金沙江梯級水電站群聯合發電運行三種常規調度方法研究

謝 維，紀昌明，李克飛，張曉星

（1.華北電力大學新能源與可再生能源北京市重點實驗室，北京 102206；2.金沙江中游水電開發有限公司，云南 昆明 650228）

0 引言

梯級水電站群聯合發電運行規則，是指針對梯級各水電站的運行特點，考慮上下游各水庫的調節能力以及各水庫之間的水力聯系，在保證梯級水電站安全運行的前提下，以梯級發電效益最大化為目標，對梯級各電站的長系列資料進行統計分析，得出整個梯級的發電運行規則。水庫調度規則的特點在于不連續性，從表現形式上看，主要偏重于調度圖[1-3]和調度函數[4-6]。以往單獨采用這兩種方式的文獻較多，但很少有文獻對這些常規方式進行較客觀的對比分析。

本文針對金沙江中游8座梯級水電站（從上游到下游依次為：龍盤、兩家人、梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯地拉、觀音巖水電站），制定了梯級聯合發電運行規則。由于從兩家人水電站到觀音巖水電站7級電站的水庫受自身調節能力限制，在以月為調度時段的長期發電調度計算中，這些電站作徑流式電站處理。因此本文主要制定了考慮梯級聯合運行發電效益時龍頭水庫（龍盤）的發電運行規則。為在實際調度工作中能給出更準確的調度規則，制定了龍盤水庫的常規調度圖、蓄能調度圖和調度函數3種常規調度工具。同時，在同一條件下對比了根據發電量最大模型和保證出力最大模型得出的結果和根據3種調度方法分別進行梯級電站模擬運行的結果，并給出了針對這3種調度工具的較客觀的評價。

1 數學模型

由于該梯級中8座電站的設計出自不同設計單位，某些電站在設計時與其他電站的聯合運行方式及其可靠性指標和能量指標的計算方式、計算前提有某些差別，導致從現有的設計資料看，梯級的總保證出力值和總發電量值還不完全一致。本文設計了按多年平均發電量最大以及按保證出力最大兩種優化調度模式（在多年平均發電量最大模式中不考慮保證出力的多少，只追求發電量最大；而在保證出力最大模式中不考慮發電量的多少，只追求保證出力最大），這是兩個極端值，是可靠性指標和能量指標的可能上限值。

梯級發電量最大模型目標函數

梯級保證出力最大模型目標函數

式中，E為梯級總發電量；P為梯級保證出力；Pi，t為t時段i電站的出力；N為電站數，T為調度期總時段數，Δt為時段長度；Ki為電站i的出力系數；qi，t為 t時段 i電站的發電流量，Hi，t為 t時段電站 i的平均發電水頭。

約束條件主要有：水量平衡約束、庫容約束、水電站預想出力約束、下泄流量約束等[7]。

2 3種常規方法

2.1 常規調度圖

常規調度圖是水庫進行常規調度最常用的工具[1，2]，本文中龍盤水電站的常規調度圖繪制包括如下2個步驟：

（1）初始調度圖繪制。龍盤水庫具有多年調節能力，采用水能計算中等流量試算方法得出龍盤水庫蓄水期為6月至10月，供水期為11月至次年5月。分析龍盤水庫1953年～2001年的歷史徑流資料，選擇1958年～1961年、1967年～1969年、1971年～1973年、1975年～1979年、1983年～1984年、1995年～1997年6組枯水年組（以上年份為水文年），以枯水年組的第一年和最后一年作為計算典型年。文中龍盤水庫的初始調度圖包括上基本調度線、下基本調度線和2.0N保、1.8N保、1.5N保、0.8N保出力線。采用等出力計算模型，具體繪制方法見文獻[8]。

（2）初始調度圖優化。通過對各水庫多年模擬運行過程進行分析，發現：①梯級水電站群在來水較豐年份的汛期（8、9月份）某些水電站會產生較大棄水；②供水期存在加大出力的月份。因此為提高整個梯級的發電效益，調度圖的優化主要遵循以下2個方面：①在汛初的幾個月，讓龍盤電站適當的多發電、少蓄水，損失龍頭電站自身水頭來減少龍頭水庫及其下游電站的棄水量；②調整供水期出力，減少加大出力的月份，使電站能維持在較高的水頭運行。

2.2 蓄能調度圖

蓄能調度即在已知梯級水電站群保證出力Pq一定的情況下，將Pq在各個電站中進行分配時，找出能使時段末梯級剩余蓄能最大的梯級各電站出力Pi的最優組合。以水電站群的總蓄能為縱坐標，時間為橫坐標，包括最大蓄能線、上調度線和下調度線3條基本調度線。這些調度線將全圖劃分為保證出力區、加大出力區、降低出力區。水庫實際運行時，按照時間和蓄能，可以查得在調度圖中的位置，并確定水庫的工作方式。一般運用規則如下：①當水電站群實際蓄能位于上、下調度線之間的保證出力區時，水電站按保證出力工作；②當水電站群實際蓄能位于上調度線之上的加大出力區時，水電站按加大出力工作；③當水庫的實際蓄能位于下調度線之下時，水電站按降低出力工作。

繪制蓄能調度圖時，選取典型年，劃分水庫的供、蓄期以及各調度線繪制的具體做法同常規調度圖一致。

2.3 調度函數

水庫調度函數是建立水庫某一決策變量（如出力）與其相關因子的函數關系來指導電站實際運行。根據本文中龍盤水庫的運行特征，經過大量模擬比較，選擇以出力為調度函數的決策變量，并結合時段發電特征，將末水位作為備選決策變量，以達到最優的擬合精度。在回歸擬合計算中，初選相關因子包括反映水庫自身所處的狀態的時間因子、反映與該水庫有聯系的其他水庫所處的狀態的空間因子和能量因子。初步選定的相關因子有：面臨時段初的庫水位、疊加水位、電站蓄能、系統蓄能、系統蓄能平方；面臨時段的電站入庫流量、電站入能、系統入能以及蓄能與入能的交互項[5]。

由于龍盤水庫面臨時段的出力與其當前庫水位、當月來流等因素有密切的關系，并且統計顯示，這種關系可以看作線性的，所以可以用多元線性回歸的方法來擬合水庫的調度函數，以此指導水庫的調度運行。文中針對回歸方程采用F顯著性檢驗。具體計算方法見文獻[5]。

3 實例分析

3.1 梯級概況

金沙江中游梯級8級水電站群的總裝機容量超過20 000 MW，自金安橋水電站2010年投產運行后，其他電站也將陸續投產建成。至2020年左右，將形成以龍盤、阿海、金安橋、觀音巖等電站為主的特大型水電站群。這對于金沙江乃至整個長江干流的發電、防洪、供水等綜合利用以及 “西電東送”戰略的實施將起到巨大的作用。因此，研究金沙江流域梯級水電站群在龍盤電站投入后的聯合發電優化運行具有重要意義。各庫特征參數如表1所示。

表1 金沙江中游規劃各梯級電站的主要指標

3.2 結果與分析

龍盤水庫優化后的常規調度圖如圖1所示，蓄能調度圖如2所示，調度函數結果如表2所示。為驗證這3種常規調度方法的可行性與有效性，并給出較客觀的評價，表3列出了在同一條件下，根據發電量最大模型和保證出力最大模型得出的結果和分別根據圖1、圖2和表2進行梯級電站模擬運行的結果。

由表3可知：

（1）按常規調度圖模擬運行時，梯級多年平均發電量為932.80億kW·h，達最大可能值960.20億kW·h的97.15%。梯級在出力保證率為98%時的出力為7 705.2 MW，達到最大可能值9 570.40 MW的80.51%；這表明了常規調度圖結果的可靠性。

（2）按蓄能調度圖模擬運行時，梯級多年平均發電量為929.67億kW·h，與常規調度圖模擬運行方案相比減少3.13億kW·h，相對減少0.34%。梯級在出力保證率為98%時的出力為7 744.1 MW，與常規調度圖模擬運行方案相比增加38.9 MW，相對增加0.50%。

圖1 梯級聯合運行時龍盤水庫常規調度

圖2 梯級聯合運行時龍盤水庫蓄能調度

表2 梯級聯合運行時龍盤各月調度函數

（3）按調度函數模擬運行時，梯級多年平均發電量為923.30億kW·h，與常規調度圖模擬運行方案相比減少9.5億kW·h，相對減少1.02%。梯級在出力保證率為98%時的出力為9 092.5 MW，與常規調度圖模擬運行方案相比增加1 387.3 MW，相對增加18.00%。

應用蓄能調度圖和調度函數模擬梯級電站聯合運行，與調度圖模擬運行結果相比，水庫運用過程、多年平均發電量以及在相同保證率下的系統出力指標都比較接近，差別只是梯級電站的系統出力稍有提高，而梯級總發電量略有降低。

表3 梯級各電站模擬運行結果

4 結論

本文針對金沙江中游一梯級水電站群的聯合發電運行，采用3種不同原理的方法制作了常規調度圖、蓄能調度圖和調度函數。按照三種調度方法分別進行梯級電站的模擬運行，3種方法的結果比較接近，這在很大程度上印證了這三種調度工具的可靠性與有效性。與發電量最大運行方案相比，這些調度工具提高了梯級電站聯合發電運行時的可靠性，與保證出力最大運行方案相比，能夠有效的提高梯級電站的發電效益，因此在確保水庫安全的前提下，這3種調度工具可以有效的平衡發電效益和系統保證出力之間的關系，充分發揮水庫最大的綜合效益。

另外，常規調度圖和蓄能調度圖具有方法簡單、直觀，便于操作的特點；調度函數應用起來也比較方便，具有良好的可操作性和可解釋性，同時對調度函數的結構分析有助于深化對優化調度原理的理解。本文所采用的常規調度圖、蓄能調度圖和調度函數3種發電調度指導工具能夠為水電站尋找調度規律、擬定運行指導準則提供重要的參考價值，為未來中長期發電計劃的制定提供可靠依據。

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［3］Yu Shan,Ji Changming,Xie Wei,et al.Instructional Mutation Ant Colony Algorithm in Application of Reservoir Operation Chart Optimization［C］.International Conference on Remote Sensing,Hangzhou,2010,574-577.

［4］王東泉，李承軍，張銘.基于遺傳算法的水庫中長期調度函數研究［J］.水力發電，2006，32（10）:92-94.

［5］紀昌明，蘇學靈，周婷，等.梯級水電站群調度函數的模型與評價［J］.電力系統自動化，2010，34（3）:33-37.

［6］馮雁敏，李承軍，張銘.基于改進粒子群算法的水庫中長期調度函數研究［J］.水力發電，2008，34（2）:94-97.

［7］楊子俊，王麗萍，邵琳，等.基于粒子群算法的水電站水庫發電調度圖繪制［J］.電力系統保護與控制，2010，38（14）:59-62.

［8］周之豪，沈曾源，施熙燦，等.水利水能規劃［M］.北京：中國水利水電出版社，2005，163-166.