汪文元，王孝群，張佳杰，龍巖，何滔，汪廣明

（1.國家能源大渡河沙坪發(fā)電有限公司，四川 樂山 614300；2.河北工程大學水利水電學院，河北 邯鄲 056038）

1 研究背景

沙坪二級水電站是大渡河流域規(guī)劃22個梯級中的第20個梯級中的第二級，其樞紐主要由泄洪閘、魚道、左右岸的擋水壩段、河床式廠房等建筑物組成。目前，該電站的發(fā)電與泄洪調度之間存在尖銳的矛盾，為了保證發(fā)電效益，同時兼顧運行安全，不得不頻繁調整其泄洪閘門的開度。據(jù)統(tǒng)計，2018年電站泄洪閘門累計操作達18 746次，2019年6臺機組全部投入運行后累計操作次數(shù)降低至6 612次，但仍高于大渡河流域其他全部電站同期累計操作次數(shù)的總和（4 876次），這嚴重影響了沙坪電站的運行安全。為此，有必要深入研究沙坪二級電站閘門動作頻繁的原因，為電站泄洪與發(fā)電調度決策提供依據(jù)。

梯級水庫系統(tǒng)除具有單一水庫的功能外，各水庫間還存在關聯(lián)性和補償性。其中，關聯(lián)性體現(xiàn)在水庫間徑流的水力聯(lián)系以及由水位差形成的電力聯(lián)系；補償性體現(xiàn)在由不同水庫庫容差異引起的防洪補償和蓄放水調度引起的水文補償[1]。以往對于梯級電站的調度研究多集中于利用智能優(yōu)化算法實現(xiàn)發(fā)電效益的最大化和水資源的高效利用[2-4]，且往往傾向于研究優(yōu)化算法的改進，以實現(xiàn)優(yōu)化調度模型的高效穩(wěn)定求解。當然，也有許多關于梯級水庫多目標優(yōu)化調度研究將更多因素納入考慮，例如文獻5在電站調度中綜合考慮了發(fā)電效益、水質保持、魚類保護等多個目標，并采用改進的線性規(guī)劃和動態(tài)規(guī)劃方法進行系統(tǒng)尋優(yōu)；文獻6在清江梯級水電站聯(lián)合調度運行中將河流生態(tài)需求納入考慮，通過引入徑流生態(tài)離差系數(shù)，構建了生態(tài)均衡下的電站優(yōu)化調度模型。然而，目前的研究幾乎沒有考慮泄洪與發(fā)電之間的配合，在梯級水庫群調度優(yōu)化計算中，通常僅將泄洪流量作為棄水考慮，并直接將多余的水量分配給閘門泄洪，而不考慮閘門動作的次數(shù)。

從水庫自身特性、電站與上游梯級的水力聯(lián)系、上下游梯級的電力聯(lián)系以及電站運行特性等方面深入分析沙坪二級泄洪閘門動作頻繁的原因，并探討可能的解決方案。

2 沙坪二級水電站閘門動作頻繁原因分析

2.1 沙坪二級水庫特性

沙坪二級水庫總庫容2 084萬m3，運行水位范圍為死水位—正常蓄水位（即550.0～554.0 m），在4 m的水位運行區(qū)間內的庫容只有585萬m3，調節(jié)庫容較小，電站的水位庫容曲線如圖1（a）所示。沙坪電站2019年運行數(shù)據(jù)顯示，7—11月汛期內電站的水位基本都維持在553.5 m以上，主要原因是汛期出庫流量較大，導致下游水位較高，為保證發(fā)電，不得不在高水位運行以提供足夠的發(fā)電水頭。

如圖1（b）所示，假定初始時刻沙坪電站出入庫流量平衡，當上游電站出庫流量變化時，在不調整沙坪電站機組出力和閘門開度的情況下，庫水位將迅速超過上限水位（554.0 m）。例如，當初始庫水位為553.5 m時，若入庫流量變化超過300 m3/s，水位將在40 min內越限；而當初始水位為553.75 m時，水位將在20 min內越限?？梢姡称憾壦畮鞄烊菪?，水位可調區(qū)間有限，因此庫水位對于上游來流的變化十分敏感。

圖1 沙坪二級水庫特性

2.2 沙坪與上游梯級電站的水力聯(lián)系

沙坪電站的上游梯級目前為枕頭壩一級電站，兩者屬于上下游梯級。根據(jù)實地考察結果，兩站之間沒有大的支流匯入，因此在沒有大暴雨的情況下，一定時間內枕頭壩的出庫水量幾乎可以認為是沙坪電站的入庫水量。進一步利用2個電站2019年全年運行數(shù)據(jù)，對枕頭壩出庫流量和沙坪入庫流量開展相關性分析。其中，枕頭壩出庫流量來自于實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，沙坪入庫流量無法監(jiān)測，通過水量平衡原理進行反推：

根據(jù)反推得到沙坪電站2019年全年入庫流量過程，并與枕頭壩出庫流量對比，如圖2（a）所示。反推得到的沙坪入庫流量存在較多毛刺，產(chǎn)生毛刺的可能性很多，例如水位瞬時波動導致監(jiān)測誤差、動庫容等，但總體上2個流量趨勢相同。此外，沙坪電站入庫流量相對于枕頭壩的出庫流量過程有一個明顯的延遲，這是由于流量由枕頭壩下游流至沙坪壩前需要一定的徑流演進時間。為分析徑流演進時間，引入互相關函數(shù)：

圖2 沙坪電站入庫流量與枕頭壩出庫流量時間序列的相關性

事實上，一般認為不同流量的徑流演進速度不同，為此分別選取了2019年1月1—31日（其間入庫流量均小于2 000 m3/s）以及2019年7月16—31日（其間入庫流量約為2 200～4 500 m3/s）2個時段的運行數(shù)據(jù)，分別進行互相關分析，如圖3所示。流量小于2 000 m3/s時，徑流演進時間約為85 min；流量大于2 000 m3/s時，徑流演進時間約為70 min?？梢姡髁吭酱?，2站之間的徑流演進越快，這符合實際。

圖3 不同流量下的互相關分析

總之，枕頭壩一級與沙坪電站之間的水力聯(lián)系緊密，通常情況下，一定時段內沙坪二級的入庫水量可近似等于枕頭壩一級的出庫水量。流量自枕頭壩下游到沙坪壩前，需要約80 min的徑流演進時間，這為沙坪二級電站的水情預報、水位預測及水庫調度提供了一定的條件。

2.3 沙坪上游梯級電站運行特性

沙坪二級電站的上游梯級為枕頭壩一級電站。如圖4所示，枕頭壩一級電站與其上游的瀑布溝、深溪溝電站總裝機容量498萬kW，其組成的巨型水電站群是四川電網(wǎng)主力調峰調頻基地。目前，這3個電站已投運3站聯(lián)合EDC系統(tǒng)[7]，電力送出通道均為500 kV布坡線變電站，僅需3站總出力滿足電網(wǎng)調令即可，3站之間的出力分配可通過廠間經(jīng)濟調度模型自由調配。枕頭壩電站的實際出力在其上游2站的協(xié)同運行下?lián)碛幸欢ǖ恼{整空間。

圖4 沙坪及其上游梯級關系示意

正因為枕頭壩電站的實際出力有一定的靈活調整空間，造成了其發(fā)電流量的頻繁變化，直接增大了下游沙坪二級電站的調控難度。仍以2019年運行數(shù)據(jù)為例，分別統(tǒng)計了枕頭壩電站在汛期和枯水期流量變化不同量級的統(tǒng)計次數(shù)，如圖5所示。圖中流量變化量（假設為）A的統(tǒng)計方法為：15 min內累積出庫流量變化量大于A且隨后1 h內出庫流量波動（即出庫流量1 h內的平均流量）不超過0.1A。

圖5 枕頭壩電站2019年出庫流量變化特性統(tǒng)計

結果顯示，枕頭壩電站的出庫流量變化主要在500 m3/s以下，在非汛期的7個月內，流量變化100～500 m3/s的次數(shù)已超過2 900次；而汛期的5個月內，流量變化的頻率明顯高于非汛期，流量變化100～500 m3/s的次數(shù)已超過6 000次。在汛期，多數(shù)情況下沙坪電站（甚至幾乎所有水電站）的增負荷申請不會被電網(wǎng)批準，由于沙坪電站對于入庫流量的變化十分敏感，導致很可能有水位超限風險，不得不調整泄洪閘門的開度來保證水位不越限。

2.4 沙坪電站與上游梯級電站的電力聯(lián)系

沙坪二級電站的電力送出通道為樂山500 kV藍天變電站，而枕頭壩電站的電力送出通道為500 kV布坡線變電站，2站的電力送出通道不同，從這一邏輯而言，2站的出力相關關系不大。但從上下游水量平衡的角度來看，尤其對于枯水期都不開啟閘門的情況，沙坪電站的出力很大程度上受枕頭壩電站的出力影響。因此，對2站的出力進行對比分析仍有必要。

通常而言，梯級電站在規(guī)劃時，都會考慮上下游梯級之間的流量平衡，通過各電站的水頭來安排裝機容量，在假定各電站全廠效率相同的前提下，水頭越高的電站裝機容量越大。因此，只要下游電站與上游電站的出力保持一定比例，并考慮上游電站出庫到下游電站入庫（不考慮區(qū)間徑流）的延遲時間，即可保證下游電站的庫水位穩(wěn)定。

為了便于分析枕頭壩—沙坪電站之間的流量平衡，這里假設2個電站的全廠效率接近或相同，機組效率的計算公式如下：

由式（3）可知，當全廠效率η相同時，可采用水頭H來對電站出力N進行標準化，由于此時N/H∝Q，電站出力N與水頭H之比（即單位水頭的出力）作為電站的過機流量的另一種表示，可同時分析2站出力關系以及流量的平衡。

2個電站在枯水期的典型日出力過程對比，如圖6所示。在枯水期，2站的過機流量總體上量級相當，且日出力過程十分相似，但沙坪電站的出力過程的峰谷值相對于枕頭壩一級的出力過程有一定滯后，滯后約2 h。這一延遲長于前文的80 min左右的徑流演進時間，主要是因為沙坪電站的負荷調整操作滯后。雖然電站之間的流量長期平衡能得到保證，但短期內電站水位存在超限風險（特別是當運行水位在死水位或正常蓄水位附近時）。

圖6 枯水期2站典型出力對比（2019年3月1日）

2個電站在豐水期的典型日出力過程對比，如圖7所示。在豐水期，2站的日出力過程沒有明顯相關關系，且2個電站出力過程的峰谷位置無明顯相似性。枕頭壩的機組過機流量明顯大于沙坪的過機流量，且存在頻繁的階梯式出力調整。這種情況下，沙坪電站已無法通過使其出力與枕頭壩呈一定比例關系來實現(xiàn)流量的平衡，必須開啟閘門。當枕頭壩出庫流量頻繁變化時，導致沙坪電站對入庫流量的預測不準確，不得不頻繁操作閘門以維持水位的穩(wěn)定。

圖7 豐水期2站典型出力對比（2019年10月10日）

3 結論

根據(jù)上述分析，沙坪二級電站閘門操作頻繁的主要原因如下。

（1）電站自身可調節(jié)庫容較小，水位運行范圍小，短期內入庫流量的小幅度變化也會引起水位的較大變化。在汛期出庫流量較大時，下游水位大幅上漲，為了保證一定的發(fā)電水頭，電站需要在一個范圍更小的高水位區(qū)間運行，給水位調控帶來很大困難。

（2）由于瀑—深—枕三站聯(lián)合調控，枕頭壩的負荷調整更加靈活，意味著其出庫流量變化更加頻繁。這極大地增加了沙坪電站入庫流量的不確定性，在電網(wǎng)固定負荷指令的要求下，沙坪二級電站不得不頻繁操作閘門來維持水位，保證電站運行安全。

（3）枕頭壩與沙坪電站之間水力聯(lián)系緊密，但不存在電力聯(lián)系。實際運行負荷的相關性分析表明，在汛期，2站的出力已不存在統(tǒng)計學上的相關性，在沙坪電站接受電網(wǎng)固定負荷指令的背景下，枕頭壩出力或出庫流量的變化多數(shù)情況下只能靠沙坪電站閘門的頻繁動作來消納。

（4）除了上述原因外，入庫流量預測的不確定性，電站自身特性曲線（例如水位庫容曲線、N-H-Q曲線、下游水位流量關系曲線、閘門開度流量曲線等）自身存在誤差且可能隨著運行發(fā)生變化，這給電站水位控制帶來極大的困難，影響電站長期運行安全。

總之，沙坪電站閘門動作頻繁的根本原因是其自身對上游來流變化十分敏感，而上游來流變化又十分頻繁，加之電站受電網(wǎng)固定負荷指令支配，只能通過頻繁動閘來實現(xiàn)水位控制。顯然，電站自身的庫容特性無法改變。因此，要降低閘門動作次數(shù)，需要利用枕頭壩下泄到沙坪入庫之間約80 min的徑流演進時間，尋求更靈活的負荷調整方式。例如，電網(wǎng)有意識地提高沙坪電站負荷調整申請的通過率，或者直接給予沙坪電站一定的負荷自由調整權（比如電網(wǎng)負荷指令為200 MW，在此基礎上沙坪的實際出力為200±30 MW）。