（电力系统及其自动化专业论文）水电站厂内经济运行系统的开发与研究.pdf

水电站厂内经济运行系统的开发与研究 t h ed e v a l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h es o f t w a r eo f i n n e r - p l a n te c o n o m i c a lo p e r a t i o no fh y d r o p o w e rs t a t i o n a b s t r a c t t h i sa r t i c l e b e g i n sf r o mt h en e c e s s a r yd e v a l o p m e n t o ft h es o f t w a r eo f i n n e r - p l a n t e c o n o m i c a l o p e r a t i o no fh y d r o p o w e rs t a t i o nn a m e de c o r u n 2 0 ，t h e n d i s c u s s e sa b o u e ta n a l y s i sa n dd e s i g n ，d e v e l o p m e n ta n dr e a l i z a t i o n ，a p p l i c a t i o na n d s t u d yo ft h i ss y s t e m t h ec o m p i l e ds o f t w a r eo fi n n e r - p l a n te c o n o m i c a lo p e r a t i o no f h y d r o p o w e rs t a t i o na d o p t sp r e s e n t l yp i o n e e rf r a m eo fc l i e n t s e r v e r , u s e sv i s u a l c o m p u t e rl a n g u a g eo fm i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0a n dc o m b i n e s 、 ，i md a t a b a s eo f m i c r o s o f t a c c e s s2 0 0 0 t h i s a p p l i c a t i o n h a st h ec h a r a c t e r i s t i co f g o o d u n i v e r s a l i s m , h i g ht e c h n o c o n t e n t ，s t r o n gs p e c i a l i z a t i o na n da l l - a r o u n df u n c t i o n t h e a p p l i c a t i o ni np r a c t i c eh a sp r o v e dt h a th y d r o p o w e rp l a n t i m p l e m e n te c o n o m i c a lo p e r a t i o nt h a t i tc a na d dg e n e r a t e de l e c t r i c i t y , e c o n o m i z e c o n s u m e dw a t e r , i n c r e a s ed y n a m o e l e c t r i cb e n e f i t k e yw o r d s ：i n n e r - p l a n te c o n o m i c a lo p e r a t i o no fh y d r o p o w e rs t a t i o n ；s o f t w a r e ； d a t a b a s e ；d y n a m o e l e c t r i cb e n e f i t 2 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 第l 章绪论 提高电力系统的动能经济效益一定程度上决定于系统中水电站的运行工 况的最优化。为此，必须对水电站厂内经济运行作深入地研究和分析，如动力 特性曲线、最优工作机组台数和组合、机组的合理启动与停止以及在各运行机 组间有功负荷的最优分配等，方能得到水电站厂内最优运行方式，用以指导水 电厂的实际运行，以获得水电站运行的最大效益。 水电站厂内经济运行是水电站调度及自发电控制( a g c ) 的重要内容，许 多发电厂( 包括水电厂、火电厂、原子能电厂、抽水蓄能电站等) 的a g c 已 投入使用。它不仅是电力系统安全可靠优质运行的基础，而且是提高电力系统 经济效益的重要措施。根据国内外文献资料统计，实行水电站厂内经济运行可 提高经济效益( 即增发电能或节约耗水) 1 - - 3 。 随着超声波测流技术在大、中型水电站( 如李家峡、龙羊峡、新安江、太 平驿等) 的广泛应用，使褥流量的长期在线测量成为可能u 。这为水电站厂内 经济运行的计算机实时监测提供了很好的条件。因此，现阶段对水电站厂内经 济运行进行计算机分析和处理，并实现水电站厂内经济运行的综合自动化有着 重大而深远的意义。 1 1水电站厂内经济运行国内外发展现状 现代控制理论及系统工程理论的产生和发展、电子计算机的广泛应用，对 水电站调度管理现代化的发展和促进更是起决定性的作用。首先从理论上说， 大约在二十年代，美国、前苏联等国家就确立了费用等微增率理论。五十年代， 变分法原理应用于电力系统中求解水电站最优运行问题，使得实际生产中的一 些约束问题得到更好的处理，使调度问题的求解更趋于完善。例如，用变分原 理梯度法来处理罗纳河上十二个梯级水电站的联合调度，提高效益达4 左右 【5 】。但上述方法在计算机的使用受到限制的情况下，直接求解显得非常困难， 甚至不可能。这时借助判别式( 如c h 倪克勤判别式和r h 弗列克谢尔判别式) 求最优解将有助于实际问题的解决。但判别式都有理论上的缺陷，如：没有从 5 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 电力系统的最优出发，只局限在水电站之间来考虑，而没有从整个调度时间来 考虑而是局限在某时段来考虑。同样在五十年代，r 贝尔曼首先提出动态规划 法，近几年来它在水电站调度最优化问题中得到了广泛的应用。但动态规划法 存在“维数灾h ，即存在内存容量要求太大的缺点，这在电站群的问题中表 现特别突出。最近发展的遗传算法可以解决动态规划法的“维数灾 问题。基 因遗传的系统概念与方法是h o l l a n d 于1 9 7 5 年提出的，之后基因遗传算法 ( g e n e t i c a l g o r i h m ) 便吸引了很多的研究者。g a 算法由于不需要寻数信息， 也不需要映射空间或函数的连续性，它可以多点出发同时在整个空间上作快速 搜索，有较大把据获得全局最优解( g l o b a lo p t i m a ) 。g a 算法在拓溪水电站已 取得满意的结果。其次，计算机技术在水电站中得到了广泛的应用。水电站要 实现综合自动化，提高劳动生产率，若无计算机的参与，很难做到这些。美国 在古力水电站运用计算机集中控制，己做到无人值班：日本上樵叶水电站用计 算机对梯级电厂进行经济负荷分配和自动调度；法国赛尔水电厂用计算机自动 控制，增加了发电效益。因此，运用电子计算机对水电站实行综合自动化控制 是今后我国水电站要努力的方向。水电站综合自动化的结构有两种：一种是集 中控制，即测量、操作、监视、数据处理等功能集中营在一套设备中，用计算 机来完成，适用于小电厂。一种是分散分级控制，即控制、调节、保护、数据 处理等都是独立的。这种控制方式可靠性高，适用于大、中型水电站“。 目前，国内的一些院校和研究机构对水电站厂内经济运行进行多方面的研 究，不断的推动着水电站厂内经济运行科学的发展。但作为专业的水电站厂内 经济运行计算机软件系统的推广和应用，还具有很多的局限性：只局限于算 法的研究，如动态规划法、遗传算法、神经网络算法以及混沌算法等。在算 法研究过程中，虽然进行了计算机程序化，但没有形成可视化界面，或虽然具 有程序和零星的界面，但未能形成集成化软件系统。算法的通用性不强。往 往某一算法只针对某一类型的水电站，而对另一类型的水电站不适用。算法 结果没有采用数据库进行管理，水电站某一工况下的优化结果如果没有用数据 库进行存储，则水电站下次出现相同工况时，需要重新进行计算，耗费大量的 资源。 为解决以上问题，自2 0 0 3 年起，我们科研团队就对水电站厂内经济运行 6 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 方面作了深入的调研，并在这方面做过比较深入的前期研究，如对黄河上游刘 家峡水电站发电机组动力平衡和动力特性的研究，对河北天桥水电站超声波测 流系统的研究、对北京十三陵抽水蓄能电站和周边火电厂优化调度的研究等。 在研究过程中、曾对这些水电站的动力特性资料进行水电站厂内经济运行分 析，并把分析结果与历史调度资料作比较，得到比较满意的结果。以上的研究 和分析虽然只基于单纯的计算机程序，未进行集成化开发，但这为我们开发一 个集成化的水电站厂内经济运行系统提供了科学依据，同时增强了我们集成化 开发理念和信心。 虽然，国内的研究机构对水电站厂内经济运行有一定的研究，但是这些研 究和开发的程序都是零星的，尚未形成基于数据库和c s 构架的水电站厂内经 济运行系统，近年来我们团队参与对甘肃刘家峡水电站、河北天桥水电站和北 京十三陵抽水蓄能水电站等水电站进行厂内经济运行方面的分析和研究，经过 科研团队的共同努力，成功开发出一个通用性好、技术含量高、专业性强、功 能齐全的水电站厂内经济运行系统一e c o r u n 2 0 。该系统即具有数据库支持又 具有友好可视化界面，能使管理人员直观地了解机组动力特性，快速分析运行 工况，提高管理工作效率。本文着重介绍系统的设计方法和应用分析。 1 2水电站厂内经济运行研究的必要性 在市场经济条件下，水电站的主要任务是在安全生产的基础上，争取最大 的经济效益，水电站的最大经济效益体现在满足电网效益和社会效益的前提 下，争取最大的发电效益( 效益最大准则) ，或者在效益一定的情况下耗水率 最小( 成本最小准则) 。 实行水电站厂内经济运行的就是在给定系统负荷条件下，水电站在某一水 头下运行，对水电站各机组的动力特性曲线、最优工作机组台数和组合、机组 的合理启停以及在各运行机组间有功负荷的最优分配方案进行分析和研究，得 到水电站厂内最优运行方式，用以指导电站的实际运行，以获得水电站运行的 最大效益。国内外资料表明，实行水电站厂内经济运行可提高经济效益( 即增 发电能或节约耗水) 1 一- - 3 。对于大型水电站来说，经济效益非常可观。因 此，对水电站厂内经济运行的分析研究是很有必要的。 7 水电塑厂内经济运行系统的开发与研究 水电站要实现无人值班，少人值守这个目标，必须对水电站厂内经济运行 进行分析，提高负荷分配的时间空间最优化。 1 3电力系统对水电站厂内经济运行的要求 电力系统对水电站运行的基本要求有两点：第一是满足系统的动力平 衡，即水电站保证完成电力系统所分配的电能生产任务，这是对水电站运行的 最基本的也是最重要的要求；第二是保证电力系统供电的经济性。 其中动力平衡的内容包括： ( 1 ) 任何时刻各个电站能够投入的容量总和必须大于或等于该时刻的 系统负荷，即工作容量平衡。 ( 2 ) 任何时段内水电站的发电量与其它电站的发电量之和应等于电力 系统用户所需要的电量。即电能平衡。满足了系统工作容量平衡的 条件，并不一定同时满足系统电能平衡的条件，这可能由于火电厂 燃料不足或水电站水量不足，也可能由于运行调度中发生了错误。 ( 3 ) 要求任何时刻水电站所能发出的无功功率与其它电站或无功功率 补偿装置所能生产的无功功率之和能满足系统用户对无功功率的 需要，即无功功率平衡。为了满足无功功率平衡条件，水电站水轮 发电机组有功功率有时可以小于其额定值。而增加无功功率，有时 也可利用机组作调相机运行专门生产无功功率。 以上三种平衡条件是保证电力系统正常工作的最基本的条件。此外，为了 提高系统供电的可靠性，任何时刻系统中还必须具有一定的备用容量，备用容 量包括负荷备用容量、事故备用容量、检修备用容量。备用容量亦需保持平衡， 现将备用容量平衡分述如下： ( 1 ) 负荷备用容量平衡即水电站用以担负负荷备用的容量与其它电站 的负荷备用容量之和，等于电力系统所需的总的负荷备用容量。系 统负荷备用容量的数值一般可取等于系统最大负荷的2 - - - 5 。 ( 2 ) 事故备用容量平衡即水电站用以担负事故备用的容量与其它电站 的事故备用容量之和等于电力系统所需的总事故备用容量。电力系 统所需总事故备用容量的数值，一般可取等于系统最大负荷的5 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 1 0 ，并且要求按此值决定的备用容量总值不能小于系统中最大的 单机容量。 ( 3 ) 检修备用容量平衡即系统中设置一定的检修备用容量以保证各电 站的机组按计划负荷曲线的形状及每一台机组的容量来决定。 保证电力系统供电的经济性是电力系统对水电站的另一项基本要求。满足 上述动力平衡条件就是保证了供电的可靠性和电能质量。而就满足动力平衡的 条件来说，可以有无限多的运行方案来保证电力系统的正常供电，但各种方案 的经济性是大不相同的。因此在其中选择出最经济、最合理的方案是保证电力 系统供电的经济性要研究的问题。由于系统中的水电站具有灵活性，因而选择 水电站的最优运行方式就成了选择系统运行方式的主要内容之一。另一方面， 对于运行调度人员来说，这种灵活性使他们有较大的活动余地，依靠他们正确 地选择制定和实现水电站以及电力系统的最优运行方式，而获得巨大的经济效 益。 制定水电站在电力系统中的运行方式时，必须同时满足有关综合利用部门 ( 包括防洪、灌溉、航运、城市给水、工业用水等) 所提出的要求旧。它们用 水量的多少及用水时间的先后一般是不同的。对一个水电站而言，不一定同时 具有上述的全部水利任务，应根据具体情况加以分析，对制定电力系统中的水 电站的运行方式，具有重要意义。水电站在维持电网的动力平衡方面发挥了举 足轻重的作用。 1 4水电站厂内经济运行准则 水电站经济运行应用系统工程的理论和方法，以电子计算机为运算手段， 研究电力系统中水电站的运行方式，最终达到研究系统整体最优的目的。基本 方法是借助系统分析综合 平价的反复研究过程，完成各阶段的研究。 厂内经济运行方式是指厂内各台动力设备逐小时的运行工况最优化。当电 站的日负荷确定之后，在厂内机组间进行负荷分配，它与动力设备特性及其运 行工况参数直接相联系。这要求很高的实时性，以及对于不断变动的电网和电 9 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 站机组运行工况参数与信号的监测、数据采集与处理、电能质量控制及调整等 进行有效的监控u “。 超声波测流技术应用，使得水电站流量的长期在线测量成为可能，加之计 算机实时控制系统，为水电站厂内经济运行分析研究提供了很好的条件。 运行方式的最优准则是衡量运行方式是否最优的标准，因此，准则问题对 运行来说是个十分重要的问题。几种常用的水电站最优运行的准则是【2 1 ： 1 、 国民经济效益最大或国民经济费用最小准则； 2 、 电力系统支出费用最小准则； 3 、 电力系统总耗煤量最小准则； 4 、 水电站发电量最大准则； 5 、 水电站耗水量最小准则。 1 5 水电站厂内经济运行系统研究的主要内容 本论文采用水电站耗水量最小准则来研究水电站厂内经济运行，具体来说 就是在系统负荷给定条件下，水电站在某一水头下运行，与投用的机组数及其 负荷分配方案相对应的最小耗水量旧。 提高电力系统的动能经济效益一定程度上决定于系统中水电站的运行工 况的最优化。为此，必须对水电站厂内经济运行作深入地研究和分析，如各机 组的动力特性曲线、最优工作机组台数和组合、机组的合理启动与停止以及在 各运行机组间有功负荷的最优分配等，方能得到水电站厂内最优运行方式，用 以指导电站的实际运行，以获得水电站运行的最大效益。 本论文主要研究的内容是： ( 1 ) 水电站经济运行的数据库构建及处理技术，包括数据库表的自动建 立、历史数据的保存和维护等内容，通过这项研究拟解决工况和对应的最优解 的自动存储问题，避免重复计算，以提高水电站经济运行的实时性； ( 2 ) 文件流管理技术的研究，包括状态数据、图形数据的导入导出等， 该项技术集成到软件之中，能为运行决策、事故分析和历史查询服务； ( 3 ) 水电站的机组段动力特性及曲线的计算机绘制的研究。包括典型动 1 0 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 力特性的计算机绘制、汽蚀和振区的考虑、无实测水头下的插值运算、曲线的 最小二乘法拟合以及该模块的开发与实现等。通过该项研究，为动态规划法和 遗传算法的流量计算提供服务； ( 4 ) 对水电站有功负荷分配进行研究一一着重对动态规划法和遗传算法 进行研究，并把两种算法用类进行封装，同时集成到软件中，便于用户根据电 站的实际情况进行选择和使用，以提高软件的通用性和灵活性； ( 5 ) 同时，论文考虑了有功负荷优化分配时的机组检修、汽蚀、振动和 开停机耗水等因素，但本论文不考虑电站的梯级调度、水火电站的联合优化以 及水电站之间的调度问题。 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 第2 章水电站厂内经济运行系统的分析与设计 实行水电站厂内经济运行的就是在给定系统负荷条件下，水电站在某一水 头下运行，对水电站各机组的动力特性曲线、最优工作机组台数和组合、机组 的合理启停以及在各运行机组间有功负荷的最优分配方案进行分析和研究，得 到水电站厂内最优运行方式，用以指导电站的实际运行，以获得水电站运行的 最大效益。近年来我参与同事一起对水电站进行厂内经济运行方面进行分析和 研究，并成功开发出一个通用性好、技术含量高、专业性强、功能齐全的水电 站厂内经济运行系统- - e c o n m 2 0 。本章重点介绍系统的分析与设计。 e c o r u n 2 0 应用面向对象技术，采用标准化和模块化设计，使用m i c r o s o f t v i s u a lb a s i c6 0 编制，数据库部分使用了m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 0 数据库，本软 件经测试可在w i n d o w sn t 、2 0 0 0 、x p 等系统正常运行。 2 1 系统功能分析 根据水电站厂内经济运行系统在水电站中的作用，结合水电站自身的特 点，e c o n m 2 0 应该具备以下一些功能： ( 1 ) 系统管理模块：可以通过该模块进行系统文件的新建、打开和保存； ( 2 ) 数据库管理模块：可以对水电站的动力特性数据、日负荷计划数据和 有功负荷分配数据进行导入、导出、添加、修改、删除和打印等： ( 3 ) 图形化模块：各种典型动力特性曲线绘制( 如绘制水电站流量出力关 系特性曲线、功率损失特性曲线、耗水率特性曲线、机组效率特性曲 线和微增率特性曲线等) 、日负荷图绘制和曲线图的缩放、编辑和输出 等功能。 ( 4 ) 计算分析模块：计算初始化、动力特性计算分析、日负荷特性计算分 析和有功负荷分配计算分析等，其中有功负荷分配计算分析集成多种 方法对水电站机组有功负荷进行分配，如动态规划法和遗传算法等； ( 5 ) 设置模块：主要有机组检修、汽蚀振动区域和机组出力限制设置等内 容； ( 6 ) 查询模块：主要有基本资料查询、动力特性查询、日负荷特性查询和 1 2 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 有功负荷分配查询等内容； ( 7 ) 视图模块：应包括主工具栏的显示或隐藏、状态栏的显示或隐藏、主 界面风格的设置、树状窗口的显示或隐藏以及数据和图形窗口的切换 等功能； ( 8 ) 帮助模块：应包括主题帮助、软件的声明和版权及技术支持等内容。 2 2 系统的模块化设计 通过功能分析，应用系统软件可分为八个模块或子系统，即系统管理模块、 数据库管理模块、曲线绘制和管理模块、计算分析模块、系统设置模块、系统 查询模块、视图模块和帮助模块1 。其结构框图如图2 1 所示。 系统中的各模块或子系统是即相互独立，又相互关联的。相互独立是指每 个子系统可以独立操作，完成某些特定的功能；相互关联是指各子系统之间 的数据在特定范围内可以共享。无论哪个子系统按其内部的功能分类可分为以 下一些基本的功能： ( 1 ) 数据库创建：即各功能模块的数据库可根据输入的条件自动创建； ( 2 ) 数据处理功能：即数据的添加、修改、删除，以及数据的交换，转 换等： ( 3 ) 数据分析功能： ( 4 ) 数据查询功能： ( 5 ) 数据管理功能： ( 6 ) 图形管理功能： 包括数据的计算，插值，由数据绘制图形等； 即数据查询、打印预览、输出文件等； 数据的维护、保密、备份和恢复等； 图形的保存、注释、从图中读取数据等。 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 系 统 管 理 数 据 库 管 理 曲 线 绘 制 和 管 理 计 算 分 析 系 统 设 置 系 统 查 询 视 图 帮 助 新建系统 打开系统 保存系统 系统另存为 系统文件列表 退出 动力特性曲线绘制 日负荷图绘制 曲线输出 曲线缩放和旋转 曲线编辑 曲线注释 曲线层合并 曲线助读标尺 初始数据库管理 系统数据库管理 日负荷数据库管理 数据库常规操作 数据库文件保存 数据库表打印预览 有功负荷分配数据库初始化 动态规划有功负荷分配 动力特性曲线绘制设置 数据库格式设置 饥组检修设置 汽蚀振动区域设置 机组出力限制设置 曲线绘制颜色设置 曲线页面属性设置 数据库操作设置 传算法有功负荷分配 计算动力特性各关联字段 计算日负荷数据库时段值 主工具栏 状态栏 主界面 控制窗口 显示窗口 基本资料查询 动力特性查询 日负荷查询 固定机组最优分配表 任意机组最优分配表 有功负荷分配查询 主题帮助 关于本软件 技术支持 图2 1 水电站厂内经济运行系统模块结构框图 1 4 羔! 里! ! 茎韭曼! 墨篓塑茎茎! 堡塞 2 3 系统的总体构架 软件的体系结构分为外部网络拓扑结构和软件内部结构。软件的外部网络 拓扑结构如图22 所示。而本软件内部结构采用目前先进的c s 体系结构，系 统分为界面层、应用层和数据库层三个层次，层次结构如图23 所示。 i 国圉圉圈圉圉园曰 国22 网络拓扑结构简圈 图2 3 软件内都结 土j 斟 水蟛f 内经济运行系统的开发与研究 第3 章水电站厂内经济运行系统的开发与实现 水电站厂内经济运行系统的开发使用了m i c r o s o f tv i s t h a lb a s i c6 0 作为开 发平台3 4 3 5 1 ，考虑到维护上比较方便，数据存储使用了m i c r o s o ra c c e s s2 0 0 0 数据库弧删。在软件的开发过程中涉及的功能模块很多，本章着重论述数据库 的开发与实现、一些重要功能的开发与实现以及界面的开发与实现。 3 1数据库的设计和建立 本系统采用数据库自动创建方式实现数据库的创建，当打开软件主界面进 行新建系统后，软件将通过m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 0 数据库引擎在系统文件保存 路径中自动创建扩展名为m d b 数据库文件，其中包含有d l t x 表( 存储动力特性 数据) 、d l t x f c ( 存储动力特性拟合曲线参数数据) 、血( 存储日负荷计划数据) 、 y g f l f f p ( 存储有功负荷分配数据) 、j z j x s z ( 存储机组检修设置数据) 、j z c l x z ( 存储机 组出力限制数据) 、j z z d q y ( 存储机组汽蚀振动区域数据) 和y g f h f p c x ( 存储有功负 荷分配查询数据) 等表。如动力特性数据表白动创建程序如下： p u b l i cs u bc r e a t e q n t a b l e ( b a s e n a m ea ss t r i n g ，t a b l e n a m ea ss t r i n g ) d i md b s s t da sd a t a b a s e ，t d f n e wa st a b l e d e f s e td b s s d z = o p e n d a t a b a s e ( b a s e n a m e ) s e tt d f n e w = d b s s d z c r c 如t a b l e d e f ( t a b l e n a m e ) t d f n e w f i e l d s a p p e n dt d f n e w c r e a t e f i e l d ( ”h d ”，d b d o u b l e ) t d f n e w f i e l d s a p p e n dt d f n e w c r e a t e f i e l d ( ”q ，d b d o u b l e ) t d f n e w f i e l d s a p p e n dt d f n e w c r e a t e f i e l d ( ”p ”，d b d o u b l e ) d b s s d z t a b l e d e f s a p p e n dt d f n e w , d b s s d z c l o s e s e tt d f n e w = n o t h i n g ，s e td b s s d z = n o t h i n g e n d s u b 数据库自动创建后是一个只有字段，没有数据记录的数据库系统，通过系 统界面可以输入或导入系统数据记录。 1 6 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 3 2 系统功能模块的开发与实现 3 2 1 动力平衡及基本动力指标 在开发该模块之前，首先要了解什么是水电站动力特性。水电站厂内经济 运行动力特性所用的方法和计算公式，都是基于动力平衡原理建立起来的。 电站动力特性是用来描述电站的能量输出与输入之间的关系的数量指标， 它包括机组动力特性和电站动力特性。机组动力特性用于厂内优化运行。因 本论文的工作是对水电站厂内经济运行进行分析，所以本章主要讨论机组动力 特性。即对于给定的生产任务，根据水电站的机组动力特性进行最优地选取机 组台数、台号组合，并在所选定的机组之间实行最优负荷分配与调节，以达到 水电站全厂的最优经济运行。 一、动力平衡 动力平衡主要是指出力平衡和电能平衡两个方面。而水头h 和流量q 是 水能的两个重要因素。水头平衡和水量平衡是动力平衡的重要组成部分。 出力平衡也叫功率平衡，是指单位时间内的能量平衡。其基本方程式为 p = 尸+ p ( 3 一1 ) 式中只输入功率； p _ _ 出功率； 卜功率损失。 电能平衡是用来描述一段时间内的能量平衡，其基本方程式为 e r = e + e ( 3 - 2 ) 式中e ，输入能量； e 确出能量； 衄能量损失。 式( 3 一1 ) 和( 3 2 ) 表示水电站各生产过程中输入能量、输出能量和能量 损失三者的相互关系。为了描述水电站生产过程中能量的转换和传送规律， 二、水电站动力指标 为了描述水电站生产过程中能量的转换和传送规律，以及对水电站动力设 备运行的功能效益和经济性能进行比较，一般采用三种基本动力指标来描述， 1 7 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 即绝对动力指标、相对动力指标和微分动力指标瞄。 ( 一) 绝对动力指标 绝对动力指标的含义是用水能参数的绝对值来表示动力量大小的指标。水 电站的生产可分为四个阶段：集中能量、输入能量、转换能量和输出能量，在 这四个阶段中，水的势能转换为机械能，再变成电能输送给用户。在这四个阶 段中都不可避免地存在能量损失。把这四个阶段用一个动力平衡图来表示，便 能直观明了地看出它们之间的联系。如图( 图3 1 ) 所示。 0 。弓毋。岛 弓。昂 b 。晶 只 图3 - 1 动力平衡图 水电站生产过程中的各个阶段都存在能量损失，并且前一个阶段的输出能 量与后一阶段的输入能量相等。同时，对电站而言输入能量只。及输出能i p , 均 为已知，用数学表达式描述生产过程中的能量关系如下： 只= 只： 最= e 。 b = 只。= 丑+ 纰 只2 = 最+ 必 只3 = b + 蝎 厶= 只+ 叱 ( 3 - 3 ) 上述表达式也反映了水电站生产过程的动力特性。采用绝对动力指标来分 析水电站的动力过程，可以看出动力过程各阶段中能量的绝对变化。 ( - - ) 相对动力指标 相对动力指标也叫作单位动力指标，在工程实际中，为比较各机组动力性 能的优劣及运行工况的好坏，有时采用绝对指标很不方便，此时可用相对动力 指标。它是用绝对动力指标的比值表示的，相对动力指标比较常用的有两种： 1 8 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 效率特性和单位耗率特性。 ( 1 ) 效率叩是指输出功率与输入功率的比值，即，7 ：卫。 p r 水电站生产过程各阶段的效率分别为： 驴苦嘿2 鲁仍2 去， p 。 吼= 嚣 水电站生产过程的总效率为： 刁= 旦p r l = 百，t 瓦p 2 石e 3 石e 4 = 刁。，7 ：力刀= 4 1 3 1 4 i = 1 刀i i ( 3 4 ) 弓l 弓2 弓3 弓4 1q鼍 ( 2 ) 单位耗率g o 是指输入功率与输出功率的比值，即： 旷等 g 。= p 乞r _ _ l = 百p r l 百p r 2 百p r 3 百p r 4 = g 。g ：g 。9 4 = 昌4 g ， ( 3 5 ) 从( 3 4 ) 和( 3 5 ) 可看出效率与单位耗率互为倒数，即：，7 ；一1 g 一般把在某一水头下水轮发电机组发出单位千瓦功率在单位时间内所消 耗的水量称为机组的单位耗水率( g o ) 或耗水率。即： d g o = 盖 ( 3 6 ) 显然，在同一水头下，各机组中某一出力尸所对应的单位耗水率为最小的 机组，其动力性能是最好的。 ( - - ) 微分动力指标 用绝对动力指标的微增量的比值表示的动力指标称为微分动力指标，通常 称为微增率，常用的有耗水量的微增率，即 d o 旷荔 3 2 2 水电站水头特性 由物理知识可知，水的势能户与水头日和流量q 的关系为： 1 9 ( 3 - 7 ) 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 p = 9 8 1 ( 2 h r l ( 3 8 ) 其中，7 为效率。从式( 3 8 ) 看出水头是确定水电站出力与发电量的主要因素 之一。由于各种水头损失造成水电站的能量损失，直接影响水电站的经济效益， 因此，必须对水头特性进行分析、研究。下面以混流式水电站水头特性为例介 绍水电站的水头特性。 图3 2 所示的是混流式水电站水头特性示意图。以下几种水头，对分析水 电站厂内经济运行十分重要。本论文进行最优负荷分配时所用的水头是机组段 水头( 耳) 。水头平衡方程式可表示如下 h ，= z 。一z d = h ，+ 凹。= h ，+ 埘。+ h ： ( 3 9 ) 式中日，一水电站的毛水头或输入水头； 乙一水电站的上游水位； 乙一水电站的下游水位； 只机组段水头； 日一水轮机水头： a 瓯一引水建筑物中的水头损失； 胡：压力引水管中的水头损失。 z 一 图3 - 2 混流式水电站水头特性示意图 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 机组段水头( 日，) 是机组的压力引水管的始端与水电站下游水位差，它 是制定水电站厂内最优运行方式的主要水头参数。 水轮机水头( 珥) 是水轮机入口处与水轮机尾水管出口处的水位差，它是直 接作用于水轮机的水头，称为水轮机的工作水头。 在水电站的实际运行中，必须考虑引水建筑物及压力引水管中的能量损失 特性( 或水头损失特性) 对水电站运行方式的影响。引水建筑物水头损失( 蜩) 是指水流经拦污栅、进水口、隧洞和调压室( 或明渠与压力池) 等所引起的水 头损失。而压力引水管的水头损失( 蜩：) 是指水流经过压力引水管时由于磨擦 及局部阻力所引起的总水头损失。 引水建筑物和压力引水管道中的总水头损失( 脯) 主要由沿程摩阻水头 损失及局部水头损失所组成。通常可用二次方程来表示：胡= 彳q ，式中么为 一系数。其数值大小可通过实测资料获得，若无实测资料时，也可根据计算公 式来推求。例如，刘家峡水电站是根据最d x - - 乘法原理对压力钢管水头损失与 流量平方关系进行拟合确定系数么的。如5 号机的彳为1 6 2 0 9 x1 0 呻。 3 2 3 水电站的典型动力特性 水电站水力机组的动力特性是根据动力平衡原则来表示的，水电站在水能 转变为电能的阶段，其能量变化、损失的特性，常用相应的动力特性曲线表示。 下面以刘家峡水电站5 号机为例，介绍五种典型的动力特性曲线：功率损失特 性曲线、功率特性曲线( 又称流量特性曲线) 、效率特性曲线、耗水率特性盐 线和微增率特性曲线u 。 图3 3 、图3 - 4 、图3 - 5 、图3 - 6 、图3 - 7 为刘家峡水电站5 号机的五种典 型动力特性曲线。在这些特性曲线上有它们各自特征工况点，它们从不同的角 度表征了曲线的形状和范围。这些特征工况点对分析刘家峡水电站的运行是很 有价值的，同时还可帮助校核曲线的数值和形状。 一、功率损失特性曲线凹尸 机组动力特性曲线最基本的是功率损失特性曲线，当机组功率损失知道后， 其他动力指标的数值也就确定了。所以作各种不同曲线时要以功率损失尸为 2 l 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 基础。一般功率损失特性曲线可由试验获得，。刘家峡水电站5 台水轮发电机都 是混流式的，由于混流式水轮机在空载时导叶开度很小，与正常工况有很大的 差别，在转轮出口处有漩涡产生，故能量消耗较大。当导叶开度增大时接近正 常工况，空转损失反而小了，当负荷再增加到一定值时，功率损失可达到最小 值。此后随着功率增大，功率损失也随之增大。 5 号机在9 3 1 3 米水头下的功率损失特性曲线凹尸的形状如图3 3 所示。 曲线上有3 个特征工点：第一、空载点，其位置取决于机组空转损失的大小， 是该曲线反向延长与纵坐标的交点；第二、最小功率损失点，即该曲线的最低 点；第三、最大出力点。从图可见，空载点到最小功率损失点之间功率损失随 出力的增加而减小，最小功率损失点到最大出力点之间的功率损失随出力的加 大而增大。如最大出力点以后再增加输入功率，由于功率损失过大，机组出力 反而减小，因此在最大出力点以后机组不应再增大导叶开度，也就是说，不可 再增加输入功率以减少不必要的功率损失。 5 号机在9 3 1 3 米水头下0 - - 9 万千瓦是振区，故没有实测数据。 图3 - 35 号机在9 3 1 3 米水头下的功率损失特性曲线尸尸 二、功率特性曲线只p 功率特性曲线是表示机组的输入功率只与输出功率p 的关系曲线，由于 只= 尸+ p ( 3 1 0 ) 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 = 9 8 1 q h ，( 3 - 1 1 ) 故这条曲线可通过测量输入水头耳、流量q 及机组出力尸得出，所以功 率特性曲线在工程上又叫做流量特性曲线( 妒p ) ，用此曲线表示功率特性曲线 更直观更为实用。如图3 4 所示。在同一水头下，随着出力的增加水的流量增 加。 图3 q5 号机的流量特性曲线图 三、效率特性曲线，7 尸 这条曲线表示机组效率叩与出力p 的关系曲线。它可由刁= 舌或 j ， 7 = l ( 1 + 等的关系作出。在效率特性曲线上有2 个工况点：最大效率点和最 大出力工况点。如图3 - 5 所示，刘家峡水电站5 号机在9 3 1 3 米水头下在2 7 2 万千瓦时效率的达到最大9 3 5 3 8 ，在最大出力3 l 万千瓦时的效率为8 9 9 5 6 。 图3 - 55 号机在9 3 1 3 米水头下的效率特性曲线，7 尸 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 四、耗水率特性曲线q o “p bp 由公式q o2 二p 或g o2l + 下的关系计算相应的数值，便可绘制这条曲 线。由耗水率的定义可看出效率最高点也就是耗水率最小点，也就是说效率与 耗水率互为倒数。 在某固定水头下，输入功率只可用流量q 代替，按公式g 。= 导米3 秒千瓦 计算得出。这种曲线称为耗水率特性曲线，它也有两个特征工况点：最小耗水 率点和最大出力点。 图3 6 是根据刘家峡水电站5 号机水头、出力、发电流量表的数据绘制的 在7 0 米、8 0 米、9 0 米、1 0 0 米、1 1 4 米五个水头下的耗水率特性曲线。 图3 - 65 号机的耗水率特性曲线口o p 五、微增率特性曲线口p 微增率特性曲线也称为微分特性曲线，它是机组的引用工作流量对出力的 导数。微增率口按下列公式计算 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 香= 参= 丢c 尸+ 舻h + 警 l2 ) 勒= 塑d p = 志( 1 + 警) 米3 秒千瓦 1 3 ) 上式中号学的值，可由p 尸特性曲线上各点的切线斜率求得。根据计算 的雪值和相应的p 值，就可绘制雷p 特性曲线如图3 - 7 。微增率特性曲线在等 微增率法分析水电站有功负荷分配时，需要用到此曲线，但由于等微增率法分 配速度慢，而且微增率曲线时常要进行修正，所以本论文将不讨论等微增率法 进行有功负荷分配。 图3 75 号机的微增率特性曲线香尸 以上仅是以刘家峡水电站5 号机为例的五种特性曲线，其它水电站的机组 动力特性曲线大致相同。 3 2 4 动力特性分析模块的开发 水电站若用模型试验资料作为厂内经济运行动力特性分析的依据，就会造 成分析的结果不准确。水电站各机组均进行过动力特性试验，所以水电站厂内 经济运行系统根据水电站机组的原型试验资料进行计算机编制的。 对于水电站的动力特性有两种情况：有实测数据的动力特性分析模块的开 发与实现和无实测数据的动力特性分析模块的开发与实现瞄钊。 一、有实测数据的动力特性分析模块 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 对水电站的原型试验资料进行计算机分析，以流量特性曲线为例，需要经 过以下一些步骤： 第一步：采用“质心法 对原始实测数据作合理性检验，理论上机组的动 力特性曲线在不同水头下要求相互之间不交错，但实测数据由于数据失真或仪 器差错等原因有时不能完全满足这一要求，这时就需作一些舍弃和修正。“质 心法”的具体操作方法为：把机组所有不同水头下实测的数据都画在坐标方格 纸上，横坐标为功率，纵坐标为流量，求出平均水头下的动力特性。不同水头 下的动力特性应与此平均特性相适应，即有相似的趋势，相互之间间隔一些距 离，这个距离随功率增大而增大。这样，利用原有实测数据按此总趋势进行修 正，某些明显不合理的数据就舍弃不用。 第二步：在第一步基础上再对其它已知水头的数据进行最t j 、- 乘法的拟 合，得到各水头下的流量与出力的函数关系q = f ( e ，h ) 。在此采用多项式曲 线拟合。，其表达式为 f ( p ，h ) = a o + a l p + 口2 p 2 + + a p 厅 ( 3 1 4 ) 这里有一个误区，有人认为多项式的次数越高拟合的效果就越好，其实不 然，由数值分析知识可知，多项式次数太高误差反而增大。通过本论文的程序 调试结果表明，对于天桥水电站的各台机组流量特性曲线在低水头下如1 6 米 到1 7 米时用3 次多项式拟合能达到满意的效果，对1 8 米以上的水头则用2 次 多项式即可，而刘家峡和北京十三陵水电站则采用3 次多项式为好。 第三步：根据拟合多项式、出力限制以及汽蚀振区画出流量特性曲线； 第四步：把各机组的拟合方程保存到数据库中，作为以后有功负荷分配时 使用。 同理，采用同样的步骤可以绘制功率损失特性曲线、功率特性曲线、效率 r 1 特性曲线、耗水率特性曲线、微增率特性曲线等。 有实测数据的水电站流量特性计算机绘制程序框图如图3 8 所示。 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 开始 l 输入流量q 、出力p 、机组段水头h s 舍弃和修正实测数据 拟合曲线 输入出力限制和汽蚀振区 画曲线q = f ( p ，h ) 上 i 结束i 图3 - 8 水电站流量特性计算机绘制程序框图 该模块的开发与实现主要涉及到质心法程序段的开发、最小二乘法拟合程 序的开发与实现、出力限制与振区检测程序的开发与实现以及曲线绘制程序的 开发与实现等。最d - 乘法拟合程序段( 主要部分) 如下所示： p u b l i cs u bm i n m r q ( x 0a sd o u b l e ，y 0a sd o u b l e ，na sl o n g ，a 0a sd o u b l e ，n a a si n t e g e r ) x o v o 为输入的已知点，从0 开始到n - - 1 n 为点的个数，从0 开始到n 一1 a 0 为输出多项式系数 n a 为多项式系数个，n a ( o ) 为常数项 定义数组( 略) 系数矩阵和右端向量( 略) 一一得到s ( i ) 中间数组 f o ri = 0t on a 幸2 2 f o r j = 1t on s ( i ) = s ( i ) + x ( j - 1 ) i n e x t j 水电站厂内经济运行系统的开发与研究 n e x t i t 得到t ( i ) f o ri = 0t on a 1 f o r j = 1t on t ( i ) 2t ( i ) + x o - 1 ) i y o 1 ) n e x t j n e x t i 获得g a u s s j 系数矩阵g a ( ) f o r1 = lt 0n a f o r j z 1t on a g a ( i ，j ) = s ( i + i - 2 ) n e x t j g b ( i ) = t ( i 1 ) n e x t i c a l lg a u s s j ( g a 0 ，n a ，g b o ) 高斯消元法程序段( 略) ，或用牛顿替代法 f o ri = 1t 0n a 嘶- 1 ) = r o u n d ( g b ( i ) ，4 ) n e x t i e n ds u b 二、无实