高比例水电系统的网省联合实时优化调度方法及应用

陈静鹏，王 科，蒋 迪，杨 林，张 勇，方必武，楼 楠

（1. 中国南方电网电力调度控制中心,广东省 广州市 510663；2. 云南电网有限责任公司电力调度控制中心,云南省 昆明市 650011）

0 引言

中国云南电网是一个典型的高比例清洁能源大规模直流送出系统,其中水电、风电、光伏等清洁能源占比高达85%,存在灵活调节发电资源不足的问题［1-2］。汛期时,外送电力为本地最大负荷的120%,外送规模巨大,为充分消纳清洁能源、减少弃水,水电厂基本都是满发状态,火电则按最小开机方式并带最小出力运行,不具备上下调节能力,调峰调频能力不足；枯期时,受机组、线路检修及稳控调试断面受限等因素的影响,同样面临着调峰调频能力不足的问题。在日内实时运行中,大幅的负荷偏差、新能源出力波动、流域来水突变情形时有发生［3-4］。长期以来,云南电网日内调控采用调峰调频深度耦合的运行方式,通过调频机组响应日内运行偏差,实现调峰调频的双重任务,在负荷急剧变化或日内较预测出现较大偏差时段,为保障系统频率稳定及二次调频备用满足运行要求,需要大量的机组投入调频模式,并预留调频裕量而无法满发,进一步增加了弃水量；同时,通过频率响应方式来实现系统的电力平衡具有一定的滞后性,该模式极大地制约了云南电网的日内调控。另一方面,中国南方电网正在积极推进调频辅助服务市场建设［5］,而在以调频里程为标的的调频辅助服务市场中［6-7］,若采用调峰调频深度耦合的运行方式,调频电厂会因参与系统调峰和承担较多日内电力偏差而产生不尽合理的调频里程。因此,需要通过实时优化调度的方法,实现云南电网调峰调频的解耦。

在电力系统的实时优化调度方面,国内外学者已进行了深度研究［8-15］。文献［13-15］通过仿真算例进行理论研究,其成果具有参考指导意义,但未考虑工程实践以及实时调度运行过程中的复杂情况。目前,在云南电网这样一个高比例清洁能源大规模直流送出系统中实现实时优化调度,将不可避免地面临着网省协调［16-17］、水电流域梯级协调［18-19］、水电机组爬坡及振动区约束［20-21］、调频辅助服务市场衔接等问题。针对以上问题,本文创新性地提出一种高比例水电系统的网省联合实时优化调度方法,日内网省两级调度机构根据调管电厂的可调备用进行电力偏差分摊,解决了网省协调的问题,通过日前预安排梯队电厂的方式,解决了水电流域梯级协调的难题,并实现了优化调度系统的工程开发和系统部署。该系统为中国南方电网首个面向水电的网省联合优化调度系统,在促进清洁能源消纳的基础上,进一步提升了云南电网的系统调节能力,同时有利于云南电网调频辅助服务市场对机组调频和调峰贡献的区分,合理统计调频电厂的调频里程,有效保障了大电网安全和电力市场公平。

1 网省联合实时优化调度模型

1.1 云南电网概况

云南电网是南方电网西电东送的主要送端。2016 年,云南电网实现了与南方电网中东部电网异步联网运行,现通过9 回直流线路与中东部电网连接。

云南电网的水电厂主要为中国南方电网电力调度控制中心（简称南网总调）和云南电力调度控制中心（简称云南中调）调管,南网总调调管机组为直流配套送出电厂,且南网总调和云南中调调管电厂错落地分布在澜沧江和金沙江流域,其水位存在相互影响关系。因此,需要通过网省联合优化来实现发电计划的实时滚动修编。为促进清洁能源消纳,云南电网火电机组长期保持在最小开机模式并带最小出力运行,基本无调节能力。因此,本文的实时优化调度模型只考虑水电机组。

1.2 优化目标

传统的电力系统优化模型以最小化发电成本为目标,为促进清洁能源消纳并降低云南电网的弃水电量,本文以最小化弃水电量作为优化目标。弃水电量是电厂在开闸泄洪的情况下,因网络受限或配合系统调峰无法满发,调减电厂出力而减发的电量。目标函数表示如下：

式中：N1为南网总调调管且处于开闸状态的水电厂个数；M1为云南中调调管且处于开闸状态的水电厂个数；T为优化计算时段数；Pi,max,t为水电厂i在t时段水头下的最大出力,正常情况下取电厂总装机的额定出力；Pi,t为水电厂i在t时段的实际出力；Δt为优化时段长度。

1.3 约束条件

1.3.1 系统负荷平衡约束

云南电网内电厂承担的计划值分摊偏差量等于发电侧和用电侧偏差,即

式中：N为南网总调调管水电厂个数；M为云南中调调管水电厂个数；ΔPi,t为水电厂i在t时段的计划值分摊偏差量；ΔPG为云南电网的发电侧电力偏差,包括径流式水电厂（含省地共调电厂）、非径流式水电厂、火电厂、新能源电厂（风电和光伏）电力偏差；ΔPL为用电侧电力偏差,包括西电东送、云南省内负荷和云南送老挝、缅甸等国外用电负荷电力偏差。

1.3.2 电厂出力约束

为满足系统的安全约束及梯级电站的水位约束,日内水电厂的出力调整必须在一定范围之内,即

式中：Ri,D和Ri,U分别为水电厂i的向下和向上爬坡速率。

1.3.4 调频市场中标容量约束

为与调频辅助服务市场衔接,若水电厂i在t时段在调频市场中标,则需为之预留相应的二次调频备用容量,即

式中：Gi,t为水电厂i在调频市场中的中标容量。

1.3.5 避开振动区约束

水电机组出力位于振动区,会对其机组造成损伤。因此,对水电厂发电计划的实时滚动修编以及机组响应频率后调整出力应避免落入振动区,即

式中：Pl,t-1为断面l在t—1 时段的值；ηl,i为水电厂i所在节点对断面l的灵敏度；Ql,t为其他偏差引起的断面l数值变化；Pl,max和Pl,min分别为断面控制的上限和下限。

2 求解方法及工程实施

云南电网的水电厂主要为南网总调和云南中调调管,错落地分布在澜沧江和金沙江流域。为实现最小化弃水电量的优化目标,采用可调备用来衡量电厂的弃水风险。水位高且未满发的电厂可提供上调节备用,在系统正偏差时可调增其出力；水位低的电厂可提供下调节备用,在系统负偏差时可调减其出力。同时,通过梯队的方式来实现相同流域水电厂的协调控制,一般来说,梯级电厂的水位相互影响,在存在弃水风险时,可通过同增同减的方式来优化梯级电厂水位。因此,同一梯级的电厂一般位于同一梯队。

由于调管关系不同,无法通过统一模型对所有电厂进行全局优化,故采取网省联合优化的方式。由云南中调统一计算发用电偏差,网省两级调度机构根据调管电厂的可调备用（侧面反映弃水风险）进行总偏差分摊,再分别将偏差分摊至调管电厂。通过可调备用以及梯队的方式实现了网省的协调优化控制：一方面,解决了两级调度机构偏差分摊的问题；另一方面,也使得电力偏差分配均衡。

2.1 承担电力偏差梯队

表1 梯队电厂信息示例Table 1 Examples of echelon power plant information

2.2 日内实时滚动优化

南网总调和云南中调网省联合实时优化调度系统已开发并部署在南网总调和云南中调调度台,其控制界面如附录A 图A1 所示。主要显示调用梯队信息以及电厂实时计划的滚动情况,界面的人工操作台用于特殊场景下的人工干预以及系统参数设置。

日内实时滚动优化的流程图如图1 所示。网省两级调度机构生成日内偏差调用梯队后,在24：00前发送南网总调和云南中调网省联合实时优化调度系统。日内实时滚动优化过程中,T和T+30 min时段,云南中调分别计算T+30 min—T+1 h 和T+1 h—T+1.5 h 期间省内发用电偏差并发送南网总调,南网总调根据网省两级调度机构梯队可调备用比例分摊电力偏差,将剩余偏差发送云南中调。

图1 日内实时滚动优化调度流程图Fig.1 Flow chart of intraday real-time rolling optimization dispatch

网省两级调度机构按可调备用分摊电力偏差后,分别在式（3）—式（8）的约束下对调用梯队电厂进行偏差分摊。南网总调对梯队电厂进行逐级调用,为确保梯级电厂之间的相互配合,调用过程中最后一级梯队按照梯队内电厂可调备用的比例进行分摊,其优化目标如式（9）所示。

式中：μi,j为电厂i、j的调节备用比例。

分摊完成后,网省两级调度机构调度员对梯队电厂的计划滚动结果进行审核,并下发电厂执行。若日内水库运行或来水情况发生较大变化,则由调度员根据实际情况对梯队进行调整,如将电厂剔除出梯队、增补进梯队、调整可承担偏差电量等。

3 实例分析

目前,网省联合实时优化调度系统已经完成开发和系统部署,并在南网总调和云南中调实时运行中得到有效应用。选取2020 年某日（D1）12：30至次日（D2）12：30 的运行情况进行分析。期间的云南电网发电侧和用电侧总偏差如图2 所示,基本呈现正偏差,最大值为1 692 MW,平均值为733 MW。南网总调和云南中调的电厂梯队信息如表2 所示。

图2 云南电网发电侧和用电侧功率总偏差Fig.2 Total power deviation between power generation side and power consumption side of Yunnan Power Grid of China

表2 南网总调和云南中调电厂梯队信息Table 2 Echelon power plant information of Power Dispatch and Control Center of China Southern Power Grid and Power Dispatch and Control Center of Yunnan Power Grid of China

通过网省联合实时优化调度系统的实时滚动,南网总调和云南中调调管电厂对云南电网偏差的分摊结果如图3 所示。其中,网省联合实时优化调度系统实时跟踪云南电网总偏差,有效实现了云南电网的电力平衡,共促进清洁能源消纳17 543 MW·h。南网总调直调黄登电厂参与了实时滚动,与黄登电厂相关的断面潮流如附录A 图A2 所示,其断面限值为（75,1 000）MW 或（-750,-75）MW,均在断面约束范围内。可见,南网总调直调电厂在断面约束的范围内承担了云南电网60%左右的调峰需求,促进清洁能源消纳11 315 MW·h。其中,00：30—06：00 时段,南网总调直调电厂承担了云南电网所有的调峰需求,有力地保障了云南电网的电力平衡。同时,有效地解决了长期以来云南电网调峰调频耦合的问题,为建设云南调频辅助服务市场奠定了基础。

图3 云南电网总偏差分摊结果Fig.3 Total deviation allocation result of Yunnan Power Grid of China

4 结语

本文针对云南电网高比例清洁能源大规模直流送出系统的特性,提出网省联合实时优化调度的方法。通过日前生成流域梯队电厂、日内滚动分摊的方式,有效地解决了网省协调、水电流域梯级协调、水电机组爬坡及振动区约束、调频辅助服务市场衔接等问题。在促进清洁能源消纳的基础上,进一步提升了云南电网系统调节能力,同时有利于云南调频辅助服务市场对机组调频和调峰贡献的区分,合理统计调频电厂的调频里程,有效保障了大电网安全和电力市场公平。

本文仅实现了水电厂的联合优化调度,在未来以新能源为主体的新型电力系统中,对风电、光伏等新能源以及源网荷储的联合优化调度仍有待进一步研究。

审稿专家与作者就本文问题的讨论见附录B。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。