大藤峽水利樞紐工程廠內經濟運行研究

房 巍，孫萬光，李文紅

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021；2.長白朝鮮族自治縣河道管理中心，吉林白山134300）

1 概述

水電站廠內經濟運行的主要任務是將出力在機組間最優分配，以獲得發電收益或發電量最大化[1]。國內外諸多水電站均實施了經濟運行，取得了良好的效益：實施經濟運行后，劉家峽水電站提高效益2.032%[2]，湖南拓溪水電站提高發電量3%~10%，湖北葛洲壩二江水電站提高效益1%~3%，美國石河段水電站發電效率平均提高3%。由此可見，水電站實行經濟運行所取得的經濟效益是十分可觀的，這部分效益增加對于我國這樣的水電大國和能源供需矛盾日漸突出的形勢都是非常有意義的。

大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系黔江干流大藤峽出口弩灘上，壩址下距桂平市約6.6 km，壩址控制流域面積為19.86萬km2；工程任務為防洪、航運、發電、補水壓咸、灌溉等綜合利用；水庫正常蓄水位為61.00 m，汛期限制水位為47.60 m，死水位為47.60 m。水庫總庫容為34.79億m3，船閘規模為3 000 t級，電站裝機容量為1 600 MW，8臺機組，多年平均發電量為60.55億kW·h，保證出力為366.9 MW。

2 水電站廠內經濟運行動態規劃模型

水電站廠內經濟運行包含兩部分：1）機組負荷分配優化，即負荷的空間分配；2）機組組合優化，即負荷的時間分配。

2.1 機組負荷分配

用動態規劃方法求解機組負荷優化分配問題，建立數學遞推模型。

階段變量i：以機組編號為序，機組臺數i為階段變量；

決策變量Ni：第i號機組的負荷；

根據動態規劃的最優化原理，可得到順向遞推方程組：

2.2 機組組合

對于一個有n臺機組的水電廠，采用以下思路建立遞推模型：

階段變量t：以1 h為階段，全天24 h總計24個階段；

狀態變量j：在順序遞推中，以前一時段t-1的機組組合號j為狀態號；

決策變量i：當前時段的機組組合號；

狀態轉移方程：f(t，j)=i*，其含義為，當t-1時段以第j號機組組合運行，而t時段的最優組合號為i*，該時段負荷在第i*號組合間優化分配；

由此可以得出機組組合的動態規劃遞推方程組：

2.3 模型求解方法

在水電站廠內經濟運行傳統動態規劃求解方法中，將給定負荷的空間分配和時間分配分開計算。先進行負荷的空間分配，選取一定的水頭H，從機組最小出力開始，按照給定的步長進行空間負荷分配的動態規劃算法計算，得出相應水頭下從最小出力一直到該水頭下機組總出力最大值為止的各機組最優負荷分配，并將得出的數據存入空間負荷分配總表中。對所有水頭，按照以上步驟依次進行，得出該電站所有水頭的空間負荷分配總表。在機組組合優化過程中，不斷查找這些成果表，并對其進行插值計算，得出最優的機組組合及負荷分配方案。

上述傳統求解方法優點是在實際應用中計算時間短、效率高；缺點是前期準備工作量巨大，在應用中做了大量插值計算，精度不高。本文采用時空緊密耦合的動態規劃方法求解大藤峽水電站廠內經濟運行優化模型，即將負荷空間分配和機組組合共同作為狀態變量，以時段作為階段變量，采用動態規劃方法一次求解，得出廠內經濟運行的優化方案。

3 樞紐優化調度方案研究成果

3.1 設計水平年典型日負荷曲線

根據紅水河梯級規劃和大藤峽水利樞紐工程初步設計成果[3]，大藤峽水電站設計代表年采用以紅水河梯級為主選擇的設計代表年，本文選取平水年進行優化研究，即平水年1966年5月—1967年4月。

根據《廣西電力工業發展“十二五”及中長期規劃總報告》[4]，預測到2030年設計水平年廣西全社會需電量將達到3 850億kW·h，最大負荷為64 500 MW。夏季典型日最小負荷率β為0.636，日負荷率γ為0.818；冬季典型日最小負荷率β為0.617，日負荷率γ為0.808。

大藤峽水電站設計水平年典型日負荷曲線結果見圖1。

圖1 大藤峽水電站設計水平年平水年典型日負荷曲線

3.2 設計水平年平水年典型日機組負荷分配方案

根據圖1，經優化計算，給出機組最優負荷分配方案，結果見圖2、圖3。

圖2 平水年夏季典型日負荷機組出力

圖3 平水年冬季典型日負荷機組出力

從圖2可見，夏季典型負荷下，1~8 h，13~14 h，24 h負荷為150 MW，1臺機組開機即可，機組效率達到94.53%，處在高效區。9，12，15，23 h負荷為325 MW，需安排3臺機組開機，其中2臺機組出力均為100 MW，1臺機組出力為125 MW，機組平均效率為92.67%。16 h負荷為656.3 MW，需安排5臺機組開機，其中3臺機組出力均為150 MW，1臺機組出力為100 MW，1臺機組出力為106.3 MW，機組平均效率為92.40%。10~11 h，17~22 h負荷為838.8 MW，8臺機組全部開機，其中7臺機組出力為100 MW，1臺機組出力為138.8 MW，機組平均效率為91.91%。夏季8月份不安排檢修容量，8臺機組全部投入運行滿足實際需求。

從圖3可見，冬季典型負荷下，1~9 h，12~16 h，23~24 h負荷為150 MW，均開啟1臺機組，機組效率達到94.22%，處在高效區。10 h負荷為546 MW，需安排3臺機組開機，其中1臺機組出力為200 MW，1臺機組出力為196 MW，1臺機組出力為150 MW，機組平均效率為94.81%。10，17~22 h負荷為1 014.8 MW，需安排6臺機組開機，其中2臺機組出力為200 MW，3臺機組出力為150 MW，1臺機組出力為164.8 MW，機組平均效率為95.04%，效率較高。冬季一般安排檢修容量為200 MW，從優化結果看，滿足檢修要求。

另一方面，平水年夏季和冬季典型日負荷條件下，機組均不存在頻繁開機、停機現象，這對延長機組使用壽命及降低耗水量具有十分重要的意義。

4 結語

通過建立大藤峽水電站廠內經濟運行動態規劃模型，提出了大藤峽水電站廠內經濟運行的時空耦合動態規劃求解方法，將負荷空間分配和機組組合共同作為狀態變量，以時段作為階段變量，采用動態規劃方法一次求解，得出廠內經濟運行的優化方案，避免了發電凈水頭粗估所產生的誤差。

通過對大藤峽水電站設計水平年平水年典型日（包括冬季和夏季）負荷曲線下機組負荷分配方案進行優化后，機組多處在高效率區運行，同時避免了機組的頻繁啟停，達到出力一定條件下發電耗水量最小的目標。