浅谈小江河梯级水电站优化调度实践方法

浅谈小江河梯级水电站优化调度实践方法

赵洪俊

（云南电网有限责任公司红河泸西供电局红河州泸西县652400）

摘要：小江河流域上的梯级冒烟洞一、二、三、四级电站为泸西县网的骨干电站，梯级电站间联系紧密，如何通过优化调度，提高水能利用效率，是我们需要解决的问题。本文分析了小江梯级水电站的特点，充分考虑水电站机组运行特性，将传统电站出力改为经过厂内优化运行的出力，提出了小江梯级水电站的电站流量联系和水流时间关系，可实现梯级电站之间的性能匹配和发电最优。依据梯级调度规则并结合作者多年的运行经验，在调度管理上对小江河梯级电站优化调度总结出了几点针对小江梯级电站经济运行的方法。

关键词：小江河；梯级电站；优化调度；流量联系；时间联系

引言

泸西县从1995年以来，国民经济发展迅速，尤其是冶炼、蔬菜种植、加工工业、城市居民用电的迅猛发展，用电负荷激增。如何合理、经济利用好现有的网内小水电资源，充分发挥出占县网装机容量的66.3%的小江河梯级电站的效率，已成为一个重要的课题。衡量一个河流梯级的效益大小，不在于梯级中个别电站的效益大小。一个梯级总厂的整体效益大于该梯级内各个电站效益之和。这个道理是显而易见的。因此，在调度管理上，梯级电站的管理应该把整个梯级的宏观效益放在首位，再进行电站和机组间的优化调度和负荷分配，使水能资源利用最充分、最合理，机组设备的利用效率最高。

一、泸西县水资源概况

泸西县位于云南省东南部，是红河州的北大门。县境内东北高、西南低，最高海拔2459米，最低海拔820米，属北亚热带季风气候，国土面积1674km2，年均降雨量979mm，其中：6-9月降雨占全年降雨总量84.3%，形成干湿分明，春旱夏涝的气候特征。多年平均降水深度为969mm，多年平均径流362.17mm，水资源总量为（径流量）5.5941亿m3，泸西县入境水量为1.458亿m3，从曲靖地区的师宗县、陆良县引入，泸西县出境水量6.3127亿m3，主要流入弥勒县和南盘江。1978年泸西县动工兴建了“西水东调”工程，将金马河与板桥河、阿味水库人为地和小江河串通，洪水、清水均可有控制地东调集于小江河中游的中枢坝子，出于工农隧洞，进入小江下游地段，为泸西县水电站的开发开拓了水资源基础。

泸西县境内，具有较大调节能力的水库有：板桥河水库（总库容7676万/立方米）、白水塘水库（总库容3550万/立方米）、阿味水库（总库容1405万/立方米）、吾者水库（总库容1316万/立方米）、平海子水库（总库容719.41万/立方米）。由于我县是一个以农业为支柱产业的地区，有三分之二的水资源用于农业灌溉用水，这对小江河的几个梯级电站发电，形成了一个瓶颈。小江流域上的冒烟洞一、二、三、四级电站，属于径流式水电站，仅靠拦河坝有限的库容能力，不具备对平、枯两季的调节，只能担任日调峰任务。

二、小江河梯级电站概况及运行特点

1、小江河梯级电站概况

1976年5月1日，位于小江河下游段的永宁乡水头村，集全县人力物力装机3×1600千瓦的冒烟洞三级电站工程破土动工，并于1979年10月17日建成投运，成为了当年泸西地方装机容量最大的电站。2002、2003年，对1号、2号、3号发电机组进行了增容改造，三台发电机额定功率由1600千瓦增容改造至2000千瓦，总装机容量增至6000千瓦。1985年4月12日在小江河下游冒烟洞二级电站又正式动工，装机容量2×6300千瓦，历经三年建设，1988年12月20日竣工投产，至今天仍是泸西县境内最重要的骨干电站。1997年泸西电力公司依靠自己的力量开发冒烟洞一级电站，装机容量2×3200千瓦，于1999年8月15日投入并网运行。加上2008年2月开工建设的装机容量3×5000千瓦的冒烟洞四级电站，以及上游的总装机容量3800千瓦的永宁水电厂上、下车间和装机容量1890千瓦的大沙地电站，小江河梯级电站开发总装机达45690千瓦，占泸西县调管辖装机容量的75.7%。至此，南盘江小江支流丰富的水资源得到了较为充分的开发和利用。

2、小江梯级水电站的运行特点

⑴、发电水量的联系。

下游梯级水电站发电水量即为上游梯级水电站的下泄水量或主要取决于上游水电站下泄水量，因此下游水电站的发电量受上游水电站发电量影响明显。

⑵、调峰的联系。

所有梯级水电站均属泸西电网，在上级电网计划用电期间必须承担县网的调峰任务，梯级水电站通过调度联合运行，减少弃水量，增大系统调峰容量，提高电网运行的安全稳定性。

⑶、枯水期增减机组是运行控制的主要方式

在小江河梯级电站中，除二级电站拦河坝有一定的调蓄能力外，其余电站只能利用渠道或拦河坝进行较少的水量调蓄。为保证机组不处于低效运行工况并参与县网的调峰工作，调蓄能力较小的一级电站拦河坝只能时蓄时泄，通过控制发电流量来进行调峰和改善机组运行工况及提高后续电站的效率，减少弃水。但这样带来的问题就是上游电站流量调节很快会在梯级电站中传递并发散为较广幅度的关联调节要求。于是就出现上游电站增减运行机组数，下游电站只能随之频繁地增减运行机组数，这种调控方式称为“调台”。实践证明，平水期、枯水期梯级电站应付来水量变化的主要调控方式是调台。

三、小江梯级电站优化调度运行分析

小江梯级电站基本上无自己所能控制的具有较大调节能力的水库，其上游的板桥河水库、阿味水库、白水塘水库等均不能配合发电需要进行蓄、放水量控制，造成弃水。讨论中长期优化运行无较大的意义。对于调度管理来说，为调峰和调压及电站出力的经济需要，小江梯级水电站短期联合优化运行才显得更重要。

1、水电厂内经济运行

水电站厂内经济运行中常用的优化准则为：当水电站负荷给定后，要求水电站耗水流量最小；或在水电站的可耗水量（或来水）一定时，力求发电量最大。上述准则根据情况使用，一般前者适用于调节能力较好的水电站，后者适用于径流式或调节能力较差的水电站。小江梯级电站均适用于后者。

水电厂内经济运行的基本任务是根据水电站及机组特性，在满足负荷或总耗水量情况下，确定厂内工作机组最优台数、组合及启停次序，并将负荷（或流量）在机组间实现最优分配，即制定厂内最优运行方式，并组织实施。其目的是在满足电能生产安全、可靠、优质的前提下，通过优化运行方式，降低水电站的生产成本或增加发电量，以获得尽可能大的经济效益。

（1）、机组及水电站能量特性

水轮机组由于机组型号、制造工艺不同、运行环境和年限，以及运行过程中空蚀和泥沙磨损改变了机组流道形成和粗糙度，甚至运行多年后转轮需要更换等，各机组能量特性存在一定的差异，表现为水头一定时，要达到相同出力，机组间的耗流量不一样，或发电流量相同时，机组间的出力不一致。因此，在机组启停和负荷分配过程中，应根据机组的效率特性差异，进行优化计算，使完成相同发电任务时发电成本最小，或在给定发电成本情况下，实现发电量或发电收益最大化。同样，水电站能量特性也存在这样的差异，而水电站的能量特性是制定短期发电计划和厂间经济运行的重要依据。

小江梯级电站的小型水轮机，就目前来说，仍缺少相关的一些原始数据记录如水情记录（流量记录），机组能量特性和水电站能量特性曲线无法获得。基于各电站机组装机容量较小（单台最大6.3MW）、每个电站机组台数不多（2～3台）、总体要求不高，我们只能退而求其次，运用统计、实测方法对其基本特性进行统计分析，不失为一种既简单、又行之有效的方法。根据机组参数和电站运行人员多年实际运行经验总结得出一、二、三、四级电站粗略的出力特性表如下。

表1：小江河梯级电站水轮发电机组出力特性统计及部分参数表

（2）、水电站厂内经济运行

小江梯级水电站基本没有较大调节能力，丰水期尽可能地让每台机组保持满发，在平水期做到少弃水，枯水期最大限度地利用有限的拦河坝和渠道蓄水发电，做到不弃水。小江梯级水电站发电流量最小化厂内经济运行的内容体现在根据机组出力特性表，在满足发电要求时，对机组进行优化组合并在其间进行负荷优化分配，即调度要求放水发电时需考虑电站开几台机，每台载多少负荷较优的问题，使水电站的发电流量最小。在机组优化组合和负荷分配中还要考虑机组空蚀振动约束条件，因为机组在某些出力区域运行时，会出现严重的空蚀和振动现象，该区域称为空蚀区和振动区。空蚀和振动都会影响电站的稳定运行，严重威胁水电站的安全生产和机组使用寿命，因此厂内经济运行应该引起高度重视。调度下达发电计划时就充分考虑避开。另一个值得注意的是水电站实际生产中存在部分机组因故障、检修等原因不能投入使用的情况，在厂内经济运行中也应该考虑机组的可用性，当机组不可用时，负荷分配时就要避开这些机组。同时，还要考虑的是机组启停过程中的水量损失、机组维护成本增加和设备服务年限降低引起的损失。机组启停过程中，不发电但存在耗水，并且维护成本会随启停次数增加。为此，尽量减少开停机组次数。

2、小江梯级电站间流量联系

对于梯级电站调度优化来说，除水电站的出力特性外，另一关键是要掌握梯级水电站之间的水力联系，也就是流量联系和水头联系，电站水头参数已经固定，我们主要考虑的就是流量联系。小江梯级电站流量联系是上游电站的下泄流量成为下游电站的绝大部分来水。上级电站机组来水流量变化、负荷变化、机组甩负荷、故障等必然会影响到下级电站。如一级电站一台机甩负荷，那么下游电站进行怎样的调整，简单来说，一级电站机组甩负荷后前池水溢进二级电站拦河坝，二级电站拦河坝水量增加而渠道里面的水却相应减少，那我们得从二级电站拦河坝补放相应的水才能让二级电站出力保持不变，从而三、四级电站所载负荷也才不变。对于调度来说，归结到相同流量下我们更核心地要清楚上、下级电站的出力比例，也可以说是以便更好地安排电站的开停机及所载负荷量。在枯水期经过多次实测统计：二、三、四级电站仅用一级电站尾水（相同流量下）发电时的多个数据记录取平均算出一、二、三、四级电站的出力比例基本为：1：2.22：0.95：1.45。

3、各电站从放水（或补水）到机组出力增加的时间联系

水电站不仅考虑时段内的开机组合和负荷（或流量）优化分配，同时要考虑时段之间运行方式的联系和影响，如时段间负荷变化必然导致机组组合相应调整，它将带来附加的耗水以及其他损耗，如启停成本。由此可见，时间最优化也是一个优化周期内的重要因素。调度根据电网负荷要求放水发电或在上级电站负荷发生变化时，下游电站补水同样要考虑补水时间，即各电站拦河坝至前池水流要多少时间，否则下游电站出力必然会发生变化甚至出现无水停机再开机的现象。经过实测和运行经验统计出各电站拦河坝至前池的水流时间统计表如下：

四、小江河梯级电站优化调度运行方法

总上所述，相较目前的条件而言，小江梯级电站优化调度主要要做好如下几点：

1、枯水期，小江梯级电站如担任调峰任务时，由于来水量少，调度主要考虑的是如何将小江电站发电时间和出力与县网高峰负荷时间及所缺负荷量保持一致。这样下来，安排电站机组出力时会部分牺牲电站最优经济出力，电站机组也较频繁启停。但正常情况下，调度必须结合一、二、三级电站的出力比例1：2.22：0.95：1.45和出力特性表，安排好电站机组台数和启停，让它们尽可能地达到最优经济出力（以一级站机组出力为标准，如一级站不能开机则以二级电站为标准）。来水较少时利用一、二级电站拦河坝蓄水发电，尽可能地不弃水，让电站发电量最大化。一般情况下，一级电站要能达到机组额定出力50%才开机发电，来水不足可进行蓄水发电。冒烟洞一、二、三、四级电站出力分配表和开机台数，如下表：

表3：冒烟洞一至四级电站出力关系和机组负荷分配表

2、上一级电站发生增减负荷（包括机组故障或线路故障跳闸等原因造成甩负荷）时，应考虑下游电站因此发生的出力变化量是否会造成机组的启停。如是，要及时根据负荷变化量调整下级电站拦河坝的补水量或机组出力，补水通过电站值班人员进行，但补水在时间上调度员按表2的时间把握好。负荷安排也应避免增加机组的启停次数；启停机组会使机组穿越空蚀振动区，将会降低机组可利用率和运行效率，增加机组的检修维护成本，使设备加速折旧。上级电站负荷发生变化调度员均应及时通知下级电站值班人员，好让其也有负荷调整的准备时间。

3、小江梯级电站机组检修或电站相关出线35kV永一线（LGJ-95）、冒教线（LGJ-185）、水泸线（LGJ-95）、中三线（LGJ-95）线路停电及县网运行方式变更，必须考虑可能出现的弃水现象和对下级电站的影响。检修、工作安排时尽量要避免造成弃水现象，合理安排电站机组检修时间，水工建筑物的检修与机组检修密切配合，尽量缩短检修时间；电站机组因检修不能开机或只能开部分机组以及县网运行方式变更或线路故障检修及工作，由于线路最大载荷容量限制，电站机组出力就受限（满发将造成线路过载），所需水量减少；根据情况，可提前安排平海子水库进行部分蓄水，以控制梯级电站少弃水。

4、平水期和枯水期加强部分可控的有一定调节能力的平海子水库的利用，充分利用最高水位与保证农灌用水的最低水位范围内的调节库容量（正常情况下平海子水库最高水位与保证农用水的最低水位之间有近3米的水位调节范围）。根据负荷预测、天气预报和平海子水库水位情况，进行水库放、蓄水发电，补充、保证一级电站和下游电站机组在优化出力内运行。平海子水库放水闸门提起10公分，放水量约为一个流量，一级电站所载负荷约增800kW。

五、结语

小江梯级电站联合优化调度还处于摸索阶段，进一步深入研究还有完善的空间（如电站能量特性和相关流量数据的精确化）。另外，随着自动化技术的发展，高性能、高可靠性和低价格都为其广泛应用提供了条件。建设拦河坝安全监测系统和水情测报系统、闸门控制等综合信息一体化及其他水电站计算机自动化监控系统，都将为小江梯级电站优化调度提供了强有力的决策支持。

参考文献：

[1]梯级水电站群联合优化调度及其自动化系统建设[D].黄小锋.华北电力大学（北京）2010

[2]梯级水电站群优化调度与运营策略研究[D].刘学海.天津大学2005

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