溪洛渡-向家坝梯级水库调度实时响应系统开发研究

李 鹏，周 敏

(1.三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧长江与水电科学湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

在梯级巨型水电站运行调度质量评价中，除了确保电网系统、电站设备、水库枢纽安全调度运行外，还对梯级枢纽发挥最大经济效益提出了要求。为了提高水库未来运行水位、流量等运行过程的可预见性，提升水电站水库调度管理工作水平，中国在水电站短期运行及调度方面的研究主要集中于日计划运行方式，而调度模型主要依赖日计划运行方式和单库的水情预报，本文着力于电力系统中电力需求调整的实时性、梯级水库调度的联动性以及在梯级水电站实时优化运行调度算法上的研究，以满足调度值班员实时调度需求。

1 溪洛渡-向家坝梯级水库调度研究现状

三峡梯调通信中心成都调控中心承担溪洛渡-向家坝梯级水库的联合调度任务，在“调控一体化”[1]管理模式与“水电合一”[2]值班方式下，统筹兼顾防洪、航运、生态、发电等多目标调度，梯级水库实时调度影响因素多、限制条件多、调度结果涉及面广，面临一系列新问题。现有水调系统不断优化实现部分实时调度的功能，基本局限于基于计划出力、预测来水对未来进行预测和预警，并未充分考虑溪洛渡左、右岸电站与向家坝左、右岸电站单独的出力计划；闸门在临时性或计划性操作的情况下，无法准确对水库运行趋势进行预测和仿真分析，不能全面支持实时响应分析的应用需求。

2 应用开发研究

2.1 基本原理

水库调度实时响应分析是在水库入库洪水预报、水情实时数据、电站运行实时工况和电站负荷计划等信息基础上，开发设计包含梯级枢纽调度信息实时监视、趋势预测，协助制定或修正闸门启闭计划甚至发电计划等功能的实时响应系统。基本原理是基于安全的基础上，综合考虑水电站经济运行、水量平衡、发电调度、防洪调度等。

2.1.1 经济运行

水电站经济运行是判断水库运行趋势偏差的重要依据，也是实时调度和日优化计划计算是否正确的关键，即建立不同水头下电站的最优出力、最低耗水流量之间的关系。水电站经济运行的最优准则是在给定机组水头和出力下，使发电耗水率最低。其数学模型为

(1)

式中：N为电站出力，MW;Ni第i台机组出力，MW；Q为电站发电流量,m3/s;Qi为第i台机组发电流量,m3/s。

反之，给定流量Q对应电站最大的出力值为N。

水电站经济运行依据是流量特性曲线[3](NHQ曲线)。考虑到系统的实时响应性和优化计算的及时性，在实际应用中可采用双重优化方法[4]，用最小二乘拟合方式建立不同机组组合、不同水头下电站出力和发电流量之间的多项式关系如下：

(2)

式中：a0，…，an和b0，…，bm为拟合多项式参数，多项式项数的选择取决于电站机组流量特性和计算精度的要求，确定结果采用优化算法将负荷分配至各机组。

2.1.2 水量平衡

水库蓄水量变化遵循如下平衡：

We=Wb+(Qin-Qout)×Δt-WLoss

(3)

式中：Wb，We为时段初和时段末水库蓄水量,m3;Qin，Qout为时段平均入库和出库流量,m3/s；Δt为时段时间，s；WLoss为时段损失水量(下渗、蒸发等),m3。

水量平衡是结合经济运行计算出的发电流量和防洪调度闸门启闭计划，根据其判断趋势偏差程度制定调度计划。

2.1.3 经济调度

在水库运行实时监控中，若出现影响电站安全或经济运行及预测偏差等情况，可对原闸门启闭、发电计划进行调整，重复水电站经济计算，包括发电调度、防洪调度和航运调度，得出优化运行计划并循环实施。其中，航运调度可直接转化为限制条件由人工设置。

(1) 发电调度。根据水库预报流量和中短期调度思路，综合考虑发电机特性和防洪、航运、水位等限制，确定水库可用水量，实现水电站的短期、超短期实时优化调度，使效益最大化，最终决策电站各时段的发电计划过程。数学模型为

目标：

限制条件：

(4)

式中：Et为电站时段发电效益；Zt，Zmin，Zmax分别为t时段水库水位和最低、最高限制水位，m；Nt，Nmin，Nmax分别为t时段电站出力和电站保证出力、最大出力限制，MW；Qt，Qmin，Qmax分别为t时段出库流量和最小出库流量(航运要求)、最大出库流量(防洪要求)限制，m3/s。

此外，限制条件还包括水量平衡和避免机组在振动区运行等。实时调度对误差的修正和调整有更高要求，强调实时响应的及时性、准确性和可靠性。

(2) 防洪调度。主要根据闸门运行规程规定、调度方案规则，合理安排防洪计划、水库蓄泄，满足梯级枢纽自身安全和下游防洪对象的安全。在运行调度过程中，一般要求满足以下限制条件：

(5)

在满足防洪库水位要求、下游防洪要求和出库流量时段变幅要求下，制定适应下列要求的闸门启闭计划：

(6)

即寻求最高坝上水位最低或最大出库最小目标的优化蓄放水策略。

2.1.4 偏差处理

在水电站实际运行中，由于现实系统运行的复杂性和未来的不确定性，在现有技术条件下，不可能完全消除水库和电站实际运行与原计划运行的偏差、主要表现为不可预见误差、预报入库流量误差(目前甲级预报标准的合格率为85%)、负荷需求变化、水库综合利用要求变化(承担防洪、航运、灌溉和污染防治等任务)，需依据水库有限的调节库容进行自调节，并在计算中采用对调度线不断修正、向前滚动的计算过程：

(7)

另外，对于可预见误差，即测量、静态信息等其他系统偏差，可通过系数修正法修正。如水位库容曲线偏差，可通过引入库容折减系数WCDRate(WCDRate>0)，库容是水位Z的函数，水库的实际库容Wc为

Wc=Wc(Z)×WCDRate

(8)

2.2 应用框架设计

利用现有的水库调度自动化系统(信息采集、管理、存储和水务计算等功能)，为实时响应分析应用软件的运行提供了数据环境。该应用软件不仅读取发电计划和预报来水进行实时水位预测，且支持发电计划的在线调整功能，若预测水位偏离严重，则需要开展日发电计划重定的工作。图1描述了该应用软件与水调平台软件、高级应用中发电计划制作软件的关系。

2.3 应用功能设计

应用功能可划分为水位预测、仿真分析、多方案比较分析等功能，各功能之间存在密切联系。其中，水位预测模块是实时响应分析的主要功能，内容包括水位预测、灵活的图表展示等；多方案比较与仿真分析是分析预测结果的工具，可为值班人员实时调度提供决策支持。具体功能流程如图2所示。

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

2.4 应用关键计算方法

2.4.1 水位预测

(1)单站水量平衡计算。执行电网下达的负荷计划，采用水量平衡模式进行预测，即

Zt+1=Z[Wt+(It-qt-ΔQt)×Δt]

(9)

式中：Zt+1为t时段末水位，m；It,qt为t时段入库流量和出库流量，m3/s；Δt为时段长，s；ΔQt为t时段损失流量，取0，m3/s；Z为水位，m；W为库容，m3。

(2)溪洛渡、向家坝梯级水库联动。既可根据各站预测入库流量分别计算，也支持根据溪洛渡预测入库、溪洛渡-向家坝区间预测流量进行梯级联动计算。即

It,xjb=Qt,xld+Ft,qj

(10)

式中：It,xjb为t时段向家坝入库流量，m3/s；Qt,xld为t时段溪洛渡出库流量，m3/s；Ft,qj为t时段溪洛渡-向家坝预测区间流量，m3/s。

2.4.2 仿真分析

根据输入的不同入库流量过程、发电计划、闸门计划或其任意组合，调用水位预测方法计算未来水位、出库流量、发电运行过程，并进行对比分析，为值班人员决策调度提供判断依据。

3 结 语

从实时调度的角度出发，对流域梯级调度作了初步探索，初步建立了符合梯级水库调度运行特点的实时调度模型，不同于传统的以预报为主、调度实时调整的单库调度模式；同时甄别了大流域梯级联合实时调度研究的难点、重点，明确了下一步的两库或多库研究方向，在国内外水库实时调度领域均具有领先水平。

主要先进功能包括：① 综合考虑梯级水库相互影响，溪向两库联算；② 根据数据库数据，分钟级自动计算预测梯级水库48 h内运行情况，并自动扫描数据不断修正结果；③ 人工手动设置实际限制条件计算；④ 设计多方案对比、方案与水库实际运行情况对比、方案与水库运行历史数据对比；⑤ 扫查预警库，包括短期弃水风险预警，作到实时预警；⑥ 多样式展示。在优化人力资源的同时，大幅提高了对入库、计划和闸门操作等影响因素突发变化等情况的应急响应能力和速度，可有效保障梯级水库联合调度运行安全效益。