水電集群調(diào)控分解協(xié)調(diào)關(guān)鍵耦合因子研究

何 滔，汪廣明，汪文元，熊 璽

(國家能源大渡河沙坪發(fā)電有限公司，四川 樂山 614300)

充足的調(diào)峰能力和快速的響應(yīng)能力是保持電網(wǎng)穩(wěn)定對電力系統(tǒng)電源端提出的十分重要的要求之一。梯級水電短期內(nèi)分級調(diào)能效果受到水庫耦合性、水流時滯性、機組爬坡率、水文氣象、電站調(diào)度等多種原因的影響，是一類典型的大規(guī)模、強耦合、多約束、動態(tài)、離散的復(fù)雜非線性優(yōu)化問題,也是水電能源優(yōu)化運行領(lǐng)域的研究熱點之一[1-6]。在梯級水電聯(lián)合調(diào)度過程中，往往易忽略控制性龍頭水庫的負(fù)荷波動情況，而下游電站的不規(guī)律調(diào)節(jié)和被動跟隨與其相關(guān)性顯著。采用斯皮爾曼系數(shù)的加權(quán)樸素貝葉斯算法定量描述條件屬性與決策類之間的相關(guān)性，從而為目標(biāo)電站分解協(xié)調(diào)算法調(diào)控中各條件屬性賦予相應(yīng)權(quán)值，部分消除了耦合條件獨立假設(shè)對影響因子分類效果的影響。

1 水電站的不規(guī)律調(diào)節(jié)及其影響因子關(guān)聯(lián)性分析方法

采用斯皮爾曼系數(shù)的加權(quán)樸素貝葉斯分類算法來確定電站不規(guī)律調(diào)節(jié)與各影響因子之間的關(guān)聯(lián)性及關(guān)聯(lián)強度。其分類式可表達為：

式中：Cj為電站不規(guī)律調(diào)節(jié)影響因子數(shù)據(jù)集中m個類，j=1,2,3,…,m；P(Cj)表示Cj類發(fā)生的先驗概率；wk為電站負(fù)荷區(qū)間、流量變化區(qū)間、庫區(qū)水位變化區(qū)間等條件屬性與上游電站負(fù)荷波動耦合、站內(nèi)條件要求、自身庫容約束、控制水位要求、調(diào)度要求等決策類之間的斯皮爾曼系數(shù)ρk的權(quán)值。

2 水電集群聯(lián)合調(diào)能的必要性

大渡河流域上游往下游選取鄰近幾個梯級電站：瀑布溝、深溪溝、枕頭壩、沙南、龔嘴、銅街子，其中電站瀑布溝、深溪溝、枕頭壩已經(jīng)實現(xiàn)了三站聯(lián)調(diào)且瀑布溝是下游幾個電站的控制性水庫，龔嘴、銅街子也已實現(xiàn)了兩站聯(lián)調(diào)，而沙南電站由于2019年5月進入全投，機組尚未經(jīng)歷完整檢修期的設(shè)備穩(wěn)定性檢驗，設(shè)備定值、缺陷也尚需調(diào)整和治理，水庫調(diào)度規(guī)律仍需在實際投產(chǎn)發(fā)電的完整周期年中完善探索，因此沙南電站尚未納入聯(lián)調(diào)隊列。在各種因素的影響下，未納入集群調(diào)能電站局限性表現(xiàn)的相對明顯，具體表現(xiàn)如表1所示。

表1 大渡河流域梯級電站對應(yīng)月泄流設(shè)施動作統(tǒng)計表

3 水電集群調(diào)能關(guān)鍵耦合因素分析

水電站控制的主要戰(zhàn)略對象是發(fā)電量與水資源，其控制主要是調(diào)節(jié)發(fā)電量與水資源的耦合動態(tài)平衡關(guān)系。而影響此類耦合動態(tài)平衡關(guān)系的幾個主要影響因素有：電站的固有屬性、耦合電站負(fù)荷波動、計劃負(fù)荷與實時發(fā)電之間關(guān)系、自身內(nèi)部控制等。

3.1 電站固有屬性分析

選取流域幾個鄰近電站進行固有屬性分析，如表2所示。

表2 大渡河流域梯級電站固有屬性表

從固有屬性可知，沙南電站在集群電站中具有最大耗水率、最小可調(diào)節(jié)庫容兩大典型特征，電站自身庫容小影響了其調(diào)節(jié)能力。選擇與沙南電站庫容相近的深溪溝，深溪溝調(diào)節(jié)庫容(848萬m3)約為沙南的1.44倍，單從調(diào)節(jié)時間裕度來說，深溪溝、沙南兩站差別不大，但從最終泄流設(shè)施動作情況來看，深溪溝明顯少于沙南同期。

在研究對象樣本容量中隨機抽樣選取連續(xù)時間段瀑布溝、深溪溝、枕頭壩、沙南四站有功數(shù)據(jù)進行聯(lián)合分析，得出集群調(diào)能電站瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三站全站實時出力曲線跟隨性較好，三站負(fù)荷變化頻率、步調(diào)基本一致，三站期間泄流設(shè)施動作總次數(shù)0次，充分體現(xiàn)了水電集群聯(lián)合調(diào)能的優(yōu)越性；期間沙南負(fù)荷波動量較少，波動幅度與波動頻率低，閘門動作次數(shù)21次，負(fù)荷調(diào)節(jié)更多是“跟趨勢”，步調(diào)難與上游電站保持一致。由于沙南電站現(xiàn)階段僅能依靠人工觀測上游三站負(fù)荷增減情況來向調(diào)度中心申請負(fù)荷，導(dǎo)致負(fù)荷難與上游三站步調(diào)一致，最終上游庫水位的控制主要依靠泄流設(shè)施進行控制。因此調(diào)節(jié)庫容小不是泄流設(shè)施動作頻繁的最主要影響因素。

3.2 電站負(fù)荷波動耦合關(guān)系分析

為盡量減少沙南電站閘門動作次數(shù)，降低閘門動作頻率，認(rèn)為沙南電站閘門每次必要動作為1 m，則對應(yīng)期望流量變化范圍在198.11～216.05 m3/s。為便于計算，取變化流量為200 m3/s。

經(jīng)統(tǒng)計，選擇2018年1月至10月瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三站對應(yīng)整點負(fù)荷及沙南泄流設(shè)施動作為樣本進行分析，可以發(fā)現(xiàn)沙南臨近上游三站在此時段中負(fù)荷波動情況及波動概率較大，如表3所示。

表3 沙南電站上游三電站對應(yīng)負(fù)荷波動及波動頻率表

從負(fù)荷波動及其頻率中可以看出，上游三站負(fù)荷平均波動概率為0.286 7，總波動概率為0.284 7，偏差為0.002，在95%置信區(qū)間范圍內(nèi)。

分析上游三站與沙南電站泄流設(shè)施動作相關(guān)性，記沙南泄流設(shè)施分為動作與不動作兩種情況。泄流設(shè)施動作大于或等于1均記為1，所有泄流設(shè)施均不動作記為0?？紤]到水流時間滯后性，分別取瀑布溝、深溪溝、枕頭壩、沙南(記為A、B、C、D)響應(yīng)時間間隔ΔtA,D、ΔtB,D、ΔtC,D為4、3、2 h，若上游對應(yīng)電站負(fù)荷波動且沙南泄流設(shè)施動作則記為1，否則記0，以沙南上游三站負(fù)荷波動為自變量，沙南泄洪閘是否動作為因變量，構(gòu)建基于斯皮爾曼系數(shù)的樸素貝葉斯分析模型，得到協(xié)同動作樣本與協(xié)同動作概率，結(jié)果如表4所示。

表4 沙南電站泄流設(shè)施動作霍斯默-萊梅肖檢驗列聯(lián)表 次

基于斯皮爾曼系數(shù)的加權(quán)樸素貝葉斯算法可定量描述條件屬性與決策類之間的相關(guān)性，消除條件獨立假設(shè)對耦合關(guān)聯(lián)效果的影響。它是衡量變量間的依賴性的非參數(shù)指標(biāo)，利用單調(diào)方程評價統(tǒng)計變量間的相關(guān)性[7-9]。

對該模型進行擬合優(yōu)度檢驗，檢驗預(yù)測值和實際值之間差別的大小，進行多次數(shù)據(jù)擬合試驗，以判斷得出結(jié)論的可靠性。H-L檢驗的隨機性表是比較觀測值與期望值，經(jīng)觀測，表中期望值與實測值誤差極小，表明該模型擬合度較高[10-12]。

通過以上數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)控制性瀑布溝負(fù)荷波動對未納入集群聯(lián)合調(diào)能隊列的沙南泄流設(shè)施動作總次數(shù)有決定性影響，沙南泄流設(shè)施動作與緊鄰上游電站枕頭壩負(fù)荷波動規(guī)律跟隨性更好，枕頭壩負(fù)荷波動在短時間內(nèi)可能很大程度直接影響沙南泄流設(shè)施動作情況，但在長期規(guī)律來看沙南泄流設(shè)施動作總次數(shù)更大程度受制于瀑布溝負(fù)荷波動。如圖1所示。

圖1 沙南上游三電站負(fù)荷波動與沙南閘門動作表征圖

斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)表明X(獨立變量)和Y(依賴變量)的相關(guān)方向。如果當(dāng)X增加時，Y趨向于增加，斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)則為正。如果當(dāng)X增加時，Y趨向于減少，斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)則為負(fù)[13-14]。斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)為0表明當(dāng)X增加時Y沒有任何趨向性。當(dāng)X和Y越來越接近完全的單調(diào)相關(guān)時，斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)會在絕對值上增加。當(dāng)X和Y完全單調(diào)相關(guān)時，斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)的絕對值為1[15]。

對沙南泄流設(shè)施動作次數(shù)與上游三站負(fù)荷波動頻率進行斯皮爾曼系數(shù)的加權(quán)樸素貝葉斯算法檢驗并做相關(guān)性分析，結(jié)果如表5所示。

表5 四個電站斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)及顯著性表

通過相關(guān)性可看出，從總量角度來看，瀑布溝負(fù)荷波動與沙南泄流設(shè)施動作相關(guān)系數(shù)為0.912，深溪溝負(fù)荷波動與沙南泄流設(shè)施動作相關(guān)系數(shù)為0.03，枕頭壩負(fù)荷波動與沙南泄流設(shè)施動作相關(guān)系數(shù)為0.042。

以上結(jié)果可以印證未納入集群聯(lián)調(diào)隊列電站泄流設(shè)施動作頻率極大相關(guān)于上游控制性水庫泄流，周期響應(yīng)頻率相關(guān)于上游最鄰近電站泄流量的結(jié)論。

3.3 考慮上游控制性水庫負(fù)荷波動頻率耦合因子的水電集群分解協(xié)調(diào)調(diào)控

水電集群調(diào)控分解協(xié)調(diào)思想是將水電集群大系統(tǒng)暫時割裂為若干獨立子系統(tǒng)，并在系統(tǒng)分解層逐步分別尋求局部最優(yōu)解；在各子系統(tǒng)最優(yōu)解或已有解的基礎(chǔ)上，恢復(fù)各子系統(tǒng)之間耦合關(guān)系，并在系統(tǒng)協(xié)調(diào)層通過耦合變量進行更高級協(xié)調(diào)，達到全系統(tǒng)最優(yōu)。

模型以優(yōu)化調(diào)度模型為切入點，考慮到子系統(tǒng)內(nèi)瀑布溝、深溪溝、枕頭壩、沙南之間的聯(lián)系與制約，分解層分別考慮四站的負(fù)荷調(diào)整時間與調(diào)整量、泄流設(shè)施調(diào)整時間與調(diào)整量及四站機組和泄流設(shè)施的運行狀態(tài)，系統(tǒng)協(xié)調(diào)層則考慮到發(fā)電量最大、泄流設(shè)施動作最小及水位約束、生態(tài)流量約束、機組避開振動區(qū)的目標(biāo)，應(yīng)用目標(biāo)協(xié)調(diào)法構(gòu)建Lagrange函數(shù)，將水量平衡約束和各站間流量耦合約束納入?yún)f(xié)調(diào)目標(biāo)。

整個過程中，充分考慮上游控制性水庫電站(分析模型中的瀑布溝電站)負(fù)荷波動頻率耦合因子，與原僅關(guān)注上游物理位置臨近電站負(fù)荷變化(分析模型中的枕頭壩電站)的調(diào)度方案對比，沙南電站年發(fā)電量可增加1.385億kW·h，減少棄水量34.348億m3，泄流設(shè)施動作次數(shù)減少62.21%，水庫耦合補償效益顯著。

4 結(jié) 語

1)控制性水庫下游未納入流域統(tǒng)調(diào)的電站負(fù)荷及水調(diào)跟隨性較差，豐水期導(dǎo)致自身泄流設(shè)施頻繁動作，增加泄流設(shè)施及下游防汛潛在安全隱患。

2)在實際調(diào)控過程中，充分考慮上游控制性水庫電站負(fù)荷波動頻幅，能一定程度上提升大渡河流域瀑布溝以下水電集群安全穩(wěn)定性與沙南電站負(fù)荷承擔(dān)能力，可對其它流域水電調(diào)控提供一定的參考。