王靜

摘?要：蓄能控制是水電站運(yùn)行調(diào)度的重要手段之一，保持水電站在合理蓄能范圍運(yùn)行，可以減少天然來水、負(fù)荷需求等不確定因素對(duì)調(diào)度的影響，降低調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)梯級(jí)電站調(diào)度合理蓄能范圍確定問題，以烏江流域?yàn)槔?，考慮徑流特性、電站特性、電網(wǎng)調(diào)度需求、電站發(fā)電運(yùn)行規(guī)則等實(shí)際調(diào)度關(guān)鍵因素，提出蓄能控制圖編制方法及應(yīng)用規(guī)則。實(shí)例分析表明，蓄能控制圖可用于指導(dǎo)中長期發(fā)電計(jì)劃的編制，使用便捷、結(jié)果合理。

關(guān)鍵詞：梯級(jí)電站;蓄能控制;運(yùn)行調(diào)度;烏江

中圖分類號(hào)：TK79?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.019

Abstract：Energy storage control is one of the important methods of hydropower operation scheduling. Keeping hydropower stations operating in a reasonable energy storage range can reduce the impact of uncertain factors such as natural runoff and load demand， it also can reduce the scheduling risk. A new method and application rules of energy storage control chart were proposed for the issue of determining the reasonable energy storage range of cascade hydropower stations by taking the Wujiang River as an example and according to the key factors of actual operation scheduling， such as runoff characteristics， power station characteristics， grid dispatching requirements and generation rules. The calculation of the example shows that energy storage control chart can be used to guide the medium and long-term power generation plans with convenient use and reasonable results.

Key words： cascade hydropower stations; energy storage control; operation scheduling; Wujiang River

蓄能是水電站運(yùn)行調(diào)度的重要指標(biāo)之一，直接體現(xiàn)了庫存水量在未來所能發(fā)出的電量值，是水電站發(fā)電計(jì)劃編制需要考慮的重要因素[1-4]。合理控制水電站蓄能，尤其是汛前、年末等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的蓄能是中長期調(diào)度運(yùn)行合理性和可行性的重要保障，因此在水電站實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中，合理地確定水電站各月的蓄能控制范圍，對(duì)調(diào)度運(yùn)行尤其是中長期調(diào)度運(yùn)行的指導(dǎo)作用突出。然而目前現(xiàn)有研究主要集中于傳統(tǒng)調(diào)度圖繪制[5-10]及優(yōu)化調(diào)度模型、算法[11-15]，對(duì)可直接應(yīng)用于生產(chǎn)的蓄能控制圖研究較少，因此開展相關(guān)研究十分必要。

烏江流域作為我國十三大水電基地之一，干流電站開發(fā)主體相同，具有開展梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度的優(yōu)勢，成為我國最早開始實(shí)施聯(lián)合調(diào)度的流域，積累了豐富的調(diào)度運(yùn)行資料和經(jīng)驗(yàn)，為蓄能控制圖的編制提供了有力的支撐。本文結(jié)合烏江梯級(jí)調(diào)度實(shí)際，提出蓄能控制圖編制方法，其能夠結(jié)合梯級(jí)水電站發(fā)電運(yùn)行規(guī)則，為梯級(jí)水電站群的中長期發(fā)電運(yùn)行提供參考。

1?梯級(jí)水電站蓄能控制圖繪制

以烏江流域洪家渡、東風(fēng)、索風(fēng)營、烏江渡、大花水、格里橋、構(gòu)皮灘、思林、沙沱9座水電站為研究對(duì)象，根據(jù)梯級(jí)水電站群發(fā)電運(yùn)行規(guī)則、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)梯級(jí)合理蓄能范圍以及天然來水發(fā)電能力，選擇典型天然來水過程，進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，繪制烏江梯級(jí)蓄能控制圖。

1.1?梯級(jí)水電站發(fā)電運(yùn)行規(guī)則確定

梯級(jí)水電站群調(diào)度一般以發(fā)電效益最大化為目標(biāo)，枯期考慮引水、灌溉等綜合利用要求，蓄能逐步消落，調(diào)節(jié)性能較差的水電站保持高水位運(yùn)行;汛期水電站滿發(fā)多發(fā)，調(diào)節(jié)性能好的水電站動(dòng)用自身調(diào)節(jié)庫容減小棄水風(fēng)險(xiǎn)，并在汛后期攔蓄洪水，保證枯期有足夠的補(bǔ)償能力。對(duì)于烏江梯級(jí)水電站，其發(fā)電運(yùn)行遵循以下規(guī)則。

枯期（11月—次年4月）：梯級(jí)蓄能均衡消落，龍頭水電站洪家渡向下游補(bǔ)水，以抬高下游梯級(jí)水電站水位。

枯汛交替期及汛期（5—8月）：龍頭水電站洪家渡蓄水，梯級(jí)蓄能被動(dòng)上漲，梯級(jí)發(fā)電量為除洪家渡以外的下游各庫天然來水發(fā)電能力與最大發(fā)電能力二者較小值（即當(dāng)天然來水發(fā)電能力大于當(dāng)前最大發(fā)電能力時(shí)，取最大發(fā)電能力;反之，取天然來水發(fā)電能力）。

汛末期（9—10月）：龍頭水電站洪家渡水位下降，下游各庫水位抬升，梯級(jí)發(fā)電量為梯級(jí)天然來水發(fā)電能力。

1.2?關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)梯級(jí)合理蓄能范圍確定

1.2.1?蓄能計(jì)算原理

梯級(jí)水電站蓄能為各單站蓄能值之和，計(jì)算方法為

式中：Ex為梯級(jí)水電站蓄能值，kW·h;Exi為梯級(jí)水電站i的蓄能值，kW·h;N為梯級(jí)水電站總數(shù);ηi為梯級(jí)水電站i的出力系數(shù);Wi為梯級(jí)水電站i的可用水量，m3;Hi為梯級(jí)水電站i的水頭，計(jì)算時(shí)尾水位取水電站額定發(fā)電流量的1/3倍對(duì)應(yīng)尾水位曲線中的水位值，m。

1.2.2?蓄能范圍影響因素分析

年內(nèi)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)（如年末、汛初等）的梯級(jí)水電站合理蓄能范圍確定需要綜合考慮水電站特性和電網(wǎng)調(diào)度等影響因素，從棄水、調(diào)峰、電量等角度進(jìn)行分析，以保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，并滿足發(fā)電企業(yè)效益目標(biāo)。

（1）棄水控制。汛期水電站天然來水集中，為充分利用水資源，電網(wǎng)通常優(yōu)先安排水電站發(fā)電，在水電較多的區(qū)域，部分水電站甚至承擔(dān)基荷，因此水電站應(yīng)在保障安全的前提下滿發(fā)多發(fā)、減少棄水。由于汛期梯級(jí)蓄能控制將直接對(duì)棄水概率產(chǎn)生影響，因此采用水電站長系列徑流資料，綜合考慮水電站特性、電網(wǎng)調(diào)度等多種因素，計(jì)算汛初不同梯級(jí)蓄能下水電站的棄水，以棄水可控為目標(biāo)確定汛初梯級(jí)合理蓄能范圍。

（2）調(diào)峰控制?？萜谒娬驹陔娏ο到y(tǒng)中的主要作用是提供調(diào)峰負(fù)荷，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，此階段水電站水位應(yīng)逐步消落，為電網(wǎng)提供必要的調(diào)峰電量，同時(shí)需在汛前消落到汛限水位以迎接汛期洪水，保障水電站安全?？萜趤硭鄬?duì)較少，汛枯交替期水位高低將直接影響整個(gè)枯期水電站的調(diào)峰電量水平，綜合考慮負(fù)荷需求、電源構(gòu)成、水電發(fā)電能力等多個(gè)因素，分析汛枯交替期不同梯級(jí)蓄能下的調(diào)峰風(fēng)險(xiǎn)，并結(jié)合電網(wǎng)的調(diào)峰控制要求確定汛枯交替期梯級(jí)蓄能合理范圍。

（3）電量控制。從全年調(diào)度運(yùn)行的角度來看，水電站必須根據(jù)預(yù)測來水情況編制年發(fā)電計(jì)劃，確定年度電量目標(biāo)。電量目標(biāo)一方面影響水電站的效益，另一方面也影響著電網(wǎng)的電量平衡。由于來水的不確定性，以及實(shí)際運(yùn)行中調(diào)度相關(guān)因素的未知性，因此水電站存在電量目標(biāo)無法完成的風(fēng)險(xiǎn)。除天然來水外，年末水電站蓄能對(duì)來年發(fā)電量的影響突出，綜合考慮天然來水、水電站特性等因素，分析年末不同梯級(jí)蓄能下的電量風(fēng)險(xiǎn)，并結(jié)合梯級(jí)水電站電量計(jì)劃目標(biāo)確定年末梯級(jí)合理蓄能范圍。

1.2.3?梯級(jí)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)蓄能范圍

（1）汛初（4月末）合理蓄能范圍。以滿足汛初騰庫迎汛需求，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和線路檢修、預(yù)試需求，汛期氣候趨勢預(yù)測，檢修與工程配合需求等為基本原則，結(jié)合烏江多年調(diào)度實(shí)際情況確定汛初梯級(jí)水電站一般水位范圍，并計(jì)算其對(duì)應(yīng)蓄能范圍，其中主要水電站洪家渡水位范圍為1 087～1 090 m，東風(fēng)為950～952 m，烏江渡為741～745 m，構(gòu)皮灘為598～600 m;而后在不同頻率來水和不同汛初蓄能條件下，從梯級(jí)和全網(wǎng)發(fā)電情況、調(diào)峰情況、洪家渡主汛期5～8月蓄水情況三個(gè)方面進(jìn)行分析，得出汛初烏江梯級(jí)蓄能消落的合理范圍為19～31億kW·h。

（2）年末（12月末）合理蓄能范圍。以貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司年度發(fā)電計(jì)劃、中國華電集團(tuán)有限公司對(duì)烏江梯級(jí)發(fā)電計(jì)劃調(diào)整和年末蓄能計(jì)劃的指導(dǎo)意見、電網(wǎng)“迎峰度冬”需求、貴州電力市場規(guī)則等為基本原則，結(jié)合烏江梯級(jí)多年調(diào)度實(shí)際情況確定年末梯級(jí)水電站一般水位范圍，并計(jì)算其對(duì)應(yīng)蓄能范圍，其中主要水電站洪家渡水位范圍為1 082～1 109 m，東風(fēng)為965～968 m，烏江渡為755～758 m，構(gòu)皮灘為625～628 m;而后在不同頻率來水和不同年末蓄能條件下，從非汛期梯級(jí)和全網(wǎng)電量、調(diào)峰、火電發(fā)電份額等方面進(jìn)行分析，得出年末烏江梯級(jí)蓄能消落的合理范圍為50～70億kW·h。

1.3?梯級(jí)天然來水發(fā)電能力確定

1.3.1?梯級(jí)天然來水發(fā)電能力計(jì)算原理

梯級(jí)蓄能控制圖的繪制以梯級(jí)天然來水為依據(jù)，其發(fā)電能力計(jì)算方法為：

式中：E為梯級(jí)水電站多年平均天然來水發(fā)電能力，kW·h;Qi為水電站i壩址的多年平均天然來水流量，m3/s;ri為當(dāng)前梯級(jí)蓄能對(duì)應(yīng)水電站i水位下的耗水率，m3/（kW·h）;t為時(shí)間，h。

1.3.2?梯級(jí)典型天然來水系列發(fā)電能力計(jì)算

中長期流域預(yù)報(bào)水量通常以多年平均年內(nèi)徑流規(guī)律進(jìn)行逐月分配，綜合考慮來水頻率、電網(wǎng)消納能力等因素，選取烏江梯級(jí)多年平均天然來水量及其偏豐、偏枯2成水量作為典型來水系列進(jìn)行發(fā)電能力計(jì)算。烏江梯級(jí)水電站壩址逐月多年平均天然來水量見表1。根據(jù)式（2），在年初蓄能分別為50億kW·h和70億kW·h兩種條件下計(jì)算烏江梯級(jí)各月典型天然來水系列發(fā)電能力，結(jié)果見表2。

1.4?蓄能控制圖分區(qū)及上下線繪制

由烏江梯級(jí)發(fā)電運(yùn)行規(guī)則，可將全年分為3個(gè)區(qū)域：蓄能消落區(qū)（11月—次年4月）、蓄能上漲區(qū)（5—8月）、蓄能調(diào)整區(qū)（9—10月）。根據(jù)烏江梯級(jí)水電站發(fā)電運(yùn)行規(guī)則和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)烏江梯級(jí)合理蓄能范圍，結(jié)合烏江梯級(jí)典型天然來水系列發(fā)電能力，由能量平衡原理確定各月末梯級(jí)正常蓄能區(qū)。根據(jù)不同時(shí)期的梯級(jí)發(fā)電運(yùn)行規(guī)則，取年內(nèi)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)的梯級(jí)合理蓄能上限，由能量平衡原理計(jì)算典型天然來水系列對(duì)應(yīng)各月末梯級(jí)蓄能上限值，連接上限值形成梯級(jí)正常蓄能區(qū)上線。根據(jù)不同時(shí)期的梯級(jí)發(fā)電運(yùn)行規(guī)則，取年內(nèi)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)的梯級(jí)合理蓄能下限，由能量平衡原理計(jì)算典型天然來水系列對(duì)應(yīng)各月末梯級(jí)蓄能下限值，連接下限值形成梯級(jí)正常蓄能區(qū)下線。梯級(jí)正常蓄能區(qū)以上區(qū)域?yàn)榻档托钅軈^(qū)，以下區(qū)域?yàn)樵龃笮钅軈^(qū)。梯級(jí)正常蓄能區(qū)上下線值見表3，烏江梯級(jí)蓄能控制圖如圖1所示。

2?梯級(jí)水電站蓄能控制圖應(yīng)用規(guī)則

梯級(jí)水電站蓄能控制圖可作為蓄能控制約束用于調(diào)度計(jì)劃的編制。從烏江梯級(jí)蓄能控制圖中可以看出，控制圖被分為降低蓄能區(qū)、正常蓄能區(qū)和增大蓄能區(qū);正常蓄能區(qū)按照枯期1—4月、汛期5—8月、汛末和枯期9—12月分為蓄能消落區(qū)、蓄能上漲區(qū)和蓄能調(diào)整區(qū)。

2.1?正常蓄能區(qū)

枯期1—4月（蓄能消落區(qū)）：該時(shí)段內(nèi)梯級(jí)蓄能應(yīng)朝著汛初目標(biāo)蓄能值消落，梯級(jí)水庫應(yīng)發(fā)電量包括天然來水發(fā)電能力和蓄能正常消落部分。

汛期5—8月（蓄能上漲區(qū)）：該時(shí)段洪家渡水庫一般停機(jī)蓄水，下游水庫按照天然來水發(fā)電，梯級(jí)蓄能被動(dòng)上漲。梯級(jí)水庫應(yīng)發(fā)電量為下游各水庫天然來水發(fā)電能力與最大發(fā)電能力二者較小值。

汛末及枯期9—12月（蓄能調(diào)整區(qū)）：該時(shí)段內(nèi)洪家渡水庫開始向下游進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，下游各水庫逐步抬升庫水位，各水庫朝著目標(biāo)蓄能調(diào)整自身水位。

2.2?降低蓄能區(qū)

若蓄能在降低蓄能區(qū)，則應(yīng)適當(dāng)加大出力，增加發(fā)電量使蓄能回到正常蓄能區(qū)。其中：枯期梯級(jí)自上而下消落水位，應(yīng)優(yōu)先加大上游水電站出力;汛期梯級(jí)先蓄下游后蓄上游，也應(yīng)優(yōu)先加大上游水電站出力。

2.3?增大蓄能區(qū)

若蓄能在增大蓄能區(qū)，則應(yīng)適當(dāng)降低出力，減小發(fā)電量使蓄能回到正常蓄能區(qū)。其中：枯期梯級(jí)自上而下消落水位，應(yīng)優(yōu)先減小上游水電站出力;汛期梯級(jí)先蓄下游后蓄上游，也應(yīng)優(yōu)先減小上游水電站出力。

3?實(shí)例分析

梯級(jí)蓄能控制圖可用于中長期發(fā)電計(jì)劃的輔助編制及調(diào)整，以某年烏江梯級(jí)年度發(fā)電計(jì)劃編制為例進(jìn)行說明。根據(jù)徑流預(yù)測結(jié)果，烏江各水電站預(yù)測徑流量見表4，各水電站年初水位見表5。

以梯級(jí)各水電站年初水位計(jì)算梯級(jí)年初蓄能為57億kW·h，屬于合理蓄能范圍。1—4月調(diào)度計(jì)劃，根據(jù)來水情況和蓄能控制圖，設(shè)置4月末日調(diào)節(jié)及以上水電站水位消落到汛初水電站一般水位范圍，計(jì)算蓄能為19億kW·h，而后按日調(diào)節(jié)及以上水電站按控制末水位方式均勻消落，計(jì)算各水電站月末蓄能，并根據(jù)梯級(jí)總蓄能在蓄能控制圖中的位置進(jìn)行水位調(diào)整;5—8月調(diào)度計(jì)劃，洪家渡水電站停機(jī)蓄水，其余各水電站控制當(dāng)前水位不變，根據(jù)來水發(fā)電，若水電站出現(xiàn)棄水，除洪家渡外優(yōu)先調(diào)整水電站出力，滿發(fā)后仍有棄水則調(diào)整控制水位重新計(jì)算，保持梯級(jí)總蓄能位于正常蓄能區(qū);9—12月調(diào)度計(jì)劃，根據(jù)9月梯級(jí)總蓄能在蓄能控制圖中的位置以及年末蓄能預(yù)期，對(duì)洪家渡水電站的水位進(jìn)行均勻消落調(diào)整，保持其他水電站逐步調(diào)整至年末梯級(jí)水電站一般水位范圍，水電站采用控制月末水位方式調(diào)度。烏江梯級(jí)年度發(fā)電計(jì)劃主要參數(shù)見表6，洪家渡、東風(fēng)、烏江渡、構(gòu)皮灘水電站水位、電量過程如圖2～圖5所示。

從圖2～圖5及表6可以看出，梯級(jí)主要水庫水位過程、發(fā)電過程合理，符合水電站發(fā)電運(yùn)行規(guī)則，梯級(jí)月末總蓄能在正常蓄能區(qū)上下線之間，蓄能消落均勻，蓄能調(diào)整滿足預(yù)期。從梯級(jí)總發(fā)電量來看，烏江近3 a年均實(shí)際發(fā)電量286億kW·h，計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際，同時(shí)梯級(jí)日均發(fā)電量汛期集中、枯期較少，符合電網(wǎng)消納的一般規(guī)律，年度發(fā)電計(jì)劃能夠滿足生產(chǎn)實(shí)際需求，且發(fā)電計(jì)劃編制過程簡單、實(shí)用。

4?結(jié)?論

傳統(tǒng)水庫調(diào)度圖通常采用長系列法進(jìn)行繪制，對(duì)水電站實(shí)際運(yùn)行中的棄水、調(diào)峰、電量控制因素考慮較少，而梯級(jí)蓄能控制圖從關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)梯級(jí)合理蓄能范圍入手，能夠直觀展示梯級(jí)水電站之間的聯(lián)系，可方便地應(yīng)用于梯級(jí)水電站中長期發(fā)電計(jì)劃的編制工作中。在水電站的實(shí)際運(yùn)行過程中，還可隨時(shí)根據(jù)梯級(jí)的蓄能狀況對(duì)中短期發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，使梯級(jí)蓄能保持在合理的區(qū)間范圍內(nèi)，以減少天然來水、電網(wǎng)負(fù)荷需求等不確定因素對(duì)水電站調(diào)度的影響，降低調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)，使水電站在保障電網(wǎng)調(diào)度要求的同時(shí)能夠經(jīng)濟(jì)、高效地運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]?郭壯志，吳杰康，孔繁鎳，等.梯級(jí)水電站水庫蓄能利用最大化的長期優(yōu)化調(diào)度[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（1）：20-26.

[2]?牛文靜，武新宇，馮仲愷，等.梯級(jí)水電站群蓄能控制優(yōu)化調(diào)度方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017，37（11）：3139-3147.

[3]?曾勇紅，姜鐵兵，張勇傳.三峽梯級(jí)水電站蓄能最大長期優(yōu)化調(diào)度模型及分解算法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（10）：5-8.

[4]?艾顯仁.云南瀾滄江中下游梯級(jí)水電站群蓄能調(diào)度研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2015：21-51.

[5]?郭有安，王昱倩.關(guān)鍵水位控制技術(shù)在瀾滄江中下游梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用[J].水力發(fā)電，2018，44（6）：80-82.

[6]?季昌明，蔣志強(qiáng)，孫平，等.基于判別式法及逐步優(yōu)化算法的梯級(jí)蓄能調(diào)度圖研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2014，33（3）：118-125.

[7]?劉攀，郭生練，郭富強(qiáng)，等.清江梯級(jí)水庫聯(lián)合調(diào)度圖研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，36（7）：63-66.

[8]?李銀銀，周建中，張世欽，等.雅礱江-金沙江-長江梯級(jí)水電站群聯(lián)合調(diào)度圖研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2016，35（4）：32-40.

[9]?楊鳳英.梯級(jí)水電站群優(yōu)化調(diào)度圖研究及應(yīng)用[D].大連：大連理工大學(xué)，2009：50-71.

[10]?王旭，龐金城，雷曉輝，等.水庫調(diào)度圖優(yōu)化方法研究評(píng)述[J].南水北調(diào)與水利科技，2010，8（5）：71-75.

[11]?程春田，申建建，武新宇，等.大規(guī)模復(fù)雜水電優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)用化求解策略及方法[J].水利學(xué)報(bào)，2012，43（7）：785-795.

[12]?馬黎，冶運(yùn)濤.梯級(jí)水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度算法研究綜述[J].人民黃河，2015，37（9）：126-132.

[13]?李小芹，李延頻，趙夢蝶，等.梯級(jí)水庫群發(fā)電優(yōu)化調(diào)度評(píng)述[J].人民黃河，2008，30（4）：78-80.

[14]?黃草，王忠靜，李書飛，等.長江上游水庫群多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型及應(yīng)用研究Ⅰ：模型原理及求解[J].水利學(xué)報(bào)，2014，45（9）：1009-1018.

[15]?盧有麟，周建中，王浩，等.三峽梯級(jí)樞紐多目標(biāo)生態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型及其求解方法[J].水科學(xué)進(jìn)展，2011，22（6）：780-788.

【責(zé)任編輯?崔瀟菡】