徐 濤，杜成銳，王金龍，黃山松，王麗莉，王穹躍

(國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

停機避峰是指徑流式或調(diào)節(jié)能力弱的水電站由于河道洪水流量大、水質(zhì)差，不滿足安全發(fā)電要求，為避開洪峰采取閘門全開、機組停運的防洪措施。受季風氣候影響，四川地區(qū)在汛期多持續(xù)性暴雨，易發(fā)生山洪、泥石流和洪水等災害，導致無調(diào)節(jié)或日調(diào)節(jié)等調(diào)節(jié)能力弱的水電站經(jīng)常采取停機避峰措施，造成電力系統(tǒng)出力減少。四川電網(wǎng)水電裝機規(guī)模大、比例高，同一流域內(nèi)水電站群水力電力聯(lián)系密切，當遭遇全流域洪水時，將發(fā)生流域性停機避峰，系統(tǒng)出力大規(guī)模減少，造成電力系統(tǒng)電力供應失衡，威脅電網(wǎng)安全[1-2]。

因此，分析水電站停機避峰發(fā)生條件，科學開展停機避峰預測預警，對實現(xiàn)電網(wǎng)安全調(diào)度具有重要意義。下面在研究停機避峰特性和發(fā)生條件的基礎上，設計了大規(guī)模水電集群停機避峰管理系統(tǒng)，以期減輕停機避峰對四川電網(wǎng)的影響。

1 停機避峰原因及對電網(wǎng)的影響

1.1 停機避峰原因分析

強降雨對地表強烈的擾動，使匯入河道的水流中泥沙含量大幅增加。當暴雨形成洪水時，河道中裹挾的大量泥沙以及泥石流帶來的大量推移質(zhì)、懸移質(zhì)、斷枝和其他雜質(zhì)，造成河道水質(zhì)差[3-4]。遇河道水質(zhì)差時，徑流式或日調(diào)節(jié)電站一般采取沖沙(庫容蓄水水位達到一定高度后，提起對應沖沙閘門放水，利用泄流沖擊進水閘門及庫區(qū)內(nèi)淤積的泥沙)、反沖(水庫蓄水后全開閘門，利用泄流反向沖擊取水口攔污柵淤塞物)和停機避峰等措施。相對于沖沙、反沖而言，停機避峰是一種被動的防御操作，可減少洪水、泥沙和水中雜質(zhì)對電站的影響。

除洪水流量大影響水電站安全運行需泄洪外，洪水引發(fā)水電站停機避峰的原因一般可分為泥沙(懸移質(zhì)、推移質(zhì))影響、雜質(zhì)(斷枝、垃圾等)影響和水頭受阻。

1.1.1 泥沙引發(fā)停機避峰

泥沙的影響可以分為對機組磨蝕(懸移質(zhì))的影響、對建筑物沖蝕(懸移質(zhì)、推移質(zhì)共同作用)的影響以及對庫區(qū)淤積(懸移質(zhì)、推移質(zhì)共同作用)的影響。

1)機組磨蝕

機組磨蝕主要是指在汽蝕和泥沙磨損的共同影響下對水輪機過流部件的破壞[5]。清水以汽蝕破壞為主；水質(zhì)差時以泥沙磨蝕為主，特別是高速含沙水流，在沖擊過流部件表面時，所生成的高溫高壓導致金屬保護膜破壞，在進一步?jīng)_擊下金屬表面細微顆粒逐步脫落，形成溝槽、波紋及魚鱗坑。磨蝕對水輪機的破壞與含沙濃度、成分、大小、硬度、形狀、流速等有關，減少或消除泥沙可減輕破壞。

山區(qū)河流徑流式水電站水輪機磨蝕更為嚴重。洪水時急劇增加的水中泥沙也會加劇水輪機及各過流斷面的磨蝕。

2)水工建筑物沖蝕

含沙洪水由于流速快加之推移質(zhì)和懸移質(zhì)對建筑物表面的碰撞、沖擊，常增加水工建筑物過水表面的沖蝕破壞，特別是對護坦、取水口邊墻、引水隧洞、閘墩、導墻的破壞尤為顯著，常形成沖坑，造成露筋。

3)庫區(qū)淤積

含沙洪水在流經(jīng)庫區(qū)時，受閘門、閘墩等擋水建筑物的影響，流速相對減緩，造成水流中的懸移質(zhì)、推移質(zhì)在庫區(qū)淤積，嚴重減少有效庫容。

1.1.2 雜質(zhì)引發(fā)停機避峰

洪水中裹挾的斷枝、塑料袋等生活垃圾，常被水流沖擊后卡在取水口攔污柵柵片內(nèi)，造成過流不暢，流速減緩。推移質(zhì)和懸移質(zhì)在攔污柵前沉積，進一步加劇攔污柵淤塞，淤塞導致攔污柵兩側(cè)水位差(下面簡稱柵差)過大，取水困難，影響機組運行水頭。所以在水中泥沙和雜質(zhì)過多時，機組需停機甚至采取反沖措施來減少柵差。此類事件在岷江上游流域的水電站中較為常見。

1.1.3 水頭受阻引發(fā)停機避峰

持續(xù)性暴雨引發(fā)的洪水整體抬高了河道水位，可能造成尾水水位過高。對于一些低水頭徑流式水電站，當上、下游水位差小于水輪機最小發(fā)電水頭，即水頭受阻時，水電站被迫停機。此類事件多見于嘉陵江流域的徑流式水電站。

1.2 停機避峰對電網(wǎng)調(diào)度的影響

停機避峰主要由短時集中降雨引發(fā)，與降雨強度、降雨區(qū)域形成的洪水規(guī)模、水質(zhì)情況等因素密切相關，具有明顯的突發(fā)性及流域一致性。停機避峰會導致短期內(nèi)水電站群可調(diào)出力大幅下降，對電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定沖擊較大，將直接影響電網(wǎng)的電力調(diào)度計劃執(zhí)行，限制電站的供電能力，嚴重時將造成電網(wǎng)供電能力失衡。停機避峰對電網(wǎng)的影響主要體現(xiàn)在電力和電量兩方面：

1)對電力的影響

四川地區(qū)在汛期發(fā)生過停機避峰的電站約占四川電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)水電站總數(shù)量的57%。以2020年為例，入汛后自6月下旬開始出現(xiàn)停機避峰，單日最大停機避峰容量出現(xiàn)在8月18日，約占當日四川地區(qū)最大負荷的28%。停機避峰受降雨影響，但不同降雨強度、降雨區(qū)域形成的洪水規(guī)模、水質(zhì)情況不盡相同，其發(fā)生呈突發(fā)性，最終是否造成水電站停機避峰的預測難度高。區(qū)域降雨多導致河流、支流規(guī)模性停機避峰?？焖佟⒋笠?guī)模的水電站出力減少，對電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定沖擊較大。

2)對電量的影響

水電站停機避峰時長受洪水和水質(zhì)變化影響，時間一般在6～36 h，但短時可在2 h后恢復，長時也可持續(xù)2～3日。停機避峰直接造成水電站發(fā)電量減少，影響地區(qū)清潔能源消納，例如，2020年8月18日四川電網(wǎng)因停機避峰引起的電量損失高達80 GWh。

2 四川地區(qū)水電站停機避峰分布特征及發(fā)生條件

停機避峰目的是為有效降低含沙洪水對徑流式水電站的危害，因此停機避峰分布與區(qū)域降雨的時空分布關系密切。下面以四川地區(qū)2020年為例分析停機避峰分布特征。

2.1 時間分布特征

四川地區(qū)2020年主要降雨分布情況見表1，單日水電停機避峰容量如圖1所示。

圖1 2020年汛期單日水電停機避峰容量

從時間尺度上看，停機避峰發(fā)生于主汛期6月下旬至9月下旬，集中于8月中下旬，停機避峰時間與幾次較大范圍暴雨天氣過程時間一致。受7月14日—16日前期降雨影響，7月18日四川電網(wǎng)停機避峰電站的數(shù)量出現(xiàn)一輪小高峰；8月13日至8月末，接連4輪強降雨導致8月停機避峰電站的數(shù)量逐漸攀高，至8月18日達101座水電站。

2.2 流域分布特征

2020年四川省年降水量及暴雨天氣最大日降水量分布如圖2和圖3所示。

圖2 2020年四川省年降水量分布(來自四川省氣象局)

圖3 2020年四川暴雨天氣最大日降水量分布(來自四川省氣象局)

從空間尺度上看，停機避峰主要發(fā)生在青衣江、岷江、嘉陵江、涪江和大渡河流域，最大日停機避峰裝機容量超1000 MW。雅礱江和金沙江流域的停機數(shù)量較少；岷江上游、青衣江、大渡河支流(磨西河、南椏河、尼日河)、嘉陵江干流及支流(白水河、涪江)等流域，其上下游徑流式電站呈流域性、規(guī)模性的停機避峰狀態(tài)。空間分布規(guī)律與2020年四川省降水量分布和暴雨最大日降水量分布較為接近。

2.3 水電站特征

從易發(fā)生停機避峰的電站來看，主要存在以下特征：

1)停機避峰為調(diào)節(jié)能力弱的水電站，多為日調(diào)節(jié)或無調(diào)節(jié)能力電站；其無調(diào)蓄能力或調(diào)蓄能力差。

2)下游水頭較低的水電站，如嘉陵江流域下游設計水頭為5～17 m，漲水后河道整體水位抬高或超過正常尾水位，水頭降低后不滿足發(fā)電要求。

3)裝機容量多小于400 MW，為小1型、中型水電站；除東西關、鳳儀、青居、上石盤、玉津等水電站，大部分水電站有效庫容量小，大多小于2×106m3。

4)正常蓄水位與死水位差值小于16 m，大多為3～5 m。

5)水電站柵差多為1～3 m。

2.4 停機避峰發(fā)生條件

分析清楚停機避峰的原因和分布特征后，可以找出水電站采取停機避峰的條件，來預測區(qū)域內(nèi)電站是否會發(fā)生停機避峰，并研判停機避峰對電網(wǎng)的影響。根據(jù)電站防洪度汛設計及實際運行停機避峰經(jīng)驗，停機避峰發(fā)生條件大致可分為流量條件、水質(zhì)條件、上下游運行條件、山洪及地質(zhì)災害等其他條件。

1)流量條件即停機避峰流量限值，當達到或超過此限值，水電站將按照規(guī)程、防汛方案要求進行停機避峰操作。流量限值主要由各水電站根據(jù)實際運行工程中河道來水避峰經(jīng)驗設定，或選用設計洪水流量值。四川電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)水電站約77%的水電站有明確流量限值條件。可量化的流量限值是判斷水電站是否采取停機避峰最直接和準確的方法。水電站停機避峰流量限值大多為長期運行經(jīng)驗值，較為穩(wěn)定；但受河床嚴重沖淤等因素影響，該流量限值為一個動態(tài)值，隨時間推移會做出調(diào)整。部分典型流域停機避峰流量范圍見表2。有部分水電站會在流量達到限值時增加水質(zhì)因素來共同判斷。

2)由于水中漂浮物、含沙石等嚴重影響水電站技術供水系統(tǒng)運行并造成轉(zhuǎn)輪等過水部件磨蝕，所以除大型水庫外，其他水電站運行時均對水質(zhì)提出了要求。停機避峰的水質(zhì)條件判斷方式較多，分為非數(shù)值類判斷條件和數(shù)值類判斷條件，主要有河道水質(zhì)差、水渾濁、漂浮物多以及攔污柵柵差(部分攔污柵柵差要求見表2)、水質(zhì)濁度、機組技術供水系統(tǒng)壓力值、含沙量等。

表2 部分典型流域停機避峰條件范圍

含沙量及水質(zhì)濁度是可直接量化的水質(zhì)指標。但含沙量的數(shù)據(jù)采集需經(jīng)專業(yè)水文站利用纜道分段取樣、烘干、稱重測量，流程較長、速度慢、時效性差，且多數(shù)水電站無專業(yè)水文站。水質(zhì)濁度可直接由濁度儀測量獲取實時數(shù)據(jù)，如文獻[6]采取一種基于 90°散射光測量原理的濁度儀，在映秀灣水電站建立了泥沙濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過泥沙濃度與濁度相關性率定后，可獲得重復性好、準確度高、能較好反映水域泥沙濃度的變化趨勢，能及時反映監(jiān)測水域發(fā)電水體的泥沙變化情況，指導水電站發(fā)電和停機避峰工作；但濁度儀測量前需建立與含沙量的對應關系，且需經(jīng)常保養(yǎng)維護以免測量數(shù)據(jù)誤差過大。攔污柵柵差也可作為間接判斷水質(zhì)的數(shù)值方式，但也存在易受漂浮物等的影響，不能完整反映水質(zhì)情況。

3)受區(qū)域強降雨影響，停機避峰還存在流域性，即上游水電站出現(xiàn)停機避峰或沖沙、反沖等操作，能間接反映水質(zhì)情況還會直接影響河道水質(zhì)，這時下游水電站會同時進行停機避峰或沖沙操作。因此將上游水電站停機避峰作為下游水電站停機避峰的一個條件。同時也可利用流域核心水電站停機避峰情況來判斷其上下游水電站是否進行停機避峰操作。

4)各水電站具體環(huán)境不同，也會形成其他停機避峰條件，如區(qū)間強降雨，周邊泥石流、滑坡、河道淤塞，尾水位異常升高等。水電站周邊發(fā)生的山洪、泥石流也易造成取水口、尾水淤塞，直接影響水電站安全取水、用水。另外，水電站受災導致長期停機不在討論范圍。

3 大規(guī)模水電集群停機避峰管理系統(tǒng)

停機避峰是一種被動的防御措施，其發(fā)生時間和持續(xù)時間不受人為控制，主要受降雨和來水影響。而不同區(qū)域由于地形、河道、植被、沖溝、地面侵蝕程度等因素不同，形成洪水流量、水位、含沙量、雜質(zhì)含量、歷時都不同，造成的停機避峰范圍和影響時間也不同，給停機避峰的預測和管理帶來較大挑戰(zhàn)[7]。

提前掌握四川地區(qū)水電站停機避峰及恢復開機情況，做好預判、預測、預警，優(yōu)化電力調(diào)度，加大水能消納。減少因停機避峰產(chǎn)生棄水是停機避峰調(diào)度的主要目標。

為有效提升電網(wǎng)應急能力，加強短期停機避峰管理，為極端天氣下電網(wǎng)安全評估提供技術支撐，建立了探索預測、跟蹤和統(tǒng)計水電廠停機避峰清淤容量機制，設計了大規(guī)模水電集群停機避峰管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對四川地區(qū)水電站停機避峰統(tǒng)一管理。

3.1 停機避峰預測方法

由于停機避峰受降雨及外部環(huán)境因素影響較多，且最終由各水電站獨自研判并執(zhí)行停機避峰操作，現(xiàn)階段可行的預測方法是基于水電站自評估為基礎的多維校驗預測方法。該方法收集水電站上報未來三日預測停機避峰(或正常運行)狀態(tài)以及平均流量，將上報流量先與各水電站停機避峰流量限值進行校核，再與上報的停機避峰(或正常運行)狀態(tài)進行校核，同時可通過同一河流上下游的水力聯(lián)系進行人工校核。

3.2 停機避峰實時監(jiān)測

除預測外，當停機避峰發(fā)生時，快速準確地掌握停機避峰影響的裝機容量及其所在的流域和送出斷面，對判斷系統(tǒng)電力平衡、及時優(yōu)化電力調(diào)度、安排備用容量有重要指導意義。

停機避峰實時監(jiān)測根據(jù)停機避峰條件分析，主要基于監(jiān)測到的實時流量和水質(zhì)。流量包括測流斷面流量、上游出庫和區(qū)間流量、發(fā)電和出庫反推流量。水質(zhì)包括濁度、含沙量、柵差等可量化指標以及水質(zhì)感官情況。此外降雨量的監(jiān)測也可作用輔助依據(jù)。

目前，在實際工作中采用水電站實時停機避峰狀態(tài)填報輔以水電站出力、入庫流量的方式實現(xiàn)快速、綜合判定停機避峰情況。

隨著后期濁度、柵差等可量化、可獲得數(shù)據(jù)源的豐富，基于大數(shù)據(jù)的積累，各水電站針對水質(zhì)的判斷指標將逐漸建立，有助于更加準確地指導停機避峰和對應影響裝機容量規(guī)模的判斷。

3.3 停機避峰分級預警

考慮到停機避峰的不同容量規(guī)模和可能的影響時長對電力系統(tǒng)的沖擊也不同，結合電網(wǎng)、水電站防汛應急管理需求，應考慮對大規(guī)模停機避峰按照流域、送出斷面對系統(tǒng)的影響及采取的措施進行分級、分層預警。

3.4 管理系統(tǒng)基本構架

所設計的大規(guī)模水電集群停機避峰管理系統(tǒng)功能如圖4所示，包含實時監(jiān)測、預測監(jiān)測、統(tǒng)計分析、評價考核、水電站基礎信息。

圖4 系統(tǒng)功能

1)實時監(jiān)測功能，其核心功能是在分析引起停機避峰條件的基礎上，對停機避峰后出力、水質(zhì)、流量參數(shù)的變化進行識別，并進行綜合判定，避免錯報、漏報以及數(shù)據(jù)錯誤、遺漏等影響，該模塊主要功能如圖5所示。通過建立四川地區(qū)各大流域水電站分布圖(如圖6所示)，可直觀顯示停機避峰流域發(fā)生情況，便于準確掌握停機避峰情況，實時監(jiān)測日內(nèi)各時段停機避峰容量。

圖5 實時監(jiān)測功能模塊

圖6 主要流域停機避峰實時監(jiān)測

2)預測監(jiān)測功能，采集水電站上報未來三日停機避峰和流量預測情況。

3)統(tǒng)計分析功能，可根據(jù)網(wǎng)架結構和區(qū)域管理需要，按主要輸電斷面和流域分別統(tǒng)計逐日停機避峰容量；也可提供各水電站出力、流量、狀態(tài)、預測、開停機時間、流域斷面等信息，為準確分析水電站停機避峰提供數(shù)據(jù)。

4)評價考核功能，通過對比流量等綜合研判結果與水電站上報實際狀態(tài)，分析上報的及時性和準確性，督促各水電站按要求開展工作。

5)水電站基礎信息，包括水電站運維管理單位、所在流域、裝機容量、設計洪水流量、停機避峰流量、水質(zhì)條件以及上下游停機避峰條件等信息。

4 結 論

四川省作為水電大省，水電裝機容量達80 GW，水電站群水力電力聯(lián)系密切。為減輕大規(guī)模水電站停機避峰對電網(wǎng)的影響，在分析了四川地區(qū)水電站停機避峰的主要原因及分布特征后，上面提出了停機避峰監(jiān)測與預測可行方法，并設計了大規(guī)模水電集群停機避峰管理系統(tǒng)。在四川電網(wǎng)的實際應用表明，該系統(tǒng)提高了電網(wǎng)調(diào)度機構對停機避峰情況實時掌控能力，有力地保障了四川電網(wǎng)汛期安全穩(wěn)定運行。

但受限于專用監(jiān)測設備數(shù)量較少，缺乏對水質(zhì)等數(shù)據(jù)的獲取和積累，停機避峰預測主要停留在流量監(jiān)測和人工判斷階段。此外，流量數(shù)據(jù)對水電站人工填報的依賴性較高，其可靠性有待加強。加強對降雨、流量、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取與積累，建立更精準的預測模型進一步提高停機避峰預警的準確性和預見性，將是未來電網(wǎng)應對大規(guī)模停機避峰的研究重點。