棄水電量及調峰棄水電量計算方法研究

黃馗 張政 武新宇

摘要：為準確計算水電站的棄水電量和調峰棄水電量，保證在棄水期間編制的水電站發電計劃合理、公平，分析了棄水電量產生的原因和棄水電量的構成。提出了因出力受阻而產生的虛擬電量不屬于棄水電量;同時，按照棄水的類別給出了計算不同類型棄水電量的新方法，并采用“總-分”模式計算了調峰棄水電量;最后，選取了日調節和年調節水電站進行實例驗證。結果表明：由于避免了受阻棄水電量的統計和不同類別棄水電量的嵌套，棄水電量和調峰棄水電量的新計算方法更加符合實際，所得結果相比傳統方法更為準確;該方法的計算公式形式統一，能夠適應不同調節性能的水電站，進一步簡化了計算過程。

關 鍵 詞：

棄水電量; 調峰棄水電量; 預想出力; 受阻出力

中圖法分類號： TV72

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.034

1 研究背景

2017年國家能源局頒布的《水能利用率計算導則》[1]指出：棄水電量為電站可發電量與實際發電量的差值。棄水電量產生的原因有電力供需、電源建設與送出、發電與用電特性、局部與整體之間優化的不平衡、機組或線路檢修、綜合用水等[2-5]。在水電棄水期間，由于調峰棄水電量是棄水電量的主要部分，因此在水電生產運行中，能否合理判斷、準確計算棄水電量和調峰棄水電量影響水電發電計劃安排，也影響電網運行方式[6-8]，因此準確計算棄水電量和調峰棄水電量非常重要。

國內對棄水電量的計算已有一定研究，如蔡建章等[9]把棄水電量分為出力受阻棄水電量、安全約束棄水電量、調峰棄水電量、檢修棄水電量，并給出調節性能差（不完全季調節以下）的水電站各類棄水電量的計算方法。國家電力公司出臺了《水電廠調峰棄水損失電量計算方法》[10]，調峰棄水損失電量是在按最大出力和按棄水水量計算的調峰棄水電量中取最小值。王金龍等[11]提出輸電通道斷面受阻棄水電量和理論棄水電量計算方法。吳東平等[12]提出棄水電量的分類原則，針對水電站不同調節能力制定了相應的棄水電量計算方法。

棄水電量為電站實際出力低于當前工況下的預想出力或最大發電能力時產生的損失電量，而預想出力在數值上可能等于裝機容量、也可能小于裝機容量。當水電站的運行水頭達到設計值，預想出力在數值上等于裝機容量，非受阻情況下水電站電量構成如圖1所示，A區為實發電量區，B區為棄水電量區，沒有出力受阻區;當水電站的運行水頭低于設計值，預想出力小于裝機容量，而用裝機容量與預想出力差值計算的電量則不屬于可發電量，這一部分損失電量是電站在棄水且運行水頭下降、預想出力達不到按照裝機容量滿發造成的，受阻情況下水電站電量構成如圖2所示，A區為實發電量區，B區為棄水電量區，C區為出力受阻區。

當前，現有的棄水電量和調峰棄水電量計算方法對可發電量劃分不精細，導致可發電量計算偏大。一方面，因為電站棄水且運行水頭下降、使預想出力達不到按照裝機容量滿發造成的損失電量（裝機容量與預想出力差值）不屬于可發電量，因此需要在棄水電量計算時扣除這部分電量，但已有文獻在計算棄水電量時沒有扣除這部分電量[9-11]。另一方面，在計算可發電量時沒有對因安全約束棄水、檢修棄水、其他原因棄水等進行扣除，且針對水電站不同調節能力尚未形成統一、有效的棄水電量計算方法[12]。在計算調峰棄水電量時，不同類別的棄水電量相互嵌套[9]，水電站棄水電量比例高且全天帶基荷時計算的調峰棄水電量為零，與實際不符[10]。因此，本文根據棄水電量產生的原因將棄水電量分為：調峰棄水電量、檢修棄水電量、出力受限棄水電量、其他棄水電量，并提出了統一的計算方法，以適用各類調節性能水電站不同類別棄水電量的計算。

2 棄水電量分類

受阻出力是在水電站入庫流量大于滿發流量且可調庫容已蓄滿的情況下，由于棄水流量不斷增加、運行水頭不斷下降，造成電站當前預想出力不能按照裝機容量滿發，電站按裝機容量滿發出力與當前預想出力的差值即為受阻出力。由于水電站受阻而形成的電量為受阻電量，受阻電量在實際中是不存在的，也稱為虛擬電量，受阻電量不屬于可發電量。

根據棄水電量產生的原因將棄水電量分為：調峰棄水電量、檢修棄水電量、出力受限棄水電量、其他棄水電量。調峰棄水出力指當電力系統供給側大于需求側時水電站參與系統調峰而造成的棄水出力，因供給側大于需求側而調峰造成的棄水電量稱為調峰棄水電量。檢修棄水出力指水電站由于檢修機組而造成的棄水出力，因檢修而造成的棄水電量稱為檢修棄水電量。受限棄水出力指水電站由于電網斷面控制約束或送出受限而造成的棄水出力，因電網斷面控制約束或送出受限而造成的棄水電量稱為出力受限棄水電量。其他棄水電量指的是因綜合用水等產生的電量損失。

3 棄水電量計算

對于徑流式、日調節、季調節、年調節等不同調節能力的水電站來說，在電網優先保障清潔能源消納的原則下，當火電等機組按照電網安全穩定運行、最低技術出力、最低供熱等前提下，因電量供給大于需求仍存在水電富余的情況下，水電站會存在棄水電量。

由于水電站可發電量與實際電量的差值即為棄水電量，因此計算棄水電量需要計算出水電站可發電量。棄水電量與可發電量的比值即為水電站的棄水率。

3.1 可發電量

可發電量的計算可采取兩種方法，如公式（1）或公式（2）所示。水電站凈水頭計算如公式（3）[13]所示。

Ekf=Tt=1KQfdtHtΔTt（1）

Ekf=Tt=1PyxtΔTtPyxt=fyxclHt（2）

Ht=Zsyt-Zxyt-ΔHtΔHt=fΔHQfdt （3）

式中：Ekf為T時段內可發電量，kW·h;K為水電站出力系數;Qfdt為t時段水電站發電流量，m3/s;Ht為t時段水電站水頭，m;ΔTt表示t時段以小時為單位的時段長，h;Pyx（t）為t時段水電站預想出力，kW;fyxcl為t時段水電站水頭預想出力函數;Zsyt為t時段水電站上游平均水位，m;Zxyt為t時段水電站下游平均水位，m;ΔHt為t時段水電站水頭損失，m;fΔH（）為水電站的水頭損失函數。

3.2 棄水電量

棄水電量采用式（4）計算。

Eqs=Tt=1Ekf（t）-Esf（t）（4）

式中：Eqs為水電站棄水電量，kW·h;Esf（t）為水電站實發電量，kW·h。

4 調峰棄水電量計算

在棄水電量的組成成分中，由于檢修棄水電量、出力受限棄水電量、其他棄水電量存在的時段多數是局部的、時段的起止時刻是明確的，因此在計算調峰棄水電量中，采用“總-分”模式計算調峰棄水電量，即調峰棄水電量等于棄水電量扣除其他類別的棄水電量中的最大值。

4.1 檢修棄水電量

在水電站產生棄水電量期間，因電站機組或主變檢修產生的棄水電量即為檢修棄水電量。檢修棄水電量計算公式如式（5）所示。

Ejx=Tt=1PyxtNjxtNzjtΔTt（5）

式中：Ejx為檢修棄水電量，kW·h;Njxt為檢修期間t時段水電站不可用機組容量，kW;Nzjt為t時段水電站裝機容量，kW。

4.2 出力受限棄水電量

在水電站產生棄水電量期間，因線路送出有限或斷面送出受限產生的棄水電量即為出力受限棄水電量。出力受限棄水電量計算公式如下：

Esx=Tt=1Psct-PsjtΔTt（6）

式中：Esx為出力受限棄水電量，kW·h;Psct為t時段水電站可送出的最大出力，kW;Psjt為t時段水電站的實際出力，kW。

在水電站因線路送出有限或斷面送出受限期間，如果水電站可送出的最大出力小于當時預想出力，則出力受限棄水電量為0。

4.3 其他棄水電量

在水電站產生棄水電量期間，可與發電相結合的通航、水環境等綜合用水，在電站實際運行中未完全與發電結合而產生的棄水電量為其他棄水電量。其他棄水電量計算公式如式（7）所示。

Eqt=0Qzh（t）≤Qfd（t）Tt=1Qzh（t）-Qfd（t）ε（t）ΔTtQfd（t）

式中：Eqt為其他棄水電量，kW·h;Qzht為t時段水電站因通航、水環境等綜合用水流量，m3/s;Qmft為t時段水電站滿發流量，m3/s;εt為t時段水電站的耗水率，m3/（kW·h）。

4.4 調峰棄水電量

調峰棄水電量為棄水電量扣除檢修棄水電量、出力受限棄水電量、其他棄水電量后的棄水電量。

Etf=Tt=1Eqs-maxEjx（t），Esx（t），Eqt（t）（8）

式中：Etf為調峰棄水電量，kW·h;

5 實例分析

選取2個調節能力不一樣的水電站，分別為有日調節能力的廣西貴港市仙衣灘水電站和有年調節能力的廣西百色市右江水電站，計算2個水電站的棄水電量和調峰棄水電量。同時，為了進一步驗證本文提出的計算方法（簡稱方法一）的合理性，還采用了理論電量法[9]（簡稱方法二）、實際最大出力和棄水計算法[10]（簡稱方法三，僅計算調峰棄水電量）、裝機容量和棄水對比計算法[11]（簡稱方法四，僅計算棄水電量），恒定極限出力受阻棄水電量和調峰變動出力受限棄水電量方法[12]分別計算棄水電量和調峰棄水電量，以進行對比驗證。

仙衣灘水電站的裝機容量為120 MW（4×30 MW），正常水位43.1 m，死水位42.6 m，設計水頭為8.5 m，最大引用發電流量為1 600 m3/s，該電站2017年7月6日開始產生棄水電量。選取2017年仙衣灘水電站產生棄水電量且出力受阻的8月15日進行分析計算。棄水電量按小時計算。當日，仙衣灘水電站有一臺機組檢修，受斷面控制影響，其最大送出能力只有100 MW，出現棄水電量主要是由于供給大于需求。仙衣灘水電站當日各時段水情數據如表1所列。

先根據各時段的水情數據，應用公式（3）計算各時段水電站凈水頭，應用公式（2）分別計算各時段的預想出力、可發電量。然后根據公式（4）計算各時段棄水電量，根據公式（5）和公式（6）分別計算各時段的檢修棄水電量、出力受限棄水電量，當日的其他棄水電量為0。最后用公式（8）計算調峰棄水電量。計算過程如表2所列。根據計算結果得出，仙衣灘水電站當日可發電量為2 745×103 kW·h，棄水電量為1 847×103 kW·h，調峰棄水電量為814×103 kW·h，棄水率達到67 %。不同方法下仙衣灘計算結果對比如表3所列。

本文計算方法相比于其他方法，受阻棄水電量沒有計入棄水電量，并且在計算可發電量前將受阻部分扣除;其他計算方法在計算棄水損失電量時，沒有考慮到水電站因水頭低、出力受阻的情形，所以方法二、四、五計算的棄水電量偏大。本文在計算調峰棄水電量時，首先將棄水電量進行分類，將檢修棄水電量、出力受限棄水電量、其他棄水電量的計算完全獨立，避免了不同類別棄水電量計算公式之間的嵌套，并按照先總后分的原則計算調峰棄水電量，條理更加清晰。從其他方法計算的調峰棄水電量來看，方法二結果偏大，方法三結果偏小。主要是因為方法二的計算公式中存在重復計算的可能。方法三在計算時由于是按照實際最大出力計算的，當水電站棄水比例較大、實際最大出力比預想出力偏小較多時，此時計算的結果偏小。因此，該方法在計算日調節及以下水電站的棄水電量和調峰棄水電量時，更加合理和準確。

右江水電站的裝機容量為540 MW，正常水位228 m，死水位195 m，設計水頭為88 m，最大引用發電流量為692 m3/s，該電站2017年7月11日開始產生棄水電量，該電站產生棄水電量的日期比仙衣灘水電站晚5 d，主要是電網安排水電站計劃電量是依據棄水期間所有水電站同樣的計劃棄水率，但由于7月6～10日右江水電站尚未蓄滿，原預計的棄水電量利用可調庫容存蓄，所以右江與其他電站的棄水時間不同步。2017年8月15日右江水電站產生棄水電量但出力不受阻，對其進行分析計算。棄水電量按小時計算。當日，右江水電站沒有機組檢修、送出沒有限制，出現棄水電量主要是由于供給大于需求。

運用計算仙衣灘水電站棄水電量和調峰棄水電量的公式，計算右江水電站。根據方法一計算得出，右江水電站當日可發電量為10 978×103 kW·h，棄水電量為6 409×103 kW·h，調峰棄水電量為6 409×103 kW·h，棄水率達到58%。由于方法二中沒有說明季調節以上水電站的計算方法，因此只采用了方法三、四、五進行對比。不同方法下右江計算結果對比如表4所列。

從表4棄水電量的計算結果可以看出，方法四和五計算的棄水電量都是8 391 MW·h，主要是因為右江水電站2017年8月15日的出力不受阻且右江的入庫流量大于最大引用發電流量，所以計算可發電量時按照裝機容量計算。但是方法四和五在以日為單位計算時未能考慮到右江電站2017年8月15日19～24時沒有棄水流量，該時段入庫流量大于發電流量部分被存蓄在水庫中，方法四和五計算偏多的1 982 MW·h棄水電量正是存蓄在水庫中的折算電量，由于計算時沒有扣除才造成結果偏大。在計算調峰棄水電量時，方法三和五計算結果分別是2 631，7 524 MW·h。計算結果表明：方法三計算結果偏小，主要是因為計算時仍然采用按照實際最大出力計算導致的;方法五結果偏大，主要是因為在計算時是以日為計算時段，而右江電站當日19：00～24：00沒有棄水流量且右江出力不受阻，因此方法五只適用于日內有恒定連續棄水情況，不適用于日內有間斷棄水情況。結果表明：方法一也適用于年調節電站的計算。與方法五相比，方法一的公式不僅適用日調節電站，同樣也適用于年調節電站的計算，同時避免了計算棄水電量概念的引入和計算，方法一的計算更加簡單。由于方法一以小時為計算時段，所以計算的結果更加準確，并有助于棄水期間對所有水電站的公平調度和發電計劃安排。

以上兩個算例計算結果表明：由于預測和執行存在偏差，電站實際的日棄水率不一定相等，因此需要在整個棄水期間統籌考慮，確保在棄水期結束，不同水電站的累積棄水率基本一致。

6 結 論

（1） 當水電站出力受阻時，水電站的預想出力在數值上小于裝機容量，此時不能在數值上用裝機容量代替預想出力計算棄水電量。水電站由于當前運行水頭無法達到設計水頭而出現的受阻電量損失不應計入棄水電量。

（2） 由于檢修、出力受限、其他棄水電量存在重合的可能，因此調峰棄水電量為該時段的棄水電量減去相應時段檢修棄水電量、出力受限棄水電量、其他棄水電量的最大值。

（3） 在水電站棄水期間，通過統一的計算方法在兩個不同調節性能水電站的應用，表明棄水電量和調峰棄水電量的計算公式適用于不同調節能力的水電站;為確保整個棄水期間各水電站累積棄水率一致，需對后續的日棄水率進行差別化的動態調整。

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（編輯：江 文）

Calculation method of abandoned water power and peak shaving abandoned water power

HUANG Kui1，ZHANG Zheng2，WU Xinyu2

（1.Power Dispatching and Control Center，Guangxi Power Grid Co.，Ltd，Nanning 530023，China; 2.Institute of Hydropower & Hydroinformatics，Dalian University of Technology，Dalian 116023，China）

Abstract：

In order to accurately calculate the abandoned water power and peak shaving abandoned water power of hydropower stations，and ensure that the hydropower station power generation plan made during period of abandoning water is reasonable and fair，the causes and composition of abandoned water power were analyzed.We proposed that the virtual electricity generated by the blocked output did not belong to the abandoned water power.According to the category of abandoned water，a new method for calculating different types of abandoned water power was proposed，and the peak shaving abandoned water power was calculated by using the “integration-separation” mode.The daily regulation and annual regulation hydropower stations were selected to carry out results verification.The results showed that due to avoiding the statistics of hindered abandoned water power and the nesting of different types of abandoned water power，the new calculation method on abandoned water power and peak shaving abandoned water power were more in line with the reality，and the results were more accurate than the traditional method;the calculation formula had unified form，which could adapt to the hydropower stations with different regulation performance，and further simplified the calculation process.

Key words：

abandoned water power;peak shaving abandoned water power;expected output;blocked output