流域梯級水電站集控運行效益分析

馬 青

(雅礱江流域水電開發有限公司，四川成都 610051)

1 流域梯級水電站集控運行的內涵［1］

流域梯級水電站集控運行是指流域水電開發公司為了挖掘梯級水電生產的潛力和效益，將同屬某一流域水力聯系緊密的水電站組成梯級電站群，利用各水庫的不同水文與庫容特性，改變有調節能力水庫和電站的運行方式，通過梯級水電站對水資源的各自利用方式，提高整個梯級的供電能力，充分發揮水資源的綜合利用效益并統一組織各梯級水電站的生產和管理，實現效益最大化。

流域梯級水電站的集控運行具有兩層含義:一是梯級之間聯系緊密，是不可分割的整體，必須實施集控運行;二是水量調度和電力調度是一種互動關系，要確保方案最優、效益最大，勢必要求水、電聯合，下達集控運行指令。梯級水電站的集控運行是實現水量和電力聯合調度運行的基礎和前提，梯級水電站集控運行是樞紐綜合效益得以充分發揮的保障。

流域梯級水電站集控運行的效益日益受到人們的廣泛關注。蔡治國［2］提出將原先以常規調度為基準的考核思路改為以優化調度為基準，提出了“理論最大發電量”和“發電完成率”的概念。白小勇［3］對黃河上游梯級水電站群的節水增發電考核進行了研究，提出了梯級水電站增發電評價方法。趙永生［4］對水電廠水能利用提高率考核問題進行了研究;黃煒斌［5］介紹了聯合國關于梯級水電站聯合運行的效益評價辦法等。但是，這些研究更多關心的是水量利用率及節水增發電等指標，尚缺乏對流域梯級水電站集控運行綜合效益的分析評價。

2 流域梯級水電站集控運行體系

2.1 組織體系

流域梯級水電站集控運行的實現，要求梯級電站群設置唯一的流域集控機構，對外統一接受有關部門的調度指令，對內負責梯級的防洪、發電等綜合運用的統一調度等。各梯級電站建立與流域集控機構的調度、通信、監控等的網絡連接，直接接受流域調度中心的調度命令，該命令由梯級樞紐監控系統完成。

流域梯級調度機構作為企業內一個新興的職能部門，其成立必將改變企業原有的組織結構和電力生產組織管理關系;同時，流域梯級集控運行的實現也可能使企業員工工作內容、工作制度、工作地點等發生一定的改變。

2.2 管理模式

傳統電力體制下，電廠(機組)的發電調度由電網公司負責，企業發電設備的安全性、可靠性、穩定性及投運率等成為電網考核企業的主要指標，進而造成發電企業的中心工作主要是圍繞發電設備的運行、維修、檢修及水工建筑物的完好開展工作，形成以保證電廠設備完好為核心的生產管理體系。在這種體制下，發電企業的水庫調度只能對電網調度及企業生產組織指揮機構起參謀作用，而不能發揮決策作用，從而造成水電企業“重電，輕機，不管水”的生產管理模式。

流域梯級水電站集控運行將對發電企業原有的生產管理體制進行改革，發電企業的中心工作不僅僅限于保證設備完好和可靠，而是追求企業的綜合效益最大化;流域集控機構成為流域開發公司的生產調度控制中心和生產信息中心;整個生產過程為:流域集控機構首先對來水過程進行準確的預測，在滿足防洪需要和保證水資源綜合利用要求的前提下，依據調度規程編制調度計劃，待電網對調度計劃調整批準后再組織實施。在實時調度過程中則遵循“水電互動，方案最優”的調度規則，即先根據水情預測及水庫綜合運用方式，初步確定梯級水電站的發電負荷及機組的運行方式，之后再根據電網負荷需求及電站機組情況，由調度決策系統依據當時的防洪、航運等限制條件，確定最優的水庫、發電調度方案;為實現水調、電調間的“無障礙聯系”，減少溝通環節，提高實時調度的應急響應效率，可實行水庫調度和發電調度的同臺值班方式。

2.3 運行方式

流域梯級水庫、電站的遠程集中監控和統一管理是流域梯級集控運行的實現途徑。只有將各梯級水庫、電站的運行狀態信息等集中于統一的流域集控機構，才能為流域梯級的集控運行提供信息基礎和決策依據。流域梯級水電站集控運行以實現梯級電站的遠程集控生產模式為前提。在這種生產模式下，流域集控機構成為各梯級電站的遠方集控運行中心，所有梯級電站調度控制指令均由流域梯級集控機構下達并遠程執行，現場僅保留少數值守人員，即采取“無人值班、少人值守”的運行方式。

遠程集控生產模式下，先進可靠的梯級調度業務系統是梯級電站集控運行實現的關鍵。只有建立了完善的水庫調度、電力監控、通信、水情自動測報系統等現代化程度高的自動化系統，才能保證遠程集控的順利實施。流域梯級集控系統作為水電企業的生產調度管理系統，需接入電網調度系統，因此其必須符合電網要求的規程、規范，滿足電網對調度自動化系統的安全性、可靠性、穩定性和時效性要求。此外，流域梯級集控系統與企業內的生產關系、行政體系密切相關，必須結合企業生產調度關系，形成梯級自動化調度的能力。流域集控運行框架見圖1。

3 流域梯級水電站集控運行效益分析

圖1 流域集控運行框架示意圖

近幾年來，國內各大流域以及中小流域發電公司積極探索流域梯級水電站的集控運行，并均已成立了流域梯級集控機構。各流域梯級集控機構基本上是建立以企業內部梯級調度為龍頭的統一調度體系，并在籌建實施過程中統一規劃設計，分步實施，在實際調度工作中逐步完善提高。從目前的實施效果看，流域梯級水電站集控運行的實施，不僅給企業帶來了不同程度的效益的提高，而且獲得了巨大的經濟效益和社會效益。

3.1 提高了流域水資源利用率

大多數流域梯級水電站設有龍頭調節水庫。流域梯級水電站聯合優化運行，可以使龍頭水庫的調節作用得到更加充分的發揮，在流域梯級各電站防洪和發電統一考慮的情況下，提高河流梯級水電站水資源的利用率，如雅礱江下游錦屏一級水庫，該水庫正常蓄水位以下庫容為77.65億m3，調節庫容49.1億m3，庫容系數為13%，具有年調節能力。作為流域干流河段梯級電站的控制性水庫，與下游的錦屏二級、官地、二灘、桐子林水電站集控運行，可使雅礱江下游設計枯水年枯水期平均流量由367m3/s提高到678m3/s，提高程度達85%，流域徑流得到了充分利用。在流域聯合電力調度的過程中，汛初水庫蓄水時可先蓄調節能力較小的水庫，龍頭水庫后蓄，從而可以提高梯級電站的引用水頭;汛后，龍頭水庫先開始加大發電，對下游各梯級水庫進行補償調節，減少棄水，可使梯級電站枯季的發電能力有大幅度的提高，從而相應提高了流域徑流的水量利用率。

3.2 有利于流域安全防洪渡汛

傳統的單庫洪水調度時，各電站分別采集庫區流域內的降雨、來水情況，信息不能及時共享。上游水庫的開閘信息數小時后才通知下一級電站，由于不能實時掌握上一級電站來水情況導致調節性能差的水庫較難實現預泄操作，極有可能為了保證大壩安全出現河道水位陡漲陡落的人工洪水事件，從而給下游河道及人民群眾生命財產造成損失。流域梯級水庫聯合防洪調度可利用各梯級水庫調節性能的不同，充分發揮龍頭水庫、大型水庫的調節優勢，由集控中心對一場洪水統一調度，有利于綜合考慮上下游影響因素，利用各水庫的不同水文與庫容特性，結合天氣、水情信息，實施汛限水位動態控制，對洪水進行預泄、攔尾、削峰、錯峰調度，并可改變上游有調節水庫的運行方式，方便、靈活地運用各電站開停機，為有棄水風險的水庫錯峰，妥善處理各水庫的蓄泄關系，在保證各水電站自身防洪安全的前提下集控運行，可以提高流域梯級整體的防洪能力。如烏江梯級水電站集控運行的實施，有效提高了梯級水電站防洪渡汛的能力。其龍頭水庫洪家渡調節庫容為33.61億m3，在汛期通過預留較大的防洪庫容，減少了下游東風水庫入庫洪水的峰量值;而烏江渡水庫的調節庫容為13.5億m3，通過預留1～2億m3庫容，采用預報調度方式和提前預泄措施，大大降低了構皮灘水電站壩前的洪峰流量，從而保證了構皮灘水電站汛期施工的安全。

另外，隨著流域梯級水電站聯合優化運行的實施，全流域洪水預報和局部流域的洪水預報成果不僅可以為各梯級水電站的防洪渡汛提供可靠的信息，而且使流域梯級集控機構成為全流域的水情信息中心，有利于防洪調度方案的快速實施。

3.3 有利于電網安全運行

流域梯級水電站群往往具有多級電站、裝機容量大等特點。流域梯級水電站的聯合優化調度可以通過具有年調節性能的水庫攔蓄豐水期來水，減少無益棄水，補充枯水期水量以提高枯期發電量，緩解豐枯期電力供需矛盾，提高電網運行安全性，如雅礱江下游錦屏一級水電站與錦屏二級、官地、二灘、桐子林水電站集控運行，可增加五座梯級電站多年平均年發電量60億kW·h，平枯期電量70億kW·h，枯水年平枯期平均出力136.1萬kW，從而使四川電網2020年水平水電站群的枯水年枯水期平均出力由1273.2萬kW增加到1560萬kW，增幅達22.5%，屆時，四川電網水電站群的調節性能將得到較大改善，將大大緩解四川電網豐枯期的供需矛盾。另外，流域梯級水電站可聯合調頻、調峰，共同承擔系統備用，如清江隔河巖、高壩洲梯級電站主要承擔湖北、華中電網調峰、調頻和備用任務，2003～2005年兩站調峰率分別為93.2%和84.4%，其中隔河巖電站單機年均啟停次數為549次，高壩洲電站單機年均啟停次數為621次，而同期華中電網水電平均啟停次數僅為191次，可見，梯級電站集控運行對保障電網安全經濟運行具有重要作用。

3.4 提高調度決策效率

首先，眾多河流梯級開發使得梯級水電站數目劇增，必將加重電網調度中心發、供電調度工作的任務，若所有梯級電站都由電網調度中心直接調度，其任務將極其繁重;其次，各梯級所在流域均有自己的水文氣象特性，而掌握一個流域的水文氣象特性需要經過較長時間的摸索，但各電網調度中心的發、供電調度本身任務已非常繁重，再要求電網調度人員去掌握各梯級所在流域水文氣象特性是不現實的，也是不必要的。因此，通過設立流域梯級集控中心，電力調度部門即可將梯級日負荷曲線下達給流域集控中心，如四川的田灣河梯級水電站、火溪河梯級水電站，四川電網調度部門將每日96點負荷曲線下放給這兩個流域集控中心，集控中心再分解至各梯級電站，決定各梯級電站的開停機，從而可以減輕電網調度的工作量，提高調度決策的效率。

3.5 符合電力體制改革的需要

隨著電力體制改革形勢的逐步明朗，廠網分開及競價上網的逐步實施，電網對電力的調度將逐步從原來的微觀管理走向宏觀控制，即對各發電公司的電力調度將采用總負荷曲線控制的方式，使各發電公司的電力調度管理更加靈活。水電廠的水庫調度任務已不再是單純的防洪調度，企業須按市場經濟規律的要求對防洪、發電、航運等進行協調控制和管理，利用水庫運用水位的允許變幅，統一制定梯級電站的發電計劃，降低水耗，實現電力生產利潤最大化;同時，還要優化梯級樞紐的發電調度和檢修計劃，以滿足電力市場對機組和負荷控制的要求。

另外，電力體制改革的推進將促進電力交易實時競價體系的形成。競價上網是關系到電量合同和電價協議簽訂的重要環節。為迎接這一改革需要，爭取主動，流域梯級電站必須通過水電聯合優化調度設置水電結合的實時調度用以應對電價實時交易。實時調度通過對水情信息的充分掌握，以及對售電能力和發電能力的信息收集，有效地根據電力市場的動態信息、未來水情做好發電計劃并實施最優運行方式，提升水電等可再生清潔能源開發企業在電力市場中的競爭力。

3.6 有利于水電機組安全運行

流域梯級水電站集控運行可以進一步優化流域梯級電站機組的運行方式，減少單機在電力系統中旋轉備用的運行時間和機組空載運行機率，在滿足系統負荷需求的情況下，聯合躲避機組振動區。當流域某個電廠中機組出現故障時，通過梯級調度可使梯級電站中的其它機組自動實時地頂上去，以減少機組帶病作業的機率，從而減少機組故障出現的機會，有利于機組的安全穩定運行，提高機組運行的可靠性。

3.7 有利于降低工程造價和生產運行成本

流域梯級電站集中控制運行，只需要在流域集控中心或分中心建設諸如水情自動測報系統、水調自動化系統、計算機監控系統及通訊系統等，而不需要在每個受控水電站中建設上述系統，從而可以大大降低水電站工程建設造價。另外，亦便于實施人、財、物集中管理，能有效節約人力、物力資源，降低生產成本，達到減人增效的目的。集控中心作為公司下屬各梯級電站監視、控制和調度管理中心，可實現對各電站的遙控、遙調、遙測、遙信、遙視以及梯級經濟運行和調度管理，不僅可以精簡水庫調度人員、發電運行值班人員，減少相關管理崗位人員數量，達到精簡運行維護人員的目的，還可以通過集控模式實現流域梯級各電站的備品備件和相關裝置、設備的共享，從而消除了備品備件和物資材料的重復儲備現象，降低生產成本。

3.8 有利于改善員工工作環境

流域梯級電站大多處于偏遠的、環境及氣候條件較差的地區，有些處于高海拔地區，流域梯級水電站集控中心往往建設在都市，實施異地遠程集中控制，通過“五遙”的實施和“無人值班”(少人值守)的集中控制運行管理，能有效地把電站運行人員從邊遠艱苦的環境中解脫出來，真正實現企業“以人為本”的發展觀。

3.9 增加清潔能源電量，對節能減排的貢獻作用突出

水能是清潔的可再生能源，充分利用水能資源，可以節約有限的礦產能源，保持資源利用的可持續性，是可持續能源發展戰略的重要組成部分。流域梯級水電集控運行，可顯著增加梯級水電站的發電量，如大渡河干流梯級，規劃開發電站20余座，總裝機容量近3000萬kW。通過梯級水電站集控運行，能夠獲得顯著的發電效益和節能減排效益，全梯級多年平均發電量可由單獨調度運行的1053億kW·h，提高到1123億kW·h，增長6.6%，保證出力由4790MW增長到10830 MW，增加126%，其中枯期電量由195億kW·h增加到413億 kW·h，增加112%(圖2)。實施梯級水電站集控運行調度，可以通過水電增發電量，減少火電發電量和煤耗量以及CO2的排放量。按全國平均煤耗0.334kg/kW·h計算，大渡河流域梯級電站實施集控運行后一年可增發電量70億kW·h，可替代一個140萬kW級的火電站，減少標煤233.8萬 t，減少 CO2排放614.9萬t。

圖2 單站運行與聯合運行效益比較示意圖

3.10 提高河流水資源綜合利用效益

流域梯級水電站集控運行，可以提高梯級水庫供水灌溉、航運及環境保護效益。如長江干流被稱為“黃金水道”，枯水期三峽電站承擔電力系統調峰進行日調節，調峰時電站出力變化大，電站下泄流量不穩定，因此下游河道水量流速變化不定，對航運影響大。其下游的葛洲壩水庫通過與三峽水庫集控運行，進行反調節，可改善下游河段由于三峽水庫調峰產生的不恒定流對航運的不利影響，使長江下游河段流量變化趨于平緩，從而改善枯期長江河道的航運條件，提高河流水資源的利用效益。

4 結語

流域梯級集控運行是流域梯級水電建設發展的必然趨勢。流域梯級集控運行，一方面可以有效降低流域梯級電站運行維護人員的工作強度，節約人力資源，逐步實現流域梯級所有電站的無人值班運行模式，達到減人增效的目的;另一方面，可以提高流域的防洪能力。而且通過合理分配各電站的發電負荷，可以提高流域水資源的綜合利用效率。實施流域梯級電站集控運行，符合建設資源節約型、環境友好型社會的要求，是實現節能減排目標的重要途徑，對貫徹落實科學發展觀，促進又好又快發展具有重要意義。因此，在條件具備的情況下，應積極探索實施流域梯級水電站的集中控制運行。

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