關于梯級水電站群聯合優化調度及其自動化系統建設探究

王冉旋

摘要：隨著我國經濟發展水平的不斷提高，我國的水電站建設越來越趨于制度化、規范化以及科學化，在水電站建設過程中，流域梯級大規模的水電站是非常重要的一個建設項目，其建設結構是一個復雜龐大的系統，受各種自然條件的影響較大。因此，加強水電站聯合優化調度自動化系統建設是非常重要的。

關鍵詞：水電站聯合優化自動化

中圖分類號：TV74文獻標識碼： A

隨著我國梯級水電站建設規模的不斷擴大、建設手段的日趨多元化、梯級水電站與水力和電力的聯系越來越緊密，不同的調度需求以及調度目標之間的關系越來越復雜，競爭關系日漸凸顯。因此，提高水電站聯合優化水平以及自動化系統應用是非常重要的。本文主要以喀什河流域水電站群為例，對梯級水電站群聯合優化的方法以及自動化系統的應用進行了分析，表現了目前我國整體的梯級水電站優化調度的水平。

一、喀什河流域進行梯級水電站建設現狀

國電新疆吉林臺水電開發有限公司在新疆伊犁喀什河流域進行梯級水電站開發，自上而下分別薩里克特、塔勒德薩依、吉林臺一級、吉林臺二級、尼勒克一級、溫泉，共6個梯級水電站。其中，薩里克特水電站裝機80MW，已經開工建設，為引水式電站，四臺混流式水輪發電機組，其中兩臺機組單機裝機10MW，兩臺機組單機裝機30MW，預計2014年底建成；塔勒德薩依水電站裝機80MW，已經開工建設，為引水式電站，四臺混流式水輪發電機組，其中兩臺機組單機裝機10MW，兩臺機組單機裝機30MW，預計2015年建成；吉林臺一級水電站為龍頭電站，裝機500MW，四臺混流式水輪發電機組，單機裝機125MW，為不完全多年調節水庫，總庫容25.3億立方米，負責電網調頻調峰，以發電為主，兼具灌溉和防洪效益，已投產發電；吉林臺二級水電站裝機50MW，兩臺混流式水輪發電機組，單機裝機25MW,為吉林臺一級水電站的反調節水庫，日調節，庫容0.1億立方米，已經建成，并已投產發電。尼勒克一級水電站裝機240MW，引水式電站，四臺混流式水輪發電機組，單機裝機60MW，已經建成，并已投產發電；溫泉水電站裝機135MW，為周調節水庫，四臺混流式水輪發電機組，單機裝機45MW，已投產發電。除了中國國電開發建設的6級水電站以外，在溫泉水電站大壩下游12km處已建成有電網公司所轄的托海水電站，其中四臺裝機總容量為60MW，單機15MW，水庫具有周調節性能。各梯級電站具體指標詳見下表：

序

號 電站 控制流域面積（km2） 正常蓄水位（m） 調節性能 裝機容量

(M W) 調節庫容（億m3） 開發

方式

1 薩里克特 2576 1915 80.0 混合式

2 塔勒德薩依 3047 1780 80.0 混合式

3 吉林臺一級 6163 1420 不完全多年調節 500.0 15.12 壩式

4 吉林臺二級 6200 1282 日調節 50.0 0.10 壩式

5 尼勒克一級 6290 1234 240.0 引水式

6 溫泉 8500 955 周調節 135.0 1.15 壩式

二、新疆伊犁喀什河流域梯級水電站開發理論內容分析

新疆伊犁喀什河流域梯級水電站進行聯合優化調度的關鍵問題是梯級水電站聯合優化問題，主要包含兩方面的內容，首先是梯級水電站之間的聯合問題，就是指各個水電站之間的聯合優化；其次，水庫的聯合調度和水電站發電控制相關的橫向聯合方式，就是指水電站優化方式的聯合問題。

（一）新疆伊犁喀什河流域梯級水電站水文狀況分析

新疆伊犁喀什河流域梯級水電站水文主要包括短期洪水預報和中長期的徑流預報兩方面。短期的洪水預報主要是通過定時滾動的方式實現預報；一般來說，短期的水量預報時間為3天，短期預報的研究包括：

1、喀什河流域處于高寒地區（海拔與水系圖如下圖所示），洪水來源主要是河源區高山帶冰川和永久性積雪的融冰雪水，同時夏季降雨也多集中在上游河段，產洪區主要集中在吉林臺以上。由于喀什河的洪水主要由融冰雪水形成，洪水量級的年際變化較小，喀什河的洪水過程可分為消融型洪水和消融與暴雨疊加的混合型洪水。水文預報涉及降雨徑流預報、融雪預報和河道匯流預報三部分，對于消融型洪水和消融與暴雨疊加的混合型洪水，產匯流模型中必定需要包含融雪徑流部分，因此該流域水文預報模型選擇了適合高寒地區，具備融雪徑流功能的新安江改進型融雪徑流模型和SRM融雪徑流模型作為實時預報的產匯流模型。

2、實時預報模型的修正狀況。該流域大部分站點為新建站點，沒有歷史資料，因此短期水文預報更多的關注河道匯流演算和梯級電站/水文/水位站自上而下的逐級校正。這種模型利用氣象數值預報與洪水預報的耦合技術，同時基于預報誤差序列的自適應濾波算法、基于卡爾曼濾波的馬斯京根矩陣解法、反饋模擬實時校正算法三種先進、穩定的實時校正算法基礎上，根據前期擬合段試校正效果，自適應挑選一種在擬合段最優的校正算法，用于各級子流域實際預報段校正，從而實現全流域的合理校正，滿足了預見期和精度的要求。

（二）梯級水庫群中長期徑流預報狀況分析

徑流的中長期預報已經成為當今水資源開發利用中不可缺少的非工程措施、，它對于水庫調度、防洪減災、科學治水等方面都起到不可替代的作用。就水電站水庫及水利系統控制運用而言，一定精度的徑流中長期預測將是實現水庫優化運行、提高水資源利用效率、增加水電站發電效益的重要基礎，而且還為水庫的防洪安全提供依據，實現了經濟性與安全性的統一。

喀什河流域的中長期徑流預報的數據是水電站制定計劃的數據基礎，主要的內容是對未來月份的中長期徑流狀況進行預測。研究體現在以下幾個方面：

1、預報模型以及流量因子的選用分析。因為喀什河流域的面積較大，所處的地理位置是較為復雜的伊犁河谷，氣候溫和濕潤，屬于溫帶大陸性氣候，氣象條件極不穩定。預報中，主要考慮以旬、月、年為時段三種，對薩里克特、塔勒德薩伊、吉林臺一級、吉林臺二級、尼勒克一級、溫泉水電站分別建立相應的模型，對入庫和區間來水進行預報，預報成果為中長期調度提供原始數據來源。針對中長期來水特點和中長期徑流預報方法的分析，預報模型將選取人工神經網絡、支持向量機及門限多元回歸等多種非線性預報方法，并充分考慮該地區融雪對徑流的影響，將氣溫、積雪厚度、積雪面積、雪密度等信息納入到模型中，作為影響因子，參與預報計算，有效的解決因為氣象條件不穩定、下墊面較小而影響預報的難題，由此形成了適合喀什流域的中長期水文預報模型。

2、技術路線的應用狀況分析。針對流域的實際情況及預測所需資料獲取的便利性，根據中長期水文預報的不同特點，采用相應的模型，以人工神經網絡、門限多元回歸及支持向量機等單一預報模型為基礎，通過最優組合預測手段，完成中長期水文預報，并保證必要的精度。

（三）對于喀什河流域水電站調度建模（側重發電調度）的方法

由于喀什河梯級電站投產運行特點，梯級水電站聯合調度結合投產運行的時序，提出滿足不同時期需求的梯級調度方案，并具有良好的系統擴展升級功能。整個梯級聯合調度分為防洪調度和發電調度兩大部分。本文側重介紹發電調度，發電調度除考慮預報入庫來水、梯級水電站間的水力聯系、水庫綜合利用要求和運行邊界約束、水流傳播時滯等條件外，還要考慮電網運行約束、水庫長中短期套接問題，以充分挖掘水庫運行的水頭效益、水量效益和水庫間的補償效益。此外，計劃方案還必須考慮電站的特性?？κ埠恿饔虬l電計劃有如下特點：

a)電站間、梯級電站間、蓄能電站上下庫間水力聯系密切、相互關系復雜；

b)電站眾多，運行方式和發電計劃協調分配復雜；

1、調度目標的確立方法。對于喀什河流域水庫群發電優化調度的方法，主要研究的內容是中長期發電優化調度和短期發電優化調度，優化調度模型的主要目標有3個分別是：水電站調度期內發電量最大，期望發電量/發電收益最大模型及水電站調度末期梯級水庫蓄水能力達到最大。

2、發電計劃的的制定過程（如下圖）

3、梯級水庫蓄能模型的建立過程。在已經知道了水電站調度初期水庫的水位狀況、以及調度期各時段入庫徑流以及調度期梯級各時段應發負荷(或電量)情況下，就要在梯級水電站間進行負荷的合理分配，要對發電水頭進行抬高處理，以便增加梯級水電站系統蓄水能力，為以后水電系統安全、穩定、經濟運行創造了條件。

通過以上的研究分析，在結合了喀什河流域水電站的實際發電情況以后，提出了求解高維復雜梯級水庫群梯級蓄能最大模型的動態搜索法和快速遺傳分配法，這兩種算法的理論推導嚴密度非常高，具備計算運行速度快、搜索效率高等特點。

三、對于喀什河流域水電站聯合優化調度技術應用研究分析

喀什河流域梯級水電站的規劃建設時間不同，水庫規模、裝機規模、機組型式各異，水庫調節性能與運用方式等差異大，給業主的生產管理帶來了一定難度?？κ埠恿饔蛱菁壦娬炯锌刂葡到y的建設可實現對流域各梯級水電站實行統一集中管理、對梯級水電站實施統一調度和機組的遠程集中控制，集中控制系統建于喀什河下游伊寧市，分為水調、電調兩大塊，將統一負責流域的水雨情信息收集、防洪與運行優化調度，保證電站防洪安全運行、充分發揮了梯級的發電及其它綜合效益。

喀什河流域水情及水調自動化系統是集控中心自動化系統的重要組成部分，負責原始水情數據采集和水情數據處理，為梯級電站的預報和水庫調度等工作提供水情實時數據和水情預報數據。

（一）自動化控制系統的應用

中國國電新疆吉林臺水電開發有限公司已經建成共6個梯級水電站分別接人不同區域電網，因為電網的運行受各種條件的影響，其安全與穩定的運行具有一定的特殊性，從而使電網的復雜多變性增強。通過研究梯級水電站優化運行方式和控制策略，建立了水電站流域經濟調度自動化系統，與新疆中調信息管理系統聯接，向其提供流域各電站的生產運行信息，并接受新疆中調向其下發的流域負荷曲線，配合發電自動控制(AGC)實現了6個梯級水電站經濟運行。

（二）系統平臺的應用方法

喀什河流域水電站的系統平臺主要采用了“分項建設、逐步集成”的建設方法。并按照網絡設計的基本原則，在對流域水電站群聯合優化調控系統網絡進行了設計和搭建后，通過一些安全的技術手段實現了系統的互連，對數據的安全通信問題得以有效的解決。

（三）安全控制系統的應用

為了確保流域水電站群聯合優化調控系統網絡的安全，有效的抵御黑客、病毒、惡意代碼等形式的惡意破壞和入侵，防止電站系統出現崩潰或癱瘓現象，以及由此造成的安全事故，該電站按照“安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向認證”的總體原則，設計時將整個網絡系統分成生產控制大區和管理信息大區，生產控制大區分為控制區和非控制區，在相關的控制區部署硬件防火墻，以實現各個區域的邏輯隔離、報文過濾、訪問控制等功能，將流域集中監控系統與流域水調自動化系統通過硬件防火墻進行連接，使網絡數據交換實現安全和快捷。

結語：

本文主要喀什河流域的水電站群聯合優化調度及其自動化系統建設方法進行了深入的研究，通過結合當地的水文特征以及地質構造，探索了喀什河流域梯級水電站群聯合優化調控的生產管理模式，實現了喀什河流域水電站的高效科學發展，并對我國各地的梯級水電站群開展聯合優化調度工作起到了借鑒作用。

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