《水電站水庫運(yùn)行與調(diào)度》課程案例集設(shè)計(jì)

艾學(xué)山 高志云 支悅 董祚

摘要：《水電站水庫運(yùn)行與調(diào)度》是水文水資源專業(yè)的專業(yè)必修課程，也是水資源和水能資源高效利用的重要理論基礎(chǔ)課程。該課程講解了水電站運(yùn)行和水庫調(diào)度的主要內(nèi)容，文章以年調(diào)節(jié)水庫為實(shí)例背景，提煉了12個(gè)相關(guān)的應(yīng)用案例組成案例集，并提供了各案例的解題思路。通過對(duì)這些案例的學(xué)習(xí)，同學(xué)們可以深入地理解水電站水庫運(yùn)行與調(diào)度的理論和方法。

關(guān)鍵詞：水電站運(yùn)行；水庫調(diào)度；案例集

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）31-0124-02

一、前言

《水電站水庫運(yùn)行與調(diào)度》是水文水資源專業(yè)的專業(yè)必修課程，也是水資源和水能資源高效利用的重要理論基礎(chǔ)課程，主要講述水電站運(yùn)行與水庫調(diào)度的基本理論、方法技術(shù)和應(yīng)用，使學(xué)生了解水電站水庫運(yùn)行與調(diào)度的基本概念、基本方法、基本原理。主要教學(xué)內(nèi)容包括水電站運(yùn)行與水庫調(diào)度概論、水電站實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、水電站短期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、水電站水庫中長期發(fā)電調(diào)度、水庫防洪調(diào)度和水庫綜合利用調(diào)度等[1]。旨在通過學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握水電站水庫運(yùn)行與調(diào)度的基礎(chǔ)知識(shí)、優(yōu)化計(jì)算基本原理和方法、綜合利用水庫各目標(biāo)的分析和處理。

二、案例集設(shè)計(jì)

本課程主要圍繞單一水庫所進(jìn)行的水電站運(yùn)行與水庫調(diào)度，本案例集設(shè)計(jì)選用了T水庫為實(shí)例水庫，T水庫是典型的年調(diào)節(jié)水庫，有4臺(tái)相同型號(hào)的水輪發(fā)電機(jī)組，并給出該水庫的所有可能需要的相關(guān)資料。根據(jù)主要章節(jié)核心內(nèi)容設(shè)計(jì)了12個(gè)教學(xué)案例集，并給出了相應(yīng)的求解思路。

（一）水電站實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

水電站實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是解決在給定水電站時(shí)段出力或流量的情況下，如何安排各機(jī)組出力，實(shí)現(xiàn)耗水量最小或發(fā)電量最大的水電站運(yùn)行方式。

案例1 水電站機(jī)組負(fù)荷優(yōu)化分配（以電定水）

水電站節(jié)水是水庫優(yōu)化調(diào)度的目的之一，在給定時(shí)段水電站發(fā)電出力的情況下，如何安排水電站各機(jī)組的出力，使得總用水量最小。

求解思路：對(duì)給定的機(jī)組流量特性曲線，在某一給定凈水頭下（假定各機(jī)組凈水頭不變），應(yīng)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解方法，計(jì)算發(fā)給定出力時(shí)的機(jī)組最優(yōu)負(fù)荷分配結(jié)果，即給定水電站出力條件下，水電站發(fā)電用水量最小時(shí)各機(jī)組的出力和發(fā)電流量結(jié)果。

案例2 水電站機(jī)組負(fù)荷優(yōu)化分配（以水定電）

提高水電站發(fā)電效益是水庫優(yōu)化調(diào)度的目的之一，在給定時(shí)段水電站發(fā)電流量的情況下，如何安排水電站各機(jī)組的發(fā)電流量，使得總出力最大。

計(jì)算在給定上游水位和出庫流量時(shí)的水電站最優(yōu)運(yùn)行方式，即以發(fā)電出力最大為目標(biāo)，確定在給定水電站出庫流量情況下水電站各機(jī)組的最優(yōu)出力和發(fā)電流量結(jié)果。

求解思路：按下泄流量求解水電站毛水頭，應(yīng)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解方法，計(jì)算各機(jī)組的流量分配結(jié)果。注意每臺(tái)機(jī)組發(fā)不同發(fā)電流量時(shí)對(duì)應(yīng)的水頭損失不同，因此凈水頭也不同。

（二）水電站短期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

水電站短期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行通常以一周或10天為計(jì)算期，以日、時(shí)或刻（15分鐘）為計(jì)算時(shí)段。

案例3 水電站短期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行（以電定水—給定出力過程）

在某一給定水電站出力過程時(shí)，計(jì)算水電站完成該出力過程時(shí)的水電站最優(yōu)運(yùn)行方式，即水電站各時(shí)段機(jī)組最優(yōu)分配結(jié)果。

求解思路：給定水庫初始水位，以各時(shí)段耗水量最小為目標(biāo)，利用實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行結(jié)果（水電站流量特性曲線）或利用實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中以電定水計(jì)算方法逐時(shí)段進(jìn)行計(jì)算，獲得計(jì)算期內(nèi)各時(shí)段水電站各機(jī)組的出力和流量。

案例4 水電站短期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行（以水定電—給定流量過程）

在某一給定水電站流量過程時(shí)，計(jì)算水電站下泄此流量過程時(shí)的水電站最優(yōu)運(yùn)行方式，即水電站各時(shí)段機(jī)組最優(yōu)出力和下泄流量過程。

求解思路：給定水庫初始水位，以各時(shí)段發(fā)電量最大為目標(biāo)，利用實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行結(jié)果（水電站流量特性曲線）或利用實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中以水定電計(jì)算方法逐時(shí)段進(jìn)行計(jì)算，獲得計(jì)算期內(nèi)各時(shí)段水電站各機(jī)組的出力和流量。

案例5 水電站短期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行（以水定電—給定計(jì)算期總出庫水量）

在給定計(jì)算期水電站總出庫水量的情況下，如何安排水電站各時(shí)段的出庫流量，使得計(jì)算期水電站發(fā)電量最大時(shí)的水電站最優(yōu)運(yùn)行方式，即以發(fā)電量最大為目標(biāo)，確定水電站的發(fā)電流量、發(fā)電出力過程及各機(jī)組的最優(yōu)出力和發(fā)電流量過程。

求解思路：給定水電站在計(jì)算期的總出庫水量，可以轉(zhuǎn)化為給定水電站計(jì)算期末水位，在給定初始水位和末水位情況下，用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法可以計(jì)算得出水電站的最優(yōu)運(yùn)行方式。

（四）水庫洪水調(diào)度

水庫洪水調(diào)度是在給定某洪水過程線情況下對(duì)水庫洪水過程進(jìn)行模擬或優(yōu)化調(diào)度，得到水庫的水位過程和下泄流量過程。

案例7 水庫洪水調(diào)度（常規(guī)調(diào)度）

在給定水庫洪水調(diào)度規(guī)則時(shí)，模擬計(jì)算水庫的調(diào)洪過程，得到水庫的水位過程和下泄流量過程。

求解思路：給定水庫初始水位，以水庫洪水調(diào)度規(guī)則為依據(jù)，逐時(shí)段進(jìn)行水庫洪水調(diào)節(jié)計(jì)算。當(dāng)需要敞泄時(shí)，利用水量平衡方程和水庫泄流能力曲線通過試算法計(jì)算泄流量。

案例8 水庫洪水調(diào)度（優(yōu)化調(diào)度）

水庫洪水優(yōu)化調(diào)度是在給定防洪目標(biāo)情況下，尋找水庫的最優(yōu)調(diào)洪過程，使得計(jì)算結(jié)果滿足洪水調(diào)度目標(biāo)的要求。

求解思路：給定水庫初始水位，以水庫洪水調(diào)度目標(biāo)為依據(jù)，以優(yōu)化調(diào)度方法（如動(dòng)態(tài)規(guī)劃）進(jìn)行水庫洪水調(diào)節(jié)計(jì)算。

（五）水庫綜合利用調(diào)度

案例9 水電站水庫綜合利用調(diào)度（給定末水位）

在某一給定水電站水庫最小下泄流量（如最小生態(tài)環(huán)境需水流量）時(shí)，計(jì)算水電站如何安排各時(shí)段的出庫流量，使得計(jì)算期水電站發(fā)電量最大時(shí)的最優(yōu)運(yùn)行方式，即以發(fā)電量最大為目標(biāo)，確定水電站水庫各時(shí)段的發(fā)電流量、發(fā)電出力過程。

求解思路：在給定初始水位和末水位的情況下，以各時(shí)段水庫水位或庫容為狀態(tài)變量，以最小下泄流量為約束，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法可以計(jì)算出水電站的最優(yōu)運(yùn)行方式。

三、小結(jié)

通過以上經(jīng)典案例分析和學(xué)習(xí)，同學(xué)們可以清晰地了解本課程所要解決的實(shí)際問題及其求解方法。同實(shí)例水電站水庫運(yùn)行與調(diào)度相結(jié)合的“案例集”法，對(duì)學(xué)生養(yǎng)成理論聯(lián)系實(shí)際的思維方式，培養(yǎng)其學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的能力有較好的促進(jìn)作用?？蓮囊韵聨讉€(gè)方面提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力：①通過引入課程的“案例集”，學(xué)生對(duì)本課程內(nèi)容有全面的了解，增加對(duì)理論知識(shí)及實(shí)際問題的關(guān)注度，提高學(xué)習(xí)興趣。②引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考如何應(yīng)用所學(xué)理論解決實(shí)際問題，使學(xué)生明確水電站運(yùn)行與水庫調(diào)度的各任務(wù)，針對(duì)不同任務(wù)提出解決方案。③鍛煉學(xué)生“提出問題、分析問題、解決問題”的思維能力。④明確本課程的重點(diǎn)及學(xué)習(xí)本課程的目的，使同學(xué)們能夠舉一反三，將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到今后可能研究的水電站水庫中。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳森林.水電站水庫運(yùn)行與調(diào)度[M].北京：中國電力出版社，2008.