澜沧江梯级水电站发电与机组检修联合优化研究

郭有安，管 镇

(华能澜沧江水电股份有限公司集控中心，云南昆明650214)

0 前 言

传统的机组检修模式中，水电机组检修一般安排在枯水季节，不会对发电运行产生较大影响。但对于梯级水电站而言，枯期龙头水库可以发挥补偿调节作用向下游供水，机组检修安排变得更为复杂。澜沧江梯级水电站已拥有小湾、糯扎渡两个多年调节水库，为梯级水电站枯期大方式发电运行创造了良好条件。传统的机组检修模式不仅与枯期大方式发电运行相矛盾，而且单个电站检修安排会对整个梯级运行方式产生干扰，因此必须结合水库消落、电力供需、主要设备检修、检修资源调配等因素在梯级水电站之间统筹安排发电运行和机组检修。

目前国内对机组检修优化模型和方法开展了一定的研究，部分从电网调度角度出发，以满足电力供应和电网系统运行安全为目的，如等备用模型、最小缺电量模型等[1]、[2]；部分从发电企业角度出发，以设备可靠性、检修成本、企业之间公平性为目标，提出发电企业机组检修优化策略，大多数适用于火电企业[3]、[4]。而水电机组检修优化研究较少，特别是将梯级水电站发电及机组检修策略进行联合优化尚未开展系统研究。本文针对澜沧江流域梯级水电站，提出以等效总发电量最大为目标进行发电与机组检修联合优化计算，在保证优化调度运行的基础上合理安排机组检修，提高发电效益。

图1 水电站备用容量及检修影响电量示意

1 澜沧江梯级水电站概况

澜沧江是湄公河上游河段在中国境内的名称，澜沧江干流水电基地是“中国十三大水电基地规划”之一，云南省境内澜沧江干流河段共规划了15个梯级水电站。目前，澜沧江干流已建成投运功果桥、小湾、漫湾、大朝山、糯扎渡、景洪两库六级电站，总库容415亿m3，总调节库容221亿m3，总装机容量1 572万kW，平均年发电能力700亿kW·h左右。

2 数学模型

2.1 检修影响电量定义

大多数水电厂都会承担一定的调峰任务，特别是枯水期，水电站负荷往往呈现明显的峰、谷现象。若水电站检修安排较为合理，那么水电站可用容量应能满足发电高峰的负荷安排，并能预留部分备用容量。相反，若同时检修的机组较多、在系统用电高峰就会出现可用容量不足的情况，被迫降低出力运行，从而产生部分电量损失，详见图1。

但是值得注意的是，这部分影响电量并非真实损失，一般情况下通过减少调峰运行时间等方式避免损失，因此这部分影响电量一定程度上只是衡量电站机组检修是否合理的一个指标，可定义为

(1)

式中，E*为检修影响电量，kW·h；Np，i为i时段该水电站典型或计划负荷值，kW；Nu，i为i时段该水电站可用容量或最大出力，kW；t1、t2以及t3、t4分别高峰时段典型或计划负荷超过电厂可用容量的始、末时间，Δt为时段长，h。

2.2 目标函数

发电和检修是本文关心的两个目标，前者希望梯级水电站通过优化调度获得更多的发电量；后者则希望避免机组检修及发电运行产生矛盾，尽量减少损失电量。该问题属于多目标优化范畴，其目标函数为等效总发电量(梯级总发电量与检修影响电量之差)最大，可表达为：

(2)

2.3 约束条件

(1)水位约束

Zm，t，min≤Zm，t≤Zm，t，max

(3)

(2)电站出力约束

(4)

(3)出库流量约束

(5)

(4)水量平衡约束

(6)

(5)检修约束。主要包括：机组检修期约束、检修连续性约束、检修机组台数约束、线路检修约束等。

表1 常规优化调度模型计算结果及检修影响

表2 联合优化模型计算结果及检修影响

3 模型求解

根据目前澜沧江梯级水电站的实际情况，小湾、糯扎渡两库在优化计算过程中占有重要地位，因此本文在计算过程中将整个澜沧江梯级简化为小湾、糯扎渡的双库系统，其他梯级水电站则视为径流式电站。同时考虑到检修资源配置等因素，一般情况下机组检修在时间尺度上尽可能平均安排，避免同一电厂多台机组同时开展检修。

联合优化计算的总体求解思路是通过逐次逼近算法(DPSA)迭代搜索机组检修方式，同时嵌套逐步优化算法(POA)进行梯级发电优化运行计算，从而获得最优解。其求解步骤如下：

(1)采用常规调度方法计算梯级水电站运行方式，按照检修约束条件依次安排全部电厂机组检修。

(2)计算检修影响电量，确定需要优化检修的机组台数j。

(3)调整第k(1≤k≤j)台机组检修位置，固定其余机组的检修位置。

(4)利用逐步优化算法(POA)以梯级水电站等效总发电量最大为目标进行水库优化调度计算。

(5)令k=k+1，重复(3)、(4)步直至k=j，完成一次迭代计算。

(6)重复(3)～(5)步，直至梯级水电站等效总发电量不再增加或满足精度要求，计算结束。

4 澜沧江梯级发电与机组检修优化实例

4.1 检修计划及各电站典型负荷曲线

以某年度澜沧江梯级水电站机组检修优化为例验证模型计算结果的合理性。该年度计划检修期为11月～次年5月，检修总工期达1 318台·日，春节期间除已开工检修外不安排机组检修。

综合分析近几年梯级电站枯水期逐日发电负荷曲线，得到各电站典型日负荷曲线，其中除景洪电站因下游航运影响基本承担基荷外，其余电站均不同程度的承担系统调峰任务。

4.2 发电与机组检修联合优化

该年汛末(10月末)小湾、糯扎渡水库分别已蓄至正常蓄水位附近，计划在汛前(次年5月末)分别消落至1 175、775 m附近。为尽可能接近实际运行情况，考虑部分市场需求因素，利用本文联合优化模型按偏枯10%、多年平均、偏丰10%三种来水条件进行计算，并与常规优化调度结果进行对比。联合优化结果显示，11月～12月梯级检修容量较原计划有所提高，3月～5月检修容量较原计划有所降低；发电优化方面尽管梯级总发电量较常规优化有所减少，但是梯级等效总发电量提高很多；同时由于考虑了部分市场需求因素，整体上更加接近实际。详见表1、表2、图2及图3。

4.3 延长机组计划检修期

由表2可以看出，在考虑发电备用容量时，3种来水条件下检修影响电量还在9亿～18亿kW·h，检修影响仍然很大。考虑到汛前小湾、糯扎渡已经消落到比较低的水位，两库在汛期前段(6月、7月)一般优先蓄水让电，梯级电站负荷不高，具备延长计划检修期的条件。将该年度计划检修期扩大为11月～次年7月，进行联合优化计算。计算结果表明，计划检修期延长后，不仅梯级电站枯期总发电量略有提高，检修影响电量也有大幅降低，机组检修对发电运行的影响已降低至可以接受的范围内。详见表3。

图2 多年平均来水条件下常规优化与联合优化结果对比

图3 多年平均来水联合优化后梯级检修容量及可用容量

来水情况梯级总发电量/亿kW·h检修影响电量(无备用)/亿kW·h等效总发电量(无备用)/亿kW·h检修影响电量(10%备用)/亿kW·h等效总发电量(10%备用)/亿kW·h偏枯10%40251001402521240039多年平均423160184229827142045偏丰10%447910944469736644425

5 结 语

(1)针对具备较好调节能力的梯级水电站在检修期存在的发电与机组检修相互影响的问题，定义了机组检修影响电量，提出了梯级电站发电与机组检修联合优化的梯级等效总发电量最大模型。

(2)利用逐次逼近算法迭代搜索机组检修方式，同时嵌套逐步优化算法进行梯级发电优化运行计算，通过不断迭代逐步寻优，从而获得满足各类约束条件的最优解。

(3)利用联合优化模型对某年度澜沧江梯级电站发电运行及机组检修进行了联合优化实例计算，取得了符合实际的梯级电站发电运行方式及机组检修方案，验证了模型及算法的合理性。

(4)常规水电机组检修期一般安排在11月～次年5月，计算结果表明常规机组检修对梯级水库枯期消落及发电运行产生较大影响，对于澜沧江梯级水电站而言，建议在多年平均或偏枯来水条件下，检修期可延长至7月末；当汛期来水偏丰时，检修期可延长至7月中旬。

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