沙坪二級(jí)水電站閘門動(dòng)作頻繁原因分析

汪文元，王孝群，張佳杰，龍巖，何滔，汪廣明

（1.國(guó)家能源大渡河沙坪發(fā)電有限公司，四川 樂山 614300；2.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

1 研究背景

沙坪二級(jí)水電站是大渡河流域規(guī)劃22個(gè)梯級(jí)中的第20個(gè)梯級(jí)中的第二級(jí)，其樞紐主要由泄洪閘、魚道、左右岸的擋水壩段、河床式廠房等建筑物組成。目前，該電站的發(fā)電與泄洪調(diào)度之間存在尖銳的矛盾，為了保證發(fā)電效益，同時(shí)兼顧運(yùn)行安全，不得不頻繁調(diào)整其泄洪閘門的開度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年電站泄洪閘門累計(jì)操作達(dá)18 746次，2019年6臺(tái)機(jī)組全部投入運(yùn)行后累計(jì)操作次數(shù)降低至6 612次，但仍高于大渡河流域其他全部電站同期累計(jì)操作次數(shù)的總和（4 876次），這嚴(yán)重影響了沙坪電站的運(yùn)行安全。為此，有必要深入研究沙坪二級(jí)電站閘門動(dòng)作頻繁的原因，為電站泄洪與發(fā)電調(diào)度決策提供依據(jù)。

梯級(jí)水庫(kù)系統(tǒng)除具有單一水庫(kù)的功能外，各水庫(kù)間還存在關(guān)聯(lián)性和補(bǔ)償性。其中，關(guān)聯(lián)性體現(xiàn)在水庫(kù)間徑流的水力聯(lián)系以及由水位差形成的電力聯(lián)系；補(bǔ)償性體現(xiàn)在由不同水庫(kù)庫(kù)容差異引起的防洪補(bǔ)償和蓄放水調(diào)度引起的水文補(bǔ)償[1]。以往對(duì)于梯級(jí)電站的調(diào)度研究多集中于利用智能優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)發(fā)電效益的最大化和水資源的高效利用[2-4]，且往往傾向于研究?jī)?yōu)化算法的改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度模型的高效穩(wěn)定求解。當(dāng)然，也有許多關(guān)于梯級(jí)水庫(kù)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度研究將更多因素納入考慮，例如文獻(xiàn)5在電站調(diào)度中綜合考慮了發(fā)電效益、水質(zhì)保持、魚類保護(hù)等多個(gè)目標(biāo)，并采用改進(jìn)的線性規(guī)劃和動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法進(jìn)行系統(tǒng)尋優(yōu)；文獻(xiàn)6在清江梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行中將河流生態(tài)需求納入考慮，通過引入徑流生態(tài)離差系數(shù)，構(gòu)建了生態(tài)均衡下的電站優(yōu)化調(diào)度模型。然而，目前的研究幾乎沒有考慮泄洪與發(fā)電之間的配合，在梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)度優(yōu)化計(jì)算中，通常僅將泄洪流量作為棄水考慮，并直接將多余的水量分配給閘門泄洪，而不考慮閘門動(dòng)作的次數(shù)。

從水庫(kù)自身特性、電站與上游梯級(jí)的水力聯(lián)系、上下游梯級(jí)的電力聯(lián)系以及電站運(yùn)行特性等方面深入分析沙坪二級(jí)泄洪閘門動(dòng)作頻繁的原因，并探討可能的解決方案。

2 沙坪二級(jí)水電站閘門動(dòng)作頻繁原因分析

2.1 沙坪二級(jí)水庫(kù)特性

沙坪二級(jí)水庫(kù)總庫(kù)容2 084萬m3，運(yùn)行水位范圍為死水位—正常蓄水位（即550.0～554.0 m），在4 m的水位運(yùn)行區(qū)間內(nèi)的庫(kù)容只有585萬m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容較小，電站的水位庫(kù)容曲線如圖1（a）所示。沙坪電站2019年運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，7—11月汛期內(nèi)電站的水位基本都維持在553.5 m以上，主要原因是汛期出庫(kù)流量較大，導(dǎo)致下游水位較高，為保證發(fā)電，不得不在高水位運(yùn)行以提供足夠的發(fā)電水頭。

如圖1（b）所示，假定初始時(shí)刻沙坪電站出入庫(kù)流量平衡，當(dāng)上游電站出庫(kù)流量變化時(shí)，在不調(diào)整沙坪電站機(jī)組出力和閘門開度的情況下，庫(kù)水位將迅速超過上限水位（554.0 m）。例如，當(dāng)初始庫(kù)水位為553.5 m時(shí)，若入庫(kù)流量變化超過300 m3/s，水位將在40 min內(nèi)越限；而當(dāng)初始水位為553.75 m時(shí)，水位將在20 min內(nèi)越限。可見，沙坪二級(jí)水庫(kù)庫(kù)容小，水位可調(diào)區(qū)間有限，因此庫(kù)水位對(duì)于上游來流的變化十分敏感。

圖1 沙坪二級(jí)水庫(kù)特性

2.2 沙坪與上游梯級(jí)電站的水力聯(lián)系

沙坪電站的上游梯級(jí)目前為枕頭壩一級(jí)電站，兩者屬于上下游梯級(jí)。根據(jù)實(shí)地考察結(jié)果，兩站之間沒有大的支流匯入，因此在沒有大暴雨的情況下，一定時(shí)間內(nèi)枕頭壩的出庫(kù)水量幾乎可以認(rèn)為是沙坪電站的入庫(kù)水量。進(jìn)一步利用2個(gè)電站2019年全年運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)枕頭壩出庫(kù)流量和沙坪入庫(kù)流量開展相關(guān)性分析。其中，枕頭壩出庫(kù)流量來自于實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，沙坪入庫(kù)流量無法監(jiān)測(cè)，通過水量平衡原理進(jìn)行反推：

根據(jù)反推得到沙坪電站2019年全年入庫(kù)流量過程，并與枕頭壩出庫(kù)流量對(duì)比，如圖2（a）所示。反推得到的沙坪入庫(kù)流量存在較多毛刺，產(chǎn)生毛刺的可能性很多，例如水位瞬時(shí)波動(dòng)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)誤差、動(dòng)庫(kù)容等，但總體上2個(gè)流量趨勢(shì)相同。此外，沙坪電站入庫(kù)流量相對(duì)于枕頭壩的出庫(kù)流量過程有一個(gè)明顯的延遲，這是由于流量由枕頭壩下游流至沙坪壩前需要一定的徑流演進(jìn)時(shí)間。為分析徑流演進(jìn)時(shí)間，引入互相關(guān)函數(shù)：

圖2 沙坪電站入庫(kù)流量與枕頭壩出庫(kù)流量時(shí)間序列的相關(guān)性

事實(shí)上，一般認(rèn)為不同流量的徑流演進(jìn)速度不同，為此分別選取了2019年1月1—31日（其間入庫(kù)流量均小于2 000 m3/s）以及2019年7月16—31日（其間入庫(kù)流量約為2 200～4 500 m3/s）2個(gè)時(shí)段的運(yùn)行數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行互相關(guān)分析，如圖3所示。流量小于2 000 m3/s時(shí)，徑流演進(jìn)時(shí)間約為85 min；流量大于2 000 m3/s時(shí)，徑流演進(jìn)時(shí)間約為70 min。可見，流量越大，2站之間的徑流演進(jìn)越快，這符合實(shí)際。

圖3 不同流量下的互相關(guān)分析

總之，枕頭壩一級(jí)與沙坪電站之間的水力聯(lián)系緊密，通常情況下，一定時(shí)段內(nèi)沙坪二級(jí)的入庫(kù)水量可近似等于枕頭壩一級(jí)的出庫(kù)水量。流量自枕頭壩下游到沙坪壩前，需要約80 min的徑流演進(jìn)時(shí)間，這為沙坪二級(jí)電站的水情預(yù)報(bào)、水位預(yù)測(cè)及水庫(kù)調(diào)度提供了一定的條件。

2.3 沙坪上游梯級(jí)電站運(yùn)行特性

沙坪二級(jí)電站的上游梯級(jí)為枕頭壩一級(jí)電站。如圖4所示，枕頭壩一級(jí)電站與其上游的瀑布溝、深溪溝電站總裝機(jī)容量498萬kW，其組成的巨型水電站群是四川電網(wǎng)主力調(diào)峰調(diào)頻基地。目前，這3個(gè)電站已投運(yùn)3站聯(lián)合EDC系統(tǒng)[7]，電力送出通道均為500 kV布坡線變電站，僅需3站總出力滿足電網(wǎng)調(diào)令即可，3站之間的出力分配可通過廠間經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型自由調(diào)配。枕頭壩電站的實(shí)際出力在其上游2站的協(xié)同運(yùn)行下?lián)碛幸欢ǖ恼{(diào)整空間。

圖4 沙坪及其上游梯級(jí)關(guān)系示意

正因?yàn)檎眍^壩電站的實(shí)際出力有一定的靈活調(diào)整空間，造成了其發(fā)電流量的頻繁變化，直接增大了下游沙坪二級(jí)電站的調(diào)控難度。仍以2019年運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，分別統(tǒng)計(jì)了枕頭壩電站在汛期和枯水期流量變化不同量級(jí)的統(tǒng)計(jì)次數(shù)，如圖5所示。圖中流量變化量（假設(shè)為）A的統(tǒng)計(jì)方法為：15 min內(nèi)累積出庫(kù)流量變化量大于A且隨后1 h內(nèi)出庫(kù)流量波動(dòng)（即出庫(kù)流量1 h內(nèi)的平均流量）不超過0.1A。

圖5 枕頭壩電站2019年出庫(kù)流量變化特性統(tǒng)計(jì)

結(jié)果顯示，枕頭壩電站的出庫(kù)流量變化主要在500 m3/s以下，在非汛期的7個(gè)月內(nèi)，流量變化100～500 m3/s的次數(shù)已超過2 900次；而汛期的5個(gè)月內(nèi)，流量變化的頻率明顯高于非汛期，流量變化100～500 m3/s的次數(shù)已超過6 000次。在汛期，多數(shù)情況下沙坪電站（甚至幾乎所有水電站）的增負(fù)荷申請(qǐng)不會(huì)被電網(wǎng)批準(zhǔn)，由于沙坪電站對(duì)于入庫(kù)流量的變化十分敏感，導(dǎo)致很可能有水位超限風(fēng)險(xiǎn)，不得不調(diào)整泄洪閘門的開度來保證水位不越限。

2.4 沙坪電站與上游梯級(jí)電站的電力聯(lián)系

沙坪二級(jí)電站的電力送出通道為樂山500 kV藍(lán)天變電站，而枕頭壩電站的電力送出通道為500 kV布坡線變電站，2站的電力送出通道不同，從這一邏輯而言，2站的出力相關(guān)關(guān)系不大。但從上下游水量平衡的角度來看，尤其對(duì)于枯水期都不開啟閘門的情況，沙坪電站的出力很大程度上受枕頭壩電站的出力影響。因此，對(duì)2站的出力進(jìn)行對(duì)比分析仍有必要。

通常而言，梯級(jí)電站在規(guī)劃時(shí)，都會(huì)考慮上下游梯級(jí)之間的流量平衡，通過各電站的水頭來安排裝機(jī)容量，在假定各電站全廠效率相同的前提下，水頭越高的電站裝機(jī)容量越大。因此，只要下游電站與上游電站的出力保持一定比例，并考慮上游電站出庫(kù)到下游電站入庫(kù)（不考慮區(qū)間徑流）的延遲時(shí)間，即可保證下游電站的庫(kù)水位穩(wěn)定。

為了便于分析枕頭壩—沙坪電站之間的流量平衡，這里假設(shè)2個(gè)電站的全廠效率接近或相同，機(jī)組效率的計(jì)算公式如下：

由式（3）可知，當(dāng)全廠效率η相同時(shí)，可采用水頭H來對(duì)電站出力N進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，由于此時(shí)N/H∝Q，電站出力N與水頭H之比（即單位水頭的出力）作為電站的過機(jī)流量的另一種表示，可同時(shí)分析2站出力關(guān)系以及流量的平衡。

2個(gè)電站在枯水期的典型日出力過程對(duì)比，如圖6所示。在枯水期，2站的過機(jī)流量總體上量級(jí)相當(dāng)，且日出力過程十分相似，但沙坪電站的出力過程的峰谷值相對(duì)于枕頭壩一級(jí)的出力過程有一定滯后，滯后約2 h。這一延遲長(zhǎng)于前文的80 min左右的徑流演進(jìn)時(shí)間，主要是因?yàn)樯称弘娬镜呢?fù)荷調(diào)整操作滯后。雖然電站之間的流量長(zhǎng)期平衡能得到保證，但短期內(nèi)電站水位存在超限風(fēng)險(xiǎn)（特別是當(dāng)運(yùn)行水位在死水位或正常蓄水位附近時(shí)）。

圖6 枯水期2站典型出力對(duì)比（2019年3月1日）

2個(gè)電站在豐水期的典型日出力過程對(duì)比，如圖7所示。在豐水期，2站的日出力過程沒有明顯相關(guān)關(guān)系，且2個(gè)電站出力過程的峰谷位置無明顯相似性。枕頭壩的機(jī)組過機(jī)流量明顯大于沙坪的過機(jī)流量，且存在頻繁的階梯式出力調(diào)整。這種情況下，沙坪電站已無法通過使其出力與枕頭壩呈一定比例關(guān)系來實(shí)現(xiàn)流量的平衡，必須開啟閘門。當(dāng)枕頭壩出庫(kù)流量頻繁變化時(shí)，導(dǎo)致沙坪電站對(duì)入庫(kù)流量的預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確，不得不頻繁操作閘門以維持水位的穩(wěn)定。

圖7 豐水期2站典型出力對(duì)比（2019年10月10日）

3 結(jié)論

根據(jù)上述分析，沙坪二級(jí)電站閘門操作頻繁的主要原因如下。

（1）電站自身可調(diào)節(jié)庫(kù)容較小，水位運(yùn)行范圍小，短期內(nèi)入庫(kù)流量的小幅度變化也會(huì)引起水位的較大變化。在汛期出庫(kù)流量較大時(shí)，下游水位大幅上漲，為了保證一定的發(fā)電水頭，電站需要在一個(gè)范圍更小的高水位區(qū)間運(yùn)行，給水位調(diào)控帶來很大困難。

（2）由于瀑—深—枕三站聯(lián)合調(diào)控，枕頭壩的負(fù)荷調(diào)整更加靈活，意味著其出庫(kù)流量變化更加頻繁。這極大地增加了沙坪電站入庫(kù)流量的不確定性，在電網(wǎng)固定負(fù)荷指令的要求下，沙坪二級(jí)電站不得不頻繁操作閘門來維持水位，保證電站運(yùn)行安全。

（3）枕頭壩與沙坪電站之間水力聯(lián)系緊密，但不存在電力聯(lián)系。實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷的相關(guān)性分析表明，在汛期，2站的出力已不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的相關(guān)性，在沙坪電站接受電網(wǎng)固定負(fù)荷指令的背景下，枕頭壩出力或出庫(kù)流量的變化多數(shù)情況下只能靠沙坪電站閘門的頻繁動(dòng)作來消納。

（4）除了上述原因外，入庫(kù)流量預(yù)測(cè)的不確定性，電站自身特性曲線（例如水位庫(kù)容曲線、N-H-Q曲線、下游水位流量關(guān)系曲線、閘門開度流量曲線等）自身存在誤差且可能隨著運(yùn)行發(fā)生變化，這給電站水位控制帶來極大的困難，影響電站長(zhǎng)期運(yùn)行安全。

總之，沙坪電站閘門動(dòng)作頻繁的根本原因是其自身對(duì)上游來流變化十分敏感，而上游來流變化又十分頻繁，加之電站受電網(wǎng)固定負(fù)荷指令支配，只能通過頻繁動(dòng)閘來實(shí)現(xiàn)水位控制。顯然，電站自身的庫(kù)容特性無法改變。因此，要降低閘門動(dòng)作次數(shù)，需要利用枕頭壩下泄到沙坪入庫(kù)之間約80 min的徑流演進(jìn)時(shí)間，尋求更靈活的負(fù)荷調(diào)整方式。例如，電網(wǎng)有意識(shí)地提高沙坪電站負(fù)荷調(diào)整申請(qǐng)的通過率，或者直接給予沙坪電站一定的負(fù)荷自由調(diào)整權(quán)（比如電網(wǎng)負(fù)荷指令為200 MW，在此基礎(chǔ)上沙坪的實(shí)際出力為200±30 MW）。