陳靜鵬，王 科，蔣 迪，楊 林，張 勇，方必武，樓 楠

（1. 中國南方電網(wǎng)電力調度控制中心,廣東省 廣州市 510663；2. 云南電網(wǎng)有限責任公司電力調度控制中心,云南省 昆明市 650011）

0 引言

中國云南電網(wǎng)是一個典型的高比例清潔能源大規(guī)模直流送出系統(tǒng),其中水電、風電、光伏等清潔能源占比高達85%,存在靈活調節(jié)發(fā)電資源不足的問題［1-2］。汛期時,外送電力為本地最大負荷的120%,外送規(guī)模巨大,為充分消納清潔能源、減少棄水,水電廠基本都是滿發(fā)狀態(tài),火電則按最小開機方式并帶最小出力運行,不具備上下調節(jié)能力,調峰調頻能力不足；枯期時,受機組、線路檢修及穩(wěn)控調試斷面受限等因素的影響,同樣面臨著調峰調頻能力不足的問題。在日內實時運行中,大幅的負荷偏差、新能源出力波動、流域來水突變情形時有發(fā)生［3-4］。長期以來,云南電網(wǎng)日內調控采用調峰調頻深度耦合的運行方式,通過調頻機組響應日內運行偏差,實現(xiàn)調峰調頻的雙重任務,在負荷急劇變化或日內較預測出現(xiàn)較大偏差時段,為保障系統(tǒng)頻率穩(wěn)定及二次調頻備用滿足運行要求,需要大量的機組投入調頻模式,并預留調頻裕量而無法滿發(fā),進一步增加了棄水量；同時,通過頻率響應方式來實現(xiàn)系統(tǒng)的電力平衡具有一定的滯后性,該模式極大地制約了云南電網(wǎng)的日內調控。另一方面,中國南方電網(wǎng)正在積極推進調頻輔助服務市場建設［5］,而在以調頻里程為標的的調頻輔助服務市場中［6-7］,若采用調峰調頻深度耦合的運行方式,調頻電廠會因參與系統(tǒng)調峰和承擔較多日內電力偏差而產生不盡合理的調頻里程。因此,需要通過實時優(yōu)化調度的方法,實現(xiàn)云南電網(wǎng)調峰調頻的解耦。

在電力系統(tǒng)的實時優(yōu)化調度方面,國內外學者已進行了深度研究［8-15］。文獻［13-15］通過仿真算例進行理論研究,其成果具有參考指導意義,但未考慮工程實踐以及實時調度運行過程中的復雜情況。目前,在云南電網(wǎng)這樣一個高比例清潔能源大規(guī)模直流送出系統(tǒng)中實現(xiàn)實時優(yōu)化調度,將不可避免地面臨著網(wǎng)省協(xié)調［16-17］、水電流域梯級協(xié)調［18-19］、水電機組爬坡及振動區(qū)約束［20-21］、調頻輔助服務市場銜接等問題。針對以上問題,本文創(chuàng)新性地提出一種高比例水電系統(tǒng)的網(wǎng)省聯(lián)合實時優(yōu)化調度方法,日內網(wǎng)省兩級調度機構根據(jù)調管電廠的可調備用進行電力偏差分攤,解決了網(wǎng)省協(xié)調的問題,通過日前預安排梯隊電廠的方式,解決了水電流域梯級協(xié)調的難題,并實現(xiàn)了優(yōu)化調度系統(tǒng)的工程開發(fā)和系統(tǒng)部署。該系統(tǒng)為中國南方電網(wǎng)首個面向水電的網(wǎng)省聯(lián)合優(yōu)化調度系統(tǒng),在促進清潔能源消納的基礎上,進一步提升了云南電網(wǎng)的系統(tǒng)調節(jié)能力,同時有利于云南電網(wǎng)調頻輔助服務市場對機組調頻和調峰貢獻的區(qū)分,合理統(tǒng)計調頻電廠的調頻里程,有效保障了大電網(wǎng)安全和電力市場公平。

1 網(wǎng)省聯(lián)合實時優(yōu)化調度模型

1.1 云南電網(wǎng)概況

云南電網(wǎng)是南方電網(wǎng)西電東送的主要送端。2016 年,云南電網(wǎng)實現(xiàn)了與南方電網(wǎng)中東部電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)運行,現(xiàn)通過9 回直流線路與中東部電網(wǎng)連接。

云南電網(wǎng)的水電廠主要為中國南方電網(wǎng)電力調度控制中心（簡稱南網(wǎng)總調）和云南電力調度控制中心（簡稱云南中調）調管,南網(wǎng)總調調管機組為直流配套送出電廠,且南網(wǎng)總調和云南中調調管電廠錯落地分布在瀾滄江和金沙江流域,其水位存在相互影響關系。因此,需要通過網(wǎng)省聯(lián)合優(yōu)化來實現(xiàn)發(fā)電計劃的實時滾動修編。為促進清潔能源消納,云南電網(wǎng)火電機組長期保持在最小開機模式并帶最小出力運行,基本無調節(jié)能力。因此,本文的實時優(yōu)化調度模型只考慮水電機組。

1.2 優(yōu)化目標

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)優(yōu)化模型以最小化發(fā)電成本為目標,為促進清潔能源消納并降低云南電網(wǎng)的棄水電量,本文以最小化棄水電量作為優(yōu)化目標。棄水電量是電廠在開閘泄洪的情況下,因網(wǎng)絡受限或配合系統(tǒng)調峰無法滿發(fā),調減電廠出力而減發(fā)的電量。目標函數(shù)表示如下：

式中：N1為南網(wǎng)總調調管且處于開閘狀態(tài)的水電廠個數(shù)；M1為云南中調調管且處于開閘狀態(tài)的水電廠個數(shù)；T為優(yōu)化計算時段數(shù)；Pi,max,t為水電廠i在t時段水頭下的最大出力,正常情況下取電廠總裝機的額定出力；Pi,t為水電廠i在t時段的實際出力；Δt為優(yōu)化時段長度。

1.3 約束條件

1.3.1 系統(tǒng)負荷平衡約束

云南電網(wǎng)內電廠承擔的計劃值分攤偏差量等于發(fā)電側和用電側偏差,即

式中：N為南網(wǎng)總調調管水電廠個數(shù)；M為云南中調調管水電廠個數(shù)；ΔPi,t為水電廠i在t時段的計劃值分攤偏差量；ΔPG為云南電網(wǎng)的發(fā)電側電力偏差,包括徑流式水電廠（含省地共調電廠）、非徑流式水電廠、火電廠、新能源電廠（風電和光伏）電力偏差；ΔPL為用電側電力偏差,包括西電東送、云南省內負荷和云南送老撾、緬甸等國外用電負荷電力偏差。

1.3.2 電廠出力約束

為滿足系統(tǒng)的安全約束及梯級電站的水位約束,日內水電廠的出力調整必須在一定范圍之內,即

式中：Ri,D和Ri,U分別為水電廠i的向下和向上爬坡速率。

1.3.4 調頻市場中標容量約束

為與調頻輔助服務市場銜接,若水電廠i在t時段在調頻市場中標,則需為之預留相應的二次調頻備用容量,即

式中：Gi,t為水電廠i在調頻市場中的中標容量。

1.3.5 避開振動區(qū)約束

水電機組出力位于振動區(qū),會對其機組造成損傷。因此,對水電廠發(fā)電計劃的實時滾動修編以及機組響應頻率后調整出力應避免落入振動區(qū),即

式中：Pl,t-1為斷面l在t—1 時段的值；ηl,i為水電廠i所在節(jié)點對斷面l的靈敏度；Ql,t為其他偏差引起的斷面l數(shù)值變化；Pl,max和Pl,min分別為斷面控制的上限和下限。

2 求解方法及工程實施

云南電網(wǎng)的水電廠主要為南網(wǎng)總調和云南中調調管,錯落地分布在瀾滄江和金沙江流域。為實現(xiàn)最小化棄水電量的優(yōu)化目標,采用可調備用來衡量電廠的棄水風險。水位高且未滿發(fā)的電廠可提供上調節(jié)備用,在系統(tǒng)正偏差時可調增其出力；水位低的電廠可提供下調節(jié)備用,在系統(tǒng)負偏差時可調減其出力。同時,通過梯隊的方式來實現(xiàn)相同流域水電廠的協(xié)調控制,一般來說,梯級電廠的水位相互影響,在存在棄水風險時,可通過同增同減的方式來優(yōu)化梯級電廠水位。因此,同一梯級的電廠一般位于同一梯隊。

由于調管關系不同,無法通過統(tǒng)一模型對所有電廠進行全局優(yōu)化,故采取網(wǎng)省聯(lián)合優(yōu)化的方式。由云南中調統(tǒng)一計算發(fā)用電偏差,網(wǎng)省兩級調度機構根據(jù)調管電廠的可調備用（側面反映棄水風險）進行總偏差分攤,再分別將偏差分攤至調管電廠。通過可調備用以及梯隊的方式實現(xiàn)了網(wǎng)省的協(xié)調優(yōu)化控制：一方面,解決了兩級調度機構偏差分攤的問題；另一方面,也使得電力偏差分配均衡。

2.1 承擔電力偏差梯隊

表1 梯隊電廠信息示例Table 1 Examples of echelon power plant information

2.2 日內實時滾動優(yōu)化

南網(wǎng)總調和云南中調網(wǎng)省聯(lián)合實時優(yōu)化調度系統(tǒng)已開發(fā)并部署在南網(wǎng)總調和云南中調調度臺,其控制界面如附錄A 圖A1 所示。主要顯示調用梯隊信息以及電廠實時計劃的滾動情況,界面的人工操作臺用于特殊場景下的人工干預以及系統(tǒng)參數(shù)設置。

日內實時滾動優(yōu)化的流程圖如圖1 所示。網(wǎng)省兩級調度機構生成日內偏差調用梯隊后,在24：00前發(fā)送南網(wǎng)總調和云南中調網(wǎng)省聯(lián)合實時優(yōu)化調度系統(tǒng)。日內實時滾動優(yōu)化過程中,T和T+30 min時段,云南中調分別計算T+30 min—T+1 h 和T+1 h—T+1.5 h 期間省內發(fā)用電偏差并發(fā)送南網(wǎng)總調,南網(wǎng)總調根據(jù)網(wǎng)省兩級調度機構梯隊可調備用比例分攤電力偏差,將剩余偏差發(fā)送云南中調。

圖1 日內實時滾動優(yōu)化調度流程圖Fig.1 Flow chart of intraday real-time rolling optimization dispatch

網(wǎng)省兩級調度機構按可調備用分攤電力偏差后,分別在式（3）—式（8）的約束下對調用梯隊電廠進行偏差分攤。南網(wǎng)總調對梯隊電廠進行逐級調用,為確保梯級電廠之間的相互配合,調用過程中最后一級梯隊按照梯隊內電廠可調備用的比例進行分攤,其優(yōu)化目標如式（9）所示。

式中：μi,j為電廠i、j的調節(jié)備用比例。

分攤完成后,網(wǎng)省兩級調度機構調度員對梯隊電廠的計劃滾動結果進行審核,并下發(fā)電廠執(zhí)行。若日內水庫運行或來水情況發(fā)生較大變化,則由調度員根據(jù)實際情況對梯隊進行調整,如將電廠剔除出梯隊、增補進梯隊、調整可承擔偏差電量等。

3 實例分析

目前,網(wǎng)省聯(lián)合實時優(yōu)化調度系統(tǒng)已經(jīng)完成開發(fā)和系統(tǒng)部署,并在南網(wǎng)總調和云南中調實時運行中得到有效應用。選取2020 年某日（D1）12：30至次日（D2）12：30 的運行情況進行分析。期間的云南電網(wǎng)發(fā)電側和用電側總偏差如圖2 所示,基本呈現(xiàn)正偏差,最大值為1 692 MW,平均值為733 MW。南網(wǎng)總調和云南中調的電廠梯隊信息如表2 所示。

圖2 云南電網(wǎng)發(fā)電側和用電側功率總偏差Fig.2 Total power deviation between power generation side and power consumption side of Yunnan Power Grid of China

表2 南網(wǎng)總調和云南中調電廠梯隊信息Table 2 Echelon power plant information of Power Dispatch and Control Center of China Southern Power Grid and Power Dispatch and Control Center of Yunnan Power Grid of China

通過網(wǎng)省聯(lián)合實時優(yōu)化調度系統(tǒng)的實時滾動,南網(wǎng)總調和云南中調調管電廠對云南電網(wǎng)偏差的分攤結果如圖3 所示。其中,網(wǎng)省聯(lián)合實時優(yōu)化調度系統(tǒng)實時跟蹤云南電網(wǎng)總偏差,有效實現(xiàn)了云南電網(wǎng)的電力平衡,共促進清潔能源消納17 543 MW·h。南網(wǎng)總調直調黃登電廠參與了實時滾動,與黃登電廠相關的斷面潮流如附錄A 圖A2 所示,其斷面限值為（75,1 000）MW 或（-750,-75）MW,均在斷面約束范圍內?？梢?南網(wǎng)總調直調電廠在斷面約束的范圍內承擔了云南電網(wǎng)60%左右的調峰需求,促進清潔能源消納11 315 MW·h。其中,00：30—06：00 時段,南網(wǎng)總調直調電廠承擔了云南電網(wǎng)所有的調峰需求,有力地保障了云南電網(wǎng)的電力平衡。同時,有效地解決了長期以來云南電網(wǎng)調峰調頻耦合的問題,為建設云南調頻輔助服務市場奠定了基礎。

圖3 云南電網(wǎng)總偏差分攤結果Fig.3 Total deviation allocation result of Yunnan Power Grid of China

4 結語

本文針對云南電網(wǎng)高比例清潔能源大規(guī)模直流送出系統(tǒng)的特性,提出網(wǎng)省聯(lián)合實時優(yōu)化調度的方法。通過日前生成流域梯隊電廠、日內滾動分攤的方式,有效地解決了網(wǎng)省協(xié)調、水電流域梯級協(xié)調、水電機組爬坡及振動區(qū)約束、調頻輔助服務市場銜接等問題。在促進清潔能源消納的基礎上,進一步提升了云南電網(wǎng)系統(tǒng)調節(jié)能力,同時有利于云南調頻輔助服務市場對機組調頻和調峰貢獻的區(qū)分,合理統(tǒng)計調頻電廠的調頻里程,有效保障了大電網(wǎng)安全和電力市場公平。

本文僅實現(xiàn)了水電廠的聯(lián)合優(yōu)化調度,在未來以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中,對風電、光伏等新能源以及源網(wǎng)荷儲的聯(lián)合優(yōu)化調度仍有待進一步研究。

審稿專家與作者就本文問題的討論見附錄B。

附錄見本刊網(wǎng)絡版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡全文。