日調(diào)節(jié)水電站梯級(jí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

劉建峰，金惠英，陳 清，黃 暉

（1. 福建閩興水電有限公司，福建 南平 353000；2. 南京金水尚陽(yáng)信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210008）

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日調(diào)節(jié)水電站梯級(jí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

劉建峰1，金惠英2，陳 清2，黃 暉1

（1. 福建閩興水電有限公司，福建 南平 353000；2. 南京金水尚陽(yáng)信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210008）

摘 要：隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，日調(diào)節(jié)水電站在系統(tǒng)中承擔(dān)的任務(wù)發(fā)生改變，對(duì)梯級(jí)聯(lián)合經(jīng)濟(jì)調(diào)度的需求越發(fā)明顯。以福建省富屯溪流域的三級(jí)日調(diào)節(jié)梯級(jí)水電站為研究對(duì)象，研究日調(diào)節(jié)水電站梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度模型，繪制、開發(fā)出日調(diào)節(jié)水電站聯(lián)合調(diào)度圖與相關(guān)的梯級(jí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度系統(tǒng)軟件，并且通過實(shí)際運(yùn)行，達(dá)到梯級(jí)發(fā)電效益最大的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，證明其具有經(jīng)濟(jì)、管理意義和推廣價(jià)值，對(duì)其它類似梯級(jí)電站開展經(jīng)濟(jì)調(diào)度也有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：日調(diào)節(jié)水電站；梯級(jí)；經(jīng)濟(jì)調(diào)度

近年來，我國(guó)電力裝機(jī)規(guī)模迅速擴(kuò)張，對(duì)水電管理提出了更高的要求。隨著經(jīng)濟(jì)制度的變革，目前水電廠開發(fā)管理實(shí)現(xiàn)了多個(gè)階段的跨越發(fā)展[1]，同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化控制、網(wǎng)絡(luò)通信等信息技術(shù)的快速發(fā)展與深遠(yuǎn)影響，水電廠管理已逐步實(shí)現(xiàn)集中化與信息自動(dòng)化。因此，將充分開發(fā)利用水能資源的水庫(kù)調(diào)度技術(shù)與智能高效的信息科學(xué)相結(jié)合，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)水電精細(xì)化管理是目前水電經(jīng)濟(jì)開發(fā)的需求所向。

隨著梯級(jí)水電站的建設(shè)、增加，水電資源優(yōu)化利用的社會(huì)意義日益凸顯[2]。梯級(jí)水電站水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度研究作為水電能源科學(xué)與信息科學(xué)交叉發(fā)展的前沿研究領(lǐng)域，其研究在國(guó)內(nèi)常有進(jìn)行，但是研究對(duì)象均為年或多年調(diào)節(jié)水電站，實(shí)際上，對(duì)于總數(shù)量上處于大比重的日調(diào)節(jié)水電站，尤其是水庫(kù)銜接的日調(diào)節(jié)梯級(jí)水庫(kù)，進(jìn)行聯(lián)合經(jīng)濟(jì)調(diào)度的潛力是很大的。因?yàn)殡S著電力體制改革的深入，我國(guó)電力工業(yè)實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，庫(kù)容小、裝機(jī)小的日調(diào)節(jié)水電站已不要求調(diào)峰運(yùn)行，可以開展經(jīng)濟(jì)運(yùn)行活動(dòng)，在此背景條件下，福建閩興水電有限公司結(jié)合流域情況提出開展日調(diào)節(jié)梯級(jí)水電站聯(lián)合經(jīng)濟(jì)調(diào)度系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱調(diào)度系統(tǒng)）的研究，并通過此次研究，成功繪制出國(guó)內(nèi)首張日調(diào)節(jié)水庫(kù)梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度圖，開發(fā)了相關(guān)的梯級(jí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度系統(tǒng)，并且在實(shí)際應(yīng)用中有效指導(dǎo)了生產(chǎn)調(diào)度，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了水電廠集中化與精細(xì)化的調(diào)度管理。

1　日調(diào)節(jié)水電站梯級(jí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的研究

1.1研究對(duì)象

日調(diào)節(jié)水電站梯級(jí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度，實(shí)質(zhì)為追求梯級(jí)發(fā)電效益最大化的日調(diào)節(jié)梯級(jí)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。本研究選擇福建閩興水電有限公司管理的富屯溪流域順昌至照口河段梯級(jí)開發(fā)的 3 座日調(diào)節(jié)水電站——洋口、峽陽(yáng)及照口水電站作為研究對(duì)象，在于這 3 座水電站具有全國(guó)大部分日調(diào)節(jié)梯級(jí)水電站的普遍共同點(diǎn)，同時(shí)也是研究的重要前提條件，即日調(diào)節(jié)庫(kù)容絕對(duì)值小，裝機(jī)容量絕對(duì)值較小，上下游電站銜接。這在一定程度上保證了研究成果的普適性。

3 座水電站全為低水頭、河床式日調(diào)節(jié)水電站，其中，洋口水電站為梯級(jí)開發(fā)的第 1 級(jí)電站，設(shè)計(jì)發(fā)電量為 2.047 億kW?h；位于第 2 級(jí)的峽陽(yáng)水電站的設(shè)計(jì)年發(fā)電量為1.925 億kW?h；最后 1 級(jí)水電站為照口水電站，下接沙溪口水庫(kù)末端，設(shè)計(jì)年發(fā)電量為 2.245 億kW?h，控制流域面積 13 500 km2，占富屯溪全流域面積的 98.3%。

1.2研究技術(shù)路線

日調(diào)節(jié)梯級(jí)水電站的聯(lián)合調(diào)度與年、多年調(diào)節(jié)梯級(jí)水電站的主要不同點(diǎn)在于單向性。國(guó)內(nèi)常有研究的年、多年調(diào)節(jié)水電站梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度均為雙向的，即上下游電站相互影響，利用電站間的補(bǔ)償關(guān)系實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，但是作為調(diào)節(jié)庫(kù)容較小的日調(diào)節(jié)電站，裝機(jī)容量絕對(duì)值小，梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度實(shí)際上是單向的，電站間不再是補(bǔ)償關(guān)系，而是一種同步關(guān)系，這也是國(guó)內(nèi)以往研究中所忽視的。本次研究以富屯溪上洋口、峽陽(yáng)及照口水電站組成的日調(diào)節(jié)水電站梯級(jí)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度為核心內(nèi)容，技術(shù)路線具體如圖 1 所示，研究成果不僅是日調(diào)節(jié)水電站梯級(jí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，更是梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度研究的創(chuàng)新。

圖1　洋口、峽陽(yáng)與照口水電站梯級(jí)聯(lián)合經(jīng)濟(jì)調(diào)度研究技術(shù)路線圖

1.3研究成果

一般日調(diào)節(jié)水電站若要達(dá)到經(jīng)濟(jì)調(diào)度的目的，不論是枯季還是汛期，均需要將運(yùn)行水位置于最高處——正常高水位運(yùn)行，此時(shí)電站發(fā)電水頭最大，在同樣來水條件下必然多發(fā)電。本次研究通過對(duì)水電站水頭、水量效益的計(jì)算與對(duì)比分析，可以確定洋口、峽陽(yáng)與照口梯級(jí)水電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的主攻方向是充分利用水頭，即水庫(kù)銜接的日調(diào)節(jié)梯級(jí)水庫(kù)都應(yīng)當(dāng)把運(yùn)行水位放在正常高水位處。

為保證梯級(jí)各水電站的水位均在正常高水位處運(yùn)行，也就是實(shí)現(xiàn)日調(diào)節(jié)水電站聯(lián)合調(diào)度的同步性，研究利用水電站運(yùn)行資料，推算出洋口至峽陽(yáng)水電站、峽陽(yáng)至照口水電站的水流傳播時(shí)間，進(jìn)而推求出洋口水電站出力與峽陽(yáng)、照口電站出力之間的映射關(guān)系，再以維持高水頭運(yùn)行為調(diào)度目標(biāo)，繪制出三級(jí)日調(diào)節(jié)水電站梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度圖，如圖 2 和 3所示。

圖2　洋口—峽陽(yáng)電站聯(lián)合調(diào)度圖

圖 2 和 3 所示梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度圖是本次梯級(jí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度研究的重要?jiǎng)?chuàng)新。調(diào)度圖主要由計(jì)算與修正出力 2 部分組成，最終得出的電站指令出力 N令= N計(jì)+ △N，通過該指令出力可以保證調(diào)度電站水位穩(wěn)定在目標(biāo)范圍內(nèi)。其中，計(jì)算出力圖根據(jù)調(diào)度電站的尾水情況分為 2 種，圖 2 的計(jì)算出力類型適用于調(diào)度電站下一級(jí)電站也開展優(yōu)化調(diào)度，將庫(kù)水位穩(wěn)置于正常高水位處運(yùn)行的情況，此時(shí)調(diào)度電站尾水流量關(guān)系曲線是單一線，峽陽(yáng)電站就是這種情況，但是當(dāng)下一級(jí)電站的運(yùn)行水位是變化的或下游無銜接電站時(shí)，調(diào)度電站尾水關(guān)系表現(xiàn)為曲線簇，如照口電站，此時(shí)需采用圖 3 類型的出力計(jì)算圖。

調(diào)度圖嚴(yán)格按照梯級(jí)流域物理成因關(guān)系與日調(diào)節(jié)水電站特性，在充分考慮上下游電站的水力與電力聯(lián)系的基礎(chǔ)上，利用電站之間的出力映射關(guān)系，保證梯級(jí)電站最大能力的高水頭運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)發(fā)電效益最大化。繪制的日調(diào)節(jié)水庫(kù)梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度圖可以運(yùn)用于類似流域的梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度中，對(duì)于國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)日調(diào)節(jié)水電站均可適用，具有較強(qiáng)的普適性和推廣價(jià)值。

圖3　峽陽(yáng)—照口電站聯(lián)合調(diào)度圖

2　日調(diào)節(jié)梯級(jí)水電站聯(lián)合經(jīng)濟(jì)調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1設(shè)計(jì)思想

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)水電信息化、精細(xì)化管理，在本研究成果的基礎(chǔ)上，集成開發(fā)了富屯溪流域日調(diào)節(jié)水電站梯級(jí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度系統(tǒng)軟件，為調(diào)度人員提供便捷、有力的決策支持。梯級(jí)調(diào)度系統(tǒng)以富屯溪流域的洋口、峽陽(yáng)與照口水電站的水文和水庫(kù)運(yùn)行等資料為信息源，采用 Java 語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，總體采用整體設(shè)計(jì)思想，通過清晰的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立統(tǒng)一界面風(fēng)格，規(guī)范化系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)，得到簡(jiǎn)單、高效的應(yīng)用系統(tǒng)，同時(shí)，考慮到工程開發(fā)階段溝通、日常業(yè)務(wù)操作及系統(tǒng)維護(hù)的需要，選擇 B/S 結(jié)構(gòu)，為水電廠日常調(diào)度管理工作提供較為完整的管理平臺(tái)。

2.2功能模塊

調(diào)度系統(tǒng)的功能主要由首頁(yè)、梯級(jí)調(diào)度、實(shí)時(shí)信息、歷史資料、靜態(tài)曲線、工程特性、規(guī)程規(guī)范和系統(tǒng)設(shè)置 8 個(gè)功能模塊組成，通過 Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)建立各業(yè)務(wù)系統(tǒng)關(guān)系，各功能模塊通過網(wǎng)頁(yè)方式，建立相互之間的業(yè)務(wù)聯(lián)系，通過底層數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)間的數(shù)據(jù)傳遞，其中“梯級(jí)調(diào)度”為本次經(jīng)濟(jì)調(diào)度系統(tǒng)的核心功能。

“梯級(jí)調(diào)度”展示各電站的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案，包括峽陽(yáng)和照口水庫(kù)的優(yōu)化調(diào)度，該功能將上游電站時(shí)前時(shí)段的平均出力、尾水位和庫(kù)水位，及調(diào)度電站的實(shí)時(shí)壩前和尾水位作為引進(jìn)信息，根據(jù)調(diào)度目的、各電站約束條件等，通過計(jì)算由調(diào)度圖發(fā)出指令出力信息。在實(shí)際運(yùn)行中只要引入引進(jìn)信息，調(diào)度圖就會(huì)逐時(shí)段顯示指令出力，機(jī)組運(yùn)行人員按照調(diào)度圖發(fā)出的指令出力及時(shí)調(diào)整機(jī)組出力，從而保證電站水位穩(wěn)定在目標(biāo)范圍之內(nèi)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)調(diào)度的目標(biāo)，同時(shí)，記錄保留運(yùn)行過程數(shù)據(jù)。

此外，為實(shí)現(xiàn)對(duì)富屯溪流域末端 3 座梯級(jí)水庫(kù)經(jīng)濟(jì)調(diào)度數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化、規(guī)范化管理，調(diào)度系統(tǒng)還有提供實(shí)時(shí)信息、歷史資料、靜態(tài)曲線、工程特性、規(guī)程規(guī)范等功能，對(duì)梯級(jí)水庫(kù)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)與歷史、圖形與報(bào)表數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，為水電廠日常調(diào)度管理工作提供更為完整的管理平臺(tái)，通過該平臺(tái)，工作人員可以有效地對(duì)梯級(jí)水庫(kù)進(jìn)行調(diào)度和管理。

2.3系統(tǒng)特點(diǎn)

調(diào)度系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是使用簡(jiǎn)便，查詢直觀，計(jì)算準(zhǔn)確。作為調(diào)度系統(tǒng)核心內(nèi)容的日調(diào)節(jié)水電站梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度圖，繪制時(shí)充分考慮到了上下游電站的水位、流量、出力等因素與水力和電力的聯(lián)系，從水頭水量綜合利用最大出發(fā)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，利用該調(diào)度使水電站長(zhǎng)期保持高水頭運(yùn)行，耗水率低，經(jīng)濟(jì)性能好。同時(shí)考慮到調(diào)度人員的操作性，在調(diào)度圖的基礎(chǔ)上，開發(fā)的梯級(jí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度系統(tǒng)在保證準(zhǔn)確性的同時(shí)，也滿足了直觀、易操作的應(yīng)用需求。

3　日調(diào)節(jié)梯級(jí)水電站聯(lián)合經(jīng)濟(jì)調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用效果

調(diào)度系統(tǒng)自 2015 年 8 月在洋口、峽陽(yáng)與照口梯級(jí)水電站進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)際運(yùn)行中利用調(diào)度系統(tǒng)可有效將水電站壩前水位長(zhǎng)期控制在調(diào)度目標(biāo)范圍之內(nèi)。具體應(yīng)用效果如下：

1）經(jīng)濟(jì)效益。富屯溪水電資源豐富，流域末端的洋口、峽陽(yáng)及照口水電站的裝機(jī)容量分別為 4.80 萬(wàn)、4.38 萬(wàn)及 6.00 萬(wàn)kW，從洋口、峽陽(yáng)及照口水電站梯級(jí)整體出發(fā)，對(duì)組成的梯級(jí)進(jìn)行聯(lián)合發(fā)電優(yōu)化調(diào)度，通過實(shí)際運(yùn)行，峽陽(yáng)與照口水電站的發(fā)電運(yùn)行水頭同歷史運(yùn)行資料相比已抬高約 0.15 m，同樣來水情況下大約可多發(fā)電 2%～3%，即每年增加電量約 1 000 萬(wàn)kW?h，增加發(fā)電效益近 400 萬(wàn)元。水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度是挖掘水電站潛力的有效手段，通過對(duì)日調(diào)節(jié)水電站梯級(jí)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，幾乎可以在不增加任何額外投資的條件下，獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

2）管理意義。水能資源具有流域特性，對(duì)流域梯級(jí)電站實(shí)施聯(lián)合調(diào)度，統(tǒng)一管理，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)水能資源的高效利用，充分發(fā)揮梯級(jí)樞紐的綜合利用效益[3]。對(duì)富屯溪流域末端的日調(diào)節(jié)梯級(jí)水電站群實(shí)施聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，并充分應(yīng)用現(xiàn)代化信息技術(shù)，將研究成果與水調(diào)、電調(diào)相結(jié)合，在實(shí)際運(yùn)用中進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)水電站精細(xì)化調(diào)度，發(fā)現(xiàn)并解決以往運(yùn)行管理中的一些問題，從而進(jìn)一步提高對(duì)所轄流域電站的經(jīng)濟(jì)管理水平，同時(shí)，采用聯(lián)合調(diào)度的集中管理模式還可以集中人力、物力資源，提高管理效率。

3）環(huán)境效益。水資源為清潔能源，梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度調(diào)節(jié)在一定程度上減少了火電等一次性能源的發(fā)電量和電力生產(chǎn)對(duì)一次性能源的消耗，緩解了日益緊張的能源壓力[4]。梯級(jí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度系統(tǒng)從水頭水量綜合利用最大化出發(fā)，追求梯級(jí)發(fā)電效益最大，在實(shí)際應(yīng)用中提高了梯級(jí)電站的水能利用率，充分實(shí)現(xiàn)了對(duì)洋口、峽陽(yáng)與照口梯級(jí)水電站所在流域的水能資源的高效利用，為我國(guó)節(jié)能減排事業(yè)做出一定貢獻(xiàn)。

4　結(jié)語(yǔ)

水能利用作為應(yīng)用科學(xué)，隨著應(yīng)用環(huán)境的變化而變化，其中的梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度在技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)成熟，雖然仍存在不足與空缺，但是任何一門科學(xué)都是在不斷的否定、創(chuàng)新中前進(jìn)和發(fā)展的。日調(diào)節(jié)水電站梯級(jí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度系統(tǒng)作為水庫(kù)調(diào)度領(lǐng)域的一次創(chuàng)新，不僅對(duì)水電站，而且對(duì)電力系統(tǒng)都具有顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益與管理意義，還具有重要的科學(xué)意義。本調(diào)度系統(tǒng)的研究成果，即日調(diào)節(jié)梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度圖不僅限于富屯溪流域，對(duì)于全國(guó)眾多類似的日調(diào)節(jié)梯級(jí)水電站，均具有適應(yīng)性和推廣性，為相關(guān)流域電站帶來可觀效益，應(yīng)用前景值得期待。

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Implement and Alpplication of Cascade Economic Dispatch System in Daily Regulation Cascade Hydropower Stations

LIU Jianfeng1, JIN Huiying2, CHEN Qing2, HUANG Hui1
(1. Fujian Min Xing Hydropower Co., Ltd., Nanping 353000, China; 2. Nanjing Goldenwater Information Technology Co., Ltd., Nanjing 210008, China)

Abstract:With the rapid development of electric power system, the tasks that daily regulation hydropower station groups undertake in the system have been changed. And the demand for cascade economic dispatch is becoming strong. By taking the three-stage daily regulation hydropower stations in Futunxi river basin in Fujian province as the research object, the article researches the cascade economic dispatch model of the daily regulation hydropower stations, drawing the joint dispatch chart of the daily regulation hydropower station and developing the related software system. Through the actual operation, the system achieves the goal of the maximum efficiency of cascade power generation. It is proved that the system implies economic significance, management significance and promotion value, and also has reference significance for the joint economic dispatch of other similar cascade hydropower stations.

Key words:the daily regulation hydropower station; cascade; joint economic dispatch

作者簡(jiǎn)介：劉建峰（1969-），男，福建浦城人，高級(jí)工程師，主要從事水電廠生產(chǎn)管理工作。

收稿日期：2015-12-31

中圖分類號(hào)：TV73

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9405(2016)01-0060-05