雅礱江三庫(kù)聯(lián)調(diào)后二灘、桐子林電站檢修窗口期策略研究

李 威，王夏光，王 軍

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

隨著雅礱江上游兩河口電站的建成投產(chǎn)，與錦屏一級(jí)、二灘水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行后，流域梯級(jí)電站水庫(kù)調(diào)節(jié)性能大幅增強(qiáng)，可大幅增加中下游梯級(jí)電站多年平均年發(fā)電量、枯平期電量和保證出力，雅礱江中下游將形成“三庫(kù)七級(jí)”電站水庫(kù)群。在新的“三庫(kù)七級(jí)”梯級(jí)水調(diào)格局下，下游各電站原有的機(jī)組檢修窗口期也將隨之發(fā)生改變。傳統(tǒng)的機(jī)組檢修模式中，水電機(jī)組檢修一般安排在枯水季節(jié)，不會(huì)對(duì)發(fā)電運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。但對(duì)梯級(jí)水電站而言，枯期龍頭水庫(kù)可以發(fā)揮補(bǔ)償調(diào)節(jié)作用向下游供水，機(jī)組檢修安排變得更為復(fù)雜[1]。研究雅礱江流域電站聯(lián)合調(diào)度后檢修窗口期分布和優(yōu)化策略，不僅可以為電網(wǎng)提供可靠電源、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，還有助于指導(dǎo)制定雅礱江下游水電站機(jī)組檢修計(jì)劃。

二灘水電站與桐子林水電站屬雅礱江最末級(jí)的兩座電站，兩站歸屬不同的調(diào)度機(jī)構(gòu)管轄，日常發(fā)電負(fù)荷難以聯(lián)合調(diào)度，且兩站中段有安寧河支流，導(dǎo)致桐子林庫(kù)區(qū)來水預(yù)測(cè)難度較大，這給兩站的聯(lián)合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行增添了不小的難度，本文針對(duì)雅礱江流域梯級(jí)水電站，提出以等效總發(fā)電量最大為目標(biāo)進(jìn)行出力計(jì)算，在保證優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行的基礎(chǔ)上合理安排兩站機(jī)組檢修。

1 雅礱江流域聯(lián)合調(diào)度建模及求解

1.1 調(diào)度模型

（1）目標(biāo)函數(shù)

在給定入庫(kù)徑流及滿足各類約束條件情況下，使梯級(jí)電站年發(fā)電量最大，相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)為：

式中：N 表示梯級(jí)電站的電站數(shù)量；T 表示計(jì)算的總時(shí)長(zhǎng)；Ai，t為第i 個(gè)水電站在第t 時(shí)段的發(fā)電效率；Qi，t為第i 個(gè)水電站在第t 時(shí)段的發(fā)電流量（m3/s）；Hi，t為第i 個(gè)水電站在第t 時(shí)段的發(fā)電水頭（m）；Δt為計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)度（s）。

（2）約束條件

水量平衡約束條件如下：

式中：Vi，t、Vi，t+1分別為第i 個(gè)水電站在第t 時(shí)段的水庫(kù)初、末的蓄水量（m3）；qi，t、Qi，t、Si，t分別為第i 個(gè)水電站在第t 時(shí)段的入庫(kù)流量、發(fā)電流量和棄水流量（m3/s）；Δt為計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)度（s）。

水庫(kù)蓄水約束條件如下：

式中：Vi，t，max為第i 電站在第t 時(shí)段應(yīng)保證的水庫(kù)最小蓄水量（m3）；Vi，t為第i 個(gè)電站在第t 時(shí)段的水庫(kù)蓄水量（m3）；Vi，t，min為第i 個(gè)電站在第t 時(shí)段允許的水庫(kù)最大蓄水量（m3），通常是基于水庫(kù)安全方面考慮的，即無防洪要求時(shí)為正常蓄水位對(duì)應(yīng)的水庫(kù)庫(kù)容，有防洪要求時(shí)則為防洪限制水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)容。

水庫(kù)下泄流量約束如下：

式中：Qi，t，min和Qi，t，max分別為第i 電站在第t 時(shí)段應(yīng)保證的水庫(kù)最小下泄流量和最大下泄流量（m3/s）。

電站出力約束如下：

式中：Ni，min為第電站的允許最小出力（MW，取決于水輪機(jī)的種類與特性）；Nt，max為第i 電站的裝機(jī)容量（MW）。

非負(fù)條件約束：

上述所有變量均為非負(fù)變量（≥0）[2]。

1.2 模型求解

（1）求解方法

對(duì)比分析了各種優(yōu)化求解方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本項(xiàng)目研究二灘、桐子林年發(fā)電量最大模型求解思路是：

1）將多階段問題轉(zhuǎn)為多個(gè)單階段問題，然后使用DP 算法對(duì)單階段問題逐級(jí)求解得到單階段問題的初始解。

2）通過逐次逼近算法（DPSA）對(duì)單階段問題的初始解進(jìn)行組合調(diào)整，并優(yōu)化計(jì)算，尋得滿足流域所有電站負(fù)荷限制及時(shí)段水位限制等邊界條件的全局最優(yōu)解。

3）利用逐步優(yōu)化算法（POA）以梯級(jí)等效總發(fā)電量最大為目標(biāo)進(jìn)行水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度計(jì)算得到最終解。

（2）計(jì)算邊界

除上述約束條件中提出的流域各電站存在的硬性約束條件外，結(jié)合流域各電站多年運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和防洪要求，在現(xiàn)有電站和水庫(kù)運(yùn)行方式下，雅礱江流域各電站水位計(jì)算條件如下：設(shè)置錦屏一級(jí)水庫(kù)和二灘水庫(kù)年初（年末）水位分別為1 875 m 和1 195 m，枯期水位逐步消落，4 月底二灘水位至1 165 m，5 月底錦屏一級(jí)水位至1 805 m，汛期視來水逐步回蓄，7月按照長(zhǎng)江防總要求預(yù)留防洪庫(kù)容，10 月底，錦屏一級(jí)蓄至正常蓄水位1 880 m，二灘蓄至正常蓄水位1 200 m，11 月開始逐步消落至年末水位。錦屏二級(jí)、官地和桐子林電站水庫(kù)常年分別按1 644 m、1 328 m和1 013 m 運(yùn)行計(jì)算。

圖1 梯級(jí)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型求解流程圖

2 梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合常規(guī)調(diào)度計(jì)算

根據(jù)計(jì)算邊界條件設(shè)置，采用2016 年（平水代表年）徑流資料，開展相關(guān)計(jì)算，成果如下：

2.1 梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行后二灘、桐子林電站出力分析

（1）常規(guī)調(diào)度方式

根據(jù)下游“兩庫(kù)五級(jí)”梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行方式和調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合兩河口電站可研報(bào)告和相關(guān)材料，首先采用梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合常規(guī)調(diào)度研究的方法對(duì)中下游“三庫(kù)七級(jí)”開展梯級(jí)電站水庫(kù)發(fā)電運(yùn)行相關(guān)分析，以此作為梯級(jí)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度研究的對(duì)比分析，二灘、桐子林電站出力計(jì)算成果如圖2、圖3。

圖2 二灘各時(shí)段旬出力分析圖

圖3 桐子林各時(shí)段旬出力分析圖

根據(jù)圖2，圖3 分析可知，二灘10 月上旬至12月下旬出力由314 萬kW 逐漸降低至159 萬kW，1 月上旬至5 月下旬出力由260 萬kW 逐漸降低至220 萬kW，6 月上旬出力突降至151 萬kW，6 月下旬出力增至262 萬kW 后繼續(xù)逐步加大，至9 月下旬達(dá)到316 萬kW；桐子林10 月上旬至12 月下旬出力由49 萬kW 逐漸降低至25 萬kW，1 月上旬至5月下旬出力穩(wěn)定在33～37 萬kW，6 月上旬出力逐漸由29 萬kW 逐步加大，至9 月下旬達(dá)到51 萬kW。

（2）不考慮約束條件

不考慮現(xiàn)有約束條件，指以梯級(jí)發(fā)電量最大作為優(yōu)化目標(biāo)，按不考慮外部約束的情況（如線路送出限制、節(jié)假日限電、發(fā)電負(fù)荷率等電網(wǎng)和系統(tǒng)約束）進(jìn)行中下游梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合發(fā)電優(yōu)化運(yùn)行計(jì)算，得到理想情況下梯級(jí)電站運(yùn)行方式和相應(yīng)指標(biāo)，反映梯級(jí)電站在無外部約束條件下的發(fā)電能力和水庫(kù)運(yùn)行方式，是優(yōu)化調(diào)度中的理論上限值。二灘、桐子林電站出力計(jì)算成果如圖4、圖5。

圖4 二灘各時(shí)段旬出力分析圖

圖5 桐子林各時(shí)段旬出力分析圖

根據(jù)圖4，圖5 分析可知，從多年平均來看，二灘9 月下旬至次年1 月上旬出力由326 萬kW 逐漸降低至162 萬kW，1 月中旬至7 月出力開始逐步加大至325 萬kW，8 月上旬出力突降至273 萬kW 后繼續(xù)逐步加大，至9 月下旬達(dá)到326 萬kW；桐子林9 月下旬至次年2 月上旬出力由53 萬kW 逐漸降低至22 萬kW，2 月中旬至7 月出力開始逐步加大至53 萬kW，8 月上旬出力突降至46 萬kW 后繼續(xù)逐步加大，至9 月達(dá)到53 萬kW。

（3）考慮約束條件

在梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度中充分考慮現(xiàn)有約束條件（如線路送出限制、節(jié)假日限電、發(fā)電負(fù)荷率約束），將約束條件作為模型計(jì)算的邊界條件，進(jìn)一步開展分析研究。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，結(jié)合目前電網(wǎng)、線路及電站運(yùn)行方式，根據(jù)需要設(shè)置約束條件如下：

1）結(jié)合近幾年春節(jié)及錦蘇直流檢修期，錦官組發(fā)電送出情況，設(shè)置錦官組2 月上旬總出力不超過280 萬kW，4 月上中旬總出力不超過150 萬kW。

2）考慮梯級(jí)電站線路送出能力（初步考慮近幾年電網(wǎng)建設(shè)情況）以及汛期電力市場(chǎng)負(fù)荷消納情況，選取流域典型來水年作為參考，設(shè)置兩河口汛期負(fù)荷率52%，楊房溝汛期負(fù)荷率94%，錦官組汛期負(fù)荷率100%，二灘汛期負(fù)荷率82%，桐子林汛期負(fù)荷率77%。

二灘、桐子林電站出力計(jì)算成果如圖6、圖7。

圖6 二灘各時(shí)段旬出力分析圖

圖7 桐子林各時(shí)段旬出力分析圖

根據(jù)圖6，圖7 分析可知，考慮約束條件情況下，二灘和桐子林電站2 月上旬和4 月上旬負(fù)荷均出現(xiàn)斷點(diǎn)式下跌，但日期較短，二灘電站6 月上旬至10月下旬負(fù)荷較為平穩(wěn)，負(fù)荷區(qū)間255～270 萬kW，適合安排一臺(tái)機(jī)組檢修，11 月上旬至12 月上旬負(fù)荷由217 萬kW 降至153 萬kW，后逐漸增負(fù)荷至1 月下旬達(dá)到201 萬kW，2 月上旬至3 月下旬出力由102 萬kW 逐漸升至308 萬kW，4 月上旬至5 月下旬出力逐步由110 萬kW 逐漸升至291 萬kW；桐子林4 月下旬至6 月下旬及8 月上旬至11 月上旬出力維持30～45 萬kW，適合安排1 臺(tái)機(jī)組檢修，11 月中旬至2 月下旬及4 月上中旬負(fù)荷均低于30 萬kW，適合安排2 臺(tái)及以上機(jī)組檢修。

2.2 三庫(kù)聯(lián)調(diào)后二灘、桐子林電站檢修窗口期分析

二灘水電站總裝機(jī)容量330 萬kW，包括6 臺(tái)單機(jī)55 萬kW 的水輪發(fā)電機(jī)組，桐子林電站總裝機(jī)容量60 萬kW，包括4 臺(tái)單機(jī)15 萬kW 的水輪發(fā)電機(jī)組。

（1）常規(guī)調(diào)度方式下

根據(jù)現(xiàn)有梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行方式和調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，首先采用梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合常規(guī)調(diào)度方法對(duì)2016 年（平水代表年）徑流資料中下游電站水庫(kù)發(fā)電運(yùn)行方式進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

由表1 分析可知，常規(guī)調(diào)度模式下，二灘、桐子林電站的檢修期較長(zhǎng)，除6 月下旬至10 月中旬無法開展機(jī)組檢修外，其他時(shí)間均可以開展1～2 臺(tái)機(jī)組檢修，12 月下旬二灘甚至可以同時(shí)開展3 臺(tái)機(jī)的檢修工作。

表1 二灘、桐子林電站各旬最大可檢修機(jī)組臺(tái)數(shù)統(tǒng)計(jì)（常規(guī)調(diào)度）

（2）不考慮約束條件

不考慮現(xiàn)有約束條件時(shí)，結(jié)合前述聯(lián)合調(diào)度后兩站的水庫(kù)蓄水消落和負(fù)荷預(yù)測(cè)，可對(duì)兩站檢修窗口期作初步分析。

由表2 分析可知，二灘、桐子林電站汛期不具備檢修窗口期，枯期兩站均能安排2 臺(tái)及以上檢修空間。

表2 二灘、桐子林電站各旬最大可檢修機(jī)組臺(tái)數(shù)統(tǒng)計(jì)（不考慮約束條件）

（3）考慮約束條件

考慮現(xiàn)有約束條件時(shí)，結(jié)合前述聯(lián)合調(diào)度后兩站的水庫(kù)蓄水消落和負(fù)荷預(yù)測(cè)，可對(duì)兩站檢修窗口期作初步分析。

由表3 分析可知，考慮現(xiàn)有約束條件下，二灘電站可以在8 月上旬至次年3 月上旬以及4 月上旬至5 月上旬依次開展6 臺(tái)機(jī)組檢修，但考慮到8 月上旬至10 月上旬二灘電站負(fù)荷較高，5 臺(tái)機(jī)組發(fā)電已接近滿發(fā)，因此能夠穩(wěn)定不影響年度出力的檢修期依舊為11 月上旬至2 月下旬以及4 月；桐子林電站檢修期分布在8 月上旬至9 月上旬、10 月上旬至次年6 月中旬，但考慮到8 月上旬至9 月上旬桐子林電站負(fù)荷較高，3 臺(tái)機(jī)組發(fā)電已接近滿發(fā)，因此穩(wěn)定的檢修期依舊為10 月上旬至次年6 月中旬。

表3 二灘、桐子林電站各旬最大可檢修機(jī)組臺(tái)數(shù)統(tǒng)計(jì)（考慮約束條件）

3 結(jié)語

本文建立以旬為調(diào)度時(shí)段長(zhǎng)，以年為調(diào)度周期的梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型（梯級(jí)等效發(fā)電量最大模型），進(jìn)行梯級(jí)電站聯(lián)合運(yùn)行后二灘、桐子林檢修窗口期分析，結(jié)論如下：

（1）從二灘、桐子林出力來看，優(yōu)化調(diào)度后三庫(kù)聯(lián)調(diào)的兩站出力要較常規(guī)調(diào)度下兩站出力有所減少，但雅礱江流域等效總發(fā)電量有所增加。

（2）對(duì)三庫(kù)聯(lián)調(diào)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度后，兩站枯平期出力較三庫(kù)聯(lián)調(diào)前均有所增加，將導(dǎo)致枯平期檢修窗口期發(fā)生變化。在不考慮現(xiàn)有約束條件，二灘、桐子林電站汛期不具備檢修窗口期，枯期兩站均能安排2 臺(tái)及以上機(jī)組檢修空間。考慮現(xiàn)有約束條件下，二灘、桐子林電站檢修窗口期較目前將有所增加，但檢修期更為分散。

（3）建議二灘、桐子林檢修窗口期安排為：二灘電站11 月上旬至3 月上旬按照單機(jī)輪停方式陸續(xù)開展6 臺(tái)機(jī)檢修，如因機(jī)組A 修、重大技改等導(dǎo)致工期緊張，確須雙機(jī)同停檢修應(yīng)安排在2 月或4 月；桐子林電站和二灘電站同步于11 月上旬至3 月上旬按照單機(jī)輪停方式陸續(xù)開展4 臺(tái)機(jī)檢修，如因機(jī)組A 修、重大技改等導(dǎo)致工期緊張，機(jī)組檢修期也可適當(dāng)延期至6 月中旬，如確須雙機(jī)同停檢修應(yīng)安排在11 月中旬至2 月下旬。

本文采取的優(yōu)化調(diào)度模型僅考慮流域聯(lián)合調(diào)度前流域各站所面臨的防洪要求、送出限制等條件，未考慮到各站所屬調(diào)度機(jī)構(gòu)不同、流域聯(lián)合調(diào)度后各站防洪限制要求改變帶來的影響，因此本文僅能為二灘、桐子林電站檢修窗口期的安排做一定的參考，后續(xù)的檢修計(jì)劃優(yōu)化仍需根據(jù)流域聯(lián)合調(diào)度后上游來水變化和電網(wǎng)建成后的送出條件變化綜合考慮。

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