主题：三峡-葛洲坝梯级枢纽常规水库调度系统

王玉华 陈忠贤

（三峡梯调通信中心）


摘要： 三峡-葛洲坝梯级枢纽常规水库调度系统是《长江三峡水利枢纽梯级水库调度自动化系统》的高级应用部分，该系统建立在三峡梯级水利枢纽水库调度自动化系统水调数据平台之上，在洪水预报成果的基础上,根据三峡～葛洲坝梯级枢纽的防洪、发电、航运的综合利用要求，作出三峡、葛洲坝电厂长、中、短期出力预报，相应作出梯级枢纽水库调度计划,确定梯级水库的蓄泄对策及闸门的开启计划，制定闸门的操作命令,完整地实现了三峡~葛洲坝梯级枢纽常规水库调度业务。

关键词：水库调度； 防洪； 发电； 计划； 调洪演算；三峡

1 概述

　　三峡水库正常蓄水位175m时，回水区长达614km，库面面积约2 000km2，水库的长宽比很大，属于典型的河道型水库。

　　三峡梯级水利枢纽由三峡枢纽和葛洲坝枢纽形成一个串型梯级枢纽，具有防洪、发电、航运等多项综合效益。电站设计共装有26台单机额定功率为700MW的水轮发电机组，三峡电站全部建成后水库为季调节水库，按防洪、发电、航运的综合利用要求进行调度。目前，处于围堰发电期，为围堰期运行，一般情况下原则按135m水位控制，初期实时调度中库水位允许在134.7～135.4m范围内运行。电站属于径流式运行，在电力系统中主要承担基荷和腰荷，非汛期电站有限参与系统的调峰。洪水调度以确保围堰和枢纽安全为主。

　　葛洲坝水利枢纽距三峡水利枢纽下游约40km，为长江上游的出口处。库水位逐步放宽在63.0～66.5m范围内运行，与三峡枢纽联合运行后，利用两坝间水库进行航运反调节，使三峡电站在系统调峰时，保障葛洲坝上下游航运安全。葛洲坝洪水调度以确保枢纽自身安全为主。

　　为满足梯级水库调度要求，在上达金沙江的石鼓水文站，下至长江汉口站的广大地区布设报汛站网，重点在重庆至宜昌区间（称三峡区间）还布设自动遥测站。水情信息收集获取的数据通过处理生成的重要信息形成完整的水库调度自动化数据库系统，以支持系统完成监视、查询、预报、调度等功能。

　　三峡梯级水库调度根据三峡入库洪水水文预报成果，按水库调度规程要求，考虑枢纽工况等信息进行调洪演算，对天然来水进行合理蓄放，满足水库各项综合利用要求，制定防洪、发电调度计划。

　　水库实时调度时根据上级调度部门批准的发电计划及防洪主管部门下达防洪计划或调度命令，确定梯级水库的蓄泄对策及闸门的开启程序与方式，制定闸门的操作命令。如入库来水有变化，则实时提出修正方案，经上级同意后实施。

　　三峡出库流量加上区间流量即为葛洲坝入库流量，葛洲坝枢纽水库调度在汛期时与三峡枢纽一样，基本按径流方式运行，在非汛期配合三峡反调节运行。

2 水库调度原理

2.1 水库调度计算

　　水库常规调洪演算方法使用净库容水量平衡法，不考虑库面蒸发、水库渗漏等损失。演算时，给定入库流量预报过程后，一般有两种方式，一种是给定水位过程计算出库流量过程，一般用于发电出力预报；第二种是给定出库流量过程计算库水位过程，一般用于防洪调度计算。由于水库下游水位必须通过出库流量查算，所以，调洪演算时，一般要进行试算。

　　三峡水库调洪演算时段计算公式为：

　　ΔQ三入－ΔQ三出＝ΔV三/ΔT

式中：ΔQ三入：ΔT时段内三峡入库流变化量，（m3/s）；

　　ΔQ三出ΔT时段内三峡出库流量变化量，（m3/s）；

　　葛洲坝水库调洪演算时段计算公式为：

　　ΔQ三出（t－τ)+ΔQ区－ΔV葛出＝ΔV葛/ΔT

式中：ΔQ三出（t－τ)（t-τ)时刻前，ΔT时段内三峡出库流量变化量，（m3/s）；

　　τ：三峡出库流量传播至葛洲坝前的传播时间；

　　ΔQ区：ΔT时段内三峡至葛洲坝区间入库量变化量，（m3/s）；

　　ΔQ时段内葛洲坝出库流量变化量，（m3/s）；

　　ΔVΔT：ΔT时段内葛洲坝水库库容变化量，（m3/s）；

2.2 发电调度计算　

　　电站发电出力计算方法有K值法、出力限制线查算法及N-H-Q曲线查算法3种，一般在制定中长期计划时，使用K值法结合出力限制线查算法计算，在制定短期计划时，使用N-H-Q曲线查算法结合出力限制线查算法计算。K值法计算公式为：

　　N=KQH

式中：：电站出力，（kW）；

　　Q：电站发电流量，（m3/s）；

　　K：电站综合效率系数；

　　H：发电净水头，（m）。

　　三峡K值一般取8.5，葛洲坝一般取8.35。

2.3 防洪调度计算

　　规防洪调度时一般给定库水位上（下）限，当调洪演算水位越上（下）限时，判断可用操作区，根据调度规程开启（关闭）闸门，形成闸门操作命令。由于要计算出准确的闸门操作时间，计算步长要求很短，一般取5min。以下以葛洲坝常规调度基本过程为例说明一次闸门操作的计算过程：

　　①计算越限时段初出入库平衡泄量变化量Q平：

　　Q平＝IQ入-Q出I

式中：Q入越限时段初出库流量。

　　　Q出越限时段初出库流量。

　　② n=1。

　　③计算闸门启闭流量变化量Q泄= Q平+100×n，由此泄量计算开度（取整），维持此开度保持不变计算水位变化过程（从越限时段初开始按计算步长计算至下次越限时停止）。计算确定最低（高）库水位H，即下一个水位越限时段初至当前越限时段初水位过程间的最低（高）库水位，同时确定下一个水位越限时段初至当前越限时段初的时段长T。

　　④ 若H超出库水位下（上）限，则取

　　Q泄= Q平+100×（n-1），跳出循环。

　　⑤ 若T≥最长动门时间，则取

　　Q泄= Q平+100×n，跳出循环。

　　⑥ n=n+1，转至③。

2.4 几个特殊的计算参数

　　库容差折减系数：因常规调洪演算使用的是净库容水量平衡方法，但来水实际情况是动库容，因此，在时段计算时，库容差（△V）应乘以库容差折减系数，该系数的取值范围一般为0.～2.0，该系数与入库来水大小，型式及水库调度方式等有关，运用时由水库调度技术人员灵活掌握。
最长动门时间：一次闸门操作中闸门开启孔数（或闸门开度的大小）一般由人为确定，在引入最长动门时间参数概念后，闸门操作时间及增（减）下泄流量可以准确计算，较好的解决了闸门操作的自动计算的实用化问题。

　　下游站水位差：水库出库流量与下游站水位流量关系对发电流量计算关系很大，该关系受出库流量的涨退水及枢纽的运用方式的影响定线误差较大，引入下游站水位差参数消除其影响。

　　三峡至葛洲坝洪水传播时间：目前三峡至葛洲坝洪水传播时间一般取40 min，通过该参数使三峡与葛洲坝的调洪演算有机地结合起来。

3 系统介绍

3.1 软件总体介绍

　　WDS9002系统应用软件是以网络数据服务子系统为核心，连接了数据库系统的应用软件各子系统，三峡-葛洲坝梯级枢纽常规水库调度系统是该应用软件系统的一部分。

　　高级应用部分软件的业务流程如下：

　　开始→信息采集、处理、入库（水情实况、雨情实况、上游水情预报、降雨预报、枢纽运行信息等）→坝址流量预报制作→发电调度→洪水调度→调度方案实施（闸门启闭、水位调节、冲沙排漂、下泄流量控制等）

3.2 发电调度

　　发电调度是已知水库的入流过程及综合利用要求，根据水库承担的水利任务与调度规则，有计划地对天然入库流量进行蓄泄，制定出水电站及其水库优化运行调度计划。结果以直观的图形和表格形式显示。

　　水库发电调度分为长、中、短期调度。长期发电调度是将较长时期(一年)的有限输入能优化分配到较短时段(月或旬)；中期是以日为时段，制定未来一段时期内的发电计划；而日计划则根据中期运行调度，结合电网的实际负荷需求，制定日内各计算时段(1 h或15 min)电站的预计出力。
发电调度部分软件的业务流程如下：

　　开始→选择调度模块（长期、中期、短期）→读取流量预报、枢纽运行等信息→设置约束条件→进行调度计算→调度方案输出、保存→结束

3.3 防洪调度

　　洪水调度子系统作为水库常规调度应用的一部分，主要承担了三峡-葛洲坝水利枢纽在三峡围堰发电期（2003～2007年）调洪演算任务，为调度员提供辅助决策，从而保证水利枢纽工程施工安全和葛洲坝水利枢纽度汛安全。

　　洪水调度子系统是基于三峡（围堰发电期）-葛洲坝水利枢纽梯级调度规程防洪调度部分的基本原则，结合葛洲坝水利枢纽以往调度经验、三峡围堰发电期的防洪原则、三峡围堰施工期的枢纽及机组安装状况作为洪水调度的基本框架，采用三峡梯调中心提供的基本调洪流程（闸门调整、泄量调整）作为调洪细则，引入了最长动门时间约束、闸门启闭顺序、分区开启顺序、库容折减系数等参数，利用高性能的计算机进行调洪演算，从而生成三峡-葛洲坝水利枢纽的梯级防洪调度结果及对应的闸门启闭状况（计算到闸门号、开度）。

　　三峡防洪调度从操作方式上分为两种，常规调度和实时调度。常规调度即由三峡调度规程、葛洲坝调度规程结合闸门各种状态表、三峡梯调中心提供的闸门调整算法实现的调洪过程演算，形成水库调度方案及闸门操作方案；实时调度即按照一定条件生成多个闸门操作方案，用户通过实时调度所提供的人机交互界面选择合适闸门操作方案，利用自动（或手动）下达闸门操作命令，并将闸门操作结果自动（或手段）返回。
防洪调度部分软件的业务流程如下：

　　开始→选择调度模块（实时、常规）→读取流量预报、枢纽运行、发电计划等→设置约束条件→进行调度计算→调度方案输出、保存→结束

4 结束语

　　（1）该软件系统按实用性要求设计,已成功运用于三峡-葛洲坝水库调度生产上。引用库容差折减系数参数解决动库容和库容曲线误差问题，最长动门时间约束解决了闸门操作计算的实用化问题，下游站水位差、三峡至葛洲坝洪水传播时间等参数的运用较好地解决了生产调度实际要求。

　　（2）发电调度软件是针对三峡围堰运行期进行设计的,防洪调度软件也只考虑水位控制模式。因此进入正常运用时期后，工程可全面发挥防洪、发电、航运等综合利用效益时，软件也应不断地增加新功能。

　　（3）水库调度高级运用还应包括其他如梯级优化调度、动库容调洪演算等功能。通过生产实践不断积累经验，开展课题研究，不断提高水库调度水平，创造更大的效益。





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三峡—葛洲坝梯级水电系统短期优化调度问题是一个多阶段决策过程,因此,适合应用动态规划法来求解.其调度子问题“以水定电”的基本过程概述如下:在一定的调度时间范围内,给定水库库容期初或期末的初始状态,根据水库来水情况和其它约束条件,如何选择调度期用水(或出力)策略,使全过程的发电运行达到最优.三峡电站是一个具有不完全季调节性能的大型水库,三峡—葛洲坝梯级水电站不仅存在电力联系,而且存在水力联系.因此,三峡梯级水电厂的“以水定电”短期优化调度是一个具有复杂约束条件的大型、动态、有时滞的非线性系统的优化问题.
基于“视模型为对象”的技术,以及对象分解的基本准则是一个从粗粒度到细粒度的过程.本文通过对三峡梯级电站优化调度模型进行分析,认为该复杂对象是由一系列基本对象和复合对象按数据流的关系组合而成的有机整体.为了解决两库之间存在的“时滞” 问题,首先将优化运行模型分解为两个子模型,周期平稳日优化运行模型和过渡日优化运行模型,然后将子模型分解为一系列基本对象和复合对象.这样处理后,为模型的程序编写、修改、维护与扩展提供了方便,克服了以往模型只是单纯地面向某一应用或缺乏程序的通用性与可移植性等缺点.最后的计算表明了模型的有效性.
二、三峡梯级水电站短期经济运行的数学模型
根据动态规划最优性原理,三峡梯级水电站短期经济运行的数学模型为:
(一)目标函数

(1)
—从时段末水库蓄水量出发,从t时段到T时段的最优发电量; , —分别表示三峡(葛洲坝)在t时段时蓄水量(和该时段发电用水量()时的发电量; —余留期(从t+1)时段到第T时段)三峡与葛洲坝最优发电量;t—表示单位时段,t=T,T-1,…,2,1, T为调度期.
(二)约束条件
1.负荷约束
(2)
式中 , ,分别表示时段时水库(三峡或葛洲坝)的系统负荷下限与上限.
2.电厂出力约束:
(3)
式中 , ,分别表示t时段时i 水库的出力下限与上限.
3.发电流量约束:
(4)
4.库容约束:
(5)
5.水量平衡方程式:
(6)
(7)
(8)
式中,—分别表示三峡与葛洲坝在t时段时的弃水流量;,—分别表示三峡与葛洲坝在t时段的预报来水;为水流从三峡水库流至葛洲坝电站的流达时间,一般取为常数.
已知条件:调度期初、末水位已知,梯级电站提供的可投入运行的机组型号和台数,以及给定三峡电站一天的用水量等.

由于目标函数(1)中的递推公式既考虑了面临时段的发电效益,又考虑了余留时期的发电效益,因此,通过对模型(1-9)求解,可以制定出各个时段的最优出力决策与相应的库容最优策略集合,从而达到满足发电量最大的要求.
三、模型对象的分析与说明
上述的“以水定电”模型是一个复杂的决策问题,从“视模型为对象”的观点出发,可以把复杂对象分解为最基本的对象并进行功能分析,这些基本对象又成为复杂对象的基本构件.在复杂对象分解的同时,对各个基本对象之间的关系以及它们之间的处理顺序进行综合设计.这样,当复杂对象的大小,结构和内容改变时,不会影响到系统中的基本构件和其他对象.这样处理后,对整个复杂模型的程序设计,运行和维护都带来极大的方便.首先对“以水定电”模型中出现的“时滞”问题预以探讨和说明,然后再对模型结构进行详细分析,给出模型分解和组合的过程以及这种方法扩展的意义.
(一)两库之间存在的 “时滞”问题的处理办法
由于葛洲坝在t时段时的入库径流量等于三峡在时段时的发电泄流量加上该时段弃水流量,因此,两库之间存在水力联系和电力联系.这样,如何处理时滞是解决三峡梯级水电站短期经济运行比较关键的一个问题.处理办法是:将优化运行模型分解为两个子模型,周期平稳日优化运行模型和过渡日优化运行模型.经过如此处理后,计算复杂程度略有增加,但计算量并末明显增加,从而为解决“时滞”问题提供了一种现实可行的途径.
(二)模型对象的分解与组合
为便于说明,本文以三峡—葛洲坝梯级各水库的蓄水量作为状态变量来进行考虑.根据水库库容上,下限约束(5)式,可得三峡状态变量的子空间 ,其中 ,, 为三峡库容等分的个数.同理,可得葛洲坝状态变量的子空间 ,其中 ,i,为葛洲坝库容等分的个数.这样,时段的分割和状态的分格形成一个网格,从各阶段间网格交点连线组成的调度线群中来选择最优调度线.
从相邻的两个时段(t时段与t+1时段)来分析,可以发现t 时段的某一初始状态Vi同t+1时段的n个状态构成n个可能的调度方案.此时,全时期的发电量等于该时段的发电量与余留期最优发电量之和,并从中选出全时期发电量最大的方案,该方案即为在该初始状态时的最优调度方案.按同样方法,对所有可能的t时期的初始状态,均可分别求出最优调度方案,然后将其记录入余留效应系数表中,以便提供给下一个时段的计算.
进一步地分析表明,最优调度模型的计算实质上是计算一系列相邻两个时段的两个状态(由于状态之间的转移)而产生的发电量或出力(简写为:点—点出力)而得出的.也就是说,“以水定电”模型对象可以分解为最基本的对象—“点—点出力”基本对象的各种组合.“点—线出力”对象是“点—点出力”对象的自然扩展;而“线—线出力”对象则是由“点—点出力”对象以及“点—线出力”对象组合而成的复合对象;此外,“线—点—线出力”等对象是在上述对象基础上组合而成的各种复合对象.“点—线出力”对象说明的是:相邻两个时段中t 时段的某一初始状态(点)分别转移到t+1时段的n个状态(线)时构成的发电量最大值.“线—线出力”对象指的是:相邻两个时段中t 时段的各种初始状态(线)转移到t+1时段的各种可能状态(线)构成的发电量最大值的向量.而“线—点—线出力”对象可类似说明.(如图1).总之,“以水定电”模型是由一系列“点—点出力”、“点—线出力”、“线—线出力”等对象组合而成的复杂对象.





“点—点出力”对象 “点—线出力”对象 “线—线出力”对象
图1:三种对象结构图
需要指出的是,“点—点出力”对象的计算应满足约束条件式(3)与(4)(约束条件式(5)自然成立).如果满足约束条件,则记录其出力大小,否则记录其标识(假),此外,根据水库蓄水状态转移方程式(式6~8),当计算下一时段的相邻两点之间的出力时,只需动态地将数据传递给“点—点出力”对象中的参数即可,这样可以对“点—点出力”基本对象给予数据和数据操作上的封装和实现.由以上分析可知,“以水定电”复杂对象是由一系列基本对象与复合对象通过类似“搭积木”的方式构建而成的整体.因此,在编写三峡梯级水电厂的“以水定电”短期日优化调度模型的程序时,只需构建基本对象程序模块以及在此基础上一些复合对象程序模块,这样当调度模型结构发生部分改变时(如梯级水电站最优运行模型变为单一水电站最优运行模型等),基本对象程序模块和一些复合对象程序模块可以只作少量的修改甚至不作任何修改,只需按调度模型结构中的数据流向重新对模块进行组织和处理即可.
四、模型测试
根据“以水定电”的模型,以及中国长江三峡工程开发总公司提供的数据资料,本文编制了c++程序,对三峡—葛洲坝梯级水电站短期优化调度模型进行了仿真计算.两库之间存在的“时滞”按3.1节的方法来进行,因此,计算工作量大为简化,并为计算程序的编制带来很大的便利.仿真计算表明,计算速度快(如三峡库容状态划分200个离散点,葛洲坝库容状态划分100个离散点,计算时间12s,若状态空间划分愈少时计算时间更短),占用内存少,操作简便,运行效果良好.
五、结语
本文给出了三峡梯级水电系统“以水定电”短期优化调度的数学模型,对模型结构进行了详细地分析和说明,基于“视模型为对象”的技术,将此复杂对象分解为若干较小且容易解决的基本对象和复合对象,在此基础上编写和测试了软件程序.这种方法为三峡梯级水电系统优化运行的软件包的程序编写、修改、维护与扩展提供了方便,具有软件重用与软件可移植等优点.

文章专业性比较强，有些看不懂，呵呵，大家别拍我！！^_^

谢谢jimmy的文章！！[FACE]ico12.gif[/FACE]

该贴内容于 [2008-10-22 21:48:10] 最后编辑