陳越生，歐業(yè)平

(廣西能源股份有限公司，廣西 賀州 542800)

1 概述

為了提高企業(yè)的水電經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理水平，廣西能源股份有限公司(以下簡稱為“廣西能源股份”)于2018年組織電力調(diào)度中心和合面獅水電廠、巴江口水電廠、昭平水電廠、下福水電廠、京南水電廠等下屬單位的專業(yè)技術(shù)人員按照國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，參考國內(nèi)眾多同行和專家學(xué)者對水電站水庫發(fā)電的優(yōu)化調(diào)度理論研究和方法應(yīng)用[1-5]，結(jié)合廣西能源股份自身“電網(wǎng)、電廠統(tǒng)一調(diào)度”的企業(yè)特點(diǎn)[6]，以上述5個(gè)水電廠為對象，重點(diǎn)研究水電站優(yōu)化調(diào)度經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)的實(shí)時(shí)數(shù)字化應(yīng)用，利用原有的水庫調(diào)度自動化系統(tǒng)平臺及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)出“水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)字化系統(tǒng)”(以下簡稱為“系統(tǒng)”)，按水力發(fā)電優(yōu)化調(diào)度、提高發(fā)電效益的兩種主要途徑，采取提高水能利用率和水量利用率、降低單位水耗的措施[7-13]，實(shí)現(xiàn)增發(fā)電量為優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)，建立實(shí)時(shí)數(shù)字化的考核評價(jià)系統(tǒng)。調(diào)控人員可通過該系統(tǒng)監(jiān)測電網(wǎng)、水電站實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，參考優(yōu)化后的運(yùn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行和水電發(fā)電方案、優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式，合理分配水資源，提高發(fā)電效率。

2 系統(tǒng)的主要基準(zhǔn)指標(biāo)、參數(shù)以及模型

遵照行業(yè)規(guī)范對日調(diào)節(jié)及性能以上的水電站，在設(shè)計(jì)或常規(guī)運(yùn)行工況下統(tǒng)計(jì)指標(biāo)、參數(shù)進(jìn)行復(fù)核，以各類指標(biāo)參數(shù)及規(guī)范算法計(jì)算的結(jié)果，作為基準(zhǔn)指標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型錄入系統(tǒng)，避免了人為的主觀因素影響，基準(zhǔn)指標(biāo)用于對日常優(yōu)化調(diào)度工作的評價(jià)時(shí)參考。

2.1 基準(zhǔn)指標(biāo)、參數(shù)

基準(zhǔn)調(diào)度水位：按水電站的調(diào)節(jié)性能及主管部門批復(fù)的年度水庫汛期控制運(yùn)用文件，確定各水電站在年內(nèi)各階段的基準(zhǔn)調(diào)度水位，如日調(diào)節(jié)型水電站的基準(zhǔn)水位取正常蓄水位與死水位的平均值；季調(diào)節(jié)及以上級別的水電站按水庫調(diào)度圖所確定各階段的運(yùn)行水位，作為基準(zhǔn)調(diào)度水位。

基準(zhǔn)機(jī)組綜合效率：采用電站機(jī)組的多年平均綜合效率。

基準(zhǔn)單位耗水率：按電站設(shè)計(jì)指標(biāo)、參數(shù)在工況下運(yùn)行的理論耗水率。

基準(zhǔn)發(fā)電量：按電站實(shí)際來水量，根據(jù)電站設(shè)計(jì)調(diào)度水位、機(jī)組平均綜合效率等工況下，計(jì)算理論的發(fā)電量，該電量反映電站正常運(yùn)行情況下的發(fā)電水平，作為優(yōu)化調(diào)度的基準(zhǔn)發(fā)電量，可量化為分鐘、小時(shí)、日、月等不同階段的基準(zhǔn)發(fā)電量。

基準(zhǔn)發(fā)電量的計(jì)算公式：

E基=9.81·η基·Q基·(Z基-Z下-H損)·ΔT

(1)

式中：

E基——基準(zhǔn)發(fā)電量，萬kW·h；

η基——基準(zhǔn)機(jī)組綜合效率；

Q基——機(jī)組基準(zhǔn)發(fā)電流量，由機(jī)組NHQ曲線推算，m3/s；

Z基——水電站上游基準(zhǔn)調(diào)度水位，m；

Z下——水電站下游時(shí)段平均水位，m；

H損——機(jī)組流道水頭損失，m；

ΔT——計(jì)算時(shí)段，h。

桂江梯級水電站全部為日調(diào)節(jié)型水電站，基準(zhǔn)水位取正常蓄水位(汛限水位)與死水位的平均值；賀江合面獅電站具有季調(diào)節(jié)性能，基準(zhǔn)水位按年調(diào)度線取值。

2.2 節(jié)水降耗優(yōu)化調(diào)度模型的建立

2.2.1節(jié)水降耗增發(fā)電量

水電站在無開閘泄洪階段，通過合理安排發(fā)電計(jì)劃，保持高水位運(yùn)行，提高發(fā)電水頭；通過優(yōu)化發(fā)電機(jī)組的開機(jī)組合，提高機(jī)組綜合效率[5]。在相同來水條件下，通過各種優(yōu)化措施降低單位耗水率，實(shí)際發(fā)電量超過基準(zhǔn)發(fā)電量的部分發(fā)電量視為節(jié)水降耗增發(fā)電量，可量化為分鐘、小時(shí)、日、月等時(shí)段的增發(fā)電量。水電站有開閘泄洪時(shí)，考慮電站已滿負(fù)荷運(yùn)行，無節(jié)水降耗增發(fā)電量產(chǎn)生。該指標(biāo)可用于評價(jià)節(jié)水降耗優(yōu)化調(diào)度工作的效果，提高該項(xiàng)指標(biāo)的主要措施有：提高電站運(yùn)行水位、減少柵壓差、降低下游尾水位、開展廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

2.2.2節(jié)水優(yōu)化增發(fā)率

水電站在某階段內(nèi)的實(shí)際發(fā)電量與基準(zhǔn)發(fā)電量相比的提高程度，用節(jié)水降耗增發(fā)電量占基準(zhǔn)發(fā)電量的百分比來表示。該指標(biāo)是反映該階段水電站的發(fā)電效能和運(yùn)營管理水平的重要指標(biāo)之一。

2.2.3相關(guān)計(jì)算公式

1)節(jié)水降耗增發(fā)電量：

E節(jié)=E實(shí)-E基

(2)

其中，

E實(shí)=9.81·η基·Q實(shí)·(Z實(shí)-Z下-H損)·ΔT

(3)

式中：

E節(jié)——節(jié)水降耗增發(fā)電量，萬kW·h；

E實(shí)——實(shí)際發(fā)電量，萬kW·h；

Q實(shí)——機(jī)組實(shí)際發(fā)電流量，由實(shí)際的出力、水頭、綜合效率推算，m3/s；

Z實(shí)——水電站上游實(shí)際水位，m。

2)節(jié)水優(yōu)化增發(fā)率：

β節(jié)=(E節(jié)/E基)×100%

(4)

3)實(shí)時(shí)節(jié)水優(yōu)化增發(fā)率：

βi=η基·(Zi-Z基-hi)/ηi·hi×100%

(5)

式中：

βi——第i時(shí)刻實(shí)際節(jié)水優(yōu)化增發(fā)率；

ηi——第i時(shí)刻的機(jī)組實(shí)際效率；

Zi——第i時(shí)刻水電站上游水位，m；

hi——第i時(shí)刻的凈水頭，m。

4)實(shí)時(shí)最優(yōu)節(jié)水優(yōu)化增發(fā)率：

β優(yōu)=η·(Zi-Z基-hi)/(ηi)max·hi×100%

(6)

式中：

(ηi)max——第i時(shí)刻的機(jī)組最大效率。

5)實(shí)時(shí)最低耗水率：

εmin=f(Ni，hi，(ηi)max)

(7)

式中：

Ni——第i時(shí)刻的機(jī)組出力，MW。

6)實(shí)時(shí)最低耗水率：

εmin=f(Ni，hi，(ηi)max)

(8)

式中：

Ni——第i時(shí)刻的機(jī)組出力，MW。

2.3 調(diào)洪優(yōu)化調(diào)度模型的建立

2.3.1調(diào)洪優(yōu)化增發(fā)電量

調(diào)控值班人員根據(jù)洪水預(yù)報(bào)情況在洪水到來前，加大水電站機(jī)組出力增加出庫水量，提前降低電站運(yùn)行水位，騰空水庫庫容；洪水到庫后，電站水位逐步升高、水庫重新蓄水。這種重復(fù)利用水庫庫容，提高水量利用率方式所發(fā)電量，視為調(diào)洪優(yōu)化增發(fā)電量，反映水電站優(yōu)化洪水調(diào)度所取得的電量增發(fā)效益。

2.3.2調(diào)洪增發(fā)率

水電站在某階段內(nèi)的調(diào)洪優(yōu)化增發(fā)電量與基準(zhǔn)發(fā)電量相比的提高程度，用調(diào)洪優(yōu)化增發(fā)電量占基準(zhǔn)發(fā)電量的百分比來表示。該指標(biāo)是反映該階段水電站的洪水利用管理水平的重要指標(biāo)之一。

2.3.3每場洪水調(diào)度過程中實(shí)際利用的洪水水量設(shè)定

該場洪水過程線上，入庫流量超過機(jī)組額定流量時(shí)的部分洪水水量。按開閘泄洪與不開閘泄洪兩種情況分別計(jì)算，如洪水級別較小，調(diào)洪過程中電站最高水位未達(dá)設(shè)計(jì)上限水位，且未發(fā)生開閘泄洪時(shí)，則有效利用的洪水水量為入庫流量超過機(jī)組額定流量時(shí)的部分洪水水量，此情況如不提前預(yù)降水位騰庫，則可能產(chǎn)生排洪；如在調(diào)洪過程中電站的最高庫水位達(dá)到設(shè)計(jì)上限水位，發(fā)生開閘泄洪時(shí)，實(shí)際有效利用的洪水水量等于水庫預(yù)騰空的庫容。此外，對于同流域、水力聯(lián)系緊密的梯級水電站，上一級電站所預(yù)騰庫水量可供下一級電站發(fā)電利用。調(diào)洪優(yōu)化增發(fā)電量按洪水場次逐場計(jì)算，按月度、季度、年度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.3.4相關(guān)計(jì)算公式

1)單一水電站/梯級首級水電站的調(diào)洪優(yōu)化增發(fā)電量

E調(diào)=W/ε

(9)

其中：

W=min{W調(diào)，W洪}

(10)

W調(diào)=V2-V1

(11)

式中：

W——調(diào)洪過程中有效利用的洪水水量，萬m3；

ε——調(diào)洪過程中時(shí)段平均發(fā)電耗水率，(kW·h)/m3；

W調(diào)——水庫預(yù)騰空的庫容，萬m3；

W洪——洪水水量，萬m3；

V1——本級水庫預(yù)泄最低庫水位對應(yīng)庫容，萬m3；

V2——洪水過后，本級水庫回蓄至最高庫水位對應(yīng)的庫容，萬m3。

2)梯級二級、三級電站的調(diào)洪優(yōu)化增發(fā)電量

E調(diào)=W/ε

(12)

其中：

W=min{W調(diào)，W洪}

(13)

W調(diào)=V2-V1+V上

(14)

式中：

W——調(diào)洪過程中有效利用的洪水水量，萬m3；

W調(diào)——水庫預(yù)騰空的總庫容，萬m3；下一梯級水庫預(yù)騰總庫容包括上一級水庫預(yù)騰空的庫容。

W洪——洪水水量，萬m3，指本場洪水過程中，一級電站入庫流量加區(qū)間流量，大于本級水電廠額定發(fā)電流量時(shí)的部分洪水水量。

V上——本梯級以上所有水庫騰空的總庫容，萬m3。

3)調(diào)洪優(yōu)化增發(fā)率

β調(diào)=(E調(diào)/E基)×100%

(15)

3 系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 相關(guān)水電站的情況和特征值

合面獅電站位于西江支流賀江中游，是一座集防洪、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)為一體的綜合利用工程，其上游有龜石電站，尾水流經(jīng)信都、鋪門鎮(zhèn)、廣東南豐鎮(zhèn)到江口后注入西江；巴江口電站、昭平電站、下福電站、京南電站分別為西江支流桂江中下游的梯級一級、二級、三級、五級電站，都是以發(fā)電為主要任務(wù)，兼顧航運(yùn)及其他綜合利用的樞紐工程。各水電站特征值見表1。

表1 各水電站特征值

3.2 2018—2020年賀江、桂江來水情況見表2

表2 2018—2020年賀江、桂江來水量距平值 %

3.3 優(yōu)化調(diào)度數(shù)據(jù)的計(jì)算與評價(jià)

通過“節(jié)水降耗優(yōu)化調(diào)度”和“調(diào)洪優(yōu)化調(diào)度”數(shù)學(xué)模型計(jì)算出各水電站的節(jié)水優(yōu)化增發(fā)率(見表3)和調(diào)洪優(yōu)化增發(fā)率(見表4)。

表3 2018—2020年各水電站節(jié)水優(yōu)化增發(fā)率β節(jié)計(jì)算 %

表4 2018—2020年各水電站調(diào)洪優(yōu)化增發(fā)率β調(diào)計(jì)算 %

表3、表4的數(shù)據(jù)分析表明：

1)各水電站的年節(jié)水優(yōu)化增發(fā)率β節(jié)為正，總體上水電站的節(jié)水優(yōu)化調(diào)度工作合理，在年內(nèi)個(gè)別月份中出現(xiàn)0或負(fù)數(shù)，主要原因有：水電廠在汛期開展洪水優(yōu)化調(diào)度，根據(jù)區(qū)域水雨情預(yù)報(bào)提前騰庫，運(yùn)行水位下降、發(fā)電水頭降低所致，如果實(shí)際水雨情與預(yù)報(bào)偏差較大，則對β節(jié)值的影響更大；在非汛期，特別是枯水期階段，江河來水量大幅減少，水庫動用調(diào)節(jié)庫容為下游供水，確保生態(tài)、通航、灌溉等流量供應(yīng)；配合相關(guān)管理單位的庫區(qū)建設(shè)、設(shè)備維檢等工作，需要降低水庫水位運(yùn)行。

2)各水電站的調(diào)洪優(yōu)化增發(fā)率β調(diào)一般在年內(nèi)的汛前期(2—3月)與后汛期(8—9月)的數(shù)值較大，說明水電廠充分利用水庫庫容調(diào)節(jié)能力進(jìn)行汛前騰庫、后汛期攔蓄洪尾蓄水的洪水優(yōu)化調(diào)度工作效果顯著，最終體現(xiàn)到增發(fā)電量數(shù)據(jù)中；在主汛期(5—6月)流域來水偏多，容易出現(xiàn)洪水場次密集，洪量級別大，部分時(shí)段水電站因?yàn)槿霂炝髁看?，運(yùn)行水頭低無法滿發(fā)電，此階段內(nèi)的β節(jié)和β調(diào)值相對較小，不利于水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3)接入桂東電網(wǎng)的桂江梯級電站的β節(jié)和β調(diào)值在同一統(tǒng)計(jì)階段內(nèi)逐級遞增，說明電網(wǎng)、梯級電站的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度工作取得成效；賀江合面獅電站的β節(jié)和β調(diào)的綜合數(shù)值較大說明，通過充分發(fā)揮水庫的季調(diào)節(jié)特點(diǎn)，對減少棄水，保障供電穩(wěn)定起到了作用。

3.4 水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工作的對標(biāo)評價(jià)

在過去，水電企業(yè)對水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工作進(jìn)行評價(jià)或考核，往往直接采用設(shè)計(jì)發(fā)電量、耗水率、水量利用率等指標(biāo)進(jìn)行考評工作，具有一定的局限性。如果采用設(shè)計(jì)發(fā)電量進(jìn)行考評，電站的實(shí)際發(fā)電量取決于當(dāng)年流域來水的豐枯及年內(nèi)分配的均勻程度，受自然來水的不確定性影響較大。如果采用發(fā)電耗水率進(jìn)行考評，在電站處于洪水期間，出入庫流量變化大，對發(fā)電水頭產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到發(fā)電耗水率；同時(shí)，發(fā)電耗水率跟發(fā)電機(jī)組本身特性有緊密聯(lián)系，約束條件較多。如果采用水量利用率進(jìn)行考評，在枯水年中，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的水電站一般可全部利用來水；在來水偏豐、汛期洪水場次密集的階段，日調(diào)節(jié)及以下類型的水電站對于大量來水，沒有可調(diào)節(jié)的余地，用水量利用率進(jìn)行評價(jià)也意義不大，上述指標(biāo)均不能用于不同電站間的比較。

因此，本文主要從提高水電站的水能利用率和水量利用率方面進(jìn)行研究，借助“水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)字化系統(tǒng)”，采用電站的設(shè)計(jì)參數(shù)作為基準(zhǔn)評價(jià)參數(shù)，通過模型計(jì)算出相同條件下的基準(zhǔn)發(fā)電量，并與實(shí)際發(fā)電量比較，得到增發(fā)電量和相對的優(yōu)化增發(fā)率，可以消除區(qū)域無效來水對發(fā)電水頭及耗水率的影響；同時(shí)，系統(tǒng)采用統(tǒng)一的評價(jià)指標(biāo)β節(jié)和β調(diào)進(jìn)行計(jì)算和評價(jià)，平衡了各電站因所處流域不同、調(diào)節(jié)性能不同、裝機(jī)規(guī)模不同、豐枯水年之間的差異等影響，客觀反映電站對水頭與水量的利用程度，消除人為主觀影響，有利于發(fā)電企業(yè)對發(fā)電調(diào)度工作的分析和總結(jié)，并采取有針對性的優(yōu)化措施，提高調(diào)度管理水平。

在實(shí)際工作中，影響水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的因素還有很多，對系統(tǒng)的優(yōu)化算法[14-15]和調(diào)度模型開發(fā)還有很大的研究空間。比如從電力市場的需求和電價(jià)因素著手，如何實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與電力調(diào)控、市場營銷等系統(tǒng)的信息共享，并對考慮市場電價(jià)因子的發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行研究，通過合理調(diào)整電站發(fā)電機(jī)組接入不同電網(wǎng)的運(yùn)行方式和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)企業(yè)收益最大化和成本最小化的目標(biāo)，將是下一步對水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)字化工作的研究方向。

4 結(jié)語

水電經(jīng)濟(jì)實(shí)時(shí)數(shù)字化的研究以及成果應(yīng)用，解決了水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和發(fā)電優(yōu)化調(diào)度方面的評價(jià)指標(biāo)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不一以及科學(xué)性、合理性、客觀性因電站特性而異、因管理單位不同而異等問題，為綜合評價(jià)水電站優(yōu)化調(diào)度成果提供更科學(xué)、更客觀的數(shù)據(jù)量化指標(biāo)，有效地指導(dǎo)水力發(fā)電優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、考核評價(jià)等工作。系統(tǒng)投運(yùn)后，廣西能源股份調(diào)度中心、水電廠充分利用系統(tǒng)的指導(dǎo)功能，積極開展電網(wǎng)運(yùn)行及水電發(fā)電的優(yōu)化調(diào)度工作，通過節(jié)水優(yōu)化調(diào)度、調(diào)洪優(yōu)化調(diào)度、廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化等優(yōu)化措施，2018—2020年廣西能源股份五大水電廠總增發(fā)電量年均7 280萬度，累計(jì)增發(fā)電量2.19億度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的預(yù)期目標(biāo)，可為類似電網(wǎng)及水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)度工作提供參考。