梯級水電站優(yōu)化調度與節(jié)能減排

李澤宏

(貴州烏江水電開發(fā)有限責任公司，貴州 貴陽 550002)

1 節(jié)能減排形勢及水電的作用

1.1 國家相關政策

假設我國經濟保持21世紀以來平均8.9%的年增長速度，即使能夠持續(xù)實現(xiàn)每5年GDP單位耗能下降20%，那么，在2020年之后我國的能源消費仍占世界能源消費的30%以上。為此，我國政府于2009年11月向國際社會做出了“爭取到2020年非化石能源占一次性能源消費比重達15%左右，單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40% ～50%”的節(jié)能減排莊嚴承諾。我國如果不優(yōu)化能源消費結構，會無法履行二氧化碳減排的承諾并將進一步承受來自國際社會的巨大壓力。

電力是能源消費的主要品種之一。在火力發(fā)電中，燃燒煤炭不可避免地要排放二氧化碳，同時排放的還有二氧化硫、氮氧化物、煙塵等大氣污染物，這是電力行業(yè)大氣污染物排放的主力軍。國家“十二五”規(guī)劃內能源政策將以結構調整為主線，加強對資源、環(huán)境因素的統(tǒng)籌，協(xié)調平衡供應側和需求側關系，電力結構優(yōu)化和節(jié)能減排將成為兩大重心。就電力結構優(yōu)化來說，大力發(fā)展清潔可再生能源、減少化石類能源消耗毋庸置疑是發(fā)展的重點。

1.2 水電的作用

在非化石能源中，主要是水電、核電、風能、太陽能、地熱、潮汐、生物質能等可再生能源。相對而言，水電是我國目前可開發(fā)程度最高、技術相對成熟的清潔可再生能源，在多種非化石能源中凸顯出極其重要的作用，加大水電在總能源供應中的權重是履行我國政府對國際社會節(jié)能減排承諾的重要途徑。

2 貴州水電與節(jié)能減排

2.1 貴州水能資源開發(fā)

貴州全省水能資源理論蘊藏量約18 745 MW，可開發(fā)量16830 MW。截至2011年年底，貴州水電已投產裝機容量11 400 MW(含小水電)，占可開發(fā)容量的67.74%，已基本達到發(fā)達國家水電60% ～70%的開發(fā)水平。

貴州已投產水電站以大、中型電站為主，而大、中型電站主要集中在烏江流域，約占全省水電裝機容量的73%;北盤江流域裝機容量1 920 MW，約占全省水電裝機容量的18%。烏江流域水電資源主要由貴州烏江水電開發(fā)有限責任公司(以下簡稱烏江公司)開發(fā)建設和經營管理。烏江公司全資擁有烏江干流水電裝機容量8315 MW，包括洪家渡(600 MW)、東風(695 MW)、索風營(600 MW)、烏江渡(1250 MW)、構皮灘(3000 MW)、思林(1050 MW)、沙沱(1120 MW)等水電站，除沙沱水電站計劃2013年投產外，其他水電站均已投產發(fā)電。

2.2 貴州節(jié)能減排形勢

2011年，貴州已投產水電占貴州省電網總裝機容量的39.05%，水電年發(fā)電量占全省年發(fā)電量的18.31%，社會用電主要依靠火電支撐，節(jié)能減排形勢十分嚴峻。為此，貴州省大力推動火電廠安裝脫硫、脫硝、電除塵裝置，控制高能耗和高污染產業(yè)，加大風電開發(fā)力度，希望取得節(jié)能減排的明顯成效。

在加大清潔可再生能源權重方面，貴州水電開發(fā)程度已達到發(fā)達國家平均開發(fā)水平。赤水河流域為國酒茅臺產地，不允許規(guī)?；_發(fā)水電。現(xiàn)實決定了貴州省已不可能依靠加大水電建設來解決節(jié)能減排的問題。那么，貴州水電是否就不能為減排做出新貢獻了呢?下面對此做出相應的分析。

雖然行業(yè)內專家對梯級聯(lián)合調度可增加效益大小的看法不一，有“3% ～5%”或“8% ～10%”的不同說法，數(shù)據(jù)雖然不一致，梯級聯(lián)合調度可以獲得增加發(fā)電效益的說法是肯定的。筆者認為，即使烏江流域、北盤江流域梯級調度增加效益按業(yè)內專家所認可的中間值5%估算，通過提高貴州省主要流域梯級水電站節(jié)能優(yōu)化調度水平，在多年平均來水情況下，每年可節(jié)水增加發(fā)電量1635 GW·h，相當于增加1座裝機容量600 MW的大型水電站;以2011年來水的歷史最枯水平估算，烏江流域、北盤江流域通過優(yōu)化調度節(jié)水增加發(fā)電量也超過1000GW·h，相當于增加1座裝機容量350 MW的中型水電站。因此，提高梯級水電站調度水平，節(jié)水增加發(fā)電量增大對火電發(fā)電量的替代作用，對于減排大氣污染物不失為一種好方法。

2.3 梯級節(jié)能優(yōu)化調度情況

目前，烏江公司已建成烏江流域梯級水電站遠程集控中心(以下簡稱烏江集控中心)，實現(xiàn)烏江流域干流6座電站以及清水河支流2座電站的集中調度控制，調控機組共28臺、裝機容量7545 MW。貴州黔源電力股份有限公司正在建設梯級水電站集控中心，將對光照、董箐、普定、引子渡等水電站進行統(tǒng)一調控。

3 梯級調度關鍵技術及工作平臺

為了達到梯級水電站節(jié)能優(yōu)化調度的最佳效果，流域集控中心需要對梯級優(yōu)化調度模型、水庫聯(lián)合調度規(guī)則等關鍵技術進行研究并應用于技術支持系統(tǒng)建設和實際的調度工作中。為了實施梯級水電站節(jié)能優(yōu)化調度，流域集控中心要建設相應的技術支持系統(tǒng)，提供集中控制和優(yōu)化調度工作平臺。

烏江集控中心按照“以節(jié)能增效為目的、以優(yōu)化調度為核心、以集中控制為手段”的梯級調度集中管控思路，開展聯(lián)合優(yōu)化調控的基本理論及其應用研究并建設了相應的梯級調度技術支持平臺。

3.1 開展關鍵技術研究

從烏江流域梯級水電站數(shù)量多(沙沱水電站投產后達到9座)、水庫調節(jié)性能復雜(涵蓋多年調節(jié)、年調節(jié)、季調節(jié)、日調節(jié))的實際情況出發(fā)，分2期開展了聯(lián)合優(yōu)化調控理論、實現(xiàn)方法的研究，獲得了流域降雨及來水的一般規(guī)律，建立了相關的數(shù)學模型，提煉出了梯級優(yōu)化調度規(guī)則，獲得了豐碩的研究成果。

(1)重點研究高維復雜梯級水電站群優(yōu)化調度問題，解決了水電站數(shù)量多造成的“維數(shù)災”難題。

(2)引入多種預測模型和方法改善了梯級水庫中長期水文預報精度普遍偏低的問題。

(3)獲得了烏江徑流變化、分配規(guī)律，完成了流域典型年選擇，建立了長、中、短期徑流預報模型。

(4)提出并應用隱隨機優(yōu)化方法獲得了梯級水庫調度函數(shù)，獲得了梯級水電站群長、中、短期優(yōu)化調度規(guī)則。

(5)建立了多目標耦合預測、基于數(shù)理統(tǒng)計挖掘的多年調節(jié)水庫年末水位消落預測模型。

(6)研究梯級各水庫之間不同洪峰量級的洪水在不同水位條件下的客觀規(guī)律，掌握了烏江梯級水庫間洪水傳播及退水特性，對梯級防洪調度具有重要意義。

(7)開展梯級水庫群汛期動態(tài)水位控制研究并在東風、烏江渡等水庫實際應用，在保證汛期防洪安全的前提下，動態(tài)抬高水位運行取得了良好的安全效益和節(jié)水增加發(fā)電的效益。

(8)對通信協(xié)議進行優(yōu)化，將衛(wèi)星通信技術首次應用于電力實時控制領域，高可靠、低成本地解決了集控中心與水電站之間技術支持系統(tǒng)的冗余通信問題。

(9)梯級水電站聯(lián)合優(yōu)化調度控制需要涉及遠程監(jiān)視控制、水情測報、水庫調度、電能量采集、工業(yè)電視等多個自動化系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)集中交換的方式解決了多系統(tǒng)集成的軟硬件兼容、資源共享、數(shù)據(jù)安全等問題。

(10)在國內首次建立了梯級水電站群優(yōu)化調度效益評價體系，改進了梯級水庫群水能利用提高率算法，解決了以前單個水庫相關評價指標不適合于梯級水電站群優(yōu)化調度效益評價的難題。

3.2 建設技術支持系統(tǒng)

在通過基本理論及其應用研究找到聯(lián)合優(yōu)化調控的科學方法之后，開發(fā)了多個自動化系統(tǒng)，形成了一個水庫調度和發(fā)電控制有機結合的聯(lián)合優(yōu)化調控系統(tǒng)工作平臺，將科學方法應用于生產調度實踐中。

(1)梯級水電站群遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)集成流域內所有電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)功能，實現(xiàn)了對電站的“遙測、遙信、遙控、遙調”功能，完全具備遠程監(jiān)視控制的條件。

(2)開發(fā)梯級水電站自動發(fā)電控制(AGC)、經濟調度控制(EDC)高級應用功能，實現(xiàn)集控中心對梯級水電站的經濟調度、發(fā)電自動控制的目標。

(3)建立1套以電力數(shù)據(jù)網為主用、衛(wèi)星通信系統(tǒng)為備用，滿足不同工作原理、不同物理鏈路冗余要求的通信系統(tǒng)，具有通信可靠性高、運行維護成本低的優(yōu)點。

(4)建設流域水情自動測報中心，通過全球移動通訊系統(tǒng)(GSM)短信和衛(wèi)星通道直接采集流域各雨量、流量、水位測站信息，集中自動生成、管理流域雨、水情，再傳輸?shù)礁麟娬舅榉种行墓蚕?，改變以前流域雨、水情資料分散，無全局信息的局面。

(5)梯級水庫調度自動化系統(tǒng)不再只把單座水庫作為調度對象，而是將全流域各水庫均納入通盤考量，注重上、下游電站之間的水文聯(lián)系和流量匹配。開發(fā)了滿足精度要求的流域徑流預報軟件、實用化的梯級水庫群聯(lián)合防洪優(yōu)化調度軟件、符合生產實際的梯級水庫群聯(lián)合發(fā)電優(yōu)化調度軟件等高級應用系統(tǒng)。

(6)建成1套連接集控中心各應用系統(tǒng)、擔任中間溝通橋梁的數(shù)據(jù)交換平臺，消滅可能存在的信息孤島，解決了各應用系統(tǒng)間通信接口雜亂、網絡拓撲繁雜、數(shù)據(jù)交互可靠性低的問題。

(7)建成1套系統(tǒng)化、網絡化、智能化的梯級水電站群集中調度業(yè)務管理系統(tǒng)，解決了梯級調度業(yè)務流程不規(guī)范、實時優(yōu)化調度指標分析繁瑣、優(yōu)化調度效益評價不客觀準確、調度業(yè)務辦理效率不高等問題，為梯級優(yōu)化調度提供規(guī)范、可靠的管理和技術手段，提高了調度管理水平。

4 梯級優(yōu)化調度節(jié)能減排效果

4.1 節(jié)水增發(fā)電量

流域梯級優(yōu)化調度控制能夠大幅提高水能資源利用率，充分發(fā)揮出流域綜合經濟效益，成效顯著。以烏江流域為例，通過節(jié)能優(yōu)化調度，2005—2011年，節(jié)水增加發(fā)電量3637 GW·h，平均每年節(jié)水增加發(fā)電量520 GW·h。

4.2 化石能源替代效益

在電網電量需求相同的前提下，水電節(jié)水增加發(fā)電量，意味著火電可減少發(fā)電量，由此產生化石能源替代效益。

若烏江梯級水電站優(yōu)化調度年節(jié)水增加發(fā)電量按2005—2011年平均水平520 GW·h、火力發(fā)電標準煤耗按中國電力企業(yè)聯(lián)合會2010年統(tǒng)計的312 g/(kW·h)計算，每年可替代標煤16.22萬t。

4.3 污染物減排效益

按照聯(lián)合國政府間氣候變化專業(yè)委員會(IPCC)推薦的數(shù)據(jù)，火力發(fā)電二氧化碳排放系數(shù)取2.4600、二氧化硫排放系數(shù)取 0.016 5、氮氧化合物排放系數(shù)取0.0156、煙塵排放系數(shù)取0.0096(單位均為t/t標煤)。烏江水電節(jié)水增加發(fā)電量相當于減少火電廠燃燒煤炭，按上述系數(shù)計算，平均每年可減少網內火電廠排放二氧化碳39.91萬t、二氧化硫2677 t、氮氧化合物 2531 t、煙塵 1558 t，對于減輕環(huán)境污染、保護大氣環(huán)境具有十分重要的意義。

5 對梯級調度的建議

烏江流域在2009年后才真正形成多級水電站聯(lián)調的規(guī)模，2005—2011年，烏江流域平均每年節(jié)水增加發(fā)電量僅為520 GW·h，與行業(yè)內專家的期望值相比還有較大的挖潛空間。為此，由中國華電集團公司立項、烏江公司具體負責實施，針對流域梯級水電站優(yōu)化調度先后進行了多個科技項目研究，研究成果應用后效果十分顯著，節(jié)水增加發(fā)電量呈逐年上升趨勢，2010年已超過700 GW·h，2011年為歷史最枯年份，但也超過400 GW·h。為了提高梯級優(yōu)化調度水平、充分挖掘節(jié)水增加發(fā)電空間，筆者針對目前梯級調度的實際狀況，結合科技項目研究成果及梯級調度實踐經驗，提出如下建議:

(1)積極爭取國家政策支持。隨著我國西南地區(qū)各大流域水電開發(fā)的大力推進，梯級水電站集中調度在近10年來獲得蓬勃發(fā)展。由于流域集控中心(梯調中心)未列入電力調度體系，令梯級調度處境十分尷尬，工作無法有效開展。事實上，各集控中心(梯調中心)的運作實踐證明，集控中心(梯調中心)作為電力調度機構的下級調度對象，嚴格遵循電力調度規(guī)程開展業(yè)務，不會影響電力調度機構的權威，更不會影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。相反，由于電力系統(tǒng)規(guī)模快速發(fā)展造成電力調度機構工作日趨繁重，集控中心(梯調中心)在電力調度機構統(tǒng)一調管下具體負責其所轄流域各電站之間的優(yōu)化匹配、經濟運行等細節(jié)工作，能夠為電力調度機構分擔工作壓力，更有利于提高梯級優(yōu)化調度水平，對落實國家節(jié)能調度、減排大氣污染物政策具有重大意義。衷心期望中國電力企業(yè)聯(lián)合會、中國電機工程學會、中國水力發(fā)電工程學會牽頭協(xié)調，向國家發(fā)改委、電監(jiān)會等相關部門提出建設性意見，爭取國家政策支持，明確流域梯級調度的法定地位，以改變梯級調度無法可依、機制不順的尷尬處境。

(2)梯級優(yōu)化調度應引入電網約束條件。傳統(tǒng)的梯級調度思路僅考慮流域范圍內雨、水情，編制出理想化的優(yōu)化調度方案，在實際執(zhí)行中受電網運行的影響，結果偏差較大。集控中心(梯調中心)在梯級調度工作中，應引入電網安全約束、電力電量需求、水/火電份額等邊界條件，獲得貼近實際、可操作性強的調度方案。

(3)盡快出臺梯級調度的行業(yè)標準。梯級調度作為一個新興行業(yè)，目前尚缺乏相應的行業(yè)標準，導致技術支持系統(tǒng)建設、人力資源配置、工作流程設計、優(yōu)化調度效益評價等方面均缺乏權威的參照，不利于行業(yè)的健康發(fā)展。建議盡快出臺梯級調度行業(yè)標準，建立科學、客觀、準確的評價體系，規(guī)范相應的技術手段和管理行為，推動梯級調度工作又好又快發(fā)展。

(4)就梯級蓄水、發(fā)電順序達成共識。梯級調度的主要工作內容之一就是確定各水庫的協(xié)調匹配運行，避免發(fā)生水量平衡失調導致棄水、拉至死水位的情況。必須明確電站蓄水、發(fā)電的優(yōu)先順序。電力調度機構與流域發(fā)電公司應就梯級蓄水、發(fā)電順序達成共識。一是考慮各電站在梯級內的發(fā)電量權重，權重大的電站優(yōu)先高水位運行，其耗水率降低對梯級綜合耗水率降低的拉動作用更為明顯。二是充分考慮各電站耗水率特性，耗水率曲線斜率大的電站對水位的變化更為敏感，應優(yōu)先維持高水位運行。三是在梯級水庫均高水位運行的情況下，電量權重大、耗水率低的電站應優(yōu)先發(fā)電，讓相同水量發(fā)更多的電量。四是讓集控中心(梯調中心)在本流域內部自行優(yōu)化機組組合，在滿足電網需求的前提下減少旋轉備用容量，通過提高梯級水電站整體負荷率來降低綜合發(fā)電耗水率。

6 結束語

流域梯級水電站優(yōu)化調度向技術進步、管理提升要電量，相當于在不增加投資、不需要移民的情況下多建了大、中型水電站，對加大非化石能源的消費比重、減少大氣污染物排放意義重大。隨著時代的進步和電力調度體系的發(fā)展變化，梯級水電站優(yōu)化調度必將為國家節(jié)能減排做出更大的貢獻。

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