枯期水電站經(jīng)濟運行損失電量管控模型研究

陳 在 妮， 寇 立 夯， 曲 田

(1.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041;2.國家能源投資集團有限責(zé)任公司，北京 100034)

0 引 言

四川是中國最大的水電能源大省，總發(fā)電裝機容量9 980萬kW，其中水電裝機占比就達(dá)到80%。近幾年，受投產(chǎn)裝機增速大于電力需求增速、送出通道受限等客觀因素影響，出現(xiàn)了汛期大規(guī)模棄水現(xiàn)象。但同時，由于水電站特殊的來水時空分布特性，汛期集中來水豐沛，占全年來水量70%，發(fā)電能力富余。而枯水期來水偏枯，供不應(yīng)求，造成了電力供應(yīng)“汛余枯缺”的不匹配現(xiàn)象。因此，在枯水期，對于四川電網(wǎng)的電力供應(yīng)來說，水電是非常寶貴的電力資源。在來水有限的情況下，通過優(yōu)化調(diào)度、經(jīng)濟運行管控，可有效提高水能利用率近5%～8%，對保障電網(wǎng)供電安全、提高發(fā)電企業(yè)發(fā)電量創(chuàng)收，都有著重大的意義[1～2]。傳統(tǒng)的經(jīng)濟運行管控，在以水定電“非棄水”模式下，水電企業(yè)的管理基本上都提出了以抬高運行水頭、提高機組運行效率為手段，以降低耗水率為目標(biāo)的考核目標(biāo)[3～5]。傳統(tǒng)管理指標(biāo)只有結(jié)果指標(biāo)，并沒有提出造成結(jié)果的具體影響因素以及各因素影響程度，同時也沒有量化地、直觀地為管理者提供決策依據(jù)。

本文以“非棄水”模式為前提，擬提出水電站損失電量管控模型，找出損失影響因子，提出各損失影響電量及因子關(guān)聯(lián)占比的計算方法，量化地、直觀地為實時調(diào)度人員提供準(zhǔn)確指導(dǎo)，更能為管理者提供經(jīng)濟運行管理決策依據(jù)，及時找到問題，提出針對性措施，優(yōu)化經(jīng)濟運行指標(biāo)，增發(fā)電量。

1 損失電量分析

1.1 理論電量

為了量化分析損失電量，提出參照目標(biāo)值，即理論發(fā)電量概念。理論指在有效來水量、來水過程情況下，水電站理論能發(fā)出的最大電量。根據(jù)電站調(diào)節(jié)性能不同，分別制定季調(diào)節(jié)及以上、徑流式等代表性電站理論發(fā)電量計算模型。總體思路是按照優(yōu)化調(diào)度方案、水位過程計劃、理論耗水率等為理論目標(biāo)，尋求計算在實際來水過程下的最大發(fā)電能力。

(1)徑流式水電站理論發(fā)電量：①確定理論最優(yōu)運行水位，對于日調(diào)節(jié)性能及以下的水電站，理論上水位穩(wěn)定維持在最高正常蓄水位附近運行最優(yōu)，但在實際運行中，應(yīng)根據(jù)電站自身調(diào)蓄性能、上游來水波動率，確定一個在保證安全且不棄水的前提下的壩前最優(yōu)平均運行水位，一般來說水庫調(diào)節(jié)系數(shù)越大，上游來水波動率越小，最優(yōu)運行水位越接近最高運行水位; ②理論最優(yōu)運行水位減去實際壩下水位得到理論水頭，通過理論水頭查得理論最優(yōu)耗水率；③根據(jù)逐日實際發(fā)電用水量，計算理論發(fā)電量。

式中Eo為理論發(fā)電量，Wr為實際發(fā)電用水量，εo為理論最優(yōu)耗水率。

(2)季調(diào)節(jié)及以上電站理論發(fā)電量：①確定最優(yōu)工況下各水頭下的最優(yōu)理論耗水率曲線；②結(jié)合階段性經(jīng)營目標(biāo)通過水庫優(yōu)化調(diào)度算法，得到逐日壩上水位控制計劃，日計劃壩上水位減去實際壩下水位得到計劃水頭，通過計劃水頭查得理論最優(yōu)耗水率；③通過當(dāng)日實際發(fā)電用水量除以理論最優(yōu)耗水率得到理論發(fā)電量。

1.2 損失電量分類

通過過理論與實發(fā)電量對比得出損失電量，將“非棄水”模式下的損失電量劃分為水頭損失電量、旋備損失電量、低效損失電量等三類。一般情況下，水頭、旋備都有實時采集值，對應(yīng)的損失電量可以用數(shù)據(jù)公式直接算出。低效損失電量因受機組的開機組合方式、運行效率區(qū)間、開機率等非直接量化指標(biāo)影響，存在量化的不確定性，為此除去水頭、旋備損失電量以外的損失電量，均可歸為低效損失電量。

式中ω為總損失電量，εr為實際耗水率，ωh為水頭損失電量，ωs為旋備損失電量，ωe為低效損失電量。

2 損失計算方法

2.1 水頭損失電量

本文水頭損失電量，是指在實際調(diào)度過程中，徑流式電站低于最優(yōu)運行水位或季調(diào)節(jié)性電站沒低于理論計劃運行水位運行，造成的水頭損失。

式中εhr為實際運行水頭下對應(yīng)理論最優(yōu)耗水率。

2.2 旋備損失電量

本文旋備損失電量，是指為配合電網(wǎng)安全發(fā)電需要，機組空載或空轉(zhuǎn)或僅帶最低負(fù)荷而造成的電量損失。

式中t為旋備時間，Qs為機組空載流量。

2.3 低效損失電量

負(fù)荷可調(diào)空間較大的機組，參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻的電站，機組經(jīng)常性低負(fù)荷率運行，機組運行效率低，導(dǎo)致耗水率增大，造成隱性損失電量。

ωe=ω-ωh-ωs

3 案例計算分析

3.1 分類型電站損失電量影響因子關(guān)聯(lián)度分析

電站的損失電量，受電站自身特性(水頭高低、調(diào)節(jié)性能)以及市場環(huán)境等因素不同而有所差異，對各因子的關(guān)聯(lián)度也不同。為此，筆者選擇大渡河公司所屬水電站，分別取三座有代表性水電站按上述分類及計算方法進行測算。電站A具有不完全年調(diào)節(jié)性能，高水頭，單機容量大，6臺機組投AGC參與電網(wǎng)深度調(diào)峰調(diào)頻，汛前消落汛末回蓄，水位可調(diào)節(jié)空間60 m；電站B，日周調(diào)節(jié)，高水頭，單機容量大，4臺機組投AGC參與電網(wǎng)深度調(diào)峰調(diào)頻，水位可調(diào)節(jié)空間10 m；電站C，日調(diào)節(jié)，低水頭，單機容量小，水位可調(diào)節(jié)空間6 m，參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻較少。三座水電站近3年枯水期累計損失電量計算結(jié)果如表1所示。

表1 三座典型水電站近2016～2018年累計損失電量分析表

通過表中的計算結(jié)果可以看出，無論是損失電量絕對值還是關(guān)聯(lián)占比而言，裝機大、參與電網(wǎng)深度調(diào)峰調(diào)頻的電站電量損失都最嚴(yán)重。對于A類型電站，低效運行占比最大，水頭損失占比次之，也就是參與電網(wǎng)深度調(diào)峰調(diào)頻、機組長期低負(fù)荷率低效運行造成的損失占比55%，年度水位控制過程不優(yōu)造成的損失占比33%。對于B類型電站，機組低效運行造成的損失占比更是達(dá)到了81%，因本身電站屬于高水頭電站，水位影響占比相對較小。對于C類型電站，水頭與低效運行影響大致各站一半。以上分析可以看出，A和B電站作為電網(wǎng)的主力調(diào)峰調(diào)頻電站，在為保障電網(wǎng)安全運行的做出貢獻的同時，也造成嚴(yán)重的低效損失電量，兩站每年因長期低負(fù)荷低效運行導(dǎo)致的損失電量達(dá)6.36億kWh，占枯期總發(fā)電量近9%。

3.2 損失電量時間尺度分析

為了更好地評價電站在經(jīng)濟運行水平變化情況，對A電站和C電站近三年逐年的損失電量進行趨勢分析。從表2和表3可以看出，兩站電量損失率呈上升趨勢，且水頭、旋備和低效損失電量總體也都呈上升趨勢，表明兩站的經(jīng)濟運行水平呈嚴(yán)重的下降趨勢，一方面表現(xiàn)出客觀外部市場環(huán)境愈加惡劣，同時也暴露經(jīng)濟運行內(nèi)部管理上的問題。

表2 A電站水電站2016～2018年逐年損失電量走勢表 單位：萬kWh

表3 C電站水電站2016～2018年逐年損失電量走勢表 單位：萬kWh

4 分類損失電量小指標(biāo)管控運用

造成上述影響損失電量的原因，有來自市場環(huán)境變化的客觀因素，也有來自內(nèi)部管理的主觀原因，如何利用結(jié)果驅(qū)動并發(fā)揮各級各層的主觀能動性，通過協(xié)調(diào)優(yōu)化外部環(huán)境、實時精細(xì)化調(diào)度，最終減少損失電量、增加發(fā)電收益是水電企業(yè)的經(jīng)營之本。因此，有必要基于損失電量建立一套枯水期經(jīng)濟運行指標(biāo)管控模型，納入到日常經(jīng)濟運行考核體系。

以調(diào)度班組考核指標(biāo)為例，在枯期“以水定電”模式下，經(jīng)濟運行指標(biāo)管控模型中，增加電量損失率作為考核指標(biāo)，重新優(yōu)化考核權(quán)重，促進調(diào)度班組積極爭取精細(xì)調(diào)度，抬高運行水頭，負(fù)荷率較低時及時申請加負(fù)荷或停機減少旋備，減少低負(fù)荷運行時間。

表4 枯期經(jīng)濟運行指標(biāo)管控算例表

從表4可以得出評價：調(diào)度三值雖然發(fā)電量排名靠后，但是在水頭損失、低效損失控制方面得分高，通過減少損失電量達(dá)到了增發(fā)目的。在“減少損失電量”為考核導(dǎo)向下，可以積極地引導(dǎo)調(diào)度人員開展相應(yīng)的減損工作，達(dá)到公司的經(jīng)營目的。以A電站為例，通過損失管控模型的運用，經(jīng)濟運行指標(biāo)顯著提升，2019年電量損失率降低至12%，較前期降3個百分點，減少損失電量1億kWh，增效顯著。

5 結(jié) 語

根據(jù)四川特殊電力市場環(huán)境，因地制宜，采用枯水期水電站損失電量的分類及計算方法，可以為管理層以及調(diào)度層提供經(jīng)濟運行過程管理支撐，找出“損失電量”原因提供了一套直接、簡便、直觀的手段。

通過典型電站損失因子關(guān)聯(lián)度分析，直觀地反映出大型調(diào)峰調(diào)頻電站為保障電網(wǎng)安全運行做出了巨大的電量損失貢獻，此類型水電企業(yè)應(yīng)從調(diào)增優(yōu)先發(fā)電利用小時數(shù)、提高AGC效益補償額度等方面，加大呼吁，爭取政策支持，以補償效益損失。枯期損失電量經(jīng)濟運行管控體系，在水電企業(yè)經(jīng)濟運行管理中運用，可有效促進員工主觀能動性，提升經(jīng)濟運行水平，值得在行業(yè)推廣。