水電站水庫經(jīng)濟(jì)調(diào)度考核評(píng)價(jià)方法

肖 楊，鄺錄章，王 也

(國(guó)家電力投資集團(tuán) 五凌電力有限公司，長(zhǎng)沙 410004)

水電站的發(fā)電效益受徑流狀態(tài)和水庫調(diào)度方式的影響，需要建立科學(xué)有效的水電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度考核評(píng)價(jià)辦法，來充分挖掘水電站的發(fā)電效益。目前，關(guān)于水電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度考核評(píng)價(jià)方法的研究主要集中在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立和指標(biāo)的定量計(jì)算上，但各指標(biāo)大多是在特定情況下計(jì)算使用的，并不能綜合反映各水電站的經(jīng)濟(jì)調(diào)度水平，且多指標(biāo)考核當(dāng)考核指標(biāo)數(shù)值不一致時(shí)難以評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)調(diào)度水平的優(yōu)劣。孫德鎖等總結(jié)提出空耗比率、發(fā)電耗水率、水能利用率、水能利用提高率以及可用水能利用率等水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行考核指標(biāo)[1]；暢建霞等提出以相對(duì)發(fā)電耗水率和相對(duì)水能利用率做為水電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度考核指標(biāo)[2]；張衛(wèi)國(guó)等在分析現(xiàn)有水電站運(yùn)行調(diào)度考核指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出以庫容曲線的線性程度來做為選擇庫容差電量的計(jì)算方法，以水能利用提高率做為首選的考核指標(biāo)[3]。本文在分析現(xiàn)有的水電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度考核評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出五凌電力有限公司(以下簡(jiǎn)稱“五凌公司”)的發(fā)電量評(píng)價(jià)系統(tǒng)，并對(duì)五凌公司各水電站實(shí)際運(yùn)行調(diào)度進(jìn)行考核評(píng)價(jià)，同時(shí)總結(jié)得出最優(yōu)的水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略，以指導(dǎo)今后的水電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

1 水電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度考核評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

現(xiàn)有的水電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度主要有以下考核評(píng)價(jià)指標(biāo)：①計(jì)劃電量。用于考核水電站各時(shí)期發(fā)電任務(wù)的完成情況，但該指標(biāo)主觀性較強(qiáng)；②水量利用率。用于考核水電站水量利用情況，但其受來水豐枯和水庫的調(diào)節(jié)性能影響較大；③發(fā)電耗水率。用于考核水電站的運(yùn)行效率，其受水庫水位季節(jié)性消長(zhǎng)等因素影響，另外有棄水產(chǎn)生則不能很好地對(duì)發(fā)電情況進(jìn)行評(píng)價(jià)；④相對(duì)水量利用率。用于考核水電站水量利用情況，但其靈敏度不夠高；⑤相對(duì)發(fā)電耗水率。用于考核水電站的運(yùn)行效率；⑥可用水能利用率。用于考核水電站有效水量的利用情況，但相對(duì)發(fā)電耗水率和可用水能利用率這兩個(gè)指標(biāo)不易準(zhǔn)確計(jì)算；⑦發(fā)電完成率。用于考核水電站水量、水頭及機(jī)組運(yùn)行效率的綜合水平，但優(yōu)化計(jì)算復(fù)雜；⑧水能利用提高率。用于考核水電站水量、水頭及機(jī)組運(yùn)行效率的綜合水平，但求解中涉及的庫容差電量計(jì)算目前尚無統(tǒng)一的方法。

水能利用提高率已被一些研究者建議采用，但其涉及的庫容差電量計(jì)算目前尚無統(tǒng)一的方法，而水能利用提高率計(jì)算又添加了計(jì)算因子E考核，計(jì)算更為復(fù)雜，作為評(píng)價(jià)水電站的發(fā)電量只與理論最大發(fā)電量比較就可以反映考核期內(nèi)的發(fā)電調(diào)度水平。所以本文在總結(jié)上述評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建五凌公司發(fā)電量評(píng)價(jià)系統(tǒng)，采用實(shí)際發(fā)電量與理論最大發(fā)電量的差率來進(jìn)行水電站的經(jīng)濟(jì)調(diào)度評(píng)價(jià)考核，即評(píng)價(jià)期內(nèi)實(shí)際發(fā)電量加上棄水損失電量與滿足各種控制約束條件下理論最大發(fā)電量的差值百分率。

2 五凌公司發(fā)電量評(píng)價(jià)系統(tǒng)

五凌公司發(fā)電量評(píng)價(jià)系統(tǒng)主要以實(shí)際來水為依據(jù)，以水庫的固有靜態(tài)屬性和實(shí)際運(yùn)行中的各種限制條件作為約束，構(gòu)建發(fā)電量最大模型，運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算，得出最優(yōu)發(fā)電量及最優(yōu)運(yùn)行過程，計(jì)算實(shí)際發(fā)電量與棄水損失電量之和減去最優(yōu)發(fā)電量所得的差值與左右發(fā)電量相比的百分率，即發(fā)電差率。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)水庫實(shí)際來水，滿足年度、不同時(shí)期制定的運(yùn)行調(diào)度控制方案以及機(jī)組和線路檢修、電網(wǎng)約束、工程約束、庫區(qū)綜合運(yùn)用要求等條件，求得水電站評(píng)價(jià)期內(nèi)理論最大發(fā)電量(湖南電力市場(chǎng)未采用分時(shí)電價(jià))，再用實(shí)際發(fā)電量加上棄水損失電量與其進(jìn)行比較，求出發(fā)電差率。其目標(biāo)函數(shù)為：

ε=(E實(shí)際+E損失-Emax)/Emax×100%

=(E實(shí)際+E損失-Emax)/Emax×100%

(1)

其中：

(2)

式中：ε為發(fā)電差率，%，其為負(fù)值；Emax為水電站調(diào)度期內(nèi)的總發(fā)電量，kW·h；E實(shí)際為考核評(píng)價(jià)期內(nèi)實(shí)際發(fā)電量，kW·h；E損失為考核評(píng)價(jià)期內(nèi)棄水損失電量，kW·h；Ni為第i時(shí)段電站的出力，kW；Δt為計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)度，s；T為調(diào)度期的總時(shí)段數(shù)；qi為第i時(shí)段的發(fā)電流量，m3/s；ρi為第i時(shí)段的平均耗水率，m3/kW·h。

時(shí)段選?。焊鶕?jù)不同調(diào)節(jié)性能的水庫選擇不同計(jì)算時(shí)段，日調(diào)節(jié)(徑流式)水電站計(jì)算時(shí)段Δt為1 h，周調(diào)節(jié)能力及以上的水庫計(jì)算時(shí)段Δt為1 d。

2.2 約束條件

1) 水量平衡約束：滿足水務(wù)計(jì)算的基本定律。公式如下：

Vi=Vi-1+(Q入i-Q出i)Δt

式中：Vi、Vi-1分別為第i時(shí)段末、初的庫容；Q入i、Q出i分別為第i時(shí)段平均入庫流量和平均出庫流量，m3/s，其中Q出i=q棄i+qi，q棄i為第i時(shí)段平均棄水流量；其他符號(hào)意義同前。

2) 出力約束(包括檢修約束)。公式如下：

Nimin≤Ni≤Nimax

式中：Nimin、Nimax分別為第i時(shí)段最小、最大限制出力值。要求計(jì)算出力值滿足機(jī)組、線路檢修對(duì)應(yīng)的最大限制出力要求，滿足預(yù)想出力限制，避開機(jī)組震動(dòng)區(qū)的出力值等。

3) 水位約束。公式如下：

Zimin≤Z上i≤Zimax

式中：Zimin、Zimax、Z上i分別為第i時(shí)段最小、最大上游水位值和計(jì)算平均上游水位，m。運(yùn)行庫水位不低于最小控制水位，一般為死水位；同時(shí)不得超過運(yùn)行控制的上限水位，通常為正常蓄水位、汛期的防洪限制水位，電網(wǎng)、防汛抗旱部門、發(fā)電公司制定庫水位控制方案以及庫區(qū)政府要求的其他水位控制要求，取為各控制水位的小值。

4) 出庫流量約束。滿足下游河道用水的最小出庫(qimin)要求，小于電站最大過流能力，小于標(biāo)準(zhǔn)洪水下的下游河道安全泄量。公式如下：

qimin≤Q出i≤qimax

式中：qimin、qimax分別為第i時(shí)段下游河道最小、最大安全流量，m3/s。出庫流量滿足下游河道用水的最小出庫(qimin)要求，小于電站最大過流能力，小于標(biāo)準(zhǔn)洪水下的下游河道安全泄量。

5) 非負(fù)約束。各計(jì)算變量須為非負(fù)值。

2.3 計(jì)算方法

本文采用增量動(dòng)態(tài)規(guī)劃法[4]對(duì)水電站發(fā)電量最大模型進(jìn)行求解計(jì)算，計(jì)算流程見圖1。由統(tǒng)計(jì)的考核評(píng)價(jià)期內(nèi)實(shí)際發(fā)電量、實(shí)際棄水損失電量以及優(yōu)化計(jì)算得到的理論最大發(fā)電量，即可根據(jù)式(1)計(jì)算，得到實(shí)際發(fā)電量加棄水損失電量與理論最大發(fā)電量的差率。

圖1 動(dòng)態(tài)規(guī)劃計(jì)算流程

3 水電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度評(píng)價(jià)

采用上述考核評(píng)價(jià)計(jì)算方法，對(duì)五凌公司直管各水電站2017年的實(shí)際經(jīng)濟(jì)調(diào)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。五凌公司直管水電廠分布于沅水、資江和湘江，各水電站主要特征值見表1。

表1 五凌電力有限公司各直管水電站簡(jiǎn)況

考核評(píng)價(jià)計(jì)算所需要的資料包括水電站的基本資料、徑流資料和水電站實(shí)際運(yùn)行資料。其中，水電站的基本資料包括：庫水位-庫容關(guān)系曲線、下游水位-流量關(guān)系曲線、水頭-耗水率關(guān)系曲線、機(jī)組出力限制曲線、水頭損失曲線等。水電站徑流資料包括：水庫的實(shí)際入庫流量，不同調(diào)節(jié)性能的水庫其徑流選取的時(shí)段長(zhǎng)度不同，其中徑流式水電站時(shí)段長(zhǎng)度選為1 h，季調(diào)節(jié)及以上水電站時(shí)段長(zhǎng)度選為1 d。水電站實(shí)際運(yùn)行資料包括：實(shí)際出力值、實(shí)際庫水位值、實(shí)際發(fā)電流量、實(shí)際發(fā)電量、實(shí)際棄水損失電量，時(shí)段長(zhǎng)度的選取同徑流資料。各水庫各階段控制運(yùn)行水位根據(jù)前期依據(jù)氣象、徑流預(yù)報(bào)，通過流域梯級(jí)效益最大和公司發(fā)展戰(zhàn)略制定。

通過評(píng)價(jià)計(jì)算，各直管水電站2017年發(fā)電量、發(fā)電差率見表2。由于目前水電站應(yīng)用較多的考核指標(biāo)為水能利用率和發(fā)電耗水率，即在入庫徑流狀態(tài)既定時(shí)，水能利用率越高，發(fā)電耗水率越小，發(fā)電量就越多。為了對(duì)比分析，將水電站實(shí)際考核常用的發(fā)電耗水率和水能利用率一并計(jì)算在表2中。

表2 五凌公司直管各水電站2017年發(fā)電量評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

由表2的考核指標(biāo)對(duì)比可以看出：①水量利用率100%時(shí)，發(fā)電耗水率越小，經(jīng)濟(jì)調(diào)度越優(yōu)；②最優(yōu)運(yùn)行策略的水量利用率高于實(shí)際運(yùn)用，今后水電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度中應(yīng)進(jìn)一步提高水量利用率；③調(diào)節(jié)性能較好的水庫最優(yōu)策略的發(fā)電耗水率均小于實(shí)際運(yùn)用過程，說明水庫調(diào)度中應(yīng)充分利用水庫的調(diào)節(jié)性能，在洪水前充分利用水量，而在非棄水階段應(yīng)保持高水位運(yùn)行；④日調(diào)節(jié)水電站最優(yōu)策略的水量利用率較實(shí)際運(yùn)用提高較多，說明今后在水庫經(jīng)濟(jì)調(diào)度工作中應(yīng)加強(qiáng)日調(diào)節(jié)水電站的水量利用、減少棄水，利用徑流式水電廠實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)[5]指導(dǎo)經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

通過五凌公司發(fā)電量評(píng)價(jià)系統(tǒng)不僅可以得出理論最大發(fā)電量及發(fā)電差率，還直觀展現(xiàn)了水電站最優(yōu)運(yùn)行過程和實(shí)際運(yùn)行過程的對(duì)比，從而可以找出實(shí)際運(yùn)行調(diào)度中的差距，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)以指導(dǎo)今后的水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)度工作。三板溪、托口、五強(qiáng)溪、碗米坡水庫2017年實(shí)際運(yùn)行過程與最優(yōu)策略對(duì)比見圖2。

(a)三板溪

(b)托口

(c)五強(qiáng)溪

(d)碗米坡圖2 各水電站2017年實(shí)際運(yùn)行與優(yōu)化策略對(duì)比

由圖2對(duì)比分析可得：

1) 各水庫在洪水之前(預(yù)報(bào)有較強(qiáng)降雨、棄水風(fēng)險(xiǎn)較大)，應(yīng)盡可能利用機(jī)組發(fā)電使庫水位降至最低水位，充分利用水量發(fā)電。這也說明在洪水前及洪水期水量利用效益大于水頭利用效益，這就要求水電經(jīng)濟(jì)調(diào)度在預(yù)報(bào)有較強(qiáng)降雨、洪水之前，避免機(jī)組檢修、消缺，確保機(jī)組能滿負(fù)荷運(yùn)行，“騰庫”以充分利用水量。

2) 在非棄水時(shí)段保持盡量高的庫水位，即在非洪水期充分利用水頭，減小發(fā)電耗水率以發(fā)更多的電能。水電站經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮應(yīng)努力使考核期內(nèi)在沒有棄水或盡量小的棄水情況下保持較高庫水位運(yùn)行。

3) 汛前和洪前需要降低庫水位運(yùn)行時(shí)，應(yīng)提前多天加大發(fā)電方式以逐步消落庫水位至目標(biāo)(控制)水位。因?yàn)橐环矫婕邢鋷焖粫?huì)大幅抬高尾水位而減小了發(fā)電運(yùn)行水頭；另一方面集中消落(尤其是大型水庫消落深度大的)電網(wǎng)或電力市場(chǎng)不一定允許，洪水來臨時(shí)庫水位不一定能消落到位，致使棄水量增加。所以還應(yīng)特別關(guān)注并考慮到高溫-降雨降溫轉(zhuǎn)換時(shí)負(fù)荷的大幅變化，洪水前應(yīng)提前及時(shí)充分騰庫。

4) 在雨水季節(jié)，各水庫實(shí)際運(yùn)行過程較最優(yōu)過程庫水位經(jīng)常偏低，因?yàn)樗畮鞂?shí)際運(yùn)行中會(huì)根據(jù)降水預(yù)報(bào)進(jìn)行“騰庫”，降水預(yù)報(bào)偏差較大時(shí)，往往造成雨未下而水庫已騰空，后期再高位水位運(yùn)行較為困難。所以，水庫經(jīng)濟(jì)運(yùn)行應(yīng)特別注重加強(qiáng)提高降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

4 結(jié) 語

現(xiàn)有水電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度考核指標(biāo)各有側(cè)重，本文在分析當(dāng)前水電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度考核評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了能充分體現(xiàn)水電站水量利用和水頭利用等綜合評(píng)價(jià)的發(fā)電差率指標(biāo)的水電站發(fā)電量評(píng)價(jià)模型，利用最優(yōu)化思想，得出理論最優(yōu)發(fā)電量及優(yōu)化過程，實(shí)際發(fā)電量加棄水損失電量與之進(jìn)行對(duì)比分析、考核評(píng)價(jià)。發(fā)電差率得出的是滿足實(shí)際考核期內(nèi)各種約束條件下的最優(yōu)發(fā)電過程，能較清晰反映水頭利用和水量利用在考核期內(nèi)的不同貢獻(xiàn)。由評(píng)價(jià)分析可看出，要實(shí)現(xiàn)較大的發(fā)電效益，在確保不棄水或少棄水的情況下使運(yùn)行庫水位盡量高。展現(xiàn)的最優(yōu)發(fā)電過程與實(shí)際運(yùn)行過程的對(duì)比，能讓我們找出實(shí)際調(diào)度中的不足，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以不斷提高今后的水電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度工作。