CN114781682B - 基于变库容法的水库调峰增加出力坝前水位变化预测方法 - Google Patents

基于变库容法的水库调峰增加出力坝前水位变化预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于变库容法的水库调峰增加出力坝前水位变化预测方法，它包括如下步骤：步骤1）、收集电站运行数据，计算调峰前后水库出入库流量数据；步骤2）、收集水库河道长度、水深特征数据，计算水库分段库容；步骤3）、计算电站维持调峰前出力，在调峰时段内水库出入库差水量引起的水位变化值；步骤4）、计算逐时段由调峰增加出力引起的水量变化值；步骤5）、计算逐时段坝前水位的变化值；步骤6）、将步骤3）、步骤5）计算的水位变化值相加，计算调峰增加出力坝前水位变化值；本发明可快速判断关键期库水位在调峰增加出力情况下是否有突破安全运行边界的风险，可为实时调度计划调整、水位精确控制提供技术支撑。

Description

基于变库容法的水库调峰增加出力坝前水位变化预测方法
技术领域
本发明属于水库运行控制领域，具体涉及到一种基于变库容法的水库调峰增加出力坝前水位变化预测方法。
背景技术
水库坝前水位是水电站调度运行参考的重要依据，精确预测坝前水位变化趋势可供调度参考，避免水库水位突破安全运行边界产生调度风险。目前水库水位预测主要依据水量平衡原理计算单位时间内水库入库水量、出库水量差值，查算水库库容曲线预测坝前水位变化趋势，大部分水库应用该方法模拟坝前水位具有较高的精度。对于河道型水库而言，电站调峰增加出力将导致坝前水位快速下降，产生跌水现象。在已知入库流量、出库流量的前提下，应用单一库容水量平衡方法模拟河道型水库坝前水位变化趋势，模拟结果存在精度低、误差大的情况。水库一般均承担多项综合任务，特别是在汛期水库运行水位受到严格限制，由于缺乏有效工具精确模拟调峰增加出力坝前水位变化量，为避免电站调峰增加出力跌水导致坝前水位低于死水位的情况发生，在部分关键期通常需协调电网按不调峰方式安排电站发电计划，限制了电站调峰能力，对电力供应造成一定的影响。为此需要研发出一种精度相对较高的电站调增出力坝前水位短时变化趋势的预测方法，以判断在部分关键期库水位在调峰增加出力情况下是否有突破安全运行边界的风险，减少对电网电力供应和水库安全运行造成的不利影响。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于变库容法的水库调峰增加出力坝前水位变化预测方法，能够快速、准确模拟调峰增加出力情况下坝前水位变化趋势。
本发明采取的技术方案为：一种基于变库容法的水库调峰增加出力坝前水位变化预测方法，它包括如下步骤：
步骤1)、收集电站运行数据，计算调峰前后水库出入库流量数据；
步骤2)、收集水库河道长度、水深特征数据，计算水库分段库容；
步骤3)、计算电站维持调峰前出力，在调峰时段内水库出入库差水量引起的水位变化值；
步骤4)、根据调峰量、调峰步长、调峰持续时间，计算逐时段由调峰增加出力引起的水量变化值；
步骤5)、将调峰引起的水量变化值在变化库容间进行分配，计算逐时段坝前水位的变化值；
步骤6)、将步骤3)、步骤5)计算的水位变化值相加，计算调峰增加出力坝前水位变化值。
优选地，所述步骤1)具体包括以下步骤：
步骤1-1)、收集水电站低谷出力N1，高峰出力N2，调峰时段单位时间出力变化值N3，入库流量Q入，调峰增加出力前库水位H1，水位～库容(H～V)曲线数据，发电流量耗水率E耗；
步骤1-2)、依据低谷出力N1，高峰出力N2，耗水率E耗，计算低谷出库流量Q低出(Q低出＝N1*E耗)，高峰出库流量Q高出(Q高出＝N2*E耗)。
更为优选地，所述步骤1-1)中的单位时间以15分钟计算。
优选地，所述步骤2)具体包括以下步骤：
步骤2-1)：根据水库正常蓄水水位h，计算库区洪水波速C，g为重力加速度；
步骤2-2)：根据水库河道长L，波速C，计算库区水流从库尾传播至坝前所需传播时间T2，T2＝L/C；
步骤2-3)：根据传播时间T2，将水库虚拟分为a段，即应用水位～库容(H～V)数据，将库容曲线平均分为a段，获得分段后的水位～库容曲线：(H～V)1、(H～V)2、…、(H～V)a。
更为优选地，所述步骤2-3)中，根据传播时间T2(单位为小时)，每小时将水库虚拟分为1段，则将水库虚拟分为a段后，a的数值与传播时间T2的数值相同。
优选地，所述步骤3)具体包括以下步骤：
步骤3-1)：依据水量平衡原理，计算单位时间内维持低谷出力N1的水库水量变化值V1；计算单位时间内维持N3的水库水量变化值V2；
步骤3-2)：根据库水位初始值H1和水位～库容(H～V)曲线数据，查算曲线计算V1对应的水位变化值△h1。
更为优选地，所述步骤3-1)具体为：依据水量平衡原理，计算单位时间(以15分钟计算)内维持低谷出力N1的水库水量变化值V1，V1＝0.25*3600*(Q入-Q低出)/100000000；计算单位时间内维持N3的水库水量变化值V2，V2＝0.25*3600*(N3*E耗)/100000000。
优选地，所述步骤4)具体包括以下步骤：
步骤4-1)：根据调峰前库水位H1、分段水位～库容曲线(H～V)1、(H～V)2、…、(H～V)a，计算在水位H1边界下1米水位对应的分段库容V1'、V2'、…、Va'；
步骤4-2)：根据N1、N2计算调峰时段出力变化量N4，N4＝(N2-N1)，计算调峰时段调峰出力持续时段数m，m＝(N4/N3)，调峰持续时间T3，T3＝m*0.25；
步骤4-3)：根据调峰时段出力变化量N4、调峰持续时间T3、调峰出力持续时段数m、单位时间内维持N3的水库水量变化值V2，计算调峰增加出力持续1h、2h、…、T3影响水量其中/>(t∈[0,T3])。
优选地，所述步骤5)具体包括以下步骤：
步骤5-1)：根据调峰持续时间T3，确定调峰影响分段库容段数b，b＝[T3]+1；
步骤5-2)：根据调峰影响分段库容段数b、调峰持续时间T3，确定逐时段变化后库容V1”'、V2”'、…、Vb”'，其中V1”'＝V1'、V2”'＝V1”'+V2'、…、Vb”'＝V'b-1”+Vb'；
步骤5-3)：根据调峰持续时间T3，计算逐时段库水位变化量h1'、h2'、…、hb',其中ht'＝(Vt"/Vt”')，(t∈[0,T3])；
优选地，所述步骤6)具体包括以下步骤：
步骤6-1)：计算调峰增加出力坝前水位变化值△h，
本发明相比于现有技术方案，具有以下优点：本发明所提出的预测方法不需要额外的观测数据，只需要将变库容法应用在水位模拟过程中，计算调峰增加出力逐时段影响水量在变化库容间的分配，避免了复杂耗时的数学模型计算，提高了预测精度，可快速判断关键期库水位在调峰增加出力情况下是否有突破安全运行边界的风险，可为实时调度计划调整、水位精确控制提供技术支撑。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为实施例的某水库2021年6月9日6时15分调峰增加出力坝前水位变库容方法预测图；
图3为实施例的某水库2021年6月9日6时15分调峰增加出力坝前水位传统单一库容方法预测图；
图4为不同方法预测调峰增加出力时段内坝前水位预测结果和实况变化值对比图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于变库容法的水库调峰增加出力坝前水位变化预测方法，它包括如下步骤：
步骤1)、收集电站运行数据，计算调峰前后水库出入库流量数据；
步骤2)、收集水库河道长度、水深特征数据，计算水库分段库容；
步骤3)、计算电站维持调峰前出力，在调峰时段内水库出入库差水量引起的水位变化值；
步骤4)、根据调峰量、调峰步长、调峰持续时间，计算逐时段由调峰增加出力引起的水量变化值；
步骤5)、将调峰引起的水量变化值在变化库容间进行分配，计算逐时段坝前水位的变化值；
步骤6)、将步骤3)、步骤5)计算的水位变化值相加，计算调峰增加出力坝前水位变化值。
优选地，所述步骤1)具体包括以下步骤：
步骤1-1)、收集水电站低谷出力N1，高峰出力N2，调峰时段单位时间出力变化值N3，入库流量Q入，调峰增加出力前库水位H1，水位～库容(H～V)曲线数据，发电流量耗水率E耗；
步骤1-2)、依据低谷出力N1，高峰出力N2，耗水率E耗，计算低谷出库流量Q低出(Q低出＝N1*E耗)，高峰出库流量Q高出(Q高出＝N2*E耗)。
更为优选地，所述步骤1-1)中的单位时间以15分钟计算。
优选地，所述步骤2)具体包括以下步骤：
步骤2-1)：根据水库正常蓄水水位h，计算库区洪水波速C，g为重力加速度；
步骤2-2)：根据水库河道长L，波速C，计算库区水流从库尾传播至坝前所需传播时间T2，T2＝L/C；
步骤2-3)：根据传播时间T2，将水库虚拟分为a段，即应用水位～库容(H～V)数据，将库容曲线平均分为a段，获得分段后的水位～库容曲线：(H～V)1、(H～V)2、…、(H～V)a。
更为优选地，所述步骤2-3)中，根据传播时间T2(单位为小时)，每小时将水库虚拟分为1段，则将水库虚拟分为a段后，a的数值与传播时间T2的数值相同。
优选地，所述步骤3)具体包括以下步骤：
步骤3-1)：依据水量平衡原理，计算单位时间内维持低谷出力N1的水库水量变化值V1；计算单位时间内维持N3的水库水量变化值V2；
步骤3-2)：根据库水位初始值H1和水位～库容(H～V)曲线数据，查算曲线计算V1对应的水位变化值△h1。
更为优选地，所述步骤3-1)具体为：依据水量平衡原理，计算单位时间(以15分钟计算)内维持低谷出力N1的水库水量变化值V1，V1＝0.25*3600*(Q入-Q低出)/100000000；计算单位时间内维持N3的水库水量变化值V2，V2＝0.25*3600*(N3*E耗)/100000000。在本实施例中，上述常数单位分别为0.25小时，3600秒，100000000立方米。
优选地，所述步骤4)具体包括以下步骤：
步骤4-1)：根据调峰前库水位H1、分段水位～库容曲线(H～V)1、(H～V)2、…、(H～V)a，计算在水位H1边界下1米水位对应的分段库容V1'、V2'、…、Va'；
步骤4-2)：根据N1、N2计算调峰时段出力变化量N4，N4＝(N2-N1)，计算调峰时段调峰出力持续时段数m，m＝(N4/N3)，调峰持续时间T3，T3＝m*0.25；
步骤4-3)：根据调峰时段出力变化量N4、调峰持续时间T3、调峰出力持续时段数m、单位时间内维持N3的水库水量变化值V2，计算调峰增加出力持续1h、2h、…、T3影响水量其中/>
优选地，所述步骤5)具体包括以下步骤：
步骤5-1)：根据调峰持续时间T3，确定调峰影响分段库容段数b，b＝[T3]+1；
步骤5-2)：根据调峰影响分段库容段数b、调峰持续时间T3，确定逐时段变化后库容V1”'、V2”'、…、Vb”'，其中V1”'＝V1'、V2”'＝V1”'+V2'、…、Vb”'＝V'b-1”+Vb'；
步骤5-3)：根据调峰持续时间T3，计算逐时段库水位变化量h1'、h2'、…、hb',其中ht'＝(Vt"/Vt”')，(t∈[0,T3])；
优选地，所述步骤6)具体包括以下步骤：
步骤6-1)：计算调峰增加出力坝前水位变化值△h，
本实施例提出的基于变库容法的水库调峰增加出力坝前水位变化预测方法，主要应用在具有一定运行历史的河道型水库中。我们选择某典型河道型水库，该水库是以防洪为主，兼有发电、航运等多功能的综合利用水利枢纽，库区水面长度近600公里，是典型的河道型水库。汛期水库不承担防洪任务时需控制坝前水位在145米附近运行，由于缺乏有效的技术手段对水电站调峰增加出力情况下坝前水位变化过程进行预测，为避免调峰增加出力导致坝前水位快速下跌低于145米突破安全运行边界，调度运行单位通常建议电网按少发调峰或不调峰方式安排发电计划，对电站调峰性能有较大的制约。部分关键期为避免坝前库水位低于死水位突破安全运行边界，在人工监视库水位接近死水位时需申请修改水电站发电计划。该电站在全国电网互联格局中处于中心位置，其投产运行向华中、华东和南方电网送电，有效缓解了受电区域用电紧张局面。因此实时运行过程中对电站电力质量与发电量提出了较高的要求，电站需深度参与电力系统调峰运行。为此实例选择水库，对电站调峰增加出力坝前水位变化趋势进行预测，判断库水位是否有突破安全运行边界的风险。
如图1所示，基于变库容法的水库调峰增加出力坝前水位变化预测方法，包括以下步骤：
步骤1，收集电站运行数据、水库特征数据，形成数据集。根据水库历史运行情况，收集某水库调峰增加出力期间的相关数据。
实施例收集2021年6月9日6时15分至2021年6月9日8时00分某水库运行数据，包括入库流量、调峰前出力、15分钟调峰出力变化量、调峰持续时间、调峰前坝前水位数据、某水库特征数据。
将收集数据进行处理，按步骤2至步骤6流程进行执行。
步骤2，利用水库特征数据计算分段库容数据，某水库水位运行范围145m～175m，库区河道长度320～440km，计算不同水位下库区水流从库尾传至坝前时间为8～12。在145m附近运行时库区水流从库尾传至坝前为8h，根据传播时间将水库库容按8段进行划分。
步骤3，利用数据集计算维持调峰前出力在调峰时段内水库水位变化值，实例时段内水库调峰持续时间1.75h，调峰前水库出力656万kW，调峰前坝前库水位145.56m，流量耗水率14.05(m3/s)/kW.h，入库流量9400m3/s，计算维持调峰前出力在调峰时段内水库水位变化值为0.2cm。
步骤4，利用数据集计算调峰增加出力引起的出库水量变化值，实例时段内水量变化值为0.15553亿m3。计算在1h调峰增加出力引起的出库水量变化值0.060696亿m3，1～1.75h调峰增加出力引起的出库水量变化值0.094838亿m3。
步骤5，水库调峰持续时间1.75h，计算调峰影响库容段数为2。将水量变化值在变库容间进行分配，第1h在第1段库容内进行分配，第1～1.75h在第1段加第2段库容间进行分配，相应0～1h水位变化量12.4cm、1～1.75h水位变化量12.8cm。
步骤6，根据步骤3、步骤4、步骤5计算结果，计算调峰持续时段内坝前水位变化值为25.4cm，相应模拟调峰结束后坝前水位145.31m。
如图2-4所示，本发明根据变库容法计算调峰增加出力坝前水位变化25.4cm，应用传统单一库容法计算调峰增加出力坝前水位变化3.2cm，实况数据统计坝前水位变化23cm。本发明的方法中预测水位误差2.4cm，单一库容法预测水位误差-19.8cm，可以看出本发明的这种变库容法模拟精度较高，因为本发明的方法可以为水库调峰增加出力坝前水位变化趋势预测提供技术支持。
以上详细描述了本发明的预测方法实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，凡在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于变库容法的水库调峰增加出力坝前水位变化预测方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤1)、收集电站运行数据，计算调峰前后水库出入库流量数据；
步骤2)、收集水库河道长度、水深特征数据，计算水库分段库容；
步骤3)、计算电站维持调峰前出力，在调峰时段内水库出入库差水量引起的水位变化值；
步骤4)、根据调峰量、调峰步长、调峰持续时间，计算逐时段由调峰增加出力引起的水量变化值；
步骤5)、将调峰引起的水量变化值在变化库容间进行分配，计算逐时段坝前水位的变化值；
步骤6)、将步骤3)、步骤5)计算的水位变化值相加，计算调峰增加出力坝前水位变化值；
所述步骤3)具体包括以下步骤：
步骤3-1)：依据水量平衡原理，计算单位时间内维持低谷出力N1的水库水量变化值V1；计算单位时间内维持N3的水库水量变化值V2；
步骤3-2)：根据库水位初始值H1和水位～库容(H～V)曲线数据，查算曲线计算V1对应的水位变化值Δh1；
所述步骤3-1)具体为：依据水量平衡原理，计算单位时间内维持低谷出力N1的水库水量变化值V1，V1＝0.25*3600*(Q入-Q低出)/100000000；计算单位时间内维持N3的水库水量变化值V2，V2＝0.25*3600*(N3*E耗)/100000000；其中，Q入为入库流量，Q低出为低谷出库流量，E耗为耗水率；
所述步骤4)具体包括以下步骤：
步骤4-1)：根据调峰前库水位H1、分段水位～库容曲线(H～V)1、(H～V)2、…、(H～V)a，计算在水位H1边界下1米水位对应的分段库容V1'、V2'、…、Va'；
步骤4-2)：根据N1、N2计算调峰时段出力变化量N4，N4＝(N2-N1)，计算调峰时段调峰出力持续时段数m，m＝(N4/N3)，调峰持续时间T3，T3＝m*0.25；
步骤4-3)：根据调峰时段出力变化量N4、调峰持续时间T3、调峰出力持续时段数m、单位时间内维持N3的水库水量变化值V2，计算调峰增加出力持续1h、2h、…、T3影响水量其中/>
所述步骤5)具体包括以下步骤：
步骤5-1)：根据调峰持续时间T3，确定调峰影响分段库容段数b，b＝[T3]+1；
步骤5-2)：根据调峰影响分段库容段数b、调峰持续时间T3，确定逐时段变化后库容V1”'、V2”'、…、Vb”'，其中V1”'＝V1'、V2”'＝V1”'+V2'、…、Vb”'＝V′b-1”+Vb'；
步骤5-3)：根据调峰持续时间T3，计算逐时段库水位变化量h1'、h′2、…、h′b,其中h′t＝(Vt"/Vt”')，(t∈[0,T3])；
所述步骤6)具体包括以下步骤：
步骤6-1)：计算调峰增加出力坝前水位变化值Δh，
2.根据权利要求1所述的基于变库容法的水库调峰增加出力坝前水位变化预测方法，其特征在于：所述步骤1)具体包括以下步骤：
步骤1-1)、收集水电站低谷出力N1，高峰出力N2，调峰时段单位时间出力变化值N3，入库流量Q入，调峰增加出力前库水位H1，水位～库容(H～V)曲线数据，发电流量耗水率E耗；
步骤1-2)、依据低谷出力N1，高峰出力N2，耗水率E耗，计算低谷出库流量Q低出(Q低出＝N1*E耗)，高峰出库流量Q高出(Q高出＝N2*E耗)。
3.根据权利要求2所述的基于变库容法的水库调峰增加出力坝前水位变化预测方法，其特征在于：所述步骤1-1)中的单位时间以15分钟计算。
4.根据权利要求1所述的基于变库容法的水库调峰增加出力坝前水位变化预测方法，其特征在于：所述步骤2)具体包括以下步骤：
步骤2-1)：根据水库正常蓄水水位h，计算库区洪水波速C，g为重力加速度；
步骤2-2)：根据水库河道长L，波速C，计算库区水流从库尾传播至坝前所需传播时间T2，T2＝L/C；
步骤2-3)：根据传播时间T2，将水库虚拟分为a段，即应用水位～库容(H～V)数据，将库容曲线平均分为a段，获得分段后的水位～库容曲线：(H～V)1、(H～V)2、…、(H～V)a。
5.根据权利要求4所述的基于变库容法的水库调峰增加出力坝前水位变化预测方法，其特征在于：所述步骤2-3)中，根据传播时间T2，每小时将水库虚拟分为1段，则将水库虚拟分为a段后，a的数值与传播时间T2的数值相同。
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