寶興河梯級電站優(yōu)化調(diào)度的研究

張春,馬大海,田斌,施德航

(四川華能寶興河電力股份有限公司,四川雅安625000)

0 引言

寶興河系青衣江主源，發(fā)源于夾金山南麓，上游分東、西兩河，東河為主流，東河主河段長83km。東、西兩河在寶興縣城上游約2km處匯合后始稱寶興河，在與天全河、滎經(jīng)河相匯后稱青衣江，寶興河長59km。

寶興河梯級電站規(guī)劃為“一庫八級”，由四川華能寶興河電力股份有限公司進行開發(fā)和運營。目前已建成投產(chǎn)的電站有4座，即將建成投產(chǎn)的有1座，待建的有3座。已投產(chǎn)和即將投產(chǎn)的5座電站，其基本情況見表1和圖1。

表1寶興河梯級現(xiàn)有電站參數(shù)表

1 寶興河梯級電站的主要特性分析

1.1 各電站的一些基本特性

磽磧電站擁有具備年調(diào)節(jié)能力的大型水庫，其他電站的水庫調(diào)節(jié)能力差。磽磧電站、寶興電站為高水頭電站，機組發(fā)電的單位耗水率低。磽磧電站和寶興電站都是長隧洞引水式電站，引水隧洞長度均達到了18km，整個發(fā)電引水系統(tǒng)的水頭損失隨流量的增大會明顯增大，對磽磧電站的運行數(shù)據(jù)進行分析計算，其發(fā)電引水系統(tǒng)的水頭損失約為2～21m。各電站發(fā)電量和發(fā)電用水量情況見表2。

圖1 寶興河各電站地理位置分布示意圖

1.2 磽磧電站發(fā)電的特點及其對下游各電站發(fā)電的影響

磽磧電站處于最上游的位置，其發(fā)電下泄的水流會被下游其他電站利用進行發(fā)電。磽磧電站因磽磧水庫的調(diào)節(jié)作用，在不造成棄水的情況下能夠使電站的日平均發(fā)電功率在(0，36～240MW)范圍內(nèi)靈活調(diào)整，甚至是全天不發(fā)電也不會造成棄水。分析磽磧電站的實際運行負荷曲線后發(fā)現(xiàn)，有較多曲線底部值為零的鋸齒波形曲線，這也說明了磽磧電站的負荷可以根據(jù)需要靈活調(diào)整且具有較寬的調(diào)整范圍。

磽磧電站下泄流量的大小對于下游電站發(fā)電有以下的影響作用:寶興電站和小關(guān)子電站的發(fā)電量和磽磧電站的下泄流量關(guān)系密切；銅頭電站的發(fā)電量也受磽磧下泄流量的影響，但受影響的程度不很顯著；雨城電站的發(fā)電量受磽磧電站下泄流量的影響最小，可以忽略這種影響作用。磽磧電站對寶興電站、小關(guān)子電站的影響作用明顯:當河道天然來水不大時，如果磽磧電站發(fā)電功率大幅度變動(變動前后都有數(shù)小時的穩(wěn)態(tài)運行)，寶興電站、小關(guān)子電站的發(fā)電功率就會隨之大幅變化；當天然河道來水較大時，如果磽磧電站下泄流量也比較大或者寶興電站、小關(guān)子電站有機組因故停運，寶興電站、小關(guān)子電站就會產(chǎn)生棄水。

2 簡化的寶興河梯級電站優(yōu)化調(diào)度模型

通過以上分析和對各電站實際運行數(shù)據(jù)的分析計算，提出以下簡化的寶興河梯級電站優(yōu)化調(diào)度模型:

①銅頭電站和雨城電站作為相對孤立的電站進行優(yōu)化調(diào)度計算，根據(jù)上游來水預報，只進行短期優(yōu)化調(diào)度，以單個電站短期內(nèi)的發(fā)電收益最大為調(diào)度目標。②磽磧電站和寶興電站看做一個整體進行以年為計算周期的優(yōu)化調(diào)度，以二座電站在一個調(diào)度年內(nèi)總發(fā)電收益最大為調(diào)度目標。③小關(guān)子電站的優(yōu)化調(diào)度需要考慮二個主要因素:西河的短期來水流量預報；寶興電站下泄流量短期預報(主要依據(jù)磽磧水庫的優(yōu)化調(diào)度運行計劃)。根據(jù)以上二個因素，對小關(guān)子電站進行短期優(yōu)化調(diào)度計算，以短期內(nèi)小關(guān)子電站的發(fā)電收益最大為調(diào)度目標。

該簡化的調(diào)度模型將寶興河流域的電站劃分為三個部分(子系統(tǒng)):坐落在東河上的磽磧電站至寶興電站(含未來修建的民治電站)；位于東河和西河交匯處下游不遠的小關(guān)子電站；銅頭電站及其以下的電站(含未來修建的靈關(guān)電站、飛仙關(guān)電站)。

該簡化模型中的三個子系統(tǒng)有較大的相對獨立性，可以分別編寫程序進行優(yōu)化調(diào)度計算，這樣有利于程序的編寫與維護和計算結(jié)果的分析與應用。進行整個梯級電站總發(fā)電收益最大的優(yōu)化調(diào)度計算，只需把三個子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)約束條件加入到每個子系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度程序中，對程序進行少量的修改即可完成。

3 磽磧水庫確定性優(yōu)化調(diào)度計算

根據(jù)上述的寶興河梯級電站優(yōu)化調(diào)度模型，將整個梯級電站的優(yōu)化調(diào)度計算分解為相對獨立的三個部分進行，其中最重要且最具優(yōu)化調(diào)度價值的部分是位于東河上的電站，其作為梯級的局部調(diào)度卻能決定整個梯級調(diào)度的優(yōu)劣。在2009年末寶興電站投運后，可以結(jié)合寶興電站的實際運行狀況，將磽磧電站和寶興電站作為一個整體進行優(yōu)化調(diào)度計算。目前，寶興電站尚未建成投運，本文僅對磽磧水庫--磽磧電站組成的一庫一站模型進行確定性優(yōu)化調(diào)度計算，以磽磧電站年發(fā)電收益最大為計算目標。計算采用動態(tài)規(guī)劃法，在IntelVisualFortran9.1程序開發(fā)環(huán)境下編寫程序進行計算。

計算采用的原始徑流數(shù)據(jù)為:2004年1月1日以來的實測日平均入庫流量數(shù)據(jù)(此前數(shù)據(jù)不連續(xù))。

計算采用的售電單價為:磽磧電站實際上網(wǎng)電價的日負荷平段價格(見表3)。

首先，以日歷旬作為計算時段進行磽磧水庫確定性優(yōu)化調(diào)度計算:將2004年1月1日至2009年6月30日的磽磧水庫日平均入庫流量數(shù)據(jù)按照以旬為時段計算旬平均流量，把198個旬平均流量值作為計算的輸入數(shù)據(jù)。將水庫調(diào)節(jié)庫容離散為800等份進行計算，計算結(jié)果顯示出，在每年的4月下旬，即枯水期結(jié)束時，水庫水位都要降至最低水位2060.00m。這一特性和售電單價的時段劃分有很好的吻合性，為了提高計算精度和便于實施水庫調(diào)度，引入了“調(diào)度年、調(diào)度月、調(diào)度旬”的概念進行改進計算。

調(diào)度年、調(diào)度月、調(diào)度旬的定義:本年4月26日至下一年4月25日為調(diào)度年；上月26日至本月25日為調(diào)度月；上月26日至本月5日為上調(diào)度旬，本月6日至15日為中調(diào)度旬，本月16日至25日為下調(diào)度旬。

以調(diào)度旬作為計算時段進行計算時，利用2004年4月26日至2009年4月25日的日平均入庫流量數(shù)據(jù)，計算得出5個調(diào)度年共180個調(diào)度旬的平均入庫流量值作為程序的輸入數(shù)據(jù)。計算得出的5個調(diào)度年的年平均發(fā)電量為82906萬kW·h，年平均售電收入為2.635億元，水庫時間加權(quán)平均水位為2118.93m。

計算結(jié)果顯示，在2004至2008調(diào)度年內(nèi)，各調(diào)度旬的水庫水位值和電站發(fā)電功率值都比較接近，具有很好的規(guī)律性。根據(jù)計算結(jié)果繪制出磽磧水庫優(yōu)化運行的平均水位和磽磧電站平均發(fā)電功率曲線圖(圖2，該圖的時間坐標為“調(diào)度月、調(diào)度旬”)，此圖可以作為磽磧水庫實際調(diào)度運行的參照標準指導水庫調(diào)度。

圖2 磽磧水庫優(yōu)化運行平均水位和磽磧電站平均發(fā)功率曲線圖

4 寶興河梯級電站優(yōu)化調(diào)度的基本原則

對圖2進行分析，得出磽磧水庫優(yōu)化調(diào)度的基本原則:①磽磧水庫以本年4月26日至下一年4月25日為一個調(diào)度周期，即調(diào)度年。調(diào)度年起止時刻的水庫運行目標水位為2060.00m；②4月26日至5月25日(調(diào)度月為四月)作為一個小的水庫運行周期，使水位在“2060-2070-2060”區(qū)間變化；③5月26日至7月5日期間，使磽磧電站平均發(fā)電功率小于40MW運行，要快速升高水庫水位，力求在7月6日，使水庫水位達到2115m以上；④8月16日至10月16日期間，水庫水位接近汛期限制水位(2037.5m)運行；⑤10月16日至25日，升高水位至2140.00m；⑥10月26日至12月15日，保持水位在2140.00m；⑦12月16日至次年4月25日，逐旬加大磽磧電站旬平均發(fā)電功率運行，逐漸降低水位至2060m。在此期間，前期要緩慢降低水庫水位，力求在3月6日之前，保持水庫水位高于2110m。⑧磽磧電站發(fā)電主設備適宜的檢修期為5月26日至7月15日、11月6日至次年1月15日。

5 改善寶興河梯級電站優(yōu)化調(diào)度計算結(jié)果的措施

在未來數(shù)年內(nèi)，寶興電站和其他三座待建電站會相繼建成發(fā)電，寶興河梯級電站的數(shù)量會不斷增加。這種變化就需要在今后很長的時間內(nèi)對優(yōu)化調(diào)度計算程序進行不斷地修改完善。從長期不斷改善寶興河梯級電站優(yōu)化調(diào)度計算結(jié)果和不斷提高優(yōu)化調(diào)度的經(jīng)濟效益考慮，建議采取的主要措施為:

①對整個流域的歷史徑流量數(shù)據(jù)進行全面整理并進行深入分析，為優(yōu)化調(diào)度計算提供可靠完整的數(shù)據(jù)；②對與優(yōu)化調(diào)度計算有關(guān)的電站運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，將分析結(jié)果加入到優(yōu)化調(diào)度計算程序中，使優(yōu)化調(diào)度計算結(jié)果更接近實際；③更加精確地測定磽磧水庫的庫容曲線；④通過試驗測定磽磧電站、寶興電站的發(fā)電引水系統(tǒng)水頭損失與發(fā)電流量的關(guān)系；⑤對各電站機組進行效率試驗，重點進行磽磧電站水輪機效率試驗；⑥對流域內(nèi)關(guān)鍵點增加高精度流量測量裝置，更準確地掌握流量特性數(shù)據(jù)；⑦加強與電網(wǎng)調(diào)度部門的協(xié)調(diào)，力求實現(xiàn)“在7月6日，將水庫水位升高至2115m以上；在3月6日之前，保持水庫水位高于2110m”，這對優(yōu)化調(diào)度效果的影響至關(guān)重要；⑧計算分析得出增大汛期限制水位值(改變旬限水位曲線)和汛末短期超正常蓄水位蓄水的可行方案并實施，在確保安全的前提下多發(fā)電；⑨在不斷地積累完善優(yōu)化調(diào)度程序所需的各類數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析各電站運行數(shù)據(jù)的基礎上，持續(xù)地維護改進優(yōu)化調(diào)度程序的代碼，使優(yōu)化調(diào)度程序的計算結(jié)果更加實用、使優(yōu)化調(diào)度的收益不斷提高。

6 水庫調(diào)度工作成效的評價指標

實際的水庫調(diào)度工作是在無法準確預先知道水庫未來入庫流量的情況下，由調(diào)度人員根據(jù)事先制定的水庫調(diào)度原則和一些實際情況下達調(diào)度指令來完成的。水庫調(diào)度人員的工作好壞一般沒有明確而可靠的數(shù)值指標予以評價。如果有可靠的評價指標，就能直觀地判斷出某調(diào)度年內(nèi)的水庫調(diào)度工作的好壞，這有利于激發(fā)水庫調(diào)度人員的工作積極性和創(chuàng)造性，最終起到提高水庫優(yōu)化調(diào)度收益的目的。

在一個調(diào)度年結(jié)束后，根據(jù)該調(diào)度年內(nèi)的入庫流量數(shù)據(jù)進行水庫確定性優(yōu)化調(diào)度計算可以得出理論上最大的年發(fā)電收益，假定該值為M1。用該調(diào)度年內(nèi)實際的日發(fā)電量乘以表3中的電價并累加可以得出虛擬的年發(fā)電收益，假定該值為M2。M2/M1是小于1的數(shù)，其值越大，說明水庫調(diào)度工作越好。M2/M1可以消除不同調(diào)度年入庫流量的差異，反映出水庫調(diào)度工作的優(yōu)劣，建議采用“調(diào)度比”，即M2/M1作為水庫調(diào)度工作成效的評價指標。