苏华英，王国松，廖胜利

(1.贵州电网有限责公司电力调度控制中心，贵州 贵阳 550002；2.大连理工大学，辽宁 大连 116024)

0 引 言

实时调度是以日前计划为基础[1，2]，根据负荷、来水偏差等实际变化情况来调整和制定实时调度计划。梯级水电实时调度在调整过程中还需要兼顾电网断面控制及上下游水情实况进行必要的出力重新分配，以实现梯级优化调度目标。由于径流预报的不确定性、电力平衡及电网稳定运行控制要求，需要对梯级各水电站出力进行调整，而当梯级水电站群面临由于送出通道有限或发电负荷空间不足被迫弃水(或面临弃水风险)时，因涉及各水电站切身利益，如何在兼顾梯级水能资源最大化利用的前提下体现风险共担、调度公平是目前水电调度运行面临的重要课题。国内外相关研究主要集中在实时调度系统的运行模式[3，4]、实时协调模型[5-7]和负荷快速分配算法[8-13]等3个方面。王嘉阳等[14]针对实时调度中快速躲避机组限制区、兼顾电站日前计划和出力平稳性、最小化电站弃水等3方面，采用期末蓄能值最大模型，提出电站计算序位确定、电站组合确定、负荷偏差光滑处理、厂间负荷偏差分配和弃水调整策略，该方法和策略在确定电站计算序位时选取单库蓄能率和耗水率分别作为第一级和第二级排序指标，未考虑当前出、入库流量对各库水位上升速度带来的影响，具有一定的局限性，在实际运行及梯级上下游协调工作中，不能很好的体现各级电站承担的风险程度，在未来的电力市场环境下，较难体现梯级水电调度的公平性。

本文以各电站归属不同发电业主的贵州牛栏江梯级水电站群为背景，提出基于实时弃水风险评估的梯级水电优化调度方法，对实时调度过程中弃水风险进行量化评估，并以此作为负荷快速重新分配的依据，在实现梯级水能高效利用的同时，能体现风险共担和公平调度。

1 模型构建

1.1 模型设计

基于实时弃水风险评估的梯级水电优化调度方法，以评估梯级电站弃水风险为切入点，根据流域实际来水及电网运行约束，考虑各水库运行特性及梯级上下游水力联系，辅助调度员进行梯级各电站的负荷调整。

本算法模型通过获取当前入库流量及电站出力实际情况计算各库水位上涨速度，得出当前负荷情况下的预弃水时间作为风险评估指标，在满足梯级总负荷不变的情况下，重新分配各梯级电站出力，以实现各电站预弃时间尽量靠拢、弃水风险尽量均衡为目标；并且由于各电站库容系数不同，梯级上下游之间存在密切的水力联系，在均衡弃水风险的同时可减少梯级弃水，实现梯级水能资源的高效利用。

1.2 模型目标函数

本模型的目标函数按照是否梯级电站群全部弃水分为两种表达方式。当存在梯级电站群全站弃水时，认为各电站弃水风险相同，则各电厂出力按照装机比例进行分配；否则，模型通过调整梯级各电厂出力计划，在保证梯级总出力不变的同时最大化延长实时弃水高风险电厂的预弃时间。故模型目标函数为以下2组公式

(1)

(2)

式中，N(i，Pk)代表i时段梯级电站群P中第k个电厂的优化出力；WPk代表梯级电站群P中第k个电厂的装机容量；N′(i，P)代表i时段梯级电站群P的原始总出力；Q(i，Pk)代表梯级电站群P中第k个电厂在i时段内的弃水流量；Z(i，Pk′末)代表i时段电站群P中风险最高电站k′的水位变化速度；代表梯级i时段电站群P中风险最高电站k′的水位上限；Z(i，Pk′末)代表i时段梯级电站群P中风险最高电站k′的时段末水位。

1.3 约束条件

(1)负荷约束

(3)

(2)电站出力约束

(4)

(3)库水位约束

(5)

(4)出库流量约束

(6)

2 模型求解方法

2.1 弃水风险定义

本文采用预弃水时间T来描述电站弃水风险。通过获取当前入库流量及电站出力实际情况计算电站水位上涨速度，再用最高水位至当前水位的差值除以水位上涨速度，最后得出当前负荷情况下的预弃水时间作为风险评估指标。若T≥0，则T越大弃水风险越低；若T<0，表明当前出力情况下，电站水位呈下降状态，将其归最低风险。

为便于进行各电站间弃水风险的比较，体现公平调度及风险共担，需对风险等级Risk进行定义。根据汛期运行经验，可将预弃时间划分为高、中、低3个等级。当预弃时间值足够大或超过某个经验临界上限，即未来发生弃水时间足够长时，可认为风险等级低；当预弃时间值小或逼近某个经验临界下限，即未来发生弃水时间很短时，可认为风险等级高。本文分别定义预弃时间0～300 min为高风险、301～600 min为中风险、601 min以上或为负数(水位下降)为低风险。

2.2 出力调整策略

实际运行中，确定电站出力调整的优先次序，快速、准确的调整出力，是实时优化调度过程中的关键部分。出力调整不仅要考虑梯级各电站间的电力联系，确保出力调整后满足电网电力平衡及电网通道等安全约束，而且要考虑各电站间的水力联系，即上游电站出力的调整对下游电站水位变化造成的影响。

故，本文在进行梯级电站出力调整过程中，引入流量滞时tk，即i时刻上游电站k的出库流量在i+tk时间到达下游电站，进而影响下游电站的水库上涨速度及预弃时间，以体现梯级上下游的水力联系。为体现梯级各电站电力联系，在进行i时刻的出力调整时采取如下策略：

(1)当梯级电站群全部弃水的时候，按照装机容量重新分配梯级原总出力。

(2)当梯级电站群中存在任一个电站没有弃水时，则按照预弃风险大小进行出力调整。首先，按照各厂最大出力方式计算预弃时间，若此时梯级总出力刚好等于原总出力，则认为各电站预弃时间均达得到了最大延长，即可进入下一个时段；若此时梯级总出力大于原总出力，说明发电负荷空间(或送出送道)有限，需要进行减出力调整，则按照最新的预期风险进行优先级排序，预弃风险越低，则降出力调整的优先级越高。每次调整均对优先级最高的电站按照最小降出力速度进行优先减出力，并重新计算各电站预弃时间，直至优化后的梯级总出力等于原总出力。

2.3 总体计算步骤

模型按照以下步骤进行求解。

(1)定义风险集合Risk，Risk由调度人员设置，用于划分电厂预弃时间对应的风险等级，其形式为：下限预弃时间，上限预弃时间，对应风险等级的集合。

(2)根据梯级电站群各电厂计划出力、入库流量、初始水位对各电厂进行初步演算，得到梯级电站群预弃时间集合TP。

(3)i时段遍历T(i，p)，若∀T(i，Pk)<0，即梯级电站群全部处于水位下降状态，根据Risk对i时段各个电厂进行风险等级划分(找到预弃时间所在的预弃时间区间，获得相应风险等级)，然后进入下i+1时段，对i+1时段进行步骤3操作，直至全时段遍历完；若∃T(i，Pk)≥0则转入步骤4。

(4)按装机容量重新分配i时段梯级电站群各电厂出力，并根据新出力重新进行计算获得梯级电站群电站状态。若∀Q(i，Pk)>0，则对i+1时段进行步骤3；否则，进行步骤5。

(6)试算新出力下梯级电站群各站T(i，Pk)，根据T(i，Pk)进行风险等级划分:①T(i，Pk)<0，表明出库流量大于入库流量，水位呈下降趋势，属于最低风险等级;②T(i，Pk)≥0，表明出库流量小于入库流量，则T(i，Pk)越大风险越低。i时段同时存在①、②时，①情况下的减出力优先等级高于②。转入骤7。

(7)判断优化后的梯级总出力是否等于原总出力。是，则转入步骤8；否，则转入步骤9。

(8)根据T(i，Pk)划分的优先减出力等级对梯级电站群电厂进行出力调整，每次调整均对优先级最高的电站按照其最小降出力速度进行优先减出力，然后转入步骤6。

(9)i时段优化结束，对i+1时段进行步骤3。

3 应用实例

本文以大岩洞、象鼻岭、小岩头组成的贵州牛栏江梯级电站群为例，进行应用计算。该梯级各站分属不同业主，且调节性能多样，梯级各电站基本情况见表1。

表1 牛栏江流域梯级电站基本情况一览

以汛期某日实际运行情况为例，采用本文提出的优化调度模型进行模拟计算，得出牛栏江大岩洞、象鼻岭、小岩头梯级电站群调度结果对比如图1、图2及表2。为方便图形比较，将风险等级进行数值量化处理，定义低风险为“1”，中风险为“2”，高风险为“3”。

经对比分析，可以看出：

(1)优化后整个梯级电站群的弃水风险得到了平衡，高风险电厂预弃时间得到延长，梯级各电站弃水风险倾于一致，体现了调度公平、风险共担。

图1 优化前各梯级电站调度风险等级结果

图2 优化后各梯级电站调度风险等级结果

表2 梯级水电站群优化前后调度结果对比

(2)优化前后梯级总发电量保持不变，只是在各电站间进行了重新分配，优化调整不仅用足了发电空间，而且避免了对电力平衡及电网通道等安全约束的影响。

(3)采用本文提出的优化方法，使得梯级总弃水量得到了明显减少，期末总蓄能得到了提升，可以实现梯级整体优化及水能资源的高效利用。

4 结 语

随着我国西南地区大规模水电站群的投产运行以及电力市场化改革的不断推进，电站弃水风险和梯级水电站的公平调度问题将越来越受到关注。本文提出的基于实时弃水风险评估的梯级水电优化调度方法，可充分利用日前计划指导性，实时调整日前计划，滚动生成实时发电计划；能满足电力平衡及电网通道等安全约束，直观的分析各电站所面临的弃水风险并体现梯级水电风险共担；同时，可对弃水进行有效调整，避免或者减少不必要弃水，为梯级水电站群实时调度提供了一种可行的理论和技术参考，具有较好的工程实用性。