CN106548269B - 一种梯级水电站紧急切机情况下闸门快速操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梯级水电站紧急切机情况下闸门快速操作方法,包括如下步骤:收集梯级水电站基础数据；划分梯级间流量等级；采用变时长马斯京根演算法，确定梯级间河道洪水演进参数；生成梯级电站闸门快速调整方案。本发明针对梯级电站切机后的闸门控制，给出了明确的应急操作方式；并在计算中引入了闸门开启速度最快原则和变时长的马斯京根方法，使得紧急切机后，梯级水电站能够准确、快速、合理地进行闸门操作，方法简单、易用。

Description

一种梯级水电站紧急切机情况下闸门快速操作方法
技术领域
本发明涉及水利水电技术领域，更具体地，涉及一种水电站泄洪闸门的快速操作方法。该方法能够为紧急切机情况下的水电站闸门快速决策提供支持。
背景技术
梯级水电站的日常运行与电网密不可分。当输电线路故障闭锁或电网出现负荷骤降时，就需要梯级水电站进行紧急切机，以保证电网的负荷稳定。而这些梯级电站往往是处于同一输电系统且属于同一业主的。
目前紧急切机闸门控制，大多依靠调度人员的经验和预案，对调度人员有较高的要求。在实际操作中，存在一定风险。一是当发生紧急切机时，由于调度人员确定方案以及控制闸门动作都需要一定的反应时间。若这个时间过长导致泄洪闸门未及时开启，因切机停止引用的发电流量将使水库水位抬高，而库容较小的电站，就有库水位超最高水位的风险；二是容易造成水量的浪费。
可是，当前对于电站切机符合分配的理论和算法研究较多，而在切负荷后的闸门快速操作方面，还没有简单易行的方法；同时，梯级水电站紧急切机时，为了避免单一电站过多甩负荷，往往需要梯级电站共同承担切机任务，由于梯级间河道的传播延时，上游电站调整下泄流量后，对下游电站入库流量的影响也会滞后，使得下游电站闸门控制的难度上升。
发明内容
为解决上述背景技术的不足,本发明提供了一种梯级水电站紧急切机情况下闸门快速操作方法，在梯级水电站根据电网下达的切机指令完成切机后，迅速制定出合理的闸门紧急操作方式，在避免梯级水电站发生危险的同时，使得水库中保留较多的水量，增加后期梯级电站的效益，具有十分重要的应用价值。
为实现上述目的，本发明公开了一种梯级水电站紧急切机情况下闸门快速操作方法,包括如下步骤:
S1:收集梯级水电站基础数据，主要为梯级电站中每个电站的特征数据，包括各个电站泄洪闸门的种类、各闸门开度流量曲线、各类闸门启闭顺序、水电站水位库容曲线、运行人员操作习惯、水库水位运行范围、流量可行范围、水位流量最大变幅信息，并将之作为梯级水电站闸门操作的约束。
S2:划分梯级间流量等级。在保证确定性系数0.85以上的情况下，以500或1000m3/s为一个等级，即当确定性系数小于0.85时，减少流量等级间的差值，再进行计算。
S3：采用变时长马斯京根演算法，确定梯级间河道洪水演进参数，马斯京根法基本方程为：
Figure GDA0002219894450000021
其中：W为槽蓄量；t是时间；I和Q是河段的入流量和出流量；Q′为示储流量；x为流量比重因素；K为蓄量常数，具有时间的因次，反映河道稳定流时段的传播时间。上述方程组的差分解为：
Q2＝C0I2+C1I1+C2O1
式中：
Figure GDA0002219894450000022
Figure GDA0002219894450000031
Figure GDA0002219894450000032
上式I和Q的脚注“1”和“2”分别表示时段初和时段末；当确定了参数K、x和流量传播时间Δt，即可求得流量演算系数C0、C1、C2的值，便可以逐时段完成河道入流到出流的演算。根据所述梯级间流量等级划分，不同流量等级的流量所述蓄量常数K、流量比重因素x和流量传播时间Δt也不同，采用变时长的马斯京根法，即可获得不同梯级间流量等级的河道洪水演进参数，如下表所示，
Figure GDA0002219894450000033
S4：生成梯级电站闸门快速调整方案。根据梯级电站中每个电站所承担的紧急切机任务，根据机组切掉的发电出力值计算各电站切掉的发电流量；
进一步地，对于梯级中的最上游电站，其切掉机组的发电流量如下式所示：
Figure GDA0002219894450000034
其中，Qq表示切掉机组的发电流量；M为机组的总台数；Nm表示第m台机组在切机前的出力；k为电站的出力系数；h为电站的水头；根据操作闸门最快原则计算，由于电站的闸门电源功率有限，能够同时操作的闸门数量有限，所以“操作闸门最快”即为“操作闸门数量最少”。对于梯级中的最上游电站，为了快速得到合理的操作方式，按以下步骤进行操作：
第一步，如果当前库水位已经超过或等于最高水位，则按照收集到的闸门操作顺序将所有的闸门打开到最大泄流能力，直到水库达到正常运行水位，正常运行水位一般为切机前的水位；
第二步，如果当前库水位尚未超过最高水位，则按照收集的闸门操作顺序，依次加大优先度最高闸门的开度，直到达到最大下泄能力或增大的下泄流量等于切掉机组的发电流量Qq，如此能保证库水位不再升高。
进一步地，对于梯级中的第二级至最后一级电站，其来水受上游电站的影响。一般情况下，上游电站切机仅将发电流量通过泄洪闸门下泄，其总下泄流量变化很小，没有必要进行马斯京根演算；但是当上游水库为引水式电站时，泄洪流量由坝下流入河道，而发电流量则通过引水渠直接流入下游河道，发生切机后，增大的泄洪流量会导致下游电站的入流发生较大变化，就必须进行马斯京根演算，如下式所示。
Figure GDA0002219894450000041
其中，Qq,i表示第i个电站切机后需要增加的泄洪流量；Qi-1表示上游电站切机前的泄洪流量；Qi′-1表示上游电站切机后的泄洪流量；Ii表示本电站切机前的来水；Qp,i-1表示上游电站切机后的发电流量；
Figure GDA0002219894450000042
表示使用变时长马斯京根法计算本电站切机后的来水；其他变量的含义与梯级中最上游电站的一致。闸门的操作方式如下:
第一步，如果当前库水位已经超过或等于最高水位，则按照收集到的闸门操作顺序将所有的闸门打开到最大泄流能力，直到水库达到正常运行水位，正常运行水位一般为切机前的水位；
第二步，如果当前库水位尚未超过最高水位，则按照收集的闸门操作顺序，依次加大优先度最高闸门的开度，直到达到最大下泄能力或增加的下泄流量等于Qq,i，如此能保证库水位不再升高。
进一步地，当整个梯级水电站切机完毕后，进入正常运行，按照正常运行的相关规程规范即可，至此闸门快速操作完毕。
本发明的有益效果:针对梯级电站切机后的闸门控制，给出了明确的应急操作方式；并在计算中引入了闸门开启速度最快原则和变时长的马斯京根方法，使得紧急切机后，梯级水电站能够准确、快速、合理地进行闸门操作，在避免梯级水电站发生危险的同时，使得水库中保留较多的水量，增加后期梯级电站的效益，具有十分重要的应用价值，且方法简单、易用。
附图说明
图1为本发明的一实施例中一种梯级水电站紧急切机情况下闸门快速操作方法流程；
图2为本发明的另一实施例中一种梯级水电站紧急切机情况下闸门快速操作方法流程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种梯级水电站紧急切机情况下闸门快速操作方法,参考图1包括如下步骤:
S1:收集梯级水电站基础数据，主要为梯级电站中每个电站的特征数据，包括各个电站泄洪闸门的种类、各闸门开度流量曲线、各类闸门启闭顺序、水电站水位库容曲线、运行人员操作习惯、水库水位运行范围、流量可行范围、水位流量最大变幅信息，并将之作为梯级水电站闸门操作的约束。
S2:划分梯级间流量等级。在保证马斯京根河道演算确定性系数0.85以上的情况下，以500或1000m3/s为一个等级，即当确定性系数小于0.85时，减少流量等级间的差值，再进行计算。
S3：采用变时长马斯京根河道演算法，分别确定不同梯级间流量等级情况下的梯级间河道洪水演进参数，马斯京根法基本方程为：
Figure GDA0002219894450000061
其中：W为槽蓄量；t是时间；I和Q是河段的入流量和出流量；Q′为示储流量；x为流量比重因素；K为蓄量常数，具有时间的因次，反映河道稳定流时段的传播时间。上述方程组的差分解为：
Q2＝C0I2+C1I1+C2O1
式中：
Figure GDA0002219894450000062
Figure GDA0002219894450000063
Figure GDA0002219894450000064
上式I和Q的脚注“1”和“2”分别表示时段初和时段末；当确定了参数K、x和流量传播时间Δt，即可求得流量演算系数C0、C1、C2的值，便可以逐时段完成河道入流到出流的演算。根据所述梯级间流量等级划分，不同流量等级的流量所述蓄量常数K、流量比重因素x和流量传播时间Δt也不同，采用变时长的马斯京根法，即可获得不同梯级间流量等级的河道洪水演进参数，如下表所示，
Figure GDA0002219894450000065
Figure GDA0002219894450000071
S4：生成梯级电站闸门快速调整方案。根据梯级电站中每个电站所承担的紧急切机任务，根据机组切掉的发电出力值计算各电站切掉的发电流量；
进一步地，对于梯级中的最上游电站，其切掉机组的发电流量如下式所示：
Figure GDA0002219894450000072
其中，Qq表示切掉机组的发电流量；M为机组的总台数；Nm表示第m台机组在切机前的出力；k为电站的出力系数；h为电站的水头；根据操作闸门最快原则计算，由于电站的闸门电源功率有限，能够同时操作的闸门数量有限，所以“操作闸门最快”即为“操作闸门数量最少”。对于梯级中的最上游电站，为了快速得到合理的操作方式，按以下步骤进行操作：
第一步，如果当前库水位已经超过或等于最高水位，则按照收集到的闸门操作顺序将所有的闸门打开到最大泄流能力，直到水库达到正常运行水位，正常运行水位一般为切机前的水位；
第二步，如果当前库水位尚未超过最高水位，则按照收集的闸门操作顺序，依次加大优先度最高闸门的开度，直到达到最大下泄能力或增大的下泄流量等于切掉机组的发电流量Qq，如此能保证库水位不再升高。
进一步地，对于梯级中的第二级至最后一级电站，其来水受上游电站的影响。一般情况下，上游电站切机仅将发电流量通过泄洪闸门下泄，其总下泄流量变化很小，没有必要进行马斯京根演算；但是当上游水库为引水式电站时，泄洪流量由坝下流入河道，而发电流量则通过引水渠直接流入下游河道，发生切机后，增大的泄洪流量会导致下游电站的入流发生较大变化，就必须进行马斯京根演算，如下式所示。
Figure GDA0002219894450000081
其中，Qq,i表示第i个电站切机后需要增加的泄洪流量；Qi-1表示上游电站切机前的泄洪流量；Q′i-1表示上游电站切机后的泄洪流量；Ii表示本电站切机前的来水；Qp,i-1表示上游电站切机后的发电流量；
Figure GDA0002219894450000083
表示使用变时长马斯京根法计算本电站切机后的来水；其他变量的含义与梯级中最上游电站的一致。闸门的操作方式如下:
第一步，如果当前库水位已经超过或等于最高水位，则按照收集到的闸门操作顺序将所有的闸门打开到最大泄流能力，直到水库达到正常运行水位，正常运行水位一般为切机前的水位；
第二步，如果当前库水位尚未超过最高水位，则按照收集的闸门操作顺序，依次加大优先度最高闸门的开度，直到达到最大下泄能力或增加的下泄流量等于Qq,i，如此能保证库水位不再升高。
进一步地，当整个梯级水电站切机完毕后，进入正常运行，按照正常运行的相关规程规范即可，至此闸门快速操作完毕。
在本发明的另一实施例中，以我国四川某梯级水电站中的电站a和电站b为例，进行紧急切机情况下的闸门快速控制。请参考图2，
第一步，收集梯级水电站基础数据。电站a拥有4个表孔、5个中孔和1个泄洪洞，电站b拥有2个生态流量泄放洞和5个泄洪闸，其中电站b的泄洪能力数据如下表所示，单位：m3/s
Figure GDA0002219894450000082
Figure GDA0002219894450000091
第二步，划分梯级间流量等级。在保证确定性系数0.85以上的情况下，以500或1000m3/s为一个等级。
第三步，采用变时长马斯京根演算法对梯级间河道的洪水传播进行计算，对不同流量范围分别按照传统马斯京根法进行参数待定即可得到的变时长马斯京根参数如下表所示，
Figure GDA0002219894450000092
第四步，生成梯级电站闸门快速调整方案，以某次计算为例，上游电站a和下游电站b分别切掉了2台机组，应用以下公式
Figure GDA0002219894450000101
计算得到电站a切掉的发电流量为620m3/s。
进一步，由于电站a的库容较大，计算时并未超过库水位上限，所以按照梯级中最上游水库的操作方法，按照闸门开启顺序开启了3号表孔，增加了泄洪流量620m3/s。
进一步，电站a是引水式电站，采用以下公式
Figure GDA0002219894450000102
计算下游电站b的增加泄洪流量，并按照电站b的闸门开启顺序依次开启即可。
由于切机情况下，对反应时间的要求较高，推荐将上述方法集成到梯级水电站的水情信息化系统中，便可自动获取计算中涉及的水情信息，省去了人工输入工作，可以进一步提高本发明的应用效果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种梯级水电站紧急切机情况下闸门快速操作方法,其特征在于，包括如下步骤:
S1:收集梯级水电站基础数据，主要为梯级电站中每个电站的特征数据，包括各个电站泄洪闸门的种类、各闸门开度流量曲线、各类闸门启闭顺序、水电站水位库容曲线、运行人员操作习惯、水库水位运行范围、流量可行范围、水位流量最大变幅信息，并将之作为梯级水电站闸门操作的约束；
S2:划分梯级间流量等级；
S3：采用变时长马斯京根河道演算法，分别确定不同梯级间流量等级情况下的梯级河道洪水演进参数，马斯京根法基本方程为：
Figure FDA0002413201070000011
其中：W为槽蓄量；t是时间；I和Q是河段的入流量和出流量；Q′为示储流量；x为流量比重因素；K为蓄量常数，具有时间的因次，反映河道稳定流时段的传播时间，上述方程组的差分解为：
Q2＝C0I2+C1I1+C2Q1
式中：
Figure FDA0002413201070000012
Figure FDA0002413201070000013
Figure FDA0002413201070000014
上式I和Q的脚注“1”和“2”分别表示时段初和时段末；当确定了参数K、x和流量传播时间Δt，即可求得流量演算系数C0、C1、C2的值，便可以逐时段完成河道入流到出流的演算；根据所述梯级间流量等级划分，不同流量等级的流量所述蓄量常数K、流量比重因素x和流量传播时间Δt也不同，采用变时长的马斯京根法，即可获得不同梯级间流量等级的河道洪水演进参数，如下表所示；
Figure FDA0002413201070000021
S4：生成梯级电站闸门快速调整方案，根据梯级电站中每个电站所承担的紧急切机任务，根据机组切掉的发电出力值计算各电站切掉的发电流量；
进一步地，对于梯级中的最上游电站，其切掉机组的发电流量如下式所示：
Figure FDA0002413201070000022
其中，Qq表示切掉机组的发电流量；M为机组的总台数；Nm表示第m台机组在切机前的出力；k为电站的出力系数；h为电站的水头；根据操作闸门最快原则计算，由于电站的闸门电源功率有限，能够同时操作的闸门数量有限，所以“操作闸门最快”即为“操作闸门数量最少”，对于梯级中的最上游电站，为了快速得到合理的操作方式，按以下步骤进行操作：
第一步，如果当前库水位已经超过或等于最高水位，则按照收集到的闸门操作顺序将所有的闸门打开到最大泄流能力，直到水库达到正常运行水位，正常运行水位为切机前的水位；
第二步，如果当前库水位尚未超过最高水位，则按照收集的闸门操作顺序，依次加大优先度最高闸门的开度，直到达到最大下泄能力或增大的下泄流量等于切掉机组的发电流量Qq，如此能保证库水位不再升高；
进一步地，对于梯级中的第二级至最后一级电站，其来水受上游电站的影响，一般情况下，上游电站切机仅将发电流量通过泄洪闸门下泄，其总下泄流量变化很小，没有必要进行马斯京根演算；但是当上游水库为引水式电站时，泄洪流量由坝下流入河道，而发电流量则通过引水渠直接流入下游河道，发生切机后，增大的泄洪流量会导致下游电站的入流发生较大变化，就必须进行马斯京根演算，如下式所示，
Figure FDA0002413201070000031
其中，Qq,i表示第i个电站切机后需要增加的泄洪流量；Qi-1表示上游电站切机前的泄洪流量；Q′i-1表示上游电站切机后的泄洪流量；Ii表示本电站切机前的来水；Qp,i-1表示上游电站切机后的发电流量；
Figure FDA0002413201070000032
表示使用变时长马斯京根法计算本电站切机后的来水；其他变量的含义与梯级中最上游电站的一致，闸门的操作方式如下:
第一步，当前库水位已经超过或等于最高水位，则按照收集到的闸门操作顺序将所有的闸门打开到最大泄流能力，直到水库达到正常运行水位，正常运行水位为切机前的水位；
第二步，当前库水位尚未超过最高水位，则按照收集的闸门操作顺序，依次加大优先度最高闸门的开度，直到达到最大下泄能力或增加的下泄流量等于Qq,i，如此能保证库水位不再升高；
进一步地，当整个梯级水电站切机完毕后，进入正常运行，按照正常运行的相关规程规范即可，至此闸门快速操作完毕。
2.如权利要求1所述一种梯级水电站紧急切机情况下闸门快速操作方法,其特征在于，在保证马斯京根河道演算确定性系数0.85以上的情况下，以500或1000m3/s为一个梯级间流量等级，即当确定性系数小于0.85时，减少流量等级间的差值，再进行计算。
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