梯级水电站优化调度与节能减排

李泽宏

(贵州乌江水电开发有限责任公司，贵州 贵阳 550002)

1 节能减排形势及水电的作用

1.1 国家相关政策

假设我国经济保持21世纪以来平均8.9%的年增长速度，即使能够持续实现每5年GDP单位耗能下降20%，那么，在2020年之后我国的能源消费仍占世界能源消费的30%以上。为此，我国政府于2009年11月向国际社会做出了“争取到2020年非化石能源占一次性能源消费比重达15%左右，单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40% ～50%”的节能减排庄严承诺。我国如果不优化能源消费结构，会无法履行二氧化碳减排的承诺并将进一步承受来自国际社会的巨大压力。

电力是能源消费的主要品种之一。在火力发电中，燃烧煤炭不可避免地要排放二氧化碳，同时排放的还有二氧化硫、氮氧化物、烟尘等大气污染物，这是电力行业大气污染物排放的主力军。国家“十二五”规划内能源政策将以结构调整为主线，加强对资源、环境因素的统筹，协调平衡供应侧和需求侧关系，电力结构优化和节能减排将成为两大重心。就电力结构优化来说，大力发展清洁可再生能源、减少化石类能源消耗毋庸置疑是发展的重点。

1.2 水电的作用

在非化石能源中，主要是水电、核电、风能、太阳能、地热、潮汐、生物质能等可再生能源。相对而言，水电是我国目前可开发程度最高、技术相对成熟的清洁可再生能源，在多种非化石能源中凸显出极其重要的作用，加大水电在总能源供应中的权重是履行我国政府对国际社会节能减排承诺的重要途径。

2 贵州水电与节能减排

2.1 贵州水能资源开发

贵州全省水能资源理论蕴藏量约18 745 MW，可开发量16830 MW。截至2011年年底，贵州水电已投产装机容量11 400 MW(含小水电)，占可开发容量的67.74%，已基本达到发达国家水电60% ～70%的开发水平。

贵州已投产水电站以大、中型电站为主，而大、中型电站主要集中在乌江流域，约占全省水电装机容量的73%;北盘江流域装机容量1 920 MW，约占全省水电装机容量的18%。乌江流域水电资源主要由贵州乌江水电开发有限责任公司(以下简称乌江公司)开发建设和经营管理。乌江公司全资拥有乌江干流水电装机容量8315 MW，包括洪家渡(600 MW)、东风(695 MW)、索风营(600 MW)、乌江渡(1250 MW)、构皮滩(3000 MW)、思林(1050 MW)、沙沱(1120 MW)等水电站，除沙沱水电站计划2013年投产外，其他水电站均已投产发电。

2.2 贵州节能减排形势

2011年，贵州已投产水电占贵州省电网总装机容量的39.05%，水电年发电量占全省年发电量的18.31%，社会用电主要依靠火电支撑，节能减排形势十分严峻。为此，贵州省大力推动火电厂安装脱硫、脱硝、电除尘装置，控制高能耗和高污染产业，加大风电开发力度，希望取得节能减排的明显成效。

在加大清洁可再生能源权重方面，贵州水电开发程度已达到发达国家平均开发水平。赤水河流域为国酒茅台产地，不允许规模化开发水电。现实决定了贵州省已不可能依靠加大水电建设来解决节能减排的问题。那么，贵州水电是否就不能为减排做出新贡献了呢?下面对此做出相应的分析。

虽然行业内专家对梯级联合调度可增加效益大小的看法不一，有“3% ～5%”或“8% ～10%”的不同说法，数据虽然不一致，梯级联合调度可以获得增加发电效益的说法是肯定的。笔者认为，即使乌江流域、北盘江流域梯级调度增加效益按业内专家所认可的中间值5%估算，通过提高贵州省主要流域梯级水电站节能优化调度水平，在多年平均来水情况下，每年可节水增加发电量1635 GW·h，相当于增加1座装机容量600 MW的大型水电站;以2011年来水的历史最枯水平估算，乌江流域、北盘江流域通过优化调度节水增加发电量也超过1000GW·h，相当于增加1座装机容量350 MW的中型水电站。因此，提高梯级水电站调度水平，节水增加发电量增大对火电发电量的替代作用，对于减排大气污染物不失为一种好方法。

2.3 梯级节能优化调度情况

目前，乌江公司已建成乌江流域梯级水电站远程集控中心(以下简称乌江集控中心)，实现乌江流域干流6座电站以及清水河支流2座电站的集中调度控制，调控机组共28台、装机容量7545 MW。贵州黔源电力股份有限公司正在建设梯级水电站集控中心，将对光照、董箐、普定、引子渡等水电站进行统一调控。

3 梯级调度关键技术及工作平台

为了达到梯级水电站节能优化调度的最佳效果，流域集控中心需要对梯级优化调度模型、水库联合调度规则等关键技术进行研究并应用于技术支持系统建设和实际的调度工作中。为了实施梯级水电站节能优化调度，流域集控中心要建设相应的技术支持系统，提供集中控制和优化调度工作平台。

乌江集控中心按照“以节能增效为目的、以优化调度为核心、以集中控制为手段”的梯级调度集中管控思路，开展联合优化调控的基本理论及其应用研究并建设了相应的梯级调度技术支持平台。

3.1 开展关键技术研究

从乌江流域梯级水电站数量多(沙沱水电站投产后达到9座)、水库调节性能复杂(涵盖多年调节、年调节、季调节、日调节)的实际情况出发，分2期开展了联合优化调控理论、实现方法的研究，获得了流域降雨及来水的一般规律，建立了相关的数学模型，提炼出了梯级优化调度规则，获得了丰硕的研究成果。

(1)重点研究高维复杂梯级水电站群优化调度问题，解决了水电站数量多造成的“维数灾”难题。

(2)引入多种预测模型和方法改善了梯级水库中长期水文预报精度普遍偏低的问题。

(3)获得了乌江径流变化、分配规律，完成了流域典型年选择，建立了长、中、短期径流预报模型。

(4)提出并应用隐随机优化方法获得了梯级水库调度函数，获得了梯级水电站群长、中、短期优化调度规则。

(5)建立了多目标耦合预测、基于数理统计挖掘的多年调节水库年末水位消落预测模型。

(6)研究梯级各水库之间不同洪峰量级的洪水在不同水位条件下的客观规律，掌握了乌江梯级水库间洪水传播及退水特性，对梯级防洪调度具有重要意义。

(7)开展梯级水库群汛期动态水位控制研究并在东风、乌江渡等水库实际应用，在保证汛期防洪安全的前提下，动态抬高水位运行取得了良好的安全效益和节水增加发电的效益。

(8)对通信协议进行优化，将卫星通信技术首次应用于电力实时控制领域，高可靠、低成本地解决了集控中心与水电站之间技术支持系统的冗余通信问题。

(9)梯级水电站联合优化调度控制需要涉及远程监视控制、水情测报、水库调度、电能量采集、工业电视等多个自动化系统，以数据集中交换的方式解决了多系统集成的软硬件兼容、资源共享、数据安全等问题。

(10)在国内首次建立了梯级水电站群优化调度效益评价体系，改进了梯级水库群水能利用提高率算法，解决了以前单个水库相关评价指标不适合于梯级水电站群优化调度效益评价的难题。

3.2 建设技术支持系统

在通过基本理论及其应用研究找到联合优化调控的科学方法之后，开发了多个自动化系统，形成了一个水库调度和发电控制有机结合的联合优化调控系统工作平台，将科学方法应用于生产调度实践中。

(1)梯级水电站群远程集中监控系统集成流域内所有电站的计算机监控系统功能，实现了对电站的“遥测、遥信、遥控、遥调”功能，完全具备远程监视控制的条件。

(2)开发梯级水电站自动发电控制(AGC)、经济调度控制(EDC)高级应用功能，实现集控中心对梯级水电站的经济调度、发电自动控制的目标。

(3)建立1套以电力数据网为主用、卫星通信系统为备用，满足不同工作原理、不同物理链路冗余要求的通信系统，具有通信可靠性高、运行维护成本低的优点。

(4)建设流域水情自动测报中心，通过全球移动通讯系统(GSM)短信和卫星通道直接采集流域各雨量、流量、水位测站信息，集中自动生成、管理流域雨、水情，再传输到各电站水情分中心共享，改变以前流域雨、水情资料分散，无全局信息的局面。

(5)梯级水库调度自动化系统不再只把单座水库作为调度对象，而是将全流域各水库均纳入通盘考量，注重上、下游电站之间的水文联系和流量匹配。开发了满足精度要求的流域径流预报软件、实用化的梯级水库群联合防洪优化调度软件、符合生产实际的梯级水库群联合发电优化调度软件等高级应用系统。

(6)建成1套连接集控中心各应用系统、担任中间沟通桥梁的数据交换平台，消灭可能存在的信息孤岛，解决了各应用系统间通信接口杂乱、网络拓扑繁杂、数据交互可靠性低的问题。

(7)建成1套系统化、网络化、智能化的梯级水电站群集中调度业务管理系统，解决了梯级调度业务流程不规范、实时优化调度指标分析繁琐、优化调度效益评价不客观准确、调度业务办理效率不高等问题，为梯级优化调度提供规范、可靠的管理和技术手段，提高了调度管理水平。

4 梯级优化调度节能减排效果

4.1 节水增发电量

流域梯级优化调度控制能够大幅提高水能资源利用率，充分发挥出流域综合经济效益，成效显著。以乌江流域为例，通过节能优化调度，2005—2011年，节水增加发电量3637 GW·h，平均每年节水增加发电量520 GW·h。

4.2 化石能源替代效益

在电网电量需求相同的前提下，水电节水增加发电量，意味着火电可减少发电量，由此产生化石能源替代效益。

若乌江梯级水电站优化调度年节水增加发电量按2005—2011年平均水平520 GW·h、火力发电标准煤耗按中国电力企业联合会2010年统计的312 g/(kW·h)计算，每年可替代标煤16.22万t。

4.3 污染物减排效益

按照联合国政府间气候变化专业委员会(IPCC)推荐的数据，火力发电二氧化碳排放系数取2.4600、二氧化硫排放系数取 0.016 5、氮氧化合物排放系数取0.0156、烟尘排放系数取0.0096(单位均为t/t标煤)。乌江水电节水增加发电量相当于减少火电厂燃烧煤炭，按上述系数计算，平均每年可减少网内火电厂排放二氧化碳39.91万t、二氧化硫2677 t、氮氧化合物 2531 t、烟尘 1558 t，对于减轻环境污染、保护大气环境具有十分重要的意义。

5 对梯级调度的建议

乌江流域在2009年后才真正形成多级水电站联调的规模，2005—2011年，乌江流域平均每年节水增加发电量仅为520 GW·h，与行业内专家的期望值相比还有较大的挖潜空间。为此，由中国华电集团公司立项、乌江公司具体负责实施，针对流域梯级水电站优化调度先后进行了多个科技项目研究，研究成果应用后效果十分显著，节水增加发电量呈逐年上升趋势，2010年已超过700 GW·h，2011年为历史最枯年份，但也超过400 GW·h。为了提高梯级优化调度水平、充分挖掘节水增加发电空间，笔者针对目前梯级调度的实际状况，结合科技项目研究成果及梯级调度实践经验，提出如下建议:

(1)积极争取国家政策支持。随着我国西南地区各大流域水电开发的大力推进，梯级水电站集中调度在近10年来获得蓬勃发展。由于流域集控中心(梯调中心)未列入电力调度体系，令梯级调度处境十分尴尬，工作无法有效开展。事实上，各集控中心(梯调中心)的运作实践证明，集控中心(梯调中心)作为电力调度机构的下级调度对象，严格遵循电力调度规程开展业务，不会影响电力调度机构的权威，更不会影响电力系统的安全稳定运行。相反，由于电力系统规模快速发展造成电力调度机构工作日趋繁重，集控中心(梯调中心)在电力调度机构统一调管下具体负责其所辖流域各电站之间的优化匹配、经济运行等细节工作，能够为电力调度机构分担工作压力，更有利于提高梯级优化调度水平，对落实国家节能调度、减排大气污染物政策具有重大意义。衷心期望中国电力企业联合会、中国电机工程学会、中国水力发电工程学会牵头协调，向国家发改委、电监会等相关部门提出建设性意见，争取国家政策支持，明确流域梯级调度的法定地位，以改变梯级调度无法可依、机制不顺的尴尬处境。

(2)梯级优化调度应引入电网约束条件。传统的梯级调度思路仅考虑流域范围内雨、水情，编制出理想化的优化调度方案，在实际执行中受电网运行的影响，结果偏差较大。集控中心(梯调中心)在梯级调度工作中，应引入电网安全约束、电力电量需求、水/火电份额等边界条件，获得贴近实际、可操作性强的调度方案。

(3)尽快出台梯级调度的行业标准。梯级调度作为一个新兴行业，目前尚缺乏相应的行业标准，导致技术支持系统建设、人力资源配置、工作流程设计、优化调度效益评价等方面均缺乏权威的参照，不利于行业的健康发展。建议尽快出台梯级调度行业标准，建立科学、客观、准确的评价体系，规范相应的技术手段和管理行为，推动梯级调度工作又好又快发展。

(4)就梯级蓄水、发电顺序达成共识。梯级调度的主要工作内容之一就是确定各水库的协调匹配运行，避免发生水量平衡失调导致弃水、拉至死水位的情况。必须明确电站蓄水、发电的优先顺序。电力调度机构与流域发电公司应就梯级蓄水、发电顺序达成共识。一是考虑各电站在梯级内的发电量权重，权重大的电站优先高水位运行，其耗水率降低对梯级综合耗水率降低的拉动作用更为明显。二是充分考虑各电站耗水率特性，耗水率曲线斜率大的电站对水位的变化更为敏感，应优先维持高水位运行。三是在梯级水库均高水位运行的情况下，电量权重大、耗水率低的电站应优先发电，让相同水量发更多的电量。四是让集控中心(梯调中心)在本流域内部自行优化机组组合，在满足电网需求的前提下减少旋转备用容量，通过提高梯级水电站整体负荷率来降低综合发电耗水率。

6 结束语

流域梯级水电站优化调度向技术进步、管理提升要电量，相当于在不增加投资、不需要移民的情况下多建了大、中型水电站，对加大非化石能源的消费比重、减少大气污染物排放意义重大。随着时代的进步和电力调度体系的发展变化，梯级水电站优化调度必将为国家节能减排做出更大的贡献。

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