电站枢纽综合出力系数计算及对调度过程模拟的影响_电站出力系数

　　doi:10.3724/SP.J.1201.2012.01014 　　� 　　摘要：梯级水电站优化调度是当前大型水电枢纽研究的重要课题，调度方案的优劣对水电站发电效益影响很大。在进行调度方案建模过程中，出力计算是其中的核心问题之一，在以往的枢纽优化调度研究中，优化算法的应用研究占绝对的比重，但大都没有对其中建模的细节有过详细的描述，通过对三峡及葛洲坝梯级枢纽运行数据进行分析，给出枢纽出力系数的相关关系，以期对建模及求解提供较为准确的基础数据，同时，采用机组出力系数关系式对出力计算进行模拟，并对结果进行了初步的分析。�
　　关键词：电站枢纽；出力系数；调度模拟；出力计算；粒子群算法；三峡电站；葛洲坝电站�
　　中图分类号：TV131；TM612 文献标识码：A 文章编号：
　　1672-1683（2012）01-0014-04�
　　Calculation of Comprehensive Power Output Coefficient of a Hydropower Station �and Its Effects on Simulating the Regulation Process�
　　LIU Rong-hua，WEI Jia-hua，LI Xiang�
　　(The State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)�
　　Abstract:Optimal operation of the cascaded hydropower station is an important subject for the research on the large hydropower complex,and the quality of the operation scheme can affect significantly the generation benefits of the hydropower station.During the modeling of the operation scheme,calculation of the power outputs is one of the core works.Previous research on the optimal operation of power plants focused on the application of the optimal algorithms,and the development of the model was seldom described.This paper presents the calculations of the power output coefficients of the Three Gorge and Gezhouba power plants based on their operation data,which can provide the accurate data for future modeling of the operation scheme.Moreover,the power outputs for the two plants have been simulated using the proposed new method and the preliminary analysis of the power outputs results is reported.�
　　Key words:hydropower plants;power output coefficient;regulation process simulation;power output calculation;particle swarm algorithm;Three Gorge plant;Gezhouba plant
　　�
　　
　　发电枢纽建设完成后，运行管理及发电效益的研究显得非常重要，对于一个年发电量100亿千瓦时的电站，如果优化调度增发2%的电量即可产生很可观的经济效益，这对“节能发电”和减排都具有非常重要的意义。一直以来，很多学者对电站优化调度进行了很多深入和重要的研究，梅亚东等研究了黄河上游梯级水电站短期优化调度模型及迭代解法［1］；李爱玲研究了水电站水库群系统优化调度的大系统分解协调方法研究、具有预报信息的水电站群兴利优化调度模型［2］；蔡治国、李想等研究了三峡梯级及清江梯级水电站短期优化调度模型研究［3-5］；李芳芳等建立了梯级枢纽-厂内多级耦合优化模型，并应用于三峡-葛洲坝大型梯级水电枢纽［6］；此外，线性规划、非线性规划、整数规划、网络流法、Lagrange松弛法等传统方法的改进算法也广泛应用于在水电站优化调度模型求解中［7-11］。在优化调度研究中，对于电量的计算一般采用综合出力系数法进行计算，即选用一个平均的出力系数值，这有利于快速求解优化模型，然而，出力系数在不同的水头下则有所不同，需要对出力系数进行分析，从而建立更为精细的模型，对此，薛金淮等［12-13］对综合出力系数的影响因素等做了一些分析，但是这些研究没有定量分析电站枢纽综合出力系数取值方法对优化调度模拟的影响，为此，本文以三峡葛洲坝多年运行数据为基础，分析水电站综合出力系数的计算以及不同的出力计算方法对优化调度中计算精度和计算时间的影响。�
　　1 机组出力系数的影响因素�
　　在水电生产调度中,出力计算是核心任务之一,尤其在水电站短期优化调度方案计算中,水能计算要求更加精确,以便能发现最优最有利的调度方案，其中，综合出力系数对出力计算的准确性有极大的影响,因此正确选定综合出力系数至关重要。综合出力系数是和机组本身的特性、机组的使用年限及工况等相关的一个综合系数，代表了势能转换为电能的效率。目前，在进行电站出力建模时，综合出力系数的选用有两种方式，第一种是采用制造商按机组模型特性计算的出力系数，即�n-h-q关系表;第二种为采用一个常数来简化计算。在建模过程，使用常数处理显得非常简便，有利于节约计算时间，特别是对于水库群优化模型来说尤其如此；使用n-h-q�关系表进行建模时则可以查到不同水头在不同流量下的出力值，精度更高，特别是在短期调度模型或者实时调度建模时具有更好的可靠性。然而，这两种方法都有一定的局限，将出力系数视为常数，忽视了不同工况间电站能量特性的差异；采用制造商提供的出力系数也存在很多不确定因素，主要包括：① 厂家进行试验的模型机与原型机之间存在较大的效率差异，同一型号机组也存在较大效率差异；② 机组运行一段时间后由于机组本身磨损等原因造成了水轮机过流部件的形状改变，随之效率也会发生改变；③ 电站的综合出力系数在不同工况下、不同的机组组合所得到的值是不一样的。因此，无论使用常数或制造商提供的出力系数，都存在较大的偏差，若能改善出力系数计算方法，提高出力计算精度且不明显增加计算量的情况则对改善短期优化调度建模及求解具有重要意义。�
　　2 三峡及葛洲坝机组出力系数分析�
　　为研究综合出力系数的影响因素及相关关系，选取了三峡-葛洲坝枢纽进行研究，从三峡2007年以来水头和出力系数关系曲线（图1）可以看到，90 m水头为分界线，90 m水头以下时，出力系数随着水头的增加而增加，呈现明显的正相关关系，在90 m水头以上时，出力系数则趋于稳定，呈现不明显的负相关关系。分别绘制90 m以下水头及90 m以上水头�h-k�关系图，如图2、图3所示，可以给出出力系数和水头之间的关系式，分别为：
　　�
　　� k=0�038×h+5.61(1)�
　　k=-0�001×h+9.123(2)�
　　k=0�118×h+5.692(3)�
　　式中：k－综合出力系数；h�－毛水头。式（1）中毛水头小于90 m，式（2）中毛水头大于90 m。�
　　式（3）为葛洲坝枢纽的�h-k�关系式，毛水头小于26 m，可以看出葛洲坝水利枢纽的出力系数和水头之间则一直保持着很好的相关性，在水头从14到26的区间里，出力系数均随着水头的增加而增大，呈现出决定系数为0�861的正相关关系。从图4也可以看出，如果将曲线划分为14~25�5和25�5~26两个区间，如图5、图6所示，可以看到，在25�5 m水头以下时呈现较好的正相关关系，25�5 m以上时则呈现出负相关关系，出力系数和水头之间的关系见公式（4）、公式（5）。�
　　�k=0�132×h+5.43(4)�
　　k=-0�256×h+15.08(5)�
　　式中：k－综合出力系数；h－�毛水头。式（4）中毛水头小于25�5 m，式（5）中毛水头大于25�5 m 。�
　　
　　3 不同出力计算方法对计算精度及计算时间的影响
　　 在水电站优化调度应用中，5月至9月为水位波动最大的时期，也是水头变化最大的时期，这个时段经常作为优化调度的重点分析时段，其中的出力计算显得尤为重要，不同的计算精度将影响优化方案的正确与否，而计算时间则是优化方案寻优的重要参数，计算时间短则可以增加智能方法寻优的计算代数，从而为更快的找到最优方案提供保证。为了验证出力系数相关关系分析结果的合理性和适用性，分别采用不同的出力计算方法对三峡电站2007年-2009年三年中5月-9月的出力过程进行模拟计算，并分析不同计算方法对时段发电总量、出力过程的模拟精度、模拟计算时间的影响，进而分析不同计算方法的合理性和适用性。�
　　为了和经典的粗粒度计算方法以及更为精细粒度的计算方法进行比较，选用了单一系数法、�n-h-q关系表法及分段h-k公式法分别进行模拟，模拟结果见表1至表3。从计算表�
　　
　　中可以看出，采用分段h-k公�式法得到的发电总量和出力过程计算精度均比单一系数高，比关系表法略低，其中，单一系数法计算误差最高，最高的年份为2008年结果，计算误差为2�28%，而分段公式法最高为2008年计算结果0�36%，最低则为2007年结果，误差为0�13%，分段法3年平均误差为0�24%，略高于�n-h-q�法3年平均值（0�06%），远低于单一系数法3年平均值（1�80%）；分段公式法Nash效率系数和关系表法几乎相当，平均值为0�937，最高值为2008年的0�97,而单一系数法和关系表的平均值分别为0�909、0�945。分析3年的计算平均值，可以看出，分段�h-k�公式法的计算误差比关系表法高0�18%，比单一系数法低1�56%，Nash效率系数比关系表法低0�008，比单一系数法则高0�028。�
　　为了验证不同计算方法需要的时长，验证计算方法的效率，采用3种计算方法对三峡电站2007年－2009年出力过程进行寻优，寻优方法采用粒子群法，时间步长为天，粒子群算法的种群规模均为1 000，计算为100代，不同方法的计算时间见表1至表3的最后一列所示。结果显示，采用分段��h-k�公式法计算时间比单一系数法慢1�%�，计算速度比n-h-q关�系表法快10倍以上。
　　
　　 由此可见，采用分段�h-k公式法的精度比单一系数法高的多，比n-h-q关系表法略低一些，而模拟时间和单一系数法相当，但是比n-h-q�法节省91%的时间，运用分段公式法对于以发电量最大为主要调度目标的日调度方案寻优具有重要的意义。�
　　4 结论�
　　通过对三峡及葛洲坝枢纽近年来的出力数据进行分析后，得到了综合出力系数和水头之间的相关关系，进而通过对比不同的出力系数取值方法对出力过程进行模拟并分析，可以看出，水电站综合出力系数和水头具有较好的相关关系，通过分段函数的方法可以得到精度较好的取值方法。应用分段取值方法得到的相关关系应用于年总发电量及出力过程模拟，从结果来看，计算精度比常用的单一系数法高，比关系表法高，而计算时间则比关系表法快很多，说明综合出力公式较单一系数法和关系表法更适用于中短期优化调度过程寻优。�
　　本文研究的对象为三峡和葛洲坝水电枢纽，这两大枢纽在电网调度体系中不属于日调节电站，不需要为适用电网要频繁的对出流过程进行调节，所以得到了比较好的相关关系，所以结果更适用于短期优化调度计算，对调解型枢纽的实时调度过程模拟还需要进一步研究。�
　　参考文献（References）：�
　　［1］ 梅亚东,朱教新.黄河上游梯级水电站短期优化调度模型及迭代解法［J］.水力发电学报,2000,（2）：1-7.(MEI Ya-dong,ZHU Jiao-xin.Short-term Optimal Operation Model for the Cascade Hydroelectric Stations on the Upper Yellow River and Its Solution［J］.Journal of Hydroelectric Engineering,2000,(2):1-7.(In Chinese))�
　　［2］ 李爱玲.水电站水库群系统优化调度的大系统分解协调方法研究［J］.水电能源科学,1997,15 (4):58-63.(LI Ai-ling.A Study on The Large-scale System Decomposition-Coordination Method used in Optimal Operation of The Hydroelectric Station System ［J］.Water Resources and Power,1997,15(4):58-63.(in Chinese))�
　　［3］ 蔡治国,张艾东,张娟.三峡-葛洲坝梯级电站两坝间水位优化控制研究及效益分析［J］.水力发电学报,2010,(3):11-17.(CAI Zhi-guo,ZHANG Ai-dong,ZHANG Juan.Optimized Control on Water Level Between Three Gorges Dam and Gezhouba Dam and its Benefit Analysis［J］.Journal of Hydroelectric Engineering,2010,(3):11-17.(in Chinese))�
　　［4］ 赵振华,周建中,李承军.清江梯级水电站短期优化调度模型研究 ［J］.浙江水利水电专科学校学报,2002,14(4):5-7.(ZHAO Zhen-hua,ZHOU Jian-zhong,LI Cheng-jun.The Research of Short-term Optimal Operation Model for the Cascade Hydroelectric Stations on Qingjiang River［J］.Journal of Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College,2002,14(4):5-7.(in Chinese))�
　　［5］ 李想,魏加华,司源,等.清江梯级水电站联合调度研究［A］.梯级水库群洪水资源调控与经济运行学术研讨会［C］.2011.(LI Xiang,WEI Jia-hua,SI Yuan et al.Research on Joint Operation of Qingjiang Cascade Hydropower Stations［A］.Symposium on Cascade Reservoir Flood Resources Control and Economic Operation,August［C］.2011.(In Chinese))�
　　［6］ Fangfang.Li,Christine A.Shoemaker,and Jiahua.Wei.Bi-Level Optimization Model for Daily Operation with Heterogeneous Hydropower Units in Multiple Reservoirs with Application to the Three Gorges-Gezhouba Cascade Power Stations［C］.Bearing Knowledge for Sustainability Proceedings of the 2011 World Environmental and Water Resources Congress.�
　　［7］ Yeh W.Reservoir Management and Operations Models:A State-of-the-art Review ［J］.Water Resources Research,1985,21(12):1797-1818.�
　　［8］ Labadie J W.Optimal Operation of Multireservoir:State of the Art Review ［J］.Journal of Water Resources Planning and Management,2004,130(2):93-111.�
　　［9］ Catal o J P S,Mariano S J P S,Mendes V M F,et al.Nonlinear Optimization Method for Short-term Hydro Scheduling Considering Head-dependence［J］.European Transactions on Electrical Power,2008,20(2):172-183.�
　　［10］ Nanda J.Optimal Hydrothermal Scheduling with Cascaded Plants Using Progressive Optimality Algorithm ［J］.IEEE Transaction on Power Systems,1981,100(4):2093-2099.�
　　［11］ Braga B,Barbosa P S F.Multiobjective Real-Time Reservoir Operation with a Network Flow Algorithm ［J］.Journal of the American Water Resources Association,2001,37(4):837-852.�
　　［12］ 薛金淮,关于水能计算中�k�值的探讨［J］.电网与水力发电进展,2008,24(3):27-29.(XUE Jin-huai.Research on Value of K in Hydropower Calculation ［J］.Advances of Power System & Hydroelectric Engineering,2008,24(3):27-29.(in Chinese))�
　　［13］ 唐明,马光文,陶春华,等.水电站短期优化调度模型的探讨［J］.水力发电,2007,(5):88-90.(TANG Ming,MA Guangwen,Tao Chunhua,et al.Study of the Model of Short-term Optimal Dispatch in Hydropower Station ［J］.Water Power,2007,(5):88-90.省略ki.net/kcms/detail/13.1334.TV.20120226.1707.002.html�
　　基金项目:“十一五” 国家科技支撑计划资助项目(2009BAC56B03)�
　　作者简介:刘荣华(1979-),男,江西遂川人,博士,主要从事水资源优化调度及水利信息化研究。E-mail:lrh03@mails.tsinghua.省略�
　　通讯作者：魏加华（1971-），男，陕西汉中人，副教授，博士，主要从事水资源管理、调度及水利信息化等方面的研究。E-mail:weijiahua@tsinghua.省略