jié)，水電站共裝有18臺(tái)單機(jī)容量為770 MW的機(jī)組，總裝機(jī)容量為13 860 MW，2014年全部建成投產(chǎn)，分為左、右兩岸兩個(gè)廠房，各有9臺(tái)機(jī)組，分別由國(guó)家電力調(diào)度控制中心和南方電網(wǎng)有限公司電力調(diào)度控制中心進(jìn)行調(diào)度，是一個(gè)典型的“一庫(kù)兩廠、雙網(wǎng)同調(diào)”水電站。汛期(6月1日至10月31日)國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)按1∶1電量比例進(jìn)行發(fā)電，非汛期發(fā)電比例分別為42%和58%。短期調(diào)度時(shí)6月1日前借(還)電量歸零，汛期由于來(lái)水較多，不存在借(還)電量問(wèn)題，汛后(11月1日)重新計(jì)算借還電量。

3.2 算例計(jì)算

3.2.1中長(zhǎng)期運(yùn)行結(jié)果

以溪洛渡2017年旬實(shí)際入庫(kù)流量和年末實(shí)際水位進(jìn)行控制，最小出庫(kù)流量約束1 700 m3/s。汛限水位根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況分段控制(6月560 m，7～8月580 m，9月后600 m)，以常規(guī)(調(diào)度圖)、優(yōu)化(發(fā)電量最大為目標(biāo))兩種方法進(jìn)行操作計(jì)算，水庫(kù)水位運(yùn)行結(jié)果如圖2所示，電量計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表2 短期協(xié)同調(diào)度計(jì)算成果Tab.2 Short - term cooperative scheduling calculation results

圖2 水庫(kù)中長(zhǎng)期調(diào)度水位過(guò)程線Fig.2 Process line of water level for medium and long term operation of reservoir

調(diào)度方式考慮庫(kù)容差電量的電量值/(億kW·h)調(diào)度方式考慮庫(kù)容差電量的電量值/(億kW·h)實(shí)際值613.91優(yōu)化調(diào)度665.77常規(guī)調(diào)度值630.86

3.2.2短期運(yùn)行結(jié)果

以水庫(kù)日水位變幅不超過(guò)2 m、出庫(kù)流量不小于1 700 m3/s為約束，南方電網(wǎng)和國(guó)家電網(wǎng)的電量分配比例汛期為1∶1、非汛期比例為58%：42%，由于左右兩個(gè)電廠裝機(jī)容量一致，可認(rèn)為λi,t按相同的比例分配可用水量。在實(shí)際應(yīng)用中，以中長(zhǎng)期協(xié)同優(yōu)化調(diào)度水位結(jié)果作為控制線，結(jié)合短期來(lái)水預(yù)報(bào)確定各電廠的日可用水量。在模擬計(jì)算分析中，為便于比較，以2017年實(shí)際運(yùn)行水位控制，實(shí)際入庫(kù)來(lái)水代替預(yù)報(bào)入庫(kù)來(lái)水。2017年逐日計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。

3.3 結(jié)果分析

在中長(zhǎng)期調(diào)度計(jì)算方面，從表1可看出，按調(diào)度圖調(diào)度增加了16.96億kW·h，增幅2.76%；優(yōu)化調(diào)度比實(shí)際增加了51.87億kW·h，增幅8.45%。增加的電量主要集中在汛期，因?yàn)轭A(yù)先無(wú)法估計(jì)水電的消納情況，按照常規(guī)及優(yōu)化方法，只要水力足夠就滿發(fā)。因此，多出的電量可認(rèn)為由兩部分構(gòu)成：① 由于預(yù)先知道來(lái)水，優(yōu)化時(shí)做到汛前騰庫(kù)、汛后攔尾、高水位運(yùn)行；② 裝機(jī)棄水電量轉(zhuǎn)化為計(jì)算電量。

而在短期發(fā)電調(diào)度模擬計(jì)算中，計(jì)算總電量值與實(shí)際值偏差也集中在汛期，主要是無(wú)法獲取逐日電網(wǎng)輸送限額、負(fù)荷需求和檢修等相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)按照滿額進(jìn)行發(fā)電，導(dǎo)致汛期多出62億kW·h，在實(shí)際應(yīng)用中可加入相關(guān)約束進(jìn)行計(jì)算。在模擬計(jì)算時(shí)，汛前(5月31日)，南方電網(wǎng)結(jié)余24.61億kW·h未發(fā)，國(guó)家電網(wǎng)超發(fā)24.61億kW·h(借)的數(shù)值被清零，計(jì)算結(jié)果也基本符合實(shí)際。

4 結(jié) 論

隨著我國(guó)水電站建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，多利益主體水電站將會(huì)越來(lái)越多，如何協(xié)調(diào)各方利益關(guān)系，實(shí)現(xiàn)公平、公正的調(diào)度是當(dāng)前需要探討的問(wèn)題。本文研究結(jié)論如下。

(1) 在中長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度中，考慮不同利益主體需求和水庫(kù)自身運(yùn)行約束，優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果滿足水庫(kù)運(yùn)行效益最大化目標(biāo)，達(dá)到充分利用水能資源目的。

(2) 短期協(xié)同調(diào)度以系數(shù)劃分可用水量方式，提出了借-還電量的計(jì)算方法，為不同利益主體在實(shí)際運(yùn)行中遇到的特殊情況提供了彈性解決方法，且用記賬方式記錄，并規(guī)定使用期限(到期自動(dòng)清零)，體現(xiàn)了公平公正、違約補(bǔ)償、效益均分的原則。

(3) 本文經(jīng)過(guò)實(shí)例模擬計(jì)算，結(jié)果表明與實(shí)際差異控制在5%以內(nèi)，方法切實(shí)可行，為解決這類型的水電廠利益協(xié)調(diào)提供了一種思路和方法，但針對(duì)越來(lái)越多的梯級(jí)流域不同利益主體水電站間的協(xié)同調(diào)度有待于探討。