基于智能水电站的机组能效状态评价方法

田德智，张乐辰，李 宇，张太衡

(1.华电西藏能源有限公司大古水电分公司，西藏 山南 856200；2.华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

现如今，电力行业已从电力供应不足时代粗放式的发展模式转变为寻求低成本、高效率、低污染的生产方式。水电作为可再生的清洁能源在新时代的发展需求下有着广阔的发展前景，如何做到高效率的安全生产是水电企业必须思考的课题。在实际生产工作中，水电机组的运行状态和发电效益受到多个环节的影响，对机组作能效评价是保证机组经济运行的有效手段。

随着国务院《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》、国家发改委、能源局《关于促进智能电网发展的指导意见》等文件的出台，推进能源生产、消费智能化，带动产业升级转型，构建安全高效的智慧能源体系已成为能源企业今后的发展方向[1]。在智能水力发电模式下，对机组能效状态进行实时监测，有助于动态了解机组运行过程的性能和效率，一方面保障电站生产的安全性和可靠性，另一面保障机组运行在高效率范围，提高电站生产效益[2]。

DG水电站作为华电集团公司新建水电站代表，在集团公司《智能水力发电系统技术导则》要求下开展智能水电站建设的试点研究。基于一体化平台开发和建设各功能模块，经过智能应用分析和处理的结果存储在一体化平台并可供其他应用访问及使用[3]。智能水电站的建设为在线监测机组能效状态提供了平台和数据来源。本文基于DG智能水电站建设提出水电机组能效评价方法[4-5]，为该电站在运行期的高效、安全生产提供保障。

1 智能水电站建设思路

1.1 智能水电站设计思路及体系架构

该智能水电站遵循《电力监控系统安全防护规定》的要求，采用“横向分区、纵向分层”的方式设计并建设横跨安全I区、安全II区以及安全III区的厂级智能水力发电一体化平台，实现数据统一采集、编码、存储和处理，消除“信息孤岛”。其中，平台安全Ⅰ区应具备计算机监控功能，平台安全Ⅱ区应具备经济运行(优化调度)和设备状态在线监测功能，安全Ⅲ区部署大坝安全分析、经济运行、水电远程诊断、防汛决策支持、安全防护管理等应用。

DG智能水电站一体化平台安全Ⅱ区和管理信息大区采用虚拟化架构，打破传统单服务器单应用的传统物理架构设计模式，实现应用抽象化，并使其与基础硬件架构分离。一体化平台安全Ⅱ区和管理信息大区部分自底向上分为物理层、虚拟化层、数据平台层及服务层，为各应用提供数据及服务支持。

1.2 水电诊断平台架构

水电设备的安全运行是水电企业发展的基础，DG智能水电站设计中安全Ⅲ区部署了水电远程诊断平台，DG水电站的机组能效评价功能于该平台中实现。水电远程诊断平台采用B/S架构，从下到上分为4个层次:数据源层、数据采集层、存储计算业务逻辑层和数据展示层，如图1所示。

图1 水电远程诊断平台软件架构

数据源层位于系统平台的最底层，为平台提供数据来源(建设期基本数据，生产期机组运行数据)。数据采集层用于采集实时生产数据和关系设备健康指标数据。存储计算业务逻辑层针对数据层进行操作，处理数据业务逻辑。业务逻辑层具体包括状态监测、故障诊断、量化评价、能效分析等模块。系统各功能模块采取插件式，可选择加载，可独立配置运行。模块间的交互只在底层数据访问层进行，做到“高内聚，低耦合”。数据展示层为展现给用户的界面，即用户在使用系统时的所见所得。

水电远程诊断平台的建设实现了水电机组主设备预知性检修，监管机组或设备的检修、维护及更新改造状况，实时监管水轮发电机组主设备的运行状态及主要状态参数，可实现相关指标的对标分析、主设备的预警、状态评价和能效评价，实现水电机组远程诊断平台与其他相关系统的集成，以及对电站运行效率的监控等，对提高水电设备的可用率、机组的运行效率、安全性、可靠性和经济性具有重要意义。

2 能效评价方法

2.1 指标评价规则

能效为能源利用效率的简称，即有效能量与输入能量之比，客观地反映了产品的能量利用性能[6-7]。水电站能效为水能转换为电能的效率，从能效定义出发，本文提出的水电机组能效状态评价方法确定了4个核心指标，耗水率、水轮机效率、导叶漏水率、引水损失率。其中耗水率体现综合调度、机组能效；水轮机效率体现发电状态下水轮机能量转换性能；导叶漏水率体现机组停机状态下的导叶性能；引水损失率体现发电状态下的引水流道性能。

2.1.1 耗水率

耗水率为发电用水量和发电量的比值，是用来表征发电机效率的重要参数[8]。由于不同能效评价指标的量纲不同，需将实际值采用一定标准进行折算。选用机组耗水率作评价指标，以多年平均耗水率(10年总发电用水/10年总发电量)为目标值(对于新建电站，可由专业人员自行设定耗水率目标值，在积累一定历史数据后再进行调整)，求误差占比[9]，构造公式(式1)将耗水率折算为0～100区间的数值(得分)：

(1)

式中：a为多年平均耗水率，m3/kWh；q为耗水率实际值，m3/kWh。

以多年平均耗水率(目标值)3.50 m3/kWh为例，表1为部分耗水率实际值的对应得分，若得分F1>100，取F1为100，若得分F1<0，取F1=0。

表1 耗水率指标折算示例

2.1.2 水轮机效率

水轮机效率指水轮机输出功率和输入水流功率的比值。水轮机效率体现了水轮机对水流能量的有效利用程度，对表征机组能效状态有显著意义[10]。将机组水轮机效率折算为0～100的数值(得分)，由于该指标为机组发电态下的实时值，受水头、负荷变化的影响大，特选取时段内水轮机实际最优效率和实际最优效率出现工况(水头、负荷)下对应的设计效率(目标值)作对比，最优效率定义为水轮机各工况中效率的最大值。经测算后构造折算公式：

(2)

式中：a为水轮机设计效率，%；q为水轮机实际最优效率，%。

以某工况下设计效率(目标值)96%为例，表2为部分实际最优效率对应得分，若得分F2>100，取F2为100，若得分F2<0，取F2=0。

表2 水轮机效率指标折算示例

2.1.3 引水损失率

天然来水在通过拦污栅、进水口、引水管道到水轮机，经尾水管排入河道的过程中势必产生各种水头损失，引水损失率的定义为：当前水头损失(毛水头—工作水头)占毛水头的比例。

(3)

式中：ls为机组引水损失率实时值，%；Hm为毛水头，上下游水位差，mm；H为净水头(工作水头)，mm。

引水损失率为机组发电状态下的实时值，由于不同电站机组的引水损失率差异较大，对该指标的评价采用对标自身的纵向评价[11]。选取时段的机组引水损失率最大值作为实际值，电站机组检修(大修)后额定负荷下的测试引水损失率作为目标值(目标值由电站专业人员确定)。将实际引水损失率折算为0～100的数值(得分)，经测算后构造折算公式：

(4)

式中，lb为机组引水损失率标准值，%。

以引水损失率(目标值)3%为例，表3为部分实际引水损失率最大值对应得分，若得分F3>100，取F3为100，若得分F3<0，取F3=0。

表3 引水损失率指标折算示例

2.1.4 导叶漏水率

导叶漏水率为机组停机态下的实时值，将导叶漏水率实时值折算为0～100的数值(得分)，选取时段内机组导叶漏水率最大值与标准值对比[12]。标准值定义为额定水头下，圆柱式导叶漏水量不应大于水轮机额定流量的3‰。圆锥式导叶漏水量不应大于额定流量的4‰[13]。经测算后构造折算公式：

(5)

式中：a为导叶漏水率标准值，%；q为导叶漏水率实时值，%。

以导叶漏水率(目标值)0.30%为例，表4为部分实际导叶漏水率对应得分，若得分F4>100，取F4为100，若得分F4<0，取F4=0。

表4 导叶漏水率指标折算示例

2.2 指标权重确定

本文确定指标权重从指标特性出发，考虑其反映机组能效状态的重要程度来确定权重的区间范围，生产应用中电站可以根据实际情况和需求确定具体值。

机组耗水率为综合性指标，受调度、水情等其他非机组能效因素影响较大，在评价规则中赋予其较小权重，权重区间为5%～10%。从目前大多数水电站机组的运行情况来看，水轮机效率通常能体现90%以上的毛水头能量，引水损失率通体现毛水头能量的百分之几，导叶漏水率通常体现毛水头能量的千分之几。根据三个指标体现毛水头能量的数量级，确定其权重区间分别为：水轮机效率50%～75%，引水损失率15%～25%，导叶漏水率5%～15%。

2.3 机组能效状态评价规则

水电诊断平台的能效分析功能模块对电站所有机组的能效状态作每日滚动评价[14-15]，评价时刻为每日00:00时刻。完成每日评价后，更新当月的机组能效状态。对电站的耗水率、机组水能利用率、水轮机效率、导叶漏水率、引水损失率等机组能效指标进行对比展示。机组的能效状态采用绿(优)、黄(良)、橙(中)、红(差)来表示机组当前的能效状态，能效等级对应的得分区间如表5所示。

表5 机组能效状态评价规则

3 结 语

智能水电站的建设为在线实时监测机组等效状态提供了平台和数据来源，为更直观高效的评估机组能效，提高能源利用率，及早发现不安全因素等提供了技术支撑和保障。本文以新建的DG水电站为例，论述了DG在智能水电站建设规划中的设计思路，诊断平台的系统架构，并以规划的智能水电站功能应用为基础，提出了适用于该架构的在线评价机组能效状态方法，确定4个核心指标折算公式、指标权重，以及机组能效状态的评价规则。基于智能水电站的机组能效评价方法是在数字化、信息化、智慧化手段下对传统评估手段的升级革新，机组状态的动态更新使得评估结果更具实时性、实用性。