新电改下发电偏差最小的水电中长期调度模型研究

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(1.西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021；2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)

0 引 言

在传统的水电中长期调度中，上网电价由政府定价，主要按照充分利用流域水资源的原则，以流域梯级发电量最大化为目标构建数学模型[1-3]，优化水库调度运行过程。根据新电改的要求，水电企业通过参与电力市场交易获取发电指标和电价，电量和电价均存在较大的不确定性，因此在市场环境下，水电中长期调度优化目标已经转变为发电收益最大化[4]，对此国内外学者进行了有意的探索。文献[5-7]提出了电力市场环境下梯级水电站中长期调度与检修计划双层优化模型、中长期调度与跨价区交易组合双层优化模型，以及计及随机和风险因素的梯级水电调度交易优化模型，分别将检修计划、交易组合和电价波动性、径流随机性引入模型中，以期获得最大发电收益；文献[8]在收益最大化模型中引入了丰枯电价，对单站的优化调度进行了研究。但这些研究大都只是进行理论模型的探索，研究结果难以直接指导水电企业参与电力市场中长期交易的实践。

新电改明确要求继续有序放开发用电计划，加快推进电力市场化交易，完善直接交易机制，发电企业上网电价除政府定价的方式外，还可参与电力市场交易，通过协商、市场竞价等方式确定。在新电改的形势下，水电发电企业不仅需要通过降低发电耗水率、实施梯级统一调度等技术手段提升自身的市场竞争力，还应采取以电力市场交易指导生产，积极调整中长期交易量价结构，开展水电联调等措施，以降低偏差考核风险。

下面以水电站中长期交易合同电量执行偏差最小为目标函数，考虑水电站运行约束及电力市场交易电量约束，构建了考虑不同交易品种的水电站中长期调度模型并求解。采用动态规划算法，以四川省某电站为例进行了研究。

1 水电中长期调度模型构建

《电力中长期交易基本规则(暂行)》(发改能源〔2016〕2784号)提出：在市场中获得的中长期合同电量，在进行月度分解执行时，如超过一定比例将受到经济惩罚，中长期合同电量执行情况将影响水电企业的经济效益。在此背景下，以合同电量执行偏差最小为目标，构建水电中长期调度模型。

1.1 目标函数

水电站发电偏差最小：

(1)

其中，

Pt=mt+ft

(2)

mt=m1,t+m2,t+…+mn,t

(3)

式中：t为时段变量；T为年内计算总时段数(以旬为单位)，中长期合约中T=1，2，……，36；A为水电站的出力系数；Qt为水电站第t时段的发电流量，m3/s；Ht为水电站第t时段的水头，m；Δt为计算时段长度，s；Pt为合约电量，MWh；ft为跨省跨区交易电量，MWh；mt为省内交易电量，包括电力直接交易电量、富余电量增量交易电量、丰水期居民生活电能替代采购交易电量、发电侧合同电力转让交易电量、偏差电量调整交易电量和辅助服务交易电量等，MWh；n为省内电力交易品种mi,t的个数，由实际成交情况决定。

1.2 约束条件

1)水量平衡约束

Vt+1=Vt+(qt-Qt-St)Δt∀t∈T

(4)

式中：Vt+1为水电站第t时段末水库蓄水量，m3；Vt为水电站第t时段初水库蓄水量，m3；qt为水电站第t时段入库流量，m3/s；St为水电站第t时段弃水流量，m3/s；Δt为计算时段长度，s。

2)水库蓄水量约束

(5)

3)水库下泄流量约束

(6)

4)电站出力约束

(7)

5)非负条件约束

上述所有变量均为非负变量(≥0)。

2 模型求解

动态规划算法是寻求多阶段决策过程的一种最优化方法，它能处理各种目标函数和多约束条件下的复杂最优化问题，且对于非线性、不连续、多变量、随机性、多阶段等许多复杂问题的求解比较成熟，能将庞大的m·n维问题变成n个m维问题求解，大大减少了求解难度，计算简便，且能获得全局最优解。水电站水库调度过程是一个多阶段的决策过程，目标函数和约束条件同样具有非线性、不连续、多变量、多阶段和随机性特点，因此动态规划算法在水库优化调度研究和水电站运行调度中得到了极为广泛的应用[9]。下面采用动态规划算法求解水电中长期调度模型。

动态规划算法的基本求解思路是将过程分成若干个互相联系的阶段，即子问题，将各阶段按照一定的次序排列好之后，对于某个给定的阶段状态，先求解子问题，然后通过各子问题的解得到原问题的解。这里以水电站发电偏差最小为目标函数，以年为计算周期、旬为计算时段，将各时段末水库水位离散作为状态变量，以时段合约电量和实发电量的偏差电量为决策变量，求解水电中长期调度模型。即将一年内水电站累计发电偏差最小化问题划分为36个时段对应的36个发电偏差最小化问题，大大减少了计算量，提升了计算速率，水库水位离散示意图如图1所示。

表1 水库特征水位特征库容

图1 动态规划算法的水库水位离散示意

3 实例分析

为验证所建模型的合理性和有效性，以四川省某电站为研究对象，并结合《四川电力中长期交易规则(暂行)》(川监能市场〔2017〕51号)和《2018年四川电力交易指导意见》(川监能市场〔2018〕40号)的具体内容进行实例分析。

1)电力市场交易规则

《2018年四川电力交易指导意见》(川监能市场〔2018〕40号)指出：水电参加上下调服务引起的增发电量及减发电量按照机组预挂牌形成的上、下调价格进行结算；下调减发电量不大于2%时不补偿，超过2%时全额获得补偿；2%以内的少发电量免于支付偏差考核费用，2%及以上的少发电量按系统上调电量补偿单价支付偏差考核费用；弃水期，超发电量不予结算，2%以内的超发电量免于支付偏差考核费用，2%及以上的超发电量按月度增量直接交易最高成交价的10%支付偏差考核费用；未弃水期，超发电量按60元/MW时进行结算。因此，发电厂商为了免于支付偏差考核费用，应当按照合约电量指导发电生产，尽量将发电偏差控制在2%以内，以获取期望的发电收益。

2)计算基础资料

选取四川省某水电站为研究对象，进行基于发电偏差最小化的水电中长期调度模型合理性和有效性验证，该水电站为四川省某流域水电梯级开发的下游控制性水库工程，具有不完全年调节能力，电站采用堤坝式开发，是一座以发电为主，兼有防洪、拦沙等综合利用效益的大型水电工程。坝址控制流域面积68 512 km2，占全流域面积77 400 km2的88.53%，电站总装机容量3600 MW，电站多年平均年发电量为1.458×1010kWh，保证出力为926 MW。水库主要特征参数见表1。

3)计算结果及分析

基于以水电站发电量与合约电量偏差最小化为目标的水电中长期交易模型，以旬为计算时段，选取四川省某水电站为研究对象，采用动态规划算法进行模型求解，计算结果如图2所示。

图2 四川某电站典型年出力和水位过程

受水库调节能力和来水的影响，水库水位分别在4月下旬(枯期末)和5月下旬(汛期初)消落至死水位790 m，在10月上旬蓄满，整个10月保持最高水位850 m运行，为枯期保持了较高的水头，满足水库运行方式的要求；水库各时段均未发生弃水，水量利用率高达100%。四川省某电站典型年偏差分析结果见图3，通过对比水电站实发电量和合约电量过程发现，各时段发电偏差均在0.6%以内，其中正偏差最大值出现在1月中旬，为0.6%，负偏差最大值出现在2月下旬，为-0.59%，月平均偏差均能控制在0.5%以内，满足交易规则的不大于2%的偏差控制要求，企业可免于支付偏差考核费用。

图3 四川某电站典型年偏差分析

4 结 语

随着电力市场化改革的不断深化，中国能源结构将进一步优化，水电作为清洁可再生能源，在新电改的形势下机遇和挑战并存。传统以发电量最大为目标的水电站调度准则已不能适应电力市场发展的趋势。结合新电改对水电调度的新要求，提出了发电偏差最小化的水电中长期调度模型，通过实例分析验证，模型是有效和适用的。

对参与电力市场中长期交易的水电优化调度进行探索，对于水电企业中长期合同电量的执行具有较强的指导意义。在今后的研究中，可进一步研究水电企业参与区域电力市场中长期交易的不同交易品种组合策略。