基于智能水電站的機組能效狀態評價方法

田德智，張樂辰，李 宇，張太衡

(1.華電西藏能源有限公司大古水電分公司，西藏 山南 856200；2.華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

現如今，電力行業已從電力供應不足時代粗放式的發展模式轉變為尋求低成本、高效率、低污染的生產方式。水電作為可再生的清潔能源在新時代的發展需求下有著廣闊的發展前景，如何做到高效率的安全生產是水電企業必須思考的課題。在實際生產工作中，水電機組的運行狀態和發電效益受到多個環節的影響，對機組作能效評價是保證機組經濟運行的有效手段。

隨著國務院《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》、國家發改委、能源局《關于促進智能電網發展的指導意見》等文件的出臺，推進能源生產、消費智能化，帶動產業升級轉型，構建安全高效的智慧能源體系已成為能源企業今后的發展方向[1]。在智能水力發電模式下，對機組能效狀態進行實時監測，有助于動態了解機組運行過程的性能和效率，一方面保障電站生產的安全性和可靠性，另一面保障機組運行在高效率范圍，提高電站生產效益[2]。

DG水電站作為華電集團公司新建水電站代表，在集團公司《智能水力發電系統技術導則》要求下開展智能水電站建設的試點研究。基于一體化平臺開發和建設各功能模塊，經過智能應用分析和處理的結果存儲在一體化平臺并可供其他應用訪問及使用[3]。智能水電站的建設為在線監測機組能效狀態提供了平臺和數據來源。本文基于DG智能水電站建設提出水電機組能效評價方法[4-5]，為該電站在運行期的高效、安全生產提供保障。

1 智能水電站建設思路

1.1 智能水電站設計思路及體系架構

該智能水電站遵循《電力監控系統安全防護規定》的要求，采用“橫向分區、縱向分層”的方式設計并建設橫跨安全I區、安全II區以及安全III區的廠級智能水力發電一體化平臺，實現數據統一采集、編碼、存儲和處理，消除“信息孤島”。其中，平臺安全Ⅰ區應具備計算機監控功能，平臺安全Ⅱ區應具備經濟運行(優化調度)和設備狀態在線監測功能，安全Ⅲ區部署大壩安全分析、經濟運行、水電遠程診斷、防汛決策支持、安全防護管理等應用。

DG智能水電站一體化平臺安全Ⅱ區和管理信息大區采用虛擬化架構，打破傳統單服務器單應用的傳統物理架構設計模式，實現應用抽象化，并使其與基礎硬件架構分離。一體化平臺安全Ⅱ區和管理信息大區部分自底向上分為物理層、虛擬化層、數據平臺層及服務層，為各應用提供數據及服務支持。

1.2 水電診斷平臺架構

水電設備的安全運行是水電企業發展的基礎，DG智能水電站設計中安全Ⅲ區部署了水電遠程診斷平臺，DG水電站的機組能效評價功能于該平臺中實現。水電遠程診斷平臺采用B/S架構，從下到上分為4個層次:數據源層、數據采集層、存儲計算業務邏輯層和數據展示層，如圖1所示。

圖1 水電遠程診斷平臺軟件架構

數據源層位于系統平臺的最底層，為平臺提供數據來源(建設期基本數據，生產期機組運行數據)。數據采集層用于采集實時生產數據和關系設備健康指標數據。存儲計算業務邏輯層針對數據層進行操作，處理數據業務邏輯。業務邏輯層具體包括狀態監測、故障診斷、量化評價、能效分析等模塊。系統各功能模塊采取插件式，可選擇加載，可獨立配置運行。模塊間的交互只在底層數據訪問層進行，做到“高內聚，低耦合”。數據展示層為展現給用戶的界面，即用戶在使用系統時的所見所得。

水電遠程診斷平臺的建設實現了水電機組主設備預知性檢修，監管機組或設備的檢修、維護及更新改造狀況，實時監管水輪發電機組主設備的運行狀態及主要狀態參數，可實現相關指標的對標分析、主設備的預警、狀態評價和能效評價，實現水電機組遠程診斷平臺與其他相關系統的集成，以及對電站運行效率的監控等，對提高水電設備的可用率、機組的運行效率、安全性、可靠性和經濟性具有重要意義。

2 能效評價方法

2.1 指標評價規則

能效為能源利用效率的簡稱，即有效能量與輸入能量之比，客觀地反映了產品的能量利用性能[6-7]。水電站能效為水能轉換為電能的效率，從能效定義出發，本文提出的水電機組能效狀態評價方法確定了4個核心指標，耗水率、水輪機效率、導葉漏水率、引水損失率。其中耗水率體現綜合調度、機組能效；水輪機效率體現發電狀態下水輪機能量轉換性能；導葉漏水率體現機組停機狀態下的導葉性能；引水損失率體現發電狀態下的引水流道性能。

2.1.1 耗水率

耗水率為發電用水量和發電量的比值，是用來表征發電機效率的重要參數[8]。由于不同能效評價指標的量綱不同，需將實際值采用一定標準進行折算。選用機組耗水率作評價指標，以多年平均耗水率(10年總發電用水/10年總發電量)為目標值(對于新建電站，可由專業人員自行設定耗水率目標值，在積累一定歷史數據后再進行調整)，求誤差占比[9]，構造公式(式1)將耗水率折算為0～100區間的數值(得分)：

(1)

式中：a為多年平均耗水率，m3/kWh；q為耗水率實際值，m3/kWh。

以多年平均耗水率(目標值)3.50 m3/kWh為例，表1為部分耗水率實際值的對應得分，若得分F1>100，取F1為100，若得分F1<0，取F1=0。

表1 耗水率指標折算示例

2.1.2 水輪機效率

水輪機效率指水輪機輸出功率和輸入水流功率的比值。水輪機效率體現了水輪機對水流能量的有效利用程度，對表征機組能效狀態有顯著意義[10]。將機組水輪機效率折算為0～100的數值(得分)，由于該指標為機組發電態下的實時值，受水頭、負荷變化的影響大，特選取時段內水輪機實際最優效率和實際最優效率出現工況(水頭、負荷)下對應的設計效率(目標值)作對比，最優效率定義為水輪機各工況中效率的最大值。經測算后構造折算公式：

(2)

式中：a為水輪機設計效率，%；q為水輪機實際最優效率，%。

以某工況下設計效率(目標值)96%為例，表2為部分實際最優效率對應得分，若得分F2>100，取F2為100，若得分F2<0，取F2=0。

表2 水輪機效率指標折算示例

2.1.3 引水損失率

天然來水在通過攔污柵、進水口、引水管道到水輪機，經尾水管排入河道的過程中勢必產生各種水頭損失，引水損失率的定義為：當前水頭損失(毛水頭—工作水頭)占毛水頭的比例。

(3)

式中：ls為機組引水損失率實時值，%；Hm為毛水頭，上下游水位差，mm；H為凈水頭(工作水頭)，mm。

引水損失率為機組發電狀態下的實時值，由于不同電站機組的引水損失率差異較大，對該指標的評價采用對標自身的縱向評價[11]。選取時段的機組引水損失率最大值作為實際值，電站機組檢修(大修)后額定負荷下的測試引水損失率作為目標值(目標值由電站專業人員確定)。將實際引水損失率折算為0～100的數值(得分)，經測算后構造折算公式：

(4)

式中，lb為機組引水損失率標準值，%。

以引水損失率(目標值)3%為例，表3為部分實際引水損失率最大值對應得分，若得分F3>100，取F3為100，若得分F3<0，取F3=0。

表3 引水損失率指標折算示例

2.1.4 導葉漏水率

導葉漏水率為機組停機態下的實時值，將導葉漏水率實時值折算為0～100的數值(得分)，選取時段內機組導葉漏水率最大值與標準值對比[12]。標準值定義為額定水頭下，圓柱式導葉漏水量不應大于水輪機額定流量的3‰。圓錐式導葉漏水量不應大于額定流量的4‰[13]。經測算后構造折算公式：

(5)

式中：a為導葉漏水率標準值，%；q為導葉漏水率實時值，%。

以導葉漏水率(目標值)0.30%為例，表4為部分實際導葉漏水率對應得分，若得分F4>100，取F4為100，若得分F4<0，取F4=0。

表4 導葉漏水率指標折算示例

2.2 指標權重確定

本文確定指標權重從指標特性出發，考慮其反映機組能效狀態的重要程度來確定權重的區間范圍，生產應用中電站可以根據實際情況和需求確定具體值。

機組耗水率為綜合性指標，受調度、水情等其他非機組能效因素影響較大，在評價規則中賦予其較小權重，權重區間為5%～10%。從目前大多數水電站機組的運行情況來看，水輪機效率通常能體現90%以上的毛水頭能量，引水損失率通體現毛水頭能量的百分之幾，導葉漏水率通常體現毛水頭能量的千分之幾。根據三個指標體現毛水頭能量的數量級，確定其權重區間分別為：水輪機效率50%～75%，引水損失率15%～25%，導葉漏水率5%～15%。

2.3 機組能效狀態評價規則

水電診斷平臺的能效分析功能模塊對電站所有機組的能效狀態作每日滾動評價[14-15]，評價時刻為每日00:00時刻。完成每日評價后，更新當月的機組能效狀態。對電站的耗水率、機組水能利用率、水輪機效率、導葉漏水率、引水損失率等機組能效指標進行對比展示。機組的能效狀態采用綠(優)、黃(良)、橙(中)、紅(差)來表示機組當前的能效狀態，能效等級對應的得分區間如表5所示。

表5 機組能效狀態評價規則

3 結 語

智能水電站的建設為在線實時監測機組等效狀態提供了平臺和數據來源，為更直觀高效的評估機組能效，提高能源利用率，及早發現不安全因素等提供了技術支撐和保障。本文以新建的DG水電站為例，論述了DG在智能水電站建設規劃中的設計思路，診斷平臺的系統架構，并以規劃的智能水電站功能應用為基礎，提出了適用于該架構的在線評價機組能效狀態方法，確定4個核心指標折算公式、指標權重，以及機組能效狀態的評價規則。基于智能水電站的機組能效評價方法是在數字化、信息化、智慧化手段下對傳統評估手段的升級革新，機組狀態的動態更新使得評估結果更具實時性、實用性。