緊水灘水電站廠內經濟運行分析

劉國富，樓其祿，陳海榮

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江 麗水 323000）

緊水灘水電站廠內經濟運行分析

劉國富，樓其祿，陳海榮

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江 麗水 323000）

通過分析緊水灘水電站機組特性曲線，應用動態規劃法提出各機組最優運行組合，實現機組安全高效運行，達到節能降耗的目的。

水電站；動態規劃法；經濟運行

0 引言

水電站機組的經濟運行主要是充分發揮其性能，最大限度地利用水資源，創造出一系列的綜合經濟效益。水電站經濟運行的任務是在負荷一定的情況下，以耗水最小為優化準則；或在水量一定的條件下，以發電量最大為優化準則，尋求機組最優臺數組合和機組間負荷最優分配。水電站經濟運行是水電廠調度的重要內容,它不僅是電力系統安全、可靠、優質運行的基礎,而且是提高電力系統經濟效益的重要措施之一[1]。水電站經濟運行主要通過廠內經濟運行、短期經濟運行和長期經濟運行進行實施。而廠內經濟運行即實時調度，主要任務是將每個小時分配到的負荷分配到各個機組，并根據負荷因素的實時變化，調整各機組出力配置，實現實時控制，保證水輪機組在高效區運行。

1 動態規劃法

動態規劃法作為運籌學的一個分支，是一種用以求解決策過程最優化的數學方法。美國數學家貝爾曼等人在研究多階段決策過程的優化問題時，提出了非常著名的最優化原理。他們把多階段過程轉化為一串單階段問題，再利用各階段之間的關系，逐個進行求解，由此便創立了解決這類過程優化問題的新方法一動態規劃法。

在解決多階段決策問題中，各個階段釆取的決策一般來說是與時間有關的，決策即依賴于當前狀態，又引起狀態的變化轉移，一個決策序列就是在不斷變化的狀態中產生出來的，故有“動態”的含義，而這種方法被稱為動態規劃方法。在面對水輪機組最優配置的選擇問題時，正是一種多階段決策問題。

尋找水電站水輪機組最優化組合方案，所要找尋到的決策對象為，每一臺水輪機組，在滿足給定條件下，所分配到的負荷量，以實現最大發電量或者最小耗水量。水電站經濟運行的機組負荷分配問題，實質上是空間最優化問題，裝機n臺機組的電站，其機組間負荷分配構成了n階段決策問題。固定機組編號，每臺機組就可視為一個階段，如果各階段決策即機組出力是最優的，那么由這些決策所構成的策略即為最優策略，也就是我們說的電站最優運行方式。這樣便使得尋求水電站廠內經濟運行方案的問題變成了一個多決策過程的最優化問題。可以按如下思路把水電站廠內經濟運行問題化為動態規劃問題。

階段的確定：假設我們的水電站有n臺機組，則我們將動態規劃遞推過程分為n個階段，每個階段由i表示，i=1,2,3,…,n；每個階段有i臺機組出力。

狀態變量：第i階段由i臺機組所發出的有功負荷，用Pi表示；

決策變量：第i階段，第i臺機組出力Ni；

狀態轉移方程：

目標函數為：

約束條件為：

式中：——第i-1階段，i-1臺機組出力為Pi-1時的流量最優值；

Qimin、Qimax——第i臺機組允許流量的上下限；

Nimin、Nimax——第i臺機組允許出力的上下限；

N——該時段所有機組規定的出力總和。

2 電站概況

緊水灘水電站是浙江省甌江流域大溪上的一座梯級電站，是浙江省電力系統主力調峰水電廠，電站以220 kV和110 kV電壓接入浙江電網，主要擔負浙江省電力系統調峰、調頻、調相、進相及事故備用等任務，為浙江電網的安全供電發揮了重要作用，并且在電網AGC自動發電運行中擔當主力。緊水灘水電站總裝機容量300 MW（6臺×50 MW），水輪機型號為HL220-LJ-300，發電機型號為SF-K50-30/6400，機組先后于1987-1988年投產[2]。

由于緊水灘HL220-LJ-300水輪機存在著雙水力振動區這一設計缺陷，使其高效運行范圍受到限制，而隨著自動發電控制系統投運后，又加劇了機組振動，嚴重威脅電站安全穩定運行。為此，緊水灘電站經過前期調研、試驗、專家論證以及報批，并取得有關部門的批準，啟動緊水灘水電站機組增容改造工程，對機組轉輪進行換型改造，以解決水輪機組穩定性問題，并提高機組額定出力10%，分別對1號、2號、5號、6號機組進行改造，增容改造內容包括轉輪更換、導水機構部件更換、接力器更換、發電機定子鐵心更換、定子線棒更換及相關配套電氣設備更換等。

3 水輪機數學模型建立

緊水灘電站總裝機容量為300 MW，有三種不同水輪機型號共6臺機組，具體參數如表1：

表1緊水灘電站水輪機信息

（1）首先需要得到由水輪機廠家提供的轉特性曲線（H-P）和（H-Q）。

（2）在（Hmin，Hmax）區間內將運轉特性曲線的 H軸分為若干等份，每一個點做一條平行于P軸的直線。

（3）該直線與等效率線 η=f（P，H）有若干個交點，摘錄對應的效率、出力、水頭數據。

（4）利用N=9.81ηQH公式，計算對應的機組流量。

（5）將該直線與等效率線的每一個交點上的Q值都計算出來，便得到在該水頭下，出力P與流量Q的離散數學關系Q=Q（P）。

（6）用最小二乘法，選冪函數為擬合基函數，對離散關系進行擬合，得到該水頭下的流量特性函數，即 Q=Qc（Pc）。

（7）用同樣的方法對另外兩類水輪機進行擬合，得到水電站的水輪機組的綜合數學模型，即：

其中：

Q（P）為在滿足總出力情況下的總耗水量。

利用編程語言建立6臺水輪機的數學模型函數。要求在滿足給定P的前提下，合理分配PA1、PA2、PA3、PB1、PB2、PC的值，以使得 Q（P）最小，達到經濟性最高的目的。

通過各水輪機特性曲線分析，在同一水頭下，緊水灘2、6號機耗水量最小，效率最高，1號機次之，5號機再次之，3、4號機耗水量最大。因此，從效率最優條件考慮，機組發電時應先開2、6號機，再開1號機、5號機，最后開3、4號機。

4 動態規劃法應用

4.1 動態規劃法計算

緊水灘電站共有6臺水輪機，則選擇為六個階段。

以A1為第一階段，計算在其出力范圍（30～55MW）內各個點的最優值；以A1與A2共同出力為第二階段，計算在其出力范圍（30～110MW）內各個點的最優值；以A1、A2與A3同時出力為第三階段，計算在其出力范圍（30～165 MW）內各個點的最優值：以此類推，計算至第六階段各個點最優值,各出力條件下機組最優出力分配見表2。

表2各出力條件下機組最優出力分配 單位：MW

從表2的優化計算結果看出，符合水輪機特性曲線分析結論，即先開啟2、6號發電機組，再開1號和5號機組，最后才開3、4號發電機組。

4.2 優化組合結果

當N=100 MW，水位為180 m時，優化組合結果見表3：N=100 MW優化配置結果。

表3 N=100MW優化配置結果

當N=300 MW，水位為180 m時，優化組合結果見表4：N=300 MW優化配置結果。

表4 N=300MW優化配置結果

4.3 優化效益分析

根據水電站的發電運行方案及各發電機組實際出力安排，計算實際發電流量。按該原則下的流量損耗如表5水電站實際發電出力安排所示：

表5水電站實際發電出力安排

通過使用優化百分數進行分析：

其中：

Qc表示水電站常用方案耗水量；

Qt表示優化后方案耗水量；

OPT越大，表示方案越好，經濟性越強。

5 結語

通過對電站水輪機特性曲線分析和動態規劃法應用，提出機組開機組合及開機次序，并對機組發電出力進行優化分配，提高水電站的經濟效益，特別在機組未滿負荷運行情況下，合理安排高效率機組在高效發電區間運行，電站發電效益提高明顯。當水電站發電機組較多，且需要更精確分析時，該方法可能出現維數災，應盡量避免[3]。

[1]胡軍富.烏溪江水電廠經濟運行分析[J].小水電,2011,160（4）:149-151.

[2]浙江省甌江緊水灘水電站運行設計報告[R].電力工業部華東勘測設計研究院，1980.

[3]向凌,周建中，楊敬濤.一種消除動態規劃法中維數災的新方法[J].電力系統及其自動化學報,2004（6）:76-78.

F407

A

1672-5387（2017）11-0056-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.021

2017-08-25

劉國富（1977-），男，高級工程師，從事水電站水庫調度及水調自動化管理。