淺論水力發(fā)電的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

馬衛(wèi)東

【摘 要】 我國(guó)水電運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，僅從軟件方面著手，編制科學(xué)合理的運(yùn)行調(diào)度方案，在增加投入不多的情況下，就可以使其發(fā)電效益在原有的基礎(chǔ)上再提高，由此可見(jiàn)，用信息技術(shù)帶動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)在電力行業(yè)的必要性，并且有非常廣闊的前景。本文主要闡述了水力發(fā)電的現(xiàn)狀及人工智能化，如何更好的使用經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】 水力發(fā)電；運(yùn)行現(xiàn)狀；人工智能化；經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

On the safe and economic operation of hydropower

Ma Wei-dong

(Ili Ino Hydropower Co., Ltd Yili Xinjiang 835000) 

【Abstract】 Our experience shows that running water and electricity, only from the software aspects, the preparation of the scientific and reasonable operation scheduling program, to increase investment in limited circumstances, you can make it effective in generating further increase based on the original, shows that the use of information technology driven by the need for traditional industries in the power industry, and has a very promising future. This paper describes the current situation and artificial intelligence hydroelectric, how to better use the economy.

【Key words】 Hydropower;Running status quo;Artificial intelligence;Economic operation

1. 前言

（1）隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力生產(chǎn)的供需矛盾也日見(jiàn)突出，在國(guó)家加大新的電源、電網(wǎng)投資、建設(shè)的同時(shí)，如何充分發(fā)揮現(xiàn)有電站的潛能，提高其水能利用率，使水電站的運(yùn)行由粗放式轉(zhuǎn)向集約化，引起了發(fā)電企業(yè)的廣泛關(guān)注。

（2）歐、美發(fā)達(dá)國(guó)家優(yōu)化運(yùn)行資料表明，大型水電站廠內(nèi)優(yōu)化運(yùn)行的效益為0.5%～3.0%。八十年代中期，我國(guó)某年平均發(fā)電量22億KW.h的水電站，實(shí)行廠內(nèi)優(yōu)化運(yùn)行后，效益提高4.6％，增加發(fā)電量1.03億KW.h。我國(guó)水電運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，僅從軟件方面著手，編制科學(xué)合理的運(yùn)行調(diào)度方案，在增加投入不多的情況下，就可以使其發(fā)電效益在原有的基礎(chǔ)上再提高約(2～6)％［1］；到2001年底，全國(guó)已建成中小水電站65000多座，遍布全國(guó)1600多個(gè)縣；由此可見(jiàn)，用信息技術(shù)帶動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)在電力行業(yè)的必要性，并且有非常廣闊的前景。

2. 水電行業(yè)運(yùn)行現(xiàn)狀

2.1 改革開(kāi)放以來(lái)，水電建設(shè)更是迅猛發(fā)展，工程規(guī)模不斷擴(kuò)大。50年代至60年代初，主要修復(fù)豐滿大壩和電站，續(xù)建龍溪河。古田等小型工程，著手開(kāi)發(fā)一些中小型水電（如官?gòu)d、淮河、黃壇口、流溪河等電站）。在50年代后期條件逐步成熟后，對(duì)一些河流進(jìn)行了梯級(jí)開(kāi)發(fā)，如獅子灘、鹽鍋峽、拓溪、新豐江、新安江、西津和貓?zhí)?、以禮河等工程。60年代中期到70年代末這段時(shí)期內(nèi)開(kāi)工的有龔嘴、映秀灣、烏江渡、碧口、鳳灘、龍羊峽、白山、大化等工程。70年代初第一座裝機(jī)容量超過(guò)1000 mw的劉家峽水電站投產(chǎn)。80年代容量2715 mw的葛洲壩水電站建成，之后一系列大水電站相繼建設(shè)，容量18200mw的三峽工程也于1994年正式開(kāi)工；到2000年底，全國(guó)規(guī)模超過(guò)1000 mw已建和在建的大水電站（不包括蓄能電站）已有18座。 

2.2 除了常規(guī)水電站以外，我國(guó)抽水蓄能電站的建設(shè)也取得很大的成績(jī)。抽水蓄能電站主要建于水力資源較少地區(qū)，以適應(yīng)電力系統(tǒng)調(diào)峰的需要。已建的主要抽水蓄能電站如下：

廣州抽水蓄能電站總裝機(jī)容易240萬(wàn)KW，是中國(guó)第一座也是目前世界上最大的抽水蓄能電站。電站分兩期建設(shè)，總裝機(jī)8臺(tái)，每期4臺(tái)，采用30萬(wàn)KW容量可逆式高參數(shù)抽水蓄能機(jī)組，設(shè)計(jì)水頭535m，額定轉(zhuǎn)速500 r／min，綜合效率76％。 

2.3 江天荒坪抽水蓄能電站，總裝機(jī)容量為180萬(wàn)KW（6x 30萬(wàn)KW），屬日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，年抽水耗電量42．80億KWh。華北電網(wǎng)最大的抽水蓄能電廠十三陵抽水蓄能電站，以“十三陵水庫(kù)”為下池，采用懸掛式塑性混凝土防滲墻技術(shù)進(jìn)行防滲處理，電廠安裝4臺(tái)20萬(wàn)KW混流河逆式水泵水輪機(jī)、電動(dòng)一發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量80萬(wàn)KW。 

2.4 河北潘家口的混合式抽水蓄能電站，裝有1臺(tái)15萬(wàn)KW常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組，還有3臺(tái)抽水蓄能機(jī)組，每臺(tái)9萬(wàn)KW，合計(jì)裝機(jī)容量42萬(wàn)KW。此外，我國(guó)在西藏還建設(shè)了世界上海拔最高的抽水蓄能電站羊卓雍湖抽水蓄能電站。其它抽水蓄能電站還有河南寶泉抽水蓄能電站、安徽瑯琊山抽水蓄能電站、山東泰安抽水蓄能電站、浙江桐柏抽水蓄能電站、江蘇宜興抽水蓄能電站、河北張河灣抽水蓄能電站。

2.5 在水力發(fā)電領(lǐng)域，傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方法，主要有：微增率法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、分支界法以及據(jù)每臺(tái)機(jī)組最大可能出力按比例分配負(fù)荷的折中方法（目前的水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行大多采用此方法），其中動(dòng)態(tài)規(guī)劃法和分支界法更多的是求解問(wèn)題的思維方式，其實(shí)現(xiàn)須采取具體的綜合策略，微增率法是根據(jù)總出力與總耗水量的函數(shù)關(guān)系由微分學(xué)的極小值定理導(dǎo)出，具有理論上的嚴(yán)謹(jǐn)性。目前我國(guó)的AGC應(yīng)用主要基于電網(wǎng)調(diào)度，針對(duì)水頭變化?。创髱?kù)容）的電站，根據(jù)網(wǎng)上的需要確定其負(fù)荷，然后用微增率法在機(jī)組間分配負(fù)荷，即定負(fù)荷→最小化流量。從使用的情況來(lái)看，由于軟件編制的出發(fā)點(diǎn)不是基于水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況，從而導(dǎo)致有些電站使用效果很不理想。如黃河中游的萬(wàn)家寨電站單機(jī)出力180MW，裝機(jī)6臺(tái)，由天阿公司和?？乒局圃?，由于AGC軟件負(fù)荷分配不合理，導(dǎo)致其機(jī)組長(zhǎng)期在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，葉片與上冠處出現(xiàn)裂紋，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來(lái)了極大的隱患。

2.6 任何科學(xué)問(wèn)題都離不開(kāi)其論域。由于微增率法是根據(jù)數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)而來(lái)，其工程實(shí)用面臨很大的實(shí)現(xiàn)難題：

（1）要求所有的并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的微增率隨功率變化的曲線下凹；流量隨功率變化應(yīng)為均勻的條件在實(shí)際運(yùn)行的機(jī)組中是不可滿足的。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是通過(guò)實(shí)驗(yàn)定型的，微增率只是其派生出來(lái)的表象參數(shù)，且隨功率變化的曲線凹凸是無(wú)確定規(guī)律的，因而流量也并不隨功率變化而均勻變化。

（2）用微增率法，對(duì)于連續(xù)的工況變化求取微增率是不可實(shí)現(xiàn)的。水輪機(jī)的綜合特性曲線是一種試驗(yàn)曲線，無(wú)論以何種檢索方式都需要確定檢索步長(zhǎng)和目標(biāo)區(qū)間，面對(duì)微增率變化無(wú)確定規(guī)律的特性曲線，確定檢索步長(zhǎng)和目標(biāo)區(qū)間都無(wú)依據(jù)，只能修正綜合特性曲線，犧牲解算精度，滿足工程要求。

（3）實(shí)際運(yùn)行中廠內(nèi)優(yōu)化與電站水頭密切相關(guān)，傳統(tǒng)的方法需要在電站最大水頭與最小水頭之間，取若干個(gè)水頭，分別作出優(yōu)化運(yùn)行總圖，以便確定在不同水頭及給定的全廠負(fù)荷時(shí)投入運(yùn)行的機(jī)組臺(tái)數(shù)、組合方式以及負(fù)荷在投入運(yùn)行機(jī)組之間的分配。這樣使連續(xù)變化的水頭產(chǎn)生階躍，若輔之以插值，插值規(guī)律又是不確定的，降低了解算精度。

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3. 水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行人工智能化

計(jì)算機(jī)技術(shù)與其他工程技術(shù)的融合而引起的設(shè)計(jì)思路的創(chuàng)新已成為當(dāng)今社會(huì)的顯著特征。人工智能是一門研究用計(jì)算機(jī)模擬和執(zhí)行人腦的某些智力功能的交叉學(xué)科。知識(shí)是人工智能的基礎(chǔ)，對(duì)于水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行而言知識(shí)主要包括以下三個(gè)方面：

（1）確定性規(guī)則知識(shí)：如功率、單位轉(zhuǎn)速、單位流量的計(jì)算。

（2）確定性事實(shí)知識(shí)：如水輪機(jī)的綜合特性曲線、水庫(kù)特性、電站下游水位流量關(guān)系、泄洪和電站引水設(shè)備的特性。

（3）不確定性事實(shí)知識(shí)：如水輪機(jī)的振動(dòng)區(qū)域、電站年徑流曲線和特性等；綜合數(shù)據(jù)庫(kù)是由水輪機(jī)的綜合特性曲線、水庫(kù)特性、電站下游水位流量關(guān)系、泄洪和電站引、排水設(shè)備特性等組成，是產(chǎn)生式系統(tǒng)中使用的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。產(chǎn)生式規(guī)則是知識(shí)表示的重要部分，是對(duì)問(wèn)題空間的數(shù)學(xué)模型透徹了解后產(chǎn)生的方法空間。工程實(shí)際中的問(wèn)題通常是復(fù)雜的、多層面的；而方法空間則是從不同側(cè)面、不同視角審視問(wèn)題空間而形成的方法集。要模擬人類的智能活動(dòng)，必須解決組合爆炸問(wèn)題，即從問(wèn)題空間復(fù)雜的組合中剔除不可能同時(shí)出現(xiàn)的情況。搜索策略的好壞不僅能決定程序效率的高低，同時(shí)也影響著相關(guān)參數(shù)是否收斂于目標(biāo)集，即應(yīng)用軟件是否成功。搜索策略是人工智能系統(tǒng)的核心部分，它是利用知識(shí)表示、控制和協(xié)調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)部分對(duì)當(dāng)前問(wèn)題進(jìn)行求解的。產(chǎn)生式系統(tǒng)控制策略的作用，就是從規(guī)則集中選取規(guī)則，并作用于綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，從初始狀態(tài)出發(fā)，尋求一個(gè)滿足一定條件的問(wèn)題狀態(tài)。

4. 水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

在展開(kāi)該問(wèn)題的討論之前，先引入組態(tài)效率這一概念。實(shí)際在水電站機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行中，當(dāng)水頭一定，最后的總出力是由各機(jī)組不同工況的組合而成，即N=SNi=N1+N2+???+Nnn為機(jī)組并聯(lián)臺(tái)數(shù)Ni為第i臺(tái)機(jī)的出力Q=SQi=Q1+Q2+???+Qnn為機(jī)組并聯(lián)臺(tái)數(shù)Qi為第i臺(tái)機(jī)的流量 而組態(tài)效率：ηz=N/（9.81'Q/H），它反映出了水能的總利用率。

4.1 水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

（1）出力一定，流量最小化<以下簡(jiǎn)稱為控制出力>為了保持電網(wǎng)的供需平衡，現(xiàn)在的AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）軟件往往是根據(jù)網(wǎng)上的需求給電站一個(gè)總負(fù)荷，再在電廠內(nèi)優(yōu)化出力組合，即耗水量最少。

（2）流量一定，出力最大化<以下簡(jiǎn)稱為控制流量>我國(guó)大多數(shù)中小水電站的實(shí)際資源情況有如下特征：A.庫(kù)容小甚至無(wú)庫(kù)容(徑流式電站)；B.流量隨季節(jié)變化大。

4.2 如何利用有限的流量多發(fā)電，并使機(jī)組協(xié)聯(lián)于穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，保持組態(tài)效率最高呢？

（1）能進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，并根據(jù)預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行校正；

（2）根據(jù)電力系統(tǒng)的調(diào)度計(jì)劃或水電站水庫(kù)的來(lái)水及當(dāng)時(shí)的水位等情況，確定出水電站的日負(fù)荷計(jì)劃，在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行水電站廠內(nèi)負(fù)荷的實(shí)時(shí)自動(dòng)給定；

（3）在給定的全廠負(fù)荷下，進(jìn)行工作機(jī)組臺(tái)數(shù)和機(jī)組組合的最優(yōu)化計(jì)算，并按最優(yōu)化準(zhǔn)則選擇工作機(jī)組的臺(tái)數(shù)和機(jī)組號(hào)，實(shí)現(xiàn)工作機(jī)組間負(fù)荷的最優(yōu)分配；

（4）根據(jù)水電站的日負(fù)荷計(jì)劃或即將面臨的負(fù)荷預(yù)測(cè)資料，事先進(jìn)行機(jī)組啟、停最優(yōu)化計(jì)算，確定改變工作機(jī)組組合的合理性，使機(jī)組的啟，停按最優(yōu)化準(zhǔn)則進(jìn)行；

（5）對(duì)調(diào)頻水電站，即在電力系統(tǒng)中承擔(dān)系統(tǒng)負(fù)荷瞬時(shí)變化調(diào)節(jié)任務(wù)的水電站，在電站機(jī)組要改變運(yùn)行工況時(shí)，如增負(fù)荷，減負(fù)荷、停機(jī)或啟動(dòng)新的工作機(jī)組等，進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，尋找出改變水電站機(jī)組工況的最優(yōu)控制規(guī)律，并進(jìn)行機(jī)組間隨機(jī)負(fù)荷的最優(yōu)分配和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；

（6）當(dāng)水電站按給定負(fù)荷運(yùn)行或作調(diào)頻運(yùn)行時(shí)，可實(shí)時(shí)進(jìn)行負(fù)荷偏差的檢測(cè)；當(dāng)水電站的出力和系統(tǒng)要求的負(fù)荷值存在偏差時(shí)，依據(jù)實(shí)際偏差值，及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)與控制；

（7）具有自動(dòng)、手動(dòng)兩套功能：在正常情況下，由實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)化計(jì)算出的結(jié)果，并按最優(yōu)準(zhǔn)則可自動(dòng)改變機(jī)組的運(yùn)行狀況；在特殊情況下，可以通過(guò)輸出設(shè)備進(jìn)行顯示，給出按優(yōu)化準(zhǔn)則改變水電站機(jī)組運(yùn)行工況的操作指令，運(yùn)行人員可根據(jù)指令由手動(dòng)操作執(zhí)行；

（8）定期對(duì)各機(jī)組當(dāng)前的動(dòng)力持性進(jìn)行實(shí)測(cè)，并對(duì)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析和處理，比較機(jī)組當(dāng)前的動(dòng)力特性和優(yōu)化運(yùn)行計(jì)算所依據(jù)的機(jī)組動(dòng)力特性之間是否存在偏差。當(dāng)偏差超過(guò)允許值時(shí)，能及時(shí)進(jìn)行修正。修正后的機(jī)組動(dòng)力特性存入數(shù)據(jù)庫(kù)，作為下一階段確定優(yōu)化運(yùn)行方式的依據(jù)；

（9）通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕循環(huán)顯示計(jì)劃的最優(yōu)運(yùn)行方式、操作調(diào)節(jié)指令、操作控制實(shí)況，當(dāng)前廠內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行方式及相關(guān)的技術(shù)數(shù)據(jù)等信息，便于水電站運(yùn)行和管理人員進(jìn)行監(jiān)控；

（10）數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，可存儲(chǔ)電站的運(yùn)行參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)、設(shè)備情況等資料及二次數(shù)據(jù)及時(shí)貯存，并按需要生成表格，打印成報(bào)表；

（11）能通過(guò)歷史數(shù)據(jù)智能學(xué)習(xí)，完成自動(dòng)尋找最佳水頭和最佳流量，可實(shí)現(xiàn)水資源的長(zhǎng)期、中期和實(shí)時(shí)的優(yōu)化；

5. 能實(shí)現(xiàn)機(jī)組協(xié)聯(lián)運(yùn)行于穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，保證機(jī)組長(zhǎng)期高效、穩(wěn)定運(yùn)行

隨著國(guó)家電力體制的改革，成立了五大發(fā)電公司和兩大電網(wǎng)，為水資源梯級(jí)、流域甚至跨流域的調(diào)度和水、火電聯(lián)合調(diào)節(jié)創(chuàng)造了非常有利的條件，且在應(yīng)用過(guò)程中需對(duì)水電站所屬流域的水文、氣象資料進(jìn)行采集與數(shù)字化處理，為以后綜合運(yùn)用遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體及虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等現(xiàn)代高新技術(shù)建立“數(shù)字流域”奠定基礎(chǔ)，而“數(shù)字流域”包括全流域的地理環(huán)境、自然資源、生態(tài)環(huán)境、人文景觀、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)狀態(tài)等各種信息，可作為各級(jí)政府或職能部門有效地管理整個(gè)流域的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，作出宏觀的資源利用與開(kāi)發(fā)等決策的依據(jù)。

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［文章編號(hào)］1619-2737（2014）06-26-363

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