四川地區大規模水電集群停機避峰特征分析及管理系統設計

徐 濤，杜成銳，王金龍，黃山松，王麗莉，王穹躍

(國網四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

停機避峰是指徑流式或調節能力弱的水電站由于河道洪水流量大、水質差，不滿足安全發電要求，為避開洪峰采取閘門全開、機組停運的防洪措施。受季風氣候影響，四川地區在汛期多持續性暴雨，易發生山洪、泥石流和洪水等災害，導致無調節或日調節等調節能力弱的水電站經常采取停機避峰措施，造成電力系統出力減少。四川電網水電裝機規模大、比例高，同一流域內水電站群水力電力聯系密切，當遭遇全流域洪水時，將發生流域性停機避峰，系統出力大規模減少，造成電力系統電力供應失衡，威脅電網安全[1-2]。

因此，分析水電站停機避峰發生條件，科學開展停機避峰預測預警，對實現電網安全調度具有重要意義。下面在研究停機避峰特性和發生條件的基礎上，設計了大規模水電集群停機避峰管理系統，以期減輕停機避峰對四川電網的影響。

1 停機避峰原因及對電網的影響

1.1 停機避峰原因分析

強降雨對地表強烈的擾動，使匯入河道的水流中泥沙含量大幅增加。當暴雨形成洪水時，河道中裹挾的大量泥沙以及泥石流帶來的大量推移質、懸移質、斷枝和其他雜質，造成河道水質差[3-4]。遇河道水質差時，徑流式或日調節電站一般采取沖沙(庫容蓄水水位達到一定高度后，提起對應沖沙閘門放水，利用泄流沖擊進水閘門及庫區內淤積的泥沙)、反沖(水庫蓄水后全開閘門，利用泄流反向沖擊取水口攔污柵淤塞物)和停機避峰等措施。相對于沖沙、反沖而言，停機避峰是一種被動的防御操作，可減少洪水、泥沙和水中雜質對電站的影響。

除洪水流量大影響水電站安全運行需泄洪外，洪水引發水電站停機避峰的原因一般可分為泥沙(懸移質、推移質)影響、雜質(斷枝、垃圾等)影響和水頭受阻。

1.1.1 泥沙引發停機避峰

泥沙的影響可以分為對機組磨蝕(懸移質)的影響、對建筑物沖蝕(懸移質、推移質共同作用)的影響以及對庫區淤積(懸移質、推移質共同作用)的影響。

1)機組磨蝕

機組磨蝕主要是指在汽蝕和泥沙磨損的共同影響下對水輪機過流部件的破壞[5]。清水以汽蝕破壞為主；水質差時以泥沙磨蝕為主，特別是高速含沙水流，在沖擊過流部件表面時，所生成的高溫高壓導致金屬保護膜破壞，在進一步沖擊下金屬表面細微顆粒逐步脫落，形成溝槽、波紋及魚鱗坑。磨蝕對水輪機的破壞與含沙濃度、成分、大小、硬度、形狀、流速等有關，減少或消除泥沙可減輕破壞。

山區河流徑流式水電站水輪機磨蝕更為嚴重。洪水時急劇增加的水中泥沙也會加劇水輪機及各過流斷面的磨蝕。

2)水工建筑物沖蝕

含沙洪水由于流速快加之推移質和懸移質對建筑物表面的碰撞、沖擊，常增加水工建筑物過水表面的沖蝕破壞，特別是對護坦、取水口邊墻、引水隧洞、閘墩、導墻的破壞尤為顯著，常形成沖坑，造成露筋。

3)庫區淤積

含沙洪水在流經庫區時，受閘門、閘墩等擋水建筑物的影響，流速相對減緩，造成水流中的懸移質、推移質在庫區淤積，嚴重減少有效庫容。

1.1.2 雜質引發停機避峰

洪水中裹挾的斷枝、塑料袋等生活垃圾，常被水流沖擊后卡在取水口攔污柵柵片內，造成過流不暢，流速減緩。推移質和懸移質在攔污柵前沉積，進一步加劇攔污柵淤塞，淤塞導致攔污柵兩側水位差(下面簡稱柵差)過大，取水困難，影響機組運行水頭。所以在水中泥沙和雜質過多時，機組需停機甚至采取反沖措施來減少柵差。此類事件在岷江上游流域的水電站中較為常見。

1.1.3 水頭受阻引發停機避峰

持續性暴雨引發的洪水整體抬高了河道水位，可能造成尾水水位過高。對于一些低水頭徑流式水電站，當上、下游水位差小于水輪機最小發電水頭，即水頭受阻時，水電站被迫停機。此類事件多見于嘉陵江流域的徑流式水電站。

1.2 停機避峰對電網調度的影響

停機避峰主要由短時集中降雨引發，與降雨強度、降雨區域形成的洪水規模、水質情況等因素密切相關，具有明顯的突發性及流域一致性。停機避峰會導致短期內水電站群可調出力大幅下降，對電力系統運行穩定沖擊較大，將直接影響電網的電力調度計劃執行，限制電站的供電能力，嚴重時將造成電網供電能力失衡。停機避峰對電網的影響主要體現在電力和電量兩方面：

1)對電力的影響

四川地區在汛期發生過停機避峰的電站約占四川電網統調水電站總數量的57%。以2020年為例，入汛后自6月下旬開始出現停機避峰，單日最大停機避峰容量出現在8月18日，約占當日四川地區最大負荷的28%。停機避峰受降雨影響，但不同降雨強度、降雨區域形成的洪水規模、水質情況不盡相同，其發生呈突發性，最終是否造成水電站停機避峰的預測難度高。區域降雨多導致河流、支流規模性停機避峰。快速、大規模的水電站出力減少，對電力系統運行穩定沖擊較大。

2)對電量的影響

水電站停機避峰時長受洪水和水質變化影響，時間一般在6～36 h，但短時可在2 h后恢復，長時也可持續2～3日。停機避峰直接造成水電站發電量減少，影響地區清潔能源消納，例如，2020年8月18日四川電網因停機避峰引起的電量損失高達80 GWh。

2 四川地區水電站停機避峰分布特征及發生條件

停機避峰目的是為有效降低含沙洪水對徑流式水電站的危害，因此停機避峰分布與區域降雨的時空分布關系密切。下面以四川地區2020年為例分析停機避峰分布特征。

2.1 時間分布特征

四川地區2020年主要降雨分布情況見表1，單日水電停機避峰容量如圖1所示。

圖1 2020年汛期單日水電停機避峰容量

從時間尺度上看，停機避峰發生于主汛期6月下旬至9月下旬，集中于8月中下旬，停機避峰時間與幾次較大范圍暴雨天氣過程時間一致。受7月14日—16日前期降雨影響，7月18日四川電網停機避峰電站的數量出現一輪小高峰；8月13日至8月末，接連4輪強降雨導致8月停機避峰電站的數量逐漸攀高，至8月18日達101座水電站。

2.2 流域分布特征

2020年四川省年降水量及暴雨天氣最大日降水量分布如圖2和圖3所示。

圖2 2020年四川省年降水量分布(來自四川省氣象局)

圖3 2020年四川暴雨天氣最大日降水量分布(來自四川省氣象局)

從空間尺度上看，停機避峰主要發生在青衣江、岷江、嘉陵江、涪江和大渡河流域，最大日停機避峰裝機容量超1000 MW。雅礱江和金沙江流域的停機數量較少；岷江上游、青衣江、大渡河支流(磨西河、南椏河、尼日河)、嘉陵江干流及支流(白水河、涪江)等流域，其上下游徑流式電站呈流域性、規模性的停機避峰狀態。空間分布規律與2020年四川省降水量分布和暴雨最大日降水量分布較為接近。

2.3 水電站特征

從易發生停機避峰的電站來看，主要存在以下特征：

1)停機避峰為調節能力弱的水電站，多為日調節或無調節能力電站；其無調蓄能力或調蓄能力差。

2)下游水頭較低的水電站，如嘉陵江流域下游設計水頭為5～17 m，漲水后河道整體水位抬高或超過正常尾水位，水頭降低后不滿足發電要求。

3)裝機容量多小于400 MW，為小1型、中型水電站；除東西關、鳳儀、青居、上石盤、玉津等水電站，大部分水電站有效庫容量小，大多小于2×106m3。

4)正常蓄水位與死水位差值小于16 m，大多為3～5 m。

5)水電站柵差多為1～3 m。

2.4 停機避峰發生條件

分析清楚停機避峰的原因和分布特征后，可以找出水電站采取停機避峰的條件，來預測區域內電站是否會發生停機避峰，并研判停機避峰對電網的影響。根據電站防洪度汛設計及實際運行停機避峰經驗，停機避峰發生條件大致可分為流量條件、水質條件、上下游運行條件、山洪及地質災害等其他條件。

1)流量條件即停機避峰流量限值，當達到或超過此限值，水電站將按照規程、防汛方案要求進行停機避峰操作。流量限值主要由各水電站根據實際運行工程中河道來水避峰經驗設定，或選用設計洪水流量值。四川電網統調水電站約77%的水電站有明確流量限值條件。可量化的流量限值是判斷水電站是否采取停機避峰最直接和準確的方法。水電站停機避峰流量限值大多為長期運行經驗值，較為穩定；但受河床嚴重沖淤等因素影響，該流量限值為一個動態值，隨時間推移會做出調整。部分典型流域停機避峰流量范圍見表2。有部分水電站會在流量達到限值時增加水質因素來共同判斷。

2)由于水中漂浮物、含沙石等嚴重影響水電站技術供水系統運行并造成轉輪等過水部件磨蝕，所以除大型水庫外，其他水電站運行時均對水質提出了要求。停機避峰的水質條件判斷方式較多，分為非數值類判斷條件和數值類判斷條件，主要有河道水質差、水渾濁、漂浮物多以及攔污柵柵差(部分攔污柵柵差要求見表2)、水質濁度、機組技術供水系統壓力值、含沙量等。

表2 部分典型流域停機避峰條件范圍

含沙量及水質濁度是可直接量化的水質指標。但含沙量的數據采集需經專業水文站利用纜道分段取樣、烘干、稱重測量，流程較長、速度慢、時效性差，且多數水電站無專業水文站。水質濁度可直接由濁度儀測量獲取實時數據，如文獻[6]采取一種基于 90°散射光測量原理的濁度儀，在映秀灣水電站建立了泥沙濃度在線監測系統。該系統通過泥沙濃度與濁度相關性率定后，可獲得重復性好、準確度高、能較好反映水域泥沙濃度的變化趨勢，能及時反映監測水域發電水體的泥沙變化情況，指導水電站發電和停機避峰工作；但濁度儀測量前需建立與含沙量的對應關系，且需經常保養維護以免測量數據誤差過大。攔污柵柵差也可作為間接判斷水質的數值方式，但也存在易受漂浮物等的影響，不能完整反映水質情況。

3)受區域強降雨影響，停機避峰還存在流域性，即上游水電站出現停機避峰或沖沙、反沖等操作，能間接反映水質情況還會直接影響河道水質，這時下游水電站會同時進行停機避峰或沖沙操作。因此將上游水電站停機避峰作為下游水電站停機避峰的一個條件。同時也可利用流域核心水電站停機避峰情況來判斷其上下游水電站是否進行停機避峰操作。

4)各水電站具體環境不同，也會形成其他停機避峰條件，如區間強降雨，周邊泥石流、滑坡、河道淤塞，尾水位異常升高等。水電站周邊發生的山洪、泥石流也易造成取水口、尾水淤塞，直接影響水電站安全取水、用水。另外，水電站受災導致長期停機不在討論范圍。

3 大規模水電集群停機避峰管理系統

停機避峰是一種被動的防御措施，其發生時間和持續時間不受人為控制，主要受降雨和來水影響。而不同區域由于地形、河道、植被、沖溝、地面侵蝕程度等因素不同，形成洪水流量、水位、含沙量、雜質含量、歷時都不同，造成的停機避峰范圍和影響時間也不同，給停機避峰的預測和管理帶來較大挑戰[7]。

提前掌握四川地區水電站停機避峰及恢復開機情況，做好預判、預測、預警，優化電力調度，加大水能消納。減少因停機避峰產生棄水是停機避峰調度的主要目標。

為有效提升電網應急能力，加強短期停機避峰管理，為極端天氣下電網安全評估提供技術支撐，建立了探索預測、跟蹤和統計水電廠停機避峰清淤容量機制，設計了大規模水電集群停機避峰管理系統，實現對四川地區水電站停機避峰統一管理。

3.1 停機避峰預測方法

由于停機避峰受降雨及外部環境因素影響較多，且最終由各水電站獨自研判并執行停機避峰操作，現階段可行的預測方法是基于水電站自評估為基礎的多維校驗預測方法。該方法收集水電站上報未來三日預測停機避峰(或正常運行)狀態以及平均流量，將上報流量先與各水電站停機避峰流量限值進行校核，再與上報的停機避峰(或正常運行)狀態進行校核，同時可通過同一河流上下游的水力聯系進行人工校核。

3.2 停機避峰實時監測

除預測外，當停機避峰發生時，快速準確地掌握停機避峰影響的裝機容量及其所在的流域和送出斷面，對判斷系統電力平衡、及時優化電力調度、安排備用容量有重要指導意義。

停機避峰實時監測根據停機避峰條件分析，主要基于監測到的實時流量和水質。流量包括測流斷面流量、上游出庫和區間流量、發電和出庫反推流量。水質包括濁度、含沙量、柵差等可量化指標以及水質感官情況。此外降雨量的監測也可作用輔助依據。

目前，在實際工作中采用水電站實時停機避峰狀態填報輔以水電站出力、入庫流量的方式實現快速、綜合判定停機避峰情況。

隨著后期濁度、柵差等可量化、可獲得數據源的豐富，基于大數據的積累，各水電站針對水質的判斷指標將逐漸建立，有助于更加準確地指導停機避峰和對應影響裝機容量規模的判斷。

3.3 停機避峰分級預警

考慮到停機避峰的不同容量規模和可能的影響時長對電力系統的沖擊也不同，結合電網、水電站防汛應急管理需求，應考慮對大規模停機避峰按照流域、送出斷面對系統的影響及采取的措施進行分級、分層預警。

3.4 管理系統基本構架

所設計的大規模水電集群停機避峰管理系統功能如圖4所示，包含實時監測、預測監測、統計分析、評價考核、水電站基礎信息。

圖4 系統功能

1)實時監測功能，其核心功能是在分析引起停機避峰條件的基礎上，對停機避峰后出力、水質、流量參數的變化進行識別，并進行綜合判定，避免錯報、漏報以及數據錯誤、遺漏等影響，該模塊主要功能如圖5所示。通過建立四川地區各大流域水電站分布圖(如圖6所示)，可直觀顯示停機避峰流域發生情況，便于準確掌握停機避峰情況，實時監測日內各時段停機避峰容量。

圖5 實時監測功能模塊

圖6 主要流域停機避峰實時監測

2)預測監測功能，采集水電站上報未來三日停機避峰和流量預測情況。

3)統計分析功能，可根據網架結構和區域管理需要，按主要輸電斷面和流域分別統計逐日停機避峰容量；也可提供各水電站出力、流量、狀態、預測、開停機時間、流域斷面等信息，為準確分析水電站停機避峰提供數據。

4)評價考核功能，通過對比流量等綜合研判結果與水電站上報實際狀態，分析上報的及時性和準確性，督促各水電站按要求開展工作。

5)水電站基礎信息，包括水電站運維管理單位、所在流域、裝機容量、設計洪水流量、停機避峰流量、水質條件以及上下游停機避峰條件等信息。

4 結 論

四川省作為水電大省，水電裝機容量達80 GW，水電站群水力電力聯系密切。為減輕大規模水電站停機避峰對電網的影響，在分析了四川地區水電站停機避峰的主要原因及分布特征后，上面提出了停機避峰監測與預測可行方法，并設計了大規模水電集群停機避峰管理系統。在四川電網的實際應用表明，該系統提高了電網調度機構對停機避峰情況實時掌控能力，有力地保障了四川電網汛期安全穩定運行。

但受限于專用監測設備數量較少，缺乏對水質等數據的獲取和積累，停機避峰預測主要停留在流量監測和人工判斷階段。此外，流量數據對水電站人工填報的依賴性較高，其可靠性有待加強。加強對降雨、流量、水質監測數據的獲取與積累，建立更精準的預測模型進一步提高停機避峰預警的準確性和預見性，將是未來電網應對大規模停機避峰的研究重點。