水库调度概述

水库群优化调度[e-mail].20142ResevoirDispatching水库特征水位死水位汛限水位正常高水位校核洪水位防洪高水位调节库容防洪库容死库容正常蓄水位与兴利库容。水库在正常运用情况下,为满足兴利要求在开始供水时应蓄到的水位，称正常蓄水位,又称正常高水位、兴利水位，或设计蓄水位。正常蓄水位至死水位之间的水库容积称为兴利库容,即以调节库容。用以调节径流,提供水库的供水量。死水位与死库容。水库在正常运用情况下，允许消落到的最低水位，称死水位，又称设计低水位。死水位以下的库容称为死库容，也叫垫底库容。死库容的水量除遇到特殊的情况外(如特大干旱年)，它不直接用于调节径流。防洪限制水位与重叠库容。水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位,也是水库在汛期防洪运用时的起调水位，称防洪限制水位。防洪限制水位的拟定，关系到防洪和兴利的结合问题，要兼顾两方面的需要。如汛期内不同时段的洪水特征有明显差别时，可考虑分期采用不同的防洪限制水位。正常蓄水位至防洪限制水位之间的水库容积称为重叠库容,也叫共用库容。此库容在汛期腾空,作为防洪库容或调洪库容的一部分。防洪高水位与防洪库容。水库遇到下游防护对象的设计标准洪水时,在坝前达到的最高水位,称防洪高水位。只有当水库承担下游防洪任务时,才需确定这一水位。防洪高水位至防洪限制水位之间的水库容积称为防洪库容。它用以控制洪水，满足水库下游防护对象的防洪要求。设计洪水位。水库遇到大坝的设计洪水时，在坝前达到的最高水位,称设计洪水位。它是水库在正常运用情况下允许达到的最高洪水位。设计洪水位校核洪水位与调洪库容。水库遇到大坝的校核洪水时,在坝前达到的最高水位，称校核洪水位。它是水库在非常运用情况下，允许临时达到的最高洪水位，是确定大坝顶高及进行大坝安全校核的主要依据。校核洪水位至防洪限制水位之间的水库容积称为调洪库容。它用以拦蓄洪水，在满足水库下游防洪要求的前提下保证大坝安全。校核洪水位以下的水库容积称为总库容。调洪库容总库容3ResevoirDispatching•库容调节系数等于本级电站调节库容除以本级水库多年平均年径流量；•日调节水库（发电调节库容系数在1%以下）•旬、月调节水库（发电调节库容系数在3%左右）•季、年调节水库（发电调节库容系数在10%左右）•多年调节水库（发电调节库容系数在30%左右）4ResevoirDispatching•水库调度即水库控制运用，是对已建水利水电枢纽合理可靠的控制运用，达到充分发挥防洪、兴利效益的一种技术措施，属于非工程措施。•水库调度的基本任务有如下三项：一是确保大坝安全，并承担水库下游的防洪任务；二是保证满足电力系统正常用电和其他有关部门的正常用水要求；三是在保证各用水部门正常用水的基础上力争尽可能充分利用河流水能多发电，使供电更经济。（优化调度）5•水库调度必须遵守的原则是：在确保水电站水库大坝工程安全的前提下，分清发电与防洪及其综合利用任务之间的主次关系，统一调度，使水库综合效益尽可能最大；当大坝工程安全与满足供电、防洪及其他用水要求矛盾时，应首先满足大坝安全要求；当供电的可靠性与经济性矛盾时，应首先满足可靠性要求。ResevoirDispatching6ResevoirDispatching•按调度目标：防洪调度、兴利（发电）调度、综合利用调度（灌溉、航运、旅游、调水调沙等等）•按调度周期：长期调度（月）、中期调度（旬）、短期调度（日）、厂内经济运行。•按水库数量：单库调度、水库群调度（并联、串联/梯级、混合）•按调度方式：常规调度、优化调度7ResevoirDispatching保证出力区降低出力区加大出力区死水位汛限水位正常蓄水位防洪高水位死库容兴利库容防洪库容校核洪水位年调节水库调度图按照调度图进行水库控制，仅需要掌握当前水库水位，不考虑来水预报。有可能造成水资源的浪费8ResevoirDispatching•开展水电站水库的优化调度工作，提高水电站及电力系统的经济管理水平，挖掘潜力，几乎在不增加任何额外投资的条件下，便可获得显著的经济效益。欧、美、前苏联等国家的调度资料表明：长期经济运行可增加发电量2.0%-5.5%；短期经济运行可增加发电量1.5%-5.0%；厂内经济运行可增加发电量0.3%-0.5%。四川大学马文光教授研究认为通过梯级水电站联合优化调度可提高流域水资源利用率，增发水电电量2%~7%。•途径：1、提高调度期发电水头；2、充分利用水量；3、减少机组空耗。9ResevoirDispatching848688909294123456789101112138085909510010511011512345678910111260007000800090001000011000123456789101112水库水位过程线发电流量过程线发电量过程线10ResevoirDispatching•是否水位越高越好？•1、一味追求高水位，会失去机组负荷优化调整空间。•2、由于来水的不确定性，高水位运行加大了弃水风险。•因此，实际运行中，要留出发电负荷波动区间，同时为防洪留有余地。11ResevoirDispatching•洪水资源化，减少弃水。•1、洪前预泄、拦截洪尾。利用气象、水文预报成果，在洪前，提前加大发电，降低水库水位；洪水末期，及时关闭泄洪闸门，拦截洪尾，减少弃水。•2、汛限水位动态控制。不但可以提高汛期水库运行水位，而且可以减少弃水，提高水量利用率。12ResevoirDispatching•根据三峡梯调研究13ResevoirOptimizationDispatching◆概念按一定的最优准则，通过建立数学模型，采用优化方法（系统工程），求解水库调度问题。◆优化模型确定性模型：qt为确定过程（实测），确定值随机性模型：为随机过程，期望值隐随机模型：为人工生成系列，确定值◆优化方法传统的数学规划法：线形规划法、混合整数规划法、非线性规划法、网络流规划法、动态规划法、递推优选法、拉格朗日松弛法等现代启发式智能算法：禁忌搜索算法、人工神经网络、模拟退火算法、遗传算法、免疫算法、粒子群算法、蚁群算法、浑沌优化算法等。14ResevoirDispatching水库优化调度是一个多阶段决策过程的最优化问题,是在常规调度和系统工程的一些优化理论及其技术的基础上发展起来的。其基本内容可描述为:根据水库的入流过程,遵照优化调度准则,运用最优化方法,寻求比较理想的水库调度方案,使发电、防洪、灌溉、供水等各部门在整个分析期内的总效益最大。15ResevoirDispatching单库调度（防洪、供水、发电等调度）梯级和联合调度（多水库、水库群调度）流域统一调度（水库作为流域水资源调度的重要环节参与流域统一管理）生态调度（以满足流域水资源调度和河流生态健康为目标的调度，正在开展相关研究）（调度的最新阶段）16ResevoirDispatching17ResevoirDispatching•水电站：将水的势能转换为电能。N=KQHN-出力K-综合出力系数Q-发电流量H-发电水头18ResevoirDispatching综合出力系数K•K与水轮机效率，发电机效率及机组传动效率有关。•大型水电站（装机容量大于25万kw），K：8.5•中型水电站（装机容量在2.5万—25万kw），K：8—8.5•小型水电站（装机容量小于2.5万kw），K：6.0—8.0•效率曲线（机组效率-出力-水头形成的一组曲线）19ResevoirDispatching•H=Z上-Z下-H损•上游水位Q入-Q出•下游水位f（Q出）.多年调节水库上游水位变幅大，下游水位对水头影响小，低水头电站受下游水位影响较大。•H损水头损失f（H,Q）受引水管长度、大小有关、拦污栅压差、毛水头、引用流量等等影响。20ResevoirDispatching•计算原理：水量平衡W入-W出=V末-V初（入库水量-出库水量=时段末库容-时段初库容）W出=f（N,H,T,Q弃）V末=f（Z上末）V初=f（Z上初）H=Z上-Z下Q弃=f（Z上,k）21ResevoirDispatching库容水位22•充分利用水电能源产生电能，提高水电系统的经济效益是水电站水库群发电优化调度的总目标。根据水电系统在电力系统中的作用，水电站群优化调度研究有着不同的优化准则，也将产生不同的优化结果。常用的优化准则有以下几种：–梯级水电站发电量最大准则、–梯级水电站总耗水量最小准则–梯级水电站总蓄能最大准则–梯级水电站发电效益最大准则等。ResevoirOptimizationDispatching23•研究梯级水电站优化运行方式，从数学模型上讲，水电站是该系统的基本组成单元，所以首先要掌握水电站的综合特性。电站收益由各时段发电量及相应的电价共同决定。•电站基本参数及参数间的关系–出力N=KQH–水位与水头•上游水位•下游水位•水头•入库流量–水流时滞：在短期优化分析中考虑，可根据实际运行数据分析得出–电价：分时电价、丰枯电价ResevoirOptimizationDispatching24ResevoirOptimizationDispatching–水位与水头•上游水位：上游水位和库容的关系可根据实测的水位库容关系曲线获得•下游水位：不仅与面临时段的下泄流量有关，而且与之前的下泄流量有关。当下游水库对上游水库有回水影响时，下游水位同时与下游水库水位有关。•水头：取时段平均水头进行计算•入库流量：入库流量受上游水库出库流量及区间流量影响，若考虑水流水流过程中的坦化变形，则应加入坦化系数。25ResevoirOptimizationDispatchingNiTttitNE11,max发电量最大模型：NiTttitiQssQF11,,)(minNiTtttititiSjjMHQPAEE11,,)(maxmax耗水量最小模型发电效益最大模型水电站(群)发电优化调度的模型主要有：调度期内发电量最大模型、蓄能最大模型、耗水量最小模型及调峰电量最大模型等。26ResevoirOptimizationDispatching•梯级水电站优化运行所涉及的约束条件较多，有的也非常复杂，而且对于不同的调度任务(运行目标)，约束也不尽相同。某些调度任务也可以作为另外优化目标的约束条件出现。–水电站下泄流量约束–水电站出力约束–水库蓄水量约束–水量平衡约束–非负条件约束•在水库优化调度中，不存在对所有水资源系统都通用的理论、方法和数学模型。对于不同的水库系统，应该根据水库自身的特点、可用的数据（多年水文资料、水库参数等以及目标函数和约束条件）来选取适当的理论、数学模型和方法。27ResevoirOptimizationDispatching•水电站水库群发电优化调度是一种与时间过程有关的典型动态多阶段决策过程。而动态规划法是解决多阶段决策过程最优化问题的一种数学方法，故常用动态规划法求解水库群优化调度问题。用动态规划法求解水库优化调度问题，具有以下优点：(1)易于确定最优解；(2)能得到子过程的每一组解，有利于结果分析；(3)能利用经验，提高求解的效率。但动态规划法也存在不足之处，在进行数值求解时，随着所求解水库数目的增多，所需的内存成指数增长，进而造成“维数灾”。•其他算法：遗传算法、人工神经网络等等28ResevoirOptimizationDispatching•确定性动态规划法•动态规划问题常采用网格法求解，在以纵坐标为水库蓄水量、横坐标为时间的图上，将调节库容分为m等分，时间分为T段，从格点上取值求解递推方程，从中选优，就能得到目标函数的最优解。时刻V2T-111…2-…21…123T-1TT+1阶段m-1mmm-1t29ResevoirOptimizationDispatching•增量动态规划是一种改进的动态规划法，由于在不发生弃水情况下，水头的最优利用反映为水库水位越高越好，