水电站水库中长期发电调度

1、1 2 4.1 水电站水库中长期运行调度特点水电站水库中长期运行调度特点 n水库中长期运行调度是研究在较长的时期（季、 年、多年）内的最优运行调度方式制定和实施 的相关问题。 3 4.1 水电站水库中长期运行调度特点水电站水库中长期运行调度特点 水库中长期运行由于跨越时间较长，其调度具有以下特点： 1. 受天然来水剧烈变化和水库调节能力的影响显著受天然来水剧烈变化和水库调节能力的影响显著 n水电站水库在长时期内所利用的天然来水变化剧烈，在时 间上（年内和年际间）的分配极不平均，与用电和用水方 式的适应性较差。为充分利用天然来水，更好的满足发电、 用水等需求，必须具有较大调节能力的水库。因此，多

2、变 的天然入库径流和水库的调节能力对水电站及其水库的长 期运行方式有显著的影响。 4 4.1 水电站水库中长期运行调度特点水电站水库中长期运行调度特点 n水电站水库长期运行方式一般用以年为周期的电力系统 年负荷图上的工作位置及相应的在一年内逐时段（旬、 月）的平均出力过程、引用流量、蓄水量、上下游水位、 水头等变化过程表示。 n当水库规模一定时，水库长期调度方式取决于天然径流 的大小： 在设计枯水条件，按保证运行方式工作； 在一般丰水条件，按最优运行方式工作； 在特枯水条件，按最优破坏运行方式工作。 5 4.1 水电站水库中长期运行调度特点水电站水库中长期运行调度特点 n当天然入库径流一定时，

3、水电站水库运行方式主要取决 于水库调节能力： 无调节或短期调节能力水电站的长期运行方式不能用来 指导和控制其较长时间内的运行调度，仅能用于编制电 力系统长期电力电量平衡，设备检修，负荷备用以及水 利系统长期水量平衡； 具有较大调节能力水电站长期运行方式，除用于编制电 力系统和水利系统的有关长期计划外，主要用来指导和 控制长期运行调度。 6 4.1 水电站水库中长期运行调度特点水电站水库中长期运行调度特点 2. 调度信息的随机性和不确定性使调度更加复杂调度信息的随机性和不确定性使调度更加复杂 n水电站及其水库本身的工作条件非常复杂，再加上他们不但 与电力系统和水利系统的其他组成单元和部门之间有着

4、广泛 而密切的联系，还与社会、经济、行政和生态环境等方面有 着种种联系和相互影响；而决定这些内外部条件、联系和影 响的原始信息（天然来水径流、电力负荷、其它部门需求等） 受到多种不确定因素的影响难以准确预知，因而给水库中长 期运行方式的制定带来极大困难。 7 4.1 水电站水库中长期运行调度特点水电站水库中长期运行调度特点 3. 计算期和计算时段的考虑更加复杂计算期和计算时段的考虑更加复杂 n长期运行调度方式计算常以“年”为计算期，将计算期分为 历时不等或相等的若干计算时段（旬、月、季）。计算中所 使用的流量、负荷、出力、水位、水头等信息指标为计算时 段的平均指标。这种对时段内变化着的信息指标

5、的均化造成 一定程度的失真，可能引起一定的误差。 8 4.1 水电站水库中长期运行调度特点水电站水库中长期运行调度特点 4. 分时上网电价政策对中长期优化运行提出了新的要求分时上网电价政策对中长期优化运行提出了新的要求 n随着电力体制改革的推进和发电侧市场的开发，我国不 少省网已经实施上网电价政策，即按实际情况上浮、下 浮，峰谷价差可适当拉大，高峰电价可为低谷电价的 24倍甚至更高。分时电价的实施，使得在进行中长期 优化调度时，必须考虑电价因子的影响作用，使发电公 司获得最大的经济效益。 9 4.2 水电站水库入库径流描述方法水电站水库入库径流描述方法 一、径流描述基本方法一、径流描述基本方法

6、 n水电站未来时期的入库径流实质上是一个具有各种 复杂周期（特别是年周期）的非平稳随机过程。对 径流的描述应力求较全面、较真实地反映这一基本 规律和特点。 n迄今为止，广为采用两类传统的径流描述方法，即 时历法时历法与统计法统计法。 10 4.2 水电站水库入库径流描述方法水电站水库入库径流描述方法 历时法：历时法：以过去实测（包括插补延长）的或预报的径流 时历特性资料来描述和预测径流未来变化规律。其出发 点是假定已出现的或预报的径流过程及其特征量（如日 流量、洪峰流量、枯水期水量、年径流）可以反映径流 未来的变化规律。显然，从随机过程理论观点看，这种 假定并不完全符合实际。尽管如此，因为过去

7、实测或预 报的径流时历特性反映了径流在一定时期的连续性和周 期性，并间接地反映着径流的某些统计特性。 11 4.2 水电站水库入库径流描述方法水电站水库入库径流描述方法 统计法：统计法：以过去实测径流系列的某些周期特性量（如年 径流、枯水期径流和洪峰流量等）的统计特性资料描述 和预测径流变化规律，其出发点是，将径流的这些周期 特征量当做随机变量处理，利用这些随机变量的统计参 数（均值、变差、偏态）及相应的概率分布描述径流的 变化规律。它可以在一定程度上综合概括径流变化的各 种可能情况，但不易反映径流变化的连续性。 12 4.2 水电站水库入库径流描述方法水电站水库入库径流描述方法 n为探索既能

8、反映径流变化“连续性”，又能刻画其 “随机性”的径流描述方法，自20世纪50、60年代 以来，产生了基于随机过程理论的概率分析法概率分析法和统统 计模拟法计模拟法两类径流描述新方法。 概率分析法概率分析法是以随机过程的一组统计参数和相应的 一组概率分布函数来描述和预测径流变化规律。随 机模型一般采用周期性时间离散的马尔可夫过程或 独立时间序列，此法又称为显随机法。 13 4.2 水电站水库入库径流描述方法水电站水库入库径流描述方法 统计模拟法统计模拟法又称蒙特卡洛法，是以按随机过程理论 和时间序列模型经统计实验产生的人工生成径流系 列来描述和预测径流变化规律的。由于人工生成的 径流系列比原始实

9、测径流系列长得多，能隐含地反 映径流的随机特性，故此类方法又称隐随机法。 14 4.2 水电站水库入库径流描述方法水电站水库入库径流描述方法 二、径流过程描述方法二、径流过程描述方法 n1. 确定性径流过程确定性径流过程 确定性径流过程，是指调度期T内任一时段t水库入 库流量Qrk(t)是一个确定值。主要包括以下几类确 定性径流过程： 历史径流过程。历史径流过程。对一年及以内历时的历史径流过程 进行优化调度计算，主要用于评价实际调度水平； 对于多年历时的历史径流过程优化调度计算，则主 要用于编制中长期优化调度方案。 15 4.2 水电站水库入库径流描述方法水电站水库入库径流描述方法 人工生成径

10、流序列。人工生成径流序列。根据径流统计参数，采用一定 的随机生成方法，产生长系列（一千年、一万年） 的径流过程，用于编制具有统计规律的中长期优化 调度方案。 预报径流过程。预报径流过程。采用中长期径流预报方法，预测未 来几个月、一年甚至多年的径流过程，用于水电站 水库中长期调度计划的制度。 16 4.2 水电站水库入库径流描述方法水电站水库入库径流描述方法 n2. 随机性径流过程随机性径流过程 径流过程的随机描述，是将入库径流过程视为以年 为周期的随机过程。在水库优化调度中，水库如流 常采用以下几种随机描述： 独立随机序列。独立随机序列。各时段的入库流量为相互独立的 随机变量，其T维分布函数可

11、表示为 1 (1),(2),( )( ) T Trkrkrktrk t F QQQTF Qt 17 4.2 水电站水库入库径流描述方法水电站水库入库径流描述方法 马尔可夫过程马尔可夫过程，也称无后效性随机过程。它具有如下 性质：设时段t-1,t-2,t-m(mt)入库流量分别为Qrk(t- 1),Qrk(t-2),Qrk(t-m)，t时段入库流量为Qrk(t)的条件概 率仅与Qrk(t-1), Qrk(t-2),Qrk(t-m)有关，而与t-m以前的 入库流量无关，即 ( )|(1),(2),(1) ( )|(1),(2),( ) trkrkrkrk trkrkrkrk F QtQtQtQ F

12、 QtQtQtQm 18 4.2 水电站水库入库径流描述方法水电站水库入库径流描述方法 混合随机过程。混合随机过程。对于调度期T个时段，与左右相邻 时段径流相关性不显著的时段，作为独立随机序列， 采用一维概率分布FtQrk(t)；对于相邻时段径流相 关者，视为简单马尔可夫链，采用二维联合分布 FtQrk(t-1),Qrk(t)或条件概率分布FtQrk(t) |Qrk(t-1)描 述。混合径流过程是这两种不同性质的随机序列组 成的随机过程。 19 4.2 水电站水库入库径流描述方法水电站水库入库径流描述方法 n应用随机过程的方法描述入库径流过程，主要 用于编制具有统计规律的中长期优化调度方案。

13、20 4.3 水电站水库中长期运行调度基本方水电站水库中长期运行调度基本方 法法 一、中长期调度方法及分类一、中长期调度方法及分类 n水库中长期运行调度按是否采用优化技术可分为 常规调度和优化调度。 21 4.3 水电站水库中长期运行调度基本方水电站水库中长期运行调度基本方 法法 n常规调度是根据已有的实测水文资料，计算各种兴利调度线， 并与各种特征水位线相结合，计算和编制水库调度图，以此 作为水电站水库控制运行的工具。 n常规调度图简单直观，能利用调度和决策人员的经验，对调 度起一定的指导作用。 n然而，常规调度利用的调度信息有限，理论上不够严密，所 确定的运行调度方式和相应的决策只能是相对

14、合理的，难以 达到水电站水库的最优运行，难以处理多目标的复杂问题。 22 4.3 水电站水库中长期运行调度基本方水电站水库中长期运行调度基本方 法法 n为了能够利用所获取的各种调度信息，解决更复杂的水 库调度问题，就需要采用优化调度方法。 n优化调度方法是指运用系统工程理论和最优化技术，借 助电子计算机寻求达到极值的最优运行策略及相应决策。 简而言之，就是根据水库入流过程和综合利用要求，考 虑水电站水库的运行特征和实时状态，制定并实现水库 中长期运行调度方式，获得最大的经济效益。 23 4.3 水电站水库中长期运行调度基本方水电站水库中长期运行调度基本方 法法 n水电站水库优化调度关系到国民经

15、济的发展，调度得当， 其增加的效益相当可观，国内外实践表明，水电站优化 调度一般可增加1%7%的发电效益。水电站水库优化 调度作为流域梯级发电公司生产技术管理和电力营销中 的一项重要工作，是发挥水库水电站潜力，参与市场竞 争，充分利用水电资源多发洁净电能，减少其他能源消 耗的有效措施；此外梯级水电站群上下游水力、电力联 系密切，优化调度经济效益更为显著，否则，会造成无 益弃水，直接影响发电效益。 24 n张勇传张勇传 （中国工程院院士）（中国工程院院士） n长期从事水电能源的教学与科学研究工作，在水电能源领域有较深的造诣。 n从50年代末开始电厂经济运行和优化调度研究。 n1963年编著出版了

16、水电站水库调度，表现出优秀的研究才能和刻苦的钻 研精神。 n从70年代末开始，在水库运行基础理论、规划决策与风险管理、水电站计算 机控制领域不断取得重要突破和进展。 主持和负责的“柘溪水电站优化调 度”，使柘溪成为我国第一个成功地实现优化调度的大中型电站。 n获重要奖励（国家科技进步一等奖、三等奖和省部级一、二等奖）11项。 25 4.3 水电站水库中长期运行调度基本方水电站水库中长期运行调度基本方 法法 二、中长期优化运行的最优准则二、中长期优化运行的最优准则 n研究水电站水库优化调度时，首先要明确所谓 最优是什么，这就是最优目标或最优准则问题。 这一准则一般有数量和质量两方面，例如如何 使

17、产品（发电）的经济效益最大，如何使供电 供水的质量最高。 26 4.3 水电站水库中长期运行调度基本方水电站水库中长期运行调度基本方 法法 n从使经济效益最大的角度出发，主要体现在下列几种最 优准则。 1.国民经济效益最大或费用最小：全面，但少用。 2.电力系统的总耗煤量最小：系统整体准则。 3.水电站发电量（发电效益）最大：一般常用，属局 部准则。 27 4.3 水电站水库中长期运行调度基本方水电站水库中长期运行调度基本方 法法 1. 国民经济总费用最小准则国民经济总费用最小准则 在确保系统可靠性和经济性的基础上，充分满足水利电力 系统用电用水需求，同时考虑到可靠性遭到破坏时，整个 水利电力

18、系统所引起的损失，以水利电力系统内国民经济 总费用最小为准则。 U-水利电力系统总费用； UP，UI，UN，UM-分别表示发电、灌溉、航运及其他部门的运行费用； LP，LI，LN，LM-分别表示发电、灌溉、航运及其他部门由于水量不足 所引起的损失费用。 min min() PINMPINM FU UUUULLLL 28 4.3 水电站水库中长期运行调度基本方水电站水库中长期运行调度基本方 法法 2.电力系统总燃料费用最小电力系统总燃料费用最小 该准则的基本观点是，在保证电力系统电力、电 量平衡的基础上，实行水、火电站的最优调度， 充分发挥水电站的作用，使得系统的总燃料费用 最低。 U-火电站总

19、燃料费； ui-第i个火电站的燃料费。 1 min n i i Uu 29 4.3 水电站水库中长期运行调度基本方水电站水库中长期运行调度基本方 法法 3. 水电站发电量（效益）最大准则水电站发电量（效益）最大准则 该准则是指在满足各综合利用部门用水要求的条 件下，使得水电站发电量最大。 A水电站综合效率系数 Ct 水电站分时电价 1 1 max max T tt t T ttt t EAQ Ht BC AQ Ht 水 水 30 4.3 水电站水库中长期运行调度基本方水电站水库中长期运行调度基本方 法法 三、中长期运行调度计划制定与修正三、中长期运行调度计划制定与修正 n通过常规调度图或优化调

20、度，可以制定水电站水库中长期 调度计划。 n在生产实际中，应考虑长、中、短期预报的不断修正： 1111 222 33 (1)(2)(3)( ) (2)(3)( ) (3)( ) ( ) T XXXX T XXXT XX T XT 31 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 水库常规调度的基本依据是水库调度图。调度图是 根据河川径流特性及电力系统和综合用水部门的要 求，按水库调度的目的进行编制的曲线图，它是水 电站及其水库调度规则函数的一种重要表达形式。 32 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 水库调度规则函数是体现特定调度规则、用以指

21、 导水库运行的一种函数。 水库调度规则函数一般根据水库当时的状态决定 水电站水库的运行计划。 在k时段初，水库水位已知，面临时段的天然来水 由预报得知，调度规则函数如下： 1 (,) kkkk Nf VQ 33 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 一、水库发电常规调度图的组成一、水库发电常规调度图的组成 水库调度图以时间为横坐标，以水库蓄水量或水位为纵 坐标，由一些控制水库蓄水和供水的指示线所组成，它 综合反映了各种来水条件下的水库调度规则。 在实际运行中，即使缺乏水库来水的径流预报，只要根 据水库实际蓄水状态，按照调度曲线和调度规则，就可 确定水电站水库各时刻的

22、工作状态。按照水库调度图进 行调度，可以使各种调度矛盾得到比较合理的解决，较 好的满足各方要求。 34 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 p制定水库调度图的原则制定水库调度图的原则 在设计枯水年份，水电站能按照保证出力工作，不能使正 常供电遭受破坏； 在平水年或丰水年份，合理利用多余水量，多发电，少弃 水，节约系统中的火电燃料费用； 遇到特枯年份，尽可能减轻水电站正常工作的破坏程度， 减轻对国民经济所造成的损失； 尽可能满足综合利用部门的要求，包括水利部门对水库所 承担的灌溉、航运、供水等以及电力部门对水电站所承担 的负荷与电量的要求。 35 4.4 水电站水库

23、中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 保证出力区 降低出力区 防洪区 z t 加大出力区 预想出力区 基本调度线 1-防破坏线；2-限制出力线；3-防弃水线。 2 1 3 36 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 水库发电常规调度图是各种调度规则的综合体现。它是利 用径流的历时特性和统计特性，按照上述要求所指定出的 调度线图。包括下列调度线和调度区： （1）基本调度线和保证出力区）基本调度线和保证出力区 基本调度线分为上基本调度线（防破坏线）和下基本调度 线（限制出力线）。它们之间的区域称为保证出力区，实 际蓄水位落到此区，水电站按保证出力工作。它们体现

24、了 设计来水条件下水电站保证运行方式及相应的调度规则。 37 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 保证出力:是指水电站在多年运行期间所能提 供的具有一定保证率的电力，或者说，是相对 于设计保证率的供水期的平均出力。 保证率：水电站正常工作不遭受破坏的相对历 时。 38 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 （2）加大出力线和加大出力区）加大出力线和加大出力区 在上基本调度线以上按照各时刻同样的加大出力比例绘制 的调度线称为加大出力线，如取基本调度线所对应的保证 出力的1.1、1.2倍，可给出一组加大出力线，最大的 一条称为防弃水线。 上

25、基本调度线以上到防弃水线之间的区域称为加大出力区。 实际蓄水位落在此区，水电站按加大出力调度线的流量工 作。加大出力线是体现多水条件下对水库多余水量的合理 利用方式及相应的调度规则。 39 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 （3）防弃水线和预想出力区）防弃水线和预想出力区 最大的一条加大出力线称为防弃水线。防弃水线以上的 区域称为预想出力区。实际蓄水位落在此区，为减少弃 水，水电站应按预想出力全流量工作。 40 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 （4）降低出力线和降低出力区）降低出力线和降低出力区 在下基本调度线以下，按照各时刻同

26、样的降低出力比例可 绘制一组降低出力线，例如取下基本调度线所对应的保证 出力的0.9、0.8倍。 下基本调度线以下为降低出力区。实际蓄水位落到此区,可 按降低出力线的流量工作。降低出力线是体现水电站在特 枯水条件下水库蓄水又不足时，水电站正常工作合理破坏 的方式及相应的调度规则。 41 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 （5）防洪调度线及防洪限制区）防洪调度线及防洪限制区 该区是为拦蓄设计洪水，消减最大洪峰流量，在满足水 库及下游安全的前提下合理利用防洪库容所拟定的调度 线与调度区(即各时期防洪限制水位，汛限水位约束了 发电蓄水高程)。 42 三峡电站年调度图

27、图中水位为月末水位值，单位为m。 I：防洪区，按装机容量发电，1820万KW II：预想处理区 III：保证出力区，499.6万KW IV：降低出力区，（统一按80保证出力区发电） 43 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 对于某一个具体水电站水库而言，水库常规调度图 的组成和形式是由水库任务、调节性能以及其在电 力系统中的作用等因素所决定的。 44 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 二、水库发电常规调度图的绘制方法二、水库发电常规调度图的绘制方法 p绘制调度图的基本依据绘制调度图的基本依据 来水流量资料，包括历时特性资料（如历年逐

28、月或 旬的平均来水流量资料）和统计特性资料（如年或 月频率特性曲线）。 水库水位库容关系资料和下游水位流量关系资料。 45 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 水库的各种兴利特征水位和防洪特征水位等。 水电站动力特性资料，包括水轮机运行综合特性曲线， 引水系统水力损失等资料。 水库的综合利用要求，如灌溉、航运的要求等。 46 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 p绘制常规调度图的基本方法绘制常规调度图的基本方法 从历史实测径流资料中选出若干与水电站设计保证率相应的 水文过程，以水电站设计参数为约束、水库特征水位为边界 条件进行径流调节

29、计算，得出与各水文过程相应的水库蓄水 过程线，而后分别取其上、下包络线得上、下基本调度线； 再以上、下基本调度线为边界条件，往上绘制加大出力线、 往下绘制降低出力线。 出力值等于电站在相应水头下所能发出最大出力的那根加大 出力线为预想出力。 47 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 u(一一)年调节发电水库基本调度线的绘制年调节发电水库基本调度线的绘制 年调节水电站的工作一般可能出现三种情况： 来水较丰时，枯水期能向电力系统提供大于其设计值 的出力； 来水特枯年份，枯水期只能向系统提供小于其设计值 的出力； 来水频率等于水电站设计保证率时，枯水期向系统提 供等于其

30、设计值的出力。 发电水库的基本调度线依据第三种水文情况按供水期 和蓄水期分别绘制。 48 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 p供水期基本调度线的绘制供水期基本调度线的绘制 1. 设计典型年和保证出力的选取：根据水电站性能 和特点及其在电力系统中的地位和作用，选定设 计保证率。查保证出力频率曲线得相应的设计 保证出力Nf。查流量频率曲线得相应的设计流量。 取平均出力或平均流量接近于设计值的几年为设 计典型年，得若干年的流量过程。 k m kk mm IIIIIIIII, 21 22 2 2 1 11 2 1 1 49 4. 逆时序水能计算：从供水期末的死水位开始，

31、供水期初的 正常水位为起点，按保证出力运行方式，由定时段末水库 存水量Vk，时段平均来水Ik和出力Nf，求时段初水库存水Vk-1 和流量Qk。得若干年的蓄水过程线： 5. 绘制蓄水过程线：将所得蓄水过程线点绘于坐标系内。 6. 作上、下包络即得基本调度线。将下包线供水期末水位死 水位修正到与上包线重合。 k m kk mm VVVVVVVVV, 21 22 2 2 1 11 2 1 1 k m kk mm zzzzzzzzz, 21 22 2 2 1 11 2 1 1 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 50 V t 51 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电

32、站水库中长期常规运行调度 p 蓄水期基本调度线的绘制蓄水期基本调度线的绘制 蓄水期基本调度线的绘制与供水期基本相同，即根据前面 选出的若干典型年修正后的来水过程，找出这些年份蓄满 水库的时刻。从该时刻正常高水位开始，按保证出力图逆 时序进行水能计算，直到水库水位降至死水位，得出各年 发保证出力的蓄水指示图，取其上包络线为上基本调度线， 下包络线为下基本调度线。 52 V t 53 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 p基本调度图基本调度图 将供水期和蓄水期的基本调度线绘制在同一张图上，就 得到全年的基本调度图。 水库水位位于上基本调度线时电站发保证出力体现了时 历

33、法保守性的一面，因此又叫防破坏线； 水库水位位于下基本调度线时电站发保证出力体现了时 历法风险性的一面，因此又叫限制出力线。 54 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 p 加大出力和降低出力线加大出力和降低出力线 （1）加大出力线）加大出力线 年调节水电站水库在运行中，当天然来水量较丰时， 在ti时刻水库实际水位比该时刻水库上基本调度线 高出Zi时，则水电站应加大出力以充分利用多蓄 的水量，通常可采用以下三种方式： 55 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 立即加大出力，使多余水量尽快放掉。该方式出力不均 匀，由于短时间内出力突增，对

34、系统中火电站的运行不利。 后期集中加大出力，该方式出力也不均匀，但可使水电站 在较长时期保持较高水头运行，较第一种方式多发电量。 但如果汛期提前到来，则有可能产生不应有的弃水。 均匀加大出力，该方式增加出力均匀，对系统中的发电站 运行有利，也能充分利用多余水量，是经常采用的一种增 加出力方式。 56 （1）立即加大出力。使水库水位在 时段末t i+1就落在上调度线上。 （2）后期集中加大出力（线）。 这种方式可使水电站较长时间处于较 高水头下运行，对发电有利，但出力 不均匀。 （3）均匀加大出力（线）。使出 力均匀，充分利用水能资源。 1下基本调度线；2上基本调度线 4.4 水电站水库中长期常

35、规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 57 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 n加大出力线的计算枯水典型年法(图4-6)： 根据防破坏线和保证出力进行水能计算，推求出相应 的水库径流过程，作为计算枯水典型年径流过程。 确定不同级别的加大出力，分别用计算枯水典型年径 流过程，从供水期末防破坏线上相应的指示水位起， 对整个调节年进行逆时序计算，直至蓄水期初库水位 回落至相应水位为止，求得各级加大出力在各时段初 的水库蓄水水位。 将各级指示水位分别点绘于基本调度图并连接成线， 除去正常蓄水位以上部分，即得一组加大出力线。 58 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水

36、电站水库中长期常规运行调度 （2）降低出力线 当遇特枯年份，天然来水很小时，水电站按保证 出力工作一段时间后，水库水位会降到下基本调度 线以下，此时，水电站的正常工作将遭到破坏。这 种情况下，为减小正常工作的破坏程度，有下面三 种调度方式： 59 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 立即减小出力，使水库水位经过t后很快回蓄到下基本 调度线上，这样破坏时间较短。 继续按保证出力图工作，直到死水位，以后按天然来水 流量工作，该方式如后期来水很少，将引起集中的严重 破坏。 均匀减小出力至供水期末，该方式使正常工作均匀破坏， 破坏程度小，降低调度线一般按此种方式绘制。 6

37、0 （1）立即降低出力（线）使水 库蓄水在ti+1时就回到下调度线上。 （2）后期集中降低出力（线）。 调度方式简单，且系统正常工作 破坏的持续时间较短，但破坏强 度大。 （3）均匀降低出力（线）。该 方式使破坏时间长，但破坏强度 最小。 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 61 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 n降低出力线的计算枯水典型年法(图4-8)： 根据限制出力线和保证出力进行水能计算，推求出相 应的水库径流过程，作为计算枯水典型年径流过程。 按照该径流过程，分别对不同级别的降低出力，从供 水期末死水位起，对整个调节年进行

38、逆时序计算，直 至蓄水期初库水位回落至死水位为止，求得各级降低 出力在各时段初的水库蓄水水位。 将各级指示水位分别点绘于基本调度图并连接成线， 并将各线在供水期末都修正至与限制出力线终点一致， 即得一组降低出力线。 62 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 u（二）多年调节发电水库基本调度线的绘制（二）多年调节发电水库基本调度线的绘制 多年调节水库的调节周期长达数年，且水文资料有限， 难以选出具有代表性的典型年组，因此常用如下简化调 度图。 正常蓄水位 IVIV I II 死水位 多 年 库 容 IIIIII 年 库 容 63 4.4 水电站水库中长期常规运行调度

39、水电站水库中长期常规运行调度 假定：假定： 多年库容调节年际间径流分布不均匀性，年库容调 节年内径流分布不均匀性； 所有的供水年组的第一年和最后一年水库都能进行 完全年调节，即这两年电站发保证出力都不需要消 耗多年库容。 64 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 从此假定出发： 水库的最高蓄水指示线防破坏线，将发生在供水 年组的第一年，称为第一计算典型年，该年初水库 的多年库容已蓄满； 水库的最低蓄水指示线限制出力线，将发生在供 水年组的最后一年，称为第二计算典型年，该年初 水库多年库容已经放空。 65 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行

40、调度 1.计算典型年的选择计算典型年的选择 n分别在多年库容水位和死库容水位条件下，按保证 出力进行水能计算，推算出能进行完全调节的相应 水量；然后再选出分别与两种水量相近、但年内分 配不同的若干实际年份，经修正后即得第一计算典 型年和第二计算典型年。由于第一计算典型年水位 过程高于第二计算典型年，所以后者的年水量应比 前者的年水量大。 66 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 2. 基本调度线的绘制基本调度线的绘制 对各第一计算典型年，按保证出力自蓄水期末允许的 最高兴利水位（正常蓄水位）、逆时序时段计算至蓄 水期初求得相应的年消落水位；再自供水期末各相应 的年

41、消落水位逆时序计算至供水期初的允许最高水位； 将它们绘制于同一图内内并取其上包线，即得上基本 调度线。 67 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 对各第二典型年自供 水期末死水位起，按 保证出力逆时序计算 至蓄水期初，求得与 各第二计算典型年相 应的水电站发保证出 力的水库蓄水指示线， 绘于同一图内并取其 下包线，即得下基本 调度线。 68 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 四、水库调度图的作用四、水库调度图的作用 在选择水库调度方案时，可按调度图根据长系列径流 资料复核各方案的水利动能效益指标如设计保证率、 多年平均发电量、多年平

42、均用水量和发电耗水率。 在编制水电站水库年运行计划时，可根据预报资料， 按调度图计算逐月和全年的水电站发电量及水库运行 方式。 在实施调度运行计划时，可以按调度图和中长期水文 预报逐月修正调度计划，并根据短期水文预报进行防 洪和发电调度。 69 五、常规调度图的特点五、常规调度图的特点 根据时间和水库水位决定水电站出力： 直观、简明，易于使用。 调度图的绘制需要实际经验，可能因人而异。 函数形式为分段常值函数。 侧重于保证可靠性。电量等效益没考虑。 没用到入库径流。有进一步改善的可能。 4.4 水电站水库中长期常规运行调度水电站水库中长期常规运行调度 )( 1 kkk VfN 70 4.5 单

43、一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 一、研究单一水电站水库调度的意义和应用条件一、研究单一水电站水库调度的意义和应用条件 n和常规调度相比，优化调度在满足多种约束条件、考虑不同 优化准则以及在适应实时负荷变化及水情变化等方面，处理 比较灵活，能获得更大的运行效率。 n现代电力系统是由多个水、火电站及其他能源电站联合工作 的，单一水电站水库的中长期优化调度已较少见。但在下列 情况下，仍具有现实意义： 71 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 1.河流开发初期，地区性电网尚未建成，水电站孤立运行时， 或虽

44、有地区性电网，但水电比重很大。 2. 梯级水电站群中上游为大型水库电站，下游为一串日调节 或无调节水电站时，从中长期调度而言，此梯级等价于有附 加水头的单一水电站。 3. 用大系统分解协调原理研究梯级水电站水库群，每个水电 站作为一个子电站（子系统），常要研究其“拟独立运行” 的最优方案，作为逐次协调修正的基础。 72 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 二、二、 水电站最优运行的物理基础水电站最优运行的物理基础 n水电站水库中长期调度的基本课题是：对于调度期 T，在已知水电站水库预测入流过程等条件下，寻 求使所采用的优化准则达到极值的水电站

45、出力过程 和相应的水库蓄泄状态变化过程。 73 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 在已知来水条件下，水电站水库发电运行的优劣，其物 理依据可根据总发电量（效益）最大、最小出力最大进 行分析： 电站的收益B取决于4个因素：效率系数A，发电流量Q， 发电水头H和电价因子C。在河川来水及调节库容一定 的情况下，（A，Q，H，C）越大，则B越大。 11 11 max,max =max min ( )max min) TT ttttttt tt tt tTtT EAQ HtBC AQ Ht PP tAQ H 水水 保 74 4.5 单一水电站水库确定

46、性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 1. 效率系数效率系数A 效率系数A值的大小，对于一定的水轮发电机 组机型是与Q和H有关的，及A=f(Q, H)；对于 不同的机型，f也不同。而Q和H对水电站效率 系数A的影响，取决于机组间的负荷分配情况。 75 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 鉴于机组效率A的最优利用具有相对独立性， 故在实际工作中可把它与Q，H的最优利用分 为两步来考虑：研究中长期优化调度时，视为 某个常数，在求出逐月逐旬最优平均负荷分配 后，再在此基础上考虑A=f(Q, H)的关系，也就 是研究短期水电站

47、厂内经济运行问题。 76 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 2. 发电流量发电流量Q和水头和水头H 发电流量Q的最优利用主要反映在尽量防止和 减少弃水上。这一因素的作用大小，视水库调 节能力和当年来水峰枯情况而定。 对于调节性能好的水库，则弃水机会少，水库 水头一般也大，故水头利用的效益就可能更重 要。不过，在水库接近蓄满和来水较丰的年份， 流量利用的效益仍同等重要。 77 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 n对于调节程度不高的水库（不完全调节和季调 节水库），流量的最优利用一般远较水头

48、利用 的效益为大，故也更重要。因此，在研究最优 调度时，除了要满足基本的约束条件外，应把 流量利用作为第一要考虑的因素。 78 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 3. 电价因子电价因子C 电价因子的影响主要是由于电力市场环境下实 行分时电价所致。虽然在电力市场环境下，电 价每时每刻都在发生变化，但在中长期调度时， 将一年分为丰水期、平水期、枯水期三个时期， 调度只考虑丰、平、枯期电价的影响。 79 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 n一般而言，枯水期的电价远远高于丰水期的电 价，因此对于

49、具有较大调节能力的水库而言， 要充分利用调节库容，将丰水期的来水存储起 来，供枯水期利用，从而保证电站获得最大的 收益。 80 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 三、单一水电站最优运行方式的制定三、单一水电站最优运行方式的制定 n在确定性来水（对应于某一确定时刻ti的相应流量 是一定值Qi）条件下，水库蓄水量随时间变化的关 系曲线V-t被称为水库调度线。水电站的收益B是其 水头、发电流量和电价因子的函数，B=f(H,Q,C)。 81 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 水头等于上、下游水位

50、之差，上游水位是水库 蓄水量的函数，下游水位是下泄流量的函数； 下泄流量等于入库流量加上水库蓄水量的变化； 电价因子是时间的函数，在中长期调度时，一 般对丰、平、枯3个时期各取一电价水平。 82 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 综合以上关系可知，当水库调度线确定后，水库水 位、发电流量、发电效益都随之唯一确定。 如果水电站水库可以按规定的调度线运行，则称此 调度线为可行线；如果调度线不仅可行，而且相应 的运行能带来最大的效益，则称此调度线为最优调 度线。 83 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度

51、优化调度 四、数学模型四、数学模型 以水电站年发电效益最大为优化准则建立中长期调度模型： 1.目标函数目标函数 11 maxmax TT iiiii ii BBACQ Ht 水 84 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 2. 约束条件约束条件 水电站水库运行调度的约束条件，包括水量平衡约束、 水库特性约束、水库蓄水位约束、水库下泄流量约束、 电站出力约束、非负约束等。 85 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 （1）水量平衡约束 （2）水库特性约束 水位库容曲线 下游水位流量关系曲线 （3）

52、不等式约束 （4）初始或终止库水位约束 1 VV() iiiiii RQSt min,max, min,max, min,max, 1 1 iii iii iii ii ii QQQ VVV NNN VVV QQQ 所以变量0（非负约束） 86 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 3.模型求解方法模型求解方法 1.传统优化方法 线性规划（LP） 动态规划（DP） 逐步优化法（POA）等 2.现代智能方法 遗传算法（GA） 蚁群算法（ACO） 粒子群算法（PSO）等 87 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优

53、化调度优化调度 五、动态规划求解原理与方法五、动态规划求解原理与方法 p1. 动态规划原理动态规划原理 动态规划的基本思想是贝尔曼的最优化原理，即“作为 整个过程的最优策略应具有这样的性质：无论过去的状 态和决策如何，对面临的决策所形成的状态而言，余留 的决策必须构成其最优策略”。 88 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 p2. 水库优化调度的动态规划法水库优化调度的动态规划法 n动态规划算法是目前求解单一水库电站优化调度问 题最为成功的方法。对于具有长期调节性能的水电 站水库，其水库运行调度是一个典型的多阶段决策 过程，可以按照下列系统概

54、化思路进行处理： 89 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 阶段与阶段变量 状态变量 决策变量 列出状态转移方程 建立效益函数与目标函数 建立水电站水库最优调度的递推方程 明确约束条件 90 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 阶段与阶段变量阶段与阶段变量 n对于具有长期调节性能的水库，可将调节周 期按月（或旬）为时段划分为T个阶段，以t 代表阶段变量，则t=1,2,T。相应的t为面临 时段，t+1T为余留时期。 91 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优

55、化调度优化调度 状态变量状态变量 n描述多阶段决策过程的演变，且满足无后效 性要求。选用每个阶段水库水位Z为状态变量。 Zt和Zt+1分别为t时段初末的库水位，其中Zt+1 也是t+1时段的初始蓄水状态。 92 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 决策变量决策变量 l决策是从某一个状态演变到下一个阶段某种状态的 一种选择，描述这种选择的变量称为决策变量。水 库调度中，选各时段的出力Pt或发电流量Qt作为决 策变量，当时段t的初始状态Zt给定后，如果做出某 一决策Pt(Zt)或Qt(Zt)，则初始状态Zt将演变为时段 末的状态Zt+1 。 93

56、 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 状态转移方程状态转移方程 状态转移方程用于描述过程的状态转移规律。水电站 水库调度中，以水量平衡方程得到Vt和Vt+1的关系，再 由水位库容关系曲线得到Zt和Zt+1的关系，即为状态转 移方程： Vt+1= Vt+(Qr,t- Qt-Qqt) t 式中：Qr,t -时段t的入库流量 Qt ,Qqt-时段t的发电流量和弃水流量 t -时段秒数 94 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 n状态转移方程把多阶段决策过程中的三种变量 （阶段变量t、状态变量Z、决

57、策变量Q）联系 在一起。对于明确的决策过程，下一阶段的状 态变量完全由面临时段的状态和决策所决定。 95 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 建立目标函数建立目标函数 l目标函数是优化的准则或目标。以水电站在调度 期发电收益或发电量最大为优化准则时，令Bt和 B1(Z1)分别为任一时段t和整个调度周期的效益指 标，则Bt和目标函数B1*(Z1)分别为： l其中Z1为整个调度期初的水库水位；B1*(Z1)为 B1(Z1)的最优（最大）值。 * 1 11 (,) maxmax(,) ttttt TT ttttt tt BB Z Q C BBB Z

58、 Q C 96 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 建立水电站水库最优调度的递推方程建立水电站水库最优调度的递推方程 l递推方程的具体形式与递推顺序和阶段变量的编 号有关。若逆序递推且阶段变量的序号与阶段初 编号一致，则递推方程为： l式中，Bt(Zt，Qt，Ct)为面临时段的效益； Bt+1*(Zt+1) 为余留时期（t+1T+1）最大收益的累计值； Bt*(Zt)为时期（tT+1）的总收益最大累计值； * 11 ()max(,)() tttttttt B ZB Z Q CBZ 97 12 12 3t t t+1T1 Z2 T TT+1 T

59、1 Z1Z3ZtZt+1ZT+1ZTZT1 状 态 Z 阶段 B*t(Zt) B*t+1(Zt+1)Bt(Zt,Qt) 图8-8 多阶段决策逆序递推过程图 98 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 若给定调度期末库水位约束，可不考虑调度期后期 的余留效益，即B*T+1(ZT+1)=0； 若未给定调度期末水位约束，则需要考虑调度期末 不同蓄水状态所对应的余留效益B*T+1(Zi)=BendT+1(Zi) 99 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 明确约束条件明确约束条件 l水电站水库运行调度的

60、约束条件，包括电站 过流量、水库蓄水位、电站出力等。 min,max, min,max, min,max, 1 1 ttt ttt itt tt tt QQQ VVV PPP VVV QQQ 100 (12) (14) (10) (27) (26) (17) (44) (43) (33) (62) (58) (43) (83) 101 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 102 4.5 单一水电站水库确定性来水中长期单一水电站水库确定性来水中长期 优化调度优化调度 n以上可靠性约束难以在优化调度数学模型的求解过程 中直接应用，一般采用“惩罚函