新疆开都河察-柳梯级AGC调度系统概述

王援生，徐康明，丁占涛，王文昕，刘金林

(国电新疆开都河流域水电开发有限公司，新疆 库尔勒 841000)

察汗乌苏、柳树沟两电站(以下简称“察电、柳电”)分别是开都河第五和第六级电站，察电尾水与柳电库尾相接，开都河支流——察汗乌苏沟汇入柳电水库。察电原设计装机309 MW，后增容至330 MW。柳电经由察电220 kV高压母线统一送出，两站均由省调调度，在网内调峰调频作用突出。两站有关设计参数如下：察汗乌苏水电站为季调节水库，装机容量3×110 MW，单机额定流量81.7 m3/s，机组额定水头148 m，正常蓄水位1 649 m，死水位1 620 m，汛限水位1 640 m；柳树沟水电站为日调节水库，装机容量2×90 MW，单机额定流量121.5 m3/s，机组额定水头84 m，正常蓄水位1 494.5 m，死水位1 493 m。

运行早期，察、柳两站分别为单机AGC和全厂AGC模式。因两站出力、流量不匹配及区间汇流等因素困扰，汛期柳电调度弃水问题比较突出，非汛期两站“双高”运行(水库高水位、机组高效区运行)情况不够理想，梯级水量和水能利用率不高。此外，电网AGC调节指令频繁(以2016年9月为例，当月察电共接收电网AGC指令84 369次，3台机组累计运行1 800 h，单机平均每分钟接收指令0.78次，两次AGC指令最短间隔时间为20 s)，察电单机AGC模式下，机组调节台次繁多，有关设备、装置频繁启动、磨损严重。

为解决以上问题，于2015年启动了梯级AGC调度系统研究与建设，2017年2月投入运行，2018年进一步完善了优化运行策略。

1 系统架构

1.1 系统运行流程

开都河察-柳梯级AGC调度系统运行流程，如图1所示，由省调EMS系统发送AGC指令到察-柳梯级AGC调度系统，察-柳梯级AGC调度系统根据负荷指令情况分配至电厂AGC，由电厂AGC分配至各机组LCU。

图1 系统流程

图3 系统主界面

1.2 总体网络结构

开都河察-柳梯级AGC调度系统总体网络结构，如图2所示，各电厂AGC系统通过站内通信网与梯级AGC系统通讯，梯级AGC系统通过调度数据网接收电网EMS系统AGC负荷分配指令。

图2 总体网络结构示意

1.3 系统主界面

开都河察-柳梯级AGC调度系统主界面，如图3所示，可监视察柳两站机组负荷分配情况，通过切换梯级AGC控制方式，实现流域梯级电站经济运行。

2 主要功能和特点

现阶段系统主要执行发电优化调度任务，未来将与察汗乌苏水情水调系统一起完成水库调度(闸门控制)任务。目前系统调度控制权(开、停机和梯级总有功给定权)在省调，与此相应，梯级AGC优化调度主要体现“以电定水”的原则。系统接收省调对察柳两站的发电调度指令(总有功给定)后，结合两站水位、开机、区间汇流和水耗、电价等情况，按照预先设定的优化运行策略和程序，在线实时计算梯级电站和各台机组的负荷并实时分配执行，在保证梯级发电满足给定总功率及其他限制条件下，使梯级弃水量或发电耗水量最少、经济效益最大。与一般通过日前96点负荷曲线调度不同，察柳梯级AGC系统完全按照电网AGC实时动态调节指令执行。目前，系统的运算时间为0.02～0.08 s，通信时间约0.7 s，总历时约0.8 s；梯级AGC响应时间和调节速率满足新疆电网要求(目前新疆电网要求：AGC响应时间不超过10 s，调节速率每分钟不低于50%额定容量)。

3 系统约束条件

察柳梯级AGC约束条件比较简单，介绍如下：

(1)库水位Hi约束

Hs≤Hi≤Hx

(1)

或

Hmin≤Hi≤Hmax

(2)

式中，Hs为死水位；Hi为当前水位；Hx为正常蓄水位(汛限水位)；Hmin和Hmax根据实际情况确定和调整。

(2)机组特性曲线约束：根据机组振动特性等，经省调同意设定2站5台机组的出力下限均为50 MW。

(3)开、停机约束：目前两站开、停机指令均由省调下达，电网AGC总有功指令自动保持在所有开机机组出力下限之和至额定功率之间。

4 系统优化策略

目前，系统共设置了2类(厂间、厂内)5种策略，如图4所示。

图4 系统优化策略

4.1 厂间(梯级)经济运行策略

4.1.1防弃水(梯级流量匹配)策略

主要用于主汛期柳电弃水风险较高时日，通过预防和减少柳电弃水来体现其经济性。该策略以柳电库水位(Z柳)为主要判断指标。要点如下：

(1)当Z柳>Z柳max时，系统在两站机组出力限制条件下，优先顶格分配负荷给柳电，剩余负荷安排给察电。一般设定Z柳max=1 494.5 m。

(2)当Z柳

(3)当Z柳min≤Z柳≤Z柳max时，在某一时间段(一般不超过4小时)，根据调度状况等，人为设定某一柳电水位目标值，若对防弃水较有把握，则设定：Z柳0.15 m时，系统在两站机组出力限制条件下，优先顶格分配负荷给察电或柳电，使柳电水位快速趋向目标水位。当∣Z柳目标-Z柳∣≤0.15 m时，运用动态规划法，建立目标函数

min(△Q)=Qcf+Qch-Qlf

(3)

式中，△Q为流量变化量；Qcf为察电发电流量；Qch为察河流量；Qlf为柳电发电流量。

基于各站发电流量与下游水位关系曲线(Q-Z)、发电流量与水头损失关系曲线(Q-h)、水轮机运转特性曲线(N-Q-H)以及机组出力限制等边界条件，采用循环迭代算法，在流量最匹配解附近，选取最小偏量解△Q对应的察柳两站出力值分配两站出力，使柳电库水位向目标值方向微调并动态稳定于目标值。

4.1.2梯级发电能耗最小策略

主要用于非汛期及汛期低弃水风险时段，通过降低梯级发电总能耗来体现其经济性。

运用动态规划法，建立目标函数

min(E)=QcHc+QlHl

(4)

式中，E为梯级势能消耗总量；Q为发电流量；H为毛水头；c为察电；l为柳电。基于各站发电流量与下游水位关系曲线(Q-Z)、发电流量与水头损失关系曲线(Q-h)、水轮机运转特性曲线(N-Q-H)以及机组出力限制等边界条件，采用循环迭代算法，计算不同负荷分配状况下两站势能消耗总量，E值最小时即为最优解。梯级AGC系统按此解分配两站负荷。

为减少系统运算时间，使之满足在线实时优化运行要求，解算中采用了一种新的数据集建模方式，将水轮机运转特性曲线(N-Q-H)所代表的机组运转特性数据集建模为方程体，变二维插值计算为方程求解过程，并将循环求解优化为矩阵求解，测试计算时间由2 s级缩短到了0.05 s级。

为验证梯级发电能耗最小策略的运行效果，选取了人工干预较少、策略运行较为完整的2018年3月20日为代表日，分析测算了该策略的经济运行效果：当日察柳两站负荷可调时段共计6.18 h，其中，系统节省能耗超过10 MW的深度优化运行时段有1.93 h，节省能耗在5～10 MW之间的次深度优化运行时间有2.01 h；当日，察柳两站节省能耗4.6万kW·h，占到当日发电量(565万kW·h)的0.8%。

4.1.3梯级发电收入最大策略

(1)汛期弃水时段，通过多发高价电来实现效益最大化。因察电电价高于柳电，当察电弃水或者察、柳两电均弃水时，系统在两站机组出力限制条件下，优先顶格分配负荷给察电，使发电收入最大化。

(2)非汛期及汛期低弃水风险时段，实现在单位梯级发电总能耗下发电收入最大化来体现其经济性。运用动态规划法，建立目标函数

max(TGR)=(Pc*EPc+Pl*EPl)/(QcHc+QlHl)

(5)

式中，TGR为梯级总发电收入(Total Generation Revenue)；P为各电站出力；EP为各电站上网电价；其他参数定义同上。采用循环迭代算法，计算不同负荷分配状况下目标函数最大值时即为最优解。梯级AGC系统按此解分配两站负荷。

4.2 厂内经济运行策略

目前，系统对厂内经济运行设有小负荷最少机组调节策略(简称小负荷调节策略)和大负荷平均分配策略。

4.2.1小负荷调节策略

其目的是为了减少机组总的调节频次从而减少设备磨损和调速系统能耗，其原则是厂内负荷变动较小时，尽量减少参与调节的机组台数。该策略也可减少多台机组参与小负荷波动造成累计负荷偏差，从而较好地跟踪有功给定值。当前设定：察电总负荷增(减)量小于20 MW的有功变动时，首先由该站负荷最小(最大)的机组承担增(减)量，如该机不能承担全部增(减)量，则剩余增(减)量由负荷次低(次高)机组继续承担，依次类推。柳电小负荷变动指小于10 MW的有功变动，其调节策略同察电。

4.2.2大负荷平均分配策略

当察(柳)站总负荷增减量大于等于20 MW(10 MW)时，系统将全厂总给定有功值重新平均分配至各运行机组。经对察电总有功180、210、240、270、300 MW状态下，3台机组不同负荷分配情况计算分析，结果表明：随着机组间不平衡负荷(负荷差值)增大，电站总的势能消耗也在增加；在3台机平均分配负荷时，电站总的势能消耗最小。由此判断：机组间平均分配负荷是一种最优运行策略。以察电总负荷240 MW情况为例，其不平衡负荷与总势能消耗关系曲线如图5所示。

图5 不平衡负荷与总势能消耗关系曲线

5 结论与探讨

察柳两站水力联系紧密，运行如同“一库两站”，兼之两站电力送出落点相同，具备较好的梯级AGC调度条件。

运用动态规划法并采取合适的优化算法和参数简化方法后，察柳梯级AGC系统运算时间很短，不会对电网要求的AGC响应时间等构成制约，系统可以在线实时优化运行。

察(柳)站单机容量相同，机组效能特性、水道系统特性等几乎一致，在此情况下，大负荷平均分配策略是一种简便实用的厂内最优运行策略。

小负荷最少机组调节策略有其必要性和合理性，目前对该策略的效果(减少总的调节台次等)缺乏定量评估，对小负荷取值区间或者最优值的选择缺少深入论证，有必要继续研究和优化。初步考虑：对单站小负荷调整策略的取值，可根据一段时间内省调AGC指令负荷调整的分布统计情况予以动态调整；对该策略的实施效果，可根据机组小负荷实际调节次数，与假定平均分配负荷调节次数的比较予以定量评估。

理想情况下，实时经济(最优)运行自然得到短期和中长期经济(最优)运行效果。但目前察柳梯级AGC系统运行的结果却并非一定如此。主要原因是：梯级AGC控制下的实时优化运行是在一定的开机组合条件下运行，是有局限的，其优化策略的本质是“以电定水”，而中长期经济运行优化策略的本质是“以水定电”，两种运行策略难以全时耦合。