水電站水庫經濟調度考核評價方法

肖 楊，鄺錄章，王 也

(國家電力投資集團 五凌電力有限公司，長沙 410004)

水電站的發電效益受徑流狀態和水庫調度方式的影響，需要建立科學有效的水電站經濟調度考核評價辦法，來充分挖掘水電站的發電效益。目前，關于水電站經濟調度考核評價方法的研究主要集中在評價指標體系的建立和指標的定量計算上，但各指標大多是在特定情況下計算使用的，并不能綜合反映各水電站的經濟調度水平，且多指標考核當考核指標數值不一致時難以評價經濟調度水平的優劣。孫德鎖等總結提出空耗比率、發電耗水率、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濟運行考核指標[1]；暢建霞等提出以相對發電耗水率和相對水能利用率做為水電站經濟調度考核指標[2]；張衛國等在分析現有水電站運行調度考核指標的基礎上，提出以庫容曲線的線性程度來做為選擇庫容差電量的計算方法，以水能利用提高率做為首選的考核指標[3]。本文在分析現有的水電站經濟調度考核評價指標的基礎上，提出五凌電力有限公司(以下簡稱“五凌公司”)的發電量評價系統，并對五凌公司各水電站實際運行調度進行考核評價，同時總結得出最優的水電站經濟運行策略，以指導今后的水電站經濟調度。

1 水電站經濟調度考核評價指標分析

現有的水電站經濟調度主要有以下考核評價指標：①計劃電量。用于考核水電站各時期發電任務的完成情況，但該指標主觀性較強；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節性能影響較大；③發電耗水率。用于考核水電站的運行效率，其受水庫水位季節性消長等因素影響，另外有棄水產生則不能很好地對發電情況進行評價；④相對水量利用率。用于考核水電站水量利用情況，但其靈敏度不夠高；⑤相對發電耗水率。用于考核水電站的運行效率；⑥可用水能利用率。用于考核水電站有效水量的利用情況，但相對發電耗水率和可用水能利用率這兩個指標不易準確計算；⑦發電完成率。用于考核水電站水量、水頭及機組運行效率的綜合水平，但優化計算復雜；⑧水能利用提高率。用于考核水電站水量、水頭及機組運行效率的綜合水平，但求解中涉及的庫容差電量計算目前尚無統一的方法。

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算目前尚無統一的方法，而水能利用提高率計算又添加了計算因子E考核，計算更為復雜，作為評價水電站的發電量只與理論最大發電量比較就可以反映考核期內的發電調度水平。所以本文在總結上述評價指標的基礎上，構建五凌公司發電量評價系統，采用實際發電量與理論最大發電量的差率來進行水電站的經濟調度評價考核，即評價期內實際發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電量的差值百分率。

2 五凌公司發電量評價系統

五凌公司發電量評價系統主要以實際來水為依據，以水庫的固有靜態屬性和實際運行中的各種限制條件作為約束，構建發電量最大模型，運用動態規劃法進行最優化計算，得出最優發電量及最優運行過程，計算實際發電量與棄水損失電量之和減去最優發電量所得的差值與左右發電量相比的百分率，即發電差率。

2.1 目標函數

根據水庫實際來水，滿足年度、不同時期制定的運行調度控制方案以及機組和線路檢修、電網約束、工程約束、庫區綜合運用要求等條件，求得水電站評價期內理論最大發電量(湖南電力市場未采用分時電價)，再用實際發電量加上棄水損失電量與其進行比較，求出發電差率。其目標函數為：

ε=(E實際+E損失-Emax)/Emax×100%

=(E實際+E損失-Emax)/Emax×100%

(1)

其中：

(2)

式中：ε為發電差率，%，其為負值；Emax為水電站調度期內的總發電量，kW·h；E實際為考核評價期內實際發電量，kW·h；E損失為考核評價期內棄水損失電量，kW·h；Ni為第i時段電站的出力，kW；Δt為計算時段長度，s；T為調度期的總時段數；qi為第i時段的發電流量，m3/s；ρi為第i時段的平均耗水率，m3/kW·h。

時段選取：根據不同調節性能的水庫選擇不同計算時段，日調節(徑流式)水電站計算時段Δt為1 h，周調節能力及以上的水庫計算時段Δt為1 d。

2.2 約束條件

1) 水量平衡約束：滿足水務計算的基本定律。公式如下：

Vi=Vi-1+(Q入i-Q出i)Δt

式中：Vi、Vi-1分別為第i時段末、初的庫容；Q入i、Q出i分別為第i時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時段平均棄水流量；其他符號意義同前。

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時段最小、最大限制出力值。要求計算出力值滿足機組、線路檢修對應的最大限制出力要求，滿足預想出力限制，避開機組震動區的出力值等。

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時段最小、最大上游水位值和計算平均上游水位，m。運行庫水位不低于最小控制水位，一般為死水位；同時不得超過運行控制的上限水位，通常為正常蓄水位、汛期的防洪限制水位，電網、防汛抗旱部門、發電公司制定庫水位控制方案以及庫區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，小于標準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，小于標準洪水下的下游河道安全泄量。

5) 非負約束。各計算變量須為非負值。

2.3 計算方法

本文采用增量動態規劃法[4]對水電站發電量最大模型進行求解計算，計算流程見圖1。由統計的考核評價期內實際發電量、實際棄水損失電量以及優化計算得到的理論最大發電量，即可根據式(1)計算，得到實際發電量加棄水損失電量與理論最大發電量的差率。

圖1 動態規劃計算流程

3 水電站經濟調度評價

采用上述考核評價計算方法，對五凌公司直管各水電站2017年的實際經濟調度進行評價。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況

考核評價計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際運行資料。其中，水電站的基本資料包括：庫水位-庫容關系曲線、下游水位-流量關系曲線、水頭-耗水率關系曲線、機組出力限制曲線、水頭損失曲線等。水電站徑流資料包括：水庫的實際入庫流量，不同調節性能的水庫其徑流選取的時段長度不同，其中徑流式水電站時段長度選為1 h，季調節及以上水電站時段長度選為1 d。水電站實際運行資料包括：實際出力值、實際庫水位值、實際發電流量、實際發電量、實際棄水損失電量，時段長度的選取同徑流資料。各水庫各階段控制運行水位根據前期依據氣象、徑流預報，通過流域梯級效益最大和公司發展戰略制定。

通過評價計算，各直管水電站2017年發電量、發電差率見表2。由于目前水電站應用較多的考核指標為水能利用率和發電耗水率，即在入庫徑流狀態既定時，水能利用率越高，發電耗水率越小，發電量就越多。為了對比分析，將水電站實際考核常用的發電耗水率和水能利用率一并計算在表2中。

表2 五凌公司直管各水電站2017年發電量評價指標對比

由表2的考核指標對比可以看出：①水量利用率100%時，發電耗水率越小，經濟調度越優；②最優運行策略的水量利用率高于實際運用，今后水電站經濟調度中應進一步提高水量利用率；③調節性能較好的水庫最優策略的發電耗水率均小于實際運用過程，說明水庫調度中應充分利用水庫的調節性能，在洪水前充分利用水量，而在非棄水階段應保持高水位運行；④日調節水電站最優策略的水量利用率較實際運用提高較多，說明今后在水庫經濟調度工作中應加強日調節水電站的水量利用、減少棄水，利用徑流式水電廠實時優化調度系統[5]指導經濟調度。

通過五凌公司發電量評價系統不僅可以得出理論最大發電量及發電差率，還直觀展現了水電站最優運行過程和實際運行過程的對比，從而可以找出實際運行調度中的差距，總結經驗以指導今后的水電站經濟運行調度工作。三板溪、托口、五強溪、碗米坡水庫2017年實際運行過程與最優策略對比見圖2。

(a)三板溪

(b)托口

(c)五強溪

(d)碗米坡圖2 各水電站2017年實際運行與優化策略對比

由圖2對比分析可得：

1) 各水庫在洪水之前(預報有較強降雨、棄水風險較大)，應盡可能利用機組發電使庫水位降至最低水位，充分利用水量發電。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，這就要求水電經濟調度在預報有較強降雨、洪水之前，避免機組檢修、消缺，確保機組能滿負荷運行，“騰庫”以充分利用水量。

2) 在非棄水時段保持盡量高的庫水位，即在非洪水期充分利用水頭，減小發電耗水率以發更多的電能。水電站經濟效益的發揮應努力使考核期內在沒有棄水或盡量小的棄水情況下保持較高庫水位運行。

3) 汛前和洪前需要降低庫水位運行時，應提前多天加大發電方式以逐步消落庫水位至目標(控制)水位。因為一方面集中消落庫水位會大幅抬高尾水位而減小了發電運行水頭；另一方面集中消落(尤其是大型水庫消落深度大的)電網或電力市場不一定允許，洪水來臨時庫水位不一定能消落到位，致使棄水量增加。所以還應特別關注并考慮到高溫-降雨降溫轉換時負荷的大幅變化，洪水前應提前及時充分騰庫。

4) 在雨水季節，各水庫實際運行過程較最優過程庫水位經常偏低，因為水庫實際運行中會根據降水預報進行“騰庫”，降水預報偏差較大時，往往造成雨未下而水庫已騰空，后期再高位水位運行較為困難。所以，水庫經濟運行應特別注重加強提高降水預報的準確率。

4 結 語

現有水電站經濟調度考核指標各有側重，本文在分析當前水電站經濟調度考核評價指標及計算方法的基礎上，構建了能充分體現水電站水量利用和水頭利用等綜合評價的發電差率指標的水電站發電量評價模型，利用最優化思想，得出理論最優發電量及優化過程，實際發電量加棄水損失電量與之進行對比分析、考核評價。發電差率得出的是滿足實際考核期內各種約束條件下的最優發電過程，能較清晰反映水頭利用和水量利用在考核期內的不同貢獻。由評價分析可看出，要實現較大的發電效益，在確保不棄水或少棄水的情況下使運行庫水位盡量高。展現的最優發電過程與實際運行過程的對比，能讓我們找出實際調度中的不足，總結經驗，以不斷提高今后的水電站經濟調度工作。