赵廷红 ZHAO Ting-hong；汪潭 WANG Tan；张赛 ZHANG Sai
（兰州理工大学，兰州 730050）
摘要：本文针对目前小型梯级水电站面临的一系列问题诸如发电不稳定、对下游生态环境影响大等问题，提出了一种新的优化调度方式——在保证生态流量下以整个梯级水电站发电稳定为最优准则，同时在发电的时候充分利用小型水电站启停灵活的特点，使水电站出力与当地的用电情况相适应，以达到简化调度的目的。
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关键词 ：小型梯级电站；发电稳定；保证生态流量
中图分类号：TV697.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）17-0154-03
作者简介：赵廷红（1974-），女，甘肃临夏人，兰州理工大学，教授，博士，研究方向为水电站优化调度；汪潭（1988-），男，陕西西安人，硕士研究生，研究方向为水电站优化调度。
0 引言
为提高电力能源使用效率，节约能源，降低环境污染，促进能源和电力结构的调整[1]，确保电力系统安全、高效运行，实现电力工业可持续发展，国家提出了开展节能发电调度以充分利用水电这一可再生能源、实现节能减排的战略目标[2]。我国水利资源丰富，有众多流量大，流域面积广的河流。在这些河流上都有众多的大型的梯级电站。国家对这些大型的梯级电站都做了十分详细且合理的规划，这些梯级电站的合理规划对发电有着重要的意义。与之相对应的小型水电站则由于其发电不稳定，以及对下游流域环境的影响较大一直以来都得不到重视。然而，我国的小水电资源也十分丰富，可开发容量约在1.55亿kW，而且分布广泛，主要在湖南、湖北、广东、广西、河南、浙江、福建、四川、江西、云南、新疆等地分布[3]。
在绿色低碳环保大背景下，水电作为清洁绿色的可再生替代能源，具有灵活性和便捷性特点，展现出强大的发展潜力和生命力。大力发展农村小水电，不仅缓解了农网电力不足的问题，而且推动当地农村经济的发展。通过开发小水电，使许多河流得到了治理，有效地提高了防汛抗旱的能力，改善了当地生态环境与生产生活条件。但是由于其自身丰枯矛盾突出、变压器配置不合理、线路电损较大、调节能力有限、电压的质量和稳定性较低等一系列缺点，使得大规模的小水电接入电网，必然会对主系统的运行产生影响。
1 梯级水电站优化调度最优准则
梯级水电站是水利系统和电力系统的耦合，其运行需要在满足防洪、灌溉等要求的基础上发挥其在电力系统中的作用，故确定其运行方式是一项复杂的工作，需要先制定满足特定要求的优化准则，才能够衡量优化调度的效果。
①国民经济效益最大或国民经济费用最小。
这种优化准则虽然在理论上比较全面，但是运用到实际中还是有较多的困难。因为如上文所说，梯级水电站在发电的同时还要兼顾一些其他的特殊要求，所以国民经济效益除了发电效益以外，还包括防洪避难、农业灌溉、河流航运、渔业养殖、水库娱乐、工业供水、生活供水等，在这些效益中有的是正效益，有的是负效益。而且有些效益（例如农业灌溉效益、防洪避难效益）除了与供水有关外，还与其他因素（如人工栽培技术、种子好坏、洪灾人畜疏散路线设计、洪灾损失等）有关，且这些其他的效益也不可以用同一个指标来衡量。
②梯级水电站发电量最大。
梯级水电站形成之后，刚开始其并不是出现在一个大的电力系统当中，而是在一个小流域的几个小型梯级水电站共同形成的一个梯级水电站，所以该水电站往往孤立于一个地区性的子系统当中，这时候发电量往往都是供不应求的，所以在这一阶段，我们往往追求的是如何利用有限的水资源尽可能的多发电。所以这个准则仅适应梯级水电站为一孤立供电系统或者在一些流量较小的河流上的小型的梯级水电站，并且电量供不应求。前几乎所有梯级水电站都联入大电网，什么时间发多少出力，需要受大电网的调度限制，不可任其行事[4]。
③梯级水电站总蓄能量最大。
该最优准则是将整个梯级水电站的总蓄能量作为目标函数，从整体出发考虑梯级电站的能量储存，是梯级水电站水资源调度中很合理的优化准则，但只是从资源优化的角度出发考虑，不一定符合电力市场机制下梯级水电站的整体运营[5]。
④梯级水站总耗水量最小。
这种调度准则是国内广泛采用的准则，正是因为它既可以满足大电网对整个梯级电站的出力要求，又能节约用水，真正达到了整个梯级电站的经济运行[6]。然而在应用实践中研究发现，该最优准则会造成水头最高的水电厂耗水量最大，从而容易造成放空该水库或低水位运行的现象。
综上所述，本文提出一种新的调度准则，即在保证生态流量下以发电稳定为最优准则。近些年来一些私人的小型梯级水电站为了追求最大利益，在谷电价时尽可能的蓄水，在峰电价时开闸放水造成电站下游流域的流量变化很大，生态状况极其恶劣，有些电站的下游甚至会出现断流。使得电站下游的渔业养殖、灌溉等都受到了极大的影响。为了响应国家可持续发展的号召，所以本文认为水电站发电要在保证该流域生态流量的情况下进行，不能影响电站下游的生态环境。
2 数学模型
2.1 目标函数
为了简化建模本文将分别计算两级电站在各个时段的出力，然后将两个电站的出力叠加起来就是整个梯级电站的出力。出力计算公式采用的是
3 工程实例
本文取西北某一条河流上的一座梯级水电站上的两个电站C和D作为研究对象，来进行具体的计算分析。表1是该梯级电站的资料。
根据C和D电站的水位—库容曲线以及尾水位—流量曲线，将一天分成96个时段，通过遗传算法可以得出两个电站一天各个时段的出力。如图1所示。
本文所选用的是该河流在丰水期时一天的出力计算，由于C和D电站是小型水电站机组启停灵活，所以电站出力是根据当地一天之内各个时段的用电情况来进行调度的。一天之内的前8个小时即0:00-8:00是一天当中用电最少的时间段，所以这一时间段C电站蓄水发电，但是为了保证下游的生态环境，所以该时段要保证一定的下泄流量，该下泄流量为总流量的30%，即上图所示的第一个阶段。8点以后用电量和凌晨相比有明显的增加，这时候C电站停止蓄水正常发电，D电站开始蓄水发电，即上图所示的第二个和第三个阶段，由于是丰水期C和D电站可以在当天的18:00之前将水蓄满，这时C电站和D电站保证水位为正常蓄水位进行正常发电，如上图的第三阶段，这就是为什么第三阶段的出力会相对于第二阶段有所增加，如果是枯水期则不会出现这种情况。从18:00一直到22:00是一天之内用电的最高峰这段时间两个电站开始放水发电，D电站尽量在这个时段内将兴利库容全部用来发电，使出力大幅度的增加，22:00以后用电量跟之前的4小时相比会有明显下降，这时候D电站库容已达到死库容，C电站继续放水发电，即第五个阶段。这样充分利用了小型梯级电站启停灵活的特点，在保证生态流量下，既保证了各个时段发电的稳定性，又使得发电出力和该地区的用电情况相对应，充分利用了水资源。
具体各个电站各时段的过机流量如图2所示。
上图即为C电站全天各时段的过机流量图。在0:00-8:00的时间段跟图1的第一阶段对应，为C电站蓄水发电的时间段，在8:00-18:00的时间段跟图1的第二阶段和第三阶段对应，白天的用电量相比凌晨明显增加，所以C电站在该时间段内停止蓄水，正常发电。在18:00-22:00的时间段跟图1的第四阶段对应，此时用电进入一天的最高峰，C电站全力泄水发电以满足当地的用电需求。在
22:00-24:00的时间段跟图1的第五阶段对应，此时用电量相比四小时之前有所下降，C电站继续泄水发电直到一天结束，但是出力跟4小时之前相比有所下降，所以在22:00以后过机流量明显降低。
图3为D电站全天各时段的过机流量图。在0:00-
8:00的时间段跟图1的第一个阶段，由于本文采取的调度方式为在保证生态流量下以发电稳定性为最优原则，所以为了保证生态流量，此时段为C电站蓄水发电，D电站不蓄水发电，在8:00-14:30这一时间段内与图1的第二阶段对应，C电站蓄水达到正常蓄水位，此时C电站保持水位正常发电，而D电站则进行蓄水发电，14:30-18:00这一时间段与图1的第三阶段对应，此时D电站蓄水达到正常蓄水位，该时段内C和D两个电站蓄水都达到正常蓄水位，但是由于晚上才是用电高峰期，所以此时不进行泄水发电。18:00-22:00这一时间段与图1的第四阶段对应，此时D电站泄水发电，且由于D电站库容相对C电站较小，所以这一时间段内D电站将全力泄水发电，放空兴利库容，22:00-24:00此时D电站库容为空，所以过机流量即为上游C电站的下泄流量，所以该时段的过机流量和之前四小时的流量相比明显下降。
根据上文所计算出的结果，当在该河流的丰水期时，可以参考以上计算出的出力和过机流量进行调度，简化优化调度程序。
4 总结
①根据我国目前小型梯级水电站运行调度过程中出现的问题，本文提出了一种新的调度方式—保证生态流量下以整个梯级发电稳定为最优。即在保证下游生态环境的同时，追求整个梯级的发电稳定。
②根据小型水电站启停灵活等特点，通过合理的调度使水电站在各个时段的出力与当地的用电情况相符合，简化电网的调度过程，提高发电质量。
③通过合理的计算，算出两个电站一天各个时段的过机流量，作为参考的样本，为以后每一天的调度提供依据。
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参考文献：
[1]陈家庚，林其友.优化完善电网结构在节能减排领域中的应用[J].电力自动化设备.2012，32（2）：118-121,126.
[2]李虹，董亮，段红霞，等.中国可再生能源发展综合评价与结构优化研究[J].资源科学.2011，33（3）：431-440.
[3]刘宗兵，束洪春，韩武.考虑小水电接入的配电系统可靠性评估[J].继电器，2007，35（2）：55-67.
[4]叶秉如.水资源系统优化规划和调度[M].中国水利水电出版社，1998.
[5]张勇传.水电站经济运行原理[M].北京：中国水利水电出版社.1998.
[6]罗予如.梯级水电厂群短期经济运行的探讨[J].水力发电，2000，2.