金沙江梯級(jí)水電站群聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行三種常規(guī)調(diào)度方法研究

謝 維，紀(jì)昌明，李克飛，張曉星

（1.華北電力大學(xué)新能源與可再生能源北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.金沙江中游水電開(kāi)發(fā)有限公司，云南 昆明 650228）

0 引言

梯級(jí)水電站群聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行規(guī)則，是指針對(duì)梯級(jí)各水電站的運(yùn)行特點(diǎn)，考慮上下游各水庫(kù)的調(diào)節(jié)能力以及各水庫(kù)之間的水力聯(lián)系，在保證梯級(jí)水電站安全運(yùn)行的前提下，以梯級(jí)發(fā)電效益最大化為目標(biāo)，對(duì)梯級(jí)各電站的長(zhǎng)系列資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出整個(gè)梯級(jí)的發(fā)電運(yùn)行規(guī)則。水庫(kù)調(diào)度規(guī)則的特點(diǎn)在于不連續(xù)性，從表現(xiàn)形式上看，主要偏重于調(diào)度圖[1-3]和調(diào)度函數(shù)[4-6]。以往單獨(dú)采用這兩種方式的文獻(xiàn)較多，但很少有文獻(xiàn)對(duì)這些常規(guī)方式進(jìn)行較客觀的對(duì)比分析。

本文針對(duì)金沙江中游8座梯級(jí)水電站（從上游到下游依次為：龍盤(pán)、兩家人、梨園、阿海、金安橋、龍開(kāi)口、魯?shù)乩?、觀音巖水電站），制定了梯級(jí)聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行規(guī)則。由于從兩家人水電站到觀音巖水電站7級(jí)電站的水庫(kù)受自身調(diào)節(jié)能力限制，在以月為調(diào)度時(shí)段的長(zhǎng)期發(fā)電調(diào)度計(jì)算中，這些電站作徑流式電站處理。因此本文主要制定了考慮梯級(jí)聯(lián)合運(yùn)行發(fā)電效益時(shí)龍頭水庫(kù)（龍盤(pán)）的發(fā)電運(yùn)行規(guī)則。為在實(shí)際調(diào)度工作中能給出更準(zhǔn)確的調(diào)度規(guī)則，制定了龍盤(pán)水庫(kù)的常規(guī)調(diào)度圖、蓄能調(diào)度圖和調(diào)度函數(shù)3種常規(guī)調(diào)度工具。同時(shí)，在同一條件下對(duì)比了根據(jù)發(fā)電量最大模型和保證出力最大模型得出的結(jié)果和根據(jù)3種調(diào)度方法分別進(jìn)行梯級(jí)電站模擬運(yùn)行的結(jié)果，并給出了針對(duì)這3種調(diào)度工具的較客觀的評(píng)價(jià)。

1 數(shù)學(xué)模型

由于該梯級(jí)中8座電站的設(shè)計(jì)出自不同設(shè)計(jì)單位，某些電站在設(shè)計(jì)時(shí)與其他電站的聯(lián)合運(yùn)行方式及其可靠性指標(biāo)和能量指標(biāo)的計(jì)算方式、計(jì)算前提有某些差別，導(dǎo)致從現(xiàn)有的設(shè)計(jì)資料看，梯級(jí)的總保證出力值和總發(fā)電量值還不完全一致。本文設(shè)計(jì)了按多年平均發(fā)電量最大以及按保證出力最大兩種優(yōu)化調(diào)度模式（在多年平均發(fā)電量最大模式中不考慮保證出力的多少，只追求發(fā)電量最大；而在保證出力最大模式中不考慮發(fā)電量的多少，只追求保證出力最大），這是兩個(gè)極端值，是可靠性指標(biāo)和能量指標(biāo)的可能上限值。

梯級(jí)發(fā)電量最大模型目標(biāo)函數(shù)

梯級(jí)保證出力最大模型目標(biāo)函數(shù)

式中，E為梯級(jí)總發(fā)電量；P為梯級(jí)保證出力；Pi，t為t時(shí)段i電站的出力；N為電站數(shù)，T為調(diào)度期總時(shí)段數(shù)，Δt為時(shí)段長(zhǎng)度；Ki為電站i的出力系數(shù)；qi，t為 t時(shí)段 i電站的發(fā)電流量，Hi，t為 t時(shí)段電站 i的平均發(fā)電水頭。

約束條件主要有：水量平衡約束、庫(kù)容約束、水電站預(yù)想出力約束、下泄流量約束等[7]。

2 3種常規(guī)方法

2.1 常規(guī)調(diào)度圖

常規(guī)調(diào)度圖是水庫(kù)進(jìn)行常規(guī)調(diào)度最常用的工具[1，2]，本文中龍盤(pán)水電站的常規(guī)調(diào)度圖繪制包括如下2個(gè)步驟：

（1）初始調(diào)度圖繪制。龍盤(pán)水庫(kù)具有多年調(diào)節(jié)能力，采用水能計(jì)算中等流量試算方法得出龍盤(pán)水庫(kù)蓄水期為6月至10月，供水期為11月至次年5月。分析龍盤(pán)水庫(kù)1953年～2001年的歷史徑流資料，選擇1958年～1961年、1967年～1969年、1971年～1973年、1975年～1979年、1983年～1984年、1995年～1997年6組枯水年組（以上年份為水文年），以枯水年組的第一年和最后一年作為計(jì)算典型年。文中龍盤(pán)水庫(kù)的初始調(diào)度圖包括上基本調(diào)度線、下基本調(diào)度線和2.0N保、1.8N保、1.5N保、0.8N保出力線。采用等出力計(jì)算模型，具體繪制方法見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。

（2）初始調(diào)度圖優(yōu)化。通過(guò)對(duì)各水庫(kù)多年模擬運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)：①梯級(jí)水電站群在來(lái)水較豐年份的汛期（8、9月份）某些水電站會(huì)產(chǎn)生較大棄水；②供水期存在加大出力的月份。因此為提高整個(gè)梯級(jí)的發(fā)電效益，調(diào)度圖的優(yōu)化主要遵循以下2個(gè)方面：①在汛初的幾個(gè)月，讓龍盤(pán)電站適當(dāng)?shù)亩喟l(fā)電、少蓄水，損失龍頭電站自身水頭來(lái)減少龍頭水庫(kù)及其下游電站的棄水量；②調(diào)整供水期出力，減少加大出力的月份，使電站能維持在較高的水頭運(yùn)行。

2.2 蓄能調(diào)度圖

蓄能調(diào)度即在已知梯級(jí)水電站群保證出力Pq一定的情況下，將Pq在各個(gè)電站中進(jìn)行分配時(shí)，找出能使時(shí)段末梯級(jí)剩余蓄能最大的梯級(jí)各電站出力Pi的最優(yōu)組合。以水電站群的總蓄能為縱坐標(biāo)，時(shí)間為橫坐標(biāo)，包括最大蓄能線、上調(diào)度線和下調(diào)度線3條基本調(diào)度線。這些調(diào)度線將全圖劃分為保證出力區(qū)、加大出力區(qū)、降低出力區(qū)。水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，按照時(shí)間和蓄能，可以查得在調(diào)度圖中的位置，并確定水庫(kù)的工作方式。一般運(yùn)用規(guī)則如下：①當(dāng)水電站群實(shí)際蓄能位于上、下調(diào)度線之間的保證出力區(qū)時(shí)，水電站按保證出力工作；②當(dāng)水電站群實(shí)際蓄能位于上調(diào)度線之上的加大出力區(qū)時(shí)，水電站按加大出力工作；③當(dāng)水庫(kù)的實(shí)際蓄能位于下調(diào)度線之下時(shí)，水電站按降低出力工作。

繪制蓄能調(diào)度圖時(shí)，選取典型年，劃分水庫(kù)的供、蓄期以及各調(diào)度線繪制的具體做法同常規(guī)調(diào)度圖一致。

2.3 調(diào)度函數(shù)

水庫(kù)調(diào)度函數(shù)是建立水庫(kù)某一決策變量（如出力）與其相關(guān)因子的函數(shù)關(guān)系來(lái)指導(dǎo)電站實(shí)際運(yùn)行。根據(jù)本文中龍盤(pán)水庫(kù)的運(yùn)行特征，經(jīng)過(guò)大量模擬比較，選擇以出力為調(diào)度函數(shù)的決策變量，并結(jié)合時(shí)段發(fā)電特征，將末水位作為備選決策變量，以達(dá)到最優(yōu)的擬合精度。在回歸擬合計(jì)算中，初選相關(guān)因子包括反映水庫(kù)自身所處的狀態(tài)的時(shí)間因子、反映與該水庫(kù)有聯(lián)系的其他水庫(kù)所處的狀態(tài)的空間因子和能量因子。初步選定的相關(guān)因子有：面臨時(shí)段初的庫(kù)水位、疊加水位、電站蓄能、系統(tǒng)蓄能、系統(tǒng)蓄能平方；面臨時(shí)段的電站入庫(kù)流量、電站入能、系統(tǒng)入能以及蓄能與入能的交互項(xiàng)[5]。

由于龍盤(pán)水庫(kù)面臨時(shí)段的出力與其當(dāng)前庫(kù)水位、當(dāng)月來(lái)流等因素有密切的關(guān)系，并且統(tǒng)計(jì)顯示，這種關(guān)系可以看作線性的，所以可以用多元線性回歸的方法來(lái)擬合水庫(kù)的調(diào)度函數(shù)，以此指導(dǎo)水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行。文中針對(duì)回歸方程采用F顯著性檢驗(yàn)。具體計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

3 實(shí)例分析

3.1 梯級(jí)概況

金沙江中游梯級(jí)8級(jí)水電站群的總裝機(jī)容量超過(guò)20 000 MW，自金安橋水電站2010年投產(chǎn)運(yùn)行后，其他電站也將陸續(xù)投產(chǎn)建成。至2020年左右，將形成以龍盤(pán)、阿海、金安橋、觀音巖等電站為主的特大型水電站群。這對(duì)于金沙江乃至整個(gè)長(zhǎng)江干流的發(fā)電、防洪、供水等綜合利用以及 “西電東送”戰(zhàn)略的實(shí)施將起到巨大的作用。因此，研究金沙江流域梯級(jí)水電站群在龍盤(pán)電站投入后的聯(lián)合發(fā)電優(yōu)化運(yùn)行具有重要意義。各庫(kù)特征參數(shù)如表1所示。

表1 金沙江中游規(guī)劃各梯級(jí)電站的主要指標(biāo)

3.2 結(jié)果與分析

龍盤(pán)水庫(kù)優(yōu)化后的常規(guī)調(diào)度圖如圖1所示，蓄能調(diào)度圖如2所示，調(diào)度函數(shù)結(jié)果如表2所示。為驗(yàn)證這3種常規(guī)調(diào)度方法的可行性與有效性，并給出較客觀的評(píng)價(jià)，表3列出了在同一條件下，根據(jù)發(fā)電量最大模型和保證出力最大模型得出的結(jié)果和分別根據(jù)圖1、圖2和表2進(jìn)行梯級(jí)電站模擬運(yùn)行的結(jié)果。

由表3可知：

（1）按常規(guī)調(diào)度圖模擬運(yùn)行時(shí)，梯級(jí)多年平均發(fā)電量為932.80億kW·h，達(dá)最大可能值960.20億kW·h的97.15%。梯級(jí)在出力保證率為98%時(shí)的出力為7 705.2 MW，達(dá)到最大可能值9 570.40 MW的80.51%；這表明了常規(guī)調(diào)度圖結(jié)果的可靠性。

（2）按蓄能調(diào)度圖模擬運(yùn)行時(shí)，梯級(jí)多年平均發(fā)電量為929.67億kW·h，與常規(guī)調(diào)度圖模擬運(yùn)行方案相比減少3.13億kW·h，相對(duì)減少0.34%。梯級(jí)在出力保證率為98%時(shí)的出力為7 744.1 MW，與常規(guī)調(diào)度圖模擬運(yùn)行方案相比增加38.9 MW，相對(duì)增加0.50%。

圖1 梯級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)龍盤(pán)水庫(kù)常規(guī)調(diào)度

圖2 梯級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)龍盤(pán)水庫(kù)蓄能調(diào)度

表2 梯級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)龍盤(pán)各月調(diào)度函數(shù)

（3）按調(diào)度函數(shù)模擬運(yùn)行時(shí)，梯級(jí)多年平均發(fā)電量為923.30億kW·h，與常規(guī)調(diào)度圖模擬運(yùn)行方案相比減少9.5億kW·h，相對(duì)減少1.02%。梯級(jí)在出力保證率為98%時(shí)的出力為9 092.5 MW，與常規(guī)調(diào)度圖模擬運(yùn)行方案相比增加1 387.3 MW，相對(duì)增加18.00%。

應(yīng)用蓄能調(diào)度圖和調(diào)度函數(shù)模擬梯級(jí)電站聯(lián)合運(yùn)行，與調(diào)度圖模擬運(yùn)行結(jié)果相比，水庫(kù)運(yùn)用過(guò)程、多年平均發(fā)電量以及在相同保證率下的系統(tǒng)出力指標(biāo)都比較接近，差別只是梯級(jí)電站的系統(tǒng)出力稍有提高，而梯級(jí)總發(fā)電量略有降低。

表3 梯級(jí)各電站模擬運(yùn)行結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)金沙江中游一梯級(jí)水電站群的聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行，采用3種不同原理的方法制作了常規(guī)調(diào)度圖、蓄能調(diào)度圖和調(diào)度函數(shù)。按照三種調(diào)度方法分別進(jìn)行梯級(jí)電站的模擬運(yùn)行，3種方法的結(jié)果比較接近，這在很大程度上印證了這三種調(diào)度工具的可靠性與有效性。與發(fā)電量最大運(yùn)行方案相比，這些調(diào)度工具提高了梯級(jí)電站聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行時(shí)的可靠性，與保證出力最大運(yùn)行方案相比，能夠有效的提高梯級(jí)電站的發(fā)電效益，因此在確保水庫(kù)安全的前提下，這3種調(diào)度工具可以有效的平衡發(fā)電效益和系統(tǒng)保證出力之間的關(guān)系，充分發(fā)揮水庫(kù)最大的綜合效益。

另外，常規(guī)調(diào)度圖和蓄能調(diào)度圖具有方法簡(jiǎn)單、直觀，便于操作的特點(diǎn)；調(diào)度函數(shù)應(yīng)用起來(lái)也比較方便，具有良好的可操作性和可解釋性，同時(shí)對(duì)調(diào)度函數(shù)的結(jié)構(gòu)分析有助于深化對(duì)優(yōu)化調(diào)度原理的理解。本文所采用的常規(guī)調(diào)度圖、蓄能調(diào)度圖和調(diào)度函數(shù)3種發(fā)電調(diào)度指導(dǎo)工具能夠?yàn)樗娬緦ふ艺{(diào)度規(guī)律、擬定運(yùn)行指導(dǎo)準(zhǔn)則提供重要的參考價(jià)值，為未來(lái)中長(zhǎng)期發(fā)電計(jì)劃的制定提供可靠依據(jù)。

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