水電站水庫(kù)調(diào)度綜述

陳廷濤，李祥龍

(黑河市愛(ài)輝區(qū)水務(wù)局，黑龍江 黑河164300)

0 前 言

水電站經(jīng)過(guò)勘測(cè)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工的長(zhǎng)期過(guò)程，在竣工后將發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益。在設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)單位編制水庫(kù)調(diào)度方案，作為水庫(kù)管理單位進(jìn)行水庫(kù)調(diào)度的依據(jù)。在水庫(kù)運(yùn)行階段，由于水庫(kù)的規(guī)模已經(jīng)確定，隨著運(yùn)行資料的積累與水電站水庫(kù)情況的變化，有可能也有必要進(jìn)一步研究水電站水庫(kù)調(diào)度問(wèn)題。也就是對(duì)已運(yùn)行水電站進(jìn)行水庫(kù)調(diào)度方案編制或修訂水庫(kù)調(diào)度方案和編制年調(diào)度計(jì)劃。進(jìn)一步可以進(jìn)行水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題的研究，提高水電站水庫(kù)運(yùn)行管理水平，使水電站多發(fā)電，發(fā)揮更大經(jīng)濟(jì)效益。

本次主要介紹興利即水庫(kù)發(fā)電調(diào)度問(wèn)題，防洪調(diào)度本次不作介紹。

1 電力系統(tǒng)

1.1 電力系統(tǒng)的組成

電力系統(tǒng)系指由發(fā)電站、電網(wǎng)即變電站、輸配電線路及用戶的用電設(shè)備組成的總體?，F(xiàn)代的電力系統(tǒng)( 電網(wǎng)) 是人造的最大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

1.2 電力系統(tǒng)對(duì)水電站的基本要求

1) 要求水電站在一定時(shí)期內(nèi)，以一定出力和電量提供給電力系統(tǒng)( 電網(wǎng)) ，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2) 正常工作的保證率不低于設(shè)計(jì)值。

3) 水電站應(yīng)充分利用水能多發(fā)電。

2 水庫(kù)調(diào)度

2.1 水庫(kù)調(diào)度的任務(wù)

1) 確保水庫(kù)大壩安全，承擔(dān)水庫(kù)上、下游防洪任務(wù);

2) 保證滿足電力系統(tǒng)的正常供電和調(diào)度要求;

3) 盡可能充分利用水能，多發(fā)電。

2.2 水庫(kù)調(diào)度原則

2.2.1 水庫(kù)調(diào)度原則

1) 在確保水電站水庫(kù)大壩安全的前提下，分清發(fā)電與防洪及其他任務(wù)之間的主次關(guān)系，統(tǒng)一調(diào)度，使水電站發(fā)揮更大效益。在保證電力系統(tǒng)正常供電的條件下，水電站的發(fā)電量最大。經(jīng)濟(jì)效益第一。

2) 大壩安全第一。

3) 安全性，可靠性第一。

2.2.2 發(fā)電興利水庫(kù)調(diào)度準(zhǔn)則是

1) 在設(shè)計(jì)水文條件下，即相應(yīng)設(shè)計(jì)保證率的水文年，應(yīng)抓緊時(shí)機(jī)使水庫(kù)蓄滿，先蓄后供，使水電站在高水位運(yùn)行，多發(fā)電。

2) 在比設(shè)計(jì)條件有利的水文條件下，即豐水年，應(yīng)在保水庫(kù)大壩安全的前提下，充分利用水庫(kù)調(diào)節(jié)能力，合理加大出力，減少棄水，多發(fā)電。

3) 在枯水年，水電站應(yīng)采用均勻降低出力方式運(yùn)行。

2.3 水庫(kù)調(diào)度的基本方式

基本方式有: ①防洪調(diào)度; ②發(fā)電調(diào)度; ③灌溉調(diào)度; ④其他方面調(diào)度;⑤綜合利用調(diào)度; ⑥水庫(kù)群調(diào)度，包括梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度。

通常將水電站電能分為水庫(kù)( 蓄水) 電能和不蓄電能，前者系指水庫(kù)前期蓄水泄放所能產(chǎn)生的電能，它取決于水庫(kù)消落深度( 蓄水量) ，后者系指面臨一個(gè)時(shí)期的天然來(lái)水量所能產(chǎn)生的電能，它取決于水庫(kù)運(yùn)行方式。

式中: V1為水庫(kù)蓄水量，m3; dH1、dH2為水頭，m; η1、η2為機(jī)組效率; Q 為水庫(kù)天然來(lái)水流量，m3/s;t 為時(shí)間，s。

⊿E1+ ⊿E2= E(年電能) ，使E(年電能) 最大是水電站水庫(kù)調(diào)度要解決的問(wèn)題。

2.4 水電站水庫(kù)調(diào)節(jié)方式

包括:①日調(diào)節(jié)、②周調(diào)節(jié)、③年調(diào)節(jié)、④多年調(diào)節(jié)。

2.5 水電站運(yùn)行方式

1) 廠內(nèi)運(yùn)行方式，系指水電站在給定負(fù)荷下，確定廠內(nèi)最佳開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)、開(kāi)機(jī)程序、機(jī)組間負(fù)荷分配等。

廠內(nèi)運(yùn)行要對(duì)水輪機(jī)性能有全面了解。水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組動(dòng)力特性:流量特性曲線; 功率損失特性曲線; 功率特性曲線;機(jī)組效率特性曲線; 耗水率特性曲線; 微增率特性曲線。水輪機(jī)運(yùn)行特性曲線、工作特性曲線等。分清和了解混流式和軸流定漿式水輪機(jī)工作特性曲線的區(qū)別。根據(jù)水輪機(jī)工作特性曲線，混流式負(fù)荷率為50%時(shí)效率為80%。軸流定漿式水輪機(jī)負(fù)荷率73%時(shí)，效率為80%;負(fù)荷率降到73%以下時(shí)，水輪機(jī)效率急劇下降。負(fù)荷60%，效率70%;負(fù)荷50%，效率64%;負(fù)荷40%，效率56%。效率降低水輪機(jī)耗水量加大。

表1 軸流定漿水輪機(jī)負(fù)荷、效率、耗水率關(guān)系

顯然部分出力運(yùn)行是不經(jīng)濟(jì)的，我們應(yīng)進(jìn)行科學(xué)調(diào)度。水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)負(fù)荷率和水輪機(jī)效率應(yīng)有一個(gè)界限。一般為70 或75%以上。

二門(mén)山水電站、富地營(yíng)子水電站、宋集屯水電站水輪機(jī)都是軸流定漿式轉(zhuǎn)輪。山口水電站水輪機(jī)為軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)。西溝、寶山、象山、烏一等水電站為混流式水輪機(jī)。

2) 系統(tǒng)運(yùn)行方式系指水電站擔(dān)負(fù)日負(fù)荷及月、年發(fā)電量。

2.6 水庫(kù)調(diào)度方法

如何根據(jù)水庫(kù)調(diào)度準(zhǔn)則進(jìn)行水庫(kù)發(fā)電調(diào)度，一般，在水庫(kù)來(lái)水不能預(yù)知的情況下，常利用根據(jù)過(guò)去獲得的徑流資料編繪的水庫(kù)調(diào)度圖進(jìn)行調(diào)度。這是目前廣泛采用的水庫(kù)調(diào)度圖法，并按調(diào)度圖維持正常運(yùn)行。還有水庫(kù)調(diào)度圖與水文預(yù)報(bào)相結(jié)合方法。

3 水庫(kù)調(diào)度圖

河川徑流變化具有隨機(jī)和不重復(fù)性，河川徑流變化是一種周期性的連續(xù)隨機(jī)過(guò)程。在水電站水庫(kù)調(diào)度中常用徑流的時(shí)歷特性資料和統(tǒng)計(jì)特性資料作為描速和預(yù)測(cè)徑流變化規(guī)律，作為進(jìn)行水庫(kù)調(diào)度的基本依據(jù)。

3.1 水庫(kù)調(diào)度圖是指導(dǎo)水庫(kù)合理運(yùn)行的調(diào)度線的集合

水電站水庫(kù)的運(yùn)行，必須按照近期與長(zhǎng)遠(yuǎn)兼顧的原則，合理利用流量和水頭，以獲得最大的發(fā)電效益。但由于水電站運(yùn)行長(zhǎng)系列的河川徑流是難以預(yù)知的，人們不可能預(yù)先作出長(zhǎng)期的運(yùn)行決策，故在徑流調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)出水庫(kù)蓄放水規(guī)律，對(duì)一年中的各時(shí)段，求出水庫(kù)狀態(tài)( 水位或庫(kù)容)與出力的關(guān)系線，以指導(dǎo)水庫(kù)運(yùn)行。在水庫(kù)運(yùn)行中，人們可以根據(jù)面臨時(shí)段初的水庫(kù)狀態(tài)，作出面臨時(shí)段的出力決策，以期保證水電站的正常運(yùn)行，在不遭人為破壞的前提下，盡可能增加發(fā)電效益。

水庫(kù)調(diào)度圖系指導(dǎo)年及多年調(diào)節(jié)水庫(kù)運(yùn)行的工具，它根據(jù)水庫(kù)歷史徑流統(tǒng)計(jì)資料和水電站在系統(tǒng)中的工作位置擬定。系以時(shí)間為橫座標(biāo)，以水庫(kù)水位為縱座標(biāo)，由一些控制蓄水和供水( 或電站不同出力指示線) 指示線劃分出不同出力區(qū)域圖構(gòu)成。

式中: N 為出力; H 為庫(kù)水位m; t 為時(shí)間，d; f 為指示線。

即表示某時(shí)間水電站的出力，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)時(shí)間庫(kù)水位( 蓄水量) 來(lái)決定。

3.2 水電站水庫(kù)調(diào)度圖的組成

水電站水庫(kù)調(diào)度圖系以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以庫(kù)水位為縱坐標(biāo)，是由若干調(diào)度線并構(gòu)成若干區(qū)域組成調(diào)度圖。一般分降低出力區(qū)、保證出力區(qū)、加大出力區(qū)、防洪區(qū)。

3.3 水庫(kù)調(diào)度圖的調(diào)度規(guī)則:如西溝水電站調(diào)度圖

1) 當(dāng)水庫(kù)水位落于Ⅰ區(qū)則按破壞流量放流，電站降低出力運(yùn)行。

2) 當(dāng)水庫(kù)水位落于Ⅱ區(qū)則按保證流量放流，電站按保證出力運(yùn)行。

3) 當(dāng)水庫(kù)水位落于Ⅲ區(qū)則按加大流量放流，電站加大出力運(yùn)行。

4) 當(dāng)來(lái)水流量大于電站過(guò)流時(shí)，全部機(jī)組滿載發(fā)電，蓄水到正常蓄水位后，多余水量棄掉。

5) 當(dāng)來(lái)水流量小于電站過(guò)流量而大于保證流量時(shí)，按來(lái)水流量發(fā)電，使電站加大出力運(yùn)行。

6) 當(dāng)來(lái)水流量小于保證流量時(shí)，電站按保證流量發(fā)電。

4 水庫(kù)調(diào)度圖的編制

4.1 水庫(kù)調(diào)度的基本資料

包括:①自然地理和社會(huì)經(jīng)濟(jì); ②水文氣象; ③工程資料。

4.2 水庫(kù)特征值

4.3 水電站年內(nèi)出力或電量分配

4.4 基本調(diào)度線

保證出力與保證出力線是繪制水電站水庫(kù)基本調(diào)度線的重要依據(jù)，在編制水電站水庫(kù)調(diào)度方案時(shí)，必須重新核定。保證出力系指水電站在長(zhǎng)期運(yùn)行中，相應(yīng)設(shè)計(jì)保證率的枯水期的平均出力。

1)年調(diào)節(jié)水電站的保證出力。水電站設(shè)計(jì)保證率P =75 ～80%。

2) 多年調(diào)節(jié)水電站的保證出力。

5 水電站水庫(kù)年度調(diào)度計(jì)劃的編制

5.1 編制水庫(kù)年度調(diào)度計(jì)劃的依據(jù)

1) 黨和國(guó)家的方針、政策，法律、法規(guī)、規(guī)范、通則、條例。

2) 水庫(kù)設(shè)計(jì)資料。

3) 國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)要求方面的資料。

4) 水庫(kù)流域自然地理、地形及水文氣象方面資料。

5) 水庫(kù)以往運(yùn)行調(diào)度的有關(guān)資料。

6) 水庫(kù)工程設(shè)備運(yùn)行情況。

5.2 當(dāng)年來(lái)水量的確定

在編制水電站面臨年份的發(fā)電計(jì)劃及當(dāng)年水庫(kù)調(diào)度計(jì)劃時(shí)，首先要面臨年份的天然來(lái)水量及其分配。一般采用以下3 種方法:

1) 保證率法:這是在沒(méi)有進(jìn)行水文預(yù)報(bào)時(shí)，偏安全地提出年來(lái)水量的方法。計(jì)劃要有余地，在電力電量平衡中，編制水電站年發(fā)電計(jì)劃時(shí)，所用的保證率一般在P = 70%～75%。

2) 預(yù)報(bào)法:年來(lái)水量水文預(yù)報(bào)還不過(guò)關(guān)，因此，一般不使用。

3) 綜合法。采用水文年或采用日歷年，年發(fā)電計(jì)劃采用日歷年。

水電站年發(fā)電計(jì)劃，一般根據(jù)保證率為P =70% ～75%的年來(lái)水量，結(jié)合預(yù)報(bào)修正的年來(lái)水量編制，作出全年各月發(fā)電計(jì)劃。

5.3 水電站水庫(kù)特征值

1) 水電站:水電站多年平均發(fā)電量、設(shè)計(jì)保證率、保證出力、裝機(jī)容量、機(jī)組臺(tái)數(shù)、單機(jī)出力及額定流量、出力系數(shù)、耗水率表，水輪機(jī)運(yùn)行特性曲線，水輪機(jī)工作特性曲線。

2) 水庫(kù):校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位、正常蓄水位、汛限水位、年消落水位、死水位; 水庫(kù)總庫(kù)容、防洪庫(kù)容、興利庫(kù)容、死庫(kù)容;庫(kù)容系數(shù)、調(diào)節(jié)性能。庫(kù)容曲線、尾水水位流量關(guān)系線。

5.4 水電站年度發(fā)電調(diào)度計(jì)劃

水電站年發(fā)電計(jì)劃，一般根據(jù)預(yù)報(bào)的年來(lái)水量編制，作出全年各月發(fā)電計(jì)劃。

1) 汛末蓄水位的確定。

2) 消落深度及興利發(fā)電下限水位的確定。

3) 當(dāng)年來(lái)水量的分配。

4) 動(dòng)用水庫(kù)庫(kù)容的確定。

5) 蓄水區(qū)、供水區(qū)的劃分。

6) 是否考慮發(fā)電保證率，確定運(yùn)行時(shí)間。

7) 水電站在電力系統(tǒng)中的位置。由水電站的技術(shù)特性，水電站在電力系統(tǒng)中的位置有調(diào)峰、腰荷、基荷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用。

8) 北方特別是黑河地區(qū)，冬季發(fā)電要科學(xué)調(diào)度，防止尾水冰害。發(fā)電量應(yīng)逐月減少，日發(fā)電時(shí)間和停機(jī)時(shí)間，要有合理分配，減少斷流時(shí)間。梯級(jí)水庫(kù)防止下庫(kù)冰害。

5.5年度發(fā)電調(diào)度計(jì)劃編制

1) 按確定的調(diào)度圖及其相應(yīng)的調(diào)度規(guī)則，進(jìn)行調(diào)度計(jì)算。

2) 不按調(diào)度圖，可以根據(jù)水電站年度發(fā)電調(diào)度計(jì)劃確定的指標(biāo)、參數(shù)進(jìn)行調(diào)度計(jì)算。

試按調(diào)度圖編制某水電站年發(fā)電調(diào)度計(jì)劃表、調(diào)度計(jì)劃圖，見(jiàn)表2。

表2 年發(fā)電調(diào)度計(jì)劃表

某水電站年度發(fā)電調(diào)度計(jì)劃確定: 汛末蓄水位341.00 m;運(yùn)行時(shí)間4—11月共8個(gè)月; 發(fā)電下限水位336.00 m。本年動(dòng)用上年庫(kù)存水量3 658 萬(wàn)m3，發(fā)電1 371萬(wàn)度。本水文年發(fā)電量11 244萬(wàn)度。保證率: P運(yùn)=7/12 =58.3%。繪制水庫(kù)水位過(guò)程線，即為水庫(kù)調(diào)度線。

本水電站有水庫(kù)調(diào)度圖，根據(jù)月初庫(kù)水位在調(diào)度圖的位置，落于某出力區(qū)，參考本月來(lái)水量，確定本月出力和發(fā)電量，推求月末庫(kù)水位，確定下月出力和發(fā)電量，依次逐月推求到年末或水文年末，或者推求到年消落水位或者到死水位。完成年發(fā)電調(diào)度計(jì)劃編制后，要根據(jù)調(diào)度規(guī)則，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等分析年發(fā)電調(diào)度計(jì)劃的合理性。年發(fā)電調(diào)度計(jì)劃經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)核準(zhǔn)，上報(bào)電網(wǎng)調(diào)度室批準(zhǔn)。

水電站在實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中，可能出現(xiàn)兩種情況: 庫(kù)水位在基本調(diào)度線上或下，一般水庫(kù)調(diào)度都有3 種處理方式。

庫(kù)水位在基本調(diào)度線以上:

1) 立即加大出力。將多余水量用掉，使庫(kù)水位落在基本調(diào)度線上。

2) 后期集中使用。將多余水量蓄起來(lái)，后期加大出力使用。

3) 均勻使用。從出現(xiàn)多余水量到整個(gè)時(shí)段，均勻加大出力。

庫(kù)水位在基本調(diào)度線以下:

1) 水電站一直按保證出力工作，直至到年消落水位或者到死水位。

2) 水電站在下一時(shí)段立即減少出力，使庫(kù)水位回到基本調(diào)度線上。

3) 逐漸減小出力，至整個(gè)時(shí)段。

水庫(kù)調(diào)度:一般看水庫(kù)當(dāng)前庫(kù)水位，根據(jù)當(dāng)前庫(kù)水位，確定水庫(kù)應(yīng)發(fā)出力和發(fā)電量。

按水庫(kù)調(diào)度圖操作，科學(xué)的水庫(kù)調(diào)度，可比一般調(diào)度增加3%左右的發(fā)電量。

6 水電站水庫(kù)考核指標(biāo)

1) 水能利用提高率，西溝水電站按省電力有限公司水能利用提高率考核辦法執(zhí)行。一般水電站按水庫(kù)調(diào)度圖考核。一般考核指標(biāo)有:發(fā)電量、用水量、耗水率等指標(biāo)。

2) 水電站供電可靠性指標(biāo):水電站正常工作保證率P運(yùn)，應(yīng)≥設(shè)計(jì)P設(shè)。

3) 電能成本。

4) 廠用電率。

7 水電站水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度

根據(jù)電力系統(tǒng)對(duì)水電站運(yùn)行的要求，并顧及綜合利用的各項(xiàng)目標(biāo)，運(yùn)用優(yōu)化理論和方法所得到的相對(duì)優(yōu)化的水電站水庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行策略。水電站水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度它是指導(dǎo)水電站水庫(kù)實(shí)現(xiàn)最佳長(zhǎng)期控制運(yùn)用的一種科學(xué)管理方法，能較充分地反映面臨時(shí)段的決策對(duì)未來(lái)時(shí)期運(yùn)行的影響，因而比常規(guī)的水庫(kù)調(diào)度圖法優(yōu)越。電力系統(tǒng)中水電站實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，一般均可在滿足規(guī)定的綜合利用要求下，獲得增加電量，提高保證出力和提高供電可靠性等效益。

水電站水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度可分為單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度和水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度兩種。

優(yōu)化準(zhǔn)則一般都是在滿足運(yùn)行可靠性及綜合利用各項(xiàng)要求等一組約束條件下，使水電站總效益的數(shù)學(xué)期望值達(dá)最大，或使電力系統(tǒng)年支出費(fèi)用的數(shù)學(xué)期望值達(dá)最小。

單一發(fā)電水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度

單一發(fā)電水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度這是目前研究最多的課題。優(yōu)化準(zhǔn)則常取年內(nèi)發(fā)電量最多。由于在對(duì)徑流的描述方法的不同，可分為確定性模型和隨機(jī)模型。對(duì)確定性模型，應(yīng)用的數(shù)學(xué)方法有線性規(guī)劃法、梯度法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、和動(dòng)態(tài)解析法等。隨機(jī)模型一般多采用馬爾科夫決策規(guī)劃( 隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃) 。

目前開(kāi)展水電站水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度研究的有蓮花水電站、白龜山水庫(kù)等單位。

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［4］豐滿水電廠. 水電站水庫(kù)調(diào)度［M］. 北京: 水利電力出版社，1984:61.

［5］水利部長(zhǎng)江流域規(guī)劃辦公室. 綜合利用水庫(kù)調(diào)度［M］. 北京: 水利電力出版社，1990:35.

［6］楊德曄. 中國(guó)電力百科全書(shū):水力發(fā)電卷［M］. 北京:中國(guó)電力出版社，1995:363.