CN109726907A - 一种水电站群中长期出力计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水电站群中长期出力计算方法及系统，对水电站按调节性能和基础数据及运行数据情况进行分类，首先按流域分析控制性水电站来水的季节性、随机性变化规律以及逐日来水相对旬月平均来水的不均匀特性，研究各水电站运行水头与综合出力系数、水头与耗水率的关系，计算各时段水电站发电流量；然后分析梯级联合调度和电网调峰约束条件下，上下游水电站在不同季节的运行方式，以确定控制性水电站在重要时间节点的控制水位；确定非控制性水电站各水电站各月的负荷率，分别计算各时段水电站出力。本发明实现了区域大规模水电站群的计划出力电量的快速准确计算，解决了水电站中长期调度中计算出力电量与实际运行的偏差较大的技术问题。

Description

一种水电站群中长期出力计算方法及系统

技术领域

本发明属于水电站群优化调度技术领域，具体涉及一种水电站群中长期出力计算方法及系统。

背景技术

我国水能、风能及太阳能资源丰富，水电及新能源装机容量均居世界第一位，随着我国能源结构向绿色低碳转型，水电及新能源装机容量将继续保持快速增长，新能源发展潜力巨大。水电、风电、光伏发电的出力均具有季节性和随机性，比如丰水期面临“弃水”、“弃风”和“弃光”的压力，但水电、风电、光伏发电又具有一定的互补特性，故利用水电的调节能力优化水电、风电、光伏发电的协调运行，对实现清洁能源的最大化消纳具有重要意义。在区域风电和光伏发电占比不断提高的情况下，加之风、光的季节性和随机性迭加影响，当前的水电站出力电量计算方式的准确性与及时性无法满足水电、风电、光伏的互补运行需求，无法实现大规模水电出力的快速计算。针对水电、风电、光伏发电的联合运行，当前水电中长期调度中，基于数理统计方法预测旬月平均来水，采用综合出力系数法计算出力电量，未考虑径流季节性、随机性，即未考虑来水在时段内的不均匀性，也未考虑水头变化对综合出力系数的影响，计算得到的出力电量与实际运行偏差较大，影响中长期发电计划的顺利执行(需多次调整计划)。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种水电站群中长期出力计算方法及系统，实现区域大规模水电站群的计划出力电量的快速准确计算，解决了水电站中长期调度中计算出力电量与实际运行的偏差较大的技术问题。

本发明采用如下技术方案，一种水电站群中长期出力计算方法，具体步骤如下：

计算各时段水电站出力，具体为：

对于季调节及以上调节性能的水电站，每时段水电站出力计算模型为：

E_t＝N_t·T_t＝K_t·Q_t·H_t·T_t

式中，E_t为第t时段水电站的发电量，N_t为第t时段水电站的平均发电出力，T_t为第t时段的时间长度，H_t为第t时段的运行水头，K_t为第t时段水电站出力系数，Q_t为第t时段水电站的发电流量；

对于周调节及以下调节性能的水电站，每时段水电站出力计算模型为：

式中，E_t为第t时段水电站的发电量，N_t为第t时段水电站的平均发电出力，H_t为第t时段的时间长度，Q_t为第t时段水电站的发电流量，M_t为第t时段的时间长度，δ_t为水电站t时段发电耗水率。

优选地，所述计算各时段水电站发电流量具体方法为，对于季调节及以上调节性能的水电站，基于历史发电运行数据得出历史各时段发电流量与入库流量对应关系；基于上述对应关系根据水电站各时段预测入库流量计算各时段发电流量。

优选地，所述对于季调节及以上调节性能的水电站计算各时段发电流量具体方法为，

计算第t时段的入库不均匀系数γ_q,t；

γ_q,t＝Q_h,t/Q_h,in,t

式中，Q_h,t为n年内第t时段平均发电流量；Q_h,in,t为n年内第t时段平均入库流量；水电站各时段预测入库流量，乘以相应时段的入库不均匀系数γ_q,t，得到各时段的发电流量Q_t。

优选地，所述得到水电站出力系数的方法具体为,预先基于历史发电运行数据得出水头-出力系数曲线,根据第t时段的运行水头得到水电站出力系数。

优选地，还包括对周调节及以下调节性能的水电站计算得出的发电量进行约束，具体为：

基于历史发电运行数据计算第t时段的平均发电负荷率γ_t；

γ_t＝N_avg,t/N_max,t

式中，N_avg,t为n年内第t时段水电站平均出力；N_max,t为n年内第t时段水电站最大出力；

对水电站各时段计算得出的发电量按以下方式进行约束；

N_t≤N_install·γ_t

式中，N_t为第t时段水电站发电量；N_install为水电站装机容量。

优选地，所述计算发电流量具体方法为，对于周调节及以下调节性能的水电站，将各时段水电站的预测入库流量与水电站最大过机流量进行比较，若水电站最大过机流量大于预测入库流量，则发电流量等于预测入库流量；若水电站最大过机流量小于预测入库流量，则发电流量等于最大过机流量。

优选地，计算各时段水电站最大过机流量的方法具体为：

判断各时段水电站是否有机组被安排停用检修；

若水电站没有机组停用检修，所有机组均可安排发电时，水电站最大过机流量等于所有水轮机单机最大过水能力之和；若水电站在当前时段有k台机组停用检修，水电站最大过机流量等于未检修的水轮机单机最大过水能力之和。

优选地，所述得到发电耗水率的方法为，预先基于历史发电运行数据得出水头-发电耗水率曲线，根据第t时段的运行水头得到发电耗水率。

一种水电站群中长期出力计算系统，包括季调节及以上调节性能的水电站各时段出力计算模块和周调节及以下调节性能的水电站各时段出力计算模块，所述各时段水电站出力计算模块用于计算各时段水电站出力，季调节及以上调节性能的水电站各时段出力计算模块用于得到季调节及以上调节性能的水电站每时段水电站出力计算模型，具体为：

E_t＝N_t·T_t＝K_t·Q_t·H_t·T_t

式中，E_t为第t时段水电站的发电量，N_t为第t时段水电站的平均发电出力，T_t为第t时段的时间长度，H_t为第t时段的运行水头，K_t为第t时段水电站出力系数，Q_t为第t时段水电站的发电流量；

周调节及以下调节性能的水电站各时段出力计算模块用于得到周调节及以下调节性能的水电站每时段水电站出力计算模型，具体为：

式中，E_t为第t时段水电站的发电量，N_t为第t时段水电站的平均发电出力，H_t为第t时段的时间长度，Q_t为第t时段水电站的发电流量，M_t为第t时段的时间长度，δ_t为水电站t时段发电耗水率。

优选地，还包括水电站各时段发电流量计算模块，对于季调节及以上调节性能的水电站各时段发电流量计算方法具体为，基于历史发电运行数据得出历史各时段发电流量与入库流量对应关系；基于上述对应关系根据水电站各时段预测入库流量计算各时段发电流量。

发明所达到的有益效果：本发明是一种水电站群中长期出力计算方法及系统，实现区域大规模水电站群的计划出力电量的快速计算，解决了水电站中长期调度中计算出力电量与实际运行的偏差较大的技术问题。本发明考虑了径流的季节性和随机性，克服了时段来水不均匀性对出力电量计算的影响、水电站水头变化对综合出力系数的影响，大大提高了水电站中长期出力电量的计算精度；同时，通过电站分类和历史运行信息分析概化及规则提取，对水电站进行分类计算，扩大了可计算的水电站规模，提高了水电站群计划出力电量的计算速度，为区域性大规模水电、风光、光伏发电的联合互补运行系统集成提供了技术支撑。

附图说明

图1是本发明实施例的一种水电站群中长期出力计算方法示意图；

图2是本发明实施例的一种周调节及以下调节性能的水电站协调调度流程图。

具体实施方式

下面根据附图并结合实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。本发明的一种水电站群中长期出力计算方法是一种考虑了径流季节性和随机性的大规模水电站群中长期出力计算方法，按流域分析控制性水电站来水的季节性、随机性变化规律以及逐日来水相对旬月平均来水的不均匀特性；对水电站按调节性能和基础数据及运行数据情况进行分类，研究各水电站运行水头与综合出力系数、水头与耗水率的关系；分析梯级联合调度和电网调峰约束条件下，上下游水电站在不同季节的运行方式，以确定季调节以上控制性水电站在汛前、汛后重要时间节点的控制水位；确定各水电站各月的负荷率。

实施例1

一种水电站群中长期出力计算方法，包括以下步骤：

计算各时段水电站出力，如图1所示，具体为：

对于季调节及以上调节性能的水电站，每时段水电站出力计算模型为：

E_t＝N_t·T_t＝K_t·Q_t·H_t·T_t

式中，E_t为第t时段水电站的发电量，单位：kWh，N_t为第t时段水电站的平均发电出力，单位：kW，T_t为第t时段的时间长度，单位：小时(h)，H_t为第t时段的运行水头，单位：m，K_t为第t时段水电站出力系数，Q_t为第t时段水电站的发电流量，单位：m³/s；

对于周调节及以下调节性能的水电站，每时段水电站出力计算模型为：

式中，E_t为第t时段水电站的发电量，单位：kWh，N_t为第t时段水电站的平均发电出力，单位：kW，H_t为第t时段的时间长度，单位：小时(h)，Q_t为第t时段水电站的发电流量，单位：m³/s，M_t为第t时段的时间长度，单位：秒(s)，δ_t为水电站t时段发电耗水率，单位：m³/kWh。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例中，计算各时段水电站发电流量具体方法为，对于季调节及以上调节性能的水电站，基于历史发电运行数据得出历史各时段发电流量与入库流量对应关系；基于上述对应关系根据水电站各时段预测入库流量计算各时段发电流量。在出力计算中分析了流域来水的季节性和随机性特性，得到更准确的发电流量。

作为一种较佳的实施例，所述对于季调节及以上调节性能的水电站计算各时段发电流量具体方法为，

计算第t时段的入库不均匀系数γ_q,t；

γ_q,t＝Q_h,t/Q_h,in,t

式中，Q_h,t为n年内第t时段平均发电流量，单位：m³/s；Q_h,in,t为n年内第t时段平均入库流量，单位：m³/s；水电站各时段预测入库流量，乘以相应时段的入库不均匀系数γ_q,t，得到各时段的发电流量Q_t。

需要说明的是控制性水电站的各时段预测入库流量由水站厂的水文预报软件给出，并报送到省级调度机构(按通用格式存储在数据库)中，即获取上述各流域水电站各时段预测入库流量为现有技术。

作为一种较佳的实施例，所述得到水电站出力系数的方法具体为,预先基于历史发电运行数据得出水头-出力系数曲线,根据第t时段的运行水头得到水电站出力系数。

作为一种较佳的实施例，还包括对周调节及以下调节性能的水电站计算得出的发电量进行约束，具体为：

基于历史发电运行数据计算第t时段的平均发电负荷率γ_t；

γ_t＝N_avg,t/N_max,t

式中，N_avg,t为上年第t时段水电站平均出力；N_max,t为上年第t时段水电站最大出力；

对水电站各时段计算得出的发电量按以下方式进行约束，从而使计算结果更符合生产实际；

N_t≤N_install·γ_t

式中，N_t为第t时段水电站发电量；N_install为水电站装机容量。

作为一种较佳的实施例，所述计算发电流量具体方法为，对于周调节及以下调节性能的水电站，如图2所示，在长期协调调度方案计算过程中均视为无调节能力水电站，以单一水电站方式运行，上下游之间不考虑相互补偿调节，按来水流量计算水电站出力。

计算各时段水电站最大过机流量的方法具体为：

在步骤201中，判断各时段水电站是否有机组被安排停用检修；

在步骤203中，若水电站没有机组停用检修，所有机组均可安排发电时，水电站最大过机流量等于所有水轮机单机最大过水能力之和；在步骤204中，若水电站在当前时段有k台机组停用检修，水电站最大过机流量等于未检修的水轮机单机最大过水能力之和。

在步骤204中，将各时段水电站的预测入库流量与水电站最大过机流量进行比较。

在步骤205中，若水电站最大过机流量大于预测入库流量，即Q_max>I_t，其中Q_max为最大过机流量，I_t为入库流量，则发电流量等于预测入库流量，水电站按来水流量发电，水电站没有弃水产生，即Q_t＝I_t，S_t＝0，S_t表示弃水流量；

在步骤206中，若水电站最大过机流量小于预测入库流量，即Q_max≤I_t，则发电流量等于最大过机流量，水电站按最大过机流量发电，超过最大过机流量部分的流量按弃水流量计算，即Q_t＝Q_max，S_t＝I_t-Q_t。所述预测入库流量为上游水电站计算的出库流量，由于其入库流量已经过了上游水电站的调节，所以其发电流量的计算不按来水不均系数法计算。

在步骤207中，进行周调节及以下调节性能的水电站每时段水电站出力计算。

作为一种较佳的实施例，所述得到发电耗水率的方法为，预先基于历史发电运行数据得出水头-发电耗水率曲线，根据第t时段的运行水头得到发电耗水率。

依据发电流量Q_t计算运行水头，在水电站各类计算中是成熟的基础计算。另外，对于缺乏历史发电运行资料及出力计算资料的小水电站，其水头-发电耗水率曲线按水头相近原则借用季调节及以上调节性能的水电站和周调节及以下调节性能的水电站数据。水库水电站的调节性能一般分为无调节(径流式)、日(周)调节、年(季)调节和多年调节四大类型，很少有月调节的类型。

基于上述方法得到的每时段水电站出力计算模型，并对出力进行各类约束(限值约束、综合利用要求和电网运行约束等)，利用动态规划法优化季调节及以上调节性能的水电运行方案。每旬过后，过去一旬的实际流量和当前旬初的实际水位已知(所有水电站都有数据监测和数据处理)，基于已发生的实际流量，由水文预报软件滚动预测出后面各旬的流量，利用动态规划方法优化算法更新当前旬至年底的水电站调度运行方案。

所述水电站运行方案即为确定水电站每旬或每月如何运行的方案，即确定年初到年末每旬水电站发电量(对应平均出力)、发电流量和每旬/月末水电站的水位控制等逐时段的过程，发电量、发电流量、入库流量和水电站水位之间有相互依存关系。

每旬或月过后，重新计算之后的发电计划，这是因为目前的水文气象专业对长期天气的预测精度还不高，年初计算的后半年的结果可信度也相对低一些，而随着时间不断重算调整运行方案最终得到下列不断修正模式的矩阵，即为准确度较高的运行方案：

矩阵中，X_i,j,i＝1…T,j＝1…T，j≥i，表示第i时段初所做决策序列中，第j时段的水电站运行方案，其中，X_i,j＝(Z_i,j,Q_i,j,N_i,j…)，Z_i,j,Q_i,j,N_i,j分别表示i时段初所做决策序列中第j时段水电站的水位、流量、出力等决策分量。年初计算是全年36旬的水电站运行方案，即矩阵的第一行；过1旬后，计算之后35旬的水电站运行方案，即矩阵的第2行；依次类推，直至更新至期末。

由矩阵主对角线相应的各时段决策构成的协调调度策略X_1,1,…X_T,T，即为季调节及以上调节性能的水电站的最优运行方式

对于周调节及以下调节性能的水电站，其入库流量已经过了上游水电站的调节，故以水定电实现出力模拟。

最终在考虑梯级约束以及上级调节对下游的影响的情况下实现大规模水电站的联合运行。

实施例3

在实施例2的基础上，本实施例总，一种水电站群中长期出力计算系统，包括各时段水电站出力计算模块，所述各时段水电站出力计算模块用于计算各时段水电站出力，对于季调节及以上调节性能的水电站，每时段水电站出力计算模型为：

E_t＝N_t·T_t＝K_t·O_t·H_t·T_t

式中，E_t为第t时段水电站的发电量，N_t为第t时段水电站的平均发电出力，T_t为第t时段的时间长度，H_t为第t时段的运行水头，K_t为第t时段水电站出力系数，Q_t为第t时段水电站的发电流量；

对于周调节及以下调节性能的水电站，每时段水电站出力计算模型为：

式中，E_t为第t时段水电站的发电量，N_t为第t时段水电站的平均发电出力，H_t为第t时段的时间长度，Q_t为第t时段水电站的发电流量，M_t为第t时段的时间长度，δ_t为水电站t时段发电耗水率。

作为一种较佳的实施例，计算各时段水电站发电流量具体方法为，对于季调节及以上调节性能的水电站，基于历史发电运行数据得出历史各时段发电流量与入库流量对应关系；基于上述对应关系根据水电站各时段预测入库流量计算各时段发电流量。

作为一种较佳的实施例，所述对于季调节及以上调节性能的水电站计算各时段发电流量具体方法为，

计算第t时段的入库不均匀系数γ_q,t；

γ_q,t＝Q_h,t/Q_h,in,t

式中，Q_h,t为n年内第t时段平均发电流量；Q_h,in,t为n年内第t时段平均入库流量；水电站各时段预测入库流量，乘以相应时段的入库不均匀系数γ_q,t，得到各时段的发电流量Q_t。

作为一种较佳的实施例，所述得到水电站出力系数的方法具体为,预先基于历史发电运行数据得出水头-出力系数曲线,根据第t时段的运行水头得到水电站出力系数。

作为一种较佳的实施例，还包括对周调节及以下调节性能的水电站计算得出的发电量进行约束，具体为：

基于历史发电运行数据计算第t时段的平均发电负荷率γ_t；

γ_t＝N_avg,t/N_max,t

式中，N_avg,t为n年内第t时段水电站平均出力；N_max,t为n年内第t时段水电站最大出力；

对水电站各时段计算得出的发电量按以下方式进行约束；

N_t≤N_install·γ_t

式中，N_t为第t时段水电站发电量；N_install为水电站装机容量。

作为一种较佳的实施例，所述计算发电流量具体方法为，对于周调节及以下调节性能的水电站，将各时段水电站的预测入库流量与水电站最大过机流量进行比较，若水电站最大过机流量大于预测入库流量，则发电流量等于预测入库流量；若水电站最大过机流量小于预测入库流量，则发电流量等于最大过机流量。

作为一种较佳的实施例，计算各时段水电站最大过机流量的方法具体为：

判断各时段水电站是否有机组被安排停用检修；

若水电站没有机组停用检修，所有机组均可安排发电时，水电站最大过机流量等于所有水轮机单机最大过水能力之和；若水电站在当前时段有k台机组停用检修，水电站最大过机流量等于未检修的水轮机单机最大过水能力之和。

作为一种较佳的实施例，所述得到发电耗水率的方法为，预先基于历史发电运行数据得出水头-发电耗水率曲线，根据第t时段的运行水头得到发电耗水率。

Claims (10)

1.一种水电站群中长期出力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

对于季调节及以上调节性能的水电站，每时段水电站出力计算模型为：

E_t＝N_t·T_t＝K_t·Q_t·H_t·T_t

式中，E_t为第t时段水电站的发电量，N_t为第t时段水电站的平均发电出力，T_t为第t时段的时间长度，H_t为第t时段的运行水头，K_t为第t时段水电站出力系数，Q_t为第t时段水电站的发电流量；

对于周调节及以下调节性能的水电站，每时段水电站出力计算模型为：

式中，E_t为第t时段水电站的发电量，N_t为第t时段水电站的平均发电出力，H_t为第t时段的时间长度，Q_t为第t时段水电站的发电流量，M_t为第t时段的时间长度，δ_t为水电站t时段发电耗水率。

2.根据权利要求1所述的一种水电站群中长期出力计算方法，其特征在于，所述计算各时段水电站发电流量具体方法为，对于季调节及以上调节性能的水电站，基于历史发电运行数据得出历史各时段发电流量与入库流量对应关系；基于上述对应关系根据水电站各时段预测入库流量计算各时段发电流量。

3.根据权利要求2所述的一种水电站群中长期出力计算方法，其特征在于，所述对于季调节及以上调节性能的水电站计算各时段发电流量具体方法为，

计算第t时段的入库不均匀系数γ_q,t；

γ_q,t＝Q_h,t/Q_h,in,t

式中，Q_h,t为n年内第t时段平均发电流量；Q_h,in,t为n年内第t时段平均入库流量；水电站各时段预测入库流量，乘以相应时段的入库不均匀系数γ_q,t，得到各时段的发电流量Q_t。

4.根据权利要求1所述的一种水电站群中长期出力计算方法，其特征在于，所述得到水电站出力系数的方法具体为,预先基于历史发电运行数据得出水头-出力系数曲线,根据第t时段的运行水头得到水电站出力系数。

5.根据权利要求1所述的一种水电站群中长期出力计算方法，其特征在于，

还包括对周调节及以下调节性能的水电站计算得出的发电量进行约束，具体为：

基于历史发电运行数据计算第t时段的平均发电负荷率γ_t；

γ_t＝N_avg,t/N_max,t

式中，N_avg,t为n年内第t时段水电站平均出力；N_max,t为n年内第t时段水电站最大出力；

对水电站各时段计算得出的发电量按以下方式进行约束；

N_t≤N_install·γ_t

式中，N_t为第t时段水电站发电量；N_install为水电站装机容量。

6.根据权利要求1所述的一种水电站群中长期出力计算方法，其特征在于，所述计算发电流量具体方法为，对于周调节及以下调节性能的水电站，将各时段水电站的预测入库流量与水电站最大过机流量进行比较，若水电站最大过机流量大于预测入库流量，则发电流量等于预测入库流量；若水电站最大过机流量小于预测入库流量，则发电流量等于最大过机流量。

7.根据权利要求6所述的一种水电站群中长期出力计算方法，其特征在于，计算各时段水电站最大过机流量的方法具体为：

判断各时段水电站是否有机组被安排停用检修；

若水电站没有机组停用检修，所有机组均可安排发电时，水电站最大过机流量等于所有水轮机单机最大过水能力之和；若水电站在当前时段有k台机组停用检修，水电站最大过机流量等于未检修的水轮机单机最大过水能力之和。

8.根据权利要求1所述的一种水电站群中长期出力计算方法，其特征在于，所述得到发电耗水率的方法为，预先基于历史发电运行数据得出水头-发电耗水率曲线，根据第t时段的运行水头得到发电耗水率。

9.一种水电站群中长期出力计算系统，其特征在于，包括季调节及以上调节性能的水电站各时段出力计算模块和周调节及以下调节性能的水电站各时段出力计算模块，所述各时段水电站出力计算模块用于计算各时段水电站出力，季调节及以上调节性能的水电站各时段出力计算模块用于得到季调节及以上调节性能的水电站每时段水电站出力计算模型，具体为：

E_t＝N_t·T_t＝K_t·Q_t·H_t·T_t

式中，E_t为第t时段水电站的发电量，N_t为第t时段水电站的平均发电出力，T_t为第t时段的时间长度，H_t为第t时段的运行水头，K_t为第t时段水电站出力系数，Q_t为第t时段水电站的发电流量；

周调节及以下调节性能的水电站各时段出力计算模块用于得到周调节及以下调节性能的水电站每时段水电站出力计算模型，具体为：

式中，E_t为第t时段水电站的发电量，N_t为第t时段水电站的平均发电出力，H_t为第t时段的时间长度，Q_t为第t时段水电站的发电流量，M_t为第t时段的时间长度，δ_t为水电站t时段发电耗水率。

10.根据权利要求9所述的一种水电站群中长期出力计算系统，其特征在于，还包括水电站各时段发电流量计算模块，对于季调节及以上调节性能的水电站各时段发电流量计算方法具体为，基于历史发电运行数据得出历史各时段发电流量与入库流量对应关系；基于上述对应关系根据水电站各时段预测入库流量计算各时段发电流量。