水电调度 篇1
关键词：水电调度,优化方法,梯级水电站
0 引言
作为国民经济发展基础能源产业的水电力工业, 是现代化工业生产和生活不可或缺的动力产业, 是国家能源局重点发展产业之一。梯级水电站是由建立在同一江河流域的若干个水电站构成的。由于梯级水电站之间存在着水力、电力联系, 梯级水电站不仅要满足电力系统运行要求, 还要考虑发电和用水之间的协调才能使综合效益最大化。
1 梯级水电站的特征
梯级水电站系统是具有水电双重属性的交叉系统。梯级水电站系统包含大坝、水库等水工建筑, 还包括发电机组、配电网等电力设施, 该系统包括的单元众多, 并且各个单元之间相互联系, 相互制约。梯级水电站在水量利用上是多次开发, 重复利用;在水能上采用分级开发、分段利用;上下梯级之间表现出明显的相互影响的制约;梯级水电站的各个子电站之间相隔距离较远, 电站之间的生产管理必须有效解决好电站分散与集中管理之间的矛盾。
2 梯级水电站调度面临的问题
梯级水电站的调度目标是在满足系统安全约束、可靠性约束及固有系统约束的前提下, 保证某一个时间段内整体效益最大化。梯级水电站在调度管理上, 必须保证电站和发电机组间的优化调度和负荷分配, 从而使水电能资源充分合理利用;在设备检修管理上, 应该尽量避免检修设施闲置, 人员分散浪费, 做到设备利用率最高, 人员最精, 效率最高;在后勤管理上, 应将生活设施、福利设施统筹规划, 相对集中等。梯级水电站必须实行整个梯级的统一调度, 在保证系统正常负荷运行前提下, 实行各梯级水电站的合理经济运行, 以便从分利用水电资源, 提高水电能利用率。
3 梯级水电站水电调度优化模型
梯级水电站水电优化模型目标函数为多库的发电量之和达到最大。
(1) 目标函数。
E-整个计算周期的最优发电量;
Ekm-第k个时段第m级电站的发电量;
K-整个计算时期的总时段数;
Ekm, 保-第k个时段第m级电站的保证发电量;
A-保证率惩罚系数;
n-模型指数参数 (为简化模型分析, n=1) ;
σkm-模型参数, 0-1变量, 取值原则如下:
(2) 约束条件。
1) 水位约束:
Zkmi-第k阶段, 第m个电站, 第i个状态变量;Zm, min-第m个水库死水位;Zm, max-第m个水库允许的上限水位。
2) 泄量约束:
q0kmig-第m个水库初状态为Zkmi, 末状态为Z (k+1) mg时的出库流量;qm, max-第m个水库在此状态下的最大泄量;qm, min-第m个水库为满足灌溉、航运等要求所允许的最小泄量。
3) 出力约束:
Nm, max-第m个水库某水位下的最大出力。
4 梯级水电站水电调度优化方法
4.1 经典的优化方法
(1) 线性规划:线性规划方法是运筹学的一个最重要的分支, 相比其他优化算法, 其研究最早, 发展最快, 在理论上最完善, 实际应用最广泛。线性规划方法的目标函数和约束条件都是线性函数, 是企业进行总产量计划时常用的一种定量方法。
线性规划方法的数学模型:
目标函数
约束条件
式中:xi-i产品的计划产量;aik-每生产一个i产品所需k种资源的数量;bk-第k种资源的拥有量;Ui-i产品的最高需求量;Li-i产品的最低需求量;Pi-i产品的单价;Ci-i产品的单位成本。
(2) 非线性规划:非线性规划是20世纪50年代才形成的一门新兴学科, 是具有约束条件或目标函数的一种数学规划法, 是运筹学的一个重要分支。非线性规划研究一个n元实函数在一组等式或不等式的约束条件下的极值问题且目标函数和约束条件至少有一个是未知量的非线性函数。
非线性规划的数学模型:已知未知量x1, x2, …xn使其满足约束条件:
并使目标函数f (x1, x2…xn) 达到最小值 (或最大值) ;
上述模型可简记为:minf (x)
其中x= (x1, …xn) 属于定义域D, 符号min表示“求最小值”, 符号s.t.表示“受约束于”, 函数f, gi, hj是定义域D上的实值函数, 且至少有一个是非线性函数。
(3) 动态规划:动态规划 (DP) 算法, 俗称多阶段决策过程最优化法, 它是最优控制和运筹学的重要数学工具。
动态规划算法的基本思想是将待求解问题分解成若干个子问题, 在求解的过程中通过子问题的解求出待求问题的解。动态规划将多段决策问题转化成一系列互相联系的阶段, 在它的每一阶段都需要作出最优化决策, 其最优化过程必须从系统整体出发, 每个阶段的最优化决策结果既依赖于当前面临的状态, 又影响着后续的发展, 各个阶段之间呈现的是前后关联的链状结构, 从而最终能使决策目标函数达到极值。
动态规划的数学模型:
式中N表示多段决策过程的总段数F (xk, uk) 为标量函数, 表示由第k段到第k+1段的过程中基于状态xk和决策uk的性能损失。J*N- (K+1) (xk+1) 表示以xk+1为初始状态的后N— (K+1) 段分过程的最优性能指标, xk+1=f (xk, uk) 是基于第k段的状态xk和决策uk而得到的第k+1段的状态向量。表示选择决策uk使[·]取极小值。
采用迭代法按K=N—1, N—2, …1, 0顺序求解该方程, 即可得到N段决策过程的最优策略{xk, k=0, 1, 2, …N-1}和最优轨迹{xk, k=0, 1, 2, …N}, 而最优性能值为J (x0) 。
4.2 现代智能优化方法
(1) 模拟退火算法 (SA) :模拟退火算法来源于固体退火原理。固体物质在加热的时候内部粒子间的布朗运动增强, 呈现无序状态, 内能增强至一定强度后再退火, 粒子热运动减弱, 并逐渐趋于有序, 最后达到平衡态, 内能减弱达到最小。
模拟退火是一种通用的优化算法, 是基于迭代求解策略的一种随机寻优算法, 它通过利用概率突跳特性在解空间随机寻找目标函数, 有效避免陷入局部极小并最终趋于全局最优的串行结构的优化算法。
(2) 遗传算法 (GA) :遗传算法是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型, 是以一种群体中所有个体为对象, 并利用随机化技术指导对一个被编码的参数空间进行高效搜索。遗传算法包括参数编码、适应度函数的设计、初始群体的选取等核心内容, 而选择、交叉和变异则构成了遗传算法的三个遗传算子。
遗传算法是一种新的全局优化搜索算法, 其特点是简单通用, 健壮性强, 适于并行处理以及高效实用等, 目前在各个领域都得到了广泛应用, 并且取得了良好效果, 有望成为重要智能算法之一。
(3) 禁忌搜索 (TS) :禁忌搜索的基本思想是标记对应已搜索的局部最优解的一些对象, 通过引入一个灵活的存储结构和相应的禁忌准则来避免迂回搜索, 并通过藐视准则来赦免一些被禁忌的优良状态, 从而保证对不同的有效搜索途径的探索。
禁忌搜索算法是一种全局性领域搜索算法, 是对人类思维过程本身的一种模拟, 它通过对一些局部最优解的禁忌, 达到多样化的有效探索以最终实现全局优化。
(4) 人工神经网络 (ANN) :人工神经网络是一种模仿生物神经网络的结构和功能的数学模型, 它的构成与作用方式都是在模仿人脑。人工神经网络是通过已知数据的实验运用来学习和归纳总结, 学习的作用是根据神经元之间激励与抑制的关系, 改变它们的作用强度。
人工神经网络由大量的人工神经元联结而成, 神经网络中神经元个数众多以及整个网络存储信息容量的巨大, 使得它具有很强的不确定性信息处理能力。人工神经网络通过对局部情况的对照比较 (该比较是基于不同情况下的自动学习和实际要解决问题的复杂程度所产生的) , 推理产生一个可以自动识别的系统, 该系统就能给出正确的推理结论。
4.3 优化方法性能比较
经典的最优化方法在应用于复杂、困难的优化问题时有较大的局限性。线性规划算法是一种较先进和科学的方法, 有统一算法, 任何线性规划问题都能求解, 但是只能处理线性关系的情形;非线性规划不像线性规划那样, 有统一的算法, 针对每个待解决的问题都要有其特定的算法, 从而存在一定的局限性, 到目前为止还没有适合于各种非线性规划问题的一般算法;动态规划算法在求解过程中能够得到一组全局最优解, 在计算时, 可以利用动态过程演变的联系和特征, 再加上实际知识和经验提高求解效率, 但是动态规划模型没有统一的标准模型, 利用数值方法求解时存在维数灾。
现代智能优化算法一般都是建立在生物智能或物理现象基础上的随即搜索算法。例如, 模拟退火算法来源于固体退火原理, 遗传算法模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程, 禁忌搜索模拟了人类有记忆过程的智力过程, 人工神经网络更是直接模拟了人脑的思维模式。
它们之间的联系非常紧密, 比如模拟退火和遗传算法为人工神经网络的后续学习铺平了道路, 为其更优良算法的研究提供思路, 把它们有机地结合在一起, 扬长避短, 性能将更加优越。
智能优化算法由于其面世时间晚, 在理论上的研究远不如经典优化算法完善, 往往在求解过程中并不能确保解的最优性, 但从实际应用的观点看, 这类新算法的要求的条件没有那么苛刻, 一般不会要求目标函数和约束条件的连续与凸性, 甚至有时连解析表达式都不作要求, 对计算中数据的不确定性也有很强的适应能力, 可移植性更强。
5 小结
在市场经济大潮的推动下, 电力市场改革热潮的日趋激烈, 同时伴随着近几年科研活动的广泛开展, 新的市场环境给传统的梯级水电优化调度提出了新的要求, 虽然水电调度优化及运行理论取得了较大进步, 但仍然存在一些问题, 尤其是针对实际生产实践, 现存的水电调度优化方法还不能完全适用。
因此, 要继续进一步加强水电调度优化理论的研究, 特别要结合生产实际开发一些适合水利水电系统生产需要便于实际操作的应用模型和软件, 为生产实践服务。
参考文献
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水电调度 篇2
本文考虑中长期合约市场上水电厂面临的年电量制定计划问题。交割风险, 指发电机组不能按照发电计划完成合约电量或竞价电量的概率风险[1]。针对水电机组而言, 这主要是由于来水的不确定性造成的, 本文一般也称之为电量风险。在电力市场中, 水电厂作为市场参与者, 必须制定合理的年电量计划, 以参与市场竞争, 由于年度来水及年内来水过程的不确定性, 导致合同电量的不确定, 该来水波动性导致水电厂面临着极大的交割风险。因此, 水电厂形成发电调度计划时必须考虑来水的风险。同时, 水电厂的发电调度计划与未来合同电价密切相关, 未来电价过程是一个随机过程, 导致水电厂也存在电价风险。但在中长期合约市场, 通过合约已确定电价, 规避了电价风险[2], 因此本文假定在中长期合约市场上已规避电价风险, 不考虑合同电价波动影响。水电厂在制定发电调度计划时寻求最大化期望发电收益并最小化交割风险, 达到风险管理目的。
目前涉及电力市场风险管理的文献主要集中在火电[3,4,5], 水电厂风险调度决策研究较少。文献[6]论述日前市场水电厂在确定电价和来水情况下形成最优调度计划, 没有涉及电价和电量风险。文献[7]论述日前市场水电厂在电价波动情况下形成最优调度计划, 没有涉及交割风险。本文站在水力发电企业角度, 研究的风险限于电力交易中的交割风险, 从水电优化调度方案着手, 通过制定合理的发电调度计划寻求最大化期望发电收益并最小化风险, 以控制市场中的交割风险。
2 效用函数和风险调度决策模型
根据效用理论, 在风险和不确定性下进行方案决策时遵循最大期望收益-最小风险原则。Markowitz最早提出的“均值-方差”模型[8]是最大化平均收益-最小风险原则的一种具体形式, 这一模型在投资组合分析、资本定价模型等金融决策问题中有成功的应用。根据这一模型构造用于水电优化调度风险决策的效用函数U (R) :
上式中效用函数U (R) 表示水电厂在计及风险条件下发电收益的主观价值;μ表示期望发电收益;σ2表示发电收益方差;β表示水电厂风险态度。β的取值代表了水电厂决策的三种不同风险态度:风险厌恶、风险中立和风险偏好。β的取值范围是[0, ∞) , β接近于0表示水电厂倾向于期望获取更大的期望收益, 同时准备承担更大的风险;β较大表示水电厂倾向于承担较小的风险, 其具体取值取决于水电厂的财务及综合运行状况。水电厂在盈利和亏损情况下会出现不同的风险态度, β的取值也会不同。效用函数利用β值均衡了水电厂期望发电收益最大和风险最小两个不同目标。
由于水库调度模型中最主要的影响因素是水文的不确定性, 因此, 来水的不确定性模型如何, 在很大程度上决定该模型的结构特点。水库的入流, 对单库调度而言, 一般分为3种情况[9]。
(1) 各月的入流作为独立随机变量, 其概率分布均为已知。
(2) 各月的入流作为非独立的随机变量, 但相互关系作为一条件概率分布处理。
(3) 水库入流作为马尔科夫过程, 某月入流与前几个月径流均有一定的相关关系。
为简便起见, 本文假设各月平均入流为一独立随机变量。
结合水电厂优化调度, 平均发电收入μ计算公式如下:
式中:μ为平均发电收入, 元;Nt为t时段电量, kWh;pt为t时段合约电价, 元/kWh;T为年内计算总时段 (计算时段为月, T=12) ;E{·}为均值符号。
仅考虑入库径流作为随机变量后, 时段合约电价为常量。公式交换均值和求和符号后变形为:
式中:N′t为考虑入库径流作为随机变量后t时段平均电量, kWh。
均方差σ的计算公式如下:
式中:Nt为t时段电量, kWh;D{·}为方差符号。
由于时段入流假设为独立随机变量, 公式变形为:
式中:D (Nt) 为时段电量的方差, 其计算公式为:
将公式 (3) 、 (6) 代入公式 (1) 中得:
式中:U (R) 表示水电厂在计及风险条件下发电收益的主观价值;β表示水电厂风险态度。
在各月入流作为一独立随机变量情况下, 水库平均时段电量N′计算为:
式中:A为电站综合出力系数;Ht为电站在t时段平均发电净水头, m;Ct第t时段小时数;M为PIII型曲线分级取值数目 (文中取M=10) ;Rt (m) 为第t时段第m个频率对应的发电流量。
将公式 (8) 代入公式 (7) 中并最大化效用函数U (R) 得最终的目标函数:
约束条件:
水量平衡约束 Vt+1=Vt+ (qt-Rt) Δt ∀t∈T (10)
水库蓄水量约束 Vt, min≤Vt≤Vt, max ∀t∈T (11)
水库下泄流量约束 Qt, min≤Rt≤Qt, max ∀t∈T (12)
电站出力约束 Ni, min≤A·Rt·Ht≤Ni, max ∀t∈T (13)
式中:Vt+1为电站第t时段末水库蓄水量, m3;Vt为电站第t时段初水库蓄水量, m3;qt为电站第t时段平均入库 (区间) 流量, m3/s;Rt为电站第t时段平均出库流量, m3/s;Vt, min为电站第t时段应保证的水库最小蓄水量, m3;Vt, max为电站第t时段允许的水库最大蓄水量, m3。Qt, min为电站第t时段应保证的最小下泄流量, m3/s;Qt, max为电站第t时段允许的最大下泄流量, m3/s;Nmin为电站允许的最小出力, kW;Nmax为电站的最大出力限制, kW;其余符号同前。
2 算 例
某电站为季调节电站, 电站水库正常蓄水位1 200 m, 死水位1 155 m, 防洪限制水位1 185 m, 最大引用流量2 400 m3/s, 电站综合出力系数8.6, 装机容量3 300 MW。水文描述径流序列随机变量概率分布采用最常用的皮尔逊Ⅲ型曲线, 利用水库入库近50年月平均流量资料计算频率曲线, 其中按10%频率分级取值如表1所示。
合同电价采用所在省电力市场近年中长期合约市场电价。具体取值见表2。
为了使均值和方差的量纲一致, β取值接近于1/σ。分别在不同的β值下求解模型。本文用蚁群算法求解[10]。具体求解方法为:以月为时段划分阶段, 每一阶段的电量为时段概率均值电量, 即以每月不同频率入流量分别计算出对应的时段电量, 取其概率均值。以该时段均值电量可以计算出每一时段的目标函数值。各时段目标函数值总和为优化目标函数, 利用蚁群算法对这一目标进行寻优计算得到最终优化结果。以不同的β值为参数计算得到不同方案的期望收益和均方差绘成图1所示曲线。
图1中以不同β值为参数的不同优化调度方案, 各方案期望收益、方差关系曲线形成一条抛物线, 称之为效率边界 (Efficient Frontier) , 所有的可行组合都必须在该线之下[8]。
其中β=0和β=9×10-12相应的优化调度时段出力如表3所示, 期望发电收益和均方差如表4所示。
分析表3数据, 当β=0表明水电厂持风险偏好态度时, 期望获得最大的期望收益, 而同时可能承担较大的电量风险, 具体表现在由于4月份电价高, 因此该月加大出力, 即4月末水位到死水位, 但同时必然存在一定风险, 若后续月份来水不足, 水库可能无法蓄满。当β=9×10-12表明水电厂持风险厌恶态度时, 期望在控制风险同时获得收益, 具体表现在4、5月份均匀下泄, 控制了风险, 但发电收益受到影响。对比数据表明期望发电收益随β值减小而增大, 但同时均方差即风险增大。根据表3、表4中不同优化调度方案的指标参数, 水电厂可以制定出一个适合公司实际的调度运行方案, 例如预计本年度未来来水偏丰, 水电厂财务指标较好并有较大库容调节时, 可以选择风险偏好的方案, 制定期望发电收益较大的发电计划参与竞价。反之, 可以选择相对保守的发电计划参与竞价, 即高价时段与低价时段的电量分配相对平均, 提高风险管理能力。
3 结 语
本文对水电厂在中长期合约市场下计及电量风险制定优化调度方案进行探讨。建立中长期合约市场水电厂风险决策调度模型, 并给出了算例, 比较了水电厂在不同风险态度下不同的调度方案。对于不同的风险态度, 可以根据本文提出的方法给出得到不同风险容许度下的优化调度方案, 通过多方案的比较, 有助于发电公司制定风险约束下的发电计划。
参考文献
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水电调度 篇3
[关键词]水电站；水库；优化调度
对水电站水库进行优化调度有助于促进水电站以及电力系统的管理水平的实现，不需要外力作用的加入就可以获得一定的经济利益，挖掘水电站的潜力的方式中，水库优化调度是十分有效地。水库优化调度其实是在常见的系统工程调度中实现的，能够处理好各个用水部门之间的关系，促进水资源的高效合理利用，实现良好的经济效益，因此加强水电站水库的优化调度是十分必要的。
一、水电站水库优化调度的影响因素
水电站水库的优化调度会受到机组振动、冲击输电线路和站内电气设备、水泵性能差异以及水锤和负压导致引水钢管安全隐患、正常停机情况下水力振动与关阀水锤等因素的影响[1]。
机组振动：将水泵安装在梁板上，泵壳是裸露在外面的，且比较自由，在运行时，会出现振动，进而使梁板也出现振动。如果停泵，水力的冲击也逐渐加大，水泵的振动会更加严重，对泵组的运行产生影响，造成泵组出现移位的现象，会出现一定的安全隐患。冲击输电线路和站内电气设备：日常工作中机组的开以及停的比较频繁的负荷变化会对电网以及站内电气设备的安全造成严重的影响。水泵性能差异：水泵运行时，相应的参数会存在一定的差异，当水库的水位比较低时，水泵的运行流量比较小，叶片上会出现失速、回流、空化等现象，造成水力的噪声比较大，压力出现高频的脉动，使水泵的振动增加，当水库的水位比较高时，水泵的运行流量比较大，叶片的正面会出现脱硫和空化的现象[2]。水锤和负压导致引水钢管安全隐患：机组的开、停工作会使得水锤、负压的产生，发生事故时，会对引水钢管的安全产生影响。正常停机情况下水力振动与关阀水锤：机组停下时，转轮的出口位置会出现比较大的振动现象，阀门调整到小的开度是，振动会更加剧烈。
二、水电站水库优化调度的特性
1、一般的优化调度方法
一般的水电站水库优化调度方法是国际上广泛应用的方法，是利用历史上的水文统计资料，选择比较典型的来水作为代表年，然后进行水能的调节计算，利用包络线绘制的水库调度图对水电站的运行进行指导。这种优化调度方法比较简单，能够将水库运行的相关因素直接明确的进行处理，但是这种调度方法的灵活性不够，存在比较大的盲目性，并没有得到理想的效果。
2、新编的优化调度图
新编的水库优化调度图是利用现代化的控制论、系统工程以及决策理论等，在数学规划论基础上的动态规划、随机规划法，进行优秀的计算，从而编制出的水库优化调度图。这种调度图能够实现三维坐标的调度线，使水电站水库的调度决策的灵活性更好，也更加实用。这种新编的优化调度图综合考虑了水电站各种来水以及水位的情况，并利用计算机对各种方案进行选择从而决定的，这种新编的优化调度图中有效解决了一般优化调度法中存在的缺点，经济效益要更高。
3、水电站水库优化调度的计算方法
动态规划理论的求解方法对于水库的运行的优化是比较是适合的，动态规划理论就是将一步多维转变为多步一维进行计算，按照阶段、状态以及策略对调节周期进行划分，保证状态的最优转移。要根据水电站水库的水位，以及时段径流的条件、水库的来水情况等，依据新编水库调度图以及优化的运行方式进行水电站的发电出力，使调度更加到位，更加充分的对水库的潜力进行挖掘，促进水电站水库的安全、可靠运行，促进经济效益的实现。
三、水电站水库优化调度的分布状况
1、单一的水电站水库优化调度
单一的水电站水库优化调度是利用优化理论进行编制的，对全年各时段的运行方式进行明确，并以此对库群进行优化调度。优化准则的目标是以水电站的电能价值最大或一年内发电量最多。将两个相邻时段的径流作为依赖关系，利用马尔科夫链对入库的径流进行分析，利用随机的模型进行规划求解，以年为周期，以旬、月作为计算的时段，根据相关的文件明确水库的水位、流量以及发电情况，利用动态规划的方法进行调节计算，根据具体的实际情况对水库的变量进行等级划分，根据相关的部门的规定确定决策的变量，保证水电站水库调度的优化进行。
2、梯级水电站群优化调度
梯级水电站的优化调度运行方式是在满足电力系统的总负荷的前提，在其他条件的约束下进行的。需要对各级梯级水电站的水头、流量进行密切联系，对上下级电站区间的径流情况进行计入，并且对两个相邻梯级电站之间的水头衔接情况，下一级对上一级电站水头变化的影响进行细致的分析，优化准则的目标是以水电站的电能价值最大或一年内发电量最多。利用好各种水文以及天气预报，将性能好、库容量大的水电站作为补偿水库，并作为优化计算的目标，并将同一电网、河流以及梯级水电站作为纯水电系统，利用合并水头或者将目标简化进行处理，利用随机、增量、多目标的动态规划方法对利用径流时间、空间关系所建立的调度数学模型进行求解[3]，从而计算出各时段梯级电站的优化运行形式。梯级水电站群优化调度是在库群联调的基础上进行，发电量会得到增加。
3、跨流域水库群联合优化调度
对水电站群在全年各时段的运行情况进行明确，明确各水电站间的水力与电力联系，补偿调节库容和电力主要是利用各水库调节性能的差异以及水文的不同步性进行，实现库群最大效益的发挥。优化目标是以电站群体多年运行的总效益最大化，实现电网对水电站群的经济以及可靠运行。使电力系统中的日负荷图上的电力、电量达到平衡，使电站的工作容量得到充分利用。可以利用随机优化多维时空相关理论和余留效益统计迭代模型与算法对水库中个数比较多的大规模的库群进行调度优化。绘制多个水电站群的优化调度图，实现发电效益的实现。
结束语
水电站水库优化调度已经在水库群的优化调度中得到了广泛的应用，随着当前科学技术的快速发展，水电站水库优化调度的方法逐渐增加多，水电站的系统以及电网系统管理中，水电站水库的优化调度是十分重要的組成部分，调度的效果将直接影响到水利工程以及设备的作用发挥，因此应做好水电站水库的优化调度工作。
参考文献
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作者简介
吴耀鹏（1987-），男，浙江杭州人，学历：本科，工作单位：浙江浙能水电管理有限公司，水库调度。
水电站水库调度基础知识介绍 篇4
=^p 姓名：王冉旋 单位：国电新疆吉林台水电开发有限公司 2013年10月20日水电站－水库调度交流提纲
一、水文学
二、水情自动测报系统
三、水库调度
四、水库调度基本计算
五、发电计划与洪水预报
六、梯级电站联合调度方案研究水电站－水库调度
一、水文学
水文学基本概念水文学：就是研究地球水圈的存在与运动的科学，主要研究地球上水的形成、循环、时空分布、化学和物理性质以及水与环境的相互关系，为人类防治水旱灾害，合理开发利用和保护水资源，不断改善人类生存和发展的环境条件提供科学依据。它包括海洋水文学、水文气象学、陆地水文学、应用水文学。应用水文学：运用水文学及有关学科的理论和方法，研究解决各种实际水文问题的途径和方法，为水利、电力、灌水电站－水库调度
一、水文学溉、供排水、环境保护等工程建设提供水文数据，工程水文学就是应用水文学的一个分支。目的：掌握河流的来水规律，根据生产实际需要做出水文预报，为水库的防洪调度和发电调度提供准确的依据。另外，就是在不断积累水文数据的基础上进行水文分析计算，定期（一般是5-8年）对前一阶段的水文计算成果进行复核和修改，根据情况，必要时对工程进行改造。水电站－水库调度
一、水文学径流调节自然条件下，由于河川径流形成因素的不同，其水量丰、枯不均，与人类对它的要求不适应，因此需要采取人工措施（如修水库），对河川径流在时间上进行重新分配，人为地增加或减少某一时期、某一地区的水量，以适应防洪发电等的需要，这种对天然径流采取人工控制的措施称为径流调节。调节周期：水库从空到蓄满又放空一次所需的时间。按照调节周期分，径流调节分为：日调节、周调节、年调节、多年调节四类。水电站－水库调度
一、水文学日调节：调节周期为1天，它只能对一天内的径流进行重新分配，解决一天内径流与用水变化的矛盾；周调节：调节周期为1周，一般是将一周假日内多余的水量存蓄起来，用水工作日发电；年调节：调节周期为1年，就是把一年内不均匀的径流进行合理调节以满足发电、灌溉用水要求；多年调节：当河流天然径流在年际间变化较大时，而用电和用水则在若干年内的各年变化不是太大，这样就出现在丰水年时水用不完，枯水年时水不够用，为解决这个问题须水电站－水库调度
一、水文学建更大的水库把丰水年多余的水量蓄起来，补充枯水年水量之不足，这就是多年调节。一般把在调节周期内不发生弃水的调节称为完全调节，将有弃水的称为不完全调节。再调节（反调节）：在进行日调节时，下游流量水位发生剧烈变化，影响灌溉、航运，为了解决这个问题，就是在下游再建一个水库，对发电放水进行再调节（反调节），以均匀下泄或是按照灌溉、航运要求下泄，下游水库称为上一级水库的反调节水库。水电站－水库调度交流提纲
一、水文学
二、水情自动测报系统
三、水库调度
四、水库调度基本计算
五、发电计划与洪水预报
六、梯级电站联合调度方案研究水电站－水库调度
二、水情自动测报系统
水情测报系统组成水情测报系统系统构成为：以遥测站构成的遥测子系统，其与中心站的连接采用卫星和GSM组网信道；以计算机局域网及计算机系统构成的中心站子系统。每个遥测站由传感器、数据采集系统、通信单元、电源系统组成。遥测站自动完成采集功能，将数据通过北斗卫星/GSM混合信道自动发往中心站，中心站接收遥测站所采集的数据并进行收集、处理、存储、管理。
中心站功能中心站具备数据收集、处理、存储、管理等功能，并能及时做出洪水预报以指导调度的合理运行。中心站前置机（指通信服务器）与数据库服务器每天24小时不间断工作，随时接收各遥测站发来的水情水电站－水库调度
二、水情自动测报系统数据，对接收的水情数据进行分析处理以及存储，中心站系统平台能提供各种丰富的图表信息供用户使用，并需要按用户要求实现水务计算。对各站的水位越限具有告警信息显示，具备Web浏览服务、发布相关调度信息功能。同时具备实时洪水预报与中长期预报；发电计划制作与分析等水调高级应用功能；遥测站功能及特点遥测站采用“无人值守，委托看管、定期巡查”的运行管理模式进行管理。水文测站包括雨量站、水位站、气温站、泥沙站等基本站点。㈠、能够自动实时采集水位、雨量、温度、蓄电池组的实时电压值等数据，并能定时自动地通过通信设备将数据发给中心站。㈡、实时采集的数据变化量（ΔH）超过设定的阈值(阈值可根据水电站－水库调度
二、水情自动测报系统实际情况调整)时，能立即自动将当前水位值等水情数据发给中心站；㈢、在遥测站现场可人工设置ΔH、ΔT等参数，中心站可异地遥控更改ΔH、ΔT等参数。㈣、遥测站具有固态存贮器，可存贮1~2年的数据；㈤、数据发送完毕后具有掉电功能，以节约电能；㈥、具有丰富的自检信息功能，定时向中心站报告；㈦、遥测站的各种设备结构简单、性能可靠及低功耗，并有防潮湿、无雨衰、防雷电、抗干扰、抗暴风等措施，所有遥测站都能够在无人值守的条件下长期连续正常工作。㈧、遥测站数据采集处理器采用模块化设计，结构简单，维护方便，具有良好的多功能扩展配置能力，包括通信方式和接入设备。水电站－水库调度
二、水情自动测报系统
遥测设备集成根据水情遥测站功能要求，各遥测站设备主要由通信设备、传感器、遥测控制设备、电源设备、安装配件等组成，主要设备组成如下图所示。水电站－水库调度
二、水情自动测报系统水电站－水库调度交流提纲
一、水文学
二、水情自动测报系统
三、水库调度
四、水库调度基本计算
五、发电计划与洪水预报
六、梯级电站联合调度方案研究水电站－水库调度
三、水库调度、水库调度的概念一个水库可以有不同的运用方式，因而会带来不同的效益。特别是综合利用的水库，在防洪与兴利方面总是有矛盾的。各兴利部门之间在用水上也有矛盾，要处理好这些矛盾，提高水库的综合效益，就要有科学的运用办法，这个办法就叫水库调度。水库调度也称水库控制运用，是指在水库来水和用水变动的情况下，根据径流的特性和水库的任务要求，有目的、有计划地统筹安排水库蓄水、发电，灌溉（供水）、拦洪与泄洪、发挥水库防洪、发电等综合效益的一种技术措施。简单来说，水库调度就是不断处理和解决来水与用水、各用水部门之间的矛盾，使每一立方水发挥最大的作用。通常将水库调度分为防洪调度和兴利调度两部分。水电站－水库调度
三、水库调度、水库调度的种类根据水库调度工作的特点，一般可以分为洪水调度和电力（兴利）调度。洪水调度：在确保工程安全的前提下，对调洪和兴利的库容进行合理安排，充分发挥水库的综合利用效益。发电调度：主要是利用水库的蓄水调节能力，重新分配河流的天然来水，使之符合电力系统的发电用水要求和下游农业灌溉用水需求。、水库调度的基本任务水库调度的基本任务有如下三项：一是确保水库大坝安全，并承担水库上、下游的防洪任务；二是保证满足电力系统的正常用电和其他有关部门的正常用水要求；三是在保证各用水部门正常用水的基础上力争尽可能充分利用河流水能多发电，使电力系统供电更经济。水电站－水库调度
三、水库调度、水库调度的基本原则水库调度必须遵循的基本原则是：在确保水电站水库大坝工程安全的前提下，分清发电与防洪及其他综合利用任务之间的主次关系，统一调度，使水库综合效益尽可能最大；当大坝工程安全与满足供电、防洪及其他用水要求有矛盾时，应首先满足大坝工程安全要求；当供电的可靠性与经济性有矛盾时，应首先满足可靠性的要求。、水库调度的目的和意义水电站水库调度的目的是根据规划设计的意图和规定，结合实际情况，充分利用库容，调节水源，在满足工程安全的前提下，妥善处理蓄泄关系，充分发挥水利资源的综合利用效益。既能使水库更好地为国民经济服务，又能正确解决防洪与兴利之间的矛盾，切实做到有计划地充蓄和消落、有目的地拦蓄与泄放，充分利用水库库容，确保水库安全、经济地运行。水电站－水库调度、水库合理调度的方法实现水库合理调度的方法主要分为常规调度和优化调度两种。常规调度是借助于常规调度图进行水库调度。而常规调度图则是根据实测的径流时历特性资料计算和绘制的一组调度线及由这些调度线和水库特征水位划分的若干调度区组成的。它是水库调度工作的原则和依据，它以月份为横坐标，以库水位为纵坐标，包含防弃水线、上调度线、下调度线等几条指示线划分出的正常工作区、防弃水区、加大出力区、降低出力区等指示区的曲线图。如下图吉林台电站水库运行方式图。
三、水库调度水电站－水库调度
三、水库调度水电站－水库调度
三、水库调度
正常工作区正常工作区是上下调度线之间的部分，也称之为保证出力区当水库水位处在该区时，电站应按保证出力正常工作，承担系统调峰、调频和部分事故备用任务。防弃水区防弃水区是防弃水线以上至正常蓄水位之间的部分，当水库水位处于该区时，应尽量多发电
加大出力区水电站－水库调度
三、水库调度使水库水位尽快回落到防弃水线以下，防止可能发生的集中弃水。加大出力区是上调度线至防弃水线之间的部分，当水库水位处在该区时，电站出力可在正常出力的基础上加大10％-20％，以便水资源得到更加有效的利用。
降低出力区降低出力区是指下调度线以下至死水位之间的部分，当水库水位处在该区时，水库的正常运行将受到一定的影响。一般情况下，水库汛期限制水位按不同时期的防弃水线控制。当水库运行在防洪区由汛期限制水位控制，考虑水库防洪要求，汛期水库水位控制在汛期限制水位以下运行，以利于水库安全度汛；水电站－水库调度
三、水库调度优化调度是借助于优化方法寻求水库最优运行方式的一种调度方法，它能够更有效地利用水库的调蓄能力，获得更大的经济效益，最大限度提高水资源利用率。效益最大化和耗水率最小成为水电站优化调度的目标。合理安排发电厂的机组在不同时刻的出力，降低运行成本，已成为各发电厂目前必须重视的课题。水库优化调度的基本内容是：根据入流过程，通过最优化方法，寻求最好的调度方案，即按这种方案蓄泄，可以使防洪，灌溉、发电、航运等各部门所构成的总体不利影响在容许的范围内，整个计算周期总的效益最大，或在效益基本满足要求的情况下，使不利影响最小。水电站－水库调度
三、水库调度度的工作内容编制年、季、月、旬、日发电量计划、水库调
日
编制水库调度方案和汛期洪水调度方案水文气象预报常工作，如每天（周、季、月）的报表、监视并收集上游雨情水情、机组运行工况、协调下游水管部门的用水、进行流域平均雨量的计算、水库水量平衡的计算、编制洪水预报和泄洪方案等上下游电站等）汛前、汛中、汛后检查水电站－水库调度
三、水库调度
对外联系（中调、水管部门、防洪办、汛后总结包括当年各个时期发生的一些大的事情或问题、存在问题的整改、仍存在的问题的整改计划、将预报与实况进行比较进行预报精度的统计分析、遥测系统畅通率及可用度统计分析、调度计划执行情况、主要的经验教训、水库调度指标尤其是经济指标的资料整编以及当年的水库实测资料等。
水库运行参数的复核当电厂投入运行后，随着时间的延续，原来据以规划、设计选择水电厂及其水库参数的一些基本资料、条件和任务等，将会发生水电站－水库调度
三、水库调度这样那样的变化（上游建电站、人类活动、电力系统需求、农灌、自身设备等），这些变化直接影响到电站及水库的运行方式和效益。为了使运行调度方案、计划更符合实际情况，所以必须对电站、水库的一些参数进行复核和修正。
水库的特征水位及相应库容水位：指水面在某一基准面以上的高度；死水位：水电厂在正常运行情况下，水库允许消落到的最低水位，我厂还设置有极限死水位，就是遇到特枯水年份允许消落到的水位，其确定在引水口以上一定的高度。死水位对应的库容为死库容；死库容不起调节作用。水电站－水库调度
三、水库调度正常蓄水位：水库在正常运行情况下，为满足兴利的要求，在开始供水时蓄到的水位，该水位与死水位之间的库容为兴利库容（调节库容）；运行设计要经过审核后才可以更改，一般不允许任意改动。防洪限制水位：水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位，也是水库在汛期的起调水位；防洪高水位：为了拦蓄下游防护对象的标准洪水时，坝前达到的最高水位，防洪高水位与防洪限制水位之间的库容为防洪库容；水电站－水库调度
三、水库调度设计洪水位：水库遇设计洪水在坝前达到的最高水位，该水位与防洪限制水位之间的库容为拦洪库容；校核洪水位：水库遇校核洪水在坝前达到的最高水位，该水位与防洪限制水位之间的库容为调洪库容；总库容：校核洪水位以下的全部库容；有效库容：校核洪水位与死水位之间的库容。水电站－水库调度
三、水库调度特征水位及相应库容示意图水电站－水库调度交流提纲
一、水文学
二、水情自动测报系统
三、水库调度
四、水库调度基本计算
五、发电计划与洪水预报
六、梯级电站联合调度方案研究水电站－水库调度
四、水库调度基本计算
水库基本计算原理—水库水量平衡水量平衡是自然界水分的最基本变化规律，也是我们进行水库调度和水务计算的基本准则，水库水量平衡系指在某一区域、任意时段内，其来水量等于去水量加上蓄水增量，对水库来水就是某一时段内，入库水量和出库水量之差等于这一时段内水库蓄水量的变化，即：W＝Q×T（s）W入－W出＝△VW出＝W发电+W弃水+W损失水电站－水库调度
四、水库调度基本计算W损失＝W蒸发+W渗漏+W结冰△V=V期末-V期初式中： W入——某一时段内水库的入库水量，一般是天然河流的天然来水量, m3 ；W出 ——该时段内水库的出库水量，包括各部门的兴利用水，水库蒸发渗漏损失，以及汛期的弃水，m3 ；W兴 ——包括电厂的发电用水及其他不通过水轮机而单独引用的兴利用水，m3 ；W弃 ——水库汛期的弃水量，m3；W损 ——水库蒸发、渗漏、结冰等损失量，m3；水电站－水库调度
四、水库调度基本计算△V——该时段内水库蓄水量的增减值，蓄水量增加为正，蓄水量减少为负,m3；Q——计算时段内的平均流量,m3/sT ——计算时段,t.、常用的计算方法：★流量=水量/△t（△t---时段长的秒数）★供蓄水量=时段末库容-时段初库容★供蓄流量=供蓄水量/△t（△t---时段长的秒数）★出库流量=发电流量+弃水流量+损失流量★水头=上游水位-下游水位★入库流量=供蓄流量+出库流量水电站－水库调度
四、水库调度基本计算★耗水率=发电用水量/发电量★K值=平均出力/发电流量/平均水头★平均出力=发电量/运行历时★总效率=平均出力/9.81/发电流量/平均水头*100%★水轮机效率=总效率/发电机效率、水能利用提高率的计算方法★a、水能利用提高率按电力工业部给定如下公式计算：水能利用提高率=（N实际-N考核）/N考核×100%式中: N实际----年实际发电量（亿千瓦时）水电站－水库调度
四、水库调度基本计算N考核----按当年实际来水核定，执行原水利电力部颁发的《水电站增发电量考核办法》（扣除经网、局核定因调度原因使电厂减发的电量）（亿千瓦时）。★b、考核电量计算公式为：N=KQHT（亿千瓦时）N=KQHrT（适用弃水期）式中：N----计算考核电量（亿千瓦时）Q----发电流量（立方米每秒）H----毛水头（米）T----运行历时（时）水电站－水库调度
四、水库调度的基本计算r----弃水期的负荷率;r=N/（Nmax）（N----日平均负荷;Nmax----装机容量或预想出力）有关说明：（1）年考核发电量按当年实际来水量核定。依据原水利电力部颁发的《水电站节水增发考核办法》（扣除经网、省局核定的因调度原因使电厂减发的电量）计算，其计算程序及有关参数须经审核部门统一审定。（2）考核计算程序中综合出力系数K值，应结合本前五年的实际平均水平论证确定。（3）考核计算程序中弃水期发电负荷率γ值，采用本弃水日实际发电负荷率的平均值。（4）新投产电厂在尚未进行能量指标复核水电站－水库调度
四、水库调度的基本计算之前，其综合出力系数K值原则上按设计值复核，如需变更应根据实际运行资料或实验资料经论证审批确定。在具备条件后，应及时进行能量指标复核。、水电站时段水情的计算水电站的时段水情计算严格按照水量平衡原理进行计算复核，即： W入＝W出+△VW出＝W发电+W弃水+W损失△V=V期末-V期初水电站－水库调度交流提纲
一、水文学
二、水情自动测报系统
三、水库调度
四、水库调度基本计算
五、发电计划与洪水预报
六、梯级电站联合调度方案研究水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报、计算年、季、月、旬、日发电计划的目的、要求及计算方法：a、目的：合理安排发电计划，充分利用水能，尽量减少弃水，提高水量利用率。b、要求：本水库防洪、兴利库容完全重迭，（4-6）月份发电满足防洪要求。蓄水期（7-9）月份维持较高的水头运行，按天然来水尽量多发，其余时间为系统调峰、调频和短时间的事故备用，保证系统的稳定运行。c、计算方法：年计划必须把长期水量预报和保证率结水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报合起来，根据水库经济调度暂行条例规定，可以采用保证率70%的来水量，按典型年分配形式计算。旬、月、季发电计划主要按中期水文、气象预报推求出来的入库流量，按年调度图操作进行计算。日发电计划主要按短期天气预报或按退水过程估得入库流量进行操作计算。、日发电量计划编制过程a、收集本日发电负荷安排、预计该日入库流量、预计该日平均水头。b、根据日发电负荷、平均水头在HNQ曲线查出本日发电流量。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报c、由发电流量和入库流量求出本日24时水库水位。d、收集次日库水位控制要求。e、根据次日库水位变化求出次日出库流量。f、由次日出库流量查下游水位流量关系曲线求出次日平均尾水位。g、根据次日库水位、尾水位求出次日平均水头。h、根据次日平均水头、发电流量（出库流量）查HNQ曲线查出次日平均负荷。i、根据次日平均负荷即可求出次日（0—24时）日发电量计划。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报、生产计划的编制方法与步骤在实际工作中生产计划的编制一般采用70%频率来水及气象预报雨量进行计算方法.步骤如下:a、在年平均流量频率图上查出70%频率的年平均流量Qpb、根据Qp0选择典型年,典型年平均流量为Q典；c、将典型年各月流量按系数K进行修正 K=Qp/Q典；d、将修正后的各月流量减去各月相应的损失即为70%频率各月来水Qe；e、根据各月来水Qe其控制水位按调度图的要求进行水能计算操作, 得出其相应各月平均出力.电量.月末水位等指标上报。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报、常用洪水预报方法的基本原理(一)水库水文预报(1)水库水文预报的内容分类水文预报的任务是对自然界各种水体未来的水文现象做出预报。按照预报水体所处的空间位置的不同分为海洋水文预报、地下水文预报和陆地水文预报。按照预报的预见期的长短分为 短期与中长期预报。短期预报预见期很有限的，小流域只有几个小时，大流域不过水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报几天。长期水文预报预见一般不超过一年。(2)水库水文预报与计算的研究途径水文预报与计算都是对未来水文现象的变化做出预报。短期水文预报是着眼于预报正在发生或出现的水文现象。这种预报为防汛抗旱调度利用水利资源服务，往往需要得出未来水文现象逐日逐时的变化。水文计算是为工程的规划设计服务，要考虑工程建成后在长期运行中的情况，所以要求预报的是未来几十年、几百年、甚至更长时间内水文现象可能的变化。短期预报是采用成因分析的预报方法。水文计算主要采用数理统计的方法。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报(二)降雨径流预报的原理降雨径流预报包括两部分内容，一是一次降雨可以产生多少径流量，二是这些径流量将在流域出口断面形成一个什么样的洪水过程，即产流与汇流。
（三）流域径流过程预报的依据流域径流过程预报是由降雨产生的径流如何成为流域出口断面的径流过程。这类预报方法是以降雨在流域上的产流和汇流规律为依据。径流过程预报是以径流在流域上汇集的客观规律为依据的。径流在流域上汇集到出口断面经过了坡地汇流与河网汇流两个阶段，总称流域汇流。由降雨产生的径流，常分成地表径流和地下径流回归河槽。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报、洪水预报方法（1）降雨径流相关图降雨径流相关图是指根据流域的产流规律，用实测雨洪资料建立的降雨量与径流量的相关关系，或加入主要影响因素作参数的复合相关关系。作为洪水预报方案，这类相关图都是用次降雨与次径流资料制作的。（2）单位过程线法在单位时段△t内，由均匀分布在流域上一个单位径流量（径流深）所汇集成的流域出口站径流过程线称为单位过程线。在我国，单位径流深常用10mm。同一流域，同一洪水，选取的时段△t不同，得到的单位线也不同。不同时段的单位线不能任意移用。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报、洪水要素预报（1）洪水总量预报一次降雨产生的径流量R乘以流域产流面积A就得到一次洪水总量，单位以m3计。因此流域的产流预报方案也就是洪水总量的预报方案。（2）洪峰流量预报同一流域，一般情况下径流量大的洪峰流量也大，径流量小的则反之。因此可以建立一次降雨产生的次径流量与洪峰流量的相关关系，简称峰量关系。（3）洪峰出现时间预报如把自降雨开始、净雨开始或净雨中心至洪峰出现的时距称为洪峰滞时，则预报的洪峰出现时间可用已知的开始时间加预报的洪峰滞时而得。一个流域洪峰滞时的长短与径流的汇集长度及洪峰传播速度有关。由降雨或净雨开始时间加汇流时间就可得到洪峰出现时间。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报、洪水预报模型(1)产汇流模型a)新安江降雨径流模型新安江降雨径流模型于1973年得出，现已较广泛的应用于我国湿润地区及部分半干旱地区。它是一个具有分散参数的概念性模型，当流域面积较小时，新安江模型采用集总模型，面积较大时，采用分单元模型。分单元模型把流域分为若干单元面积，对每个单元面积，利用河道汇流曲线计算到达流域出口断面的流量过程，然后经过河道洪水演算，把每个单元的出流过程相叠加，从而获得流域出口断面的总出流过程。新安江模型的产流原理为蓄满产流，模型的核心是流域蓄水容量曲线，适用于植被较好、蓄水层较薄的湿润和半湿润地区。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报b)新安江改进型融雪径流模型新安江改进型融雪径流模型在新安江模型的基础上增加了积雪与融雪模型。即以积雪的形式存蓄降水，在融雪时把水放出，这是含有融雪结构流域的重要水文过程。从物理学观点来看，融雪和蒸发过程十分相似，两者均属热力学过程，可以用能量平衡法处理。融雪能量由以下几方面取得：(1)净辐射；(2)来自上覆空气中的感热传导及对流输送；来自上覆空气中的水汽凝结热；(4)来自下垫面土壤的传导；(5)同时降雨供给的热能。国外已经研制了利用辐射、风速、露点和湿度的实测资料计算这些因素引起的各融化分量的程序，这一程序对输入的要求很严格，因此它的应用仅限于有很好仪器设备的实验流域。所以，目前含有融雪结构的流域模型大都采用了只需利用气温资料的精髓，并根据当地资料情况加入尽可能详细的模拟方法，以期获得较好的精度。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报c)SRM 融雪径流模型SRM模型的计算原理是分别计算每天的融雪和降水所产生的水量，并将它们叠加到所计算的退水流量上，得到每日的日径流量。(2)河道汇流模型河道洪水演算是指根据河段上断面的洪水过程推求河段下断面未来的洪水过程，目前河道洪水演算中，最具代表性的水文学方法为马斯京根法。马斯京根法结构简单，参数物理意义明确，并在我国应用广泛。a)马斯京根河道汇流模型分段马斯京根演算就是将演算河段划分为 n 个单元河段。用马斯京根方法连续进行 n 次演算，以求得出流过程。马斯京根方法最早是在马斯京根河流域上使用，因此称为马斯京根法，该法主要是建立马斯京根槽蓄曲线方程，并与水量平衡方程联立求解，进行河段洪水计算。在有支流汇入的情况下采用“先演后合法”进行计算，即分别计水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报算出各支流的洪水演算公式，将每个上游站的流量分别进行演算，然后相加而求得出流过程。b)流量演算法流量演算法是利用河段的水量平衡原理和蓄泄关系把河段上下游断面的入流量过程演算成下游断面的出流量过程的方法。它是河道非恒定流计算中的一种近似简解方法。这种方法在河段短期洪水预报和河道洪水分析计算中被广泛采用。它根据河道洪水波运动原理，分析洪水波上任一位相的水位沿河道传播过程中在水位值与传播速度上的变化规律。即研究河段上、下游断面相应水位间和水位与传播速度之间的定量规律，建立相应关系，据此进行预报，如下图所示。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报、中长期预报径流的中长期预报已经成为当今水资源开发利用中不可缺少的非工程措施、它对于水库调度、防洪减灾、科学治水等方面都起到不可替代的作用。根据发布预报的预见期，通常把预见期在 3 天至 15 天的称为中期预报，15 天以上 1 年以内的称为长期预报，一年以上称为超长期预报或者称为水情展望。在长、中、短三种预报结合应用时，一般是以长期预报作为调度控制，以中期预报进行逐月、逐旬用水计划修正，径流的中长期预报方法，现阶段基本分为数理统计法、大气与非大气因子法以及模糊数学法三大类，分别侧重于寻求径流中长期变化的随机性、确定性和模糊性规律。水电站－水库调度
五、发电计划与水文预报数理统计法基本原则是从大量历史资料中应用于数理统计的方法去寻找水文要素历史变化的统计规律和关系，然后应用这些规律来进行预报。大气与非大气因子法工作主要是分析宇宙地球物理因素的长期变化引起水文要素变化的规律，并用以预报。近年来不少的研究主要集中于太阳的活动，海洋状况（主要是海水表面温度与海水），星际引力，地极移动振幅及地球自转角速度的变化等。目前，针对类似于新疆区域气候地理特性研究，中长期预报模型将侧重于选取人工神经网络、支持向量机及门限多元回归等多种非线性预报方法，并充分考虑该地区融雪对径流的影响，将气温、积雪厚度、积雪面积、雪密度等信息纳入到模型中，作为影响因子，参与预报计算。水电站－水库调度交流提纲
一、水文学
二、水情自动测报系统
三、水库调度
四、水库调度基本计算
五、发电计划与洪水预报
六、梯级电站联合调度方案研究水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究水库群的类型按照各水库的的相互位置和水力联系的有无，水库群又分为：串联、并联及混联三种水库群。串联水库群是指布置在同一条河流、形如阶梯的水库群，即梯级水库群。梯级水库群各库的径流之间有直接的上下联系，有时水头和落差也相互影响。按照各库间回水的衔接与否，又分衔接梯级、重叠梯级和间断梯级三种。并联水库群是指相邻的几条干支流或不同河流上的一排水库。并联水库有各自的积水面积，并无水力上的联系，仅当为同一目标工作时，才有水利上联系。混联水库群是串联与并联混合的水库群。由于目前大多数河流均具有发电、防洪、灌溉等综合利用目标，因此大多数情况下是综合利用的梯级水库群。水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究梯级水库群的工作特点梯级水库群的工作特点主要表现在四个方面：
1、库容大小和调节程度上的不同。库容大，调节程度高的水库常可帮助调节性能相对较差的水库，发挥“库容补偿”调节的作用，提高总的开发效果或保证水量。
2、水文情况的差别。由于各库所处的河流在径流年内和年际变化的特性上存在差异，在相互联合运行时，可提高总的保证水量或保证出力，起到“水文补偿”的作用。
3、径流和水力上的联系。梯级水库群径流和水力上的联系将影响到下库的入库水量、上库的落差等，使各水库无论在参数（正常蓄水位、死水位、装机容量、溢洪道尺寸等）选择或控制运用时，均有极为密切的相互联系，往往需要统一研究决定。
4、水利和经济上的联系。一个地区的水利任务，往往不是由单一水库所能完全解决的，如：下游的防洪要求、大面积的灌溉需水，及电网的电力供应等，往往需要由同一地区的各水库共同解决，这就使组成梯级水库群的各库之间具有水利和经济上的一定联系。水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究梯级水电站群的运行特点与单电站的运行相比，梯级水电站群的运行具有以下特点：
1、发电水量的联系。下游梯级电站的发电水量主要取决于上游水电站的下泄水量，因此，下游水电站的发电量受上游电站的发电量的影响明显。此外，汛期，在准确进行洪水预报的基础上，实行上下游的梯级联合运行，做到汛前适当降低水位，拦蓄洪水能力：汛终及时拦蓄洪水尾巴，增大枯水期发电量。
2、发电水头的联系。梯级水电站群间还存在水头上的联系，下游水库若库水位过高，则抬高了上游电站尾水位，降低水头，减少发电量；下游水库若库水位过低，则自身发电水头可能降低，亦导致发电量减少。
3、调频调峰的联系。梯级水电站群往往供同一电力主网，且大多承担系统的调频调峰任务，梯级电站通过联合运行，合理安排运行方式，减少弃水量，同时还可增加系统的调峰容量，提高电网运行的安全稳定性。水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究梯级联合防洪调度方案梯级水库防洪调度的主要内容是研究在保证自身水库大坝安全的前提下，梯级水库承担其下游共同的防洪任务时的洪水调度方法，同时，对各水库的蓄洪泄洪次序作出决策。梯级水库防洪调度必须根据水库安全标准、下游防护对象的防洪标准及防洪控制点河道安全泄量，研究如何通过梯级中各水库的联合调控，以达到防洪任务的要求。对下游防洪标准设计洪水，必须结合干支流水库控制面积的情况，考虑干支流及区间洪水的地区组合，及相对应的干支流水库调控洪水的方式。水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究梯级联合防洪调度方案防洪优化调度准则：
1、最大消峰准则。即洪峰流量得到尽可能大的消减。
2、最小成灾历时准则。即防洪控制断面流量超过其安全泄量历时越短越好。
3、最大防洪安全保证准则。即在满足下游防洪控制断面安全泄量的条件下，尽可能多下泄，留出防洪库容，给以后可能发生的大洪水使用。上述准则中，1、2将满足下游防洪要求置于次要位置，因此多出现较大洪水时使用，3则适用于稍小洪水。在实际应用中，最大消峰准则采用最多。水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究梯级联合发电调度方案以电力系统运行信息、负荷预测（或计划）和水文预报成果、实时径流（洪水）预报成果为基础，在满足喀什河梯级各电站发电调度规程和综合利用要求的前提下，利用先进的优化调度模型和算法，确定各梯级电站运行方式以及系统电力负荷在各水电站间的分配，合理制定各水电站的发电计划。根据流域梯级水库调节性能的差异，按调度周期分为短期发电优化调度和中长期发电优化调度，并以短期调度为主。(一)、中长期优化调度是以年为周期，以月（旬）为调度时段，研究年内各月（旬）喀什河流域梯级水库电站的联合优化运行方式，以达到充分利用水能，增加发电量和保证系统安全运行的目的。水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究研究内容包括：a）梯级水电站群中长期发电优化调度模型的建立以及优化调度方案研究；主要包括优化目标的选择，水库电站约束条件的处理，优化方法的选择等。优化目标可选全梯级计算期发电量最大、发电收入最大、梯级蓄能最大等。b）在全面考虑来水趋势、检修计划及用电负荷分析预测的基础上，计算梯级水电站群全年发电量并合理分配到年内各月(旬);c）梯级水电站群年内逐月滚动实施方案研究：根据中长期径流预测，滚动调整梯级电站调度方案，使余留期效益最大。(二)、梯级电站短期发电优化调度梯级水电站短期发电调度的研究目标是确定各梯级电站短期内运行方式以及系统电力负荷在各水电站间的分配，在更接近水库、电站实际运行状况水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究下制定水电站的发电计划。研究内容包括：a）各梯级水电站日内发电优化运行方式研究：在电价及发电水量给定的条件下，研究日电量在各梯级电站日内各时段的最优分配；b）在日拟发电量给定的前提下，进行总电量在各梯级电站的分配，使得梯级蓄能最大；c）月度发电计划逐日跟踪、滚动分析。d）在一些节假日或者用电高峰期采用特殊的调度方式以满足电网的特殊需求。水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究(1)短期（日）发电效益最大模型在一定的用水量条件下，合理配置各电站用水量在时间上的分配，充分将水电站水量利用起来，同时满足一天内的其它时段对水量和电量的约束。一般来讲，要想获得一天的整体泄水量，有两种方法：一种方法是直接确定发电用水量大小，主要用在调节性能较好的水库；另一种是通过水位的变化范围间接控制发电用水量，主要用在调节性能较差的水库。(2)短期（周或日）耗水量最小模型在给定梯级水电站总负荷的情况下，如何分配负荷以求得梯级各电站负荷计划，使梯级耗水量最小。水电站－水库调度
水电调度 篇5
黑河是我国西部地区较大的一条内陆河, 发源于祁连山与大通山之间, 流经青海、甘肃、内蒙三省 (区) , 全流域面积为6.9万多km2。黑河两岸山崖陡峻, 岩石裸露, 地形狭窄, 水流湍急, 峡谷长约95km, 河道平均比降9.1%, 干流年径流总量为15.96亿m3。
整个流域规划了八座梯级电站, 总装机容量为72.17万KW, 年平均发电量25.37亿k W/h。目前已投产七座梯级水电站, 由甘肃电投河西水电开发有限责任公司、甘肃黑河水电开发有限责任公司分别进行开发和运营。已投产的7座水电站基本情况见表1。
1 黑河流域梯级水电站主要特性分析
1.1 各电站的一些基本特性
黑河流域各梯级电站中西流水、宝瓶电站水库属于中型水库, 具有日调节能力, 其他电站的水库小, 调节能力较弱。宝瓶、三道湾、西流水均为高水头、长引水隧洞式电站, 水头均在百米以上, 其他几级电站水头在17m~56m之间, 高水头电站机组发电单位耗水率较低。三个电站引水隧洞长度分别达到3.7km、9.3km、7.0km, 整个发电引水系统的水头损失随流量的增大明显增大, 对这三级电站运行数据分析计算, 其发电引水系统的水头损失约为3m~15m。
1.2 宝瓶电站发电特点及其对下游各级电站发电的影响
虽然宝瓶电站的水库容量比西流水电站的小, 但宝瓶电站目前处于黑河最上游位置, 其发电下泄流量会被下游其他电站利用进行发电。通过对宝瓶电站的拦洪蓄尾、水库合理的调度, 不仅为宝瓶电站增发了电量, 还给下游各级电站带来可观的经济效益。通过计算, 宝瓶电站水库每多蓄1m3水, 其他各级电站用来发电, 就可增发1度电, 在汛期通过合理的水库调度, 每次拦蓄上百万立方米的洪水是可以做到的。
2 黑河流域联合发电优化调度模型研究
2.1 研究的目的
随着宝瓶电站的投产发电, 黑河流域水电资源开发已基本结束, 目前如何提高这七级电站的安全管理、经济效益是我们需要研究的课题。根据近几年龙首、西流水电站联合调度及其他电站联合调度的运行数据和经验, 联合优化调度比常规调度可增加3%~7%的效益。梯级电站联合调度在不需要大量投资和改造的情况下, 就可获得比常规调度更显著的经济效益。因此, 开展梯级水电站的优化调度意义重大。梯级水电站发电优化调度研究主要是根据各级电站来水、各水库电站承担的任务以及电力系统的要求, 有计划的对入库径流进行蓄泄, 寻求在满足各条件下的梯级电站最优联合运行方案或优化调度规则, 争取多发电量, 获得更大的经济效益和管理效益。
2.2 研究的方法
水电站发电优化调度按时间和空间划分, 可分为站内经济运行、短期优化运行和中长期优化运行三个项目。中长期发电优化调度主要研究较长时间 (年、季、多年) 电站的运行方式, 适用于较大调节能力 (年、季、多年) 的水电站水库。站内经济运行研究适合单个水电站水库。根据黑河流域目前七级水电站的实际情况, 本次研究这七座梯级水电站的短期优化调度。
短期优化调度一般是指以1日或数日为调度期, 以15min、30min或1h为时段的这样一类水库调度问题。短期发电优化调度是以入库径流为基础, 以综合利用、电网要求为约束, 以发电量或发电效益最大为目标, 建立优化调度模型并求解, 确定梯级各电站逐时段的最优运行方式, 并制定相应的发电计划。
2.3 研究的内容
从径流资料、梯级电站间水流流达时间分析入手, 根据水库的实际情况, 确定具体的约束条件;建立优化调度模型, 并寻求能兼顾计算时间与计算精度的求解方法, 用于指导梯级水电站优化调度工作。
1) 研究计算不同级别流量下, 水流从宝瓶、三道湾、二龙山、大孤山、小孤山、西流水、龙首电站水流逐级到达的时间;
2) 以预报入库径流为依据, 以综合利用、电网要求等为约束, 以发电量最大或发电效益最大为目标, 建立优化调度模型并求解, 寻找梯级电站最优运行方案, 制定梯级各电站96点发电计划。
2.4 研究的路线 (短期发电优化调度研究 (发电量最大 (发电效益) 模型) )
1) 问题描述:根据短期径流预报、水库初始水位和水电站可投入运机组, 在满足各种约束的条件下, 求梯级各电站的出力过程, 使控制期内发电量最大。
2) 目标函数
式中:B为调度期内梯级总发电效益;∆t为时段长;k (m) 为m电站的出力系数;N (m, t) 、QO (m, t) 、H (m, t) 分别为第m梯级水库t时段平均出力、出库流量、发电水头;为M为梯级水电站数目;T为时段数目;β (t) 为t时段电价。β (t) 若为一常量, 则该目标函数为发电效益最大。
3) 模型求解
在建立有效实用的数学模型之后, 必须选择恰当的优化计算方法, 才能为制定梯级水电站优化调度方案。兼顾计算时间和计算精度是选择优化算法必须考虑的两个基本因素, 本次研究拟采用混合动态规划法来求解上述模型, 具体的步骤如下:
(1) 采用动态规划分别求解各水库单独运行时的最优轨迹线, 作为POA及DPSA算法的初始轨迹线;
(2) 对宝瓶水库采用POA优化, 其他水库的运行轨迹线不变, 再对三道湾水库采用POA优化, 其他水库的运行轨迹线不变, 7座电站依次类推, 这相等于对一维决策向量加一个约束。这样就可以用POA法求解, 从而得到宝瓶水库新的运行轨迹线;
(3) 宝瓶水库保持新的运行轨迹线, 用POA求解三道湾水库的新的轨迹线;依次类推, 得出其他电站新的轨迹图。
(4) 再从宝瓶电站开始, 重复以上步骤, 进行第二轮、第三轮……迭代计算, 直到满足收敛条件为止。
4) 发电计划制定
采用确定性优化模型编制96点发电计划。把预报来水过程代入上述模型, 优化求解可得梯级电站的发电计划。在实际应用中, 根据滚动径流预报以及边界条件的变化, 每隔1小时自动修正调度时期内剩余时间的发电计划。
5) 黑河流域梯级电站联合发电优化调度原则
根据黑河流域水情预测情况, 依据发电优化调度模型计算结果, 在洪水来临前、后合理调整宝瓶电站水库水位和下游各级电站有功负荷, 做到洪水来临前, 宝瓶电站水库运行水位降到合理低位, 洪水走后宝瓶电站水库运行水位升到合理高位, 并在调度工程中尽可能减少或杜绝弃水。
3 结论
将黑河流域梯级电站联合发电优化调度模型研究结果, 编写成相关软件, 录入相关基础数据, 形成优化调度系统。可以实现梯级电站优化调度的自动指导, 在系统基础数据不断补充、软件实际应用不断完善和软件系统接入现场控制系统后, 可实现黑河流域梯级电站优化调度自动控制, 真正达到梯级电站优化调度自动化。
摘要：黑河流域规划有八座梯级水电站, 目前投产发电的电站已有七座。梯级水电站联合发电优化调度的研究对该流域梯级水电站的安全生产、经济运行有非常重要的作用。在充分考虑黑河流域各梯级水电站径流预报、水库水位和可投入运机组等条件下, 提出了黑河流域梯级水电站短期优化调度模型, 该模型使控制期内各梯级电站发电量最大, 经济效益提高。通过该模型优化调度计算、分析, 得出了用于指导黑河流域梯级电站经济运行的调度原则。
关键词：黑河,梯级水电站,优化调度
参考文献
[1]韩冰, 张粒子, 舒隽.梯级水电站优化调度方法综述[J].现代电力, 2007, 24 (1) .
水电调度 篇6
关键词：粒子群算法,发电调度图,发电效益
0 引言
水电站水库优化调度是历年来的一个重要研究课题,随着系统科学及智能优化算法的出现,一些优化理论和方法在水库优化调度中得到广泛的应用。如大系统分解或分级优化理论、动态规划法、遗传算法、蚁群算法等等[1,2]。但由于优化调度方案与实际调度存在偏差,从目前的水电站水库优化调度的应用水平来看,基本上还不能够用优化调度方案来具体指导水电站水库实时调度,水库常规发电调度图仍是水电站运行调度最常用的工具,对指导水电站水库长期运行具有重要意义[3]。具有年和季调节性能的水电站发电调度图绘制的常规方法是:从历史实测径流资料中选取若干符合设计保证率要求的典型年做样本,对各年均按保证出力自供水期末死水位开始,逆时序进行水能计算至供水期初,得出各年水电站运行的蓄水变化过程,然后取其上下包线作为上下基本调度线,再以上下基本调度线为边界条件,向上绘制加大出力线,向下绘制降低出力线[4]。
由于历史实测资料的有限性,且年来水在年际和年内的分配都很不均匀,少量典型年样本很难反映水库来水与发电用水间组合的代表性。因此,以此绘制的常规发电调度图具有其局限性一面[5]。基于此,本文引入粒子群算法绘制水电站水库发电调度图,充分地利用所有实测资料信息,而不仅仅是典型水文年,而且在计算调度图的同时能够直观地显示出在满足各种约束条件下水电站按调度图模拟运行的效益,因此就很方便地在绘制过程中对调度图进行优选,从而达到提高水电站运行效益的目的。
1 算法分析
粒子群算法由James Kennedy和Eberhart于1995年提出[6]。其基本思想源于对鸟类群体行为的研究,算法的实质是根据个体与环境的适应程度,并通过群体中的信息共享来实现寻优。粒子群算法具有计算简便,收敛速度快等优点,已广泛应用于各个领域[7]。
粒子群算法的基本思想是:问题的每一个解被称为一个粒子,算法首先初始化生成一个含m个粒子的随机粒子群(初始解),每个粒子的位置就是一个潜在解,然后该粒子群在D维搜索空间中以一定的速度飞行,每个粒子在搜索时,同时考虑自己搜索到的历史最好点和群体内其他粒子的历史最好点,并以此为依据进行位置变化[8]。将群体内粒子编号,则第i个粒子(1≤i≤m)的位置表示为xi=(x i1,xi2,,xi D);速度表示为vi=(v i1,vi2,,vi D);经历过的历史最好点表示为pi=(pi1,pi2,,pi D);群体内所有粒子经过的最好的点表示为:
粒子的位置和速度根据如下方程进行变换:
其中:ω为惯性权重因子;1c和2c称为学习因子,为常数,一般取c1=c2=2;ξ和η为[0,1]之间的随机数;vkid为粒子i第k次迭代时在d维空间上的飞行速度。
从式(1)可以看出,粒子的飞行速度由三部分构成。第一项是粒子飞行中的惯性作用,是粒子能够进行飞行的基本保证。惯性权重因子ω可起到调整算法全局和局部搜索能力的作用,较大的惯性权重使粒子具有更大的飞行速度,具有更好的探索能力,有利于提高收敛速度;较小的惯性权重具有较小的飞行速度,具有更好的开发能力,有利于提高算法的收敛精度。第二项是粒子的自我“认知”部分,表示粒子飞行中考虑到自身的经验,向自己曾经找到的最好点靠近。第三项是粒子的“社会”部分,表示粒子飞行中考虑到社会经验,向群体中其他粒子学习,使粒子在飞行过程中向群体内所有粒子曾经找到过的最好点靠近。第三项是粒子群算法的关键,若没有这一项,算法等于各个粒子单独飞行,得到最优解的概率就很小[9]。
2 粒子群算法在水电站水库发电调度图绘制中的应用
2.1 粒子的构造
应用粒子群算法绘制调度图,思想是将每个粒子构造成为一份调度图,即每个粒子的位置是一个N×D的二维数组,N为调度图含调度线的条数,D为调度线长度,对应粒子群算法粒子的维数。
2.2 适应度函数的确定
根据上述介绍可知,粒子的适应值是衡量粒子飞行位置优劣的唯一指标,因此结合水库发电运行的求解目标,便可直接以发电量目标函数为适应度函数,即:
其中:E为发电量;k为i=1出力系数;q和h分别对应时段i引用流量和发电水头;T为计算时段总长。
对任一粒子进行适应值计算时,即是按粒子所示发电调度图对水电站水库进行模拟运行,充分利用已知的历史实测资料,以多年模拟运行的效益结果作为适应值,能直观的表示出各粒子的优劣,有效的将调度图绘制与调度图的应用目的相结合,以保证最终调度图的实用性。
当考虑到水电站的出力保证率时,可以将保证率以罚函数的形式进行处理。
2.3 约束条件的处理
水库调度运行是个典型的多约束问题,主要有以下约束条件:
水位(库容)约束:
出力约束:
水库下泄流量约束:
水量平衡方程:
其中:Zi、iV、Ni、iQ和iq分别对应i时段水库的水位、库容、出力、出库流量和入库流量;Zmin、Zmax(Vmax、Vmin)分别为水库最小、最大水位(库容)限制;Nmin、Nmax分别为水库最小、最大出力限制;Qmin、Qmax分别为水库最小、最大下泄流量限制;∆T为时段时间长度。
其中出力约束、水库下泄流量约束和水量平衡方程约束在水库调度运行计算中直接加以限制即可控制,而水位(库容)约束除了需要在水库调度计算中加以控制外,还需在构造粒子以及粒子飞行中加以控制。首先,算法中每一个粒子即对应一份调度图,而调度图的调度线实质是水位指示线,因此在构造初始粒子时,应加以严格的边界约束;其次,调度图上的各调度线应该是不交叉(可重合)的,也应严格控制;再次,初始化粒子满足上述约束,但在飞行过程中,可能跳出边界约束,因此需要对每一次粒子飞行的速度加以限制,即粒子的飞行速度不能超过其最大飞行速度vmax,vmax由粒子初始位置和边界条件确定。
2.4 对基本粒子群算法的改进
基本粒子群算法收敛快,但也与其他进化类方法一样,存在易陷入局部最优的缺陷,因此在应用中可对原算法作适当的改进处理,以尽量避免这种收敛“早熟”,来求得全局最优解。
前面已经介绍,惯性权重因子可起到调整算法全局和局部搜索能力的作用。在算法的早期迭代中,应该采用较大的惯性权重因子,这样有较强的全局搜索能力,而在算法后期,应该采用较小的惯性权重因子,具有较强的局部精细搜索能力。这里,采用自适应调整的计算公式来确定惯性权重[10]:
其中:t为当前迭代次数;max T为最大迭代次数。
2.5 粒子群算法绘制调度图流程
应用粒子群算法绘制调度图的流程如下[11]:
Step1:在初始化范围内,对粒子群初始化(生成初始调度图),包括初始位置和速度。
Step2:计算每个粒子的适应值(多年模拟运行效益值)。
Step3:比较适应值。将每个粒子的适应值与自己所经过的最好位置的适应值比较,若更优,则将其作为新的个体历史最优值;将每个粒子的适应值与群体内经历的最好位置的适应值比较,若更优,则将其作为新的群体历史最优值。
Step4:根据式(1)和式(2)更新粒子的速度和位置。
Step5:判断终止条件;若达到终止条件,则输出调度图绘制结果及相应的适应值(效益值),然后退出程序,否则返回Step2。
3 实例应用
在验证了用粒子群算法绘制调度图的可行性和有效性之后,将该方法应用于某水电站水库发电调度图的修订和重新绘制项目中。该水电站具有年调节能力,以发电为主。水库正常蓄水位627 m,死水位555 m,保证出力150.3 MW,装机容量为300MW,出力系数8.3,无防洪要求。已知该水库的水位~库容关系曲线、下游水位~下泄流量关系曲线、预想出力~发电水头关系曲线以及水库50年的径流资料。经计算分析研究,拟定粒子群算法的种群规模为30,学习因子c1=c2=2。
对该水库分别按常规方法和粒子群算法绘制年发电调度图(这里仅列举上下基本调度线),具体结果如下所示。
常规方法选取的典型水文年数为6,绘制调度图结果见图1。
水电站按图1所示调度图进行多年模拟运行,得到多年平均发电量为17.29亿k Wh。
粒子群算法以年均发电量为适应度函数,为了便于比较,以按图1模拟运行所得保证率作为惩罚项,绘制调度图见图2。
水电站按图2所示调度图进行多年模拟运行,得到多年平均发电量为17.48亿k Wh,与按调度图1运行时保证率一致,发电量提高了1.1%,经济效益显著。
通过对两图比较可知,下基本调度线的变化不大,其变化主要集中在6~10月份;上调度线变化比较大,图2所示调度线在6~10月份明显低于图1,而在1~5月份又明显高于图1。结合多年模拟运行过程和径流特点,对调度图2的合理性分析如下:
6~10月份为汛期,水库来水量大,无论以上述哪条下基本调度线作为发保证出力的边界条件,这几个月都能满足发保证出力,因此下调度线在此变化范围内对整个运行结果的影响不大。调度图1在汛期的上基本调度线高于调度图2,导致水电站按保证出力运行的机会增加,水库容易较早蓄满,产生更多弃水;调度图2在汛期上基本调度线的降低,运行过程中加大出力的机会增加,在保证水库汛末蓄满的前提下,减少了弃水量,有利于提高发电效益。
在枯水期的1~5月份,图2较图1的上基本调度线稍有偏高,这样减小了加大出力的机会,使水电站尽量按保证出力运行,减缓水库水位消落速度,使水库发电运行维持在相对较高的水头,有利于提高发电效益。因此,图2较图1的变化是合理的,体现了优化方法在水电站水库调度图绘制中的优越性,提高了优化方法在水电站优化调度中的实用性,得到了生产单位的肯定。
常规方法以符合设计保证率的典型水文径流过程作为计算依据,有其水文理论基础,但由于典型水文年代表性不足,调度规则相对保守,不利于充分发挥水库的运行效益。粒子群算法则不考虑绘制调度图的理论基础,以优化理论思想为前提,从调度图的实际运用目的出发,以水库的运行效益为目标,以设计保证率等其他要求为约束条件,直接以模拟运行的结果优劣来择优选择调度图,能比常规方法获得更具实用价值的调度图。
4 结论
粒子群算法是一种智能优化算法,具有全局寻优能力和收敛速度快的特点,且计算方便,编程简单。本文将粒子群算法引入水电站水库运行调度图编制中,实际应用表明,用粒子群算法编制调度图能直观地反应调度图模拟运行的实际成果,有利于在绘制过程中对调度图进行优选,省掉了人为选择、处理典型水文年的过程,能够在满足各种约束条件下,提高水电站的发电效益,取得较满意的结果,为优化方法在水电站优化调度中的实用性提供了一条可行的途径,也为绘制水库调度图提供了一种新的有效的方法。
参考文献
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水电调度 篇7
本文试图从满足实际运用以及可操作性的角度,对跨流域补偿调度运用于广西电网这一特定的需求[5进行探讨。
1 广西电网水电站群现状
广西电网统调水电站均属于珠江流域的西江水系,根据所在的支流、干流不同和彼此之间是否有水力联系划分为4个梯级,分别为红水河梯级、郁江梯级、龙江河梯级、柳江梯级。
红水河流域梯级是广西电网的主力梯级,为珠江水系西江上游干流,其上游主要支流为南盘江和北盘江,降雨的年内分配很不均匀,每年11月至次年4月或5月为干季,降雨量主要集中在6月至8月,占全年降雨量的60%～70%。红水河岩滩上游有由南方电网总调调度的龙滩、天生桥一、二级和光照电站,均具有多年调节能力。
郁江是珠江流域西江水系最大支流,上游左、右江分别源于越南北部和云南南部,易受台风和热带气旋影响。枯水期为每年11月至次年6月,洪水发生较晚,主汛期为7月至9月。郁江梯级右江电站具有不完全多年调节能力,西津电厂具有季调节能力。
龙江和柳江均位于广西北部,龙江是柳江的主要支流,洪水由暴雨径流汇合而成,降水量的年际变化大。柳江上游进入汛期较早,4～8月为主汛期。此两梯级由于缺乏具有良好调节能力的龙头电站,汛期容易因洪水导致发电受阻,而枯水期则因径流量小致使发电能力较低。
2 开展跨流域补偿调度必要性
2.1 复杂流域优化调度的客观要求
红水河龙滩水电站投产后,其初期正常蓄水位为375 m,总库容162.1亿m3,有效库容111.5亿m3,装机420万kW。后期正常蓄水位400 m,总库容272.7亿m3,有效库容205.3亿m3,装机630万kW。由于龙滩水电站具有良好的调节能力,使得红水河枯水期平均流量提高。初期蓄水期间红水河枯水期下游平均流量由640 m3/s提高到800～1 000 m3/s。其完成蓄水正常运行后,将提高到1 500m3/s。受龙滩水电站的调节作用影响,红水河汛期径流过程也将发生巨大变化,主要受区间强降雨产生洪水,主汛期出现时间将由原来的5月上、中旬推迟至6月上、中旬。下游梯级除个别无调节径流式电厂外,受洪水影响导致发电受阻的情况将大大减轻,甚至整个汛期均能满发或接近满发。因此,必须通过运用跨流域补偿调度,才能满足红水河梯级年内水库运用和发电的要求,特别是汛期整个梯级以带基荷运行的发电要求。
郁江梯级上游右江百色水利枢纽工程具有多年调节能力。由于调节库容大而年度径流量相对较小,右江水库的年度运用对红水河梯级的发电过程起到良好补偿作用,同时还能极大地影响下游梯级枯水期和洪水期的发电量。右江主汛期7月份维持汛限水位在214 m,下游发生大洪水时,按照防洪蓄泄原则调度。主汛期8月份按上旬、中旬、下旬分期逐步抬高汛限水位,9月至10月采用分期汛限水库控制,逐步提高运行水位。因此,右江水库与下游的西津电厂一起,具有对红水河进行跨流域补偿优化调度的条件。
龙江河、柳江梯级虽没有调节能力良好的龙头电站,但由于这两个梯级地理位置在桂北、桂东北,通常情况下流域来水比红水河、郁江梯级偏早1至2个月,加之两梯级均为日调节径流式电站,梯级出力随着年度来水而出现明显的规律性变化,因此需在跨流域补偿优化调度中考虑此两梯级来水和出力变化情况。
2.2 电网发展对水库调度的要求
随着近年来火电机组的大量投产,广西电网的水电装机比重下降。火电机组的增加,一方面可以使枯水期电网供电紧张的局面得到缓解,而另一方面则会进一步使汛期电量富余的现象更为明显。而龙滩水电站投产后,广西吸纳其一半电量,从某种程度上说,广西电网水电电量比例为全部电量的60%以上,因此广西电网临阶段性电力富余的现象十分突出。在目前国家提倡节能环保的大政方针下,如何合理安排水库群电站各阶段出力,增加水电发电量,减少弃水,这些问题都对电网水库调度工作提出了新要求。开展跨流域补偿调度,将过去单一流域梯级调度,转变为多流域协同补偿调度,针对龙滩、右江水电站投产后,通过对红水河、郁江下游梯级水电站的水情及发电运行方式的影响进行分析,研究此两梯级的跨流域补偿调度方案,并结合龙江河和柳江梯级的年度出力变化过程,制定红水河和郁江梯级电站水库运用和调度方式,开发跨流域补偿优化调度的年、月、旬调度方案制作系统,编制各梯级水库年、月、日水库运用方案和发电计划,才能结合电网的负荷需求,充分发挥各流域梯级电站的特点,挖掘水电整体发电潜力,寻求整体水电站发电效益最大化。
2.3 节能发电调度的客观要求
随着国家节能环保大政方针的推行,水电作为清洁环保的能源得到了非常高的重视。南方电网公司和广西电网公司均出台了一系列的节能发电调度的相关文件和规定,节能发电调度将水电作为第一位优先发电,极大地改变了以往的调度运行模式。而不因调度原因全额收购水电电量的节能调度原则,也对水库调度提出了更高的要求。跨流域补偿调度正是针对这些要求所必须深入开展的一项重要工作。
2.4 开展跨流域补偿调度所具备的条件
龙头水库的投运,是水电站水库之间库容补偿调度,开展跨流域补偿调度先决条件。红水河龙滩、郁江百色电站的投运,满足了这一先决条件。
不同梯级流域时间来水时空分布、天然径流丰枯不同步,是水电站水库之间开展跨流域补偿调度的必要条件。如,龙江河、柳江梯级通常流域来水比郁江梯级偏早1～2个月,洪水发生与红水河相差较多,结合电网负荷需求,这些梯级可开展跨流域补偿优化调度,实现流域间水文补偿作用。
水调自动化系统的建设和投运为广西电网水电站水库群跨流域补偿调度创造了技术条件。跨流域补偿调度涉及的各流域梯级的各种水雨情信息,需要运用大量的数据并要求一个完整的数据环境。广西电网水调自动化系统是开展跨流域补偿调度平台和基础,起到关键的作用。
3 跨流域补偿调度的基本原则和调度规则
3.1 跨流域补偿调度的基本原则
3.1.1 以满足电网安全、稳定运行为基本原则
电网安全稳定,是开展一切调度工作的基础,在跨流域补偿调度中同样必须遵守这一原则。这一原则主要体现在边界调件中。在边界调件中,对于不同时段水电的总体出力、梯级或者个别电厂的负荷控制、影响水电厂机组稳定的震动区等因素均需要进行具体约束分析,通过增加调度对象的水位、出力等方面负荷约束体现出来。
3.1.2 必须考虑电网年度负荷和机组检修计划
电网年度负荷过程是一个具有一定规律性的客观过程,跨流域补偿调度必须适应和满足这个客观过程的要求,跨流域补偿所制作的调度方案才具有实际意义和可操作性。另一方面,水电来水过程也是一个客观过程,因此跨流域调度的原则就是通过长期、中期和短期的优化调度方案,结合各流域梯级的来水特点,充分运用流域梯级水电站调节能力,优先用水电电量来满足电网的客观的负荷需求过程,从而达到增加水电发电量的目的。
3.1.3 流域梯级发电量最大、弃水最少的为目标函数
跨流域补偿调度的最根本目的就是优化各梯级电站的运用和发电过程,使各流域梯级电站在梯级水库调节能力、检修、网架结构、所担负的电网安全稳定任务等各种约束下,特别是电网负荷过程和安全约束的限制下,实现整体调度对象的电力电量的最大化。此项原则是在满足以上2项有关电网安全、稳定和负荷以及来水客观过程的原则后,优化调度所必须遵循的基本原则。
3.1.4 满足其他综合水库利用的原则
广西电网调度流域梯级均为珠江水系,随着近年来珠江调水压咸工作的深入和常态化,流域水库综合利用开始对水库调度工作提出新的要求。除了调水压咸外,社会上对涉及生态和环保用水的要求也逐步受到重视,生态流量作为保证航运流量之外的一个新指标,对水库调度运行特别是枯水期的调度和运用提出了新的要求。综合运用的原则作为符合国家建设和谐社会,运用科学发展观的一项基本原则,加入到跨流域补偿调度中是很必要的。
3.2 跨流域补偿调度的调度规则
调度规则是开展跨流域补偿调度的关键。通过调度规则开展一系列的水库群发电调度,才能充分发挥水电发电能力,同时满足电网各方面的约束和需求,从而达到增加水电发电量、避免或减少弃水损失的目的。
3.2.1 长期径流预报运用的规则
目前,长期径流预报,特别是年度径流预报,仍处于一种探索和试验阶段。若跨流域补偿调度所有调度对象均按长期径流预报的理论结果开展,将会使调度方案和结果受年度径流本身的不确定性影响出现较大的偏离,可操作性将受到很大的影响,特别是受上游龙头水库影响改变了径流特性的梯级电站。因此,针对具有多年调节水库的流域,在进行跨流域补偿调度时,将长期径流预报和龙头水库的年度运用结合起来,以长期径流预报作为龙头水库径流过程输入,而龙头以下的下游梯级水库,将龙头水库的运用计划的发电径流过程和区间径流预测进行叠加,作为跨流域补偿调度时的径流输入,从而使整个跨流域补偿调度将长期径流预测和龙头水库对下游梯级径流的影响相结合起来。
3.2.2 流域补偿调度中长期与中短期度调度方案相结合的策略
为了使跨流域补偿调度的年度中长期计划能很好地得到实施,必须将中长期计划在月度的中短期计划中进行分解,用年度调度方案的过程来约束中短期月度计划的过程。在年内执行长期计划时,能在实际径流过程和各种非强约束条件变化时,对月度中短期方案进行调整,尽可能达到或者贴近年度长期方案中的目标,使总体年度方案的优化过程不会发生较大的偏差。
3.2.3 中长期年度计划的调度规则
跨流域补偿调度的中长期调度方案集中体现在制订龙头电站的年度供水发电计划和汛末分级蓄水计划以及水库分月控制目标,实现本流域梯级以及跨流域补偿的不同流域梯级水电站年度发电计划的优化,使总体水电年度发电能力在年内各月度得到合理、有序安排,用尽可能多的水电电量来满足电网的负荷需求。龙头水电站的发电计划基于年度梯级中长期来水预测,使不同流域的梯级水电发电过程在电网年度负荷约束的条件下,年内总体发电量最大、汛末各水库蓄满率最大,加入设备检修、电网调峰和备用等安全约束和购电计划等约束,寻求合理的、符合实际的满意解。在经过跨流域补偿调度优化调度后,由于电网负荷约束导致某阶段水电无法满足水电发电能力导致富余时,将富余水电作为计划外外送电力电量加以考虑,而水电发电能力不足时,不足电量作为计划外增加火电以及购入电量加以考虑。
3.2.4 中短期月计划的调度规则
跨流域补偿调度月度调度方案是对中长期方案的修正和补充。由于年度中长期方法时间跨度大,无法完全、细致地考虑各种约束的变化,特别是中长期径流预测过程的时间分布和总量的偏差率较大,必须以中短期月度来水预测来提高优化调度的精度。在年度跨流域补偿优化调度方案的基础上,依据月度来水过程预测,制订月度优化调度方案,对年度计划和年内已发生的实际过程之间的偏差进行调整,实现年度计划在月度过程内的细化。在调整和细化的过程中,加入具体的月度电网预测负荷过程和其他电力电量约束等一系列约束,以达到年度补偿调度方案中各流域梯级的分月水库控制目标,使月度整体梯级水电站发电量最大。
3.2.5 灵活调整的调度规则
无论是中长期年度调度还是月度补偿调度,都会受到径流过程、负荷过程这两个强约束变化的影响,而这两个约束的不可预见性和多变性,需要在出现较大偏差时,有对补偿调度方案的进行调整方法和策略,跨流域补偿调度方案才具有可操作性。结合目前的气象水文预报的技术水平来看,短期(3～5天)的预报结果,特别是过程预报结果具有较高的精度和准确性。因此,调度方案需要针对这种时段对年度、月度中长期方案进行不断的修正。
4 结语
水电站水库群开展跨流域补偿调度是一项相当复杂的系统工程,牵涉技术、管理和调度运行等各个方面。目前,国内跨流域补偿调度仍处于研究和探索阶段,特别是跨流域补偿调度的基础——年度中长期预报的水平仍不能满足实际需求。另一方面,由于数学模型的局限性,跨流域补偿调度模型大多具有非光滑性、不可微等特点,只能近似采用数值解法,所得结果只能是相对较优化。而从实用化的角度来说,目前跨流域补偿调度研究的实用化仍有待提高,数学模型对研究问题的描述过于追求数学模型的精美及最优解,使得结果不能满足决策人员的需要,也缺乏对实际问题的宏观把握,未经经验修正、优化,往往实用性不高。最后,由于现实条件和理论认识水平在不断地提高,调度方法和决策也在不断地变化,缺乏一个动态的决策支持系统支撑跨流域补偿调度系统随着这些改变而进行调整,这也是跨流域补偿调度往往滞后于实际生产应用的原因。跨流域补偿调度作为水库调度自动化系统的高级应用模块,在确定了调度规则后,结合调度规则进行软件流程和模型设计,及其结合具体生产的应用,也是研究的重点内容。
摘要：文章结合广西电网以及流域梯级水电站的特点，探讨开展跨流域补偿调度的原则，并进一步阐明了在年度中长期、月度短期开展跨流域补偿调度的方法和调度规则，为进一步开展跨流域补偿调度系统的研究与开发提供参考。
关键词：水库调度,跨流域补偿调度,电网
参考文献
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