上猶江水電廠區(qū)域水電站水庫群優(yōu)化調度探討

蔡澤洪，陳衛(wèi)東

（中電投江西電力有限公司上猶江水電廠，江西贛州，341200）

0 引言

江西上猶江水電廠是在“一五”期間建成的發(fā)電企業(yè)，現(xiàn)隸屬于中電投江西電力股份有限公司。隨著企業(yè)發(fā)展，該廠在原有上猶江水電站基礎上，近年來又收購了瑞金留金壩水電站，在貢水于都境內興建了躍洲和峽山兩座水電站，目前擁有四座中、小型水電站，總裝機16.4萬kW。四座水電站分別位于贛江的章水和貢水流域支流上，形成了由上猶江水電廠管控的一個區(qū)域性混合水電站水庫群。

目前四座水電站在發(fā)電運行和水庫調度工作上基本是獨立控制和管理的，針對此現(xiàn)狀，該廠將建設集控管理中心，對四座水電站進行遠程集中運行控制和管理，以充分利用現(xiàn)有的資源和設施，并進一步采用現(xiàn)代的水庫優(yōu)化調度技術和計算機、網(wǎng)絡通信等先進技術，實現(xiàn)對四座水電站水庫群在水力、電力方面的優(yōu)化調度，提高區(qū)域性水電站群的整體安全和經(jīng)濟效益。

1 概述

章水和貢水為贛江兩大支流，處于贛江水系上游，流域內山地縱橫，支流眾多，主要有湘水、濂江、梅江、平江、桃江、上猶江等，分別匯入章水和貢水，章、貢兩水在贛州市章貢區(qū)八境臺匯合后始稱贛江。

上猶江水電站位于章水的支流上猶江上，流域集水面積2 750 km2，占上猶江流域的60.2%，壩址多年平均流量82 m3/s。水庫總庫容8.222億m3，防洪庫容1.01億m3，興利庫容4.71億m3，庫容系數(shù)19%，為不完全年調節(jié)水庫。電站總裝機容量為72 MW，多年平均發(fā)電量2.33億kW·h，保證出力1.79萬kW。留金壩水電站位于貢水一級支流梅江上，2006年建成投入運行，流域集水面積5 790 km2，壩址多年流量178 m3/s，屬于日調節(jié)水庫，裝機容量為20 MW。躍洲電站和峽山電站先后于2012年和2013年建成投入運行，這兩座電站相距約22 km，壩址以上集水面積分別為14978km2和16 013km2，多年平均流量分別為406 m3/s和434 m3/s，均為徑流式電站，兩個電站的裝機容量均為3×12 MW。

上述四座水電站，上猶江水電站所處河流與其他三座無直接水力聯(lián)系。留金壩水電站在貢水上游的支流梅江上，躍洲和峽山在貢水的干流上，相距較近，這三座電站存在一定水力聯(lián)系。四座電站集中管控，電力調度上關系密切，因此在進行區(qū)域水電站遠程控制系統(tǒng)建設時，需要將它們作為統(tǒng)一的整體進行考慮，進行區(qū)域性的電站經(jīng)濟優(yōu)化調度，充分利用水資源，減少棄水損失電量，提高各電站的發(fā)電效益。這要求采取區(qū)域水電站水庫群優(yōu)化調度和發(fā)電集中管控的模式，協(xié)調各電站水庫來水和用水在時間和空間分配上的不一致，對流域水電站水庫群科學合理地進行聯(lián)合多目標調度決策。

2 實現(xiàn)集中控制的區(qū)域水電站水庫群優(yōu)化調度的必要性

2.1 企業(yè)發(fā)展的需要

上猶江水電廠從原來管理一個20世紀50年代建設的電站，到目前管理“一廠四站”的新格局，管理對象和規(guī)模發(fā)生了較大變化，從企業(yè)長遠發(fā)展考慮，探索一種更適合區(qū)域水電站水庫群實際情況的管理模式，對這些水電站實行統(tǒng)一的調度和管理，實現(xiàn)管理和調度的現(xiàn)代化，是企業(yè)當前迫切需要解決的一個新問題。

構建區(qū)域水電站水庫群優(yōu)化調度模式和高效管理模式，可實現(xiàn)對區(qū)域內各水電站的集中優(yōu)化調度控制和統(tǒng)一生產管理，同時還能夠精減人員，減少管理系統(tǒng)重復建設和相關的設備、裝置和物資材料重復儲備等情況，可有效地節(jié)約企業(yè)人力、物力，降低生產成本，促進企業(yè)的進一步發(fā)展。

2.2 實現(xiàn)企業(yè)發(fā)電效益最大化的需要

實現(xiàn)區(qū)域水電站集中優(yōu)化調度，可使區(qū)域各水庫在水量利用、水力和電力調度運用上發(fā)揮一定的補償調節(jié)作用，使有限的水資源得到充分的利用。在幾乎不增加任何額外投資的條件下，便可獲得顯著的經(jīng)濟效益。通過區(qū)域水庫優(yōu)化調度，還可以更好地解決各用水部門之間的矛盾，提高水庫的管理水平。

2.3 企業(yè)安全生產的需要

發(fā)電企業(yè)必須堅持安全第一的思想，通過區(qū)域水電站集中優(yōu)化調度，可以集中監(jiān)控各水電站水庫的水情、工情，實現(xiàn)各種信息的共享。在此基礎上有針對性地制訂相應的控制運用措施和調度方案，確保區(qū)域各水電站水庫的安全運行。

3 區(qū)域水電站水庫群集中優(yōu)化調度的目標和措施

區(qū)域水電站水庫群優(yōu)化調度的目標是滿足各區(qū)域各電站的安全、優(yōu)化運行及水庫綜合利用，最大限度減少棄水，提高水能利用率，通過加強梯級水庫聯(lián)合優(yōu)化調度，從而獲得區(qū)域水電站整體最多發(fā)電量和最大社會經(jīng)濟效益。

目前該廠區(qū)域各水電站根據(jù)庫區(qū)實際情況和水庫運行調度的實際需求，分別建設了水情自動測報系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了先進的計算機、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫、光纖通信等技術，開發(fā)了水庫調度自動化系統(tǒng)，能夠實時監(jiān)測水庫的運行情況，并能夠根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)開展洪水預報調度和發(fā)電運行調度各項工作，為下一步將要進行的區(qū)域集控中心的建設打下了良好基礎。

3.1 區(qū)域水電站水庫優(yōu)化調度模式分析

贛江的章水和貢水流域地理位置和特性都基本相同，流域內的徑流主要分為兩個時期，一般每年的4～9月為豐水期，10月至次年2月為枯水期。其中4～6月主要為鋒面降雨，往往形成峰高量大的洪水，7～9月洪水一般由臺風雨形成，洪水過程較尖瘦，這個階段主要為水庫蓄水期；雨季結束至次年雨季開始期間為水庫供水期。因此，對區(qū)域各水庫在運行調度策略上，要把握汛期來水的分期和雨季開始、雨水集中期、雨季結束三個特征時段，開展優(yōu)化調度。

3.1.1 區(qū)域水電站水庫防洪調度

上猶江水庫為不完全年調節(jié)，設計是以發(fā)電為主，兼有防洪等綜合效益的水利樞紐工程；躍洲、峽山及留金壩梯級電站均為河床徑流式，水庫調節(jié)能力差。因此在區(qū)域水電站水庫群防洪調度方面，上猶江水庫需要預留一定的防洪庫容，根據(jù)洪水分期開展預報調度，防洪調度主要在確保大壩和水庫安全的前提下，承擔上猶江河段一定標準內洪水的防洪任務，削減上猶江下游和章江洪峰。躍洲、峽山及留金壩在防洪任務上主要以確保大壩和水庫本身的安全為主，同時在洪水過程中盡可能降低上游水位，減少庫區(qū)淹沒損失。具體控制原則如下：

（1）上猶江水庫調洪過程中，根據(jù)洪水預報，先考慮按下游主要防洪區(qū)防洪標準（重現(xiàn)期10～20年）確定泄洪規(guī)則，超過下游防洪標準后，則按大壩安全的防洪標準進行調度。

（2）留金壩電站位于貢水流域的支流，距于都兩個電站較遠，其洪水調度對貢水于都的躍洲、峽山電站影響不太大。因此，留金壩電站的洪水調度主要考慮單庫防洪運用，以保證大壩安全為主，兼顧上游的淹沒損失。

（3）峽山電站位于躍洲電站下游，兩者之間距離不遠，水力聯(lián)系密切，但防洪庫容有限。各電站沒有下游防洪任務，主要是保證大壩和水電站建筑物防洪安全。峽山電站的防洪標準較躍洲電站高，為確保梯級電站的防洪安全，可進行聯(lián)合洪水調度，調度過程中兼顧上游的淹沒損失。

（4）各電站水庫調節(jié)方式主要為：來水量小于額定的發(fā)電流量時，在洪水入庫前，電站機組應加大負荷運行，騰空庫容，盡量降低水庫水位；來水量小于壩閘泄洪能力時，電站根據(jù)來水預報和實時測算成果，逐步開啟閘門，使庫水位保持在正常高水位；當來水量大于泄洪能力時，閘門全開自由泄流；一次洪水主峰過后，水庫水位回落到正常高水位時，按來水量下泄，水庫維持正常蓄水位運行。

3.1.2 區(qū)域水電站水庫發(fā)電調度

在發(fā)電調度方面，可以根據(jù)電力調度部門對電廠區(qū)域下達的總體發(fā)電負荷，根據(jù)區(qū)域各電站水庫當前面臨和后期預報來水情況、實時庫水位和機組運行檢修等情況，合理安排區(qū)域內各電站的發(fā)電負荷。由于區(qū)域內除上猶江水庫有一定的調節(jié)能力外，其他電站水庫均無調節(jié)庫容，而且貢水流域的三座電站上游目前也尚無具有較大調節(jié)能力的龍頭水庫，因此，區(qū)域水電站發(fā)電調度時，應先保證貢水三座電站的負荷，在來水大時均在基荷位置運行，然后再安排上猶江電站的負荷，也就是說把上猶江電站作為區(qū)域負荷的綜合調節(jié)水庫。

貢水的留金壩、躍洲和峽山三座電站在任何時刻的出力主要取決于河道當時的天然流量，各時段的出力彼此無關，基本上按來水流量發(fā)電。當來水流量大于電站水輪機的過水能力時，水電站滿出力運行，多余的水量不通過機組發(fā)電，直接經(jīng)泄水道泄向下游；當來水較少時，全部來水通過機組發(fā)電，但有部分裝機容量因缺水而未被利用。另外，由于上猶江水庫調節(jié)庫容和裝機容量均較大，在兩個流域同時出現(xiàn)較大來水時，各徑流式電站將因泄洪造成水頭小不能發(fā)電，因此在這個階段，需要及時調整各電站的出力，盡可能保證上猶江電站滿負荷運行，以減少棄水損失，同時可重復利用水庫庫容，增加發(fā)電效益，而使區(qū)域整體發(fā)電量最大化。各電站的優(yōu)化調度應綜合考慮當時水電系統(tǒng)的運行狀態(tài)（水庫水位、流量等）和電網(wǎng)的實際狀況，制定本水庫切實可行的運行方案，靈活運用與實施。具體運用原則如下：

（1）在確保大壩工程以及機組設備安全的前提下，充分利用水資源，使整個區(qū)域水電站系統(tǒng)運行最經(jīng)濟，主要使整個系統(tǒng)發(fā)電的耗水量最小，或者發(fā)電量最大。

（2）在保證供電可靠的前提下，盡量使各機組在高效率區(qū)運行，避開氣蝕和振動比較嚴重的工況區(qū)。

（3）各電站在汛期基荷運行、平水和枯水期可參與區(qū)域水電站聯(lián)合調峰、調頻?？菟诎l(fā)電運行應根據(jù)各電站各種機組動力特性、水庫面臨來水、水庫水位及負荷計劃，合理安排各電站及各機組的啟動次序和分配負荷。

（4）洪水過程中可利用預報時間和洪水產生至庫區(qū)的時間之和，加大機組出力，盡量降低水庫水位。洪水上漲接近汛限水位時逐步加大泄水流量，最大洪水流量過程結束時，調整水庫下泄流量使水庫水位逐步提高。整個洪水流量過程結束時，水庫水位控制在最高汛限水位。

（5）平水期或枯水期豐水段，當日平均入庫流量大于各電站單機設計額定流量、小于各電站所有機組設計額定流量的總量（總的引用流量）時，可實行各電站間動態(tài)補償調節(jié)。

（6）對貢水三座徑流式電站，應盡可能將水位控制在正常水位，保證發(fā)電機在高水頭高效率區(qū)運行；當水庫來水小于電站所有機組額定流量時，盡量蓄高水庫水位，保持高水頭，并根據(jù)三座電站總負荷的分配安排各臺機組負荷，使尾水位維持在較低位，機組效率區(qū)保持在70%～94%為宜。

（7）各電站在保證發(fā)電運用的同時，應根據(jù)水庫上下游用水部門的要求，做好灌溉、供水和航運等調度。

3.1.3 區(qū)域水電站廠內經(jīng)濟運行

根據(jù)各電站面臨時間段的水頭、入庫流量和負荷安排，按照等微增率原則確定機組運行臺數(shù)及各臺機組的負荷分配，實現(xiàn)機組協(xié)聯(lián)運行于穩(wěn)定區(qū)域，保證機組長期高效、穩(wěn)定運行。具體步驟：

（1）根據(jù)水電站來水情況、日負荷計劃或即將面臨的負荷預測，事先進行機組啟、停最優(yōu)化計算；

（2）確定工作機組組合的合理性，使機組的啟、停按最優(yōu)化準則進行，在實際運行中進行廠內負荷的實時自動給定；

（3）在給定的全廠負荷下，進行工作機組臺數(shù)和機組組合的最優(yōu)化計算，并按最優(yōu)化準則選擇工作機組的臺數(shù)和機組號，實現(xiàn)工作機組間負荷的最優(yōu)分配。

3.2 區(qū)域水電站水庫群發(fā)電實時優(yōu)化調度基本準則

區(qū)域水電站群優(yōu)化調度控制不是簡單意義上的負荷優(yōu)化分配，而是要求把區(qū)域電站作為一個整體來制定優(yōu)化發(fā)電方案，并進行電站間及站內負荷優(yōu)化分配、區(qū)域各電站水位動態(tài)控制等一系列的優(yōu)化調度。多樣的決策和控制目標決定了區(qū)域水電站群優(yōu)化調度控制存在多個優(yōu)化準則。在不同的調度任務中，可由調度人員決定采用相應的優(yōu)化準則，編制具體的調度方案。

上猶江電廠區(qū)域水電站群發(fā)電調度的優(yōu)化準則可采用最大發(fā)電量準則、最大蓄能量準則及最低庫水位越限程度準則。在系統(tǒng)的研制過程中，需要對不同優(yōu)化準則的適用情況、調度模型及優(yōu)化算法做詳細的分析和研究，以選擇可行合理的優(yōu)化調度控制運用方案和模型。

3.2.1 約束條件

由多個水電站水庫以串聯(lián)方式組合而成的，根據(jù)實際運行的要求，選擇梯級水電站水庫在整個調度期內總發(fā)電量最大作為優(yōu)化調度的目標函數(shù)，其表達式為

式中：Pij為第i個水電站第t個時段的出力;τi為第t個時段的時段長；T為調度期時段數(shù)；n為梯級水電站的個數(shù)。

約束條件：

式中：為第m個水庫的最低蓄水位；為第m個水庫發(fā)電允許的最高蓄水位，在汛期一般對應汛限水位，在非汛期一般對應正常蓄水位。

（2）出力約束：≤Pm,t≤?t

式中：為第m個水電站的出力下限；為第m個水電站的出力上限。

（3）泄量約束：≤qm,t≤?t

式中：為第m個水庫的放水量下限；為第m個水庫的放水量上限。

（4）水量平衡：Vm,t+1=Vm,t+(Q入m,t-Q出m,t)Δt?t

式中：Vm,t+1、Vm,t分別為第m個水庫t＋1時段、t時段的水庫蓄水量;Q入m,t、Q出m,t分別為第m個水庫t時段的入庫流量、出庫流量；Δt為時段長。

3.2.2 優(yōu)化算法

目前，水電站優(yōu)化調度控制中常用的優(yōu)化算法主要有等微增率法、基因遺傳算法、動態(tài)規(guī)劃算法、逐步優(yōu)化算法。就這些優(yōu)化算法在國內外許多單個水電站短、中、長期優(yōu)化調度以及梯級水電站群短、中、長期優(yōu)化調度中的應用開展了大量的研究和仿真計算，取得了很好的成果。

上猶江水電廠區(qū)域水電站群優(yōu)化調度控制系統(tǒng)可使用各類改進動態(tài)規(guī)劃算法來進行區(qū)域水電站群優(yōu)化調度最優(yōu)化計算。為確保優(yōu)化計算快速準確，在區(qū)域集控系統(tǒng)建設中，要求研發(fā)各類改進動態(tài)規(guī)劃算法的軟件系統(tǒng)平臺，建立優(yōu)化調度的模型，在實時運行過程中根據(jù)面臨和預報的雨水情、工情和電網(wǎng)運行等情況，進行優(yōu)化調度計算，并制訂切實可行的區(qū)域水電站群的優(yōu)化調度方案。

4 結語

上猶江水電廠區(qū)域現(xiàn)有的四座水電站在運行方式上基本是“各自為戰(zhàn)”，調度模式相對落后，缺乏統(tǒng)一的梯級或區(qū)域性樞紐調度機構，使整個區(qū)域的電站和流域上、下游有水力聯(lián)系的電站之間出現(xiàn)調度運行不匹配的現(xiàn)象，造成了水能資源浪費，沒有發(fā)揮集中聯(lián)調效益。開展適用于區(qū)域水電站群聯(lián)合優(yōu)化調度的研究探討，提高流域梯級水電系統(tǒng)控制運行水平，科學高效利用流域水能資源，對于滿足電力企業(yè)的市場化發(fā)展需要、貫徹國家“節(jié)能減排”政策、承擔更多社會責任、構建生態(tài)友好型社會等，都具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

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