流域梯級水電站集控運行效益分析

馬 青

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都 610051)

1 流域梯級水電站集控運行的內(nèi)涵［1］

流域梯級水電站集控運行是指流域水電開發(fā)公司為了挖掘梯級水電生產(chǎn)的潛力和效益，將同屬某一流域水力聯(lián)系緊密的水電站組成梯級電站群，利用各水庫的不同水文與庫容特性，改變有調(diào)節(jié)能力水庫和電站的運行方式，通過梯級水電站對水資源的各自利用方式，提高整個梯級的供電能力，充分發(fā)揮水資源的綜合利用效益并統(tǒng)一組織各梯級水電站的生產(chǎn)和管理，實現(xiàn)效益最大化。

流域梯級水電站的集控運行具有兩層含義:一是梯級之間聯(lián)系緊密，是不可分割的整體，必須實施集控運行;二是水量調(diào)度和電力調(diào)度是一種互動關(guān)系，要確保方案最優(yōu)、效益最大，勢必要求水、電聯(lián)合，下達集控運行指令。梯級水電站的集控運行是實現(xiàn)水量和電力聯(lián)合調(diào)度運行的基礎(chǔ)和前提，梯級水電站集控運行是樞紐綜合效益得以充分發(fā)揮的保障。

流域梯級水電站集控運行的效益日益受到人們的廣泛關(guān)注。蔡治國［2］提出將原先以常規(guī)調(diào)度為基準的考核思路改為以優(yōu)化調(diào)度為基準，提出了“理論最大發(fā)電量”和“發(fā)電完成率”的概念。白小勇［3］對黃河上游梯級水電站群的節(jié)水增發(fā)電考核進行了研究，提出了梯級水電站增發(fā)電評價方法。趙永生［4］對水電廠水能利用提高率考核問題進行了研究;黃煒斌［5］介紹了聯(lián)合國關(guān)于梯級水電站聯(lián)合運行的效益評價辦法等。但是，這些研究更多關(guān)心的是水量利用率及節(jié)水增發(fā)電等指標，尚缺乏對流域梯級水電站集控運行綜合效益的分析評價。

2 流域梯級水電站集控運行體系

2.1 組織體系

流域梯級水電站集控運行的實現(xiàn)，要求梯級電站群設(shè)置唯一的流域集控機構(gòu)，對外統(tǒng)一接受有關(guān)部門的調(diào)度指令，對內(nèi)負責梯級的防洪、發(fā)電等綜合運用的統(tǒng)一調(diào)度等。各梯級電站建立與流域集控機構(gòu)的調(diào)度、通信、監(jiān)控等的網(wǎng)絡(luò)連接，直接接受流域調(diào)度中心的調(diào)度命令，該命令由梯級樞紐監(jiān)控系統(tǒng)完成。

流域梯級調(diào)度機構(gòu)作為企業(yè)內(nèi)一個新興的職能部門，其成立必將改變企業(yè)原有的組織結(jié)構(gòu)和電力生產(chǎn)組織管理關(guān)系;同時，流域梯級集控運行的實現(xiàn)也可能使企業(yè)員工工作內(nèi)容、工作制度、工作地點等發(fā)生一定的改變。

2.2 管理模式

傳統(tǒng)電力體制下，電廠(機組)的發(fā)電調(diào)度由電網(wǎng)公司負責，企業(yè)發(fā)電設(shè)備的安全性、可靠性、穩(wěn)定性及投運率等成為電網(wǎng)考核企業(yè)的主要指標，進而造成發(fā)電企業(yè)的中心工作主要是圍繞發(fā)電設(shè)備的運行、維修、檢修及水工建筑物的完好開展工作，形成以保證電廠設(shè)備完好為核心的生產(chǎn)管理體系。在這種體制下，發(fā)電企業(yè)的水庫調(diào)度只能對電網(wǎng)調(diào)度及企業(yè)生產(chǎn)組織指揮機構(gòu)起參謀作用，而不能發(fā)揮決策作用，從而造成水電企業(yè)“重電，輕機，不管水”的生產(chǎn)管理模式。

流域梯級水電站集控運行將對發(fā)電企業(yè)原有的生產(chǎn)管理體制進行改革，發(fā)電企業(yè)的中心工作不僅僅限于保證設(shè)備完好和可靠，而是追求企業(yè)的綜合效益最大化;流域集控機構(gòu)成為流域開發(fā)公司的生產(chǎn)調(diào)度控制中心和生產(chǎn)信息中心;整個生產(chǎn)過程為:流域集控機構(gòu)首先對來水過程進行準確的預(yù)測，在滿足防洪需要和保證水資源綜合利用要求的前提下，依據(jù)調(diào)度規(guī)程編制調(diào)度計劃，待電網(wǎng)對調(diào)度計劃調(diào)整批準后再組織實施。在實時調(diào)度過程中則遵循“水電互動，方案最優(yōu)”的調(diào)度規(guī)則，即先根據(jù)水情預(yù)測及水庫綜合運用方式，初步確定梯級水電站的發(fā)電負荷及機組的運行方式，之后再根據(jù)電網(wǎng)負荷需求及電站機組情況，由調(diào)度決策系統(tǒng)依據(jù)當時的防洪、航運等限制條件，確定最優(yōu)的水庫、發(fā)電調(diào)度方案;為實現(xiàn)水調(diào)、電調(diào)間的“無障礙聯(lián)系”，減少溝通環(huán)節(jié)，提高實時調(diào)度的應(yīng)急響應(yīng)效率，可實行水庫調(diào)度和發(fā)電調(diào)度的同臺值班方式。

2.3 運行方式

流域梯級水庫、電站的遠程集中監(jiān)控和統(tǒng)一管理是流域梯級集控運行的實現(xiàn)途徑。只有將各梯級水庫、電站的運行狀態(tài)信息等集中于統(tǒng)一的流域集控機構(gòu)，才能為流域梯級的集控運行提供信息基礎(chǔ)和決策依據(jù)。流域梯級水電站集控運行以實現(xiàn)梯級電站的遠程集控生產(chǎn)模式為前提。在這種生產(chǎn)模式下，流域集控機構(gòu)成為各梯級電站的遠方集控運行中心，所有梯級電站調(diào)度控制指令均由流域梯級集控機構(gòu)下達并遠程執(zhí)行，現(xiàn)場僅保留少數(shù)值守人員，即采取“無人值班、少人值守”的運行方式。

遠程集控生產(chǎn)模式下，先進可靠的梯級調(diào)度業(yè)務(wù)系統(tǒng)是梯級電站集控運行實現(xiàn)的關(guān)鍵。只有建立了完善的水庫調(diào)度、電力監(jiān)控、通信、水情自動測報系統(tǒng)等現(xiàn)代化程度高的自動化系統(tǒng)，才能保證遠程集控的順利實施。流域梯級集控系統(tǒng)作為水電企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)，需接入電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，因此其必須符合電網(wǎng)要求的規(guī)程、規(guī)范，滿足電網(wǎng)對調(diào)度自動化系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性和時效性要求。此外，流域梯級集控系統(tǒng)與企業(yè)內(nèi)的生產(chǎn)關(guān)系、行政體系密切相關(guān)，必須結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度關(guān)系，形成梯級自動化調(diào)度的能力。流域集控運行框架見圖1。

3 流域梯級水電站集控運行效益分析

圖1 流域集控運行框架示意圖

近幾年來，國內(nèi)各大流域以及中小流域發(fā)電公司積極探索流域梯級水電站的集控運行，并均已成立了流域梯級集控機構(gòu)。各流域梯級集控機構(gòu)基本上是建立以企業(yè)內(nèi)部梯級調(diào)度為龍頭的統(tǒng)一調(diào)度體系，并在籌建實施過程中統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計，分步實施，在實際調(diào)度工作中逐步完善提高。從目前的實施效果看，流域梯級水電站集控運行的實施，不僅給企業(yè)帶來了不同程度的效益的提高，而且獲得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

3.1 提高了流域水資源利用率

大多數(shù)流域梯級水電站設(shè)有龍頭調(diào)節(jié)水庫。流域梯級水電站聯(lián)合優(yōu)化運行，可以使龍頭水庫的調(diào)節(jié)作用得到更加充分的發(fā)揮，在流域梯級各電站防洪和發(fā)電統(tǒng)一考慮的情況下，提高河流梯級水電站水資源的利用率，如雅礱江下游錦屏一級水庫，該水庫正常蓄水位以下庫容為77.65億m3，調(diào)節(jié)庫容49.1億m3，庫容系數(shù)為13%，具有年調(diào)節(jié)能力。作為流域干流河段梯級電站的控制性水庫，與下游的錦屏二級、官地、二灘、桐子林水電站集控運行，可使雅礱江下游設(shè)計枯水年枯水期平均流量由367m3/s提高到678m3/s，提高程度達85%，流域徑流得到了充分利用。在流域聯(lián)合電力調(diào)度的過程中，汛初水庫蓄水時可先蓄調(diào)節(jié)能力較小的水庫，龍頭水庫后蓄，從而可以提高梯級電站的引用水頭;汛后，龍頭水庫先開始加大發(fā)電，對下游各梯級水庫進行補償調(diào)節(jié)，減少棄水，可使梯級電站枯季的發(fā)電能力有大幅度的提高，從而相應(yīng)提高了流域徑流的水量利用率。

3.2 有利于流域安全防洪渡汛

傳統(tǒng)的單庫洪水調(diào)度時，各電站分別采集庫區(qū)流域內(nèi)的降雨、來水情況，信息不能及時共享。上游水庫的開閘信息數(shù)小時后才通知下一級電站，由于不能實時掌握上一級電站來水情況導(dǎo)致調(diào)節(jié)性能差的水庫較難實現(xiàn)預(yù)泄操作，極有可能為了保證大壩安全出現(xiàn)河道水位陡漲陡落的人工洪水事件，從而給下游河道及人民群眾生命財產(chǎn)造成損失。流域梯級水庫聯(lián)合防洪調(diào)度可利用各梯級水庫調(diào)節(jié)性能的不同，充分發(fā)揮龍頭水庫、大型水庫的調(diào)節(jié)優(yōu)勢，由集控中心對一場洪水統(tǒng)一調(diào)度，有利于綜合考慮上下游影響因素，利用各水庫的不同水文與庫容特性，結(jié)合天氣、水情信息，實施汛限水位動態(tài)控制，對洪水進行預(yù)泄、攔尾、削峰、錯峰調(diào)度，并可改變上游有調(diào)節(jié)水庫的運行方式，方便、靈活地運用各電站開停機，為有棄水風險的水庫錯峰，妥善處理各水庫的蓄泄關(guān)系，在保證各水電站自身防洪安全的前提下集控運行，可以提高流域梯級整體的防洪能力。如烏江梯級水電站集控運行的實施，有效提高了梯級水電站防洪渡汛的能力。其龍頭水庫洪家渡調(diào)節(jié)庫容為33.61億m3，在汛期通過預(yù)留較大的防洪庫容，減少了下游東風水庫入庫洪水的峰量值;而烏江渡水庫的調(diào)節(jié)庫容為13.5億m3，通過預(yù)留1～2億m3庫容，采用預(yù)報調(diào)度方式和提前預(yù)泄措施，大大降低了構(gòu)皮灘水電站壩前的洪峰流量，從而保證了構(gòu)皮灘水電站汛期施工的安全。

另外，隨著流域梯級水電站聯(lián)合優(yōu)化運行的實施，全流域洪水預(yù)報和局部流域的洪水預(yù)報成果不僅可以為各梯級水電站的防洪渡汛提供可靠的信息，而且使流域梯級集控機構(gòu)成為全流域的水情信息中心，有利于防洪調(diào)度方案的快速實施。

3.3 有利于電網(wǎng)安全運行

流域梯級水電站群往往具有多級電站、裝機容量大等特點。流域梯級水電站的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度可以通過具有年調(diào)節(jié)性能的水庫攔蓄豐水期來水，減少無益棄水，補充枯水期水量以提高枯期發(fā)電量，緩解豐枯期電力供需矛盾，提高電網(wǎng)運行安全性，如雅礱江下游錦屏一級水電站與錦屏二級、官地、二灘、桐子林水電站集控運行，可增加五座梯級電站多年平均年發(fā)電量60億kW·h，平枯期電量70億kW·h，枯水年平枯期平均出力136.1萬kW，從而使四川電網(wǎng)2020年水平水電站群的枯水年枯水期平均出力由1273.2萬kW增加到1560萬kW，增幅達22.5%，屆時，四川電網(wǎng)水電站群的調(diào)節(jié)性能將得到較大改善，將大大緩解四川電網(wǎng)豐枯期的供需矛盾。另外，流域梯級水電站可聯(lián)合調(diào)頻、調(diào)峰，共同承擔系統(tǒng)備用，如清江隔河巖、高壩洲梯級電站主要承擔湖北、華中電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和備用任務(wù)，2003～2005年兩站調(diào)峰率分別為93.2%和84.4%，其中隔河巖電站單機年均啟停次數(shù)為549次，高壩洲電站單機年均啟停次數(shù)為621次，而同期華中電網(wǎng)水電平均啟停次數(shù)僅為191次，可見，梯級電站集控運行對保障電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行具有重要作用。

3.4 提高調(diào)度決策效率

首先，眾多河流梯級開發(fā)使得梯級水電站數(shù)目劇增，必將加重電網(wǎng)調(diào)度中心發(fā)、供電調(diào)度工作的任務(wù)，若所有梯級電站都由電網(wǎng)調(diào)度中心直接調(diào)度，其任務(wù)將極其繁重;其次，各梯級所在流域均有自己的水文氣象特性，而掌握一個流域的水文氣象特性需要經(jīng)過較長時間的摸索，但各電網(wǎng)調(diào)度中心的發(fā)、供電調(diào)度本身任務(wù)已非常繁重，再要求電網(wǎng)調(diào)度人員去掌握各梯級所在流域水文氣象特性是不現(xiàn)實的，也是不必要的。因此，通過設(shè)立流域梯級集控中心，電力調(diào)度部門即可將梯級日負荷曲線下達給流域集控中心，如四川的田灣河梯級水電站、火溪河梯級水電站，四川電網(wǎng)調(diào)度部門將每日96點負荷曲線下放給這兩個流域集控中心，集控中心再分解至各梯級電站，決定各梯級電站的開停機，從而可以減輕電網(wǎng)調(diào)度的工作量，提高調(diào)度決策的效率。

3.5 符合電力體制改革的需要

隨著電力體制改革形勢的逐步明朗，廠網(wǎng)分開及競價上網(wǎng)的逐步實施，電網(wǎng)對電力的調(diào)度將逐步從原來的微觀管理走向宏觀控制，即對各發(fā)電公司的電力調(diào)度將采用總負荷曲線控制的方式，使各發(fā)電公司的電力調(diào)度管理更加靈活。水電廠的水庫調(diào)度任務(wù)已不再是單純的防洪調(diào)度，企業(yè)須按市場經(jīng)濟規(guī)律的要求對防洪、發(fā)電、航運等進行協(xié)調(diào)控制和管理，利用水庫運用水位的允許變幅，統(tǒng)一制定梯級電站的發(fā)電計劃，降低水耗，實現(xiàn)電力生產(chǎn)利潤最大化;同時，還要優(yōu)化梯級樞紐的發(fā)電調(diào)度和檢修計劃，以滿足電力市場對機組和負荷控制的要求。

另外，電力體制改革的推進將促進電力交易實時競價體系的形成。競價上網(wǎng)是關(guān)系到電量合同和電價協(xié)議簽訂的重要環(huán)節(jié)。為迎接這一改革需要，爭取主動，流域梯級電站必須通過水電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度設(shè)置水電結(jié)合的實時調(diào)度用以應(yīng)對電價實時交易。實時調(diào)度通過對水情信息的充分掌握，以及對售電能力和發(fā)電能力的信息收集，有效地根據(jù)電力市場的動態(tài)信息、未來水情做好發(fā)電計劃并實施最優(yōu)運行方式，提升水電等可再生清潔能源開發(fā)企業(yè)在電力市場中的競爭力。

3.6 有利于水電機組安全運行

流域梯級水電站集控運行可以進一步優(yōu)化流域梯級電站機組的運行方式，減少單機在電力系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)備用的運行時間和機組空載運行機率，在滿足系統(tǒng)負荷需求的情況下，聯(lián)合躲避機組振動區(qū)。當流域某個電廠中機組出現(xiàn)故障時，通過梯級調(diào)度可使梯級電站中的其它機組自動實時地頂上去，以減少機組帶病作業(yè)的機率，從而減少機組故障出現(xiàn)的機會，有利于機組的安全穩(wěn)定運行，提高機組運行的可靠性。

3.7 有利于降低工程造價和生產(chǎn)運行成本

流域梯級電站集中控制運行，只需要在流域集控中心或分中心建設(shè)諸如水情自動測報系統(tǒng)、水調(diào)自動化系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)及通訊系統(tǒng)等，而不需要在每個受控水電站中建設(shè)上述系統(tǒng)，從而可以大大降低水電站工程建設(shè)造價。另外，亦便于實施人、財、物集中管理，能有效節(jié)約人力、物力資源，降低生產(chǎn)成本，達到減人增效的目的。集控中心作為公司下屬各梯級電站監(jiān)視、控制和調(diào)度管理中心，可實現(xiàn)對各電站的遙控、遙調(diào)、遙測、遙信、遙視以及梯級經(jīng)濟運行和調(diào)度管理，不僅可以精簡水庫調(diào)度人員、發(fā)電運行值班人員，減少相關(guān)管理崗位人員數(shù)量，達到精簡運行維護人員的目的，還可以通過集控模式實現(xiàn)流域梯級各電站的備品備件和相關(guān)裝置、設(shè)備的共享，從而消除了備品備件和物資材料的重復(fù)儲備現(xiàn)象，降低生產(chǎn)成本。

3.8 有利于改善員工工作環(huán)境

流域梯級電站大多處于偏遠的、環(huán)境及氣候條件較差的地區(qū)，有些處于高海拔地區(qū)，流域梯級水電站集控中心往往建設(shè)在都市，實施異地遠程集中控制，通過“五遙”的實施和“無人值班”(少人值守)的集中控制運行管理，能有效地把電站運行人員從邊遠艱苦的環(huán)境中解脫出來，真正實現(xiàn)企業(yè)“以人為本”的發(fā)展觀。

3.9 增加清潔能源電量，對節(jié)能減排的貢獻作用突出

水能是清潔的可再生能源，充分利用水能資源，可以節(jié)約有限的礦產(chǎn)能源，保持資源利用的可持續(xù)性，是可持續(xù)能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。流域梯級水電集控運行，可顯著增加梯級水電站的發(fā)電量，如大渡河干流梯級，規(guī)劃開發(fā)電站20余座，總裝機容量近3000萬kW。通過梯級水電站集控運行，能夠獲得顯著的發(fā)電效益和節(jié)能減排效益，全梯級多年平均發(fā)電量可由單獨調(diào)度運行的1053億kW·h，提高到1123億kW·h，增長6.6%，保證出力由4790MW增長到10830 MW，增加126%，其中枯期電量由195億kW·h增加到413億 kW·h，增加112%(圖2)。實施梯級水電站集控運行調(diào)度，可以通過水電增發(fā)電量，減少火電發(fā)電量和煤耗量以及CO2的排放量。按全國平均煤耗0.334kg/kW·h計算，大渡河流域梯級電站實施集控運行后一年可增發(fā)電量70億kW·h，可替代一個140萬kW級的火電站，減少標煤233.8萬 t，減少 CO2排放614.9萬t。

圖2 單站運行與聯(lián)合運行效益比較示意圖

3.10 提高河流水資源綜合利用效益

流域梯級水電站集控運行，可以提高梯級水庫供水灌溉、航運及環(huán)境保護效益。如長江干流被稱為“黃金水道”，枯水期三峽電站承擔電力系統(tǒng)調(diào)峰進行日調(diào)節(jié)，調(diào)峰時電站出力變化大，電站下泄流量不穩(wěn)定，因此下游河道水量流速變化不定，對航運影響大。其下游的葛洲壩水庫通過與三峽水庫集控運行，進行反調(diào)節(jié)，可改善下游河段由于三峽水庫調(diào)峰產(chǎn)生的不恒定流對航運的不利影響，使長江下游河段流量變化趨于平緩，從而改善枯期長江河道的航運條件，提高河流水資源的利用效益。

4 結(jié)語

流域梯級集控運行是流域梯級水電建設(shè)發(fā)展的必然趨勢。流域梯級集控運行，一方面可以有效降低流域梯級電站運行維護人員的工作強度，節(jié)約人力資源，逐步實現(xiàn)流域梯級所有電站的無人值班運行模式，達到減人增效的目的;另一方面，可以提高流域的防洪能力。而且通過合理分配各電站的發(fā)電負荷，可以提高流域水資源的綜合利用效率。實施流域梯級電站集控運行，符合建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的要求，是實現(xiàn)節(jié)能減排目標的重要途徑，對貫徹落實科學發(fā)展觀，促進又好又快發(fā)展具有重要意義。因此，在條件具備的情況下，應(yīng)積極探索實施流域梯級水電站的集中控制運行。

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