水电站水库调度综述

陈廷涛，李祥龙

(黑河市爱辉区水务局，黑龙江 黑河164300)

0 前 言

水电站经过勘测规划、设计、施工的长期过程，在竣工后将发挥经济效益。在设计阶段设计单位编制水库调度方案，作为水库管理单位进行水库调度的依据。在水库运行阶段，由于水库的规模已经确定，随着运行资料的积累与水电站水库情况的变化，有可能也有必要进一步研究水电站水库调度问题。也就是对已运行水电站进行水库调度方案编制或修订水库调度方案和编制年调度计划。进一步可以进行水库优化调度问题的研究，提高水电站水库运行管理水平，使水电站多发电，发挥更大经济效益。

本次主要介绍兴利即水库发电调度问题，防洪调度本次不作介绍。

1 电力系统

1.1 电力系统的组成

电力系统系指由发电站、电网即变电站、输配电线路及用户的用电设备组成的总体。现代的电力系统( 电网) 是人造的最大网络系统。

1.2 电力系统对水电站的基本要求

1) 要求水电站在一定时期内，以一定出力和电量提供给电力系统( 电网) ，保证电力系统的安全稳定运行。

2) 正常工作的保证率不低于设计值。

3) 水电站应充分利用水能多发电。

2 水库调度

2.1 水库调度的任务

1) 确保水库大坝安全，承担水库上、下游防洪任务;

2) 保证满足电力系统的正常供电和调度要求;

3) 尽可能充分利用水能，多发电。

2.2 水库调度原则

2.2.1 水库调度原则

1) 在确保水电站水库大坝安全的前提下，分清发电与防洪及其他任务之间的主次关系，统一调度，使水电站发挥更大效益。在保证电力系统正常供电的条件下，水电站的发电量最大。经济效益第一。

2) 大坝安全第一。

3) 安全性，可靠性第一。

2.2.2 发电兴利水库调度准则是

1) 在设计水文条件下，即相应设计保证率的水文年，应抓紧时机使水库蓄满，先蓄后供，使水电站在高水位运行，多发电。

2) 在比设计条件有利的水文条件下，即丰水年，应在保水库大坝安全的前提下，充分利用水库调节能力，合理加大出力，减少弃水，多发电。

3) 在枯水年，水电站应采用均匀降低出力方式运行。

2.3 水库调度的基本方式

基本方式有: ①防洪调度; ②发电调度; ③灌溉调度; ④其他方面调度;⑤综合利用调度; ⑥水库群调度，包括梯级水库调度。

通常将水电站电能分为水库( 蓄水) 电能和不蓄电能，前者系指水库前期蓄水泄放所能产生的电能，它取决于水库消落深度( 蓄水量) ，后者系指面临一个时期的天然来水量所能产生的电能，它取决于水库运行方式。

式中: V1为水库蓄水量，m3; dH1、dH2为水头，m; η1、η2为机组效率; Q 为水库天然来水流量，m3/s;t 为时间，s。

⊿E1+ ⊿E2= E(年电能) ，使E(年电能) 最大是水电站水库调度要解决的问题。

2.4 水电站水库调节方式

包括:①日调节、②周调节、③年调节、④多年调节。

2.5 水电站运行方式

1) 厂内运行方式，系指水电站在给定负荷下，确定厂内最佳开机台数、开机程序、机组间负荷分配等。

厂内运行要对水轮机性能有全面了解。水轮机发电机组动力特性:流量特性曲线; 功率损失特性曲线; 功率特性曲线;机组效率特性曲线; 耗水率特性曲线; 微增率特性曲线。水轮机运行特性曲线、工作特性曲线等。分清和了解混流式和轴流定浆式水轮机工作特性曲线的区别。根据水轮机工作特性曲线，混流式负荷率为50%时效率为80%。轴流定浆式水轮机负荷率73%时，效率为80%;负荷率降到73%以下时，水轮机效率急剧下降。负荷60%，效率70%;负荷50%，效率64%;负荷40%，效率56%。效率降低水轮机耗水量加大。

表1 轴流定浆水轮机负荷、效率、耗水率关系

显然部分出力运行是不经济的，我们应进行科学调度。水轮机发电机组经济运行时，水轮机负荷率和水轮机效率应有一个界限。一般为70 或75%以上。

二门山水电站、富地营子水电站、宋集屯水电站水轮机都是轴流定浆式转轮。山口水电站水轮机为轴流转浆式水轮机。西沟、宝山、象山、乌一等水电站为混流式水轮机。

2) 系统运行方式系指水电站担负日负荷及月、年发电量。

2.6 水库调度方法

如何根据水库调度准则进行水库发电调度，一般，在水库来水不能预知的情况下，常利用根据过去获得的径流资料编绘的水库调度图进行调度。这是目前广泛采用的水库调度图法，并按调度图维持正常运行。还有水库调度图与水文预报相结合方法。

3 水库调度图

河川径流变化具有随机和不重复性，河川径流变化是一种周期性的连续随机过程。在水电站水库调度中常用径流的时历特性资料和统计特性资料作为描速和预测径流变化规律，作为进行水库调度的基本依据。

3.1 水库调度图是指导水库合理运行的调度线的集合

水电站水库的运行，必须按照近期与长远兼顾的原则，合理利用流量和水头，以获得最大的发电效益。但由于水电站运行长系列的河川径流是难以预知的，人们不可能预先作出长期的运行决策，故在径流调节的基础上，统计出水库蓄放水规律，对一年中的各时段，求出水库状态( 水位或库容)与出力的关系线，以指导水库运行。在水库运行中，人们可以根据面临时段初的水库状态，作出面临时段的出力决策，以期保证水电站的正常运行，在不遭人为破坏的前提下，尽可能增加发电效益。

水库调度图系指导年及多年调节水库运行的工具，它根据水库历史径流统计资料和水电站在系统中的工作位置拟定。系以时间为横座标，以水库水位为纵座标，由一些控制蓄水和供水( 或电站不同出力指示线) 指示线划分出不同出力区域图构成。

式中: N 为出力; H 为库水位m; t 为时间，d; f 为指示线。

即表示某时间水电站的出力，应根据相应时间库水位( 蓄水量) 来决定。

3.2 水电站水库调度图的组成

水电站水库调度图系以时间为横坐标，以库水位为纵坐标，是由若干调度线并构成若干区域组成调度图。一般分降低出力区、保证出力区、加大出力区、防洪区。

3.3 水库调度图的调度规则:如西沟水电站调度图

1) 当水库水位落于Ⅰ区则按破坏流量放流，电站降低出力运行。

2) 当水库水位落于Ⅱ区则按保证流量放流，电站按保证出力运行。

3) 当水库水位落于Ⅲ区则按加大流量放流，电站加大出力运行。

4) 当来水流量大于电站过流时，全部机组满载发电，蓄水到正常蓄水位后，多余水量弃掉。

5) 当来水流量小于电站过流量而大于保证流量时，按来水流量发电，使电站加大出力运行。

6) 当来水流量小于保证流量时，电站按保证流量发电。

4 水库调度图的编制

4.1 水库调度的基本资料

包括:①自然地理和社会经济; ②水文气象; ③工程资料。

4.2 水库特征值

4.3 水电站年内出力或电量分配

4.4 基本调度线

保证出力与保证出力线是绘制水电站水库基本调度线的重要依据，在编制水电站水库调度方案时，必须重新核定。保证出力系指水电站在长期运行中，相应设计保证率的枯水期的平均出力。

1)年调节水电站的保证出力。水电站设计保证率P =75 ～80%。

2) 多年调节水电站的保证出力。

5 水电站水库年度调度计划的编制

5.1 编制水库年度调度计划的依据

1) 党和国家的方针、政策，法律、法规、规范、通则、条例。

2) 水库设计资料。

3) 国民经济各部门要求方面的资料。

4) 水库流域自然地理、地形及水文气象方面资料。

5) 水库以往运行调度的有关资料。

6) 水库工程设备运行情况。

5.2 当年来水量的确定

在编制水电站面临年份的发电计划及当年水库调度计划时，首先要面临年份的天然来水量及其分配。一般采用以下3 种方法:

1) 保证率法:这是在没有进行水文预报时，偏安全地提出年来水量的方法。计划要有余地，在电力电量平衡中，编制水电站年发电计划时，所用的保证率一般在P = 70%～75%。

2) 预报法:年来水量水文预报还不过关，因此，一般不使用。

3) 综合法。采用水文年或采用日历年，年发电计划采用日历年。

水电站年发电计划，一般根据保证率为P =70% ～75%的年来水量，结合预报修正的年来水量编制，作出全年各月发电计划。

5.3 水电站水库特征值

1) 水电站:水电站多年平均发电量、设计保证率、保证出力、装机容量、机组台数、单机出力及额定流量、出力系数、耗水率表，水轮机运行特性曲线，水轮机工作特性曲线。

2) 水库:校核洪水位、设计洪水位、正常蓄水位、汛限水位、年消落水位、死水位; 水库总库容、防洪库容、兴利库容、死库容;库容系数、调节性能。库容曲线、尾水水位流量关系线。

5.4 水电站年度发电调度计划

水电站年发电计划，一般根据预报的年来水量编制，作出全年各月发电计划。

1) 汛末蓄水位的确定。

2) 消落深度及兴利发电下限水位的确定。

3) 当年来水量的分配。

4) 动用水库库容的确定。

5) 蓄水区、供水区的划分。

6) 是否考虑发电保证率，确定运行时间。

7) 水电站在电力系统中的位置。由水电站的技术特性，水电站在电力系统中的位置有调峰、腰荷、基荷、调频、调相及事故备用。

8) 北方特别是黑河地区，冬季发电要科学调度，防止尾水冰害。发电量应逐月减少，日发电时间和停机时间，要有合理分配，减少断流时间。梯级水库防止下库冰害。

5.5年度发电调度计划编制

1) 按确定的调度图及其相应的调度规则，进行调度计算。

2) 不按调度图，可以根据水电站年度发电调度计划确定的指标、参数进行调度计算。

试按调度图编制某水电站年发电调度计划表、调度计划图，见表2。

表2 年发电调度计划表

某水电站年度发电调度计划确定: 汛末蓄水位341.00 m;运行时间4—11月共8个月; 发电下限水位336.00 m。本年动用上年库存水量3 658 万m3，发电1 371万度。本水文年发电量11 244万度。保证率: P运=7/12 =58.3%。绘制水库水位过程线，即为水库调度线。

本水电站有水库调度图，根据月初库水位在调度图的位置，落于某出力区，参考本月来水量，确定本月出力和发电量，推求月末库水位，确定下月出力和发电量，依次逐月推求到年末或水文年末，或者推求到年消落水位或者到死水位。完成年发电调度计划编制后，要根据调度规则，技术经济指标等分析年发电调度计划的合理性。年发电调度计划经领导核准，上报电网调度室批准。

水电站在实际调度运行中，可能出现两种情况: 库水位在基本调度线上或下，一般水库调度都有3 种处理方式。

库水位在基本调度线以上:

1) 立即加大出力。将多余水量用掉，使库水位落在基本调度线上。

2) 后期集中使用。将多余水量蓄起来，后期加大出力使用。

3) 均匀使用。从出现多余水量到整个时段，均匀加大出力。

库水位在基本调度线以下:

1) 水电站一直按保证出力工作，直至到年消落水位或者到死水位。

2) 水电站在下一时段立即减少出力，使库水位回到基本调度线上。

3) 逐渐减小出力，至整个时段。

水库调度:一般看水库当前库水位，根据当前库水位，确定水库应发出力和发电量。

按水库调度图操作，科学的水库调度，可比一般调度增加3%左右的发电量。

6 水电站水库考核指标

1) 水能利用提高率，西沟水电站按省电力有限公司水能利用提高率考核办法执行。一般水电站按水库调度图考核。一般考核指标有:发电量、用水量、耗水率等指标。

2) 水电站供电可靠性指标:水电站正常工作保证率P运，应≥设计P设。

3) 电能成本。

4) 厂用电率。

7 水电站水库优化调度

根据电力系统对水电站运行的要求，并顾及综合利用的各项目标，运用优化理论和方法所得到的相对优化的水电站水库长期运行策略。水电站水库优化调度它是指导水电站水库实现最佳长期控制运用的一种科学管理方法，能较充分地反映面临时段的决策对未来时期运行的影响，因而比常规的水库调度图法优越。电力系统中水电站实现优化调度，一般均可在满足规定的综合利用要求下，获得增加电量，提高保证出力和提高供电可靠性等效益。

水电站水库优化调度可分为单库优化调度和水库群联合优化调度两种。

优化准则一般都是在满足运行可靠性及综合利用各项要求等一组约束条件下，使水电站总效益的数学期望值达最大，或使电力系统年支出费用的数学期望值达最小。

单一发电水库优化调度

单一发电水库优化调度这是目前研究最多的课题。优化准则常取年内发电量最多。由于在对径流的描述方法的不同，可分为确定性模型和随机模型。对确定性模型，应用的数学方法有线性规划法、梯度法、动态规划法、和动态解析法等。随机模型一般多采用马尔科夫决策规划( 随机动态规划) 。

目前开展水电站水库优化调度研究的有莲花水电站、白龟山水库等单位。

［1］电力工业部成都勘测设计院. 水能设计［M］. 北京: 电力工业出版社，1981:34.

［2］华东水利学院. 中小河流规划［M］. 北京:中国水利水电出版社，1982:109.

［3］天津大学水利系. 小型水电站:水轮机部分［M］. 北京:水利电力出版社，1984:816

［4］丰满水电厂. 水电站水库调度［M］. 北京: 水利电力出版社，1984:61.

［5］水利部长江流域规划办公室. 综合利用水库调度［M］. 北京: 水利电力出版社，1990:35.

［6］杨德晔. 中国电力百科全书:水力发电卷［M］. 北京:中国电力出版社，1995:363.