关于梯级水电站群联合优化调度及其自动化系统建设探究

王冉旋

摘要：随着我国经济发展水平的不断提高，我国的水电站建设越来越趋于制度化、规范化以及科学化，在水电站建设过程中，流域梯级大规模的水电站是非常重要的一个建设项目，其建设结构是一个复杂庞大的系统，受各种自然条件的影响较大。因此，加强水电站联合优化调度自动化系统建设是非常重要的。

关键词：水电站联合优化自动化

中图分类号：TV74文献标识码： A

随着我国梯级水电站建设规模的不断扩大、建设手段的日趋多元化、梯级水电站与水力和电力的联系越来越紧密，不同的调度需求以及调度目标之间的关系越来越复杂，竞争关系日渐凸显。因此，提高水电站联合优化水平以及自动化系统应用是非常重要的。本文主要以喀什河流域水电站群为例，对梯级水电站群联合优化的方法以及自动化系统的应用进行了分析，表现了目前我国整体的梯级水电站优化调度的水平。

一、喀什河流域进行梯级水电站建设现状

国电新疆吉林台水电开发有限公司在新疆伊犁喀什河流域进行梯级水电站开发，自上而下分别萨里克特、塔勒德萨依、吉林台一级、吉林台二级、尼勒克一级、温泉，共6个梯级水电站。其中，萨里克特水电站装机80MW，已经开工建设，为引水式电站，四台混流式水轮发电机组，其中两台机组单机装机10MW，两台机组单机装机30MW，预计2014年底建成；塔勒德萨依水电站装机80MW，已经开工建设，为引水式电站，四台混流式水轮发电机组，其中两台机组单机装机10MW，两台机组单机装机30MW，预计2015年建成；吉林台一级水电站为龙头电站，装机500MW，四台混流式水轮发电机组，单机装机125MW，为不完全多年调节水库，总库容25.3亿立方米，负责电网调频调峰，以发电为主，兼具灌溉和防洪效益，已投产发电；吉林台二级水电站装机50MW，两台混流式水轮发电机组，单机装机25MW,为吉林台一级水电站的反调节水库，日调节，库容0.1亿立方米，已经建成，并已投产发电。尼勒克一级水电站装机240MW，引水式电站，四台混流式水轮发电机组，单机装机60MW，已经建成，并已投产发电；温泉水电站装机135MW，为周调节水库，四台混流式水轮发电机组，单机装机45MW，已投产发电。除了中国国电开发建设的6级水电站以外，在温泉水电站大坝下游12km处已建成有电网公司所辖的托海水电站，其中四台装机总容量为60MW，单机15MW，水库具有周调节性能。各梯级电站具体指标详见下表：

序

号 电站 控制流域面积（km2） 正常蓄水位（m） 调节性能 装机容量

(M W) 调节库容（亿m3） 开发

方式

1 萨里克特 2576 1915 80.0 混合式

2 塔勒德萨依 3047 1780 80.0 混合式

3 吉林台一级 6163 1420 不完全多年调节 500.0 15.12 坝式

4 吉林台二级 6200 1282 日调节 50.0 0.10 坝式

5 尼勒克一级 6290 1234 240.0 引水式

6 温泉 8500 955 周调节 135.0 1.15 坝式

二、新疆伊犁喀什河流域梯级水电站开发理论内容分析

新疆伊犁喀什河流域梯级水电站进行联合优化调度的关键问题是梯级水电站联合优化问题，主要包含两方面的内容，首先是梯级水电站之间的联合问题，就是指各个水电站之间的联合优化；其次，水库的联合调度和水电站发电控制相关的横向联合方式，就是指水电站优化方式的联合问题。

（一）新疆伊犁喀什河流域梯级水电站水文状况分析

新疆伊犁喀什河流域梯级水电站水文主要包括短期洪水预报和中长期的径流预报两方面。短期的洪水预报主要是通过定时滚动的方式实现预报；一般来说，短期的水量预报时间为3天，短期预报的研究包括：

1、喀什河流域处于高寒地区（海拔与水系图如下图所示），洪水来源主要是河源区高山带冰川和永久性积雪的融冰雪水，同时夏季降雨也多集中在上游河段，产洪区主要集中在吉林台以上。由于喀什河的洪水主要由融冰雪水形成，洪水量级的年际变化较小，喀什河的洪水过程可分为消融型洪水和消融与暴雨叠加的混合型洪水。水文预报涉及降雨径流预报、融雪预报和河道汇流预报三部分，对于消融型洪水和消融与暴雨叠加的混合型洪水，产汇流模型中必定需要包含融雪径流部分，因此该流域水文预报模型选择了适合高寒地区，具备融雪径流功能的新安江改进型融雪径流模型和SRM融雪径流模型作为实时预报的产汇流模型。

2、实时预报模型的修正状况。该流域大部分站点为新建站点，没有历史资料，因此短期水文预报更多的关注河道汇流演算和梯级电站/水文/水位站自上而下的逐级校正。这种模型利用气象数值预报与洪水预报的耦合技术，同时基于预报误差序列的自适应滤波算法、基于卡尔曼滤波的马斯京根矩阵解法、反馈模拟实时校正算法三种先进、稳定的实时校正算法基础上，根据前期拟合段试校正效果，自适应挑选一种在拟合段最优的校正算法，用于各级子流域实际预报段校正，从而实现全流域的合理校正，满足了预见期和精度的要求。

（二）梯级水库群中长期径流预报状况分析

径流的中长期预报已经成为当今水资源开发利用中不可缺少的非工程措施、，它对于水库调度、防洪减灾、科学治水等方面都起到不可替代的作用。就水电站水库及水利系统控制运用而言，一定精度的径流中长期预测将是实现水库优化运行、提高水资源利用效率、增加水电站发电效益的重要基础，而且还为水库的防洪安全提供依据，实现了经济性与安全性的统一。

喀什河流域的中长期径流预报的数据是水电站制定计划的数据基础，主要的内容是对未来月份的中长期径流状况进行预测。研究体现在以下几个方面：

1、预报模型以及流量因子的选用分析。因为喀什河流域的面积较大，所处的地理位置是较为复杂的伊犁河谷，气候温和湿润，属于温带大陆性气候，气象条件极不稳定。预报中，主要考虑以旬、月、年为时段三种，对萨里克特、塔勒德萨伊、吉林台一级、吉林台二级、尼勒克一级、温泉水电站分别建立相应的模型，对入库和区间来水进行预报，预报成果为中长期调度提供原始数据来源。针对中长期来水特点和中长期径流预报方法的分析，预报模型将选取人工神经网络、支持向量机及门限多元回归等多种非线性预报方法，并充分考虑该地区融雪对径流的影响，将气温、积雪厚度、积雪面积、雪密度等信息纳入到模型中，作为影响因子，参与预报计算，有效的解决因为气象条件不稳定、下垫面较小而影响预报的难题，由此形成了适合喀什流域的中长期水文预报模型。

2、技术路线的应用状况分析。针对流域的实际情况及预测所需资料获取的便利性，根据中长期水文预报的不同特点，采用相应的模型，以人工神经网络、门限多元回归及支持向量机等单一预报模型为基础，通过最优组合预测手段，完成中长期水文预报，并保证必要的精度。

（三）对于喀什河流域水电站调度建模（侧重发电调度）的方法

由于喀什河梯级电站投产运行特点，梯级水电站联合调度结合投产运行的时序，提出满足不同时期需求的梯级调度方案，并具有良好的系统扩展升级功能。整个梯级联合调度分为防洪调度和发电调度两大部分。本文侧重介绍发电调度，发电调度除考虑预报入库来水、梯级水电站间的水力联系、水库综合利用要求和运行边界约束、水流传播时滞等条件外，还要考虑电网运行约束、水库长中短期套接问题，以充分挖掘水库运行的水头效益、水量效益和水库间的补偿效益。此外，计划方案还必须考虑电站的特性。喀什河流域发电计划有如下特点：

a)电站间、梯级电站间、蓄能电站上下库间水力联系密切、相互关系复杂；

b)电站众多，运行方式和发电计划协调分配复杂；

1、调度目标的确立方法。对于喀什河流域水库群发电优化调度的方法，主要研究的内容是中长期发电优化调度和短期发电优化调度，优化调度模型的主要目标有3个分别是：水电站调度期内发电量最大，期望发电量/发电收益最大模型及水电站调度末期梯级水库蓄水能力达到最大。

2、发电计划的的制定过程（如下图）

3、梯级水库蓄能模型的建立过程。在已经知道了水电站调度初期水库的水位状况、以及调度期各时段入库径流以及调度期梯级各时段应发负荷(或电量)情况下，就要在梯级水电站间进行负荷的合理分配，要对发电水头进行抬高处理，以便增加梯级水电站系统蓄水能力，为以后水电系统安全、稳定、经济运行创造了条件。

通过以上的研究分析，在结合了喀什河流域水电站的实际发电情况以后，提出了求解高维复杂梯级水库群梯级蓄能最大模型的动态搜索法和快速遗传分配法，这两种算法的理论推导严密度非常高，具备计算运行速度快、搜索效率高等特点。

三、对于喀什河流域水电站联合优化调度技术应用研究分析

喀什河流域梯级水电站的规划建设时间不同，水库规模、装机规模、机组型式各异，水库调节性能与运用方式等差异大，给业主的生产管理带来了一定难度。喀什河流域梯级水电站集中控制系统的建设可实现对流域各梯级水电站实行统一集中管理、对梯级水电站实施统一调度和机组的远程集中控制，集中控制系统建于喀什河下游伊宁市，分为水调、电调两大块，将统一负责流域的水雨情信息收集、防洪与运行优化调度，保证电站防洪安全运行、充分发挥了梯级的发电及其它综合效益。

喀什河流域水情及水调自动化系统是集控中心自动化系统的重要组成部分，负责原始水情数据采集和水情数据处理，为梯级电站的预报和水库调度等工作提供水情实时数据和水情预报数据。

（一）自动化控制系统的应用

中国国电新疆吉林台水电开发有限公司已经建成共6个梯级水电站分别接人不同区域电网，因为电网的运行受各种条件的影响，其安全与稳定的运行具有一定的特殊性，从而使电网的复杂多变性增强。通过研究梯级水电站优化运行方式和控制策略，建立了水电站流域经济调度自動化系统，与新疆中调信息管理系统联接，向其提供流域各电站的生产运行信息，并接受新疆中调向其下发的流域负荷曲线，配合发电自动控制(AGC)实现了6个梯级水电站经济运行。

（二）系统平台的应用方法

喀什河流域水电站的系统平台主要采用了“分项建设、逐步集成”的建设方法。并按照网络设计的基本原则，在对流域水电站群联合优化调控系统网络进行了设计和搭建后，通过一些安全的技术手段实现了系统的互连，对数据的安全通信问题得以有效的解决。

（三）安全控制系统的应用

为了确保流域水电站群联合优化调控系统网络的安全，有效的抵御黑客、病毒、恶意代码等形式的恶意破坏和入侵，防止电站系统出现崩溃或瘫痪现象，以及由此造成的安全事故，该电站按照“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的总体原则，设计时将整个网络系统分成生产控制大区和管理信息大区，生产控制大区分为控制区和非控制区，在相关的控制区部署硬件防火墙，以实现各个区域的逻辑隔离、报文过滤、访问控制等功能，将流域集中监控系统与流域水调自动化系统通过硬件防火墙进行连接，使网络数据交换实现安全和快捷。

结语：

本文主要喀什河流域的水电站群联合优化调度及其自动化系统建设方法进行了深入的研究，通过结合当地的水文特征以及地质构造，探索了喀什河流域梯级水电站群联合优化调控的生产管理模式，实现了喀什河流域水电站的高效科学发展，并对我国各地的梯级水电站群开展联合优化调度工作起到了借鉴作用。

参考文献：

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