溪洛渡-向家壩梯級水庫調度實時響應系統開發研究

李 鵬，周 敏

(1.三峽水利樞紐梯級調度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

在梯級巨型水電站運行調度質量評價中，除了確保電網系統、電站設備、水庫樞紐安全調度運行外，還對梯級樞紐發揮最大經濟效益提出了要求。為了提高水庫未來運行水位、流量等運行過程的可預見性，提升水電站水庫調度管理工作水平，中國在水電站短期運行及調度方面的研究主要集中于日計劃運行方式，而調度模型主要依賴日計劃運行方式和單庫的水情預報，本文著力于電力系統中電力需求調整的實時性、梯級水庫調度的聯動性以及在梯級水電站實時優化運行調度算法上的研究，以滿足調度值班員實時調度需求。

1 溪洛渡-向家壩梯級水庫調度研究現狀

三峽梯調通信中心成都調控中心承擔溪洛渡-向家壩梯級水庫的聯合調度任務，在“調控一體化”[1]管理模式與“水電合一”[2]值班方式下，統籌兼顧防洪、航運、生態、發電等多目標調度，梯級水庫實時調度影響因素多、限制條件多、調度結果涉及面廣，面臨一系列新問題。現有水調系統不斷優化實現部分實時調度的功能，基本局限于基于計劃出力、預測來水對未來進行預測和預警，并未充分考慮溪洛渡左、右岸電站與向家壩左、右岸電站單獨的出力計劃；閘門在臨時性或計劃性操作的情況下，無法準確對水庫運行趨勢進行預測和仿真分析，不能全面支持實時響應分析的應用需求。

2 應用開發研究

2.1 基本原理

水庫調度實時響應分析是在水庫入庫洪水預報、水情實時數據、電站運行實時工況和電站負荷計劃等信息基礎上，開發設計包含梯級樞紐調度信息實時監視、趨勢預測，協助制定或修正閘門啟閉計劃甚至發電計劃等功能的實時響應系統。基本原理是基于安全的基礎上，綜合考慮水電站經濟運行、水量平衡、發電調度、防洪調度等。

2.1.1 經濟運行

水電站經濟運行是判斷水庫運行趨勢偏差的重要依據，也是實時調度和日優化計劃計算是否正確的關鍵，即建立不同水頭下電站的最優出力、最低耗水流量之間的關系。水電站經濟運行的最優準則是在給定機組水頭和出力下，使發電耗水率最低。其數學模型為

(1)

式中：N為電站出力，MW;Ni第i臺機組出力，MW；Q為電站發電流量,m3/s;Qi為第i臺機組發電流量,m3/s。

反之，給定流量Q對應電站最大的出力值為N。

水電站經濟運行依據是流量特性曲線[3](NHQ曲線)。考慮到系統的實時響應性和優化計算的及時性，在實際應用中可采用雙重優化方法[4]，用最小二乘擬合方式建立不同機組組合、不同水頭下電站出力和發電流量之間的多項式關系如下：

(2)

式中：a0，…，an和b0，…，bm為擬合多項式參數，多項式項數的選擇取決于電站機組流量特性和計算精度的要求，確定結果采用優化算法將負荷分配至各機組。

2.1.2 水量平衡

水庫蓄水量變化遵循如下平衡：

We=Wb+(Qin-Qout)×Δt-WLoss

(3)

式中：Wb，We為時段初和時段末水庫蓄水量,m3;Qin，Qout為時段平均入庫和出庫流量,m3/s；Δt為時段時間，s；WLoss為時段損失水量(下滲、蒸發等),m3。

水量平衡是結合經濟運行計算出的發電流量和防洪調度閘門啟閉計劃，根據其判斷趨勢偏差程度制定調度計劃。

2.1.3 經濟調度

在水庫運行實時監控中，若出現影響電站安全或經濟運行及預測偏差等情況，可對原閘門啟閉、發電計劃進行調整，重復水電站經濟計算，包括發電調度、防洪調度和航運調度，得出優化運行計劃并循環實施。其中，航運調度可直接轉化為限制條件由人工設置。

(1) 發電調度。根據水庫預報流量和中短期調度思路，綜合考慮發電機特性和防洪、航運、水位等限制，確定水庫可用水量，實現水電站的短期、超短期實時優化調度，使效益最大化，最終決策電站各時段的發電計劃過程。數學模型為

目標：

限制條件：

(4)

式中：Et為電站時段發電效益；Zt，Zmin，Zmax分別為t時段水庫水位和最低、最高限制水位，m；Nt，Nmin，Nmax分別為t時段電站出力和電站保證出力、最大出力限制，MW；Qt，Qmin，Qmax分別為t時段出庫流量和最小出庫流量(航運要求)、最大出庫流量(防洪要求)限制，m3/s。

此外，限制條件還包括水量平衡和避免機組在振動區運行等。實時調度對誤差的修正和調整有更高要求，強調實時響應的及時性、準確性和可靠性。

(2) 防洪調度。主要根據閘門運行規程規定、調度方案規則，合理安排防洪計劃、水庫蓄泄，滿足梯級樞紐自身安全和下游防洪對象的安全。在運行調度過程中，一般要求滿足以下限制條件：

(5)

在滿足防洪庫水位要求、下游防洪要求和出庫流量時段變幅要求下，制定適應下列要求的閘門啟閉計劃：

(6)

即尋求最高壩上水位最低或最大出庫最小目標的優化蓄放水策略。

2.1.4 偏差處理

在水電站實際運行中，由于現實系統運行的復雜性和未來的不確定性，在現有技術條件下，不可能完全消除水庫和電站實際運行與原計劃運行的偏差、主要表現為不可預見誤差、預報入庫流量誤差(目前甲級預報標準的合格率為85%)、負荷需求變化、水庫綜合利用要求變化(承擔防洪、航運、灌溉和污染防治等任務)，需依據水庫有限的調節庫容進行自調節，并在計算中采用對調度線不斷修正、向前滾動的計算過程：

(7)

另外，對于可預見誤差，即測量、靜態信息等其他系統偏差，可通過系數修正法修正。如水位庫容曲線偏差，可通過引入庫容折減系數WCDRate(WCDRate>0)，庫容是水位Z的函數，水庫的實際庫容Wc為

Wc=Wc(Z)×WCDRate

(8)

2.2 應用框架設計

利用現有的水庫調度自動化系統(信息采集、管理、存儲和水務計算等功能)，為實時響應分析應用軟件的運行提供了數據環境。該應用軟件不僅讀取發電計劃和預報來水進行實時水位預測，且支持發電計劃的在線調整功能，若預測水位偏離嚴重，則需要開展日發電計劃重定的工作。圖1描述了該應用軟件與水調平臺軟件、高級應用中發電計劃制作軟件的關系。

2.3 應用功能設計

應用功能可劃分為水位預測、仿真分析、多方案比較分析等功能，各功能之間存在密切聯系。其中，水位預測模塊是實時響應分析的主要功能，內容包括水位預測、靈活的圖表展示等；多方案比較與仿真分析是分析預測結果的工具，可為值班人員實時調度提供決策支持。具體功能流程如圖2所示。

圖2 功能及流程示意Fig.2 Function and process diagram

2.4 應用關鍵計算方法

2.4.1 水位預測

(1)單站水量平衡計算。執行電網下達的負荷計劃，采用水量平衡模式進行預測，即

Zt+1=Z[Wt+(It-qt-ΔQt)×Δt]

(9)

式中：Zt+1為t時段末水位，m；It,qt為t時段入庫流量和出庫流量，m3/s；Δt為時段長，s；ΔQt為t時段損失流量，取0，m3/s；Z為水位，m；W為庫容，m3。

(2)溪洛渡、向家壩梯級水庫聯動。既可根據各站預測入庫流量分別計算，也支持根據溪洛渡預測入庫、溪洛渡-向家壩區間預測流量進行梯級聯動計算。即

It,xjb=Qt,xld+Ft,qj

(10)

式中：It,xjb為t時段向家壩入庫流量，m3/s；Qt,xld為t時段溪洛渡出庫流量，m3/s；Ft,qj為t時段溪洛渡-向家壩預測區間流量，m3/s。

2.4.2 仿真分析

根據輸入的不同入庫流量過程、發電計劃、閘門計劃或其任意組合，調用水位預測方法計算未來水位、出庫流量、發電運行過程，并進行對比分析，為值班人員決策調度提供判斷依據。

3 結 語

從實時調度的角度出發，對流域梯級調度作了初步探索，初步建立了符合梯級水庫調度運行特點的實時調度模型，不同于傳統的以預報為主、調度實時調整的單庫調度模式；同時甄別了大流域梯級聯合實時調度研究的難點、重點，明確了下一步的兩庫或多庫研究方向，在國內外水庫實時調度領域均具有領先水平。

主要先進功能包括：① 綜合考慮梯級水庫相互影響，溪向兩庫聯算；② 根據數據庫數據，分鐘級自動計算預測梯級水庫48 h內運行情況，并自動掃描數據不斷修正結果；③ 人工手動設置實際限制條件計算；④ 設計多方案對比、方案與水庫實際運行情況對比、方案與水庫運行歷史數據對比；⑤ 掃查預警庫，包括短期棄水風險預警，作到實時預警；⑥ 多樣式展示。在優化人力資源的同時，大幅提高了對入庫、計劃和閘門操作等影響因素突發變化等情況的應急響應能力和速度，可有效保障梯級水庫聯合調度運行安全效益。