水電站經濟運行與管理技術研究

秦蓉 QIN Rong；李曉超 LI Xiao-chao

（①華北水利水電大學，鄭州 450045；②浙江水利水電學院，杭州 310018；③中國長江三峽集團有限公司，武漢 430000）

0 引言

傳統能源的大量消耗促進了我國經濟的飛速發(fā)展，同時對生態(tài)和不可再生資源無疑是一個挑戰(zhàn)。21世紀全球都陷入了能源危機，石油、煤、天然氣等傳統能源面臨枯竭。目前，大部分國家都對傳統能源進行了保護性開采，取而代之的是新型能源行業(yè)的迅猛發(fā)展，如太陽能、風能、水能、海洋能、潮汐能等清潔能源。另外由于環(huán)境的進一步惡化，全球海平面的持續(xù)上升等，已經使各國環(huán)保部門及聯合國環(huán)境規(guī)劃署不得不采取一些措施來應對這種困境?？梢哉f將來這些清潔型能源，會廣泛地應用在各行各業(yè)，以減輕環(huán)境污染、溫室效應等帶來的問題。

習總書記提出“創(chuàng)新、協調、綠色、開放、共享”的五大發(fā)展理念，強調綠水青山就是金山銀山，要進一步貫徹落實可持續(xù)發(fā)展觀，更是向全世界提出“人類命運共同體”的倡議，我們也是切實地從自身做起，調整火電能源比例、大力支持清潔能源開發(fā)利用、光盤行動、減塑行動等一系列活動，履行大國義務，展現大國擔當。水電作為清潔能源不同于火電等傳統能源那樣污染大，且比光電、風電、海洋能發(fā)電等技術發(fā)展完善，我國的水電蘊藏量又十分豐富。因此，大力發(fā)展水電經濟，是很有必要的，也符合我國當下的國情需求[1]。

1 水電站的經濟運行與管理

隨著當今電力市場的不斷改革，大部分水電站也正在不斷完善其相關的運行管理體系。與此同時，水電站的經濟效益也在逐年穩(wěn)步提升。傳統的管理制度在一定程度上制約著水電站國際化發(fā)展的趨勢。為了確保水電站能高效穩(wěn)定地發(fā)展與轉型，相關人員應當重視對水電站運行管理制度的時代性、科學性，確保提升水電站的經濟效益，保證其能持續(xù)健康地發(fā)展。我國水電蘊藏量十分豐富，盡管已經建設了許多工程，也取得了很多成就，但實際開發(fā)利用量仍與可開發(fā)量有很大差距。目前，在能源建設中，我國將水力發(fā)電視為一項重要措施。舉世聞名的三峽工程，不僅為長江沿岸及電網提供了可靠的電力資源，而且還兼具抗洪排澇、航運灌溉等功能，可以說已經不僅僅是單純的水電站了，更是我國歷史上一項偉大的民生工程；再如黃河上的小浪底水電站，不僅可進行水力發(fā)電，而且還為兩岸農業(yè)、工業(yè)等生產用水提供保障，更為重要的是，黃河沿流的水電站在汛期進行綜合調度，可對黃河這個“地上懸河”沖水調沙，降低河床位置。從此黃河安瀾，黃河中下游沿岸也不會再有洪災，兩岸人民盡可安心生活、生產。這些水電站的例子不勝枚舉，因此可以說水電站不僅在我國的國民經濟當中占具了很重要的地位，更是一項關乎民生大計的偉大工程。想要進一步緩解我國能源緊張的現狀，就需要大力提倡水電站經濟運行技術，提高水電站運行管理水平。這對增加電廠效益以及確保電網安全運行有著重要意義[2]。

水電站的經濟運行，要因地制宜，具體問題具體分析。即不同規(guī)模、種類、布置形式的水電站選擇其最佳的運行方式，在保證電力系統安全運行的前提下，增加發(fā)電效益。通俗地講即采用具體的措施，能夠用最少的水量發(fā)出最大功率的電量[3]。對于水電站經濟運行而言，制定水電站的最佳運行方式，不僅能夠實現工程水利向資源水利的轉型，還能確保電力系統的安全生產、經濟發(fā)電及經濟供電等目標的實現。同時，對提升水電站運行的管理水平、增加水電站的發(fā)電量、提高流域防洪能力都有著積極的促進作用[4]。

水電站是否經濟運行主要有內因和外因兩個方面進行評判[5]，以往的研究主要集中于評價方法研究、考核體系建設等[6-8]，但是歸根到量化指標上，以耗水率和水量利用率兩評價目標為主，即耗水率越低越好[9]，水量利用率越高越好[10]。但在實際運行過程中，兩者往往存在矛盾。即如果降低耗水率，電站就需要在高水位下運行，而高水位運行下，就導致水庫可調節(jié)庫容減少，棄水風險增加，水量利用率降低。因此，形成一個較全面的評價目標體系、合適平衡兩指標、適度反映不同類型電站經濟運行重點，就顯得尤為重要[11]。

2 水電站經濟運行管理措施

2.1 降低運行成本

降低的成本主要有三個方面，一是降低人力成本。我們可以在自動化高度發(fā)達的今天，借鑒自動化軟件來替代人工，提升勞動率的同時還可以減少人力支出；二是控制采購成本，采購過程要嚴格公開、公平、公正，采用高性價比的設備，可有效地控制成本；三是加強對自由經費的使用，合理規(guī)劃運行成本管理目標，將其形式化、制度化、有效化，確保電站成功運行的前提下，減少一些不必要的支出。

2.2 提高運行效益

提高運行效益即水電站發(fā)電小時數最大化，發(fā)電量高，效益就上去了。方式也有三個方面，一是保證設備的運行可靠性。即電站接到發(fā)電任務后，可運行機組除滿足正常發(fā)電任務，還應該能夠有一定的余量以應對突發(fā)狀況緊急調度所需。這就要求電站人員平時要對機組設備精心養(yǎng)護，有問題應及時維修養(yǎng)護，不能在關鍵時刻“掉鏈子”；二是保證設備的運行穩(wěn)定性。即機組應盡量避開不利工況或盡可能少的運行在不利工況下，更應該使機組運行在最優(yōu)工況下，以保證機組在高效區(qū)運行，減少輔助設備消耗；三是優(yōu)化電站調度運行方式，利用智能軟件，精密計算、預測并合理分配發(fā)電任務，以避免或最大限度地減少損耗，減少棄水，讓每一滴水都發(fā)揮出其應有價值。

2.3 具體措施

2.3.1 增強管理服務建設，提高工作效率

探索符合自身實際的高效管理機制，各部門之間加強聯系有序配合，發(fā)現問題盡快上報、解決好問題。另外要關心員工的工作和生活，有一套員工都能滿意的考核和獎懲機制，按勞分配，適當地提高員工福利待遇，從而提高其工作積極性，推動企業(yè)效益提升，以促進優(yōu)化運行工作全面推進。

2.3.2 把握市場電價變化，為企業(yè)爭取效益

加強與有關部門的溝通協調，把握規(guī)則，爭取政策，主動申請負荷，增加發(fā)電量，同時也要合理把握電網交易市場，為企業(yè)爭取最大的效益。

2.3.3 探索設備智慧管理運行模式

打鐵還需自身硬，要逐漸形成一套符合自身實際的設備智慧運行機制，能及時發(fā)現設備故障及隱患并解決問題，保證設備在運行時不出大問題，不影響企業(yè)的正常生產。

2.3.4 優(yōu)化設備運行方式，確保設備最大限度運行在高效區(qū)

制定合適的方案，使水電機組及其輔助設備、電氣設備等均處于最優(yōu)狀態(tài)下運行，最大限度地避免在非最優(yōu)工況下的運行時長。一來在高效率區(qū)運行有利于延長機組的工作壽命；二來還可最大限度地減少能源損耗，從而增加企業(yè)的效益。

2.3.5 優(yōu)化調度模式

要做好水情預測，在保證安全的前提下，科學合理地利用來水，最大限度地減少棄水，合理安排計劃發(fā)電量。另外也要和上游電站聯系溝通，了解其發(fā)電規(guī)劃，實現聯動工作，使每一滴水都發(fā)揮出最大價值[12]。

本文將這些舉措歸結為兩類：第一類是面對外因，即人力無法抗拒的外力所造成的，比如來流量等；第二類是面對內因，即人為因素，如管理水平、運行工況等。針對外因，這是大自然決定的，我們左右不了，只能未雨綢繆，盡我們最大的努力，通過現有的科技手段，進行預測及制定相應周密的應對方案。而取決于我們自身的內在因素，是可以通過我們自己內在的努力來改變的，比如提升我們的管理水平、自動化水平等。尤其是在科技高速發(fā)達的今天，隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，一些計算機軟件得到了快速成長并被應用于我們的實際生活中，這些計算程序、軟件不僅可以把我們人員本身從工作中解放出來，還能夠提高效率。

2.4 實例分析

溪洛渡水電站總裝機容量為1386萬kW，為探索溪洛渡水電站的經濟運行，劉剛等[13]對電站內各機組的特性進行了分別分析。通過對溪洛渡電站各機組運轉特性曲線、耗水率曲線等分析，發(fā)現哈電集團、東電集團生產制造的機組耗水率小，福伊特公司生產的機組耗水率較大，進一步分析發(fā)現，機組在高水頭、高負荷下運行可有效降低耗水率，機組要盡量運行在最優(yōu)工況下。此外在機組分配任務時要優(yōu)先運行水頭損失小的，而漏水量較大的機組為避免浪費水能也應考慮優(yōu)先運行。電網還應該對梯級電站整體進行聯合規(guī)劃，以使水能利用最大化。綜合機組耗水率、水頭損失、流量與出力關系及其他因素，劉剛等給出了18臺機組的建議開啟順序。

彭水水電廠總裝機容量為1750MW，肖劍等[14]為彭水水電廠設計并實現了廠內的經濟運行系統。其以耗水量最小為目標，對非實時負荷分配進行了分析，基于C#和NET.Framework開發(fā)了水電站廠內經濟運行系統，通過對其模型分析及模型求解方法等介紹，完成了基于粒子算法的模型系統。并將該系統成功應用于彭水水電廠，有效地解決了傳統軟件存在的問題。

響水水電站總裝機容量為260MW，李雅楠[15]對該電站的經濟運行采用的方式進行了分析，主要從四個方面即：調度方式、來水預測、運行工況、合理用電來分析了該電站的經濟運行管理。具體為：上游水情預測；高效區(qū)及高水頭運行；充分利用調節(jié)庫容多蓄水；變負荷保證高水位運行。此外，電站還積極研究機組的超發(fā)可能性。

3 水電站經濟運行與管理的算法研究

目前，對水電站的經濟運行算法的研究及應用很多。水電站經濟運行的研究，國內外學者從模型的調度優(yōu)化和求解進行探索[16]。模型的調度優(yōu)化主要從實際情況中考慮，較多的能體現出電站運行時的主要特性，同時對于模型求解方法的要求也是越簡潔越好。文獻[17-18]提出了一種短期運行優(yōu)化模型，其優(yōu)化的方案將入庫流量和水頭設置為定值，同時將機組啟停時帶來的損失也作為考量。文獻[19]根據機組的投運情況，建立了考慮空載情況和開機約束的經濟調度模型。在不同調度要求下的模型也隨著深入的研究，變得更加完善，也反映出真實狀態(tài)下的水電站運行。水電站經濟運行的模型有著很多約束條件和目標函數的非線性問題[20]，最早的研究大多基于動態(tài)規(guī)劃法[21-23]，但是受制于“維數災”，進而影響計算的精度及效率。隨著研究的深入，一些新的智能算法取代了傳統的方法[22]，文獻[24-25]基于遺傳算法求解水電站經濟運行的模型，從多個初值點開始，沿多條路徑進行搜索。文獻[26-27]基于改進的粒子群算法（PSO）進行水庫調度。Zhao Zhang[28]提出一種基于站點跳過的優(yōu)化調度方法，可減少一個或多個泵站的使用，并優(yōu)化總水頭到其他站點的分配。文獻[29]在多約束條件下，提出利用變異算子自適應變化的進化規(guī)劃算法,求得耗水量最低的廠內經濟運行方式。同時對三峽水電站24h運行情況進行算例分析，驗證了所提方法的正確性和有效性。

4 結語

本文對目前國內在水電站經濟運行與管理的研究現狀進行總結和拓展，并引用具體電站進行分析論證。水電站經濟運行與管理水平付諸具體實施的同時，對水電站運行調度模型、算法的優(yōu)化不僅有利于進一步提高水電站經濟運行與管理水平，同時也是電站自動化建設的重要部分，向“無人值班，少人值守”的目標更進一步，同時電站的經濟效益也得到了很大的提升。盡管水電站經濟運行與管理目前仍在不斷地探索，尚沒有形成統一的技術理論，但我們取得的成果還是有目共睹的，我們要繼續(xù)結合實際，探索出一套適合自身實際的水電站經濟運行與管理系統。