[法國(guó)]

V.皮龍 等

蘭榮蓉　　孫　言　譯

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梯級(jí)水電站調(diào)度運(yùn)行的優(yōu)化管理

[法國(guó)]

V.皮龍 等

摘要：CNR公司是法國(guó)最早也是獨(dú)家的可再生能源生產(chǎn)商，擁有并運(yùn)營(yíng)羅納河上19座徑流式梯級(jí)水電站。為優(yōu)化能源管理，該公司成立了創(chuàng)新性綜合協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，即間歇式可再生能源優(yōu)化和遠(yuǎn)程控制中心，并聯(lián)合內(nèi)部開(kāi)發(fā)的IT工具進(jìn)行發(fā)電預(yù)測(cè)、水電資產(chǎn)監(jiān)管及歐洲批發(fā)市場(chǎng)電力銷(xiāo)售優(yōu)化等。實(shí)踐證明，在嚴(yán)格的安全限制下，該中心使CNR公司實(shí)現(xiàn)了電力銷(xiāo)售最大化，并進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)對(duì)沖，減少了均衡成本，從而有效促進(jìn)間歇式可再生能源融入歐洲電力市場(chǎng)。

關(guān)鍵詞：水電開(kāi)發(fā)規(guī)劃；優(yōu)化管理；聯(lián)合運(yùn)營(yíng)；CNR公司；法國(guó)

法國(guó)CNR公司成立于1933年，1934年獲得羅納河特許開(kāi)發(fā)權(quán)。其目標(biāo)是運(yùn)營(yíng)并開(kāi)發(fā)羅納河，并與法國(guó)政府賦予其的3項(xiàng)重任保持一致，即水力發(fā)電、航運(yùn)開(kāi)發(fā)及為灌溉和其他農(nóng)業(yè)用途供水。

1羅納河水電梯級(jí)

1.1徑流式梯級(jí)電站

羅納河梯級(jí)電站是CNR公司的主要資產(chǎn)，總裝機(jī)容量約3 000 MW，包括19座徑流式水電站。CNR公司特許開(kāi)發(fā)權(quán)的范圍涵蓋瑞士邊境至地中海之間的河道，也包括長(zhǎng)330 km寬闊航道上的14座船閘、長(zhǎng)400 km的河堤和32座泵站。羅納河在法國(guó)境內(nèi)長(zhǎng)517 km，流域面積約88 500 km2。從阿爾卑斯山區(qū)的高山雪原到索恩(Sane)子流域的緩流多雨，各支流水文條件差別較大。在流域南部(塞文地區(qū))，支流甚至經(jīng)常爆發(fā)洪水。

CNR公司運(yùn)營(yíng)的羅納河開(kāi)發(fā)項(xiàng)目為徑流式電站的開(kāi)發(fā)。除雨季外，通過(guò)大壩攔河蓄水，將大部分水引至水電站和船閘所在河道，水輪機(jī)將水能轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)高壓電網(wǎng)輸送給消費(fèi)者，最后河水又流回至電站下游的羅納河段。

攔河壩形成的小水庫(kù)，可向下游持續(xù)泄放生態(tài)流量。然而，水庫(kù)庫(kù)容非常有限，對(duì)羅納河的日徑流量影響較小。由于庫(kù)容較小，因此徑流式電站的運(yùn)行易受上游電站(包括羅納河上游位于瑞士境內(nèi)和法國(guó)境內(nèi)某些支流上的其他水電站)及水文氣象事件的影響。

1.2CNR公司項(xiàng)目開(kāi)發(fā)及運(yùn)行

CNR公司項(xiàng)目開(kāi)發(fā)遵守嚴(yán)格的管理制度，重點(diǎn)關(guān)注水利工程安全。每個(gè)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目都有各自的運(yùn)行規(guī)則曲線(圖1)，且這些曲線均是依據(jù)相關(guān)部門(mén)認(rèn)可的規(guī)范確定，并符合防洪、航運(yùn)、灌溉、核安全、環(huán)境、農(nóng)業(yè)和旅游用途等相關(guān)方面的要求。

在枯水期，水電站運(yùn)行的庫(kù)水位盡可能高，以確保通航；在汛期，盡量使庫(kù)水位和尾水位(TWL)與大壩建設(shè)前的天然水位保持一致。運(yùn)用船載水工模型，借助預(yù)測(cè)控制，將設(shè)備控制在極小誤差范圍內(nèi)。

在枯水期和汛期之間，即所謂的“發(fā)電期”，在調(diào)節(jié)正常蓄水位上下20～50 cm范圍庫(kù)容優(yōu)化電站出力。與羅納河的平均流量相比，這些調(diào)節(jié)庫(kù)容非常小。例如，魯西永(Péage-de-Roussillon)電站站址處的平均流量小于羅納河50 min內(nèi)的平均徑流量。不過(guò)，各電站在發(fā)電計(jì)劃中都利用了上述有效庫(kù)容來(lái)對(duì)整個(gè)梯級(jí)的總發(fā)電日計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)對(duì)每座電站的發(fā)電流量計(jì)劃控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電計(jì)劃的實(shí)時(shí)控制。為實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)不可預(yù)見(jiàn)的事件，在每座電站優(yōu)化過(guò)程中，有部分調(diào)節(jié)庫(kù)容未予以考慮，為實(shí)時(shí)控制留出余地。

2歐洲電力市場(chǎng)

2.1歐洲電力批發(fā)市場(chǎng)

在輸送給(個(gè)人或商業(yè))終端客戶(hù)前，電力首先在批發(fā)市場(chǎng)上銷(xiāo)售。電力交易分為長(zhǎng)期(提前3 a)、中期(提前3周)、日前(提前1 d)和當(dāng)天交易幾種形式。

不同的交易市場(chǎng)均能讓交易主體在確定的交易區(qū)發(fā)送買(mǎi)入或賣(mài)出電力的指令。交易市場(chǎng)會(huì)根據(jù)公共交易規(guī)則，以透明的方式使這些訂單相互匹配，隨后將交易轉(zhuǎn)移至歐洲商品清算中心(ECC)，最終ECC再將能源交易指定給相應(yīng)交易區(qū)域的輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商。

2.2產(chǎn)品和定價(jià)

期貨和現(xiàn)貨有明顯區(qū)別。期貨是產(chǎn)品交易后在未來(lái)給定期限交付，允許不同交易主體簽訂電力買(mǎi)/賣(mài)合同，以合同日協(xié)商的價(jià)格在未來(lái)幾周、幾個(gè)月、幾個(gè)季度或者幾年內(nèi)提供電力。這種期貨合同提供標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品以促進(jìn)交易(基本負(fù)荷或最大負(fù)荷)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，期貨產(chǎn)品價(jià)格波動(dòng)比現(xiàn)貨產(chǎn)品平均價(jià)格波動(dòng)更小。這些產(chǎn)品有助于終端消費(fèi)者確定價(jià)格，有利于生產(chǎn)商和供應(yīng)商對(duì)沖其生產(chǎn)/消費(fèi)風(fēng)險(xiǎn)，保障其收益和成本。

現(xiàn)貨是提前1 d的日產(chǎn)品/小時(shí)產(chǎn)品。價(jià)格是在交付前1 d通過(guò)拍賣(mài)機(jī)制商定，由法國(guó)輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(TSO)實(shí)時(shí)調(diào)整價(jià)格，可反映調(diào)整前的短期供需平衡。短期價(jià)格波動(dòng)非常大，某個(gè)時(shí)段的過(guò)量需求不可能由之前幾小時(shí)的過(guò)量供給來(lái)抵消，因此電力基本不可儲(chǔ)存，供需平衡的影響因素也變化多樣?，F(xiàn)貨產(chǎn)品能讓生產(chǎn)商/供應(yīng)商平衡其小時(shí)生產(chǎn)量和消費(fèi)量。

2.3責(zé)任平衡

不同的TSO要求電力市場(chǎng)上要有不同行為者來(lái)“平衡責(zé)任”，確保輸入電網(wǎng)的電能隨時(shí)與消耗者消耗的電能保持平衡。

CNR公司需要平衡各方責(zé)任，須在前1 d的00：00和16：00向TSO報(bào)送未來(lái)1 d每30 min的電力輸入和輸出平衡計(jì)劃，并依據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃每30 min予以實(shí)時(shí)更新。在財(cái)務(wù)上，CNR公司要為其賬戶(hù)下所有的事后不平衡承擔(dān)責(zé)任。

CNR公司的發(fā)電量主要受氣象條件影響，其預(yù)測(cè)有風(fēng)險(xiǎn)，因此該公司必須通過(guò)調(diào)整發(fā)電產(chǎn)量和銷(xiāo)電量來(lái)應(yīng)對(duì)失衡風(fēng)險(xiǎn)，從而控制成本。

3電能管理

3.1綜合協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)

預(yù)測(cè)氣象條件的影響，通過(guò)調(diào)整供需平衡對(duì)所有水電站進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理，并確保良好的通航條件，這些都是CNR公司每天要應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)。為此，該公司成立了創(chuàng)新性綜合協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，即間歇式可再生能源優(yōu)化和遠(yuǎn)程控制中心，總部設(shè)在里昂。該機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)校對(duì)預(yù)測(cè)行為，優(yōu)化生產(chǎn)、銷(xiāo)售，同時(shí)監(jiān)督和控制水電站。通過(guò)該機(jī)構(gòu)，不同團(tuán)隊(duì)能快速交換信息，適應(yīng)預(yù)測(cè)變化，或適應(yīng)可能影響生產(chǎn)和銷(xiāo)售的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)。

該機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)的IT工具由CNR公司的工程和IT團(tuán)隊(duì)內(nèi)部開(kāi)發(fā)，從而將不同的工具完全整合，以靈活應(yīng)對(duì)市場(chǎng)運(yùn)作和監(jiān)管變化。

在嚴(yán)格的安全限制條件下，該機(jī)構(gòu)使CNR公司實(shí)現(xiàn)了電力銷(xiāo)售最大化，并減少了均衡成本。由于徑流式水電、風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源是間歇式能源，因此應(yīng)對(duì)不確定性是一項(xiàng)持續(xù)的挑戰(zhàn)。

3.2價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)

電力價(jià)格每時(shí)每刻都在變化。為應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)，部分電力以長(zhǎng)期合同銷(xiāo)售，以確保一定營(yíng)業(yè)額。長(zhǎng)期合同銷(xiāo)售的那部分電力，由CNR公司針對(duì)生產(chǎn)分位數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)政策確定，該分位數(shù)來(lái)自于對(duì)以往生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)分析。

為應(yīng)對(duì)短期價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)，CNR公司開(kāi)發(fā)出特殊的價(jià)格預(yù)測(cè)模型。西歐中部和法國(guó)市場(chǎng)電力價(jià)格每小時(shí)的變化，都能用當(dāng)天的電力需求以及不同電力生產(chǎn)商邊際成本的差異來(lái)解釋。

CNR公司開(kāi)發(fā)的價(jià)格預(yù)測(cè)模型中，按邊際生產(chǎn)成本遞增的順序，將生產(chǎn)源進(jìn)行疊加。疊層底部是可再生能源(包括徑流式)，其邊際生產(chǎn)成本接近零，而最高的邊際生產(chǎn)成本位于疊層頂部(通常是燃油電站)。需求曲線和邊際生產(chǎn)成本疊層的交點(diǎn)即預(yù)測(cè)的電力價(jià)格。

3.3電量風(fēng)險(xiǎn)

與銷(xiāo)售量相關(guān)的第1個(gè)預(yù)測(cè)提前幾個(gè)月發(fā)布。這些預(yù)測(cè)以季節(jié)性氣象預(yù)測(cè)和積雪預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)，用月度時(shí)間超越概率曲線表示。預(yù)測(cè)值與歷史電量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的偏差有助于調(diào)整中期合同。隨著交易時(shí)間趨近，可以提高預(yù)測(cè)精度，包括土壤濕度等更多可預(yù)測(cè)的信息，考慮聯(lián)合氣象預(yù)測(cè)而非季節(jié)性預(yù)測(cè)，可在中期合同遞增的同時(shí)不增加電量短缺風(fēng)險(xiǎn)。

CNR公司年均發(fā)電量約為15 TWh，中長(zhǎng)期年銷(xiāo)電量達(dá)11 TWh，而剩余的4 TWh電量在期貨市場(chǎng)或目前市場(chǎng)中交易。這些銷(xiāo)售基于完整的水文氣象預(yù)測(cè)鏈，從降雨量預(yù)測(cè)到羅納河支流雨量徑流預(yù)測(cè)(包括積雪模擬)，最后到羅納河及其水電梯級(jí)的水力模擬。這個(gè)完整的預(yù)測(cè)鏈考慮到提前4 d的氣象預(yù)測(cè)，較好地適應(yīng)了羅納河泄洪及法國(guó)和西歐中部電力批發(fā)市場(chǎng)的傳播時(shí)間。如果應(yīng)用到其他地方，那么預(yù)測(cè)鏈的時(shí)間界限需根據(jù)生產(chǎn)資產(chǎn)的特征及管制框架(包括按購(gòu)電協(xié)議水電站的運(yùn)行進(jìn)行管制)進(jìn)行調(diào)整。

除了可對(duì)水電站的電量銷(xiāo)售優(yōu)化外，水文氣象預(yù)測(cè)在優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃和避免(或降低)因水輪機(jī)問(wèn)題而導(dǎo)致發(fā)電損失方面也有所幫助。同時(shí)，為確保水利工程安全，通過(guò)與負(fù)責(zé)洪水預(yù)測(cè)和警示當(dāng)?shù)乩嫦嚓P(guān)者的管理部門(mén)交換信息，以強(qiáng)制運(yùn)用這類(lèi)預(yù)測(cè)。精確預(yù)測(cè)可管理好WSL和TWL，實(shí)現(xiàn)CNR公司徑流式電站的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。

3.4最大化電力產(chǎn)出價(jià)值

雖然CNR公司每座水電站的調(diào)節(jié)庫(kù)容非常有限，但精細(xì)管理卻能產(chǎn)生較大效益。通過(guò)精確預(yù)測(cè)來(lái)水量，CNR公司可調(diào)節(jié)每座電站當(dāng)日下泄量，以有效利用庫(kù)水位容許的變幅。電價(jià)高時(shí)(通常在08：00～20：00之間)放空水庫(kù)，發(fā)電量略超過(guò)天然流量允許的發(fā)電量；電價(jià)低時(shí)(通常是在夜晚)，下泄量略低于天然來(lái)流量，水庫(kù)重新蓄水(見(jiàn)圖2)。圖2是某水電站4 d流量模擬過(guò)程。在該例中，相應(yīng)于水庫(kù)蓄放，庫(kù)水位的變化幅度為25 cm。

不論在時(shí)間還是幅度上，單純對(duì)每座水電站日發(fā)電量的調(diào)節(jié)都非常有限。關(guān)鍵是要能聯(lián)合調(diào)度電站群，以使每座水電站的過(guò)度下泄得到累積，從而能夠調(diào)整從上游至下游的流量變化過(guò)程。前1 d的有效調(diào)度和同步運(yùn)行的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)等均需精確的來(lái)流量預(yù)測(cè)、準(zhǔn)確的水電站梯級(jí)水工模型以及水電站群的集中遠(yuǎn)程控制。

電站同步運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)使得高峰期發(fā)電量大幅增加。羅納河的發(fā)電情況與電力批發(fā)市場(chǎng)現(xiàn)貨價(jià)格預(yù)測(cè)相匹配，以獲得最高價(jià)格和最大收益(見(jiàn)圖3)。

羅納河日均發(fā)電容量為1 600 MW，通過(guò)調(diào)節(jié)，可使日超12 h的發(fā)電容量在高峰負(fù)荷期(08：00～20：00)額外增大400 MW。換言之，對(duì)總裝機(jī)約3 000 MW的徑流式梯級(jí)電站群而言，每隔1 d的日

均最小和最大發(fā)電容量相差約1 000 MW。

4結(jié)語(yǔ)

CNR公司通過(guò)其創(chuàng)新性綜合協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)來(lái)管理其間歇式發(fā)電。在歐洲電力批發(fā)市場(chǎng)，為協(xié)調(diào)平衡好各方責(zé)任，CNR公司開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的預(yù)測(cè)技術(shù)，成立互動(dòng)組織，以協(xié)調(diào)處理預(yù)測(cè)、計(jì)劃、銷(xiāo)售及資產(chǎn)遠(yuǎn)程控制等問(wèn)題，這是高效管理價(jià)格變化不確定性及電力生產(chǎn)與銷(xiāo)售不平衡問(wèn)題的必備條件。該機(jī)構(gòu)有助于CNR公司未來(lái)發(fā)展，而非僅僅管理不確定性。通過(guò)精心調(diào)度，優(yōu)化了其19座梯級(jí)徑流式水電站的出力。同樣，該公司也為其他可再生能源生產(chǎn)商提供能源管理服務(wù)，使其從公司的優(yōu)化間歇式能源管理方面獲益。這些工具和方法還可運(yùn)用于發(fā)展中國(guó)家根據(jù)購(gòu)電協(xié)議銷(xiāo)售電力的非營(yíng)利性水電站，以便為電站業(yè)主和運(yùn)營(yíng)方帶來(lái)額外收益。

蘭榮蓉孫言譯

(編輯：唐湘茜)

收稿日期：2016-02-15

文章編號(hào)：1006-0081(2016)05-0038-04

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV211.14

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A