水電站經(jīng)濟運行與管理技術(shù)研究

秦蓉 QIN Rong；李曉超 LI Xiao-chao

（①華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045；②浙江水利水電學(xué)院，杭州 310018；③中國長江三峽集團(tuán)有限公司，武漢 430000）

0 引言

傳統(tǒng)能源的大量消耗促進(jìn)了我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，同時對生態(tài)和不可再生資源無疑是一個挑戰(zhàn)。21世紀(jì)全球都陷入了能源危機，石油、煤、天然氣等傳統(tǒng)能源面臨枯竭。目前，大部分國家都對傳統(tǒng)能源進(jìn)行了保護(hù)性開采，取而代之的是新型能源行業(yè)的迅猛發(fā)展，如太陽能、風(fēng)能、水能、海洋能、潮汐能等清潔能源。另外由于環(huán)境的進(jìn)一步惡化，全球海平面的持續(xù)上升等，已經(jīng)使各國環(huán)保部門及聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署不得不采取一些措施來應(yīng)對這種困境?？梢哉f將來這些清潔型能源，會廣泛地應(yīng)用在各行各業(yè)，以減輕環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等帶來的問題。

習(xí)總書記提出“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的五大發(fā)展理念，強調(diào)綠水青山就是金山銀山，要進(jìn)一步貫徹落實可持續(xù)發(fā)展觀，更是向全世界提出“人類命運共同體”的倡議，我們也是切實地從自身做起，調(diào)整火電能源比例、大力支持清潔能源開發(fā)利用、光盤行動、減塑行動等一系列活動，履行大國義務(wù)，展現(xiàn)大國擔(dān)當(dāng)。水電作為清潔能源不同于火電等傳統(tǒng)能源那樣污染大，且比光電、風(fēng)電、海洋能發(fā)電等技術(shù)發(fā)展完善，我國的水電蘊藏量又十分豐富。因此，大力發(fā)展水電經(jīng)濟，是很有必要的，也符合我國當(dāng)下的國情需求[1]。

1 水電站的經(jīng)濟運行與管理

隨著當(dāng)今電力市場的不斷改革，大部分水電站也正在不斷完善其相關(guān)的運行管理體系。與此同時，水電站的經(jīng)濟效益也在逐年穩(wěn)步提升。傳統(tǒng)的管理制度在一定程度上制約著水電站國際化發(fā)展的趨勢。為了確保水電站能高效穩(wěn)定地發(fā)展與轉(zhuǎn)型，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)重視對水電站運行管理制度的時代性、科學(xué)性，確保提升水電站的經(jīng)濟效益，保證其能持續(xù)健康地發(fā)展。我國水電蘊藏量十分豐富，盡管已經(jīng)建設(shè)了許多工程，也取得了很多成就，但實際開發(fā)利用量仍與可開發(fā)量有很大差距。目前，在能源建設(shè)中，我國將水力發(fā)電視為一項重要措施。舉世聞名的三峽工程，不僅為長江沿岸及電網(wǎng)提供了可靠的電力資源，而且還兼具抗洪排澇、航運灌溉等功能，可以說已經(jīng)不僅僅是單純的水電站了，更是我國歷史上一項偉大的民生工程；再如黃河上的小浪底水電站，不僅可進(jìn)行水力發(fā)電，而且還為兩岸農(nóng)業(yè)、工業(yè)等生產(chǎn)用水提供保障，更為重要的是，黃河沿流的水電站在汛期進(jìn)行綜合調(diào)度，可對黃河這個“地上懸河”沖水調(diào)沙，降低河床位置。從此黃河安瀾，黃河中下游沿岸也不會再有洪災(zāi)，兩岸人民盡可安心生活、生產(chǎn)。這些水電站的例子不勝枚舉，因此可以說水電站不僅在我國的國民經(jīng)濟當(dāng)中占具了很重要的地位，更是一項關(guān)乎民生大計的偉大工程。想要進(jìn)一步緩解我國能源緊張的現(xiàn)狀，就需要大力提倡水電站經(jīng)濟運行技術(shù)，提高水電站運行管理水平。這對增加電廠效益以及確保電網(wǎng)安全運行有著重要意義[2]。

水電站的經(jīng)濟運行，要因地制宜，具體問題具體分析。即不同規(guī)模、種類、布置形式的水電站選擇其最佳的運行方式，在保證電力系統(tǒng)安全運行的前提下，增加發(fā)電效益。通俗地講即采用具體的措施，能夠用最少的水量發(fā)出最大功率的電量[3]。對于水電站經(jīng)濟運行而言，制定水電站的最佳運行方式，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)工程水利向資源水利的轉(zhuǎn)型，還能確保電力系統(tǒng)的安全生產(chǎn)、經(jīng)濟發(fā)電及經(jīng)濟供電等目標(biāo)的實現(xiàn)。同時，對提升水電站運行的管理水平、增加水電站的發(fā)電量、提高流域防洪能力都有著積極的促進(jìn)作用[4]。

水電站是否經(jīng)濟運行主要有內(nèi)因和外因兩個方面進(jìn)行評判[5]，以往的研究主要集中于評價方法研究、考核體系建設(shè)等[6-8]，但是歸根到量化指標(biāo)上，以耗水率和水量利用率兩評價目標(biāo)為主，即耗水率越低越好[9]，水量利用率越高越好[10]。但在實際運行過程中，兩者往往存在矛盾。即如果降低耗水率，電站就需要在高水位下運行，而高水位運行下，就導(dǎo)致水庫可調(diào)節(jié)庫容減少，棄水風(fēng)險增加，水量利用率降低。因此，形成一個較全面的評價目標(biāo)體系、合適平衡兩指標(biāo)、適度反映不同類型電站經(jīng)濟運行重點，就顯得尤為重要[11]。

2 水電站經(jīng)濟運行管理措施

2.1 降低運行成本

降低的成本主要有三個方面，一是降低人力成本。我們可以在自動化高度發(fā)達(dá)的今天，借鑒自動化軟件來替代人工，提升勞動率的同時還可以減少人力支出；二是控制采購成本，采購過程要嚴(yán)格公開、公平、公正，采用高性價比的設(shè)備，可有效地控制成本；三是加強對自由經(jīng)費的使用，合理規(guī)劃運行成本管理目標(biāo)，將其形式化、制度化、有效化，確保電站成功運行的前提下，減少一些不必要的支出。

2.2 提高運行效益

提高運行效益即水電站發(fā)電小時數(shù)最大化，發(fā)電量高，效益就上去了。方式也有三個方面，一是保證設(shè)備的運行可靠性。即電站接到發(fā)電任務(wù)后，可運行機組除滿足正常發(fā)電任務(wù)，還應(yīng)該能夠有一定的余量以應(yīng)對突發(fā)狀況緊急調(diào)度所需。這就要求電站人員平時要對機組設(shè)備精心養(yǎng)護(hù)，有問題應(yīng)及時維修養(yǎng)護(hù)，不能在關(guān)鍵時刻“掉鏈子”；二是保證設(shè)備的運行穩(wěn)定性。即機組應(yīng)盡量避開不利工況或盡可能少的運行在不利工況下，更應(yīng)該使機組運行在最優(yōu)工況下，以保證機組在高效區(qū)運行，減少輔助設(shè)備消耗；三是優(yōu)化電站調(diào)度運行方式，利用智能軟件，精密計算、預(yù)測并合理分配發(fā)電任務(wù)，以避免或最大限度地減少損耗，減少棄水，讓每一滴水都發(fā)揮出其應(yīng)有價值。

2.3 具體措施

2.3.1 增強管理服務(wù)建設(shè)，提高工作效率

探索符合自身實際的高效管理機制，各部門之間加強聯(lián)系有序配合，發(fā)現(xiàn)問題盡快上報、解決好問題。另外要關(guān)心員工的工作和生活，有一套員工都能滿意的考核和獎懲機制，按勞分配，適當(dāng)?shù)靥岣邌T工福利待遇，從而提高其工作積極性，推動企業(yè)效益提升，以促進(jìn)優(yōu)化運行工作全面推進(jìn)。

2.3.2 把握市場電價變化，為企業(yè)爭取效益

加強與有關(guān)部門的溝通協(xié)調(diào)，把握規(guī)則，爭取政策，主動申請負(fù)荷，增加發(fā)電量，同時也要合理把握電網(wǎng)交易市場，為企業(yè)爭取最大的效益。

2.3.3 探索設(shè)備智慧管理運行模式

打鐵還需自身硬，要逐漸形成一套符合自身實際的設(shè)備智慧運行機制，能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障及隱患并解決問題，保證設(shè)備在運行時不出大問題，不影響企業(yè)的正常生產(chǎn)。

2.3.4 優(yōu)化設(shè)備運行方式，確保設(shè)備最大限度運行在高效區(qū)

制定合適的方案，使水電機組及其輔助設(shè)備、電氣設(shè)備等均處于最優(yōu)狀態(tài)下運行，最大限度地避免在非最優(yōu)工況下的運行時長。一來在高效率區(qū)運行有利于延長機組的工作壽命；二來還可最大限度地減少能源損耗，從而增加企業(yè)的效益。

2.3.5 優(yōu)化調(diào)度模式

要做好水情預(yù)測，在保證安全的前提下，科學(xué)合理地利用來水，最大限度地減少棄水，合理安排計劃發(fā)電量。另外也要和上游電站聯(lián)系溝通，了解其發(fā)電規(guī)劃，實現(xiàn)聯(lián)動工作，使每一滴水都發(fā)揮出最大價值[12]。

本文將這些舉措歸結(jié)為兩類：第一類是面對外因，即人力無法抗拒的外力所造成的，比如來流量等；第二類是面對內(nèi)因，即人為因素，如管理水平、運行工況等。針對外因，這是大自然決定的，我們左右不了，只能未雨綢繆，盡我們最大的努力，通過現(xiàn)有的科技手段，進(jìn)行預(yù)測及制定相應(yīng)周密的應(yīng)對方案。而取決于我們自身的內(nèi)在因素，是可以通過我們自己內(nèi)在的努力來改變的，比如提升我們的管理水平、自動化水平等。尤其是在科技高速發(fā)達(dá)的今天，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，一些計算機軟件得到了快速成長并被應(yīng)用于我們的實際生活中，這些計算程序、軟件不僅可以把我們?nèi)藛T本身從工作中解放出來，還能夠提高效率。

2.4 實例分析

溪洛渡水電站總裝機容量為1386萬kW，為探索溪洛渡水電站的經(jīng)濟運行，劉剛等[13]對電站內(nèi)各機組的特性進(jìn)行了分別分析。通過對溪洛渡電站各機組運轉(zhuǎn)特性曲線、耗水率曲線等分析，發(fā)現(xiàn)哈電集團(tuán)、東電集團(tuán)生產(chǎn)制造的機組耗水率小，福伊特公司生產(chǎn)的機組耗水率較大，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，機組在高水頭、高負(fù)荷下運行可有效降低耗水率，機組要盡量運行在最優(yōu)工況下。此外在機組分配任務(wù)時要優(yōu)先運行水頭損失小的，而漏水量較大的機組為避免浪費水能也應(yīng)考慮優(yōu)先運行。電網(wǎng)還應(yīng)該對梯級電站整體進(jìn)行聯(lián)合規(guī)劃，以使水能利用最大化。綜合機組耗水率、水頭損失、流量與出力關(guān)系及其他因素，劉剛等給出了18臺機組的建議開啟順序。

彭水水電廠總裝機容量為1750MW，肖劍等[14]為彭水水電廠設(shè)計并實現(xiàn)了廠內(nèi)的經(jīng)濟運行系統(tǒng)。其以耗水量最小為目標(biāo)，對非實時負(fù)荷分配進(jìn)行了分析，基于C#和NET.Framework開發(fā)了水電站廠內(nèi)經(jīng)濟運行系統(tǒng)，通過對其模型分析及模型求解方法等介紹，完成了基于粒子算法的模型系統(tǒng)。并將該系統(tǒng)成功應(yīng)用于彭水水電廠，有效地解決了傳統(tǒng)軟件存在的問題。

響水水電站總裝機容量為260MW，李雅楠[15]對該電站的經(jīng)濟運行采用的方式進(jìn)行了分析，主要從四個方面即：調(diào)度方式、來水預(yù)測、運行工況、合理用電來分析了該電站的經(jīng)濟運行管理。具體為：上游水情預(yù)測；高效區(qū)及高水頭運行；充分利用調(diào)節(jié)庫容多蓄水；變負(fù)荷保證高水位運行。此外，電站還積極研究機組的超發(fā)可能性。

3 水電站經(jīng)濟運行與管理的算法研究

目前，對水電站的經(jīng)濟運行算法的研究及應(yīng)用很多。水電站經(jīng)濟運行的研究，國內(nèi)外學(xué)者從模型的調(diào)度優(yōu)化和求解進(jìn)行探索[16]。模型的調(diào)度優(yōu)化主要從實際情況中考慮，較多的能體現(xiàn)出電站運行時的主要特性，同時對于模型求解方法的要求也是越簡潔越好。文獻(xiàn)[17-18]提出了一種短期運行優(yōu)化模型，其優(yōu)化的方案將入庫流量和水頭設(shè)置為定值，同時將機組啟停時帶來的損失也作為考量。文獻(xiàn)[19]根據(jù)機組的投運情況，建立了考慮空載情況和開機約束的經(jīng)濟調(diào)度模型。在不同調(diào)度要求下的模型也隨著深入的研究，變得更加完善，也反映出真實狀態(tài)下的水電站運行。水電站經(jīng)濟運行的模型有著很多約束條件和目標(biāo)函數(shù)的非線性問題[20]，最早的研究大多基于動態(tài)規(guī)劃法[21-23]，但是受制于“維數(shù)災(zāi)”，進(jìn)而影響計算的精度及效率。隨著研究的深入，一些新的智能算法取代了傳統(tǒng)的方法[22]，文獻(xiàn)[24-25]基于遺傳算法求解水電站經(jīng)濟運行的模型，從多個初值點開始，沿多條路徑進(jìn)行搜索。文獻(xiàn)[26-27]基于改進(jìn)的粒子群算法（PSO）進(jìn)行水庫調(diào)度。Zhao Zhang[28]提出一種基于站點跳過的優(yōu)化調(diào)度方法，可減少一個或多個泵站的使用，并優(yōu)化總水頭到其他站點的分配。文獻(xiàn)[29]在多約束條件下，提出利用變異算子自適應(yīng)變化的進(jìn)化規(guī)劃算法,求得耗水量最低的廠內(nèi)經(jīng)濟運行方式。同時對三峽水電站24h運行情況進(jìn)行算例分析，驗證了所提方法的正確性和有效性。

4 結(jié)語

本文對目前國內(nèi)在水電站經(jīng)濟運行與管理的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和拓展，并引用具體電站進(jìn)行分析論證。水電站經(jīng)濟運行與管理水平付諸具體實施的同時，對水電站運行調(diào)度模型、算法的優(yōu)化不僅有利于進(jìn)一步提高水電站經(jīng)濟運行與管理水平，同時也是電站自動化建設(shè)的重要部分，向“無人值班，少人值守”的目標(biāo)更進(jìn)一步，同時電站的經(jīng)濟效益也得到了很大的提升。盡管水電站經(jīng)濟運行與管理目前仍在不斷地探索，尚沒有形成統(tǒng)一的技術(shù)理論，但我們?nèi)〉玫某晒€是有目共睹的，我們要繼續(xù)結(jié)合實際，探索出一套適合自身實際的水電站經(jīng)濟運行與管理系統(tǒng)。