智能水电厂经济运行系统及其关键技术

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0 引言

智能水电厂是适应智能电网源网协调要求，以信息数字化、通信网络化、集成标准化、运管一体化、业务互动化、运行最优化、决策智能化为特征，采用智能电子装置（IED）及智能设备，自动完成采集、测量、控制、保护等基本功能，具备基于一体化平台的经济运行、在线分析评估决策支持、安全防护多系统联动等智能应用组件，实现生产运行安全可靠、经济高效、友好互动目标的水电厂[1]。建设智能水电厂可以提升水电生产管理水平和层次，合理调配流域水资源，提高流域水能资源利用率，实现最优经济运行[2]。

水电厂经济运行是由多个紧密关联的部分组成的复杂大系统优化问题，涉及水文预报、水库调度、电力控制等多个技术领域，既有注重水资源利用效率的非实时优化调度，又有注重电力运行安全的实时优化控制[3]。传统水电厂对以上领域分别开展研究和系统建设，缺乏整体性的顶层优化设计，导致水电厂经济运行的整体性和协调性不足。

针对以上问题，智能水电厂经济运行系统基于智能水电厂一体化管控平台，在数据、业务和系统层面对传统水电厂电力运行和水库调度进行了深度融合，提高水电厂经济运行的整体性、协调性和精细化程度，在安全可靠的基础上，支撑智能水电厂经济高效的目标。

1 系统架构

智能水电厂的体系结构自下而上可以依次分为一体化基础支撑系统、现地测控系统、智能一体化管控平台和各类应用系统[4]。其中一体化管控平台以基础支撑系统、现地测控系统为基础，实现信息流和业务流的统一管理和应用服务，为包括水电厂经济运行在内的诸多应用提供统一的基础支撑。

1.1 一体化管控平台

一体化管控平台严格遵循公开的国际标准，实现面向设备对象、具备数据自描述能力的信息建模，构建统一、开放的水电标准通信总线，实现不同电力二次安全分区之间的可靠数据信息同步机制。平台采用面向服务（SOA）的体系架构，提供统一的数据存储、访问、监视和预警平台，实现水电厂全景数据监视，为电调、水调等各类业务提供基础应用服务组件管理与发布服务，并实现不同业务之间的友好互动，对外提供标准化的二次开发接口，实现与第三方模型及业务系统的相互接入与有效协同，为不同安全区内的各类自动化系统提供统一的软件运行平台[1]。一体化管控平台是整个水电厂统一的应用服务平台，为水电厂经济运行系统各组件提供了统一的运行环境和数据支撑，并提供了各类模型公用参数的同步机制[5]。其架构如图1所示。

图1 一体化管控平台总体架构图Fig.1 Graph of unified control and management platform architecture

1.2 经济运行系统架构

水电厂经济运行系统以一体化管控平台为基础，主要涵盖水电厂自动发电控制（AGC）、自动电压控制（AVC）、流域经济调度控制（EDC）、水文预报、发电调度、防洪调度等组件。其中，自动发电控制（AGC）、自动电压控制（AVC）、流域经济调度控制（EDC）部署于电力系统安全I区，以梯级水电站群最小耗水量、最小耗能量等为优化目标，根据电力系统电力电量平衡和安全稳定要求，考虑各电站机组振动区和运行工况等约束条件，通过水电站间和站内机组间的联合实时协调控制，实现水电站实时控制的安全性和经济性；水文预报、发电调度、防洪调度等组件部署于电力系统安全II区，根据考虑防洪等综合利用、电网和电厂运行约束，水电厂当前运行状态和预计来水，制定水电厂中长期、短期运行和日内滚动修正方案，实现水电厂在时间尺度上由大到小的嵌套运行，保证水电厂在其水库调节能力相应时间尺度内的长期运行过程中的安全经济。

（1）经济运行系统在智能水电厂架构中的位置。

智能水电厂通过建立公共信息模型，并基于一体化管控平台的统一数据访问和消息通信等基础服务，将水文预报、发电能力预测、发电调度、洪水调度、风险分析、实时调度、流域经济调度与控制（EDC）、自动发电控制（AGC）、自动电压控制（AVC）、水文预报精度评定、经济运行评价进行耦合，组成智能水电厂经济运行系统。其在智能水电厂总体架构中位置见图2。

（2）经济运行水电联调模式。

传统水电厂水库调度仅关注计划编制、执行情况检查、计划修正环节，而电力运行仅关注计划执行环节[3]，两者独立运行，相互之间无数据共享和互动，采用的参数定值、数学模型和优化策略也不尽一致，导致执行与计划偏差和频繁的修正调整。智能经济运行系统基于一体化平台的支撑，实现水电厂I区的电力运行和II区水库调度之间的信息互通、模型共用、功能互动、业务闭环。智能水电厂经济运行系统运行方式见图3。

（3）经济运行业务流程。

智能水电厂经济运行系统按照业务流程包括分析预测、计划制定与风险评估、执行跟踪及滚动修正、评价考核几个环节，分析预测部分进行水电厂来水和发电能力预测，发电调度和防洪调度利用其预测结果制定水电厂运行计划和方案，并对其进行风险分析，提交建议计划并获取下达计划后，通过实时调度和流域经济调度与控制对计划执行进行跟踪、趋势预测，根据情况对运行计划滚动调整，执行完成后，对预测、调度、执行情况进行综合评价与考核分析，并将评价分析成果反馈至相应的业务应用模块。整体业务流程见图4。

图2 经济运行系统在智能水电厂业务部署示意图Fig.2 The disposal diagram of economic operation system in smart hydroelectric power plant

图3 智能水电厂经济运行系统运行示意Fig.3 The running diagram of economic operation system in smart hydroelectric power plant

图4 经济运行系统整体业务流程Fig.4 The business flow chart of economic operation system

2 系统软件功能

经济运行系统根据业务功能分为水文预报、发电能力预测、发电调度、洪水调度、风险分析、实时调度、流域经济调度控制（EDC）、自动发电控制（AGC）、自动电压控制（AVC）、水文预报精度评定、经济运行评价等模块。其主要实现以下功能：

（1）水文预报。

水文预报实现水电站入库或区间来水预测，主要包括中长期预报、日径流预报、短期来水预报、洪水预报模块，其以不同的时段预报未来1年、数日和数小时的水电站入库或区间来水流量。软件实现预报对象、预报方案选择、模型输入数据自动获取及修改、预报计算、预报结果图表展示和修正、预报结果发布、存储和管理、在线滚动预报等功能。

（2）发电调度。

发电调度包括长期、中期、短期发电调度，其以月、旬、日、小时、15分钟等不同的计算时段类型，根据相应的入库或区间来水预报，计算制定水电站未来1年、数日或次日等计算时段内的发电计划。计划制定过程中，通过长中短期计划的套接，实现长时间尺度计划对短时间尺度计划的指导或约束，保证长期优化策略的在运行中得以实施和执行。软件实现计算对象和目标选择、计算参数和约束条件自动获取及修改、方案计算及结果图表展示、多方案对比分析、计算结果发布、方案存储和管理等功能。

（3）洪水调度。

洪水调度遵照水电站自身的防洪任务和防洪调度规程，根据电站来水预报，对入库洪水进行拦蓄和控制泄放，保障工程或下游防护对象的安全，并尽可能地发挥水库最大的综合效益。软件实现计算对象和模式选择、计算参数和约束条件自动获取及修改、方案计算及结果图表展示、多方案对比分析、计算结果发布、方案存储和管理功能。

（4）风险分析。

风险分析针对发电调度、洪水调度制定的计划方案，考虑水电站来水预报、电力负荷需求的精度或偏差，评估其执行过程中无法完成预期目标或突破约束条件等事件发生的可能性或偏离程度，为方案的选择及其在执行中进行合理规避风险提供分析支撑。软件实现方案选择、风险指标分析计算、结算结果展示等功能。

（5）实时调度。

实时调度实现短期发电调度、计划执行与控制的衔接的关键环节，其在线跟踪和监视流域水雨情和梯级各水电站运行情况，依据在线滚动的短期来水预测和电力调度下达的未来或次日的发电计划，对电站水库的运行情况进行监视、日内剩余时段或未来24小时趋势预测、趋势越限报警，并根据运行目标完成或偏差情况，滚动调整电站出力、水库蓄泄计划。

（6）流域经济调度控制。

流域经济调度控制（EDC）综合考虑流量平衡、电量平衡、站间负荷转移、站间联合躲避振动区等调度约束，实现梯级负荷实时优化分配、梯级发电流量平衡、梯级电站库水位联合控制、梯级电站电网潮流平衡控制、运行异常应急响应等功能，协同各水电厂AGC软件对流域水电站间水位调整及负荷分配进行在线自动优化控制。

（7）预报精度评定。

预报精度评定根据预报时段和类型相应的规范标准，在水电站预报来水发生后，将预报过程与实测过程进行对比分析，评定预报结果的优劣。软件实现预报断面及其历史预报结果和相应实际来水的自动提取、预报和实际来水的对比分析、精度评定计算及计算结果的展示等功能。

（8）经济运行评价。

经济运行评价根据电站历史采集、计划、运行数据，通过计算数据合格率、调优化增发电量、水能利用提高率、调峰弃水损失电量、发电负荷率、耗水率、水量利用率、装机利用小时数等指标，评价电站经济运行的成效。软件实现指标计算数据的自动获取、指标计算及成果展示、成果统计分析和管理等功能。

3 经济运行系统的关键技术

（1）水文预报。

水文预报是智能水电厂经济运行的重要基础。对于中长期预报，其具有较长的预见期，能够在解决防洪与抗旱、蓄水与弃水及各部门用水之间矛盾时及早采取措施进行统筹安排，以获取最大的效益；对于短期来水预报和洪水预报，其预报的精度、预见期直接影响电站的运行决策，在洪水来临前进行预泄将有效保障下游城市的防洪安全；同时对洪尾的拦蓄则会抬高水库水头，提高后期的发电收益。

对于智能水电厂经济运行系统，水文预报一方面基于一体化管控平台，获取全球共享气象站点信息、卫星数据降雨和雪盖信息、气象系统历史实况和预报信息、数值天气预报等信息，并研究无资料地区水文预报、数值天气预报和水文预报耦合、结合DEM数据的预报建模等模型和方法，丰富预报模型和方法，提升预报的精度、预见期和适应性；另一方面通过预报成果的共享、分析挖掘和软件功能提升其对经济运行的支撑能力，包括洪水的预警技术、预报结果的随机性规律分析、流域历史典型洪水分析等。

（2）发电调度。

中长期发电调度是有调节水库的水电厂经济运行中的重要环节，其制定的计划方案指导短期发电计划方案的制定和实时运行方式，支撑水电厂长期和总体的高效经济运行。传统的水电厂发电调度中长期调度主要采用以水定电方式，根据中长期来水预测或多年来水情况，在满足水电厂承担任务前提下，以自身发电量或发电效益最大等为目标，制定水电厂水库中长期运行计划方案。随着水电和新能源电站持续快速开发，电力电量富余增加，以及特高压电网持续建设和电力体制改革的推进，水电厂运行管理的外部环境有巨大变化，智能水电厂经济运行系统增加电网运行和电力市场需求及环境等信息的获取，建立适应各种电力市场和电网运行环境下的发电能力预测分析模型和软件功能，支撑水电厂经济指标核算和竞价决策。

短期发电调度是智能水电厂经济运行的重要内容，短期发电调度要承接中长期发电调度计划的运行策略指导，其计划方案侧重于水电厂出力计划的制定，并直接应用于电力运行。传统短期发电调度受制于计算机性能和算法的局限，对于电网运行安全运行约束和机组运行特性与工况考虑较少。智能水电厂经济运行系统将短期发电调度与流域经济调度控制（EDC）和水电厂自动发电控制（AGC）进行耦合，增加考虑了机组不可运行区、频繁启停、频繁穿越不可运行区、大规模负荷转移、机组检修计划等相关运行约束条件，并结合水文预报中的河道演算方法考虑水电站间水流时滞，提高优化运行方案的可用性，提升水电厂运行效率和效益。

（3）洪水调度。

传统洪水调度大多只考虑泄洪设施的整体泄流，难以根据闸门调度规程和指令快速制定出较为理想的洪水调度过程。智能水电厂经济运行系统防洪调度依据水电站当前及洪水期内运行特性，动态评价面临洪水过程，预判其相应于水库当前运行状况的洪水风险级别，结合现有的削峰、预泄、错峰等洪水调度方法，进行自适应洪水分级调度，实现水库完成防洪任务前提下的水资源合理利用。在此基础上，考虑闸门允许开度集、闸门操作水位、闸门启闭顺序、闸门开度组合等限制条件，建立基于可变规则的闸门群实时优化调度模型及实时求解算法，实现根据预报入库洪水过程自动制定闸门优化操作过程方案。

（4）实时调度。

由于流域来水和电力负荷需求预测与实际存在偏差，发电计划执行过程中，需要在线跟踪水电站水库实际来水和运行情况，综合考虑水资源综合利用和优化发电，在线分析并根据需要调整运行方案，经上级电力调度机构批准后下达给梯级经济调度控制和水电厂自动发电控制进行控制执行。实时调度既可以按照短期发电调度的模型进行滚动修正计算，也可以利用历史运行数据建立的专家知识库以及推理策略，进行在线调度计算，另外还可以根据电量、水量等控制目标进行仿真分析计算，进行修正方案计算。

（5）梯级经济调度控制（EDC）。

流域经济调度控制实现流域水电站群实时有功负荷在电站间的优化分配和库水位组合的动态控制，并在线协同水电厂自动发电控制（AGC），共同完成流域水电站群实时总负荷在梯级水电站间和水电站机组间的优化分配。梯级经济调度与控制一方面通过前馈控制机制降低水位越限的概率，另一方面采用多目标优化思想，建立在满足水位控制需求和相关约束条件下，以最小耗能量为目标的优化模型和实时解算方法。

（6）运行调度耦合。

智能水电厂经济运行系统通过运行调度耦合机制将侧重于水库蓄泄和电站发电计划方案制定的水文预报与发电调度等应用和侧重于实时控制的梯级经济调度控制与水电厂发电控制等应用的深度耦合，支持一体化的闭环调控。耦合主要包括优化策略、数学模型、定值参数、数据和业务流程多个层面。在优化策略和数学模型方面，针对不同的业务需求确定一致的计划制作与运行控制业务需求和目标，并保证发电调度、流域经济调度与控制和水电厂自动发电控制应用在参数、约束条件、计算算法上的一致性。在定值参数方面，在模型和算法的建立上，采用统一的参数体系，并在系统功能上实现参数的同步，以保持一致。在数据和业务流程方面，通过针对经济运行的各业务需求的梳理和整体设计，并基于一体化管控平台，实现数据和业务功能的连贯、顺畅的无缝衔接。

4 结束语

本文完整介绍了智能水电厂经济运行系统，涵盖了系统架构、软件功能和关键技术方面内容。系统以一体化管控平台为基础，对水电厂业务和功能需求进行的整体分析与设计，打破水电厂电力二次安全分区和传统水调电调业务分割对水电厂经济运行的约束，实现完整统一的数据交互和业务功能，促进了水电厂安全经济运行水平的提升和水能资源的充分利用。

未来，随着特高压电网持续建设和电力体制改革的推进，以及风光电源大规模接入电网情况下对水电互补调节需求的增加，还需要经济运行系统在跨区域联合运行情况下的业务方式和模型、电力市场背景下的水电厂竞报价策略仿真分析和决策支持、风光水互补调度与控制等方面进一步深入研究和应用，支持水电厂不断适应新的环境和需求，持续提高安全经济运行水平。

[1] DL/T 1547—2016 智能水电厂技术导则[S] . 北京：中国电力出版社，2016.DL/T 1547—2016 Technical guide for smart hydropower plant[S].Bei Jing ：china electric power press，2016.

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