CN113094874B - 一种保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法，在消耗较低资源的前提下，快速对一段时间内的运行数据进行分析和计算。本发明既可以极大减少运算过程中生成的变量数量，又不过分降低功率调节的灵活性，例如要求水电站下游水位在60分钟内水位变幅不超过1米，在选择周期时间T ₂为5分钟时，临时存储的变量不超过30个，而实现的效果是保障下游水位在60分钟到65分钟这一随机变化的时间段内的水位变幅不超过1米，极为接近原始的安全约束条件。

Description

一种保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时 控制方法

技术领域

本发明属于水力发电控制技术领域，涉及一种保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法。

背景技术

部分水电站由于特殊的地理位置等原因，对于下游水位和下泄流量的变化有严格要求，其中下游通航条件决定了下游水位的单位时间最大变幅(通常为每小时水位最大变幅)，而下泄基流(实时下泄流量)和下游水位的单位时间最大变幅则决定了下泄流量的单位时间最大变幅。水电站下泄流量包括发电流量和泄洪流量，其中发电流量决定于发电负荷(即电站总有功功率)和耗水率，于是进而要求水电站总体输出有功功率的变化在单位时间内必须低于一定幅度。

根据长期以来的水力发电生产经验，水电站发电流量短时间内的剧烈变化主要由两个因素导致：

1、水电站机组因为设备事故或电网事故而紧急停机甩负荷，且其它机组无法及时弥补事故机组损失负荷，而导致的发电流量大幅降低。针对该问题，文献1《景洪电厂事故应急补水在监控系统中的自动化研究及应用》(水电与抽水蓄能2016年第2卷第4期第61页)披露了一种完整的紧急补水闸门操作方案；文献2《一种基于多重回归算法的水电站泄洪闸门的建模及计算方法》(CN108153155A)则在文献1的基础上提供了一种适用于具有解一元多次方程运算能力的自动化系统的水电站泄洪闸门建模及计算方法，能根据不同坝前水位(即水头)下闸门的流量、开度对应关系建立泄洪闸门模型，并在当前水头下，利用泄洪闸门模型，根据闸门开度计算闸门流量，或根据闸门目标流量计算目标开度。得益于文献1和文献2的工作，目前已经可以有效防止因设备或电网事故原因所导致的发电流量大幅降低而引起的下游水位剧烈变化。

2、水电站承担电网调峰任务，短时间内对输出功率进行大幅调整，导致的发电流量短时间内的大幅变化。不同于问题1完全基于实时数据的补水计算操作，问题2的主要难点在于，运行人员或自动发电控制功能(AGC)能够对电站功率进行调节的范围，取决于过去一段时间(例如1小时)内电站运行情况所形成的安全约束，而对其进行计算和判断，涉及了以大量历史数据为对象的逻辑处理，这超出了绝大部分水电站面向实时监视与控制的计算机监控系统所配置的功能。而如果在实时监控系统中设置内存变量对历史数据进行临时存储，由于所涉及的数据往往包含千余个甚至数千个历史数据测点，无疑会对实时监控系统造成沉重负担，同样不具备可行性。

例如，华能澜沧江水电股份有限公司景洪水电厂(以下简称景洪电厂)地理上位于云南省澜沧江下游河段、西双版纳傣族自治州境内，距下游景洪市5公里，地理位置特殊。为了保证下游航运、民众的生产生活、水上工作人员和其它设施的安全，下游水位变幅每小时不能超过1米，由于一直未能提出与此安全约束相匹配的自动化控制手段，电厂自2008年投产至今十多年内只能带基荷运行，无法承担电网的调峰任务，造成了电网二次调频资源的巨大浪费。文献3《景洪电厂处理发电与航运关系的思考》(水电站机电技术2010年第33卷第1第53页)、文献4《澜沧江景洪以下水位和流量变化分析》(珠江水运2015年第12期第88页)、文献5《景洪水电站对下游近坝河段通航条件的影响》(水利水运工程学报2012年第4期第103页)等均对该问题进行了探讨，但并未涉及或提出保证下游水位或发电流量稳定的自动化控制手段。

因此，以防止下游水位和下泄流量的剧烈变化为目的，对水电站输出功率和发电流量的稳定性控制，尚是一个有待解决的问题。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法，基于实时监控系统中一段时间内的运行数据，在保证水电站下游水位稳定的约束条件内，对水电站下泄流量的允许范围进行快速计算，进而得出水电站发电流量允许范围和输出功率可调范围，从而实现对水电站下泄流量和下游水位的稳定性控制。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法，包括以下操作：

S1000)基于水电站下游水位稳定形成总约束条件：下游水位变幅在T₁时间内不超过h，对于h通过未来下游水位与当前下游水位的差值来约束，并体现为实时约束下的下泄流量允许范围Z₀’；Z₀’为二维变量，包括实时约束下的下泄流量允许范围下限Z₀’(1)和实时约束下的下泄流量允许范围上限Z₀’(2)；

S2000)根据水电站实时运行数据，计算实时约束下的下泄流量允许范围Z₀’，通过Z₀’以及水电站默认下泄流量允许范围不断取交集，得到表示近期约束下的下泄流量允许范围的二维变量Z₀；

S3000)将Z₀中的数据每隔固定周期T₂转存入二维变量Z₁至Z_n中的某一个变量Z_j，作为历史约束下的下泄流量允许范围；转存后清空Z₀；

S4000)根据近期约束下的下泄流量允许范围Z₀，以及历史约束下的下泄流量允许范围Z₁至Z_n，计算得到实时控制命令需要保证的下泄流量允许范围Z；Z为二维向量，包括控制命令需要保证的下泄流量允许范围下限Z(1)和控制命令需要保证的下泄流量允许范围上限Z(2)；

S5000)根据实时控制命令需要保证的下泄流量允许范围Z、以及当前水电站泄洪流量H计算得到发电流量允许范围F；

再根据发电流量允许范围F和发电状态机组耗水率计算得出水电站总输出功率的允许调节范围。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、如何利用实时监控系统，在消耗较低资源的前提下，快速对运行数据进行分析和计算，是解决对水电站总有功功率的允许调节范围进行快速计算的关键。而本发明提供的保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法，通过提出总约束条件，然后通过设置包括T₁、二维变量Z₀’、二维变量Z₁至Z_n、时间参数T₂，实现在占用较少变量、快速生成满足比总约束条件更严格的“下游水位变幅在T₂×n到T₂×(n+1)中的某一随机时间内不超过某一数值”的下泄流量允许范围；实现了在消耗较低资源的前提下，快速对一段时间内的运行数据进行分析和计算。

合理选择周期时间T₂，既可以极大减少运算过程中生成的变量数量，又不过分降低功率调节的灵活性。T₂代表了Z₁至Z_n每一个二维变量中数据所体现的约束时间长度，为体现过去T₁时间内下游水位对下泄流量允许范围的共同约束，T₂不能太短，否则会造成本发明的功能在计算过程中生成过多变量，对实时监控系统造成沉重负担；也不能太长，T₂过长会降低功率调节的灵活性。

例如景洪电站要求下游水位变幅1小时内不超过1米，本发明选择周期时间T₂为5分钟时，临时存储的变量不超过30个，而实现的效果是保障景洪电站下游水位在60分钟到65分钟这一随机变化的时间段内的水位变幅不超过1米，极为接近原始的安全约束条件。

2、本发明的保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法，无需调用历史存储数据，可以完全部署在实时监控系统上，能够满足水电站网络安全防护要求。

3、本发明的保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法，对于机组耗水率不同的水电站，采用了根据处于发电状态各机组耗水率加权平均值来近似估计水电站实际耗水率的方式，并引入水电站总输出功率与发电状态各机组额定功率总和的比例值作为权重参数对近似估计可能产生的误差进行补偿，从而在不提高运算复杂性的前提下，保证了发电流量的控制精度。

附图说明

图1为本发明的方法的主流程图示意图；

图2为近期约束下的下泄流量允许范围运算逻辑图；

图3为各泄洪闸门建模并计算泄洪流量逻辑示意图；

图4为景洪电厂最大流量允许变幅与下泄流量的线性拟合函数关系图；

图5为近期约束下的下泄流量允许范围转存流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明提供的保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法，包括以下操作：

S1000)基于水电站下游水位稳定形成总约束条件：下游水位变幅在T₁时间内不超过h，对于h通过未来下游水位与当前下游水位的差值来约束，并体现为实时约束下的下泄流量允许范围Z₀’；Z₀’为二维变量，包括实时约束下的下泄流量允许范围下限Z₀’(1)和实时约束下的下泄流量允许范围上限Z₀’(2)；

S2000)根据水电站实时运行数据，计算实时约束下的下泄流量允许范围Z₀’，通过Z₀’以及水电站默认下泄流量允许范围不断取交集，得到表示近期约束下的下泄流量允许范围的二维变量Z₀；

S3000)将Z₀中的数据每隔固定周期T₂转存入二维变量Z₁至Z_n中的某一个变量Z_j，作为历史约束下的下泄流量允许范围；转存后清空Z₀；

S4000)根据近期约束下的下泄流量允许范围Z₀，以及历史约束下的下泄流量允许范围Z₁至Z_n，计算得到实时控制命令需要保证的下泄流量允许范围Z；Z为二维向量，包括控制命令需要保证的下泄流量允许范围下限Z(1)和控制命令需要保证的下泄流量允许范围上限Z(2)；

S5000)根据实时控制命令需要保证的下泄流量允许范围Z、以及当前水电站泄洪流量H计算得到发电流量允许范围F；

再根据发电流量允许范围F和发电状态机组耗水率计算得出水电站总输出功率的允许调节范围。

下面结合附图和实施例对每个步骤进行具体的说明。

如图1所示，保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法，包括以下步骤：

S1000)设置以下重要的时间参数和二维变量，包括：

S1110)设置时间参数T₁，本方法的目的是为了保证水电站下游水位稳定，该目的形成了总约束条件“下游水位变幅在某段时间内不超过某一数值(h)”，该总约束条件包含了一个时间参数即“某段时间T₁”和一个变幅参数即“某一数值(h)”。时间参数T₁即代表了该总约束条件包含的时间参数，本实施例以景洪电站为工程背景，要求景洪电站下游水位在1小时内变幅不超过1米，则时间参数T₁设置为1小时或60分钟。

S1120)设置二维变量Z₀’，Z₀’存储实时约束下的下泄流量允许范围，Z₀’(1)为实时约束下的下泄流量允许范围下限，Z₀’(2)为实时约束下的下泄流量允许范围上限。

对实时约束下的下泄流量允许范围解释如下：如前S1110所述的总约束条件为“下游水位变幅在T₁时间内不超过某一数值”，其蕴含的要求是：

1)以某一时间点的下游水位为基准，其后T₁时间内的下游水位与该时间点的下游水位差值不能超过总约束条件数值；

2)在对发电机组和泄洪闸门的控制中，在每一个控制命令发出前，要保证该控制命令引起的下泄流量变化以及由此而导致的下游水位变化，不会导致未来下游水位与当前下游水位的差值，以及未来下游水位与过去T₁时间内的所有时间点的下游水位的差值超过总约束条件数值，其中前者即“未来下游水位与当前下游水位的差值”所约束形成的控制命令可能导致下泄流量变化后的允许范围，就构成了实时约束下的下泄流量允许范围；

S1130)设置二维变量Z₀、二维变量Z₁至Z_n、时间参数T₂，其目的是：为实现S1120所述“保证控制命令引起的下泄流量变化以及由此而导致的下游水位变化，不会导致未来下游水位与过去T₁时间内的所有时间点的下游水位的差值超过总约束条件数值”；

常规技术方案是将实时约束下的下泄流量允许范围保存T₁时间，并对所有保存的下泄流量允许范围取交集，然而这种方法在T₁较长的情况下将占用大量的变量，例如景洪电站要求1小时内的水位变幅不超过1米，如果每秒钟生成1个实时约束下的下泄流量允许范围，则将最少占用3600个二维变量。为克服占用过多变量的缺陷，本发明通过设置二维变量Z₀、二维变量Z₁至Z_n、时间参数T₂，实现了一种占用较少变量的计算。具体包括：

S1131)设置二维变量Z₀

Z₀存储近期约束下的下泄流量允许范围，Z₀(1)为近期约束下的下泄流量允许范围下限，Z₀(2)为近期约束下的下泄流量允许范围上限；

变量Z₀中的数据通过对S1120所述的实时约束下的下泄流量允许范围以及水电站默认下泄流量允许范围(上限为防洪条件所允许的水电站最大下泄流量，下限为下游通航及生态需要的最小下泄流量)不断取交集得到(具体计算方式见后文S2000)；

变量Z₀中的数据每隔固定周期转存入变量Z₁至Z_n中的某一个变量并清空变量Z₀，由于Z₀中的数据体现了变量Z₀最近一次转存并清空直至当前的水电站下游水位的稳定性约束，因此称为近期约束下的下泄流量允许范围；

S1132)设置时间参数T₂

T₂是S1131所述对变量Z₀中的数据转存并清空的固定周期时间，本发明为实现S1120所述“保证控制命令引起的下泄流量变化以及由此而导致的下游水位变化，不会导致未来下游水位与过去T₁时间内的所有时间点的下游水位的差值超过总约束条件数值”，即体现过去T₁时间内下游水位对下泄流量允许范围的共同约束，需要调用Z₀中的数据以及过去T₁时间内如S1131所述转存进Z₁至Z_n的数据。

对时间参数T₂形成了如下要求：

1)不能太短，T₂代表了Z₁至Z_n每一个二维变量中数据所体现的约束时间长度，为体现过去T₁时间内下游水位对下泄流量允许范围的共同约束，必须要求T₁÷T₂+1>n≥T₁÷T₂，因此如果T₂过短会造成本发明的功能在计算过程中生成过多变量，对实时监控系统造成沉重负担；

2)不能太长，因为体现过去T₁时间内下游水位对下泄流量允许范围的共同约束，需要调用Z₀中的数据以及过去T₁时间内如S1131所述转存进Z₁至Z_n的数据，其中Z₁至Z_n每一个二维变量中数据所体现的约束时间长度是T₂，Z₀变量中数据所体现的约束时间长度则是随机的，是0到T₂中的某一随机值，取决于Z₀变量最近一次转存并清空直至当前的时间长度，因此本发明实际实现的是“下游水位变幅在T₂×n到T₂×(n+1)中的某一随机时间内不超过某一数值”的功能，比S1110所述的总约束条件即“下游水位变幅在T₁时间内不超过某一数值”更加严格，因此如果T₂过长会降低功率调节的灵活性；

3)从以上两点所述内容还不难看出，由于n代表了变量数量，必须为整数，且T₁÷T₂+1>n≥T₁÷T₂，所以T₂最好应能被T₁整除。

在满足以上三点要求的前提下，T₂的设置具有一定的主观性和灵活性，例如当T₁为1小时，如果T₂取值时间为5分钟，则n为12，Z₁至Z_n使用了12个变量，实际实现的功能为“下游水位变幅在至多65分钟、至少60分钟内变幅不超过某一数值”，然而T₂取值时间为6分钟或4分钟也是可以的，且与T₂取值时间为5分钟相比，三者并没有明显的优劣性分别，本实施例设置T₂为5分钟；

S1133)设置二维变量Z₁至Z_n

设置二维变量Z₁至Z_n接收如S1131所述从变量Z₀转存出的数据：

在第x次转存时，变量Z₀的数据转存至Z_y，其中y为x除以n所得的余数，例如第1次、第n+1次、第2n+1次转存时变量Z₀的数据均转存至Z₁，由于Z₁至Z_n所存储数据的非实时性，因此将其称为历史约束下的下泄流量允许范围。本实施例中T₁为60分钟，T₂为5分钟，因此n等于12。

S2000)根据实时运行数据，计算实时约束下的下泄流量允许范围，进而得到近期约束下的下泄流量允许范围，并存入变量Z₀；其主要运算逻辑如图2所示(图中的max[]表示取最大值函数，min[]表示取最小值函数)，具体包括以下操作：

S2100)按照固定频率或按照系统平台执行运算任务的频率循环运行后续步骤，并为该频率设置变量u，本实施例设置频率u为0.5次/秒，即每2秒执行一次；

S2200)循环第一次执行时，设置变量m，变量m的初始值为0；

S2300)将变量m的数值加1后，对变量m进行判断，当m≤1时，重置变量Z₀，将范围上限Z₀(2)设置为防洪条件所允许的水电站最大下泄流量，范围下限Z₀(1)设置为下游通航及生态需要的最小下泄流量；当m>1时，跳过本步骤不执行；

防洪条件所允许的水电站最大下泄流量以及下游通航及生态需要的最小下泄流量通常由相关职能管理部门公布或告知水电站运行管理机构；本实施例分别采用：下游通航及生态需要的最小下泄流量为504m³/s，防洪条件所允许的水电站最大下泄流量为3000m³/s；

S2400)根据各机组当前水头下的耗水率和有功功率，计算各机组发电流量，目前行业内的泛用公式为

再累加各机组发电流量得到水电站发电流量；其中p_i为机组i的有功功率，δ_i为机组i的耗水率，q_i为机组i的发电流量，

为机组i的空载流量；

S2500)根据各泄洪闸门实际开度计算各泄洪闸门流量，并累加得到水电站泄洪流量，可以按照现有技术计算各泄洪闸门流量；

或者，如图3所示，对各泄洪闸门建模并按照S2510)～S2590)计算泄洪流量。

S2600)将S2400所得水电站发电流量和S2500所得水电站泄洪流量相加，得到水电站当前下泄流量Q；

S2700)根据当前下泄流量Q，基于当前下泄流量与最大流量允许变幅的对应关系表(水文部门提供)，采用线性拟合的方式，以当前下泄流量Q作为自变量，计算最大允许下泄流量变幅ΔQ，以景洪电厂为例，下泄流量与每小时最大流量允许变幅的对应关系如表1所示，则采用线性拟合后，得到最大流量允许变幅与下泄流量的函数关系如图4所示。

表1景洪电厂下泄流量与每小时最大流量允许变幅关系表

下泄流量(m<sup>3</sup>/s)	504	800	1000	1520	2000	3000
							流量变幅(m<sup>3</sup>/s)	193	286	321	393	432	529

S2800)根据当前下泄流量Q和最大允许下泄流量变幅ΔQ，得到实时约束下的下泄流量允许范围Z₀ ’，其中实时约束下的下泄流量允许范围上限Z ₀ ’

(2)＝Q+ΔQ，下限Z₀ ’(1)＝Q-ΔQ；

S2900)将Z₀ ’和Z₀取交集，得到近期约束下的下泄流量范围并赋值入Z₀，即Z₀＝Z₀ ’∩Z₀，如果Z₀为空集，则将近期约束下的下泄流量允许范围

Z₀的上下限均设置为下泄流量Q。

其中，上述的泄洪流量的计算包括：

S2510)将泄洪闸门在不同水头、不同开度下，所对应泄洪流量的试验数据，整理为泄洪闸门的水头、开度、流量关系表，其中水头从低到高排列，每个水头下包含元素一一对应的泄洪闸门开度和泄洪流量两个向量；

S2520)将S2510所得泄洪闸门的水头、开度、流量关系表进行分解，根据关系表在不同水头下的特征差异，以及建模结果的有效度，将关系表从最低水头到最高水头分解为若干部分，并分别建模处理；

S2530)基于线性代数的最小二乘及多重回归方法，对于S2520划分的各部分水头、开度、流量关系表，建立闸门泄洪流量对于水头、闸门开度的二元多次显函数方程；

S2540)对于S2520划分的各部分水头、开度、流量关系表，根据最大闸门开度识别、以及进行趋同处理后的各水头对应的泄洪闸门最大有效开度，建立泄洪闸门最大有效开度对应水头的一元多次显函数方程；

S2550)将S2530、S2540得出的方程进行整合，得到包括泄洪闸门最大有效开度、最大泄洪流量等参数在内的泄洪闸门模型；

S2560)对S2550所得泄洪闸门模型的有效性进行验证；

S2570)根据S2560的验证结果决定是否矫正建模过程和建模结果；

S2580)在水头确定的情况下，如果泄洪闸门开度大于或等于S2550所得泄洪闸门最大有效开度，则泄洪流量等于S2550所得泄洪闸门最大泄洪流量；

S2590)在水头确定的情况下，如果泄洪闸门开度小于或等于S2550所得泄洪闸门最大有效开度，则泄洪流量等于将水头和闸门开度代入S2530得出的二元多次方程后计算出的结果。

S3000)按固定周期，将近期约束下的下泄流量允许范围Z₀转存为历史约束下的下泄流量允许范围，具体包括(如图5所示)：

S3100)设置变量j，变量j的初始值为1；

S3200)按照与S2100的相同频率u循环不断对S2200生成的变量m进行判断，当m发生变化且m大于或等于T₂×u时，则在S2000运行至周期结束，即S2900运行结束后，进行以下步骤S3210～S3220：

S3210)将Z₀赋值入Z_j，并将变量m设置为0；

S3220)对变量j进行判断，当j＜n时，j＝j+1，否则j＝1。

本实施例以景洪电厂为例，本发明方法运行前10分钟(11:20:00～11:30:00)近期约束下的下泄流量范围计算及转存，如表2所示，其中ΔQ根据表1及图4接线性拟合的方法计算，T₂×u＝5×60×0.5＝150，下游通航及生态需要的最小下泄流量为504m³/s，防洪条件所允许的水电站最大下泄流量为3000m³/s：

表2景洪电厂近期约束下的下泄流量范围计算及转存示意表

S4000)根据近期约束下的泄流量允许范围Z₀，以及历史约束下的下泄流量允许范围Z₁至Z_n，计算得到控制命令需要保证的下泄流量允许范围Z，具体包括：

S4100)对历史约束下的下泄流量允许范围Z₁至Z_n进行判断，如果其中有未填充的变量，则下泄流量允许范围Z的上下限均为当前下泄流量Q；

S4200)对历史约束下的下泄流量允许范围Z₁至Z_n进行判断，如果其中没有未填充的变量，则下泄流量允许范围Z为Z₀至Z_n取交集，即Z＝Z₀∩Z₁∩…∩…Z_n，其中Z为二维向量，Z(1)为控制命令需要保证的下泄流量允许范围下限，Z(2)为控制命令需要保证的下泄流量允许范围上限，如果Z为空集，则将控制命令需要保证的下泄流量允许范围Z的上下限均设置为下泄流量Q。

S5000)根据控制命令需要保证的下泄流量允许范围Z，计算得出水电站总输出功率的允许调节范围，包括：

S5100)按照S2500方法根据当前各泄洪闸门开度和水头，计算当前水电站泄洪流量H；

S5200)计算发电流量允许范围F，F为二维变量，发电流量允许范围下限F(1)＝Z(1)－H，发电流量允许范围上限F(2)＝Z(2)－H；

S5300)根据发电状态机组耗水率一致和发电状态机组耗水率不同两种情况，采用不同的后续计算步骤；

S5400)对于发电状态机组耗水率一致的水电站，按照S5410)～S5422)计算：

S5410)计算水电站耗水率加权平均值δ＝δ_i，式中δ为水电站耗水率加权平均值，δ_i为任意一台处于发电状态机组的耗水率；

S5420)根据发电流量允许范围F计算水电站总输出功率的允许调节范围G，包括：

S5421)水电站总输出功率的允许调节范围下限：

式中k为水电站机组数量，θ_i为机组i的发电标识，当机组i处于发电状态时θ_i为1，否则θ_i为0，λ_i为机组i的空载标识，当机组i处于空载状态时λ_i为1，否则λ_i为0，

为机组i的空载流量；

S5422)水电站总输出功率的允许调节范围上限：

S5500)对于发电状态机组耗水率不同的水电站，按照S5510)～S5522)计算：

S5510)计算各发电机组耗水率的加权平均值：

式中r_i为机组i在当前水头下的额定功率；

S5520)根据发电流量允许范围F计算水电站总输出功率的允许调节范围G，由于各机组耗水率不一致以及实际运行工况的可能差异，以下步骤所得结果具有在可接受程度内的一定误差：

S5521)控制命令需要保证的水电站总输出功率的允许调节范围下限：

式中δ_min为处于发电状态的耗水率最小机组的耗水率，ω为人为设置的表示由于有功功率实际分配方式而导致的水电站实际耗水率相对各发电机组耗水率的加权平均值的可能偏离系数，ω≤1，p_i为机组i的有功功率；

S5522)控制命令需要保证的水电站总输出功率的允许调节范围上限：

式中δ_max为处于发电状态的耗水率最大机组的耗水率。

S5521及S5520的公式体现了在机组耗水率不一致的情况下，对实际运行工况可能导致的理想发电流量与实际发电流量发生之间误差的一种补偿，当各机组接近满发，即实际有功功率接近额定功率时，各机组功率必然按照接近于额定功率比值的方式进行分配，此时可以认为理想发电流量接近于实际发电流量；但是当水电站总输出功率较小时，就需要考虑机组间功率分配随机性所可能造成的耗水差异，例如耗水率较大机组承担较高功率时，造成的实际发电流量正向偏差，或耗水率较小机组承担较高功率时，造成的实际发电流量负向偏差。如本实施例设置ω＝1，则S5521及S5520的公式在两种极端情况下的实际计算效果分别为：

1)各机组实际有功功率均达到额定功率时：

2)各机组实际有功功率均为0时：

本发明通过合理选择周期时间T₂，既可以极大减少运算过程中生成的变量数量，又不过分降低功率调节的灵活性，例如要求水电站下游水位在60分钟内水位变幅不超过1米，在选择周期时间T₂为5分钟时，临时存储的变量不超过30个，而实现的效果是保障下游水位在60分钟到65分钟这一随机变化的时间段内的水位变幅不超过1米，极为接近原始的安全约束条件。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都在要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法，其特征在于，包括以下操作：

S1000)基于水电站下游水位稳定形成总约束条件：下游水位变幅在T₁时间内不超过h，对于h通过未来下游水位与当前下游水位的差值来约束，并体现为实时约束下的下泄流量允许范围Z₀’；Z₀’为二维变量，包括实时约束下的下泄流量允许范围下限Z₀’(1)和实时约束下的下泄流量允许范围上限Z₀’(2)；

S2000)根据水电站实时运行数据，计算实时约束下的下泄流量允许范围Z₀’，通过Z₀’以及水电站默认下泄流量允许范围不断取交集，得到表示近期约束下的下泄流量允许范围的二维变量Z₀；

S3000)将Z₀中的数据每隔固定周期T₂转存入二维变量Z₁至Z_n中的某一个变量Z_j，作为历史约束下的下泄流量允许范围；转存后清空Z₀；

S4000)根据近期约束下的下泄流量允许范围Z₀，以及历史约束下的下泄流量允许范围Z₁至Z_n，计算得到实时控制命令需要保证的下泄流量允许范围Z；Z为二维向量，包括控制命令需要保证的下泄流量允许范围下限Z(1)和控制命令需要保证的下泄流量允许范围上限Z(2)；

S5000)根据实时控制命令需要保证的下泄流量允许范围Z、以及当前水电站泄洪流量H计算得到发电流量允许范围F；

再根据发电流量允许范围F和发电状态机组耗水率计算得出水电站总输出功率的允许调节范围。

2.如权利要求1所述的保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法，其特征在于，所述总约束条件：下游水位变幅在T₁时间内不超过h，其蕴含的要求包括：

1)以某一时间点的下游水位为基准，其后的T₁时间内的下游水位与该时间点的下游水位差值不能超过总约束条件数值h；

2)在对发电机组和泄洪闸门的控制中，在每一个控制命令发出前，要保证该控制命令引起的下泄流量变化以及由此而导致的下游水位变化，不会导致未来下游水位与当前下游水位的差值、以及未来下游水位与过去T₁时间内的所有时间点的下游水位的差值，超过总约束条件数值h；其中未来下游水位与当前下游水位的差值约束，约束了实时约束下的下泄流量；

所述二维变量Z₀，包括近期约束下的下泄流量允许范围下限Z₀(1)和近期约束下的下泄流量允许范围上限Z₀(2)；

所述水电站默认下泄流量允许范围为：上限为防洪条件所允许的水电站最大下泄流量，下限为下游通航及生态需要的最小下泄流量。

3.如权利要求1或2所述的保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法，其特征在于，通过Z₀按固定周期T₂转存为Z₁至Z_n，将总约束条件变更为：下游水位变幅在T₂×n到T₂×(n+1)中的某一随机时间内不超过h；

所述的时间参数T₂代表了Z₁至Z_n每一个二维变量中数据所体现的约束时间长度，为体现过去T₁时间内下游水位对下泄流量允许范围的共同约束，对其要求如下：

1)T₂要求T₁÷T₂+1>n≥T₁÷T₂；n代表了变量数量，须为整数，T₂应能被T₁整除；

2)T₂不小于2min，避免生成过多变量形成实时监控的负担；且T₂不大于10min以保持功率调节的灵活性；

所述二维变量Z₁至Z_n接收从变量Z₀转存出的数据，在第x次转存时，变量Z₀的数据转存至Z_y，其中y为x除以n所得的余数。

4.如权利要求1所述的保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法，其特征在于，二维变量Z₀是以固定频率或实时监控系统平台执行运算任务的频率循环计算Z₀，计算步骤如下：

S2200)第一次执行时，设置循环变量m，变量m的初始值为0；

S2300)将变量m的数值加1后，对变量m进行判断，当m≤1时，重置变量Z₀，将范围上限Z₀(2)设置为防洪条件所允许的水电站最大下泄流量，范围下限Z₀(1)设置为下游通航及生态需要的最小下泄流量；当m>1时，跳过本步骤不执行；

S2400)根据各机组当前水头下的耗水率和有功功率，通过

计算各机组发电流量，并累加各机组发电流量得到水电站发电流量；其中p_i为机组i的有功功率，δ_i为机组i的耗水率，q_i为机组i的发电流量，

为机组i的空载流量；

S2500)根据各泄洪闸门实际开度计算各泄洪闸门流量，并累加得到水电站泄洪流量；

S2600)将水电站发电流量和水电站泄洪流量相加，得到水电站当前下泄流量Q；

S2700)根据当前下泄流量Q，基于当前下泄流量与最大流量允许变幅的对应关系表，采用线性拟合的方式，以当前下泄流量Q作为自变量，计算得到最大允许下泄流量变幅ΔQ；

S2800)根据当前下泄流量Q和最大允许下泄流量变幅ΔQ，得到实时约束下的下泄流量允许范围Z₀’，其中实时约束下的下泄流量允许范围上限Z₀’(2)＝Q+ΔQ，下限Z₀’(1)＝Q－ΔQ；

S2900)将Z₀’和Z₀取交集，得到近期约束下的下泄流量范围并赋值入Z₀，即Z₀＝Z₀’∩Z₀；如果Z₀为空集，则将近期约束下的下泄流量允许范围Z₀的上下限均设置为下泄流量Q。

5.如权利要求1或4所述的保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法，其特征在于，所述的步骤S3000包括：

S3100)设置变量j，变量j的初始值为1；

S3200)按照与计算Z₀相同的频率u循环对生成的变量m进行判断，当m发生变化且m大于或等于T₂×u时，每当Z₀计算结束后，进行以下步骤S3210～S3220：

S3210)将Z₀赋值入Z_j，并将变量m设置为0；

S3220)对变量j进行判断，当j＜n时，j＝j+1，否则j＝1。

6.如权利要求1所述的保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法，其特征在于，所述的下泄流量允许范围Z计算包括：

S4100)对历史约束下的下泄流量允许范围Z₁至Z_n进行判断，如果其中有未填充的变量，则下泄流量允许范围Z的上下限均为当前下泄流量Q；

S4200)对历史约束下的下泄流量允许范围Z₁至Z_n进行判断，如果其中没有未填充的变量，则下泄流量允许范围Z为Z₀至Z_n取交集，即Z＝Z₀∩Z₁∩…∩…Z_n；如果Z为空集，则将控制命令需要保证的下泄流量允许范围Z的上下限均设置为下泄流量Q。

7.如权利要求1所述的保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法，其特征在于，所述的步骤S5000包括：

S5100)根据当前各泄洪闸门开度和水头，计算当前水电站泄洪流量H；

S5200)计算发电流量允许范围F，F为二维变量，其中发电流量允许范围下限F(1)＝Z(1)－H，发电流量允许范围上限F(2)＝Z(2)－H；

S5300)若发电状态机组耗水率一致则按照以下步骤计算：

S5410)计算水电站耗水率加权平均值δ＝δ_i，式中δ为水电站耗水率加权平均值，δ_i为任意一台处于发电状态机组的耗水率；

S5420)根据发电流量允许范围F计算水电站总输出功率的允许调节范围G，包括水电站总输出功率允许调节范围下限和上限：

水电站总输出功率的允许调节范围下限为：

水电站总输出功率的允许调节范围上限为：

式中k为水电站机组数量；θ_i为机组i的发电标识，当机组i处于发电状态时θ_i为1，否则θ_i为0；λ_i为机组i的空载标识，当机组i处于空载状态时λ_i为1，否则λ_i为0；

为机组i的空载流量。

8.如权利要求7所述的保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法，其特征在于，对于发电状态机组耗水率不同的水电站，则按照以下步骤计算：

S5510)计算各发电机组耗水率的加权平均值：

式中r_i为机组i在当前水头下的额定功率；

S5520)根据发电流量允许范围F计算水电站总输出功率的允许调节范围G，包括水电站总输出功率允许调节范围下限和上限：

控制命令需要保证的水电站总输出功率的允许调节范围下限：

式中δ_min为处于发电状态的耗水率最小机组的耗水率，ω为表示由于有功功率实际分配方式而导致的水电站实际耗水率相对各发电机组耗水率的加权平均值的可能偏离系数，ω≤1，p_i为机组i的有功功率；

控制命令需要保证的水电站总输出功率的允许调节范围上限：

式中δ_max为处于发电状态的耗水率最大机组的耗水率；

所得结果具有在可接受程度内的误差。

9.如权利要求4或7所述的保证下泄流量和下游水位稳定性的水电站输出功率实时控制方法，其特征在于，所述泄洪流量的计算包括：

S2510)将泄洪闸门在不同水头、不同开度下，所对应泄洪流量的试验数据，整理为泄洪闸门的水头、开度、流量关系表，其中水头从低到高排列，每个水头下包含元素一一对应的泄洪闸门开度和泄洪流量两个向量；

S2520)将S2510所得泄洪闸门的水头、开度、流量关系表进行分解，根据关系表在不同水头下的特征差异，以及建模结果的有效度，将关系表从最低水头到最高水头分解为若干部分，并分别建模处理；

S2530)基于线性代数的最小二乘及多重回归方法，对于S2520划分的各部分水头、开度、流量关系表，建立闸门泄洪流量对于水头、闸门开度的二元多次显函数方程；

S2540)对于S2520划分的各部分水头、开度、流量关系表，根据最大闸门开度识别、以及进行趋同处理后的各水头对应的泄洪闸门最大有效开度，建立泄洪闸门最大有效开度对应水头的一元多次显函数方程；

S2550)将S2530、S2540得出的方程进行整合，得到包括泄洪闸门最大有效开度、最大泄洪流量等参数在内的泄洪闸门模型；

S2560)对S2550所得泄洪闸门模型的有效性进行验证；

S2570)根据S2560的验证结果决定是否矫正建模过程和建模结果；

S2580)在水头确定的情况下，如果泄洪闸门开度大于或等于S2550所得泄洪闸门最大有效开度，则泄洪流量等于S2550所得泄洪闸门最大泄洪流量；

S2590)在水头确定的情况下，如果泄洪闸门开度小于或等于S2550所得泄洪闸门最大有效开度，则泄洪流量等于将水头和闸门开度代入S2530得出的二元多次方程后计算出的结果。

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