水電站經濟運行指標實時數字化研究

陳越生，歐業平

(廣西能源股份有限公司，廣西 賀州 542800)

1 概述

為了提高企業的水電經濟運行管理水平，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技術人員按照國家行業標準，參考國內眾多同行和專家學者對水電站水庫發電的優化調度理論研究和方法應用[1-5]，結合廣西能源股份自身“電網、電廠統一調度”的企業特點[6]，以上述5個水電廠為對象，重點研究水電站優化調度經濟運行指標的實時數字化應用，利用原有的水庫調度自動化系統平臺及數據庫系統開發出“水電站經濟運行實時數字化系統”(以下簡稱為“系統”)，按水力發電優化調度、提高發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]，實現增發電量為優化調度目標，建立實時數字化的考核評價系統。調控人員可通過該系統監測電網、水電站實時運行狀態，參考優化后的運行指標數據，及時調整電網運行和水電發電方案、優化機組運行方式，合理分配水資源，提高發電效率。

2 系統的主要基準指標、參數以及模型

遵照行業規范對日調節及性能以上的水電站，在設計或常規運行工況下統計指標、參數進行復核，以各類指標參數及規范算法計算的結果，作為基準指標建立數學模型錄入系統，避免了人為的主觀因素影響，基準指標用于對日常優化調度工作的評價時參考。

2.1 基準指標、參數

基準調度水位：按水電站的調節性能及主管部門批復的年度水庫汛期控制運用文件，確定各水電站在年內各階段的基準調度水位，如日調節型水電站的基準水位取正常蓄水位與死水位的平均值；季調節及以上級別的水電站按水庫調度圖所確定各階段的運行水位，作為基準調度水位。

基準機組綜合效率：采用電站機組的多年平均綜合效率。

基準單位耗水率：按電站設計指標、參數在工況下運行的理論耗水率。

基準發電量：按電站實際來水量，根據電站設計調度水位、機組平均綜合效率等工況下，計算理論的發電量，該電量反映電站正常運行情況下的發電水平，作為優化調度的基準發電量，可量化為分鐘、小時、日、月等不同階段的基準發電量。

基準發電量的計算公式：

E基=9.81·η基·Q基·(Z基-Z下-H損)·ΔT

(1)

式中：

E基——基準發電量，萬kW·h；

η基——基準機組綜合效率；

Q基——機組基準發電流量，由機組NHQ曲線推算，m3/s；

Z基——水電站上游基準調度水位，m；

Z下——水電站下游時段平均水位，m；

H損——機組流道水頭損失，m；

ΔT——計算時段，h。

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

2.2 節水降耗優化調度模型的建立

2.2.1節水降耗增發電量

水電站在無開閘泄洪階段，通過合理安排發電計劃，保持高水位運行，提高發電水頭；通過優化發電機組的開機組合，提高機組綜合效率[5]。在相同來水條件下，通過各種優化措施降低單位耗水率，實際發電量超過基準發電量的部分發電量視為節水降耗增發電量，可量化為分鐘、小時、日、月等時段的增發電量。水電站有開閘泄洪時，考慮電站已滿負荷運行，無節水降耗增發電量產生。該指標可用于評價節水降耗優化調度工作的效果，提高該項指標的主要措施有：提高電站運行水位、減少柵壓差、降低下游尾水位、開展廠內經濟調度。

2.2.2節水優化增發率

水電站在某階段內的實際發電量與基準發電量相比的提高程度，用節水降耗增發電量占基準發電量的百分比來表示。該指標是反映該階段水電站的發電效能和運營管理水平的重要指標之一。

2.2.3相關計算公式

1)節水降耗增發電量：

E節=E實-E基

(2)

其中，

E實=9.81·η基·Q實·(Z實-Z下-H損)·ΔT

(3)

式中：

E節——節水降耗增發電量，萬kW·h；

E實——實際發電量，萬kW·h；

Q實——機組實際發電流量，由實際的出力、水頭、綜合效率推算，m3/s；

Z實——水電站上游實際水位，m。

2)節水優化增發率：

β節=(E節/E基)×100%

(4)

3)實時節水優化增發率：

βi=η基·(Zi-Z基-hi)/ηi·hi×100%

(5)

式中：

βi——第i時刻實際節水優化增發率；

ηi——第i時刻的機組實際效率；

Zi——第i時刻水電站上游水位，m；

hi——第i時刻的凈水頭，m。

4)實時最優節水優化增發率：

β優=η·(Zi-Z基-hi)/(ηi)max·hi×100%

(6)

式中：

(ηi)max——第i時刻的機組最大效率。

5)實時最低耗水率：

εmin=f(Ni，hi，(ηi)max)

(7)

式中：

Ni——第i時刻的機組出力，MW。

6)實時最低耗水率：

εmin=f(Ni，hi，(ηi)max)

(8)

式中：

Ni——第i時刻的機組出力，MW。

2.3 調洪優化調度模型的建立

2.3.1調洪優化增發電量

調控值班人員根據洪水預報情況在洪水到來前，加大水電站機組出力增加出庫水量，提前降低電站運行水位，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。這種重復利用水庫庫容，提高水量利用率方式所發電量，視為調洪優化增發電量，反映水電站優化洪水調度所取得的電量增發效益。

2.3.2調洪增發率

水電站在某階段內的調洪優化增發電量與基準發電量相比的提高程度，用調洪優化增發電量占基準發電量的百分比來表示。該指標是反映該階段水電站的洪水利用管理水平的重要指標之一。

2.3.3每場洪水調度過程中實際利用的洪水水量設定

該場洪水過程線上，入庫流量超過機組額定流量時的部分洪水水量。按開閘泄洪與不開閘泄洪兩種情況分別計算，如洪水級別較小，調洪過程中電站最高水位未達設計上限水位，且未發生開閘泄洪時，則有效利用的洪水水量為入庫流量超過機組額定流量時的部分洪水水量，此情況如不提前預降水位騰庫，則可能產生排洪；如在調洪過程中電站的最高庫水位達到設計上限水位，發生開閘泄洪時，實際有效利用的洪水水量等于水庫預騰空的庫容。此外，對于同流域、水力聯系緊密的梯級水電站，上一級電站所預騰庫水量可供下一級電站發電利用。調洪優化增發電量按洪水場次逐場計算，按月度、季度、年度進行統計。

2.3.4相關計算公式

1)單一水電站/梯級首級水電站的調洪優化增發電量

E調=W/ε

(9)

其中：

W=min{W調，W洪}

(10)

W調=V2-V1

(11)

式中：

W——調洪過程中有效利用的洪水水量，萬m3；

ε——調洪過程中時段平均發電耗水率，(kW·h)/m3；

W調——水庫預騰空的庫容，萬m3；

W洪——洪水水量，萬m3；

V1——本級水庫預泄最低庫水位對應庫容，萬m3；

V2——洪水過后，本級水庫回蓄至最高庫水位對應的庫容，萬m3。

2)梯級二級、三級電站的調洪優化增發電量

E調=W/ε

(12)

其中：

W=min{W調，W洪}

(13)

W調=V2-V1+V上

(14)

式中：

W——調洪過程中有效利用的洪水水量，萬m3；

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

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間流量，大于本級水電廠額定發電流量時的部分洪水水量。

V上——本梯級以上所有水庫騰空的總庫容，萬m3。

3)調洪優化增發率

β調=(E調/E基)×100%

(15)

3 系統的應用

3.1 相關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、發電、灌溉、航運為一體的綜合利用工程，其上游有龜石電站，尾水流經信都、鋪門鎮、廣東南豐鎮到江口后注入西江；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，都是以發電為主要任務，兼顧航運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 優化調度數據的計算與評價

通過“節水降耗優化調度”和“調洪優化調度”數學模型計算出各水電站的節水優化增發率(見表3)和調洪優化增發率(見表4)。

表3 2018—2020年各水電站節水優化增發率β節計算 %

表4 2018—2020年各水電站調洪優化增發率β調計算 %

表3、表4的數據分析表明：

1)各水電站的年節水優化增發率β節為正，總體上水電站的節水優化調度工作合理，在年內個別月份中出現0或負數，主要原因有：水電廠在汛期開展洪水優化調度，根據區域水雨情預報提前騰庫，運行水位下降、發電水頭降低所致，如果實際水雨情與預報偏差較大，則對β節值的影響更大；在非汛期，特別是枯水期階段，江河來水量大幅減少，水庫動用調節庫容為下游供水，確保生態、通航、灌溉等流量供應；配合相關管理單位的庫區建設、設備維檢等工作，需要降低水庫水位運行。

2)各水電站的調洪優化增發率β調一般在年內的汛前期(2—3月)與后汛期(8—9月)的數值較大，說明水電廠充分利用水庫庫容調節能力進行汛前騰庫、后汛期攔蓄洪尾蓄水的洪水優化調度工作效果顯著，最終體現到增發電量數據中；在主汛期(5—6月)流域來水偏多，容易出現洪水場次密集，洪量級別大，部分時段水電站因為入庫流量大，運行水頭低無法滿發電，此階段內的β節和β調值相對較小，不利于水電站的經濟運行。

3)接入桂東電網的桂江梯級電站的β節和β調值在同一統計階段內逐級遞增，說明電網、梯級電站的聯合優化調度工作取得成效；賀江合面獅電站的β節和β調的綜合數值較大說明，通過充分發揮水庫的季調節特點，對減少棄水，保障供電穩定起到了作用。

3.4 水電站經濟運行工作的對標評價

在過去，水電企業對水電站經濟運行工作進行評價或考核，往往直接采用設計發電量、耗水率、水量利用率等指標進行考評工作，具有一定的局限性。如果采用設計發電量進行考評，電站的實際發電量取決于當年流域來水的豐枯及年內分配的均勻程度，受自然來水的不確定性影響較大。如果采用發電耗水率進行考評，在電站處于洪水期間，出入庫流量變化大，對發電水頭產生影響，進而影響到發電耗水率；同時，發電耗水率跟發電機組本身特性有緊密聯系，約束條件較多。如果采用水量利用率進行考評，在枯水年中，調節能力強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，日調節及以下類型的水電站對于大量來水，沒有可調節的余地，用水量利用率進行評價也意義不大，上述指標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行研究，借助“水電站經濟運行實時數字化系統”，采用電站的設計參數作為基準評價參數，通過模型計算出相同條件下的基準發電量，并與實際發電量比較，得到增發電量和相對的優化增發率，可以消除區域無效來水對發電水頭及耗水率的影響；同時，系統采用統一的評價指標β節和β調進行計算和評價，平衡了各電站因所處流域不同、調節性能不同、裝機規模不同、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，有利于發電企業對發電調度工作的分析和總結，并采取有針對性的優化措施，提高調度管理水平。

在實際工作中，影響水電站經濟運行的因素還有很多，對系統的優化算法[14-15]和調度模型開發還有很大的研究空間。比如從電力市場的需求和電價因素著手，如何實現本系統與電力調控、市場營銷等系統的信息共享，并對考慮市場電價因子的發電優化調度模型進行研究，通過合理調整電站發電機組接入不同電網的運行方式和時間，實現企業收益最大化和成本最小化的目標，將是下一步對水電站經濟運行實時數字化工作的研究方向。

4 結語

水電經濟實時數字化的研究以及成果應用，解決了水電站經濟運行和發電優化調度方面的評價指標計算標準不一以及科學性、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，為綜合評價水電站優化調度成果提供更科學、更客觀的數據量化指標，有效地指導水力發電優化調度和經濟運行、考核評價等工作。系統投運后，廣西能源股份調度中心、水電廠充分利用系統的指導功能，積極開展電網運行及水電發電的優化調度工作，通過節水優化調度、調洪優化調度、廠內經濟運行優化等優化措施，2018—2020年廣西能源股份五大水電廠總增發電量年均7 280萬度，累計增發電量2.19億度，實現節能增效的預期目標，可為類似電網及水電站的經濟運行調度工作提供參考。