沙坪二级水电站闸门动作频繁原因分析

汪文元，王孝群，张佳杰，龙岩，何滔，汪广明

（1.国家能源大渡河沙坪发电有限公司，四川 乐山 614300；2.河北工程大学水利水电学院，河北 邯郸 056038）

1 研究背景

沙坪二级水电站是大渡河流域规划22个梯级中的第20个梯级中的第二级，其枢纽主要由泄洪闸、鱼道、左右岸的挡水坝段、河床式厂房等建筑物组成。目前，该电站的发电与泄洪调度之间存在尖锐的矛盾，为了保证发电效益，同时兼顾运行安全，不得不频繁调整其泄洪闸门的开度。据统计，2018年电站泄洪闸门累计操作达18 746次，2019年6台机组全部投入运行后累计操作次数降低至6 612次，但仍高于大渡河流域其他全部电站同期累计操作次数的总和（4 876次），这严重影响了沙坪电站的运行安全。为此，有必要深入研究沙坪二级电站闸门动作频繁的原因，为电站泄洪与发电调度决策提供依据。

梯级水库系统除具有单一水库的功能外，各水库间还存在关联性和补偿性。其中，关联性体现在水库间径流的水力联系以及由水位差形成的电力联系；补偿性体现在由不同水库库容差异引起的防洪补偿和蓄放水调度引起的水文补偿[1]。以往对于梯级电站的调度研究多集中于利用智能优化算法实现发电效益的最大化和水资源的高效利用[2-4]，且往往倾向于研究优化算法的改进，以实现优化调度模型的高效稳定求解。当然，也有许多关于梯级水库多目标优化调度研究将更多因素纳入考虑，例如文献5在电站调度中综合考虑了发电效益、水质保持、鱼类保护等多个目标，并采用改进的线性规划和动态规划方法进行系统寻优；文献6在清江梯级水电站联合调度运行中将河流生态需求纳入考虑，通过引入径流生态离差系数，构建了生态均衡下的电站优化调度模型。然而，目前的研究几乎没有考虑泄洪与发电之间的配合，在梯级水库群调度优化计算中，通常仅将泄洪流量作为弃水考虑，并直接将多余的水量分配给闸门泄洪，而不考虑闸门动作的次数。

从水库自身特性、电站与上游梯级的水力联系、上下游梯级的电力联系以及电站运行特性等方面深入分析沙坪二级泄洪闸门动作频繁的原因，并探讨可能的解决方案。

2 沙坪二级水电站闸门动作频繁原因分析

2.1 沙坪二级水库特性

沙坪二级水库总库容2 084万m³，运行水位范围为死水位—正常蓄水位（即550.0～554.0 m），在4 m的水位运行区间内的库容只有585万m³，调节库容较小，电站的水位库容曲线如图1（a）所示。沙坪电站2019年运行数据显示，7—11月汛期内电站的水位基本都维持在553.5 m以上，主要原因是汛期出库流量较大，导致下游水位较高，为保证发电，不得不在高水位运行以提供足够的发电水头。

如图1（b）所示，假定初始时刻沙坪电站出入库流量平衡，当上游电站出库流量变化时，在不调整沙坪电站机组出力和闸门开度的情况下，库水位将迅速超过上限水位（554.0 m）。例如，当初始库水位为553.5 m时，若入库流量变化超过300 m3/s，水位将在40 min内越限；而当初始水位为553.75 m时，水位将在20 min内越限。可见，沙坪二级水库库容小，水位可调区间有限，因此库水位对于上游来流的变化十分敏感。

图1 沙坪二级水库特性

2.2 沙坪与上游梯级电站的水力联系

沙坪电站的上游梯级目前为枕头坝一级电站，两者属于上下游梯级。根据实地考察结果，两站之间没有大的支流汇入，因此在没有大暴雨的情况下，一定时间内枕头坝的出库水量几乎可以认为是沙坪电站的入库水量。进一步利用2个电站2019年全年运行数据，对枕头坝出库流量和沙坪入库流量开展相关性分析。其中，枕头坝出库流量来自于实际监测数据，沙坪入库流量无法监测，通过水量平衡原理进行反推：

根据反推得到沙坪电站2019年全年入库流量过程，并与枕头坝出库流量对比，如图2（a）所示。反推得到的沙坪入库流量存在较多毛刺，产生毛刺的可能性很多，例如水位瞬时波动导致监测误差、动库容等，但总体上2个流量趋势相同。此外，沙坪电站入库流量相对于枕头坝的出库流量过程有一个明显的延迟，这是由于流量由枕头坝下游流至沙坪坝前需要一定的径流演进时间。为分析径流演进时间，引入互相关函数：

图2 沙坪电站入库流量与枕头坝出库流量时间序列的相关性

事实上，一般认为不同流量的径流演进速度不同，为此分别选取了2019年1月1—31日（其间入库流量均小于2 000 m3/s）以及2019年7月16—31日（其间入库流量约为2 200～4 500 m3/s）2个时段的运行数据，分别进行互相关分析，如图3所示。流量小于2 000 m3/s时，径流演进时间约为85 min；流量大于2 000 m3/s时，径流演进时间约为70 min。可见，流量越大，2站之间的径流演进越快，这符合实际。

图3 不同流量下的互相关分析

总之，枕头坝一级与沙坪电站之间的水力联系紧密，通常情况下，一定时段内沙坪二级的入库水量可近似等于枕头坝一级的出库水量。流量自枕头坝下游到沙坪坝前，需要约80 min的径流演进时间，这为沙坪二级电站的水情预报、水位预测及水库调度提供了一定的条件。

2.3 沙坪上游梯级电站运行特性

沙坪二级电站的上游梯级为枕头坝一级电站。如图4所示，枕头坝一级电站与其上游的瀑布沟、深溪沟电站总装机容量498万kW，其组成的巨型水电站群是四川电网主力调峰调频基地。目前，这3个电站已投运3站联合EDC系统[7]，电力送出通道均为500 kV布坡线变电站，仅需3站总出力满足电网调令即可，3站之间的出力分配可通过厂间经济调度模型自由调配。枕头坝电站的实际出力在其上游2站的协同运行下拥有一定的调整空间。

图4 沙坪及其上游梯级关系示意

正因为枕头坝电站的实际出力有一定的灵活调整空间，造成了其发电流量的频繁变化，直接增大了下游沙坪二级电站的调控难度。仍以2019年运行数据为例，分别统计了枕头坝电站在汛期和枯水期流量变化不同量级的统计次数，如图5所示。图中流量变化量（假设为）A的统计方法为：15 min内累积出库流量变化量大于A且随后1 h内出库流量波动（即出库流量1 h内的平均流量）不超过0.1A。

图5 枕头坝电站2019年出库流量变化特性统计

结果显示，枕头坝电站的出库流量变化主要在500 m3/s以下，在非汛期的7个月内，流量变化100～500 m3/s的次数已超过2 900次；而汛期的5个月内，流量变化的频率明显高于非汛期，流量变化100～500 m3/s的次数已超过6 000次。在汛期，多数情况下沙坪电站（甚至几乎所有水电站）的增负荷申请不会被电网批准，由于沙坪电站对于入库流量的变化十分敏感，导致很可能有水位超限风险，不得不调整泄洪闸门的开度来保证水位不越限。

2.4 沙坪电站与上游梯级电站的电力联系

沙坪二级电站的电力送出通道为乐山500 kV蓝天变电站，而枕头坝电站的电力送出通道为500 kV布坡线变电站，2站的电力送出通道不同，从这一逻辑而言，2站的出力相关关系不大。但从上下游水量平衡的角度来看，尤其对于枯水期都不开启闸门的情况，沙坪电站的出力很大程度上受枕头坝电站的出力影响。因此，对2站的出力进行对比分析仍有必要。

通常而言，梯级电站在规划时，都会考虑上下游梯级之间的流量平衡，通过各电站的水头来安排装机容量，在假定各电站全厂效率相同的前提下，水头越高的电站装机容量越大。因此，只要下游电站与上游电站的出力保持一定比例，并考虑上游电站出库到下游电站入库（不考虑区间径流）的延迟时间，即可保证下游电站的库水位稳定。

为了便于分析枕头坝—沙坪电站之间的流量平衡，这里假设2个电站的全厂效率接近或相同，机组效率的计算公式如下：

由式（3）可知，当全厂效率η相同时，可采用水头H来对电站出力N进行标准化，由于此时N/H∝Q，电站出力N与水头H之比（即单位水头的出力）作为电站的过机流量的另一种表示，可同时分析2站出力关系以及流量的平衡。

2个电站在枯水期的典型日出力过程对比，如图6所示。在枯水期，2站的过机流量总体上量级相当，且日出力过程十分相似，但沙坪电站的出力过程的峰谷值相对于枕头坝一级的出力过程有一定滞后，滞后约2 h。这一延迟长于前文的80 min左右的径流演进时间，主要是因为沙坪电站的负荷调整操作滞后。虽然电站之间的流量长期平衡能得到保证，但短期内电站水位存在超限风险（特别是当运行水位在死水位或正常蓄水位附近时）。

图6 枯水期2站典型出力对比（2019年3月1日）

2个电站在丰水期的典型日出力过程对比，如图7所示。在丰水期，2站的日出力过程没有明显相关关系，且2个电站出力过程的峰谷位置无明显相似性。枕头坝的机组过机流量明显大于沙坪的过机流量，且存在频繁的阶梯式出力调整。这种情况下，沙坪电站已无法通过使其出力与枕头坝呈一定比例关系来实现流量的平衡，必须开启闸门。当枕头坝出库流量频繁变化时，导致沙坪电站对入库流量的预测不准确，不得不频繁操作闸门以维持水位的稳定。

图7 丰水期2站典型出力对比（2019年10月10日）

3 结论

根据上述分析，沙坪二级电站闸门操作频繁的主要原因如下。

（1）电站自身可调节库容较小，水位运行范围小，短期内入库流量的小幅度变化也会引起水位的较大变化。在汛期出库流量较大时，下游水位大幅上涨，为了保证一定的发电水头，电站需要在一个范围更小的高水位区间运行，给水位调控带来很大困难。

（2）由于瀑—深—枕三站联合调控，枕头坝的负荷调整更加灵活，意味着其出库流量变化更加频繁。这极大地增加了沙坪电站入库流量的不确定性，在电网固定负荷指令的要求下，沙坪二级电站不得不频繁操作闸门来维持水位，保证电站运行安全。

（3）枕头坝与沙坪电站之间水力联系紧密，但不存在电力联系。实际运行负荷的相关性分析表明，在汛期，2站的出力已不存在统计学上的相关性，在沙坪电站接受电网固定负荷指令的背景下，枕头坝出力或出库流量的变化多数情况下只能靠沙坪电站闸门的频繁动作来消纳。

（4）除了上述原因外，入库流量预测的不确定性，电站自身特性曲线（例如水位库容曲线、N-H-Q曲线、下游水位流量关系曲线、闸门开度流量曲线等）自身存在误差且可能随着运行发生变化，这给电站水位控制带来极大的困难，影响电站长期运行安全。

总之，沙坪电站闸门动作频繁的根本原因是其自身对上游来流变化十分敏感，而上游来流变化又十分频繁，加之电站受电网固定负荷指令支配，只能通过频繁动闸来实现水位控制。显然，电站自身的库容特性无法改变。因此，要降低闸门动作次数，需要利用枕头坝下泄到沙坪入库之间约80 min的径流演进时间，寻求更灵活的负荷调整方式。例如，电网有意识地提高沙坪电站负荷调整申请的通过率，或者直接给予沙坪电站一定的负荷自由调整权（比如电网负荷指令为200 MW，在此基础上沙坪的实际出力为200±30 MW）。