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典型梯级水电站精准优化调度及效益评价研究与应用管理

编辑:   发布时间:2019-02-13

     一.前言

     浙江华电乌溪江水力发电厂(以下简称乌溪江电厂)地处衢州市境内,下辖湖南镇和黄坛口两座梯级电站,为浙江电网主力调峰电厂之一。湖南镇电站是钱塘江上游支流乌溪江流域两级开发的第一级电站,距离衢州市区约40km,以发电为主,兼有防洪、灌溉、航运等综合利用效益。控制流域面积2151km3。多年平均降水量1706毫米,多年平均来水量23.34亿m3,为多年不完全调节水库,装机五台,装机容量320MW;二级站黄坛口水库距上游湖南镇电站约29km,为日调节水库,装机2台,装机容量52MW。全厂装机7台,总容量372MW,多年平均发电量5.8亿kW·h。

     近年来乌溪江电厂结合自身优势,利用电厂现有数据资源 ,开发典型梯级水电站精准优化调度及效益评价研究与应用系统,开展乌溪江电厂精准调度管理创新工作。

 

     二.典型梯级水电站精准优化调度及效益评价研究与应用实施背景

     (一)提升竞争,挖潜增效的需要 

     乌溪江电厂是一个具有五十多年历史的老厂,又是主要以调峰为主的水电厂,近年来,随着大型抽蓄电站的建设以及西电东送的实施,电力市场竞争日趋激烈,乌溪江电厂的经营也随之感到压力倍增,由于受自然条件的限制,企业不可能在短期内有突破性的发展,只有通过进一步的创新管理手段,深挖自身潜力,降低发电水耗,提高水能利用率来实现增产增效,才能达到提升经济效益的目标。

     (二)实现精准优化调度,提高调度水平的需要

     当前企业调度人员更多通过常规调度的方法制定电站的发电计划,调度计算方法也是利用应对各分管部门各自独立的几套系统,难免会顾此失彼影响调度计划的准确性。近年来,又由于乌溪江水库上游新建了多个小水库,使得原来的径流计算边界条件发生了很大的变化,增加了不确定性,使得径流预报准确度降低,严重影响水库调度的精准性。因此,如何将水库资源数据进行有机整合,提高调度水平,达到精准科学调度和优化调度目的,是当前企业面临的需要解决的问题。

     (三)促进企业可持续发展的需要

     如何在新形势下保持企业的核心竞争力,全面促进企业科学、可持续发展,合理利用资源,以新的管理手段和措施达到节水降耗,增发电量,着力探索乌溪江梯级优化调度和评价系统,达到精准调度目的,将为乌溪江电厂最大限度的提高经济效益起到关键的作用。

 

     三.典型梯级水电站精准优化调度及效益评价研究与应用成果的内涵和做法 

     (一) 内涵

     精准调度是对目标值的直接要求,需要在准确掌握水库来水的情况下,精确预测各时段水库径流,同时要匹配上下游梯级水库和机组的综合最优出力,使每一方来水都能发挥出最优效率。影响精准调度的因素主要有:水库基本特性与变化情况,多年长系列流域降雨、来水变化情况,防洪限制,灌溉、工业用水需求,航运要求,流域梯级联合调度要求,电网安全、负荷约束的要求与规则,运行机组实时工况,机组效率特性。以上所有所有条件和参数均能以数据形式表达,但体量巨大,这些数据的综合,即为大数据。

     深入研究乌溪江梯级电站目前正在采用的中期常规调度方法和符合实际调度情况的短期优化调度方法后,在系统中基于Web服务技术实现云计算,采用企业级关系数据库和大数据统计模型实现大数据挖掘技术,掌握不同时间尺度调度模型的约束条件,全面分析影响乌溪江梯级电站调度的多种因素,使得在进行模拟调度时能够使调度模型和调度结果能够接近实际情况。通过大数据挖掘和精准调度理念的落实,建立具有创新意义的基于大数据的乌溪江梯级优化调度和评价系统,实现乌溪江水库精准调度,是安全防汛、防洪和节水降耗、增发电量的重要手段。

     (二)典型梯级水电站精准优化调度及效益评价研究与应用主要做法

     1、构建乌溪江梯级优化调度和评价系统的框架

     通过研究乌溪江径流演变规律,建立规范化的梯级电站径流预测、优化调度应用数据库,设计合理的数据库结构,提高数据共享的程度,最大限度地减小数据的冗余,为调度决策提供可靠性高、一致性好的信息来源为目的。系统基于网络数据库,采用先进的三层体系Browser/Server(B/S)结构和Web Services技术。利用高性能服务器作为WEB服务器和数据库服务器,集中完成系统App应用、数据存储、数据采集、远程通讯等功能。总体框架划分为系统管理、数据管理、水文预测、计划调度、实时调度和调度指标评价。

     基于乌溪江电厂差异化管理办法,借鉴国内外先进调度指标评价管理的理念,以水位控制系数、耗水率等作为企业绩效考核指标,同时应用水能利用提高率、弃水期负荷率等指标作为企业考评指标。系统针对湖黄站梯级水库的设计特性,分析水能考核指标对梯级电站的适应性,并提出合理的考核计算参数。指标评价系统包含4方面功能:调度考核指标设定、调度考核指标计算、调度考核指标统计查询、调度考核指标的对标管理。

     可以解决乌溪江电厂在优化调度中面临的电站联合优化运行这一高灵活、高可扩展需求以及梯级负荷实时分配、电站机组组合实时优化等技术难点,有效实现流域梯级调度计划制定和管理,最大限度提高梯级电站整体效益。

     2、建立数据管理平台,为实时调度管理提供技术支撑

     湖、黄梯级水电站优化调度,涉及数据信息量大,因素庞杂,并受降水、径流、温度、大坝防洪、泄水与引水系统、发电机组、用电负荷等众多自然环境、工程设备及市场因素制约。因此,及时、准确、快速的收集、整理、统计、分析、管理数据,建设一个与电网调度技术支撑系统、水雨情系统等的连接,实现基础数据共享平台,为实时科学调度、精准调度提供重要依据。系统接入了水文数据管理、水务数据管理,机组效率数据管理,各雨量站点、水位站点管理,调度图数据管理等。同时录入建库以来51场次洪水,确定使用单位线法进行洪水预报,既能定时(1个小时)进行洪水预报、随时进行人工给定雨量及水位的模拟预报、随机洪水预报,又能按流域内的暴雨洪水的不同特性,进行各种不同情况和各种方案的防洪调度演算,提供预报精度高、预见期长的洪水预报调度方案,结合水库大坝及上下游防洪要求和兴利要求,对实时洪水进行调度。

     选择2016年6月15日的一场洪水,利用单位线模型对其进行洪水预报,结果如图4-11所示:

 

图1  洪水预报的预测值与实测值对比情况

 

     通过分析预报结果可知,预报洪峰准确率达到98.11%,峰现时间差1小时;洪水预报流量过程大致符合实际径流过程,预报精度较高,对实际生产具有引导意义。

     3、接入地方水雨情链接为全流域的防汛管理提供调度依据

     乌溪江梯级电站地处江南经济发达地区,为钱塘江中上游地区最大的防洪调蓄水库,除本身承担繁重的防汛任务外在钱塘江干流防御大洪水中起到重要作用。

     目前乌溪江梯级水库的防洪调度是以设计防洪标准与“钱塘江干流洪水调度方案”相结合的原则来开展,即当湖南镇水库水位低于232.60m,以实行“钱塘江干流洪水调度方案”为主,当湖南镇水库水位高于232.60m,则以设计防洪标准为主要调洪原则。水库上游土地淹没高程为230.5m,下游河道安全泄量为2000m3/s,上不得超蓄下不得超泄且有错峰要求。由于地处山区,暴雨多发,而且近几年极端天气频发,水库调蓄带来压力较大,造成梯级超蓄超泄而产生的赔偿压力越来越大。系统中接入的地方水雨情链接为全流域大洪水的防汛管理提供调度依据,较好地解决了这个防汛与电站运行之间的矛盾。

 

 

图2  系统水雨情管理页面

 

     4、接入气象预测,助力梯级短中长期调度实时调整

     尽管乌溪江流域具有相对良好的丰枯交替变化规律,年径流总量预报合格率较高, 但由于受实际降水天气系统和流域下垫面系统的综合影响,径流的时间分配差异较大。为了弥补径流过程预测精度不足,防止年度发电计划严重偏离实际,有必要作中短期调度修正。

     随着气象科技的不断发展,特别是卫星云图的应用,中短期天气预报的准确率已大为提高。自上世纪90年代来,乌溪江水力发电厂就一直与浙江气象台及流域所在的市县级气象台保持中短期天气预报服务关系。经过气象部门多年的探索,已形成了乌溪江流域中短期天气预报方案。根据2011~2015年浙江气象台中期天气预报(旬报)统计,有明显降水以上的降水趋势预报(明显降水是指过程降水大于15mm的降水过程)合格率可高达80%~90%。因此各种长期(月、阶段、年)、中期(周、旬)、短期(十分钟、1小时、2小时、3小时、6小时、日)以及重大性、关键性、灾害性天气的气象预报直接链接进入系统来拟定中短期径流过程有相当高的可信度,同时可对中短期调度控制带来引导性作用。

 

 

     5、增设水情采集站点,保证系统数据采集点的全面

     由于流域内小水电的开发,影响到流域的产汇流条件。近几年乌溪江流域兴建的水库主要有周公源水库(总库容2000多万m3)、碧龙源水库(库容在500万m3以上),以及其他小型水库。这对乌溪江流域的洪水预报和洪水调度带来了较多不可预见因素,如枯水年仅会影响湖库的径流过程,但典型的丰水年如调度不当,会加剧我厂的防汛负担,而中水年或略偏丰的年份(湖库年来水23-28亿m3),如果能联合调度,可达到互惠互利的结果,一年中若能使流域内各小水库多蓄放一次水,我厂可增加发电效益500-800万KWh。

     为了系统的数据分析的准确,增设了测站点,并将各测站点数据接入系统,保证了水情采集点数据全面,及时掌控汛情。

 

图3 新增测站实时水雨情

 

     6、建立梯级电站机组组合优化,提升水库调度经济指标

     在系统中,结合电厂多年来积累的机组运行参数、上下游水文资料、完善的节能对标管理体系,从优化机组运行方式,提高机组运行效率入手,达到降低机组单耗提升水库调度经济指标的目标。为了实现水电站经济安全运行和满足梯级水电站的一体化需求,本系统建立了以耗水率最小为目标函数,以水位分区和水位变幅控制为约束条件的经济运行模型;以上游水电站不同出力条件下的发电流量作为下游水电站入库流量,通过优化水电站机组组合,完成计算及风险情况和机组启停条件下负荷最优分配。

     由于乌溪江水力发电厂建厂历史较长,又为梯级水库,各建设时期采用了不同机组单机容量与不同的水轮机型,还具有不同的引水方式,因此相同的电站总出力,具有多种不同的机组组合方式,主要分述如下:

     1)当湖南镇水库水位大于224-228m时,全厂以基荷发电为主,不存在机组的组合问题。

     2)一般情况下,黄坛口电站为保持下游供水和自身优化调度需要,维持较稳定的高水位运行,主要以供水为主,而电力系统给定的调峰负荷由湖南镇电站承担,其间的优化算例如表1:

     运行条件:湖南镇水库水位为222m,电力调度要求总出力为192mw,分析计算可得最优方案与经验分配相比可节省发电流量6.8 m3/s. 

表1 湖站库水位222m电力系统给定负荷的优化算例     单位:MW    

方案

1#机

2#机

3#机

4#机

5#机

总发电流量
(m3/s)

最优分配

50

42.5

50

49.5

 

203.9

经验分配

50

42

   

100

210.7

 

     3)当湖南镇水库水位较低,此时系统给定调峰电量由湖、黄梯级同时完成,这样可降低湖南镇水库水位消落速度与后期运行的发电单耗;在发生极端枯水年份时,尽量利用区间来水保证下游供水,以最大程度地提高湖南镇水库水位。

湖南镇电站机组开机机组合及顺序优化原则:不违背调度原则,确保安全为前提;避免湖站一到四号机同时全开,尽量安排湖站五号机与一到四号机中的一台或两台运行;优先考虑引水压力钢管高程最低的二号机先发电运行;一到四号机两台运行时,考虑每个单     元一台机运行;一到四号机三台机运行时,以二号为中心向外辐射。

     四、典型梯级水电站精准优化调度及效益评价研究与应用实施效果

     (一)提高了数据的及时性和精准性,减轻了调度人员工作量

     通过平台的应用,水情数据都能及时采集,确保了数据统计分析的及时性,原来单打独斗的各套系统进行了有效的整合,进一步挖掘数据,为调度提供服务,提高工作效率,减少了调度人员的工作量。

     (二) 提升了防洪调度安全,取得良好的社会效益

     通过平台的应用,使调度人员及时掌握水情变化,及时进行防洪预案的模拟演练,2016年针对乌溪江流域受厄尔尼诺现象影响,来水极不均衡的情况下,企业正确研判降水和来水形势,辩证处理蓄水和发电的关系,科学调度湖、黄两库,有效拦蓄洪水,防止了泄洪,做到了平均洪水预报准确率91.9%,最大一场洪水预报准确率95%,实现了梯级水库水量利用率100%,确保了安全防洪度汛,保证了下游安全,取得良好社会效益。

     (三)促进了经济效益,实现了节水增发目标

     通过平台系统的应用,有效地将水库调节与机组优化相结合,2016年乌溪江电厂实现了梯级水库的精准化调度,获得了良好经济效益,2016年全年共节水增发电量4965万千瓦时,在来水比多年平均偏多18.5%的情况下,发电量超计划22.4%,全年发电耗水率为3.48m3/kWh,为历史最好水平之一,实现了节水降耗,增发电量目标。

主创人员:浙江华电乌溪江水力发电厂  陈 列、朱 斌、胡红阳、王中央、濮久武、朱银旺、周正华、邱会群、陈富强

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