梯級小水電站優化調度關鍵因素的篩選

蔣 燕，李 勝，陳 清

（1.云南電網有限責任公司，昆明650011；2.南京金水尚陽信息技術有限公司，南京210046）

我國小水電資源豐富，蘊藏量為1.6 億kW，技術可開發量為1.28 億kW，年發電量可達5 350 億kWh。然而，小水電群大多地處電網末端，遠離負荷中心，且與大中型水電、風電、光伏電交織在一起，優化調度難度較大。

云南省作為我國西南部的水力資源大省，小水電技術可開發容量為12 045 MW，約占全國的1/10，位居四川、西藏之后排全國第3 位。云南小水電分布在16 個地州的125 個縣市，這些小水電具有裝機容量小、數量眾多、分布范圍廣、調度關系復雜、并網方式各異等特點，更增加了優化調度的難度。

小水電在不同地域電網有不同的界定，云南電網小水電專指裝機容量小于2.5 萬kW 或并網電壓等級為110 kV 及以下由地區和縣級供電局調度的常規能源電站，目前共有小水電站1 800 座。在藤條江、新現河等河流上建有梯級電站550 座，其發電量占所有小電發電量的35%。在這些梯級電站中，具有日調節能力的有70個。由于小水電站庫容小、調節能力差等表面因素，梯級小水電站優化調度問題的研究長期被人們所忽視，從而失去了其潛在且可觀的梯級銜接調度效益。事實上，對這些電站進行優化調度，可以進一步實現以發電效益最大化為目標的小水電資源開發利用，同時還可以通過水電資源優勢解決當地用電問題，推動地區經濟發展。

1 日調節梯級水電站優化調度的研究

水庫優化調度是在常規水庫調度工程中優化理論以及調度技術基礎上發展起來的研究領域，而梯級水庫聯合優化調度是其中的重要研究內容。梯級水庫是指一條河流中自上游到下游修建的一系列呈階梯式的水庫和水電站，是目前開發利用河流水能資源的一種重要方式。隨著我國梯級水電能源的綜合滾動開發，建有梯級水庫的流域數目與梯級水庫的級數都在不斷增加，梯級水庫聯合優化調度問題的關注度也相應地日趨增加［1］［2］，而梯級水庫因為受流域水文特征、水庫工程特性、電網架構以及城鎮用水特性等眾多因素的影響，其聯合優化調度也是水庫調度學術和工程領域研究的熱點和難點問題。

國外對梯級水庫聯合優化調度問題的研究最早始于20 世紀70年代，國內始于20世紀80年代。目前，國內外的梯級水庫聯合優化調度研究均取得很大進展，調度方法側重于動態規劃、大系統分解協調及模擬技術等。

水電站按調節性能分為無調節、日調節、季調節、年調節和多年調節等類型，具有調節功能的梯級小水電站都具有日調節能力。日調節水電站是指水庫容積可在一日之內對河流天然來水量進行調節使用的水電站，它的調節周期大體上為24 h。除洪水期外，河流天然來水量在一日之內幾乎不變，但一日中的發電和其他用水變化較大，日調節是將用水較少時的多余水量儲存在水庫中供用水高峰時使用，以一日為調節周期，當興利庫容超過枯水日來水量的30%時即可進行日調節。

根據梯級水電站中各水電站的調節性能與組合方式，可以將梯級水電站群分為多種類型。常見的梯級水電站群類型可以概括為三種：“一庫多級”式梯級水電站群、多個較大調節能力（多年調節、年調節、季調節等）水電站銜接而成的梯級水電站群與僅由一串低調節性能（日調節）水電站群組成的梯級水電站群。其中，由于梯級水電站體量、單個電站以及龍頭電站的調節能力等影響，日調節梯級小水電站在調度需求方面與其余兩種類型存在較大區別，主要表現在：

（1）調度計算周期：根據日調節水電站的定義，其調節周期最多為24 h，考慮到小水電站調節庫容的約束，因此梯級調度計算周期最優應為實時調度與短期調度，其中實時調度的時段長通常為15～30 min，更甚者達5 min，短期調度的時段長通常為1 h［3］。

（2）梯級影響關系：由于日調節梯級小水電站中缺少較大調節性能的龍頭水電站，因此其梯級間的影響關系更多表現為一種單向性。通常具有較大調節能力龍頭電站的梯級水電站群，其站間發電調度是一種雙向的補償關系，即利用水電站的庫容蓄放水來在一定時間跨度內調節出入庫流量，梯級各電站均可以利用自身庫容為上游或者下游電站進行水力補償。但是小水電站的調節庫容一般都小，其通過蓄放水為上下游調節水量的時間范圍相應也短，更無法為上游電站蓄存其出庫水量，因此其站間的發電調度是一種僅從上游影響至下游的單向的同步關系。

這些特性使得日調節梯級小水電站在流域梯級水庫優化調度方面均與常見的由較大調節能力龍頭電站控制的梯級水電站存在明顯差異，因此在梯級優化調度模型構建與基本方法方面也需要另外分析。

2 水電站優化調度關鍵因素的篩選

日調節梯級小水電站具有單向性、同步性、短期性（相對于中長期，其模型需考慮的變量數目更多且具有不定性）的調度特征，以及在實際小水電站經營中，由于管理水平相對較低等多種問題，通常會導致調度研究資料缺乏，在此情況下若采用常規的基于大量數據分析基礎與長系列歷史水文資料的大型水電站聯合優化模型會過于冗雜，且受資料約束可能難以獲得最優解。水庫調度圖是水庫調度規則及優化調度方法的圖形表現形式，也是水庫調度運行的重要指導工具［4］，由于其直觀、簡明的特點而在實際工作中得到廣泛應用。繪制出一幅能表示梯級系統中各主要影響因子及其之間函數機理關系的調度圖，可以使日調節梯級小水電站的優化調度查算更加迅速、簡捷，還可以使構建的優化調度圖更趨于通用性和復用性［5，6］。

2.1 多要素梯級調度圖的繪制步驟

梯級水庫聯合調度圖反映梯級水庫整體在調度期內各時段的總出力情況，在繪制方面通常采用梯級各水庫分調度圖的形式表現各水庫運行水位與梯級時段總出力之間的對應關系。常規是以單庫水庫調度圖的調度線為基礎繪制初始聯合調度圖，作為聯合優化調度圖的計算基礎，結合梯級優化調度補償模型確定各出力區間值及對應的水位范圍，在使用時根據梯級各水庫當前時段水位查詢各水庫分調度圖，確定對應的梯級整體總出力值，在此基礎上再根據梯級電站間的補償調度關系對各水電站進行出力的分配，從而完成調度時段內的梯級水庫聯合優化調度計算。

單庫水庫調度圖與梯級補償調度計算是目前常用梯級水庫聯合調度圖的繪制基礎，但是考慮到日調節梯級小水電站沒有單庫水庫調度圖且梯級間為單向性、同步性的聯系特征，需要采取其他形式來繪制梯級聯合調度圖。結合日調節梯級小水電站實際運行中的各項制約條件與影響因數，通常可以采用基于水文學原理的出力水位物理成因分析算法來繪制多要素梯級調度圖作為日調節梯級聯合優化調度方法［7，8］。在該方法中，需要綜合考慮水電調度與水文循環中多種因素對梯級出力的影響，包含的因素較多，且遞推計算所使用的各因素間的函數關系也較為復雜，需要用幾個單一圖形組成一個互有聯系的組合圖，來展示較為復雜的日調節梯級聯合優化調度方法。所以在繪制多要素梯級調度圖時，首先要確定計算的主要輸入與輸出變量，即明確日調節梯級聯合調度圖的繪制本質就是梯級電站出力計算問題，輸出因素應為各級日調節水電站的調度出力值，從水頭水量綜合利用最大出發進行聯合調度。然后根據具體需求確定中間過程展示的因素類型及個數。雖然調度圖可以表現多個要素，但是考慮到平面象限數、應用便捷程度等因素，展示的要素一般控制在10個以內。需要綜合考慮上下游電站的庫容、水位、流量、出力等因數以及上下游電站的水力、電力聯系，由此篩選出日調節水電站間的水力滯時、區間流量、水位、出力等主要影響因素作為多要素梯級調度圖的計算因素。確定展示要素后分析各因素之間的物理機理聯系，依據有物理成因概念的水文要素表達式，建立各因素與因素之間的映射關系以及對象與對象之間的傳遞關系，最終根據逐步遞推獲取輸入量與輸出量的相互關系，構建系統最優解的計算模型并進行求解，進而完成相應計算［9］。

在上述步驟中，小水電站優化調度關鍵因素的篩選既是基礎步驟也是關鍵步驟，其主要工作是以日調節梯級小水電站的聯合優化調度為核心，在物理成因分析的基礎上，對水電站優化調度關鍵因素進行計算篩選。

2.2 優化調度關鍵因素的描述

在水電站機組出力公式N=KHQ中，K、H、Q三個因數，任何一個因數增大都會導致出力N增大，因此，若水電站要達到增加發電量的目標，就需要從綜合出力系數K值、水頭H與發電流量Q三個因數出發。其中，綜合出力系數K值的理論提升范圍約為10%，而實際運行中能夠實現的提高方法目前僅有開展廠內經濟運行這一途徑，取得的收效還不確定，根據以往經驗一般僅能將綜合出力系數K值提升1%～2%；這項工作技能難度大，耗時耗力，但收效甚微，因此鮮有進行。發電流量Q除受機組出力的影響，還可以通過水電站調節庫容實現對水電站發電流量Q的控制，即通過發電方式重復蓄放調節庫容水量來增加發電流量Q，進而增加出力N。水頭H則主要受水電站上下游水位影響。因此，小水電站優化調度關鍵因素主要是利用水頭和利用水量兩點［10］。

水電站若要達到增加發電量的優化調度目標，一般是采取提高水頭或者利用水量的辦法，即需要判斷電站優化調度的關鍵因素是利用水頭還是水量。對不同調節特性或工程特性的水電站，其利用水頭和利用水量的潛力是不同的。

利用水量是指除滿足電網需求和出入庫水量平衡需求而產生的出力外，利用水電站水庫調節庫容，采用提前消落水位的方式將調節庫容中的水量以通過水輪機組的方式進行發電利用，水量效益較高；但是提前消落水位會導致此后水電站運行水位偏低，運行水頭偏小，會損失一定的水頭效益。利用水頭是指將水電站維持在高水位持續運行，水頭效益較高；但由于調節庫容沒有足夠空余空間，可能導致汛末或者洪水期末集中大量泄流，出現棄水現在，也會損失一定的水量效益。這兩者之間存在此消彼長的制約關系，在水電站調度運行中需要進行協調與取舍的判斷［11］。

因此，在進行梯級小水電站優化調度前要結合流域徑流特性與電站水庫特性，對各水電站的優化調度關鍵因素是水頭還是水量進行具體分析，這是進行梯級小水電站優化調度的重要步驟，不可或缺；而且通過計算分析可以確定電站調度的主控因素，避免走入運行調度的判斷誤區。

2.3 日調節水電站調度關鍵因素的篩選

對日調節小水電站調度關鍵因素的篩選需要緊抓利用水量與利用水頭兩個方向，在篩選方法上可以根據這兩個方向各自對應的調度原則進行區分計算。利用水量的調度原則一般是通過提前加大出力后利用較大入流進行回蓄，通過如此反復充分利用水庫的調節庫容水量；利用水頭的調度原則一般是將水電站壩前持續維持在高水位運行，多余入流通過棄水或其他方式處理。依據這兩種調度原則，可以采用多因素微步長迭代的計算方法，即在相同水力電力聯系條件下，分別從小水電站的壩前水位、庫水位消落深度、時段平均入庫流量、發電持續時間四個因素影響變量的最大提高程度出發，對各影響因素的變化范圍按照微步長進行劃分，形成若干步長因子，并對各因素的步長因子進行隨機取一組合進行發電模擬計算。例如，以庫水位消落深度為主要控制變量，其微步長因子即為小水電站庫水位的不同消落深度極其對應的庫水位和相應庫容，對水庫調度初始計算壩前水位、發電計算持續時間和時段平均入庫流量的微步長因子進行隨機三項組合，作為發電模擬計算的輸入條件，計算該條件下不同庫水位消落深度對應的水頭發電效益與水量發電效益，通過多次重復迭代計算，實現覆蓋各輸入條件組合情況的水頭與水量發電效益計算，進而實現水頭、水量效益的全面量化對比與論證，充分考慮各種運行情況，通過詳細的計算結果來分析識別電站優化調度的主控因素［12，13］。

本文以位于云南省金平縣的金水河三級小水電站為例，金水河發源于云南省金平縣東南部與越南交界處哀牢山脈延伸部分的松梁子和老白梁子山一帶，為藤條江一級支流，于金水河村南注入干流藤條江，金水河干流全長43.6 km，總落差約2 160 m，平均比降27.9‰，水能理論蘊藏量較為豐富。金水河三級小水電站是金水河梯級電站第三級電站，其本身為日調節水電站，正常高水位為585 m，死水位為94 m，調節庫容為4 239 000 m3，共布置了2 臺水輪發電機組，該水電站以發電為主，但由于工程特性約束其調節性能較弱。通過分析金水河三級小水電站的工程特性與歷史運行資料，對不同壩上水位、消落深度、入庫流量與持續時間進行組合計算，其部分水頭水量效益對比結果表如表1和表2所示。

表1 金水河三級水電站水頭水量效益對比表（壩前水位Z=585.00 m，發電持續時間t=10 h）Tab.1 （water level Z=585.00 m，length t=10 h）

表2 金水河三級水電站水頭水量效益對比表（壩前水位Z=585.00 m，發電持續時間t=20 h）Tab.2 （water level Z=585.00 m，length t=20 h）

這兩張金水河三級水電站水頭水量效益對比計算表中的數值為當前水電站在給定的初始調度壩前水位、發電持續時間與入庫流量條件下，在持續時間步長內，根據不同的庫水位消落深度極其對應的水位值與庫容值計算出的利用水頭產生的電量與利用水量所產生電量的兩者差值，即持續維持在該消落深度對應水位進行發電產生的電量與通過對消落水位與正常高水位之間可調庫容水量的重復發電蓄放水利用產生的電量，這兩者進行求差對比。在使用時主要通過表格中計算結果的正負值來判斷該格對應的計算條件下哪種計算方式產生的發電效益更大。數值為正時說明利用水頭產生的電量大于利用水量所產生的電量，在該種輸入組合條件下應該優先利用水頭；數值為負時則說明利用水頭產生的電量小于利用水量所產生的電量，在該種輸入組合條件下應該優先利用水量［14］。

通過水頭水量效益對比表計算了金水河三級水電站在初始調度壩上水位取不同數值時，各種入庫流量情況下，水頭水量效益差值隨運行消落深度的數值變化。這兩張表僅為部分計算結果展示，通過對壩前水位、持續時間、消落深度與入庫流量四項的分別調整與組合，會有多張水頭水量效益對比計算表，需要對結果進行統一分析。通過對所有不同水位、消落深度、入庫流量與持續時間組合的計算結果分析可以確定出金水河三級水電站優化調度的關鍵因素是利用水頭，其優化調度適宜采用提高運行水位的方法，即將水電站維持在高水位處持續運行，這也為后續梯級優化調度圖的計算確定了重要的計算路線方向。

3 結 語

水庫優化調度作為水電行業熱門的研究領域，國內外對此的研究常有進行，但是研究對象多為年或多年調節水電站，實際上，對于總數量上處于大比重的日調節水電站，尤其是處于梯級開發中的日調節水電站，進行優化調度的潛力是很大的。日調節梯級小水電站的優化調度計算本質為梯級發電能力的提高，考慮到小水電站單向性、同步性、短期性的調度特征與調度條件現狀，其優化調度更需要著眼于影響小水電站發電調度的各項影響因素分析。而利用水頭與利用水量作為小水電站的兩種發電調度方式，對應的影響因素也不盡相同，且這兩者之間存在此消彼長的制約關系，在水電站調度運行中需要進行協調與取舍的判斷。因此，在進行水電站優化調度前需要對水電站的優化調度關鍵因素是水頭還是水量進行具體分析，這是進行優化調度的重要步驟之一。通過文章提出的多因素微步長迭代計算方法，可以實現覆蓋各調度條件組合情況的小水電水頭與水量發電效益計算，進而利用對比分析可以確定小水電站調度的主控因素，避免走入梯級小水電優化運行調度的判斷誤區。其計算結果也可單獨作為小水電站的調度指導，計算確認的小水電站的關鍵因素可以為人工經驗調度提供有效的調度支撐，該篩選計算方法可以應用推廣于各日調節水電站的計算研究。□