杜康華，張曉宇，楊 鵬，張敬革，龍哲君

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

水電站廠內(nèi)發(fā)電機組的經(jīng)濟運行主要運用于短期發(fā)電計劃（一般為日發(fā)電計劃）的機組運行和運行機組間的有功功率分配，是通過給定入庫流量過程、機組計劃負(fù)荷曲線，考慮機組有功平衡、出入庫流量平衡、機組運行水頭平衡、發(fā)電機機組的特有運行曲線特性等各種約束，合理制定日發(fā)電計劃，優(yōu)化機組開停機次數(shù)，組合不同運行參數(shù)類型的機組，優(yōu)化分配運行機組的有功功率，實現(xiàn)電站的最優(yōu)化經(jīng)濟運行。進行水電站廠內(nèi)發(fā)電機組的經(jīng)濟運行研究，以獲得盡可能大的經(jīng)濟效益，也有助于實現(xiàn)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度運行，節(jié)約自然資源。

自2003 年蓄水發(fā)電以來，三峽水電站強大的清潔水電能源，大大緩解了華中、華東和南方片區(qū)電力緊缺的局勢。近年，受氣候變化及人類活動影響，長江上游流域年徑流總量呈減少的趨勢，面對三峽水電站調(diào)節(jié)能力有限（季調(diào)節(jié)），來水又日趨減少的局面，從水資源優(yōu)化調(diào)度的角度，開展廠內(nèi)經(jīng)濟運行，不僅可提高三峽水電站的水能利用率，取得更多的經(jīng)濟利益，還可為我國2030 年前碳達峰目標(biāo)作出更大的貢獻。

為實現(xiàn)三峽水電站廠內(nèi)經(jīng)濟運行，需考慮年內(nèi)不同調(diào)度期來水特性的不同、調(diào)度邊界約束的不同以及其在電網(wǎng)中的短期運行方式承擔(dān)的任務(wù)不同等。每年汛期，長江流域因降雨導(dǎo)致入庫流量較大，此時三峽水電站為有效利用水資源，其承擔(dān)系統(tǒng)中的基荷和腰荷部分，一般情況下為減少機組的啟停次數(shù)，電站機組后一時段的發(fā)電計劃可參照前一時段的發(fā)電計劃；在枯水期，上游水庫入庫流量低，為保障航運安全，兼顧發(fā)電，三峽水電站利用其機組多、容量大的特點要承擔(dān)系統(tǒng)中更多的調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)，每日負(fù)荷曲線會有較大波動，這時需考慮實際上下游水位、入庫來水流量及其他調(diào)度規(guī)定約束，最大限度減少頻繁開停機，避免機組頻繁在振動區(qū)運行。

本文將通過計算相同日發(fā)電計劃下，選取不同的負(fù)荷分配，不同類型機組臺數(shù)搭配組合下，不同的總發(fā)電耗水量，建立相關(guān)模型，選取最優(yōu)方式，來實現(xiàn)自然水資源的優(yōu)化利用。

1 模型的建立

1.1 三峽水電站廠內(nèi)經(jīng)濟運行的數(shù)學(xué)模型

三峽水電站廠內(nèi)經(jīng)濟運行中最優(yōu)負(fù)荷分配的目的是在總負(fù)荷一定的情況下，通過合理分配機組負(fù)荷，使得全廠發(fā)電耗水量最小。廠內(nèi)經(jīng)濟運行中負(fù)荷優(yōu)化分配模型目標(biāo)函數(shù)為：

1.2 約束條件

表1 機組運行方式

2 改進二進制粒子群優(yōu)化算法

三峽水電站是目前世界水電站中規(guī)模最大的水電站，總裝機容量世界第一，總共有32 臺700 MW 的大型水電機組，2 臺50 MW 的小機組，其中32 臺700 MW大機組參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻。因其單機容量大、機組臺數(shù)多、機組類型多，采用常規(guī)方法面臨巨大困難。

為有效解決高維、離散、非線性、非凸等難點，提出了一種基于改進二進制粒子群的優(yōu)化算法。該方法改進了粒子位置更新方式和概率變換，使其具有更強的全局尋優(yōu)能力和更快的收斂速度，同時引入啟發(fā)式機組最短開停機時間修補策略和基于機組啟停優(yōu)先順序表的系統(tǒng)備用容量修補技術(shù)，有效解決了多約束耦合問題，提高了算法的收斂速度和尋優(yōu)能力。

2.1 構(gòu)建粒子編碼方式

隨機初始化種群中所有粒子，每個粒子對應(yīng)水電站所有N臺機組在T個時段內(nèi)的啟/停狀態(tài)（用0/1 表示），表達如下

2.2 速度與位置更新

3 應(yīng)用實例

3.1 典型算例

為較好地驗證實用化方法在不同機組啟閉情況下三峽水電站發(fā)電耗水量，在選擇典型算例時，以三峽水電站實際運行資料為基礎(chǔ)進行驗證，選取調(diào)峰量較大、切機頻繁的2019 年5 月14 日（當(dāng)日調(diào)峰量達5 350 MW）進行計算。

數(shù)據(jù)分析顯示，三峽水電站如采用廠內(nèi)經(jīng)濟運行5 月14 日可節(jié)水743 萬m3，按當(dāng)日耗水率進行折算則節(jié)能165 萬kW·h，約節(jié)省16.5 萬元。數(shù)據(jù)對比表明執(zhí)行水電站經(jīng)濟運行手段可以提高水力資源的利用，從而獲取更大的經(jīng)濟效益。

圖1 三峽日負(fù)荷任務(wù)曲線

表2 2019-5-14 日逐時段出力分配計算

表3 效益分析比較

3.2 全廠綜合特性曲線制作

為方便快速查詢，通過將出力節(jié)點、水頭節(jié)點以及發(fā)電流量節(jié)點以一定步長進行離散，得到反映了電站全廠在不同水頭下的最優(yōu)能耗關(guān)系的三峽水電站全廠綜合耗水曲線，即全廠的“出力-水-發(fā)-流量-綜合關(guān)系曲線，見圖2。

圖2 全廠綜合耗水曲線

4 總結(jié)與展望

三峽水電站憑借在電網(wǎng)中的重要節(jié)點位置、總裝機容量和水電機組靈活的特有屬性，承擔(dān)了電力系統(tǒng)中的調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用等任務(wù)，本文通過真實數(shù)據(jù)和事例表明三峽水電站廠內(nèi)經(jīng)濟運行具有潛力可挖。文中所提出的廠內(nèi)經(jīng)濟運行模型求解算法是實用的，可實現(xiàn)負(fù)荷更優(yōu)分配的同時計算快速，并達到了較為滿意的優(yōu)化效果。

本文主要從以電定水角度進行探討，后期還可結(jié)合以水定電，研究將三峽水電站發(fā)電計劃編制與廠內(nèi)經(jīng)濟運行耦合關(guān)系作為切入點，將短期發(fā)電計劃（日發(fā)電計劃）作為廠內(nèi)機組負(fù)荷最優(yōu)分配模型的輸入，再以經(jīng)廠內(nèi)機組負(fù)荷最優(yōu)分配模擬計算的結(jié)果對水電站初始發(fā)電計劃進行循環(huán)迭代和軌跡嵌套修正，將提高水電站的水力資源利用率，為國家和社會提供更多的清潔能源。