溪洛渡-向家壩梯級水庫調(diào)度實時響應(yīng)系統(tǒng)開發(fā)研究

李 鵬，周 敏

(1.三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長江與水電科學(xué)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(diào)度質(zhì)量評價中，除了確保電網(wǎng)系統(tǒng)、電站設(shè)備、水庫樞紐安全調(diào)度運行外，還對梯級樞紐發(fā)揮最大經(jīng)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(yù)見性，提升水電站水庫調(diào)度管理工作水平，中國在水電站短期運行及調(diào)度方面的研究主要集中于日計劃運行方式，而調(diào)度模型主要依賴日計劃運行方式和單庫的水情預(yù)報，本文著力于電力系統(tǒng)中電力需求調(diào)整的實時性、梯級水庫調(diào)度的聯(lián)動性以及在梯級水電站實時優(yōu)化運行調(diào)度算法上的研究，以滿足調(diào)度值班員實時調(diào)度需求。

1 溪洛渡-向家壩梯級水庫調(diào)度研究現(xiàn)狀

三峽梯調(diào)通信中心成都調(diào)控中心承擔(dān)溪洛渡-向家壩梯級水庫的聯(lián)合調(diào)度任務(wù)，在“調(diào)控一體化”[1]管理模式與“水電合一”[2]值班方式下，統(tǒng)籌兼顧防洪、航運、生態(tài)、發(fā)電等多目標調(diào)度，梯級水庫實時調(diào)度影響因素多、限制條件多、調(diào)度結(jié)果涉及面廣，面臨一系列新問題?，F(xiàn)有水調(diào)系統(tǒng)不斷優(yōu)化實現(xiàn)部分實時調(diào)度的功能，基本局限于基于計劃出力、預(yù)測來水對未來進行預(yù)測和預(yù)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(yù)測和仿真分析，不能全面支持實時響應(yīng)分析的應(yīng)用需求。

2 應(yīng)用開發(fā)研究

2.1 基本原理

水庫調(diào)度實時響應(yīng)分析是在水庫入庫洪水預(yù)報、水情實時數(shù)據(jù)、電站運行實時工況和電站負荷計劃等信息基礎(chǔ)上，開發(fā)設(shè)計包含梯級樞紐調(diào)度信息實時監(jiān)視、趨勢預(yù)測，協(xié)助制定或修正閘門啟閉計劃甚至發(fā)電計劃等功能的實時響應(yīng)系統(tǒng)?；驹硎腔诎踩幕A(chǔ)上，綜合考慮水電站經(jīng)濟運行、水量平衡、發(fā)電調(diào)度、防洪調(diào)度等。

2.1.1 經(jīng)濟運行

水電站經(jīng)濟運行是判斷水庫運行趨勢偏差的重要依據(jù)，也是實時調(diào)度和日優(yōu)化計劃計算是否正確的關(guān)鍵，即建立不同水頭下電站的最優(yōu)出力、最低耗水流量之間的關(guān)系。水電站經(jīng)濟運行的最優(yōu)準則是在給定機組水頭和出力下，使發(fā)電耗水率最低。其數(shù)學(xué)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(fā)電流量,m3/s;Qi為第i臺機組發(fā)電流量,m3/s。

反之，給定流量Q對應(yīng)電站最大的出力值為N。

水電站經(jīng)濟運行依據(jù)是流量特性曲線[3](NHQ曲線)?？紤]到系統(tǒng)的實時響應(yīng)性和優(yōu)化計算的及時性，在實際應(yīng)用中可采用雙重優(yōu)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(fā)電流量之間的多項式關(guān)系如下：

(2)

式中：a0，…，an和b0，…，bm為擬合多項式參數(shù)，多項式項數(shù)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(jié)果采用優(yōu)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(fā)等),m3。

水量平衡是結(jié)合經(jīng)濟運行計算出的發(fā)電流量和防洪調(diào)度閘門啟閉計劃，根據(jù)其判斷趨勢偏差程度制定調(diào)度計劃。

2.1.3 經(jīng)濟調(diào)度

在水庫運行實時監(jiān)控中，若出現(xiàn)影響電站安全或經(jīng)濟運行及預(yù)測偏差等情況，可對原閘門啟閉、發(fā)電計劃進行調(diào)整，重復(fù)水電站經(jīng)濟計算，包括發(fā)電調(diào)度、防洪調(diào)度和航運調(diào)度，得出優(yōu)化運行計劃并循環(huán)實施。其中，航運調(diào)度可直接轉(zhuǎn)化為限制條件由人工設(shè)置。

(1) 發(fā)電調(diào)度。根據(jù)水庫預(yù)報流量和中短期調(diào)度思路，綜合考慮發(fā)電機特性和防洪、航運、水位等限制，確定水庫可用水量，實現(xiàn)水電站的短期、超短期實時優(yōu)化調(diào)度，使效益最大化，最終決策電站各時段的發(fā)電計劃過程。數(shù)學(xué)模型為

目標：

限制條件：

(4)

式中：Et為電站時段發(fā)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(qū)運行等。實時調(diào)度對誤差的修正和調(diào)整有更高要求，強調(diào)實時響應(yīng)的及時性、準確性和可靠性。

(2) 防洪調(diào)度。主要根據(jù)閘門運行規(guī)程規(guī)定、調(diào)度方案規(guī)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(diào)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(yīng)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(yōu)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(xiàn)實系統(tǒng)運行的復(fù)雜性和未來的不確定性，在現(xiàn)有技術(shù)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(xiàn)為不可預(yù)見誤差、預(yù)報入庫流量誤差(目前甲級預(yù)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(dān)防洪、航運、灌溉和污染防治等任務(wù))，需依據(jù)水庫有限的調(diào)節(jié)庫容進行自調(diào)節(jié)，并在計算中采用對調(diào)度線不斷修正、向前滾動的計算過程：

(7)

另外，對于可預(yù)見誤差，即測量、靜態(tài)信息等其他系統(tǒng)偏差，可通過系數(shù)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(shù)WCDRate(WCDRate>0)，庫容是水位Z的函數(shù)，水庫的實際庫容Wc為

Wc=Wc(Z)×WCDRate

(8)

2.2 應(yīng)用框架設(shè)計

利用現(xiàn)有的水庫調(diào)度自動化系統(tǒng)(信息采集、管理、存儲和水務(wù)計算等功能)，為實時響應(yīng)分析應(yīng)用軟件的運行提供了數(shù)據(jù)環(huán)境。該應(yīng)用軟件不僅讀取發(fā)電計劃和預(yù)報來水進行實時水位預(yù)測，且支持發(fā)電計劃的在線調(diào)整功能，若預(yù)測水位偏離嚴重，則需要開展日發(fā)電計劃重定的工作。圖1描述了該應(yīng)用軟件與水調(diào)平臺軟件、高級應(yīng)用中發(fā)電計劃制作軟件的關(guān)系。

2.3 應(yīng)用功能設(shè)計

應(yīng)用功能可劃分為水位預(yù)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(lián)系。其中，水位預(yù)測模塊是實時響應(yīng)分析的主要功能，內(nèi)容包括水位預(yù)測、靈活的圖表展示等；多方案比較與仿真分析是分析預(yù)測結(jié)果的工具，可為值班人員實時調(diào)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(yīng)用關(guān)鍵計算方法

2.4.1 水位預(yù)測

(1)單站水量平衡計算。執(zhí)行電網(wǎng)下達的負荷計劃，采用水量平衡模式進行預(yù)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(lián)動。既可根據(jù)各站預(yù)測入庫流量分別計算，也支持根據(jù)溪洛渡預(yù)測入庫、溪洛渡-向家壩區(qū)間預(yù)測流量進行梯級聯(lián)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(yù)測區(qū)間流量，m3/s。

2.4.2 仿真分析

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

3 結(jié) 語

從實時調(diào)度的角度出發(fā)，對流域梯級調(diào)度作了初步探索，初步建立了符合梯級水庫調(diào)度運行特點的實時調(diào)度模型，不同于傳統(tǒng)的以預(yù)報為主、調(diào)度實時調(diào)整的單庫調(diào)度模式；同時甄別了大流域梯級聯(lián)合實時調(diào)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(nèi)外水庫實時調(diào)度領(lǐng)域均具有領(lǐng)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(lián)算；② 根據(jù)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，分鐘級自動計算預(yù)測梯級水庫48 h內(nèi)運行情況，并自動掃描數(shù)據(jù)不斷修正結(jié)果；③ 人工手動設(shè)置實際限制條件計算；④ 設(shè)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(shù)據(jù)對比；⑤ 掃查預(yù)警庫，包括短期棄水風(fēng)險預(yù)警，作到實時預(yù)警；⑥ 多樣式展示。在優(yōu)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(fā)變化等情況的應(yīng)急響應(yīng)能力和速度，可有效保障梯級水庫聯(lián)合調(diào)度運行安全效益。