梯级小水电站优化调度关键因素的筛选

蒋燕, 李胜, 陈清

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节水灌溉
中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (8) : 162-165,172.
水电建设

梯级小水电站优化调度关键因素的筛选

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Selection of the Key Factors for the Optimal Operation of Cascade Small Hydropower Stations

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摘要

云南省小水电资源丰富，其中梯级小水电站在整个小水电发电量中比重较大，这些梯级小水电站都是日调节水电站，在流域梯级水库优化调度方面与常见的由较大调节能力龙头电站控制的梯级水电站存在明显差异，难以采用传统梯级水电站的算法模型实现水库的优化调度。针对这一问题，在日调节梯级水电站优化调度研究背景的基础上，讨论了多要素梯级调度图的一般绘制步骤，并分析了步骤的关键环节。然后，围绕小水电站优化调度关键因素筛选这一关键环节，进一步对相关因素进行描述。在优化调度分析过程的基础上，以位于云南省金平县的金水河三级小水电站为例，深入讨论了日调节水电站调度关键因素的筛选方法，并通过水头水量效益对比验证了方法的有效性。

Abstract

Yunnan Province is rich in small hydropower resources， among which cascade small hydropower stations account for a large proportion of the whole small hydropower generation. These cascade small hydropower stations are daily regulating hydropower stations. There are obvious differences between the optimal operation of cascade reservoirs in the basin and the common cascade hydropower stations controlled by large regulating capacity leading hydropower stations. It is difficult to use the algorithm and model of traditional cascade hydropower stations to realize the optimization of reservoirs. Aiming at this problem， based on the research background of optimal operation of daily regulation cascade hydropower stations， the general drawing steps of multi factor cascade dispatching diagram is discussed， and the key of the steps is analyzed. Around the key factor screening of small hydropower station optimal operation， the related factors are further described. Based on the analysis process of optimal operation， taking Jinshuihe three-stage small hydropower station located in Jinping County of Yunnan Province as an example， the selection method of key factors for daily regulation hydropower station operation is discussed in depth， and the effectiveness of the method is verified by the comparison of water head and water amount benefits.

关键词

梯级电站 / 小水电 / 优化调度 / 关键因素 / 调度图

Key words

cascade hydropower station / small hydropower / optimal operation / key factor / operation chart

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蒋燕 , 李胜 , 陈清. 梯级小水电站优化调度关键因素的筛选[J].中国农村水利水电, 2021(8): 162-165,172
Yan JIANG , Sheng LI , Qing CHEN. Selection of the Key Factors for the Optimal Operation of Cascade Small Hydropower Stations[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(8): 162-165,172
我国小水电资源丰富，蕴藏量为1.6 亿kW，技术可开发量为1.28 亿kW，年发电量可达5 350 亿kWh。然而，小水电群大多地处电网末端，远离负荷中心，且与大中型水电、风电、光伏电交织在一起，优化调度难度较大。
云南省作为我国西南部的水力资源大省，小水电技术可开发容量为12 045 MW，约占全国的1/10，位居四川、西藏之后排全国第3位。云南小水电分布在16个地州的125个县市，这些小水电具有装机容量小、数量众多、分布范围广、调度关系复杂、并网方式各异等特点，更增加了优化调度的难度。
小水电在不同地域电网有不同的界定，云南电网小水电专指装机容量小于2.5 万kW或并网电压等级为110 kV及以下由地区和县级供电局调度的常规能源电站，目前共有小水电站 1 800 座。在藤条江、新现河等河流上建有梯级电站550座，其发电量占所有小电发电量的35%。在这些梯级电站中，具有日调节能力的有70个。由于小水电站库容小、调节能力差等表面因素，梯级小水电站优化调度问题的研究长期被人们所忽视，从而失去了其潜在且可观的梯级衔接调度效益。事实上，对这些电站进行优化调度，可以进一步实现以发电效益最大化为目标的小水电资源开发利用，同时还可以通过水电资源优势解决当地用电问题，推动地区经济发展。

1 日调节梯级水电站优化调度的研究

水库优化调度是在常规水库调度工程中优化理论以及调度技术基础上发展起来的研究领域，而梯级水库联合优化调度是其中的重要研究内容。梯级水库是指一条河流中自上游到下游修建的一系列呈阶梯式的水库和水电站，是目前开发利用河流水能资源的一种重要方式。随着我国梯级水电能源的综合滚动开发，建有梯级水库的流域数目与梯级水库的级数都在不断增加，梯级水库联合优化调度问题的关注度也相应地日趋增加［1］［2］，而梯级水库因为受流域水文特征、水库工程特性、电网架构以及城镇用水特性等众多因素的影响，其联合优化调度也是水库调度学术和工程领域研究的热点和难点问题。
国外对梯级水库联合优化调度问题的研究最早始于20世纪70年代，国内始于20世纪80年代。目前，国内外的梯级水库联合优化调度研究均取得很大进展，调度方法侧重于动态规划、大系统分解协调及模拟技术等。
水电站按调节性能分为无调节、日调节、季调节、年调节和多年调节等类型，具有调节功能的梯级小水电站都具有日调节能力。日调节水电站是指水库容积可在一日之内对河流天然来水量进行调节使用的水电站，它的调节周期大体上为24 h。除洪水期外，河流天然来水量在一日之内几乎不变，但一日中的发电和其他用水变化较大，日调节是将用水较少时的多余水量储存在水库中供用水高峰时使用，以一日为调节周期，当兴利库容超过枯水日来水量的30%时即可进行日调节。
根据梯级水电站中各水电站的调节性能与组合方式，可以将梯级水电站群分为多种类型。常见的梯级水电站群类型可以概括为三种：“一库多级”式梯级水电站群、多个较大调节能力（多年调节、年调节、季调节等）水电站衔接而成的梯级水电站群与仅由一串低调节性能（日调节）水电站群组成的梯级水电站群。其中，由于梯级水电站体量、单个电站以及龙头电站的调节能力等影响，日调节梯级小水电站在调度需求方面与其余两种类型存在较大区别，主要表现在：
（1） 调度计算周期：根据日调节水电站的定义，其调节周期最多为24 h，考虑到小水电站调节库容的约束，因此梯级调度计算周期最优应为实时调度与短期调度，其中实时调度的时段长通常为15~30 min，更甚者达5 min，短期调度的时段长通常为1 h［3］。
（2） 梯级影响关系：由于日调节梯级小水电站中缺少较大调节性能的龙头水电站，因此其梯级间的影响关系更多表现为一种单向性。通常具有较大调节能力龙头电站的梯级水电站群，其站间发电调度是一种双向的补偿关系，即利用水电站的库容蓄放水来在一定时间跨度内调节出入库流量，梯级各电站均可以利用自身库容为上游或者下游电站进行水力补偿。但是小水电站的调节库容一般都小，其通过蓄放水为上下游调节水量的时间范围相应也短，更无法为上游电站蓄存其出库水量，因此其站间的发电调度是一种仅从上游影响至下游的单向的同步关系。
这些特性使得日调节梯级小水电站在流域梯级水库优化调度方面均与常见的由较大调节能力龙头电站控制的梯级水电站存在明显差异，因此在梯级优化调度模型构建与基本方法方面也需要另外分析。

2 水电站优化调度关键因素的筛选

日调节梯级小水电站具有单向性、同步性、短期性（相对于中长期，其模型需考虑的变量数目更多且具有不定性）的调度特征，以及在实际小水电站经营中，由于管理水平相对较低等多种问题，通常会导致调度研究资料缺乏，在此情况下若采用常规的基于大量数据分析基础与长系列历史水文资料的大型水电站联合优化模型会过于冗杂，且受资料约束可能难以获得最优解。水库调度图是水库调度规则及优化调度方法的图形表现形式，也是水库调度运行的重要指导工具［4］，由于其直观、简明的特点而在实际工作中得到广泛应用。绘制出一幅能表示梯级系统中各主要影响因子及其之间函数机理关系的调度图，可以使日调节梯级小水电站的优化调度查算更加迅速、简捷，还可以使构建的优化调度图更趋于通用性和复用性［5，6］。

2.1 多要素梯级调度图的绘制步骤

梯级水库联合调度图反映梯级水库整体在调度期内各时段的总出力情况，在绘制方面通常采用梯级各水库分调度图的形式表现各水库运行水位与梯级时段总出力之间的对应关系。常规是以单库水库调度图的调度线为基础绘制初始联合调度图，作为联合优化调度图的计算基础，结合梯级优化调度补偿模型确定各出力区间值及对应的水位范围，在使用时根据梯级各水库当前时段水位查询各水库分调度图，确定对应的梯级整体总出力值，在此基础上再根据梯级电站间的补偿调度关系对各水电站进行出力的分配，从而完成调度时段内的梯级水库联合优化调度计算。
单库水库调度图与梯级补偿调度计算是目前常用梯级水库联合调度图的绘制基础，但是考虑到日调节梯级小水电站没有单库水库调度图且梯级间为单向性、同步性的联系特征，需要采取其他形式来绘制梯级联合调度图。结合日调节梯级小水电站实际运行中的各项制约条件与影响因数，通常可以采用基于水文学原理的出力水位物理成因分析算法来绘制多要素梯级调度图作为日调节梯级联合优化调度方法［7，8］。在该方法中，需要综合考虑水电调度与水文循环中多种因素对梯级出力的影响，包含的因素较多，且递推计算所使用的各因素间的函数关系也较为复杂，需要用几个单一图形组成一个互有联系的组合图，来展示较为复杂的日调节梯级联合优化调度方法。所以在绘制多要素梯级调度图时，首先要确定计算的主要输入与输出变量，即明确日调节梯级联合调度图的绘制本质就是梯级电站出力计算问题，输出因素应为各级日调节水电站的调度出力值，从水头水量综合利用最大出发进行联合调度。然后根据具体需求确定中间过程展示的因素类型及个数。虽然调度图可以表现多个要素，但是考虑到平面象限数、应用便捷程度等因素，展示的要素一般控制在10个以内。需要综合考虑上下游电站的库容、水位、流量、出力等因数以及上下游电站的水力、电力联系，由此筛选出日调节水电站间的水力滞时、区间流量、水位、出力等主要影响因素作为多要素梯级调度图的计算因素。确定展示要素后分析各因素之间的物理机理联系，依据有物理成因概念的水文要素表达式，建立各因素与因素之间的映射关系以及对象与对象之间的传递关系，最终根据逐步递推获取输入量与输出量的相互关系，构建系统最优解的计算模型并进行求解，进而完成相应计算［9］。
在上述步骤中，小水电站优化调度关键因素的筛选既是基础步骤也是关键步骤，其主要工作是以日调节梯级小水电站的联合优化调度为核心，在物理成因分析的基础上，对水电站优化调度关键因素进行计算筛选。

2.2 优化调度关键因素的描述

在水电站机组出力公式N=KHQ中，K、H、Q三个因数，任何一个因数增大都会导致出力N增大，因此，若水电站要达到增加发电量的目标，就需要从综合出力系数K值、水头H与发电流量Q三个因数出发。其中，综合出力系数K值的理论提升范围约为10%，而实际运行中能够实现的提高方法目前仅有开展厂内经济运行这一途径，取得的收效还不确定，根据以往经验一般仅能将综合出力系数K值提升1%~2%；这项工作技能难度大，耗时耗力，但收效甚微，因此鲜有进行。发电流量Q除受机组出力的影响，还可以通过水电站调节库容实现对水电站发电流量Q的控制，即通过发电方式重复蓄放调节库容水量来增加发电流量Q，进而增加出力N。水头H则主要受水电站上下游水位影响。因此，小水电站优化调度关键因素主要是利用水头和利用水量两点［10］。
水电站若要达到增加发电量的优化调度目标，一般是采取提高水头或者利用水量的办法，即需要判断电站优化调度的关键因素是利用水头还是水量。对不同调节特性或工程特性的水电站，其利用水头和利用水量的潜力是不同的。
利用水量是指除满足电网需求和出入库水量平衡需求而产生的出力外，利用水电站水库调节库容，采用提前消落水位的方式将调节库容中的水量以通过水轮机组的方式进行发电利用，水量效益较高；但是提前消落水位会导致此后水电站运行水位偏低，运行水头偏小，会损失一定的水头效益。利用水头是指将水电站维持在高水位持续运行，水头效益较高；但由于调节库容没有足够空余空间，可能导致汛末或者洪水期末集中大量泄流，出现弃水现在，也会损失一定的水量效益。这两者之间存在此消彼长的制约关系，在水电站调度运行中需要进行协调与取舍的判断［11］。
因此，在进行梯级小水电站优化调度前要结合流域径流特性与电站水库特性，对各水电站的优化调度关键因素是水头还是水量进行具体分析，这是进行梯级小水电站优化调度的重要步骤，不可或缺；而且通过计算分析可以确定电站调度的主控因素，避免走入运行调度的判断误区。

2.3 日调节水电站调度关键因素的筛选

对日调节小水电站调度关键因素的筛选需要紧抓利用水量与利用水头两个方向，在筛选方法上可以根据这两个方向各自对应的调度原则进行区分计算。利用水量的调度原则一般是通过提前加大出力后利用较大入流进行回蓄，通过如此反复充分利用水库的调节库容水量；利用水头的调度原则一般是将水电站坝前持续维持在高水位运行，多余入流通过弃水或其他方式处理。依据这两种调度原则，可以采用多因素微步长迭代的计算方法，即在相同水力电力联系条件下，分别从小水电站的坝前水位、库水位消落深度、时段平均入库流量、发电持续时间四个因素影响变量的最大提高程度出发，对各影响因素的变化范围按照微步长进行划分，形成若干步长因子，并对各因素的步长因子进行随机取一组合进行发电模拟计算。例如，以库水位消落深度为主要控制变量，其微步长因子即为小水电站库水位的不同消落深度极其对应的库水位和相应库容，对水库调度初始计算坝前水位、发电计算持续时间和时段平均入库流量的微步长因子进行随机三项组合，作为发电模拟计算的输入条件，计算该条件下不同库水位消落深度对应的水头发电效益与水量发电效益，通过多次重复迭代计算，实现覆盖各输入条件组合情况的水头与水量发电效益计算，进而实现水头、水量效益的全面量化对比与论证，充分考虑各种运行情况，通过详细的计算结果来分析识别电站优化调度的主控因素［12，13］。
本文以位于云南省金平县的金水河三级小水电站为例，金水河发源于云南省金平县东南部与越南交界处哀牢山脉延伸部分的松梁子和老白梁子山一带，为藤条江一级支流，于金水河村南注入干流藤条江，金水河干流全长43.6 km，总落差约 2 160 m，平均比降27.9‰，水能理论蕴藏量较为丰富。金水河三级小水电站是金水河梯级电站第三级电站，其本身为日调节水电站，正常高水位为585 m，死水位为94 m，调节库容为 4 239 000 m³，共布置了2台水轮发电机组，该水电站以发电为主，但由于工程特性约束其调节性能较弱。通过分析金水河三级小水电站的工程特性与历史运行资料，对不同坝上水位、消落深度、入库流量与持续时间进行组合计算，其部分水头水量效益对比结果表如表1和表2所示。
表1 金水河三级水电站水头水量效益对比表（坝前水位Z=585.00 m，发电持续时间t=10 h）

Tab.1 （water level Z=585.00 m，length t=10 h）

消落深度/

m

 入库流量/（m3·s-1）
40 80 120 160 200 240 280 320 360 400
2 0.66 0.98 1.46 1.95 2.40 2.85 1.36 1.36 1.36 1.36
4 1.08 1.96 2.84 3.83 4.72 5.62 2.78 2.78 2.78 2.78
6 1.59 2.90 4.21 5.70 7.04 8.38 3.94 3.94 3.94 3.94
8 2.09 3.84 5.59 7.57 9.36 11.15 5.36 5.36 5.36 5.36
10 2.59 4.79 6.97 9.45 11.68 13.93 6.93 6.93 6.93 6.93
12 3.01 5.65 8.27 11.24 13.93 16.62 8.14 8.14 8.14 8.14
14 3.52 6.59 9.65 13.11 16.25 19.38 9.44 9.44 9.44 9.44
16 4.02 7.53 11.03 14.99 18.57 22.16 11.02 11.02 11.02 11.02
18 4.52 8.47 12.41 16.86 20.89 24.93 12.59 12.59 12.59 12.59
20 5.02 9.41 13.79 18.73 23.21 27.70 13.90 13.90 13.90 13.90
22 5.52 10.35 15.17 20.61 25.53 30.47 15.35 15.35 15.35 15.35
24 6.03 11.30 16.55 22.48 27.85 33.24 16.52 16.52 16.52 16.52
26 6.53 12.24 17.93 24.36 30.18 36.01 17.97 17.97 17.97 17.97
28 7.03 13.18 19.31 26.23 32.50 38.79 19.70 19.70 19.70 19.70
30 7.53 14.12 20.70 28.10 34.83 41.56 21.42 21.42 21.42 21.42
表2 金水河三级水电站水头水量效益对比表（坝前水位Z=585.00 m，发电持续时间t=20 h）

Tab.2 （water level Z=585.00 m，length t=20 h）

消落深度/

m

 入库流量/（m3·s-1）
40 80 120 160 200 240 280 320 360 400
2 0.97 1.88 2.78 3.75 4.66 5.58 4.34 4.34 4.34 4.34
4 1.94 3.75 5.56 7.49 9.32 11.15 8.83 8.83 8.83 8.83
6 2.91 5.63 8.34 11.24 13.98 16.73 13.04 13.04 13.04 13.04
8 3.88 7.51 11.13 14.98 18.64 22.31 17.53 17.53 17.53 17.53
10 4.85 9.39 13.91 18.73 23.30 27.89 22.15 22.15 22.15 22.15
12 5.82 11.26 16.69 22.47 27.96 33.46 26.51 26.51 26.51 26.51
14 6.79 13.14 19.48 26.22 32.62 39.04 30.87 30.87 30.87 30.87
16 7.76 15.02 22.26 29.96 37.29 44.62 35.50 35.50 35.50 35.50
18 8.73 16.89 25.05 33.71 41.95 50.20 40.14 40.14 40.14 40.14
20 9.70 18.77 27.83 37.45 46.61 55.78 44.51 44.51 44.51 44.51
22 10.67 20.65 30.61 41.20 51.27 61.36 49.01 49.01 49.01 49.01
24 11.64 22.53 33.39 44.94 55.93 66.93 53.25 53.25 53.25 53.25
26 12.61 24.40 36.18 48.69 60.59 72.51 57.76 57.76 57.76 57.76
28 13.58 26.28 38.96 52.44 65.26 78.10 62.55 62.55 62.55 62.55
30 14.54 28.16 41.75 56.18 69.92 83.68 67.33 67.33 67.33 67.33
这两张金水河三级水电站水头水量效益对比计算表中的数值为当前水电站在给定的初始调度坝前水位、发电持续时间与入库流量条件下，在持续时间步长内，根据不同的库水位消落深度极其对应的水位值与库容值计算出的利用水头产生的电量与利用水量所产生电量的两者差值，即持续维持在该消落深度对应水位进行发电产生的电量与通过对消落水位与正常高水位之间可调库容水量的重复发电蓄放水利用产生的电量，这两者进行求差对比。在使用时主要通过表格中计算结果的正负值来判断该格对应的计算条件下哪种计算方式产生的发电效益更大。数值为正时说明利用水头产生的电量大于利用水量所产生的电量，在该种输入组合条件下应该优先利用水头；数值为负时则说明利用水头产生的电量小于利用水量所产生的电量，在该种输入组合条件下应该优先利用水量［14］。
通过水头水量效益对比表计算了金水河三级水电站在初始调度坝上水位取不同数值时，各种入库流量情况下，水头水量效益差值随运行消落深度的数值变化。这两张表仅为部分计算结果展示，通过对坝前水位、持续时间、消落深度与入库流量四项的分别调整与组合，会有多张水头水量效益对比计算表，需要对结果进行统一分析。通过对所有不同水位、消落深度、入库流量与持续时间组合的计算结果分析可以确定出金水河三级水电站优化调度的关键因素是利用水头，其优化调度适宜采用提高运行水位的方法，即将水电站维持在高水位处持续运行，这也为后续梯级优化调度图的计算确定了重要的计算路线方向。

3 结 语

水库优化调度作为水电行业热门的研究领域，国内外对此的研究常有进行，但是研究对象多为年或多年调节水电站，实际上，对于总数量上处于大比重的日调节水电站，尤其是处于梯级开发中的日调节水电站，进行优化调度的潜力是很大的。日调节梯级小水电站的优化调度计算本质为梯级发电能力的提高，考虑到小水电站单向性、同步性、短期性的调度特征与调度条件现状，其优化调度更需要着眼于影响小水电站发电调度的各项影响因素分析。而利用水头与利用水量作为小水电站的两种发电调度方式，对应的影响因素也不尽相同，且这两者之间存在此消彼长的制约关系，在水电站调度运行中需要进行协调与取舍的判断。因此，在进行水电站优化调度前需要对水电站的优化调度关键因素是水头还是水量进行具体分析，这是进行优化调度的重要步骤之一。通过文章提出的多因素微步长迭代计算方法，可以实现覆盖各调度条件组合情况的小水电水头与水量发电效益计算，进而利用对比分析可以确定小水电站调度的主控因素，避免走入梯级小水电优化运行调度的判断误区。其计算结果也可单独作为小水电站的调度指导，计算确认的小水电站的关键因素可以为人工经验调度提供有效的调度支撑，该筛选计算方法可以应用推广于各日调节水电站的计算研究。

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