基于风险概率评估的若水电站调度运行_丁仁山.pdf

2023.3大 电 机 技 术基于风险概率评估的若水电站调度运行丁仁山1，胡伟2，邹皓1，蹇德平1，何国春1(1.雅砻江流域水电开发有限公司，成都 610051;2.清华大学，北京 100084)摘要若水电站为攀西地区风光“填空式”发电，具有库容小、调节能力差、出入库流量难以平衡、上下游水位变化幅度较大、负荷调整和闸门操作频繁、水库水位控制和河道管理安全风险高的特点。为预控若水电站调度运行风险，本文通过进行调度运行风险辨识，给出了运行风险概率模型，提出了风险指标及其计算方法，设计了风险评估分析模型，并选取不同季节实际数据进行了风险计算分析，算例结果验证了风险评估和计算的可行性和有效性，研究成果可为梯级水库安全优化调度提供参考。关键词梯级水电站联合优化调度;水风光互补;若水电站;风险指标;评估;算例 中图分类号TM622 文献标志码A 文章编号1000-3983(2023)03-0087-08Dispatching Operation based on isk Probability Assessment of uoshui Hydropower StationDING enshan1，HU Wei2，ZOU Hao1，JIAN Deping1，HE Guochun1(1 Yalong iver Hydropower Development Co，Ltd，Chengdu 610051，China;2 Tsinghua University，Beijing 100084，China)Abstract:uoshui hydropower station is the“fill in the blanks type”power station in Panxi area，which has the characteristics of small storage capacity，poor regulation ability，difficult balance ofdischarge into and out of the reservoir，large variation range of upstream and downstream water levels，frequent load adjustment and gate operation，high safety risk of reservoir water level control and rivermanagement In order to pre-control the operation risk of uoshui hydropower station，this papergives the probability model of operation risk，puts forward the risk indicator and its calculationmethod，and designs the risk assessment and analysis model through the identification of operationrisk，and we do a risk analysis on the actual data in different seasons，numerical example results showthe feasibility and validity of the risk assessment and calculation The research results can providereference for the optimal operation of cascade reservoirsKey words:regulation and storage of cascade hydropower station;hydropower-wind-solar energycomplementary system;uoshui hydropower station;risk indicator;assessment;example基金项目:国家自然科学基金(U1865202)0前言若水电站是雅砻江下游最末一个梯级电站，距上游二滩电站约 18.0km，上距安宁河汇口约 2.5km，下距雅砻江与金沙江汇口约 15.0km，距攀枝花市约28km，是国家西部大开发战略的标志性工程(如图 1所示)。水库总库容为 9.12 107m3，正常蓄水位1015m，死水位 1012m，调节库容为 1.46 107m3，属日调节水库。电站装机容量 600MW(4 150MW)，多年平均发电量 29.75 109kW h，2015 年 10 月首批机组发电、2016 年 3 月全部投产，由四川电力调度控制中心调度，电量送川渝消纳。图 1二滩电站、若水电站及安宁河流域地理位置示意图78基于风险概率评估的若水电站调度运行2023.31若水电站调度运行特性电站自身特性。若水电站为日调节水库，可调库容仅0.146 107m3，调节库容小，调节能力差;机组为低水头(额定水头 20.0m)、大流量机组(单机发电额定流量 868.3m3/s)，机组运行水头对上下游水位变化敏感，机组发电流量与发电水头相互影响(上游水位升高时水头变高发电流量变小下游水位降低水头进一步变高发电流量进一步变小下游水位进一步降低，反复循环，水位降低过程类似)，出入库流量难以平衡、上下游水位变化幅度大。上游来水特性。上游二滩电站、支流安宁河来水均存在极大不确定性。上游二滩电站与若水电站分属两级调度，发电计划并未按照上下游水量关系进行匹配;支流安宁河上游已建水库(如:湾滩水库、城南水库、小三峡水库)的实时调度信息因各种原因未实现系统联结共享，导致信息掌握不及时。此外，二滩水库及安宁河下游地区是雅砻江流域四大暴雨区之一，安宁河汛期来水变化快且幅度大。调度运行特性。若水电站日常调度运行中承担着攀西地区风光新能源调频调峰的任务，为保障新能源消纳1-2，多数情况下，若水电站按照“填空式”运行方式发电3-4。极端情况下，白天机组全部停运、夜间机组全部满发，需要频繁计算水位趋势、频繁操作闸门以保障水位不越限，同时满足生态流量的要求。另外，自 2020 年 3 月开始，若水电站投入 AGC(自动发电控制)运行5-6，根据攀西送出通道情况、攀西风光送出需求和频率稳定控制要求由国网四川电力调度控制中心直接实时动态下达 AGC 负荷给定值，负荷调节频繁、变幅大且变化趋势不可预知7-8。日常运行过程中，须时刻跟踪水位和负荷变化，工作量大。满足各类要求。政府泄洪预警要求、生态泄放要求、电站泄洪建筑物消缺施工要求等。2若水电站调度运行风险综合若水电站自身特性、上游来水特性、调度运行特性及需满足各种要求等因素分析，若水电站调度运行面临着水库调节能力差、上游来水不可控、为攀西风光“填空式”发电、全厂负荷变化频繁及负荷变幅大且不可预知的客观现实。通过进一步分析可知，攀西风光发电影响着若水电站的发电，若水电站发电与上下游水库水位、出入库流量的大小及其闸门泄洪运行方式紧密相关，整个过程连续且相互影响(如图 2 所示)，主要存在以下几方面的风险:(1)工程安全风险。若水电站水库为日调节水库，水位正常控制范围为 1012 1015m。因库容小、调节能力差，水库水位受出入库流量差变化影响变化剧烈，以出入库流量差 1000m3/s 为例，将导致库水位每小时变化 80 90cm。一方面，因系统调峰需要，在水位接近下限水位运行、上游来水不足时可导致水库快速拉空，在水位接近上限水位运行、机组故障跳闸时可在短时间(极端情况 15min)内导致水位越限，水库拉空或越限均不利工程稳定安全;另一方面，因市场消纳或断面受限9-10，若水电站配合攀西新能源“填空式”发电，存在机组全停或长时间小负荷运行的状态，汛期主要通过闸门过流，汛期发电量远低于设计值。按照上述运行条件，不能满足电站泄洪建筑物通过发电形成良好的淹没水跃而消能的运行方式，恶化了泄洪设施的水力学流态，对泄洪建筑物存在安全隐患。(2)人身或设备安全风险。若水电站负荷调节频繁、变幅大且变化趋势不可预知，导致河道水位陡涨陡落频繁。因若水电站紧邻县城，上下游库区河道均存在频繁的人员活动，水位越限或水位、泄水流量陡涨陡落大幅变化可能危及库区河道人员安全和船舶设施安全，若发生人身安全或设备受损事故，还存在其他风险。(3)政策风险。若水电站泄洪预警时间要提前30min 以上，而电网调度机构要求负荷调整快速到位且负荷变幅大(一般 5min 调整到位)，因此在电站高水位运行发生机组跳闸、临时大幅调减负荷等情况时为了保证水位不越限需要即刻泄水，存在预警时间不足 30min 的政策风险。此外，安宁河中下游水电站在泄洪预警方面均无相关规定，且均无水调和预报系统，安宁河来水的不确定性明显，一般根据库水位情况调节泄洪闸门开度，发电流量变化未发布预警。安宁河最末一级的湾滩水电站，最好情况下只能做到出库流量陡变前 15min 告知若水电站，而实际中多是临时告知，同样会带来预警时间不足的风险。(4)经济损失风险。二滩电站在枯水期加大出力时，库水位上涨，由于断面受限等因素，若水电站不能随之调整负荷，存在枯期弃水的风险;夜间蓄水以备次日调峰，当次日不需调峰时，也存在弃水造成经济损失的可能。(5)其他风险。夜间预警扰民导致的环保投诉风险、枯期小负荷运行不满足最小生态流量的风险等。882023.3大 电 机 技 术图 2若水电站下游河道防汛风险因果传递关系综上所述，若水电站存在着“水库水位越限和拉空风险、河道水位陡涨陡落存在危及人身财产安全的风险、预警时间不足的风险、经济损失的风险”等，若水电站的水库调度难度大、河道管理安全风险大。上述风险因素的存在，不利于若水电站安全稳定运行和综合效益的发挥。基于此，对若水电站开展调度运行的风险评价和决策方法研究11-12，寻求合理的风险描述和分析方法，建立风险分析决策模型，为决策者提供符合实际、切实可行的调度决策支撑，最终将风险控制在可接受范围内势在必行。若水电站调度运行风险研究涉及到调度运行过程中风 险 因 子 的 识 别、风 险 指 标 的 选 择、风 险 估计13-14、风险评价与决策、风险的控制和处理等多个方面，是一项复杂的多目标、大系统问题15-16。本文基于此对攀西水风光互补方式下若水电站的调度运行风险进行分析，研究成果可为梯级水库安全优化调度提供参考。3若水电站调度运行风险概率模型相对于确定性评估等传统的可靠性评估方式，若水电站调度运行风险评估在其基础上可采用概率评估的思想，它的基本定义是:对水电站安全运行面临的不确定性因素给出可能性与严重性的综合度量。风险指标数学表达式如公式(1)所示。isk(Xf)=Mm=1Pr(Em)Sev(Em，Xf)(1)式中，Xf表 示 系 统 当 前 的 开 机 运 行 方 式;isk(Xf)表示系统当前运行方式下的风险指标值17;Em表示第 m 个电站状态，M 为抽样状态总个数;Pr(Em)是状态 Em出现的概率;Sev(Em，Xf)表示在当前运行方式下电站状态为 Em时系统的严重程度。风险指标isk(Xf)实际上是一种无量纲的期望值。风险评估的流程为18:设定抽样次数 M，输入元件故障率等系统原始参数;利用非序贯蒙特卡洛抽样19，抽取系统各元件的状态，共同组成系统状态Em并计算其出现的概率 Pr(Em);随后某种给定的开机方式 Xf利用交流最优潮流得到电压、功率、机组出力等参数，代入各指标的严重度函数，结合系统状态概率(Em)计算风险指标。针对若水电站安全运行面临的不确定性因素，给出可能性与严重性的综合度量，包括风险概率 Pr和严重度 Sev两个部分。同时，采用风险理论对系统进行风险评估时，需针对每类安全事故、每起故障以及每个元件进行。因此可以将系统的风险评估分割为对各类事故的评估，计算不同类