唐 勇1，黄 春 雷，张 胜3，赵 宇

(1.国家电力调度控制中心，北京 100031； 2.南瑞集团/国网电力科学研究院有限公司，江苏 南京 211106；3.国家电网有限公司 华中分部，湖北 武汉 430000)

我国和国际上的行政区通常以山脉或河流等自然地形划分，其中两国或两地区分界的河流称为界河。随着水电站建设的持续推进，在界河建成的水电站也越来越多，为分享这些水电站的发电效益，需要界河两边不同的利益主体共同协同管理，如世界著名的伊泰普水电站介于巴西与巴拉圭间，依靠《伊瓜苏协定》确定发电机组和发电量均分[1]；中朝界河鸭绿江水丰水电站根据《关于中朝鸭绿江水丰水力发电公司协定书》，规定了电力两国各半分配[2]；我国金沙江下游溪洛渡水电站介于云南省与四川省之间，左、右岸电厂分别向国家电网和南方电网供电，各厂年发电量按既定比例分配，当日电量和月电量达不到分配比例时，可在月度、年度中滚动调整[3]。这些水电站电力调度和利益关系都呈现了多主体特征，已有协议大多提的是原则性要求。由于水库可用水量、电网需求负荷的有限性和不确定性，在具体操作层面上如何平衡各方利益和开展协同调度这给运行管理带来了新挑战。

在水电站协同调度方面，文献[4-5]探索了长江流域控制性水库统一调度的必要性；文献[6-10]对水库群统一调度框架及模式、多主体梯级协同调度模型及效益补偿等方面进行了研究；周杰清从开发设计角度，研究了界河水电站两岸不同利益主体的水力资源分摊方法，从水头、水能资源蕴藏量、河长、集雨面积4个角度进行了说明[11]；徐斌等提出了多利益主体水库群基于讨价还价理论的增量效益分配模型[12]。张粒子等研究了多运营主体流域梯级水电站参与的日前市场出清模型，提出“调蓄削峰”两阶段出力优化调整策略[13]。可见，多利益主体水电站发电量大小除受水库可用水量和发电水头影响外，还受电力系统负荷(市场)需求、电网输送能力等条件的制约，加上不同利益主体诉求，使其调度情况更加复杂[14]。本文针对一个水电站具有两个分属不同利益主体的电厂(即“一库两厂”)情况，研究基于电量借-还模型的、兼顾水电站总体效益最大化的协同调度方法，以实现合理、公平、公开调度。

1 “一库两厂”调度需求

“一库两厂”是指有两个调度或运行需求不同的电厂(分厂)共用同一个水库的水进行发电。由于各个电厂分属于不同的调度(利益)主体，发电受各自所属电网或利益主体需求上的支配，但又与别的电厂共用一库水，在水量使用上相互制约，在水头计算上相互影响。因此，两个电厂在运行时需要在不同的时空尺度上相互配合，在满足水库综合利用、各自电网及电厂安全运行约束前提下，使水能资源充分利用，并体现公平公正、违约补偿、效益均分的原则，实现在水量利用上有借有还、电量分配上等同对待、电力需求上互补互济等目的。

2 协同调度方法

2.1 协同调度原则

两厂在共用一库水前提下，如何利用有限的水能共同发电，使自身发电效益最大化，涉及到不同利益主体发电的博弈关系。在研究两厂间的协同调度时，要求既不能违背国家的节能环保政策，也要兼顾各主体利益和电网安全实际需求，在公平前提下使协同调度结果具有可执行性，总体原则如下：

(1) 考虑两个电厂现行的电量分配和水库调度需求；

(2) 遵循水电站总体效益最大化原则；

(3) 应鼓励少水少发、多水多发需求；

(4) 可根据来水预报及实际水位实际滚动调整中长期发电计划；

(5) 在电量协同方面体现公平、公正、公开目标。

2.2 中长期协调优化调度

2.2.1解决思路

中长期协同调度主要在较长的时间尺度范围内安排各厂的发电计划，运行时可进行滚动修正。调度时主要考虑各电网输送能力和水库综合利用约束，注重水量及水头利用，以各电厂的累积效益之和最大化作为目标值，即以水库总水量优化利用来实现水电站总体效益最大化，以水库运行边界控制来满足水库综合利用要求，以各电厂发电约束条件来体现各不同利益主体的运行需求。

2.2.2调度模型

中长期协同调度的模型如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2.2.3解算方法

在解算方法上，采用动态规划法[14]进行计算，水库(水位、出库等)和全厂最大出力(电厂累计)约束按照总约束进行考虑外，在电厂发电方面，为体现少水少发、多水多发和公平发电原则，求解时可用水量初始分配比例按公式(6)进行，并进行水量转化为出力计算。当其中一个电厂无法消纳分配的出力时，自动转移到其他电厂利用，当所有电厂均无法充分利用水库的可用水量时，多余的水蓄积。

2.3 短期协同调度

2.3.1解决思路

在有限水量的条件下，以公式(6)作为水量分配原则(已有协议按协议执行)，在一个蓄(供)水期内有水不发则认为自动放弃不可留用。当某时段电力需求不均衡时，可在一定时间序列范围内实现电量在各电厂间调剂，体现合作博弈的思想。短期日协同调度具体如下所述。

(1) 水电站总体效益不受损，即日可用水量有制约，可有条件进行松弛，体现前期少(多)用后期多(少)用原则；

(2) 在安全约束条件下各电厂余留水量允许后移，但有一定的制约(不超过运行约束)；

(3) 电量偏差累计值必须在一个蓄放周期内完成协同分配，否则作为损失扣减或放弃；

(4) 当双方在负荷需求有限时导致弃水概率增加或弃水时，风险共同承担。

由于水库有一定的调节能力，在日可用水量约束下，水电站日内发电出力在不同时段分布对日总电量影响不大。因此，本文短期日协同调度主要研究日电量在各分厂间分配问题。基于上述原则构建短期日协同调度时，可从两个维度进行考虑，即横向的时间(时序)维度和纵向的空间(各电厂间)维度。在时间维度上，各电厂在可用水量约束下，考虑前期累积借还电量使用；在空间维度上，允许电厂间根据当日负荷的需求在一定范围内自行安排。当累积可使用电量不足以满足需求时，在不过多破坏优化调度线前提下，可提前透支一定比例水或向对方“借水”来发电。

2.3.2调度模型

由于水库具有一定的调节能力，水电站总体效益最大化目标通过中长期优化调度线进行控制，短期调度目标主要在执行的协同上，而其关键在于各电厂的发电能力和借(还)电量计算上。假定各电厂在蓄(供)水期开始的第t日调度发电量为Ei,t，则从蓄(供)水期开始(t=1)，短期协同调度模型如下：

(7)

其中：

(8)

(9)

公式(9)计算除要满足式(3)的约束条件外，还需满足Zt+1-Zt≤ΔZ，ΔZ为日水位变幅约束。

此外，当i电厂第t日Ei,t大于可用机组(扣除检修)最大发电量、电网线路输送限额、系统负荷需求时，按限额的电量进行发电。

2.3.3解算方法

短期协同调度主要体现在电量的分配上，水量优化通过中长期调度实现，并通过最优水位调度线来指导短期运行。所以，在解算方面，结合最优水位过程线的控制要求，从蓄(供)水期开始，按照公式(7)采用时序法来逐日进行协同调度计算。逐日运行的计算流程如图1所示。

图1 短期协同调度计算流程Fig.1 Short-term collaborative scheduling computing process

3 算例分析

3.1 对象概述

本文以金沙江下游溪洛渡水电站为例进行实例分析。溪洛渡水电站位于四川和云南交界的金沙江下游干流，水库正常蓄水位为600 m，死水位为540 m，为不完全年调节，水电站共装有18台单机容量为770 MW的机组，总装机容量为13 860 MW，2014年全部建成投产，分为左、右两岸两个厂房，各有9台机组，分别由国家电力调度控制中心和南方电网有限公司电力调度控制中心进行调度，是一个典型的“一库两厂、双网同调”水电站。汛期(6月1日至10月31日)国家电网和南方电网按1∶1电量比例进行发电，非汛期发电比例分别为42%和58%。短期调度时6月1日前借(还)电量归零，汛期由于来水较多，不存在借(还)电量问题，汛后(11月1日)重新计算借还电量。

3.2 算例计算

3.2.1中长期运行结果

以溪洛渡2017年旬实际入库流量和年末实际水位进行控制，最小出库流量约束1 700 m3/s。汛限水位根据实际运行情况分段控制(6月560 m，7～8月580 m，9月后600 m)，以常规(调度图)、优化(发电量最大为目标)两种方法进行操作计算，水库水位运行结果如图2所示，电量计算结果如表1所示。

表2 短期协同调度计算成果Tab.2 Short - term cooperative scheduling calculation results

图2 水库中长期调度水位过程线Fig.2 Process line of water level for medium and long term operation of reservoir

调度方式考虑库容差电量的电量值/(亿kW·h)调度方式考虑库容差电量的电量值/(亿kW·h)实际值613.91优化调度665.77常规调度值630.86

3.2.2短期运行结果

以水库日水位变幅不超过2 m、出库流量不小于1 700 m3/s为约束，南方电网和国家电网的电量分配比例汛期为1∶1、非汛期比例为58%：42%，由于左右两个电厂装机容量一致，可认为λi,t按相同的比例分配可用水量。在实际应用中，以中长期协同优化调度水位结果作为控制线，结合短期来水预报确定各电厂的日可用水量。在模拟计算分析中，为便于比较，以2017年实际运行水位控制，实际入库来水代替预报入库来水。2017年逐日计算结果统计如表2所示。

3.3 结果分析

在中长期调度计算方面，从表1可看出，按调度图调度增加了16.96亿kW·h，增幅2.76%；优化调度比实际增加了51.87亿kW·h，增幅8.45%。增加的电量主要集中在汛期，因为预先无法估计水电的消纳情况，按照常规及优化方法，只要水力足够就满发。因此，多出的电量可认为由两部分构成：① 由于预先知道来水，优化时做到汛前腾库、汛后拦尾、高水位运行；② 装机弃水电量转化为计算电量。

而在短期发电调度模拟计算中，计算总电量值与实际值偏差也集中在汛期，主要是无法获取逐日电网输送限额、负荷需求和检修等相关数据，计算时按照满额进行发电，导致汛期多出62亿kW·h，在实际应用中可加入相关约束进行计算。在模拟计算时，汛前(5月31日)，南方电网结余24.61亿kW·h未发，国家电网超发24.61亿kW·h(借)的数值被清零，计算结果也基本符合实际。

4 结 论

随着我国水电站建设的持续推进，多利益主体水电站将会越来越多，如何协调各方利益关系，实现公平、公正的调度是当前需要探讨的问题。本文研究结论如下。

(1) 在中长期优化调度中，考虑不同利益主体需求和水库自身运行约束，优化运行结果满足水库运行效益最大化目标，达到充分利用水能资源目的。

(2) 短期协同调度以系数划分可用水量方式，提出了借-还电量的计算方法，为不同利益主体在实际运行中遇到的特殊情况提供了弹性解决方法，且用记账方式记录，并规定使用期限(到期自动清零)，体现了公平公正、违约补偿、效益均分的原则。

(3) 本文经过实例模拟计算，结果表明与实际差异控制在5%以内，方法切实可行，为解决这类型的水电厂利益协调提供了一种思路和方法，但针对越来越多的梯级流域不同利益主体水电站间的协同调度有待于探讨。