CN107085752A - 一种基于联合调度图的日调节水库梯级经济调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于联合调度图的日调节水库梯级经济调度方法，针对日调节梯级水电站的单向联合运行特点，利用物理成因分析方法，确定出日调节水电站梯级优化调度的主要影响因子及其影响程度，分析因子之间的物理机理联系，利用日调节水电站的实际运行数据进行求解，包含分析计算梯级各水电站间水流传播时间，复核各水电站尾水水位流量关系曲线，复核水电站NHQ曲线，绘制日调节水电站梯级联合经济调度图。本发明将物理成因分析方法与水电站实际运行相结合，改变了传统的以人工经验调度方法用于日调节水电站优化调度的局面，提高了水电厂集中化与精细化的调度管理水平。

Description

一种基于联合调度图的日调节水库梯级经济调度方法

技术领域

本发明涉及一种基于联合调度图的日调节水库梯级经济调度方法。

背景技术

水库优化调度是在常规调度***工程及优化理论及其技术基础上发展起来的，梯级 水库联合优化调度受众多因素同时影响，成为学术和工程界研究的热点和难点问题。国内外对于梯级电站联合调度的研究对象均为年或多年调节水电站，利用其优秀的调节性能或者可观的调节库容开展联合调度，依靠各电站自身加强运行管理，但是对于日调节 梯级水电站却鲜有进行，其原因主要有两方面：一是认为日调节梯级水电站的优化潜力 不那么明显；二是现有的梯级调度研究都是基于长系列的历史资料分析，日调节水电站 缺乏调度研究资料和可直接适用的技术。

日调节梯级水电站经济调度，实质为追求梯级发电效益最大化的日调节梯级水电站 联合优化调度。日调节梯级水电站的联合调度与年、多年调节梯级水电站的主要不同点在于单向性。国内常用的年、多年调节水电站梯级联合调度均为双向的，即上下游电站 相互影响，利用电站间的补偿关系实现优化调度，但是作为调节库容较小的日调节电站， 装机容量绝对值小，梯级联合调度实际上是单向的，电站间不再是补偿关系，而是一种 同步关系，这也是国内以往研究中所忽视的。对于日调节水电站，尤其是水库衔接的日 调节梯级水库，利用其梯级特性带来的效益是相当巨大的，存在可观的联合优化调度价 值，例如我国福建闽江流域水量资源丰富，具有雨量充沛，河道坡度呈梯级下降的特点， 作为调度目标的富屯溪流域三级日调节梯级电站机组多年平均利用小时4000小时以上， 利用梯级优化调度***后的效益是显著的。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于联合调度图的日调节水库梯级经济调 度方法，推求出在电站维持高水头运行的前提下水电站之间的出力映射关系，绘制出日调节梯级水电站联合经济调度图。

技术方案：一种基于联合调度图的日调节水库梯级经济调度方法，包括如下步骤：

步骤1：复核水电站基本资料，包括复核出力、水头、发电流量关系曲线，得出实 际综合出力系数K值，修正水电站发电流量计算值，以及复核尾水水位流量关系曲线， 确定实际尾水位值；

步骤2：推算水电站之间的水流传播时间和区间流量；

步骤3：推求电站间的出力映射关系；

步骤4：以维持高水头运行为调度目标，绘制出日调节梯级水电站联合优化调度图， 实现梯级发电量最大。

进一步的，所述步骤1中，复核出力、水头、发电流量关系曲线，得出实际综合出 力系数K值，修正水电站发电流量计算值包括如下具体步骤：

水电站的实际出力计算公式为：N＝KQH；

式中，N为出力，Q为发电流量，H为水头，K为综合出力系数，K＝9.81η；所述出 力N由发电机组时段发电量换算而得，或者从监控***采集换算；所述水头H由上下游 水位相减所得；将所述水头H每隔0.1～0.5m取一次值，从水轮机综合特性曲线确定动 态计算不同区间的K值。

进一步的，所述步骤1中，复核尾水水位流量关系曲线，确定实际尾水位值包括如下步骤：以库水位控制在正常高水位处的水库尾水水位流量关系曲线作为复核线基准， 将水电站实际运行数据的尾水水位、出库流量数据依次点绘于以本站尾水水位为纵坐 标、出库流量为横坐标的计算图中，以下游电站坝前水位为控制参数，绘制各种不同水 位参数的散点群集中线，再结合原设计尾水流量关系曲线确定其曲度，最终完成尾水水 位流量关系多值曲线的复核。

进一步的，所述步骤2中的电站之间的水流传播时间推算方法为：根据天然河道里洪水波运动原理，结合上下游的水力联系，点绘上下游站的水位过程线，把同一段时间 的上游电站的尾水位过程线和下游电站的坝前水位过程线绘在一张图上，查其对应的峰 点或谷点之间的时间差值即为上下游水库水流传播时间。

进一步的，所述步骤2中的水电站之间的区间流量推算方法为：参考历史流量资料进行库间区间流量的计算分析，利用上下游电站的实际流量差值，本级水电站的入库流 量减去上游水库的同期出库流量获得区间流量。

进一步的，所述步骤3中推求电站间的出力映射关系时将调度电站的尾水情况分为 两种：

第一种是调度电站下一级电站也开展优化调度，将库水位置于某一水位稳定运行的 情况，此时调度电站尾水流量关系曲线是单一线，梯级水电站调度计算出力N计分析模型为：

N_计＝f₁(N_上(t-△t),Z_{上坝前(t-△t)})

其中，N_上(t-△t)是上库前一时段平均出力，Z_{上坝前(t-△t)}是上库前一时段的平均坝前水位，f₁为理论出力计算模型；

由于下级库水位控制在某一水位稳定运行，本站水库尾水位流量关系曲线是单一线，根据Z_{上坝前(t-△t)}确定上游电站出库流量，根据上游电站前一时段的平均出力与上库 前一时段的平均坝前水位计算出对应的一个本站发电流量和调度出力；

第二种是下一级电站的运行水位是变化的或下游无衔接电站时，调度电站尾水关系 表现为多值曲线，梯级水电站调度计算出力N计分析模型为：

N_计＝f₁(N_上(t-△t),Z_{上坝前(t-△t)},Z_{上尾水(t-△t)},Z_尾水t)

其中，N_上(t-△t)是上库前一时段平均出力，Z_{上坝前(t-△t)}、Z_{上尾水(t-△t)}是上库前一时段 的平均坝前水位和平均尾水位，Z_尾水t是本级水库当前时段平均尾水位；f₁为理论出力 计算模型；

由于下游电站的运行水位是变化的或下游无衔接电站，首先推求上游电站不同出力 情况下，上库前一时段的平均坝前水位和平均尾水位对本级电站入库流量的影响，然后再推求出本站坝前水位稳定在正常高水位时不同尾水位对应的计算调度出力。

进一步的，所述步骤4中绘制出日调节梯级水电站联合优化调度图时，最终得出的电站指令出力为：N_令＝N_计+△N，△N为修正出力；其中，修正出力计算模型为：

△N＝f₂(Z_坝前t)

Z_坝前t是本库当前的坝前水位，f₂为修正出力计算模型；将步骤3得到的电站间的出力映射关系数据绘制成诺模图形式的出力图，再与修正出力图配合，形成联合调度图。

有益效果：本发明在充分考虑上下游电站的水力与电力联系的基础上，利用电站之 间的出力映射关系，保证梯级电站最大限度的在高水头运行，实现梯级发电效益最大化。 绘制的日调节水库梯级联合调度图可以运用于类似流域的梯级水库联合调度中，对于国 内绝大多数日调节水电站均可适用。

附图说明

图1是为本发明的流程图；

图2是为本发明的尾水水位流量关系曲线复核图；

图3是为本发明的水库水流传播时间分析图；

图4是为本发明第一种情况时的电站梯级联合经济调度图；

图5是为本发明第二种情况时的电站梯级联合经济调度图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

步骤1：复核水电站基本资料。

(1)复核出力、水头、发电流量关系曲线(N～H～Q)，得出实际综合出力系数K值，修正水电站发电流量计算值。

一般的水电站的实际出力计算公式为：N＝9.81ηQH 公式(1)

此处，η表示总效率，其大小与设备类型、性能、机组传动方式、机组工作状态等 因素有关，同时也受设备和安装工艺质量的影响，可以近似的认为η是一个常数。故 公式(1)可以变成：N＝KQH 公式(2)

公式(2)中的K表示综合出力系数，等于9.81η，其值随水电站实际运行情况而变化，若采用常规固定经验值，则存在一定误差。利用公式(2)变形为Q＝N/KH，进行发电 流量计算时，出力N可由发电机组时段发电量换算而得，或者从监控***采集换算，比 较准确。水头H由上下游水位相减所得，误差也不大。因此，关键是找到切合实际的综 合出力系数K值。

传统方法是根据人工调度经验，按照水电站的装机容量分级分类，取该类型下K值的常规经验值作为单一固定值，如K＝8.5。本发明采用多值矩阵方法(如表一)，考虑不 同来水情况下水位和出力的差异，水头H每隔0.1～0.5m取一次值，动态计算不同区间 的K值,从而使K值更加精确。

表一

以闽江富屯溪的梯级水电站为例，按照该方法复核出的最终的综合出力系数K值范 围控制在了7.0～8.4之间。实际计算水电站发电流量时可以根据不同的出力与水位动态 选择相应区间的Ki值，减少误差，提高发电流量计算值的准确性。

(2)复核尾水水位流量关系曲线(Z～Q)，确定实际尾水位值。

为了精确计算水头(H)，需要科学估算尾水水位(Z尾)，通常采用尾水水位流量关系曲线进行拟合。大多数水电站采用的设计尾水水位流量关系曲线，多是由电站下游水 文站的水位流量曲线上移得来。由于电站建成以后坝后水流形态已发生很大改变，同样 流量情况下水位会变高，导致设计时的计算水头比实际大，从而设计电量与实际电量相 比偏大。因此，尾水水位的估算不应忽略泄洪闸的泄流和受下游电站水库迴水顶托的影 响。

本发明提出的日调节联合调度方法，可以把库水位控制在正常高水位处，采用该水 位条件下的水库尾水水位流量关系曲线作为复核线基准。复核时要用到水电站实际运行 数据—尾水水位、出库流量(平、枯水期为发电流量)与下游电站坝前水位。其中，本站尾水水位与下游电站尾水位采用实际观测值,出库流量中的发电流量采用计算值，将实 际运行数据依次点绘于以本站尾水水位为纵坐标、出库流量为横坐标的计算图中，分析 散点的分布规律；以下游电站坝前水位为控制参数，绘制各种不同水位参数的散点群集 中线，再结合原设计尾水流量关系曲线确定其曲度，最终完成尾水水位流量关系多值曲 线的复核。

步骤2：水电站优化调度关键因素的分析识别。

对于水电站而言，无论是单库还是梯级，若要达到增加出力的目标，一般是采取提高水头或者重复利用水量的方法，即电站优化调度的主控因素是利用水头还是水量。研 究表明，日调节水电站若要达到经济调度的目的，不论是枯季还是汛期，均需要将运行 的水位置于最高处——正常高水位运行，此时电站发电水头最大，在同样来水条件下必 然多发电。因此，本发明指导思想是充分利用水头，即水库衔接的日调节梯级电站都应 当把运行水位放在正常高水位处。

为保证梯级各水电站的水位均在正常高水位处运行，实现日调节水电站联合调度的 同步性，推算水电站之间的水流传播时间，进而推求电站间的出力映射关系，再以维持高水头运行为调度目标，以梯级发电量最大为优化准则，绘制出日调节梯级水电站联合 优化调度图。

步骤3：分析判定水流传播时间和区间流量。

梯级总发电量(E)与坝前水位、上游电站的出库流量、水库水流传播时间、区间流量有关。以梯级总发电量最大为目标，目标调度函数可以表达为：

其中，E为梯级总发电量，M为梯级电站数量，T为调度时段数，Z_(i,t)为电站i在t 时段的坝前水位，Q_入(i,t)为电站i在t时段的平均入库流量，τ_(i,i+1)为电站i至电站 (i+1)的水库水流传播时间。

水电站的坝前水位可以通过数据采集***获得，时段平均入库流量可用公式(4)表 示：

其中，Q_{出(u,t-τi,u)}为电站i上游电站u的出库流量(平、枯水期是发电流量)，τ_i,u为电站u至电站i的水库水流传播时间，q_(i,t)为电站i在t时段的区间流量。水电站时段 平均入库流量由上游水库时段出库流量与库间区间流量组成，出库流量为发电流量与弃 水流量之和，弃水流量可以通过闸门开度监测数据查闸门泄流曲线直接读取，发电流量 可根据公式(2)进行计算，因此水库水流传播时间和区间流量的分析判定是优化调度计 算的主要步骤之一，具体计算方法如下。

(1)水库水流传播时间分析判定

本发明对水库水流传播时间的具体判定采用水位过程线分析法。根据天然河道里洪 水波运动原理，结合上下游的水力联系，点绘上下游站的水位过程线来分析确定水库水流传播时间，把同一段时间的上游电站的尾水位过程线和下游电站的坝前水位过程线绘在一张图上，查其对应的峰点或谷点之间的时间差值即为上下游水库水流传播时间△T。

(2)区间流量的计算分析

参考历史流量资料进行库间区间流量的计算分析，利用上下游电站的实际流量差值，本级水电站的入库流量减去上游水库的同期出库流量获得区间流量。水文测验中流 量测量的规定允许误差值为3％，若计算发现区间流量占下游站入库流量的百分数低于该 数值，则区间流量的数值可忽略不计，对于区间流量所带来的影响将和其它计算误差带 来的影响共同考虑、修正。

步骤4：推求梯级水电站出力映射关系。

梯级水电站的出力计算受上游电站时前时段的平均出力、尾水位和库水位，及调度 电站的实时坝前水位和尾水位影响。本发明将调度电站的尾水情况分为两种：第一种是调度电站下一级电站也开展优化调度，将库水位置于某一水位稳定运行的情况，此时调 度电站尾水流量关系曲线是单一线。第二种是下一级电站的运行水位是变化的或下游无 衔接电站时，调度电站尾水关系表现为多值曲线。

本发明的梯级水电站调度计算出力N_计分析模型归纳为公式(5)，针对两种不同情况， 对公式(5)进行相应的变化，从上游到下游推求出水电站出力的单向传递关系。

N_计＝f₁(N_上(t-△t),Z_{上坝前(t-△t)},Z_{上尾水(t-△t)},Z_尾水t) 公式(5)

其中，N_上(t-△t)是上库前一时段平均出力，Z_{上坝前(t-△t)}、Z_{上尾水(t-△t)}是上库前一时段 的平均坝前水位和平均尾水位，Z_尾水t是本级水库当前时段平均尾水位；f₁为理论出力 计算模型。

(1)第一种情况

此时，公式(5)简化成N_计＝f₁(N_上(t-△t),Z_{上坝前(t-△t)})，Z_{上坝前(t-△t)}是上库前一时段平均坝前水位，由于下级库水位控制在某一水位稳定运行，本站水库尾水位流量关系曲线 是单一线，采用试算法即可根据Z_{上坝前(t-△t)}确定上游电站出库流量，进而得出本站水库 的发电流量。

调度出力的计算结果记入如表2所示的出力表。根据上游电站前一时段的平均出力 (表2中N_上的每个值N_i)与上库前一时段的平均坝前水位(Z_上坝前的每个值Z_i)，计算出 对应的一个本站发电流量(Q)和调度出力(N_计)，为下一步绘制调度出力图提供数据。

表2

(2)第二种情况

此时，直接用公式(5)得到受多个水位影响的调度出力结果。第二种情况时的调度出力计算表如表3所示。

表3(a)

表3(b)

在这种情况下，因为下游电站的运行水位是变化的或下游无衔接电站，需要考虑上 游电站不同出力情况下，上库前一时段的平均坝前水位和平均尾水位(表3(a))对本级电站入库流量的影响，然后再推求出本站坝前水位稳定在正常高水位时不同尾水位对应的计算调度出力(N计)(如表3(b))。

步骤5：绘制梯级联合优化调度图。

梯级联合优化调度图主要由计算出力(N_计)与修正出力(_△N)两部分组成，最终 得出的电站指令出力为：N_令＝N_计+△N，通过该指令出力可以保证调度电站水位稳定在 目标范围内。

为进一步确保计算调度出力的准确性，本发明提出了智能修正出力计算模型：

△N＝f₂(Z_坝前t) 公式(6)

Z_坝前t是本库当前的坝前水位。

当实时库水位偏高时，增加正△N，即在出力计算值的基础上增大出力，使库水位降 至调度目标范围内；当实时水位偏低时，增加负△N，即在出力计算值的基础上减少出力，使库水位提高至调度目标范围。

将步骤4得到的计算表数据绘制成诺模图形式的出力图，再与修正出力图配合，形成联合调度图。本发明采用多因素诺模图的形式来概化电站间上游与下游的出力映射关系，联合调度图考虑上库前一时段平均坝前水位、平均尾水位与电站平均出力，以及本 库当前坝前水位和尾水位等多要素的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于联合调度图的日调节水库梯级经济调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：复核水电站基本资料，包括复核出力、水头、发电流量关系曲线，得出实际综合出力系数K值，修正水电站发电流量计算值，以及复核尾水水位流量关系曲线，确定实际尾水位值；

步骤2：推算水电站之间的水流传播时间和区间流量；

步骤3：推求电站间的出力映射关系；

步骤4：以维持高水头运行为调度目标，绘制出日调节梯级水电站联合优化调度图，实现梯级发电量最大。

2.根据权利要求1所述的基于联合调度图的日调节水库梯级经济调度方法，其特征在于，所述步骤1中，复核出力、水头、发电流量关系曲线，得出实际综合出力系数K值，修正水电站发电流量计算值包括如下具体步骤：

水电站的实际出力计算公式为：N＝KQH；

式中，N为出力，Q为发电流量，H为水头，K为综合出力系数，K＝9.81η；所述出力N由发电机组时段发电量换算而得，或者从监控***采集换算；所述水头H由上下游水位相减所得；将所述水头H每隔0.1～0.5m取一次值，从水轮机综合特性曲线确定动态计算不同区间的K值。

3.根据权利要求1所述的基于联合调度图的日调节水库梯级经济调度方法，其特征在于，所述步骤1中，复核尾水水位流量关系曲线，确定实际尾水位值包括如下步骤：以库水位控制在正常高水位处的水库尾水水位流量关系曲线作为复核线基准，将水电站实际运行数据的尾水水位、出库流量数据依次点绘于以本站尾水水位为纵坐标、出库流量为横坐标的计算图中，以下游电站坝前水位为控制参数，绘制各种不同水位参数的散点群集中线，再结合原设计尾水流量关系曲线确定其曲度，最终完成尾水水位流量关系多值曲线的复核。

4.根据权利要求1所述的基于联合调度图的日调节水库梯级经济调度方法，其特征在于，所述步骤2中的电站之间的水流传播时间推算方法为：根据天然河道里洪水波运动原理，结合上下游的水力联系，点绘上下游站的水位过程线，把同一段时间的上游电站的尾水位过程线和下游电站的坝前水位过程线绘在一张图上，查其对应的峰点或谷点之间的时间差值即为上下游水库水流传播时间。

5.根据权利要求1所述的基于联合调度图的日调节水库梯级经济调度方法，其特征在于，所述步骤2中的水电站之间的区间流量推算方法为：参考历史流量资料进行库间区间流量的计算分析，利用上下游电站的实际流量差值，本级水电站的入库流量减去上游水库的同期出库流量获得区间流量。

6.根据权利要求1所述的基于联合调度图的日调节水库梯级经济调度方法，其特征在于，所述步骤3中推求电站间的出力映射关系时将调度电站的尾水情况分为两种：

第一种是调度电站下一级电站也开展优化调度，将库水位置于某一水位稳定运行的情况，此时调度电站尾水流量关系曲线是单一线，梯级水电站调度计算出力N计分析模型为：

N_计＝f₁(N_上(t-△t),Z_{上坝前(t-△t)})

其中，N_上(t-△t)是上库前一时段平均出力，Z_{上坝前(t-△t)}是上库前一时段的平均坝前水位，f₁为理论出力计算模型；

由于下级库水位控制在某一水位稳定运行，本站水库尾水位流量关系曲线是单一线，根据Z_{上坝前(t-△t)}确定上游电站出库流量，根据上游电站前一时段的平均出力与上库前一时段的平均坝前水位计算出对应的一个本站发电流量和调度出力；

第二种是下一级电站的运行水位是变化的或下游无衔接电站时，调度电站尾水关系表现为多值曲线，梯级水电站调度计算出力N计分析模型为：

N_计＝f₁(N_上(t-△t),Z_{上坝前(t-△t)},Z_{上尾水(t-△t)},Z_尾水t)

其中，N_上(t-△t)是上库前一时段平均出力，Z_{上坝前(t-△t)}、Z_{上尾水(t-△t)}是上库前一时段的平均坝前水位和平均尾水位，Z_尾水t是本级水库当前时段平均尾水位；f₁为理论出力计算模型；

由于下游电站的运行水位是变化的或下游无衔接电站，首先推求上游电站不同出力情况下，上库前一时段的平均坝前水位和平均尾水位对本级电站入库流量的影响，然后再推求出本站坝前水位稳定在正常高水位时不同尾水位对应的计算调度出力。

7.根据权利要求6所述的基于联合调度图的日调节水库梯级经济调度方法，其特征在于，所述步骤4中绘制出日调节梯级水电站联合优化调度图时，最终得出的电站指令出力为：N_令＝N_计+△N，_△N为修正出力；其中，修正出力计算模型为：

△N＝f₂(Z_坝前t)

Z_坝前t是本库当前的坝前水位，f₂为修正出力计算模型；将步骤3得到的电站间的出力映射关系数据绘制成诺模图形式的出力图，再与修正出力图配合，形成联合调度图。