抽水蓄能電站水庫水情計算程序研制及應(yīng)用

李 鵬

（國網(wǎng)新源山西西龍池抽水蓄能電站有限責(zé)任公司運(yùn)檢部，山西省忻州市 035503）

抽水蓄能電站水庫水情計算程序研制及應(yīng)用

李 鵬

（國網(wǎng)新源山西西龍池抽水蓄能電站有限責(zé)任公司運(yùn)檢部，山西省忻州市 035503）

抽水蓄能電站機(jī)組運(yùn)行靈活，在電網(wǎng)中除了調(diào)峰填谷以外，還可承擔(dān)調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等作用，實(shí)時地密切關(guān)注抽水蓄能電站水庫水情及可發(fā)電、抽水時長等信息至關(guān)重要，基于以上需要，特提出研制水電站水庫水情計算程序。本文以國內(nèi)某抽水蓄能電站水庫水情估算方法的實(shí)例，簡介水庫庫容水量比較和蓄能電站發(fā)電、抽水時長預(yù)估預(yù)判的程序研制及應(yīng)用。

水電站水庫；水情；預(yù)估；程序

0 引言

抽水蓄能電站在全世界各國電力系統(tǒng)中迅速發(fā)展，主要原因是其以比較低的成本，為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)谷、調(diào)相、調(diào)頻及緊急事故備用等功用，是為了解決電網(wǎng)高峰、低谷之間供需矛盾而產(chǎn)生的，是間接儲存電能的一種方式。它在用電低谷時用過剩電力將水從下水庫抽到上水庫儲存起來，然后在用電高峰時將水放出發(fā)電，并流入下水庫。

純抽水蓄能電站的特征是只有很少甚至沒有天然徑流進(jìn)入上水庫，在調(diào)節(jié)時段內(nèi)水量通過引水系統(tǒng)和廠房在上、下水庫之間往復(fù)循環(huán)，只由于抵消蒸發(fā)和滲漏的損失，需要補(bǔ)充少量水源，廠房內(nèi)安裝的機(jī)組全部是抽水蓄能機(jī)組。純抽水蓄能電站要求有足夠的蓄能庫容，在建設(shè)時，有的利用現(xiàn)有水庫為上水庫（下水庫），新建另一水庫、引水系統(tǒng)和廠房；也有的利用不上現(xiàn)有水庫，完全依靠新建上，下兩個水庫，引水系統(tǒng)和廠房。

由于抽水蓄能電站具有多種功能，電網(wǎng)常把它作為綜合管理的工具，在此情況下，水庫中庫容量將直接影響發(fā)電和抽水時長，對抽水蓄能電站水庫水位和水情變化的監(jiān)視是必要且有意義的。

1 技術(shù)背景

1.1 抽水蓄能電站發(fā)電、抽水時長需要預(yù)估

國內(nèi)的抽水蓄能電站一般情況下配合核電或風(fēng)電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻，或承擔(dān)事故緊急備用的作用，因此需要特別重視對水庫水位的監(jiān)視和對可發(fā)電、抽水時長的預(yù)判，以滿足電力調(diào)度部門的計劃，實(shí)現(xiàn)隨調(diào)隨啟。電站運(yùn)行技術(shù)人員目前的通用做法是根據(jù)發(fā)電凈水頭對應(yīng)表和抽水凈揚(yáng)程對應(yīng)表人工讀表大概估計，這往往需要較長的時間，而由于水庫總庫容的蓄水量也會影響計算條件，預(yù)測的結(jié)果也不一定精確。

1.2 抽水蓄能電站水庫庫容需要監(jiān)視

常規(guī)水電站只有一個水庫，在發(fā)電運(yùn)行或承擔(dān)防洪、灌溉作用過程中，一般只需要關(guān)注該水庫的水位即可了解到當(dāng)前的庫容信息，而且，常規(guī)水電站有自然來水，不涉及人工補(bǔ)水的情形。而抽水蓄能電站的水庫有上、下庫兩庫盆，總的蓄水量與兩庫盆均有關(guān)聯(lián)，不能簡單地通過某單一水位來判斷，同時，抽水蓄能電站水庫一般沒有自然來水，循環(huán)水在一段時間的蒸發(fā)滲漏后將不能滿足電站正常發(fā)電、抽水，此時應(yīng)定期人工補(bǔ)水，這就需要運(yùn)行人員時時掌握當(dāng)前總庫容以判斷是否滿足補(bǔ)水條件。

如上論述，人工計算的過程也是較復(fù)雜的。

基于以上兩種情形，可研制一套計算機(jī)程序，應(yīng)用于抽水蓄能電站水情監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)當(dāng)前水位信息即可瞬時計算得出庫容和預(yù)計可發(fā)電、抽水時長，并對水庫水量容量狀況進(jìn)行分析，得出是否需要調(diào)整水量（對庫補(bǔ)水）的結(jié)論供給參考借鑒，這將極大地提高電站運(yùn)行人員工作效率，并簡化水庫水情監(jiān)測的工作流程。

2 研制思路和原理

按照上文的論述，本發(fā)明想要研制的水庫水情計算程序，應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：

一是要根據(jù)水位信息計算出水電站（抽水蓄能電站）水庫（上、下庫）庫容，包括：計算庫容、比較水庫水量、調(diào)取庫容曲線等功能，其特征在于：在計算水庫蓄水量過程中要省略人工計算庫容和查表的過程，使得實(shí)時水情計算更加迅速、結(jié)果更加精確可靠。

二是要實(shí)現(xiàn)機(jī)組發(fā)電（抽水）時長的預(yù)估計算，其特征在于：根據(jù)實(shí)時水庫水位數(shù)據(jù)計算當(dāng)前庫容和預(yù)計可發(fā)電（抽水）時長，并且由于水庫容量的限制，要預(yù)先在已知庫容的前提下，考慮計算的先決條件，不能單一按照某水位讀表得出時長結(jié)論。（如在水量較多的情況下，受制于下庫庫容的限制，發(fā)電量將不能按照上庫水位信息得出，否則下庫水將溢出等情況）

三是通過水量比較分析得出對庫的補(bǔ)水建議和當(dāng)前發(fā)電、抽水時長結(jié)果均由計算機(jī)軟件程序代碼實(shí)現(xiàn)，并要通過可視界面輸出結(jié)果。

程序編寫可由開發(fā)軟件Visual Basic實(shí)現(xiàn)，水電站水庫水情計算程序的運(yùn)行環(huán)境是WindowsXP及以上系統(tǒng)，技術(shù)方案所述主要領(lǐng)域?yàn)橛嬎銠C(jī)程序開發(fā)，數(shù)據(jù)庫來源為水工結(jié)構(gòu)、抽水蓄能電站水庫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和運(yùn)行信息。

3 實(shí)施方案

3.1 研發(fā)主要過程

3.1.1 庫容函數(shù)

本應(yīng)用設(shè)計背景為某抽水蓄能電站，根據(jù)水庫設(shè)計、施工單位提供的上、下庫庫容計算成果表，分別繪制水庫水位—庫容曲線，如圖1示意。

圖1 水庫水位—庫容曲線

圖1所示采樣部分點(diǎn)數(shù)據(jù)列表統(tǒng)計，其他區(qū)域近似模擬為一次函數(shù)，通過Excel等輔助工具，得到庫容與水位關(guān)系。編寫成Visual Basic代碼，即可通過賦值上下庫水位，對應(yīng)得到上下庫實(shí)際庫容。

圖2 水庫庫容判斷及函數(shù)代碼

3.1.2 水情分析

由上述得到的上下庫實(shí)際庫容總量即可與額定庫容比較分析，得出是否需要補(bǔ)水調(diào)節(jié)水量的結(jié)論。

額定庫容按照其中一個水庫額定水位，另一個水庫死水位設(shè)計，分別是：上庫額定水位1492.5m，下庫死水位798m，對應(yīng)庫容539.76萬m3；下庫額定水位838m，上庫死水位1467m，對應(yīng)庫容558.73萬m3。由于水庫會有滲漏蒸發(fā)等情況，本次發(fā)明將較大的庫容558.73萬m3設(shè)定為額定庫容，當(dāng)水量小于該值時認(rèn)定為需要補(bǔ)水。VB集成開發(fā)環(huán)境中編程語句通過當(dāng)前總庫容與額定庫容大小比較判斷實(shí)現(xiàn)。

圖4 庫容比較代碼

3.1.3 預(yù)計可發(fā)電（抽水）時長計算

本發(fā)明設(shè)計的程序需要根據(jù)水位信息（或由庫容反算得到的水位），得到對應(yīng)水位下的單機(jī)可發(fā)電（抽水）時長。

圖5 發(fā)電時長與水位對應(yīng)表

由圖5發(fā)電凈水頭對應(yīng)表或抽水凈揚(yáng)程對應(yīng)表可以查到某一水位下對應(yīng)可發(fā)電（抽水）時長，本發(fā)明在VB集成開發(fā)環(huán)境中使用數(shù)組錄入該表格的數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)根據(jù)相應(yīng)編號的水位查找相同編號的發(fā)電（抽水）時長。

圖6 編程代碼實(shí)現(xiàn)計算發(fā)電（抽水）時長

但是，需要注意的是，理論上機(jī)組發(fā)電（抽水）時長與水位并不是簡單的直接對應(yīng)關(guān)系，它應(yīng)當(dāng)由當(dāng)前庫容的水量確定。水位與庫容也有對應(yīng)關(guān)系但是兩者在映射機(jī)組發(fā)電（抽水）時長時的定義域是不同的，這就要求在VB集成開發(fā)環(huán)境中計算之前首先需要確定復(fù)雜的判定條件，這也便是相比較于傳統(tǒng)的運(yùn)行人員查表估計的舊方法，設(shè)計該程序提高準(zhǔn)確性的意義所在。

設(shè)計案例電站上庫庫容較小，下庫庫容較大，具體參數(shù)如表1所示：

表1 設(shè)計案例電站水庫水位及容量規(guī)范表

以發(fā)電情況為例，理論上每一個上庫的當(dāng)前庫容量可以對應(yīng)得到相應(yīng)的可發(fā)電時長，但是，若上下庫的總庫容存儲水量過多（大于558.73萬m3），就存在上庫還有水，下庫已滿的情況，此種情況下，發(fā)電時長需要根據(jù)下庫水位對應(yīng)得到。

不同庫容下，發(fā)電（或抽水）時長將按照不同庫盆水位對應(yīng)計算。

圖7 不同庫容下發(fā)電（抽水）時長計算原則示意

因此，在Visual Basic集成語言編程過程中，就需要首先根據(jù)上下庫水位計算出總庫容，再依據(jù)圖7中所示原則比較，在不同條件賦予變量不同的值（水位）套用語句計算出預(yù)計可發(fā)電（抽水）時長。

3.1.4 界面設(shè)計

如圖8～圖9所示，本程序調(diào)用Visual Basic基本控件，滿足水位數(shù)據(jù)輸入，觸發(fā)按鈕計算等功能。

圖8 水電站水庫水情計算程序界面

圖9 VB集成開發(fā)環(huán)境

3.1.5 其他條件設(shè)定及功能更新

本次應(yīng)用設(shè)計過程中，還需要注意一些其他條件如輸入水位值超出范圍等，編程過程中均有所設(shè)定，在水位條件超出額定水位或低于死水位的情況下，會彈出提示框，并清空文本框輸入內(nèi)容。

圖10 水位設(shè)定不滿足提示示意界面

更新版本的功能新增根據(jù)當(dāng)前庫容和某一水庫水位反算另一水庫水位的功能，用來實(shí)現(xiàn)在水庫庫容一定的前提下，單一地依靠某一水庫庫容即可得出相應(yīng)的水情信息。

實(shí)現(xiàn)方法為：按照庫容函數(shù)的介紹，對水庫水位—庫容曲線進(jìn)行反算，得出庫容與水位的反函數(shù)關(guān)系。同理編寫成Visual Basic代碼，即可通過賦值庫容和某一水庫水位，對應(yīng)得到另一水庫水位，從而進(jìn)一步得到所有需要的水情數(shù)據(jù)。

3.2 主要應(yīng)用

3.2.1 使用界面說明

如圖8所示即為本發(fā)明程序（水電站水庫水情計算程序）實(shí)際使用界面。

如圖11所示為發(fā)明程序（水電站水庫水情計算程序）圖標(biāo)及水位對應(yīng)抽水發(fā)電時長方法的說明，按照對應(yīng)的計算方法，輸入上下庫水位信息并確保無誤后點(diǎn)擊確定，即可得到相應(yīng)的水情信息。

3.2.2 具體操作方式

如圖8所示，在上庫水位和下庫水位文本框內(nèi)鍵入當(dāng)前水位數(shù)值，點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕，程序即可計算出上庫庫容、下庫庫容、總庫容、預(yù)計可發(fā)電時長、預(yù)計可抽水時長、庫容比較結(jié)論等水情信息。

圖11 水電站水庫水情計算程序圖標(biāo)示意

雙擊上庫庫容、下庫庫容標(biāo)簽，程序會彈出相應(yīng)的水庫水位—庫容曲線供電站運(yùn)行人員參考。

更新版可鍵入某一水庫水位和當(dāng)前總庫容，點(diǎn)擊確認(rèn)水位按鈕，可計算出另一水庫水位。

4 結(jié)束語

本程序研制完成后，已經(jīng)應(yīng)用于該抽水蓄能電站水情監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)當(dāng)前水位信息即可瞬時得出庫容、蓄水量和預(yù)計可發(fā)電（抽水）時長，更好地實(shí)現(xiàn)了與電力調(diào)度部門的溝通，并定期對水庫容量和水量狀況進(jìn)行分析，極大地提高了電站運(yùn)行人員工作效率，并簡化了水庫水情監(jiān)測的工作流程。

該實(shí)用型創(chuàng)新設(shè)計可以推廣應(yīng)用于國內(nèi)抽水蓄能電站運(yùn)行和水庫庫容監(jiān)測等相關(guān)領(lǐng)域。并對抽水蓄能電站中包含有常規(guī)機(jī)組的情形更具實(shí)用價值。

[1] Panichclli，er al.Quantitative Evaluation in System Plarming of Dynamic Duties for Load-curve Following.CIGRE，31-14.

[2] RAJAT D.Operating Hydroelectric Plants and Pumped Shorage Units in a Competitive Environment[J].The Electricity Journal，2000，13（3）.

[3] 楊明廣，王秀華，等.Visual Basic程序設(shè)計教程．中國科學(xué)技術(shù)出版社，2006．

李 鵬（1991—），男，主要從事水電站運(yùn)維相關(guān)工作。

The Development and Application of Pumped Storage Power Station Reservoir

LI Peng
（Shan xi Xilongchi Pumped Storage Power Station Co.，Ltd.，Xinzhou 035503，China）

Pumped storage power station units are flexible when it’s running. It is not only regulate peaks and fill troughs in the grid，but also adjust the frequency of bear and adjust the phase and backup in case of emergency.Real-time and close attention to the reservoir water level of pumped storage power station and power generation，pumping duration and other information are very important.Based on the above needs，It is necessary to develop an application of Pumped Storage Power Station Reservoir computer program. This article set a domestic Pumped Storage Power Regimen estimation methods as an example to introduce the high water storage capacity of the reservoirs power generation，the development and application of time estimates predict when pumping.

reservoir；water level；estimates；program