CN105552971B - 小水电与大中型水电站群协调优化的分区消纳方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小水电与大中型水电站群协调优化的分区消纳方法，其将小水电与大中型水电混合的复杂电网多级输电断面约束模型化，转化为相应时段弃水出力，在此基础上建立小水电与大中型水电协调优化的可消纳电量最大模型，利用小水电发电能力与大中型水电区间来水的相关关系，通过大中型水电间接获得小水电发电能力，并采用结合逐步优化算法、离散微分动态规划算法和逐次逼近算法求解模型，在优化结果的基础上以等负荷率原则进行弃水出力分配。该方法能够有机利用小水电与大中型水电调节性能差异，协调小水电与大中型水电调度，增加小水电消纳和减小弃水，对于提高小水电富集电网的水电消纳具有实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及电网规划和电力系统调度运行领域，特别涉及一种小水电与大中型水电站群协调优化的分区消纳方法。
技术背景
最近十多年以来，我国水电发展已经取得显著的成果，而作为清洁发展机制(clean development mechanisms，CDM)公认的可再生能源，小水电以其投资少、建设周期短、推动地方经济建设等优点更是获得了飞速的发展。截止2014年底，我国已经建成小水电4.7万座，总装机规模7300多万kW，占全国水电总装机的24.19％；年发电量2200多亿kWh，占全国水电的20.64％。规模化的小水电群是我国电力工业的重要组成部分。
然而，小水电大规模的开发与接入也带来了很多问题。以往小水电多是就地消纳，如今规模大且集中，需要寻求外送，挤占同地区大水电外送通道；且小水电低压并网，远离负荷中心，大规模远距离输电，电气距离较远，小干扰稳定问题突出，不仅影响其自身的送出，还成为制约地区电网或省级主网送电能力的主要因素之一。小水电大多为径流式电站，在汛期来水集中时段受到输电断面极限传输容量的限制大量弃水，这与小水电在节能减排中的作用不相适应。因此，需有限的输电容量下有效利用大中型水电的调节能力，有机协调大小水电调度，为小水电腾出通道，优先消纳小水电资源，提高大量的富余水电电力的消纳能力。目前，部分国内外学者针对这一问题研究较少，很少有理论提及小水电与大中型水电的联合调度，同时满足复杂的输电断面约束。本发明成果依托国家“863”重大专项研究课题，以云南电网大、小水电协调优化调度问题为背景，提出一种简单、实用的小水电与大中型水电协调优化消纳方法，云南电网的理论和实践经验表明，本方法具有较强实用性和广泛推广价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种小水电与大中型水电站群协调优化的分区消纳方法，可兼顾电网安全，利用调节能力较强的电站对调节能力较差的电站进行补偿调节使水电富集地区长期消纳电量最大化，可满足水电调度安全性、实用性、经济性的要求，同时本方法的应用对新的小水电接入技术如柔性直流输电技术应用时的输电断面位置选择以及不同容量方案选择具有参考价值。
本发明的技术方案为：
一种小水电与大中型水电站群协调优化的分区消纳方法，包括如下几个步骤：
(1)将小水电与大中型水电混合分区输电限制模型化描述，根据小水电与大中型水电逐级并网特征，将不同电压等级的电网输电断面限制抽象为小水电与大中型水电多级递归分区结构，描述如式(1)～(3)。
式中：PSi,t为第t时段分区i的分区出力，可以用递归函数表示；第t时段分区i的分区出力PSit包含分区i直接包含大中型水电站出力总和分区i直接包含小水电群的总出力PSHit和所有次一级分区受到各自分区出力上限限制下的可行出力总和其中DHi表示分区i直接包含大中型水电站的编号集合；为第t时段分区i的分区出力上限；NSi,t表示第t时段分区i对应断面的TTC；CSi,t为第t时段分区i内总用电负荷，用递归函数δ(i,t)表示，包含第t时段分区i直接包含用电负荷Ci,t和分区i内的所有次一级分区用电负荷之总和其中DSi为分区i内全部次一级分区的编号集合。
(2)引进各月典型日负荷，采用公式(4)～(6)修正分区输电限制式(1)～(3)。
式中：r、R分别表示日典型负荷曲线的第r个时段和时段总数；R一般为24或96，也可简化为2个时段，分别表示高峰时段和低谷时段；PSi,t,r为第t时段分区i的分区出力，用递归函数表示；CSi,t,r、Ci,t,r分别表示第t时段分区i的分区出力上限、分区内总用电负荷以及分区直接包含用电负荷的第r个典型值；CSi,t,r为递归函数，用δ(i,t,r)表示。
(3)采用公式(7)将上述分区输电限制约束转化为弃水出力WSi,t。
(4)采用公式(8)建立小水电与大中型水电协调优化的可消纳电量最大模型。
式中：t、T表示调度时段号及其总数；m、M表示大中型水电编号和总数；Δt为第t时段的时长。即为第t时段不考虑弃水出力情况下大、小水电总发电能力，为第t时段所有分区的弃水出力之和，即全部断面TTC限制造成的弃水出力之和。
(5)建立小水电发电能力与大中型水电区间流量的线性回归模型，通过大中型水电区间流量间接获取小水电发电能力。
(6)采用结合逐步优化算法、离散微分动态规划算法和逐次逼近算法求解可消纳电量最大模型，获得小水电与大中型水电协调优化的电站水位决过程策过程，以等负率原则进行电站间的分区弃水出力分配，得到电站出力决策过程。
(7)通过历史径流的逐年模拟，计算多年平均弃水电量，确定弃水窝电严重的输电断面，为电网网架规划提供必要的数据支撑。
本发明对比现有技术有如下有益效果：本发明将复杂的电网多级输电断面极限传输容量约束条件抽象为呈递归结构的多级分区出力上限控制模型，并提出相应的分区出力上限递归函数、分区出力递归函数，解决了常规水电经济调度与电网安稳约束相结合的问题，同时，通过建立小水电与大中型水电协调优化的可消纳电量最大模型，能够有效增加小水电消纳和避免弃水。
附图说明
图1是分区递归结构示意图；
图2是德宏一、二级分区出力结果对比图；
图3(a)是弄另电站水位结果对比图；
图3(b)是弄另电站发电能力结果对比图；
图3(c)是龙江电站水位结果对比图；
图3(d)是龙江电站发电能力结果对比图；
图4(a)是德宏一级分区各来水频率下月平均弃水出力结果；
图4(b)是德宏二级分区各来水频率下月平均弃水出力结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
以往小水电多是就地消纳，如今规模大且集中，需要寻求外送，挤占同地区大水电外送通道；且小水电低压并网，远离负荷中心，大规模远距离输电，电气距离较远，小干扰稳定问题突出，不仅影响其自身的送出，还成为制约地区电网或省级主网送电能力的主要因素之一。小水电大多为径流式电站，在汛期来水集中时段受到输电断面极限传输容量的限制大量弃水，因此，需有限的输电容量下有效利用大中型水电的调节能力，有机协调大小水电调度，为小水电腾出通道，优先消纳小水电资源，提高大量的富余水电电力的消纳能力。本发明揭示了一种小水电与大中型水电站群协调优化的分区消纳方法，主要解决小水电与大中型水电混合分区的模型化描述问题、小水电与大中型水电协调调度模型构建问题、模型优化求解及分析问题。针对这三个问题，分别给出了相适应的方法。
具体按照过程(a)-(c)予以实现：
(a)小水电与大中型水电混合分区的模型化描述
大规模小水电一般建于远离负荷中心的偏远地区，本地负荷需求有限，一般需要通过10kV，35kV，110kV等输电线路逐级升压并网至220kV，500kV主网与大中型水电等其它电源一同送出。这导致小水电并网情况非常复杂，引发的动态稳定问题同时制约着大规模小水电外送。对于某一输电断面，其TTC限制可表述为：
PS-CS≤NS (1)
式中：PS、CS分别表示该输电断面对应送端区域下全部电站的有功出力之和与全部负荷的有功值之和，NS表示断面TTC。将负荷值CS移到不等式右边，也可以看作该区域内电站总出力不得超过CS+NS，即该区域的出力上限。
针对小水电与大中型水电构成的系统，考虑水电富集地区的断面TTC限制，根据组成断面线路的电压等级的不同，将多级断面转化为电站多级分区结构，将断面TTC限制转化为等效分区出力限制。电压等级最高的一组输电线路所组成的断面下的电源与负荷包含在一级分区内。所研究的系统可能有多个一级分区，一级分区内可能包含一个或多个由次一级断面所构成的次一级分区即二级分区和直接包含的电站及负荷(直接包含指不含次一级分区包含的，下文同)，二级分区又可能包含一个或多个再次一级输电线路所构成的三级分区和直接包含的电站及负荷，如此下去，呈一个递归分区结构。图1是110kV及以上的概化分区结构图实例。由省级电网调度的具有调节能力的大中型水电站一般由110kV及以上输电线路并网，所以大、小水电协调优化调度需重点考虑110kV及以上的输电线路组成的断面的TTC限制。为简化起见，将一个分区直接包含的全部小水电合为一个整体考虑，称作分区直接包含小水电群。
于是第t时段分区i的分区出力上限为：
式中：NSi,t表示第t时段分区i对应断面的TTC；CSi,t为第t时段分区i内总用电负荷，用递归函数δ(i,t)表示，包含第t时段分区i直接包含用电负荷Ci,t和分区i内的所有次一级分区用电负荷之总和其中DSi为分区i内全部次一级分区的编号集合。
第t时段分区i的分区出力PSi,t用递归函数表示：
式中：第t时段分区i的分区出力包含分区i直接包含大中型水电站出力总和分区i直接包含小水电群的总出力PSHi,t和所有次一级分区受到各自分区出力上限限制下的可行出力总和其中DHi表示分区i直接包含大中型水电站的编号集合。
对于决策时段为月的小水电与大中型水电协调优化调度问题，因为一天内负荷波动很大，很多情况下部分分区只是在负荷低谷时段受到断面TTC限制产生弃电而在负荷高峰时段不受限制，如果将负荷Ci,t按一般方式简化为时段平均值处理，则会导致误差过大，因此需引入负荷的日典型曲线。则式(2)应表示为：
式中：r、R分别表示日典型负荷曲线的第r个时段和时段总数；R一般为24或96，也可简化为2个时段，分别表示高峰时段和低谷时段；CSi,t,r、Ci,t,r分别表示第t时段分区i的分区出力上限、分区内总用电负荷以及分区直接包含用电负荷的第r个典型值；CSi,t,r为递归函数，用δ(i,t,r)表示。相应的，式(3)也转化为：
式中：PSi,t,r为第t时段分区i的分区出力，用递归函数表示。
如果直接将断面TTC限制即分区出力限制以约束条件：
以此加入水电优化调度模型中，由于水电优化调度模型中假定当出库流量大于最大发电流量或计算出力大于出力上限时，即认为电站按最大发电流量或出力上限运行，超出的流量部分为弃水，所以当汛期来水多且电站调节能力不足时电站出力较大，会导致该约束破坏造成无可行解。然而，在实际中该约束条件是可以也必须通过电站的主动弃水降出力而满足的，否则会威胁电网的安全运行。因此，类似地我们可以再假定当分区出力大于分区出力上限时，分区出力即为上限值，超出部分即为弃水出力。于是分区i内电站受到对应断面TTC限制在第t时段各典型负荷下的弃水出力平均值可表示为：
这里的弃水出力指电站在有发电能力情况下的弃水出力。为了区别，将受到分区出力限制而弃电前的电站出力称为电站的发电能力，前面公示中的pm,t与PSHi,t即分别表示大、小水电的发电能力值。
(b)建立小水电与大中型水电协调优化的可消纳电量最大模型
在大中型水电优化调度模型中考虑小水电的发电能力并引入大、小水电分区弃电模型，即得到大、小水电协调优化调度模型。以大、小水电总消纳电量即考虑断面TTC限制下的发电量最大为目标，则目标函数为：
式中：t、T表示调度时段号及其总数；m、M表示大中型水电编号和总数；Δt为第t时段的时长。即为第t时段不考虑弃水出力情况下大、小水电总发电能力，为第t时段所有分区的弃水出力之和，即全部断面TTC限制造成的弃水出力之和。
大中型水电站运行约束条件如下：
①末水位控制：
Zm,T＝Z′m,T (9)
式中：Zm,T和Z′m,T分别为电站m调度期末的水位及其控制值。
②发电流量约束：
式中：qm,t和分别为电站m第t时段的平均发电流量及其最大值。
③电站出力约束：
式中：p m,t和分别为电站m第t时段平均出力的下限和上限。下限为电站的保证出力，这里的出力指的是发电能力。
④库水位约束：
式中：Zm,t、Z m,t、分别为电站m第t时段的初水位及其下限和上限。
⑤出库流量约束：
式中：Sm,t、S m,t、分别为电站m第t时段的平均出库流量及其下限和上限。
式(9)-(13)中1≤t≤T，1≤m≤M。
(c)小水电发电能力预测确定和模型求解
小水电发电能力确定：
大中型水电站一般具备较长的实测径流系列。但小水电以云南小水电为例，由于电网公司近几年才开始对小水电实施监控，只有不到三年的电站上报的发电量与弃水电量资料，显然资料的长度不够，需要进行延长。
出于以下三点考虑：
1)小水电发电能力与其天然径流正相关，而水电富集地区往往是大、小水电并存，同一流域或者相邻流域大、小水电站往往具有相同或者类似的水文、气象条件，因此小水电发电能力与邻近大中型电站的区间流量具有一定相似性；
2)当进行一个较长时段如一个月的小水电平均发电能力与邻近大中型水电平均区间流量的相似性分析时，可以忽略大、小水电站天然径流的汇流时间的差异，即可认为小水电月平均发电能力与大中型水电同期的平均区间流量正相关；
3)小水电机组动态投产，一个分区直接包含小水电群的总装机即使在一年内各个月之间变化也很大，所以分区直接包含小水电群的总发电能力不但与小水电群所在或邻近流域的区间流量有关，还与小水电群的总装机容量相关。
于是可以假定各个月份的分区直接包含小水电群的月平均负荷率与同一流域或相邻流域的某一大中型水电站的月平均区间流量成线性关系：
式中：PSHi、NSHi、Qmi分别表示随时间变化的分区i直接包含小水电群的月平均发电能力、月平均装机容量以及参考电站的月平均区间流量；mi为分区i直接包含小水电群的线性相关电站的编号。
线性相关电站mi可由相关分析确定：对分区i直接包含小水电群，挑选同一流域或相邻流域若干具有较长历史径流资料的水电站，进行分区小水电群的负荷率序列与各大中型水电站同期的区间流量序列的相关性分析，选取与分区小水电群的负荷率相关系数较高且对应区间流域包含尽可能多的直属该分区的小水电的大中型水电站作为线性相关电站。其中，小水电群的发电能力由实测发电量与实测弃水电量得到：
式中：EGi和ELi分别表示分区i直接包含小水电群的月发电量和月弃水电量；ΔT为相应月份的时长。
在确定线性相关电站后，即可根据资料建立线性回归模型：
式中ai和bi为分区i直接包含小水电与其线性相关电站mi所建立的线性回归模型的线性回归系数。由该模型即可用线性相关电站的区间流量序列对分区直接包含小水电群的发电能力序列进行延长。
模型求解：
在约束条件中，发电流量约束可以在单时段调节计算中保证。单站出力约束的上限可以采用增加弃水的方式来满足。而库水位约束和出库流量约束二者总可以其中之一的破坏换来另一条件的满足，因此将优先级高者在单时段计算中强制其满足，优先级低者连同水量平衡、单站及水电站群出力下限、弃水出力约束采用惩罚函数方法处理。
采用POA将多时段问题求解转化为一系列两时段子问题的求解，DDDP为两时段子问题的求解算法，并在两时段子问题的求解过程中采用逐次逼近思想进行降维，按水力联系将系统进行分解，每次选择1组电站作为优化电站来求解，而其他各组作为协调电站运行方式进行固定。具体求解步骤如下：
将具有季调节及以上调节能力水库的长期调节电站分为N组：若某电站具有多个直接上游长期调节电站，将其与全部直接上游长期调节电站分为一组；否则按照上下游关系将连续几个长期调节的梯级水电站分为一组，第n组电站的个数为Mn(n＝0,1,...,N-1)，Mn不超过限定的最大数值。在第t时段子问题求解中，对第n组电站进行寻优时，将第n组中各水库第t时段的初水位和t+1时段的末水位固定，求解各根据设定的廊道宽度ε，在分组内各电站的上下各获取一个出库流量离散点，则电站m的第t时段3个出库流量离散数值分别为其中k＝0,1,2。这样，该分组内的各电站对应的全部即具有种组合。对应第b个离散状态组合，各电站出库流量离散状态编号按如下方式进行计算：计算十进制组合标号b对应的三进制的整数b′c-1,b′c-2,...,b′0，其中c＝Mn，b′k为第k位在0、1、2中的取值。计x＝b,b′c-1＝x/3c-1；更新x为x-b′c-1×3c-1,b′c-2＝x/3c -2；更新x为x-b′c-2×3c-2,...b′0＝x/30。则第k位上的数值表示该组内的第k个电站在该状态组合中对应的离散状态标号。依次在时，按照上下游顺序进行如下计算：对分组内电站计算其对应的离散状态编号及t时段出库流量，在第t时段进行定流量调节计算，在t+1时段进行定水位调节计算；对分组外入库流量发生变化的电站进行t和t+1时段的定水位调节计算。得到调节后的目标函数和惩罚函数值之差，记为目标函数值数组的第b个元素。在全部状态计算完毕后，获得目标函数值数组最大值的位置以及分组内各电站对应的t时段出库流量，按同样方法进行调节计算，完成一次寻优。
在优化结果的基础上，以负荷率相等为原则在各电站间进行t时段总弃水出力的分配，得到最终大中小水电协调优化的电站出力决策过程。通过多年历史径流情况下的模拟，可以统计断面的平均弃水出力，为网架规划提供参考
现以云南弃水窝电严重的德宏地区为例，利用本发明方法进行了来水频率分别为90％、70％、50％、30％、10％下的年调度方式优化计算，并与传统不考虑分区出力限制的方法计算得到的年调度方式进行对比。随后，统计德宏地区分别受到各输电断面极限传输容量限制下产生的弃水出力情况。
表1为德宏地区主要输电断面参数，表2为两种方法计算结果对比表。从结果可以看出：1)在10％来水频率下本模型计算得到德宏地区年总发电量为159.22亿kWh，较不考虑断面约束模型计算得年发电量多0.57亿kWh。2)本文模型较不考虑断面约束模型提高的发电量主要来自枯期(汛期指6-10月)提高的发电量，从表2可以看出，5月份提高了0.89亿kWh，而6月份反而降低了0.32亿kWh，7-10月份两种发电量相等。3)造成上述区别的原因全部来自龙江电站决策过程的区别，如图3(b)所示本方法可使调节能力较强的龙江除了对自身进行汛枯期的补偿调节外，还能对具有电力联系的同一分区下的其他调节能力较弱的电站及无调节能力的小水电进行补偿调节，使总的发电效益更大。
表3为德宏各分区多年平均年弃水电量表，可知德宏二级分区断面是限制电站发电最为严重的断面，其次是德宏一级断面，而由图4(a)、(b)可知如有一小水电直流输电接入方案，使德宏一级断面容量提高899.8MW，德宏二级断面容量提高629.8MW，德宏地区除了几个三级分区会有少量窝电外，其余分区将不再窝电。
表1
表2
表3
Claims (1)
1.一种小水电与大中型水电站群协调优化的分区消纳方法，其特征包括如下几个步骤：
(1)将小水电与大中型水电混合分区输电限制模型化描述，根据小水电与大中型水电逐级并网特征，将不同电压等级的电网输电断面限制抽象为小水电与大中型水电多级递归分区结构，描述如式(1)～(3)；
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式中：PSi,t为第t时段分区i的分区出力，可以用递归函数表示；第t时段分区i的分区出力PSi,t包含分区i直接包含大中型水电站出力总和分区i直接包含小水电群的总出力PSHi,t和所有次一级分区受到各自分区出力上限限制下的可行出力总和其中DHi表示分区i直接包含大中型水电站的编号集合；为第t时段分区i的分区出力上限；NSi,t表示第t时段分区i对应断面的TTC；CSi,t为第t时段分区i内总用电负荷，用递归函数δ(i,t)表示，包含第t时段分区i直接包含用电负荷Ci,t和分区i内的所有次一级分区用电负荷之总和其中DSi为分区i内全部次一级分区的编号集合；
(2)引进各月典型日负荷，采用公式(4)～(6)修正分区输电限制式(1)～(3)；
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式中：r、R分别表示日典型负荷曲线的第r个时段和时段总数；R为24或96，能简化为2个时段，分别表示高峰时段和低谷时段；PSi,t,r为第t时段分区i的分区出力，用递归函数表示；CSi,t,r、Ci,t,r分别表示第t时段分区i的分区出力上限、分区内总用电负荷以及分区直接包含用电负荷的第r个典型值；CSi,t,r为递归函数，用δ(i,t,r)表示；
(3)采用公式(7)将上述分区输电限制约束转化为弃水出力WSi,t；
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(4)采用公式(8)建立小水电与大中型水电协调优化的可消纳电量最大模型；
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式中：t、T表示调度时段号及其总数；m、M表示大中型水电编号和总数；Δt为第t时段的时长；即为第t时段不考虑弃水出力情况下大、小水电总发电能力，为第t时段所有分区的弃水出力之和，即全部断面TTC限制造成的弃水出力之和；
(5)建立小水电发电能力与大中型水电区间流量的线性回归模型，通过大中型水电区间流量间接获取小水电发电能力；
(6)采用结合逐步优化算法、离散微分动态规划算法和逐次逼近算法求解可消纳电量最大模型，获得小水电与大中型水电协调优化的电站水位决策过程，以等负率原则进行电站间的分区弃水出力分配，得到电站出力决策过程；
(7)通过历史径流的逐年模拟，计算多年平均弃水电量，确定弃水窝电严重的输电断面，为电网网架规划提供数据支撑。
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