溪洛渡-向家壩梯級(jí)水庫調(diào)度實(shí)時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)開發(fā)研究

李 鵬，周 敏

(1.三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長(zhǎng)江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

在梯級(jí)巨型水電站運(yùn)行調(diào)度質(zhì)量評(píng)價(jià)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(yùn)行外，還對(duì)梯級(jí)樞紐發(fā)揮最大經(jīng)濟(jì)效益提出了要求。為了提高水庫未來運(yùn)行水位、流量等運(yùn)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(guó)在水電站短期運(yùn)行及調(diào)度方面的研究主要集中于日計(jì)劃運(yùn)行方式，而調(diào)度模型主要依賴日計(jì)劃運(yùn)行方式和單庫的水情預(yù)報(bào)，本文著力于電力系統(tǒng)中電力需求調(diào)整的實(shí)時(shí)性、梯級(jí)水庫調(diào)度的聯(lián)動(dòng)性以及在梯級(jí)水電站實(shí)時(shí)優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度算法上的研究，以滿足調(diào)度值班員實(shí)時(shí)調(diào)度需求。

1 溪洛渡-向家壩梯級(jí)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(jí)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(yùn)、生態(tài)、發(fā)電等多目標(biāo)調(diào)度，梯級(jí)水庫實(shí)時(shí)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。現(xiàn)有水調(diào)系統(tǒng)不斷優(yōu)化實(shí)現(xiàn)部分實(shí)時(shí)調(diào)度的功能，基本局限于基于計(jì)劃出力、預(yù)測(cè)來水對(duì)未來進(jìn)行預(yù)測(cè)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(dú)的出力計(jì)劃；閘門在臨時(shí)性或計(jì)劃性操作的情況下，無法準(zhǔn)確對(duì)水庫運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和仿真分析，不能全面支持實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)響應(yīng)分析是在水庫入庫洪水預(yù)報(bào)、水情實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、電站運(yùn)行實(shí)時(shí)工況和電站負(fù)荷計(jì)劃等信息基礎(chǔ)上，開發(fā)設(shè)計(jì)包含梯級(jí)樞紐調(diào)度信息實(shí)時(shí)監(jiān)視、趨勢(shì)預(yù)測(cè)，協(xié)助制定或修正閘門啟閉計(jì)劃甚至發(fā)電計(jì)劃等功能的實(shí)時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)。基本原理是基于安全的基礎(chǔ)上，綜合考慮水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、水量平衡、發(fā)電調(diào)度、防洪調(diào)度等。

2.1.1 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是判斷水庫運(yùn)行趨勢(shì)偏差的重要依據(jù)，也是實(shí)時(shí)調(diào)度和日優(yōu)化計(jì)劃計(jì)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(jì)運(yùn)行的最優(yōu)準(zhǔn)則是在給定機(jī)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(tái)機(jī)組出力，MW；Q為電站發(fā)電流量,m3/s;Qi為第i臺(tái)機(jī)組發(fā)電流量,m3/s。

反之，給定流量Q對(duì)應(yīng)電站最大的出力值為N。

水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行依據(jù)是流量特性曲線[3](NHQ曲線)。考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性和優(yōu)化計(jì)算的及時(shí)性，在實(shí)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(jī)組組合、不同水頭下電站出力和發(fā)電流量之間的多項(xiàng)式關(guān)系如下：

(2)

式中：a0，…，an和b0，…，bm為擬合多項(xiàng)式參數(shù)，多項(xiàng)式項(xiàng)數(shù)的選擇取決于電站機(jī)組流量特性和計(jì)算精度的要求，確定結(jié)果采用優(yōu)化算法將負(fù)荷分配至各機(jī)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(shí)段初和時(shí)段末水庫蓄水量,m3;Qin，Qout為時(shí)段平均入庫和出庫流量,m3/s；Δt為時(shí)段時(shí)間，s；WLoss為時(shí)段損失水量(下滲、蒸發(fā)等),m3。

水量平衡是結(jié)合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行計(jì)算出的發(fā)電流量和防洪調(diào)度閘門啟閉計(jì)劃，根據(jù)其判斷趨勢(shì)偏差程度制定調(diào)度計(jì)劃。

2.1.3 經(jīng)濟(jì)調(diào)度

在水庫運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控中，若出現(xiàn)影響電站安全或經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及預(yù)測(cè)偏差等情況，可對(duì)原閘門啟閉、發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，重復(fù)水電站經(jīng)濟(jì)計(jì)算，包括發(fā)電調(diào)度、防洪調(diào)度和航運(yùn)調(diào)度，得出優(yōu)化運(yùn)行計(jì)劃并循環(huán)實(shí)施。其中，航運(yùn)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(bào)流量和中短期調(diào)度思路，綜合考慮發(fā)電機(jī)特性和防洪、航運(yùn)、水位等限制，確定水庫可用水量，實(shí)現(xiàn)水電站的短期、超短期實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度，使效益最大化，最終決策電站各時(shí)段的發(fā)電計(jì)劃過程。數(shù)學(xué)模型為

目標(biāo)：

限制條件：

(4)

式中：Et為電站時(shí)段發(fā)電效益；Zt，Zmin，Zmax分別為t時(shí)段水庫水位和最低、最高限制水位，m；Nt，Nmin，Nmax分別為t時(shí)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(shí)段出庫流量和最小出庫流量(航運(yùn)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(jī)組在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行等。實(shí)時(shí)調(diào)度對(duì)誤差的修正和調(diào)整有更高要求，強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)響應(yīng)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性。

(2) 防洪調(diào)度。主要根據(jù)閘門運(yùn)行規(guī)程規(guī)定、調(diào)度方案規(guī)則，合理安排防洪計(jì)劃、水庫蓄泄，滿足梯級(jí)樞紐自身安全和下游防洪對(duì)象的安全。在運(yùn)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(shí)段變幅要求下，制定適應(yīng)下列要求的閘門啟閉計(jì)劃：

(6)

即尋求最高壩上水位最低或最大出庫最小目標(biāo)的優(yōu)化蓄放水策略。

2.1.4 偏差處理

在水電站實(shí)際運(yùn)行中，由于現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)運(yùn)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(shí)際運(yùn)行與原計(jì)劃運(yùn)行的偏差、主要表現(xiàn)為不可預(yù)見誤差、預(yù)報(bào)入庫流量誤差(目前甲級(jí)預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)的合格率為85%)、負(fù)荷需求變化、水庫綜合利用要求變化(承擔(dān)防洪、航運(yùn)、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(jìn)行自調(diào)節(jié)，并在計(jì)算中采用對(duì)調(diào)度線不斷修正、向前滾動(dòng)的計(jì)算過程：

(7)

另外，對(duì)于可預(yù)見誤差，即測(cè)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(shí)際庫容Wc為

Wc=Wc(Z)×WCDRate

(8)

2.2 應(yīng)用框架設(shè)計(jì)

利用現(xiàn)有的水庫調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)(信息采集、管理、存儲(chǔ)和水務(wù)計(jì)算等功能)，為實(shí)時(shí)響應(yīng)分析應(yīng)用軟件的運(yùn)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(jì)劃和預(yù)報(bào)來水進(jìn)行實(shí)時(shí)水位預(yù)測(cè)，且支持發(fā)電計(jì)劃的在線調(diào)整功能，若預(yù)測(cè)水位偏離嚴(yán)重，則需要開展日發(fā)電計(jì)劃重定的工作。圖1描述了該應(yīng)用軟件與水調(diào)平臺(tái)軟件、高級(jí)應(yīng)用中發(fā)電計(jì)劃制作軟件的關(guān)系。

2.3 應(yīng)用功能設(shè)計(jì)

應(yīng)用功能可劃分為水位預(yù)測(cè)、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(cè)模塊是實(shí)時(shí)響應(yīng)分析的主要功能，內(nèi)容包括水位預(yù)測(cè)、靈活的圖表展示等；多方案比較與仿真分析是分析預(yù)測(cè)結(jié)果的工具，可為值班人員實(shí)時(shí)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(jì)算方法

2.4.1 水位預(yù)測(cè)

(1)單站水量平衡計(jì)算。執(zhí)行電網(wǎng)下達(dá)的負(fù)荷計(jì)劃，采用水量平衡模式進(jìn)行預(yù)測(cè)，即

Zt+1=Z[Wt+(It-qt-ΔQt)×Δt]

(9)

式中：Zt+1為t時(shí)段末水位，m；It,qt為t時(shí)段入庫流量和出庫流量，m3/s；Δt為時(shí)段長(zhǎng)，s；ΔQt為t時(shí)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(jí)水庫聯(lián)動(dòng)。既可根據(jù)各站預(yù)測(cè)入庫流量分別計(jì)算，也支持根據(jù)溪洛渡預(yù)測(cè)入庫、溪洛渡-向家壩區(qū)間預(yù)測(cè)流量進(jìn)行梯級(jí)聯(lián)動(dòng)計(jì)算。即

It,xjb=Qt,xld+Ft,qj

(10)

式中：It,xjb為t時(shí)段向家壩入庫流量，m3/s；Qt,xld為t時(shí)段溪洛渡出庫流量，m3/s；Ft,qj為t時(shí)段溪洛渡-向家壩預(yù)測(cè)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(jì)劃、閘門計(jì)劃或其任意組合，調(diào)用水位預(yù)測(cè)方法計(jì)算未來水位、出庫流量、發(fā)電運(yùn)行過程，并進(jìn)行對(duì)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(shí)時(shí)調(diào)度的角度出發(fā)，對(duì)流域梯級(jí)調(diào)度作了初步探索，初步建立了符合梯級(jí)水庫調(diào)度運(yùn)行特點(diǎn)的實(shí)時(shí)調(diào)度模型，不同于傳統(tǒng)的以預(yù)報(bào)為主、調(diào)度實(shí)時(shí)調(diào)整的單庫調(diào)度模式；同時(shí)甄別了大流域梯級(jí)聯(lián)合實(shí)時(shí)調(diào)度研究的難點(diǎn)、重點(diǎn)，明確了下一步的兩庫或多庫研究方向，在國(guó)內(nèi)外水庫實(shí)時(shí)調(diào)度領(lǐng)域均具有領(lǐng)先水平。

主要先進(jìn)功能包括：① 綜合考慮梯級(jí)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(jí)自動(dòng)計(jì)算預(yù)測(cè)梯級(jí)水庫48 h內(nèi)運(yùn)行情況，并自動(dòng)掃描數(shù)據(jù)不斷修正結(jié)果；③ 人工手動(dòng)設(shè)置實(shí)際限制條件計(jì)算；④ 設(shè)計(jì)多方案對(duì)比、方案與水庫實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)比、方案與水庫運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)對(duì)比；⑤ 掃查預(yù)警庫，包括短期棄水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，作到實(shí)時(shí)預(yù)警；⑥ 多樣式展示。在優(yōu)化人力資源的同時(shí)，大幅提高了對(duì)入庫、計(jì)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(jí)水庫聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行安全效益。