輸水工程風光互補與交流供電系統方案投資對比分析*

王夢琦

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽，550002)

1 輸水工程閘(閥)門布置特點及供電方案比較

輸水工程線長、面廣、點多且分散，各類不同作用的閘(閥)門品種、數量繁多，這些閘(閥)門能否安全可靠運行，直接關系著城鄉廣大居民的生活用水以及工農業生產用水安全問題。水利工程輸水工程往往位于人煙稀少的偏遠山區，交通不便，用電設備的電力供應一直是一個比較普遍的困擾問題。沿線用電設備多但負荷小，使用頻次低，單次運行時間短，用電量小，但對工程設備運行的保證率要求高，相應對設備的供電電源的保證率要求較高。長期以來，輸水工程閘(閥)門啟閉所需電力大都是從周邊電網接入并通過遠距離架設輸電線路來提供，線路長、占地多，不僅工期長、造價高，工程運行管理難度大，運行費用高。輸電線路受冰雨、雷電等惡劣天氣影響較大，供電可靠性低，為此大都采用移動式柴油發電機作備用電源，其體積、重量較大，運輸不便。針對輸水工程閘(閥)門的使用及負荷特點，風光互補自供電智能系統可有效解決以上問題，符合建設“資源節約型、環境友好型”社會的時代發展需要。

風光互補自供電智能系統是一種將光能和風能轉化為電能的裝置，共用一套送變電設備，可為遠離電網覆蓋的地區提供低成本、高可靠性且不會破壞生態環境的獨立供電系統。其彌補了風能與太陽能獨立發電系統在資源上的不平衡性、不穩定性，可實現晝夜互補(白天太陽能發電，夜晚風能發電)、季節互補(夏秋季日照強烈，冬春季風能強盛)，供電穩定可靠。風光互補自供電智能系統采用直流低壓供電，運行安全維護簡單。自發自用獨立供電，無需修建變電站、架設高低壓線路等工程，在保證供電可靠性的同時可大幅降低工程造價，不僅設備安裝費用低，而且后期維護費用低，極大地減少了工程運行成本。其建設不受地域環境限制，占地少，節能環保。

2 黃家灣水利樞紐工程兩種供配電方案投資對比

黃家灣水利樞紐工程位于貴州省安順市紫云縣，工程主要任務是以城鄉生活和工業供水、農業灌溉為主并結合發電。工程規模為大(2)型，水庫總庫容1.572億m3，多年平均供水量為9321萬m3。輸水工程由1條干渠、3條支渠及3條輸管線組成，全長115.5km。干、支渠及管線布置各類閘(閥)門500多個，各渠道上采用電動控制的閘門，裝機容量小(5.5kW～7.5kW)，布置分散，設備用電電壓0.4kV。設計對各類不同用途的閘、閥門，考慮了設計水平年正常運行和非正常供水工況，進行了操作頻次(半個月、3個月、半年1次，或備用，或持續等)分析，通過現場采集測試試驗、設備選型試驗及各類模擬試驗、實測試驗等，從供電可靠性、施工安裝、閘門(閥門)控制、運行管理、檢修維護及故障率等方面進行方案比較，確定了最終的風光互補自供電智能系統設計方案。對輸水工程風光互補自供電智能系統與傳統交流供電系統進行了工程建設投資、運行維護費用的對比分析。

2.1 工程建設投資

交流供電方案設備安裝費用7087.2萬元(其中，設備費2784.7萬元、安裝費4302.5萬元)；風光互補自供電智能系統方案設備安裝費用2746.5萬元，較交流供電方案減少4340.7萬元，減少了約61%。

表1 工程建設投資對比

2.2 運行維護費用

根據《水利水電工程合理使用年限及耐久設計規范》(SL 654-2014)，本輸水工程永久性水工建筑物的合理使用年限為30年，因此本項目按30年使用壽命測算工程運行維護費用。現階段本工程灌區全部輸電線路費用總共為1412.354萬元，主變費用總共為99萬元，根據《水電站機電設計手冊》(電氣一次部分)第21頁表1-20，取輸電線路年折舊維修率7%，取主變年折舊維修率14%，故傳統交流供電的年運行費用為112.73萬元，傳統交流供電30年的運行費為3381.75萬元。

經測算分析，交流供電系統方案運行維護費用3815.77萬元(其中，電費303.14萬元、折舊維修費3381.75萬元、通信費130.88萬元)；風光互補自供電智能系統方案運行維護費用1531.74萬元，較交流供電方案減少2284.03萬元，減少約60%。

表2 工程運行維護費用對比

3 夾巖水利樞紐及黔西北供水工程兩種供配電方案投資對比

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程涉及畢節、遵義兩個地級市，工程主要任務是以供水、灌溉為主并結合發電。工程規模為大(1)型，水庫總庫容13.23億m3，多年平均供水量為6.88億m3，電站總裝機容量90MW，多年發電量2.2億kW·h。輸水工程由畢大供水工程及6條干渠、16條支渠組成，全長408.95km。

3.1 工程建設投資

交流供電方案設備安裝費用7823.17萬元(其中，設備費2184.74萬元、安裝費5638.43萬元)；風光互補自供電智能系統方案設備安裝費用1887.71萬元(其中，設備費1662.49萬元、安裝費225.22萬元)，較交流供電方案減少5935.46萬元，減少約76%。

表3 工程建設投資對比

3.2 運行維護費用

本項目按30年使用壽命測算工程運行維護費用。

經測算分析，交流供電系統方案運行維護費用3553萬元(其中，電費201萬元、折舊維修費3214萬元、通信費138萬元)；風光互補自供電智能系統方案運行維護費用1684萬元，較交流供電方案減少1868.55萬元，減少約53%。

4 應用效果評價

對黃家灣水利樞紐工程風光互補自供電智能系統進行現場試點試驗，通過現場充電性能試驗數據顯示，太陽能光伏充電效果可達到設計預期，且在電池組配置較大的情況下，充電時間均在4～5天內充滿。單晶硅太陽能板光電轉化率高、性能可靠穩定，期間在陰雨天氣、弱光環境下也可發電。風光互補自供電智能系統可根據實際用電負荷情況和資源條件進行系統容量的合理配置，保證了系統供電的可靠性。

通過現場各類金結設備的負載性能試驗，可直觀地看到直流電機的負載特性很優良。在空載啟動時電流很低，逐步增加負載過程中電流呈線性變化，且通過帶載啟動試驗可直觀地看到直流電機具備降速滿載啟動特性，非常適合閘(閥)門的變動負載特性，帶載啟動特性可最大程度減少對閘(閥)門機械沖擊，這是交流電機無法比擬的。直流電動裝置采用智能一體化結構，具備液晶顯示的人機交互界面，可直接在現場電動和手輪手動進行操作，手電兩用非常方便，還可切換到遠程控制模式，控制集成化程度較高。

5 結語

隨著我國社會經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，對水利工程設計運行的安全可靠度以及自動化程度的要求越來越高。針對水利工程長距離輸水線路閘(閥)門數量多、布置分散、容量小且使用頻率低的特點，風光互補自供電智能系統設計不僅可大幅降低工程建設和運營成本，有效避免了山區遠距離架設輸變電的施工、運行檢修維護難度和風險，以及長距離輸配電線路因冰雹等自然災害可能導致的斷電等工程風險，進一步提高了供電的安全性、可靠性，進而提高了工程運行的安全性和可靠性。風光互補自供電智能系統施工安裝簡便快捷，施工周期大幅度縮短，大量減少了工程建設占地，有利于環境保護和水土保持。風光互補自供電智能系統設計極大地推進了水利工程的控制水平，從規范化、科學化、智能化等方面改善和提高了工程的管理水平，社會、經濟、環境、生態效益明顯，值得在水利工程以及其他類似的工程建設中推廣應用，發展前景廣闊。