尹述紅，李紅剛，王昱倩

(華能瀾滄江水電股份有限公司集控中心，云南 昆明 650214)

1 概述

云南省境內(nèi)瀾滄江流域梯級(jí)電站是我國(guó)重要的水電基地之一，其中設(shè)置有小灣、糯扎渡2個(gè)年調(diào)節(jié)以上的大水庫(kù)，是瀾滄江梯級(jí)電站的龍頭水庫(kù)，也是西電東送的主要電源點(diǎn)之一，梯級(jí)中其余已投產(chǎn)水電站水庫(kù)調(diào)節(jié)性能均較差。小灣、糯扎渡水庫(kù)的運(yùn)行方式不僅對(duì)于瀾滄江梯級(jí)電站，乃至對(duì)于整個(gè)云南電網(wǎng)、南方區(qū)域電網(wǎng)的運(yùn)行都具有舉足輕重的意義，小灣、糯扎水電站的主要特征參數(shù)見表1。2018年，為了探索更加高效、合理的梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度規(guī)則，調(diào)度人員結(jié)合瀾滄江梯級(jí)電站運(yùn)行實(shí)際情況提出了關(guān)鍵水位控制技術(shù)[1]，該技術(shù)將瀾滄江梯級(jí)電站簡(jiǎn)化為小灣-糯扎渡模式，分別對(duì)小灣、糯扎渡水庫(kù)年初、汛前、汛末、年末4個(gè)關(guān)鍵水位進(jìn)行控制，尤其是對(duì)最為關(guān)鍵的汛前水位進(jìn)行控制，以梯級(jí)發(fā)電量最大和汛枯比最小作為目標(biāo)，得出豐、平、枯不同典型來水年小灣、糯扎渡水庫(kù)關(guān)鍵水位控制目標(biāo)，于年初制定未來1年的調(diào)度運(yùn)行規(guī)則，該方法在瀾滄江梯級(jí)電站調(diào)度運(yùn)行實(shí)踐工作中取得了良好的效果。

表1 小灣、糯扎渡主要特征參數(shù)

近年來，電力市場(chǎng)化交易規(guī)則趨于完善，流域梯級(jí)電站的運(yùn)行方式發(fā)生了一系列變化[2-4]，研究者們也做出了很多有意義的探索，取得了大量的研究成果[5-7]。瀾滄江流域梯級(jí)電站參與市場(chǎng)化交易的方式主要有兩部分，一是上游五級(jí)水庫(kù)調(diào)節(jié)性能較差的電站以打捆的方式參與廣東電力市場(chǎng)化交易；二是中下游五級(jí)電站除漫灣外均以打捆的方式參與云南電力市場(chǎng)化交易，其中漫灣電站由于投產(chǎn)時(shí)間較早，根據(jù)云南省優(yōu)先發(fā)用電計(jì)劃，不參與市場(chǎng)化交易，電價(jià)為統(tǒng)一定價(jià)。

本文針對(duì)瀾滄江中下游功果橋、小灣、漫灣、糯扎渡、景洪5級(jí)電站進(jìn)行測(cè)算，將梯級(jí)電站簡(jiǎn)化為小灣-糯扎渡模式，考慮2021年實(shí)際分月電價(jià)的影響，以梯級(jí)電站發(fā)電效益最大為目標(biāo)，采用NSGA-Ⅱ算法進(jìn)行多目標(biāo)求解，分別針對(duì)豐、平、枯不同典型年來水，率定電力市場(chǎng)化環(huán)境下瀾滄江大水庫(kù)小灣、糯扎渡水庫(kù)的汛前水位控制規(guī)則，指出隨著汛前水位控制目標(biāo)的變化，對(duì)梯級(jí)電站發(fā)電量和發(fā)電效益的影響，并提出應(yīng)對(duì)策略，為瀾滄江梯級(jí)電站調(diào)度運(yùn)行工作提供參考。

2 梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

針對(duì)豐、平、枯不同的來水條件，考慮瀾滄江梯級(jí)電站分月電價(jià)，以及電站的實(shí)際運(yùn)行條件和約束要求，使得調(diào)度期內(nèi)發(fā)電效益最大，目標(biāo)函數(shù)見式(1)。

(1)

式中，E—梯級(jí)電站在調(diào)度期內(nèi)的最大發(fā)電效益；i—時(shí)段序號(hào)；m—總時(shí)段；t—電站序號(hào)；n—總電站個(gè)數(shù)；eit—第i個(gè)時(shí)段第t個(gè)電站的電價(jià)；Nit—第i個(gè)時(shí)段第t個(gè)電站的出力；qit—第i個(gè)時(shí)段第t個(gè)電站的發(fā)電流量；Zit—第i個(gè)時(shí)段第t個(gè)電站的發(fā)電水頭；Δt—最小計(jì)算時(shí)段。

2.2 約束條件

瀾滄江梯級(jí)電站聯(lián)合調(diào)度計(jì)算過程中主要考慮以下約束條件：

(1)水量平衡約束

V(t，i+1)=V(t，i)+(Q(t，i+1)-Q(t，i))×Δt

(2)

式中，V(t，i+1)—第t個(gè)電站i+1時(shí)段的庫(kù)容；V(t，i)—第t個(gè)電站i時(shí)段的庫(kù)容；Q(t，i+1)—第t個(gè)電站時(shí)段的入庫(kù)流量；Q(t，i)—第t個(gè)電站時(shí)段的出庫(kù)流量；Δt—時(shí)段長(zhǎng)。

(2)水庫(kù)水位約束：

Zmin≤Z≤Zmax

(3)

式中，Z—水庫(kù)水位；Zmin—當(dāng)前時(shí)段允許運(yùn)行的最低水位；Zmax—當(dāng)前時(shí)段允許運(yùn)行的最高水位。

(3)電站出力約束：

Cmin≤C≤Cmax

(4)

式中，C—水庫(kù)水位；Cmin—當(dāng)前時(shí)段允許運(yùn)行的最低出力；Cmax—當(dāng)前時(shí)段允許運(yùn)行的最高出力。電站出力應(yīng)注意避開機(jī)組振動(dòng)區(qū)。

(4)最小出庫(kù)流量

Fmin≤F

(5)

式中，F(xiàn)—當(dāng)前出庫(kù)；Fmin—當(dāng)前時(shí)段要求的最小出庫(kù)。

2.3 模型求解

梯級(jí)電站中長(zhǎng)期調(diào)度規(guī)則的制定通常以月為時(shí)段，將水庫(kù)水位或庫(kù)容作為狀態(tài)變量，通過對(duì)各狀態(tài)變量的優(yōu)化計(jì)算，得出相對(duì)精細(xì)化的調(diào)度規(guī)則，用于指導(dǎo)電站發(fā)電運(yùn)行。本文所述大水庫(kù)汛前水位控制規(guī)則是指在一個(gè)調(diào)度期內(nèi)選擇汛前水位作為主要狀態(tài)變量，同時(shí)將年初、年末、汛末水位作為關(guān)鍵狀態(tài)變量，除關(guān)鍵狀態(tài)變量以外的其他狀態(tài)點(diǎn)根據(jù)確定性的調(diào)度原則進(jìn)行自動(dòng)填充，形成完整的狀態(tài)序列，對(duì)于年調(diào)節(jié)以上電站水庫(kù)來說，結(jié)合目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解。

本文所述電力市場(chǎng)環(huán)境下瀾滄江梯級(jí)電站大水庫(kù)關(guān)鍵水位控制的求解問題為多目標(biāo)優(yōu)化問題求解，多目標(biāo)優(yōu)化問題求解的本質(zhì)是希望找到一組滿足約束條件的決策向量，使目標(biāo)函數(shù)在某一區(qū)域內(nèi)極大或極小，即求得最優(yōu)解。而對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化問題來說，由于多個(gè)目標(biāo)通常具有不同的意義和量綱，有些目標(biāo)之間甚至是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，因此，最優(yōu)解幾乎是不存在的，只存在Pareto最優(yōu)解，即非劣最優(yōu)解或非支配解。Pareto最優(yōu)解的含義是存在一個(gè)解集，這些解之間就目標(biāo)函數(shù)而言是無法比較優(yōu)劣的，其特點(diǎn)是無法在改進(jìn)任何目標(biāo)函數(shù)的同時(shí)不削弱至少一個(gè)其他目標(biāo)函數(shù)。通常多目標(biāo)優(yōu)化問題的Pareto最優(yōu)解都具有多個(gè)，實(shí)際運(yùn)行中，結(jié)合調(diào)度人員經(jīng)驗(yàn)選取解決問題的最優(yōu)解。本文結(jié)合實(shí)際工程需求和優(yōu)化原理，采用NSGA-Ⅱ算法對(duì)瀾滄江梯級(jí)水電站水庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化模擬調(diào)度。

傳統(tǒng)的GA算法借鑒了進(jìn)化生物學(xué)中的遺傳、突變、自然選擇以及雜交等現(xiàn)象，通過代與代之間的迭代，采用選擇、交叉、變異運(yùn)算進(jìn)行尋優(yōu)。NSGA算法與傳統(tǒng)GA算法的主要區(qū)別在于執(zhí)行選擇算子之前采用非支配排序分層方法，將整個(gè)種群分類，更好的個(gè)體將以更大的機(jī)會(huì)遺傳到下一代，使得準(zhǔn)Pareto面上的個(gè)體分布均布，保持群體的多樣性，防止早熟收斂。而NSGA-Ⅱ算法又在NSGA算法的基礎(chǔ)上做出了一些改進(jìn)，包括通過快速非支配排序算法降低計(jì)算復(fù)雜度，引入精英策略、擴(kuò)大采用空間以及采用擁擠度和擁擠度比較算子，進(jìn)一步優(yōu)化。其中引入精英策略、擴(kuò)大采用空間是指將父代種群與其產(chǎn)生的子代種群組合，共同競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生下一代種群，有利于保持父代種群中的優(yōu)良個(gè)體進(jìn)入下一代，保證優(yōu)良的種群個(gè)體在進(jìn)化過程中不會(huì)丟棄，提高優(yōu)化結(jié)果精度。擁擠度是指給定個(gè)體周圍的個(gè)體的密度，采用擁擠度比較算子不但克服了NSGA算法中需要人為制定共享參數(shù)的缺陷，而且將其作為種群中個(gè)體間的比較標(biāo)準(zhǔn)，使得準(zhǔn)Pareto面上的個(gè)體能夠均勻擴(kuò)展，保證種群的多樣性。

NSGA-Ⅱ算法的基本思想是：首先，隨機(jī)產(chǎn)生一定規(guī)模的初始種群，對(duì)其進(jìn)行非支配排序，然后通過選擇、交叉、變異運(yùn)算得到第一代子代種群。從第二代開始，將父代種群與子代種群合并，通過快速非支配排序，對(duì)每個(gè)非支配層中的個(gè)體進(jìn)行擁擠度計(jì)算，根據(jù)非支配關(guān)系以及個(gè)體的擁擠度選取合適的個(gè)體組成新的父代種群。再通過GA算法的基本操作產(chǎn)生新的子代種群，直到滿足結(jié)束條件為止。NSGA-Ⅱ算法流程如圖1所示。

圖1 NSGA-Ⅱ算法流程圖

3 應(yīng)用結(jié)果

分別針對(duì)(P=15%)、平水年(P=50%)和枯水年(P=85%)不同頻率典型年來水，考慮瀾滄江梯級(jí)電站參與云南電力市場(chǎng)化交易的實(shí)際分月電價(jià)，枯期平均上網(wǎng)電價(jià)約為0.25元，汛期平均上網(wǎng)電價(jià)約為0.14元，對(duì)小灣、糯扎渡水庫(kù)汛前水位進(jìn)行分解計(jì)算，部分計(jì)算結(jié)果分別見表2—4。

表2 豐水年小灣、糯扎渡汛前水位計(jì)算

4 結(jié)論及應(yīng)對(duì)策略

4.1 結(jié)論

由第3部分計(jì)算結(jié)果可知，在電力市場(chǎng)化環(huán)境下，為確保瀾滄江梯級(jí)電站發(fā)電效益最大，在豐、平、枯不同典型年來水條件下小灣、糯扎渡的汛前水位控制目標(biāo)以及隨著汛前水位的變化，梯級(jí)水電站發(fā)電效益和發(fā)電量的變化情況如下。

(1)豐水年：若瀾滄江流域來水為豐水年，為確保梯級(jí)水電站發(fā)電效益最大，需將小灣、糯扎渡汛前分別消落至1166～1170m、765～770m，汛末分別蓄至正常蓄水位1240、812m附近。對(duì)應(yīng)的梯級(jí)電站發(fā)電效益約為150億元；對(duì)應(yīng)的梯級(jí)電站發(fā)電量約為761億kWh，發(fā)電量汛枯比約為83%。在小灣水庫(kù)控制水位不變的情況下，隨著糯扎渡汛前水位抬升，發(fā)電量有所增加而發(fā)效益下降。在糯扎渡水庫(kù)控制水位不變的情況下，隨著小灣汛前水位抬升，發(fā)電量有所增加而發(fā)效益下降；隨著小灣汛前水位進(jìn)一步抬升，出現(xiàn)棄水之后，梯級(jí)發(fā)電量開始下降，而發(fā)電效益進(jìn)一步下降。

表3 平水年小灣、糯扎渡汛前水位計(jì)算

表4 枯水年小灣、糯扎渡汛前水位計(jì)算

(2)平水年：若瀾滄江流域來水為平水年，為確保梯級(jí)電站發(fā)電效益最大，需將小灣、糯扎渡汛前分別消落至1166～1170m、765～770m，汛末分別蓄至1240、812m附近，對(duì)應(yīng)的梯級(jí)電站發(fā)電效益約為132億元；對(duì)應(yīng)的梯級(jí)電站發(fā)電量約為656億kWh。在小灣水庫(kù)控制水位不變的情況下，隨著糯扎渡汛前水位抬升，發(fā)電量有所增加而發(fā)效益下降。在糯扎渡水庫(kù)控制水位不變的情況下，隨著小灣汛前水位抬升，發(fā)電量有所增加而發(fā)效益下降。

(3)枯水年：若瀾滄江流域來水為枯水年，為確保梯級(jí)電站發(fā)電效益最大，需將小灣汛前消落至1166～1170m，汛末蓄至1240m附近，但對(duì)于糯扎渡來說，若汛前水位消落過低，在滿足下游綜合用水需求的條件下，汛末則不能蓄至正常蓄水位附近，反而會(huì)造成發(fā)電效益下降。在瀾滄江來水為枯水年的情況下，糯扎渡汛前水位消落至785～790m，則可保證梯級(jí)電站發(fā)電效益最大。對(duì)應(yīng)的梯級(jí)電站發(fā)電效益約為113億kWh時(shí)；對(duì)應(yīng)的梯級(jí)電站發(fā)電量約為562億kWh。在小灣水庫(kù)控制水位不變的情況下，隨著糯扎渡汛前水位抬升，發(fā)電量有所增加而發(fā)效益呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)。在糯扎渡水庫(kù)控制水位不變的情況下，隨著小灣汛前水位抬升，發(fā)電量有所增加而發(fā)效益下降。

4.2 應(yīng)對(duì)策略

根據(jù)4.1結(jié)果分析所述，為確保瀾滄江梯級(jí)電站發(fā)電效益最大，除了來水較枯的年份以外，在一個(gè)調(diào)度期內(nèi)，應(yīng)該將小灣、糯扎渡水庫(kù)的汛前水位盡可能消落至較低水平，汛末則蓄至正常蓄水位附近；在來水較枯的年份，應(yīng)該將小灣汛前水位盡可能消落至較低水平，汛末蓄至正常蓄水位附近，而糯扎渡汛前則不必消落過低。實(shí)際運(yùn)行中，由于小灣、糯扎渡具有良好的大庫(kù)調(diào)節(jié)性能，在系統(tǒng)中承擔(dān)著兜底保供作用，發(fā)電序位靠后，難以按照發(fā)電效益最大的原則運(yùn)行，因此，結(jié)合調(diào)度人員經(jīng)驗(yàn)提出以下應(yīng)對(duì)策略：

一是建議在政策制定層面充分考慮小灣、糯扎渡大水庫(kù)在系統(tǒng)中承擔(dān)的蓄豐補(bǔ)枯的調(diào)節(jié)作用，在電價(jià)等方面做出補(bǔ)償，或安排小灣、糯扎渡水電站不參與電力市場(chǎng)化交易，上網(wǎng)電價(jià)按照統(tǒng)一電價(jià)執(zhí)行。二是全力保障省內(nèi)用電，以及借助南網(wǎng)大平臺(tái)動(dòng)態(tài)統(tǒng)籌優(yōu)化西電東送計(jì)劃，汛前將小灣、糯扎渡水庫(kù)水位消落至死水位附近，汛期有序蓄水。三是科學(xué)安排水、火、風(fēng)、光多能源互補(bǔ)調(diào)度，合理控制大水庫(kù)關(guān)鍵水位，爭(zhēng)取梯級(jí)水電站多發(fā)枯期高價(jià)電。

綜上所述，由于枯期電價(jià)較高，適當(dāng)加大枯期電量，對(duì)于整個(gè)計(jì)算周期來說，雖然未能保證梯級(jí)電站發(fā)電量最大及汛枯比最小，但可以保證梯級(jí)電站發(fā)電效益最大，該結(jié)論與調(diào)度人員實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)一致，本文所述的電力市場(chǎng)化環(huán)境下瀾滄江大水庫(kù)汛前水位控制規(guī)則是合理、可靠的，可應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，該方法具有推廣到其他類似流域梯級(jí)電站大水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行中的價(jià)值。