一种动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法与流程

1.本发明属于水库防洪设计技术领域，具体涉及一种动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法。


背景技术：

2.在水-风-光-储一体化清洁能源基地建设过程中，由于风光等可再生能源的强间歇性、随机性与波动性等，储能电站能有效缓解可再生能源强间歇性、随机性与波动性等，保障电力系统的稳定性与安全性。而抽水蓄能电站是在众多储能方式中促进新能源大规模使用、实现多能互补、打造安全可靠且经济灵活的新型电力系统最可靠的方法。
3.抽水蓄能电站具有技术成熟、容量大、能源效率高、使用寿命长等优点，与常规水电站的不同之处在于，抽水蓄能电站为了完成自身能量转换的工程任务，需要建设上、下两个水库，通过输水系统和蓄能机组建立水力和电力联系。因此，其水库的运行调度方式与常规水电站存在差异，尤其在水库防洪设计方面，抽水蓄能电站需考虑上水库的发电流量对下水库调洪的影响，因此，如何确定抽水蓄能电站水库调洪过程是目前亟需解决的水库调度难题之一。
4.抽水蓄能电站调洪计算的原理是在考虑上水库的发电流量情况下，以天然或不同设计频率洪水过程线与发电流量过程的不同叠加组合过程作为水库洪水调节的入库流量过程线，根据拟定的起调水位开始调节，逐时段连续求解水库水量平衡方程，由入库流量过程经水库调蓄后推求出库流量的过程，从而达到调节洪水的目的。其实质是通过水闸的开合调节水库水位来实现对水库下泄流量的控制过程，保证下水库本身的防洪安全，同时保证大坝下游防护对象在发生防洪标准洪水时的安全。
5.针对抽水蓄能电站，其水库的具体运行调度方式仍在探索过程中，尚未形成成熟的技术体系。就计算方法而言，抽水蓄能电站的洪水调节计算与常规水电站的洪水调节计算方法上并无本质区别，但计算中要考虑的问题却不同。当下水库下游有防护对象时，除了需要按照下游河道安全泄量控制下泄流量外，还要避免泄流过程中加重下游的防洪负担。因此，下水库需要设置一定的防洪库容。抽水蓄能电站下水库的洪水调节计算应考虑洪水过程、发电抽水过程和起调水位等因素的不同组合，采用最不利的组合进行计算，计算是比较复杂的。目前，在水库调洪计算研究方面，关于抽水蓄能电站调洪计算研究较少，主要集中于常规水电站的调洪计算。部分学者在抽水蓄能电站调洪计算研究中取得了一定的进展，如文献《抽水蓄能电站洪水调节探索》中主要考虑新增泄洪建筑物以加大安全泄量，采用机组连续满发流量过程与下水库洪水过程进行滑动叠加组合，滑动叠加采用的步长缩短到0.1h，从而找出最不利的组合情况，以此计算校核洪水标准下水库最高水位及相应最大下泄流量。文献《有综合利用要求的抽水蓄能电站下水库防洪设计》中采用静态库容和坝址天然洪水，根据不同工况下的下水库起调水位开始调节，计算20年一遇、设计和校核标准下最高库水位。文献《缙云抽水蓄能电站下水库洪水调节分析》中将上下水库作为整体，下水库调洪按照上下水库的水位(上下水库的调节水量，含备用库容)进行调度，从工程设计安
全考虑，在拟定的电站运行方式基础上进行不同时间遭遇的组合计算，以寻求最不利的组合工况。
6.综上所述，对于抽水蓄能电站的调洪技术研究仍在探索过程中，针对目前的研究，主要存在以下三个问题或不足：(1)以往研究以满发流量作为发电流量，这与实际发电过程并不符，调度结果会偏大，可能会严重降低水库建设的经济性；(2)调洪过程中，不同时刻的预留库容均采取发电流量与发电小时数的乘积，可能导致部分洪水侵占发电库容，当下水库预留发电库容被部分洪水与已发电库容占满时，上库未发电库容只能下泄，形成人为造洪的现象；(3)洪水组合方案不足，只考虑不同工况下与洪水发生时刻的滑动叠加，并未考虑未发电时与不同洪水时刻滑动叠加的情景，可能导致调洪计算结果偏小，水库工程处于偏不安全状态。因此，抽水蓄能电站调洪理论与技术仍需要进一步完善。


技术实现要素：

7.本发明的目的是：提供了一种动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法。本发明能够提高抽水蓄能电站调洪结果的准确性，并降低水库建设成本和保证其安全性。
8.本发明的技术方案是：一种动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法，包括下述步骤：
9.步骤a，获得抽水蓄能电站下水库的典型天然洪水过程，计算不同设计频率洪水过程，并根据水量平衡原则和洪水过程的连续性，对洪水过程线进行人工修订，以保持线形的连续；
10.步骤b，获得上、下水库的水位库容关系函数分别为f
uzv
、f
dzv
，水位流量关系函数分别为f
uzq
、f
dzq
；
11.步骤c，采用水位分层计算方法获得发电变化过程qs以及对应的起调水位hs；
12.步骤d，构建洪水组合方案集qs＝{q
″1，q
″2，q
″3，
…
，q
″n}，其中n为方案总数；
13.步骤e，对洪水组合方案集qs采用试算法进行下水库调洪计算，获取各方案下的最大下泄流量q
′m和最高水位h
′m；
14.步骤f，构建各方案集的最大下泄流量qms＝{q
′
m1
，q
′
m2
，q
′
m3
，
…
，q
′
mi
}和最高水位hms＝{h
′
m1
，h
′
m2
，h
′
m3
，
…
，h
′
mi
}，筛选最不利洪水组合方案的最大下泄流量q
″m＝max(qms)和最高水位h
″m＝max(hms)。
15.前述的动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法的步骤a中，不同设计频率洪水过程按照同倍比放大法计算，计算过程如下：
16.将不同设计频率洪水过程值记为i＝0，1，2，
…
，n，n为洪水第n时刻；计算公式为：
[0017][0018]
式中，为设计频率为p洪水过程的洪峰，qm为典型洪水过程的洪峰，qi为洪水过程第i时段的流量。
[0019]
前述的动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法的步骤a中，不同设计频率洪水过程还可按照同频率放大法计算，计算过程如下：
[0020]
[0021][0022][0023][0024]
…
[0025][0026]
式中：分别为将洪水过程划分为1d，3d，7d，
…
，n对应设计频率p洪水过程第i时刻的流量；w
1，p
、w
3，p
、w
7，p
…
wn′
，p
、w
n，p
分别为划分时段为1d，3d，7d，
…
，n
′
，n对应设计频率p洪水过程的洪量；w
1，t
、w
3，t
、w
7，t
…
wn′
，t
、w
n，
t分别为划分时段为1d，3d，7d，
…
，n
′
，n对应典型洪水过程的洪量，f
1，i
、f
3，i
、f
7，i
…fn，i
分别为划分时段为1d，3d，7d，
…
，n对应典型洪水过程第i时刻的流量。
[0027]
前述的动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法的步骤c具体如下：
[0028]
将上水库的工作深度划分为m层等间隔的水位区间，逐层将水量从上水库放至下水库，根据上库水位变化和f
uzv
、f
dzv
、f
uzq
、f
dzq
计算获得每层的发电流量集为qs＝{q1，q2，q3，
…
qj，
…
，qm}和对应的下水库起调水位直至上水库达到死水位为止。
[0029]
前述的动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法的步骤c中，水位分层计算公式为：
[0030][0031]
δvj＝f
uzv
(h
un-j
×
δhu)-f
uzv
(h
un-(j+1)
×
δhu)
[0032][0033][0034]
式中，qj为第j层的发电流量，n为抽水蓄能电站的装机容量，k为出力系数，δhj为第j层上、下库的净水头差，qm为机组发电第m层的发电流量；δvj为第j层上库的库容变化量，h
un
为上水库正常蓄水位，δhu为每层上库水位区间，取为(h
un-h
ud
)/m，h
ud
为对应库容为上水库死水位；v
dd
为下水库死水位对应的库容，为第j层的水头损失，为第j层的下水库水位，作为对应此发电时刻的起调水位。
[0035]
前述的动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法的步骤d的构建过程如下：
[0036]
初始的发电过程时段为采用阶梯插值方法按洪水过程的δt内插，内插的发电时段集记为m
′
为时段插值的个数，则调整后的整个发电时刻集为发电流量过程为假设初始的洪水时段为g为洪水时段数，对应的洪水量为若每时刻的时间间隔不等，可采用线性插值按间隔δt进行内插，内插的洪水时段集为k为时段插值的个数，t
″q为t
′q的子集，与机组
遭遇洪水时已发电时间有关，t
″
q-min(t
″q)表示初始化机组已发电时间的下一时刻为0，当机组未发电时遭遇洪水，min(t
″q)为0，t
fi
表示滑动叠加的对应洪水时刻，则调整后的整个洪水时刻集为t
′f＝tf∪t
fc
，对应的整个抽水蓄能电站洪水过程为根据洪水时段t
′f和发电时段t
′q，获得机组未发电时遭遇洪水情景下共有g+k-(m+m
′
)+1种洪水组合方案，获得机组已发电时遭遇洪水情景下共有m+m
′‑
1种洪水组合方案；则，洪水组合方案集合qs＝{q
″1，q
″2，q
″3，
…
，q
″n}，n＝g+k，k取决于时段插值的密度，插值密度越大，k越大，洪水组合方案qs越多。
[0037]
前述的动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法中，洪水组合方案集合qs的计算如下：
[0038]
(1)机组未发电时遭遇洪水情景
[0039]q″i＝q
′i+{0
l
，qs
′
，0
g+k-m-m
′‑
l
}(l＝0，1，2
…
g+k-m-m)
[0040]
式中，q
″i为洪水组成方案，i为方案编号，此情景下取1～g+k-(m+m
′
)+1，共g+k-(m+m
′
)+1种洪水方案，0
l
、0
g+k-m-m
′‑
l
分别代表机组在第l时刻前和第l+1+m+m
′
后均不发电，发电流量取为0，在l+1～l+1+m+m
′
时刻才发电；
[0041]
(2)机组已发电时遭遇洪水情景
[0042]
qs
′r＝qs(o，
…
，m+m
′
)(o＝1，2
…
m+m
′‑
1)
[0043]q″r＝q
′r+{qs
′r，0
g+k-m-m
′
+o
}(l＝0，1，2
…
g+k-m-m
′
)
[0044]
式中，qs
′r表示第r方案下的发电过程，qs(o，
…
，m+m
′
)代表洪水发生时机组已发电o后的发电过程，o与r同步变化，q
″r为洪水组成方案，r为方案编号，此情景下取g+k-(m+m
′
)+1+1～g+k，共m+m
′‑
1种洪水方案，0
g+k-m-m
′
+o
代表机组在第m+m
′‑
o时刻后不发电，发电流量取为0；
[0045]
则，机组未发电时遭遇洪水情景集为{q
″1，q
″2，q
″3，
…
，q
″
g+k-(m+m
′
)+1
}，机组已发电时遭遇洪水情景集为{q
g+k-(m+m
′
)+2
，
…
，q
g+k
}；
[0046]
则，洪水组合方案集合qs表示为：
[0047]
qs＝[q
″1，q
″2，q
″3，
…
，q
″n}＝{q
″1，q
″2，q
″3，
…
，q
″
g+k-(m+m
′
)+1
}∪{q
″
g+k-(m+m
′
)+2
，
…
，q
″
g+k
}。
[0048]
前述的动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法的步骤e的计算过程如下：
[0049]
每个洪水组合方案集下，已知第1时段初的下泄流量为q
′1，水库蓄水量假定第2时段末的下泄流量q
′2，计算出对应时段的水库蓄水量根据下水库水位库容f
dzv
和水位流量关系f
dzq
，通过根据关系曲线水位库容f
dzv
和水位流量关系f
dzq
查得对应的q
″2，若|q
″
2-q
′2|＜ε，ε为预设的允许误差，则将q
′2作为该时段的下泄流量，否则重新假设q
′
2继续试算；以此类推，后续时段下泄流量均通过试算法确定；计算公式为：
[0050]
(1)水量平衡方程
[0051][0052]
式中，分别为i-1～i时段的平均入库和下泄流量，q
i-1
、qi分别为第i-1、i时刻的入库流量，q
′
i-1
、q
′i分别为第i-1、i时刻的下泄流量，v
i-1
、vi分别为i-1、i时刻的库容，δv为δt时段的库容变化量；
[0053]
(2)预留控制库容
[0054][0055][0056]
式中，为δt时段的上库库容变化量，qi为第i-1～i时刻的发电流量，为第i-1～i时刻下水库预留控制库容，v
dd
为下库死库容；
[0057]
(3)约束条件
[0058][0059]
qi≤max(q1，q2，
…
，q
i-1
)
[0060]
式中，第i时刻的下水库库容vi需满足不低于下库死库容v
dd
，且不高于下水库需预留库容q
′i不高于i-1时刻前的入库流量；
[0061]
则：最大下泄流量q
′m＝max{q
′1，q
′2，q
′3，
…
，q
′i}和对应的最高水位h
′m＝f
dzq
(q
′m)。
[0062]
有益效果：
[0063]
本发明对于下水库具有来水和敞泄方式泄洪的抽水蓄能电站，利用基于装机容量限制或机组满发流量限制的发电变化过程，采用滑动叠加方式，与天然或设计洪水过程在不同洪水时刻(考虑未发电时遭遇洪水)、不同发电时刻下(考虑已发电时遭遇洪水)相互组合，构建所有工况下的洪水与发电流量组合方案，然后，遵循水量平衡原理和调洪计算原则，依据不同时刻的动态预留发电库容约束进行调洪计算。通过结合发电变化过程和动态预留发电库容，在各工况的洪水组合方案中，实现抽水蓄能电站防洪规划的优化设计，提高电站发电与防洪的协同性、独立性，使得抽水蓄能电站的发电与防洪效益尽量最优，解决抽水蓄能电站的防洪调度问题。本发明提出的抽水蓄能电站调洪技术对类似下水库具有防洪任务的抽水蓄能电站工程调度运行具有现实指导意义。
附图说明
[0064]
图1为抽水蓄能电站发电时动态考虑预留发电库容示意图。
[0065]
图2为抽水蓄能电站发电时动态考虑预留发电库容的调洪过程。
[0066]
图3为抽水蓄能电站下水库最不利洪水组合的调洪过程(机组已发电3.62h，p＝0.1％)。
具体实施方式
[0067]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
[0068]
抽水蓄能电站，其实就是在水库的日常运行中，当电站的电力属于负荷状态或者是电力处于低谷时期时，通过剩余的电能将下水库的水抽送至上水库，一旦电站发电情况进入了电能负荷高峰期，就将抽送至上水库的水源再下放至下水库完成这一过程中的水力发电过程。实际发电过程应根据电站装机容量考虑，额定水头以上，应根据装机容量限制机组最大发电流量，额定水头以下，应以机组满发流量进行发电。而且在调洪过程中，下水库应实时考虑预留已发电库容于下库内，即在泄洪的同时，保证已发电库容不下泄。此外，调
洪还需全面考虑洪水组合方案，方案应保证滑动叠加采用的步长足够短，与洪水时间间隔相当，未发电时遭遇洪水情况下，应考虑发电过程在不同洪水时刻按滑动步长往后进行叠加，已发电时遭遇洪水情况下，应考虑未发电部分流量过程按滑动步长与洪水发生时刻进行叠加。
[0069]
基于以上分析，为提高抽水蓄能电站调洪准确性和合理性，保证水库经济性和安全性，本发明提出一种动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法，对于下库具有来水且以敞泄方式泄洪的抽水蓄能电站，利用基于装机容量限制或满发流量限制的发电变化过程，采用滑动叠加方式，与天然或设计洪水过程在不同洪水时刻(考虑未发电时遭遇洪水)、不同发电时刻下(考虑已发电时遭遇洪水)相互组合，构建所有工况下的洪水与发电流量组合方案，然后，遵循水量平衡原理和调洪计算原则，依据不同时刻的动态预留发电库容约束进行调洪计算。通过结合发电变化过程和动态预留发电库容，在各工况的洪水组合方案中，实现抽水蓄能电站防洪规划的优化设计，提高电站发电与防洪的协同性、独立性，使得抽水蓄能电站的发电与防洪效益尽量最优，解决抽水蓄能电站的防洪调度问题。本发明提出的抽水蓄能电站调洪技术对类似下水库具有防洪任务的抽水蓄能电站工程调度运行具有现实指导意义。具体方案可参见以下实施例。
[0070]
实施例1。一种动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法，包括以下步骤：
[0071]
步骤a，获得抽水蓄能电站下水库的典型天然洪水过程，按照同频率放大或同倍比放大法计算不同设计频率洪水过程，并根据水量平衡原则和洪水过程的连续性，对洪水过程线进行人工修订，以保持线形的连续。将不同设计频率洪水过程值记为i＝0，1，2，
…
，n，n为洪水第n时刻；计算公式分别为：
[0072]
(2)同频率放大法：
[0073][0074][0075][0076][0077]
…
[0078]
式中：分别为将洪水过程划分为1d，3d，7d，
…
，n对应设计频率p洪水过程第i时刻的流量；w
1，p
、w
3，p
、w
7，p
…
wn′
，p
、w
n，p
分别为划分时段为1d，3d，7d，
…
，n
′
，n对应设计频率p洪水过程的洪量；w
1，t
、w
3，t
、w
7，t
…
wn′
，t
、w
n，t
分别为划分时段为1d，3d，7d，
…
，n
′
，n对应典型洪水过程的洪量，f
1，i
、f
3，i
、f
7，i
…fn，i
分别为划分时段为1d，3d，7d，
…
，n对应典型洪水过程第i时刻的流量。
[0079]
步骤b，获得上、下水库的水位库容关系函数分别为f
uzv
、f
dzv
，水位流量关系函数分别为f
uzq
、f
dzq
。
[0080]
步骤c，采用水位分层计算方法获得发电变化过程qs以及对应的起调水位hs。将上水库的工作深度划分为m层等间隔的水位区间，逐层将水量从上水库放至下水库，根据上库水位变化和f
uzv
、f
dzv
、f
uzq
、f
dzq
计算获得每层的发电流量集为qs＝[q1，q2，q3，
…
qj，
…
，qm}和
对应的下水库起调水位直至上水库达到死水位为止。其水位分层计算公式为：
[0081][0082]
δvj＝f
uzv
(h
un-j
×
δhu)-f
uzv
(h
un-(j+1)
×
δhu)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0083][0084][0085]
式中，qj为第j层的发电流量，n为抽水蓄能电站的装机容量，k为出力系数，δhj为第j层上、下库的净水头差，qm为机组发电的满发流量；δvj为第j层上库的库容变化量，h
un
为上水库正常蓄水位，δhu为每层上库水位区间，取为(h
un-h
ud
)/m，h
ud
为对应库容为上水库死水位；v
dd
为下水库死水位对应的库容，为第j层的水头损失，为第j层的下水库水位，作为对应此发电时刻的起调水位。
[0086]
步骤d，构建洪水组合方案集qs＝{q
″1，q
″2，q
″3，
…
，q
″n}(n为方案总数)。为便于滑动叠加，统一按照δt(可自行设定)进行内插。初始的发电过程时段为采用阶梯插值方法按洪水过程的δt内插，内插的发电时段集记为m
′
为时段插值的个数，则调整后的整个发电时刻集为发电流量过程为假设初始的洪水时段为g为洪水时段数，对应的洪水量为若每时刻的时间间隔不等，可采用线性插值按间隔δt进行内插，内插的洪水时段集为k为时段插值的个数，t
″q为t
′q的子集，与机组遭遇洪水时已发电时间有关，t
″
q-min(t
″q)表示初始化机组已发电时间的下一时刻为0，当机组未发电时遭遇洪水，min(t
″q)为0，t
fi
表示滑动叠加的对应洪水时刻，则调整后的整个洪水时刻集为t
′f＝tf∪t
fc
，对应的整个抽水蓄能电站洪水过程为根据洪水时段tf和发电时段t
″q，获得机组未发电时遭遇洪水情景下共有g+k-(m+m
′
)+1种洪水组合方案，获得机组已发电时遭遇洪水情景下共有m+m
′‑
1种洪水组合方案；则，洪水组合方案集合qs＝{q
″1，q
″2，q
″3，
…
，q
″n}，n＝g+k，k取决于时段插值的密度，插值密度越大，k越大，洪水组合方案qs越多。其计算公式为：
[0087]
(1)机组未发电时遭遇洪水情景
[0088]q″i＝q
′i+{0
l
，qs
′
，0
g+k-m-m
′‑
l
}(l＝0，1，2
…
g+k-m-m
′
)
ꢀꢀꢀ
(11)
[0089]
式中，q
″i为洪水组成方案，i为方案编号，此情景下取1～g+k-(m+m
′
)+1，共g+k-(m+m
′
)+1种洪水方案，0
l
、0
g+k-m-m
′‑
l
分别代表机组在第l时刻前和第l+1+m+m
′
后均不发电，发电流量取为0，在l+1～l+1+m+m
′
时刻才发电。
[0090]
(2)机组已发电时遭遇洪水情景
[0091]
qs
′r＝qs(o，
…
，m+m
′
)(o＝1，2
…
m+m
′‑
1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0092]q″r＝q
′r+{qsr，0
g+k-m-m
′
+o
}(l＝0，1，2
…
g+k-m-m
′
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0093]
式中，qs
′r表示第r方案下的发电过程，qs(o，
…
，m+m
′
)代表洪水发生时机组已发
电o后的发电过程，o与同步变化，q
″r为洪水组成方案，f为方案编号，此情景下取g+k-(m+m
′
)+1+1～g+k，共m+m
′‑
1种洪水方案，0
g+k-m-m
′
+o
代表机组在第m+m
′‑
o时刻后不发电，发电流量取为0。
[0094]
则，机组未发电时遭遇洪水情景集为{q
″1，q
″2，q
″3，
…
，q
″
g+k-(m+m
′
)+1
}，机组已发电时遭遇洪水情景集为{q
″
g+k-(m+m
′
)+2
，
…
，q
″
g+k
}；
[0095]
则，洪水组合方案集合qs表示为：
[0096]
qs＝{q
″1，q
″2，q
″3，
…
，q
″n}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0097]
＝{q
″1，q
″2，q
″3，
…
，q
″
g+k-(m+m
′
)+1
}∪{q
″
g+k-(m+m
′
)+2
，
…
，q
″
g+k
}
ꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0098]
步骤e，对洪水组合方案集qs采用试算法进行下水库调洪计算，获取各方案下的最大下泄流量q
′m和最高水位h
′m。每个洪水组合方案集下，已知第1时段初的下泄流量为q
′1，水库蓄水量假定第2时段末的下泄流量q
′2，此时的q
′2需满足公式(19)，按照公式计算出对应时段的水库蓄水量此时的需满足公式(20)，通过根据关系曲线水位库容f
dzv
和水位流量关系f
dzq
查得对应的q
″2，若|q
″
2-q
′2|＜ε，ε为预设的允许误差，则将q
′2作为该时段的下泄流量，否则重新假设q
′2继续试算；以此类推，后续时段下泄流量均通过试算法确定。其相关的计算公式为：
[0099]
(1)水量平衡方程
[0100][0101]
式中，分别为i-1～i时段的平均入库和下泄流量，q
i-1
、qi分别为第i-1、i时刻的入库流量，q
′
i-1
、q
′i分别为第i-1、i时刻的下泄流量，v
i-1
、vi分别为i-1、i时刻的库容，δv为δt时段的库容变化量。
[0102]
(2)预留控制库容
[0103][0104][0105]
式中，为δt时段的上库库容变化量，qi为第i-1～i时刻的发电流量，为第i-1～i时刻下水库预留控制库容，v
dd
为下库死库容。
[0106]
(3)约束条件
[0107][0108]q′i≤max(q1，q2，
…
，q
i-1
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0109]
式中，第i时刻的下水库库容vi需满足不低于下库死库容v
dd
，且不高于下水库需预留库容q
′i不高于i-1时刻前的入库流量。
[0110]
因此，最大下泄流量q
′m＝max{q
′1，q
′2，q
′3，
…
，q
′i}和对应的最高水位h
′m＝f
dzq
(q
′m)。
[0111]
步骤f，构建各方案集的最大下泄流量qms＝{q
′
m1
，q
′
m2
，q
′
m3
，
…
，q
′
mi
}和最高水位hms＝[h
′
m1
，h
′
m2
，h
′
m3
，
…
，h
′
mi
}，筛选最不利洪水组合方案的最大下泄流量q
″m＝max(qms)和最高水位h
″m＝max(hms)。
[0112]
实施例2。参见图1，图1为抽水蓄能电站发电时动态考虑预留发电库容的调洪过程示意图，上水库以发电流量q(根据装机容量n和上下库水头差δh计算，且受满发流量限制)
运行δt时间后，上水库库容减小δvu，下水库以δt前的库容和δvu之和作为δt时间后需预留的库容总和，以对应的预留水位线作为控制水位，高于该水位的部分水量(主要来自天然入库流量q)可按q
′
下泄。
[0113]
参见图2，图2为抽水蓄能电站发电时动态考虑预留发电库容的调洪过程，总入库流量为天然入库流量和发电流量之和，调洪过程中根据总入库流量和需预留库容的变化实时控制下泄流量，同时考虑发电水量与洪水量，避免泄洪时超泄发电水量。当机组未发电时，以下库死库容作为最低控制库容，当机组发电时，随着运行时间增加，下库需预留库容将增加，并以此作为最低控制库容。发电结束后，下库预留库容为全部发电库容与下库死库容之和。将分层计算的发电变化过程与动态预留库容相结合，构建各洪水组合方案，根据水量平衡和调洪原则进行防洪调度，可实现抽水蓄能电站的防洪优化调度，提高水库建设的经济性和安全性，以此解决抽水蓄能电站调洪技术难题。
[0114]
以某抽水蓄能电站为例，思渠抽水蓄能电站装机容量1200mw，上水库正常蓄水位1110m，死水位1078m，正常蓄水位库容682万m3，死库容45万m3，调节库容637万m3；下水库正常蓄水位575m，死水位550m，正常蓄水位库容911万m3，死库容245万m3，调节库容666万m3。一种动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法，具体实施步骤如下：
[0115]
步骤a，获得抽水蓄能电站下水库的典型天然洪水过程，按照同频率放大计算不同设计频率洪水过程，并加以人工修订来保持线形的连续，如表1所示。
[0116]
表1不同设计频率的入库洪水过程
[0117]
[0118]
[0119][0120]
步骤b，获得上、下水库的水位库容关系函数分别为f
uzv
、f
dzv
，水位流量关系函数分别为f
uzq
、f
dzq
，见表2、表3。
[0121]
表2上、下水库的水位库容关系曲线
[0122]
[0123][0124]
表3上、下水库的水位流量关系曲线
[0125]
[0126][0127]
步骤c，采用水位分层计算方法获得发电变化过程qs以及对应的起调水位hs。将上水库的工作深度划分为m层等间隔的水位区间，逐层将水量从上水库放至下水库，根据上库水位变化和f
uzv
、f
dzv
、f
uzq
、f
dzq
计算获得每层的发电流量集为qs＝{257.4，258.0，258.5，
…
，272.0}和对应的下水库起调水位hsd＝{550.61，551.22，551.83，
…
，574.12}，直至上水库达到死水位为止。抽水蓄能电站的机组发电变化过程见表4。
[0128]
表4抽水蓄能电站的机组发电变化过程
[0129]
[0130][0131]
步骤d，构建洪水组合方案集qs＝{q
″1，q
″2，q
″3，
…
，q
″n}(n为方案总数，本案例n＝240)。为便于滑动叠加，统一按照δt＝0.1h进行内插。以p＝0.1％洪水过程为例，初始的发电过程时段为tq＝{0，0.13，0.26，
…
，6.60}，采用阶梯插值方法按洪水过程的0.1h内插，内插的发电时段集记为t
qc
＝{0.1，0.2，0.3，
…
，6.4}，则调整后的发电时刻集为t
′q＝[0，0.13，0.26，
…
，6.60}∪[0.1，0.2，0.3，
…
，6.4}，发电流量过程为qs
′
＝[257.4，258.0，258.5，
…
，272}∪[257.4，258.0，258.5，
…
，272}。
[0132]
初始的洪水时段为tf＝{0.2，0.4，0.6，
…
，24.0}，对应的洪水量为qi＝{14.1，
62.4，60.8，
…
，0}，采用线性插值按间隔δt＝0.1h进行内插，内插的洪水时段集为t
fc
＝{0.1，0.3，0.5，
…
，23.9}∪(t
″
q-min(t
″q)+t
fi
)，t
″q为t
′q的子集，与机组遭遇洪水时已发电时间有关，t
″
q-min(t
″q)表示初始化机组已发电时间的下一时刻为0，当机组未发电时遭遇洪水，min(t
″g)为0，t
fi
表示滑动叠加的对应洪水时刻，则调整后的整个洪水时刻集为t
′f＝tf∪t
fc
，对应的洪水量为q
′i＝{14.1，62.4，60.8，
…
，0}∪{7.05，9.31，29.51，
…
，0.12}。根据洪水时段t
′f和发电时段t
′q，获得机组未发电时遭遇洪水情景下共有176种洪水组合方案，获得机组已发电时遭遇洪水情景下共有64种洪水组合方案。表5～表8为洪水组合中的几种方案。
[0133]
表5机组未发电时遭遇洪水(p＝0.1％)的组合方案1
[0134]
[0135]
[0136]
[0137][0138]
表6机组未发电时遭遇洪水(p＝0.1％)的组合方案176
[0139]
[0140]
[0141]
[0142][0143]
表7机组已发电2.99h时遭遇洪水(p＝0.1％)的组合方案
[0144]
[0145]
[0146]
[0147][0148]
表8机组已发电5.6h时遭遇洪水(p＝0.1％)的组合方案
[0149]
[0150]
[0151][0152]
步骤e，对洪水组合方案集qs采用试算法进行下水库调洪计算，获取各方案下的最大下泄流量q
′m和最高水位h
′m。每个洪水组合方案集下，已知下水库第1时段初的下泄流量为0，死水位为550m，对应的死库容424.26万m3，根据试算法和水量平衡原理、约束条件逐一确定时段下泄流量。表9～表12分别为表5～表8对应洪水组合的调洪过程。
[0153]
表9抽水蓄能电站下水库考虑动态预留库容的调洪过程(未发电方案1，p＝0.1％)
[0154]
[0155]
[0156]
[0157][0158]
表10抽水蓄能电站下水库考虑动态预留库容的调洪过程(未发电方案176，p＝0.1％)
[0159]
[0160]
[0161]
[0162][0163]
表11抽水蓄能电站下水库考虑动态预留库容的调洪过程(机组已发电2.99h，p＝0.1％)
[0164]
[0165]
[0166]
[0167][0168]
表12抽水蓄能电站下水库考虑动态预留库容的调洪过程(机组已发电5.6h，p＝0.1％)
[0169]
[0170]
[0171]
[0172][0173]
步骤f，构建各方案集的最大下泄流量qms＝{q
′
m1
，q
′
m2
，q
′
m3
，
…
，q
′
mi
}和最高水位hms＝{h
′
m1
，h
′
m2
，h
′
m3
，
…
，h
′
mi
}，筛选最不利洪水组合方案的最大下泄流量q
″m＝max(qms)和最高水位h
″m＝max(hms)。根据表13可知，在抽水蓄能电站遭遇p＝0.1％洪水过程下，不同工况下电站下水库的最高洪峰和最高水位有所差异，由于插值误差的影响，部分工况下最高水位和下泄流量有较小变动，但并不影响调洪结果的准确性。因此，从所有不同工况的调洪结果可知，抽水蓄能电站下水库的最大下泄流量为18.65m3/s，最高水位为574.68m。图3为抽水蓄能电站机组已发电3.62h遭遇p＝0.1％洪水的调洪过程，可作为最不利洪水组合的方案。
[0174]
表13不同工况下电站下水库的最高洪峰和最高水位(p＝0.1％)
[0175]
[0176]
[0177]

技术特征：
1.一种动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤a，获得抽水蓄能电站下水库的典型天然洪水过程，计算不同设计频率洪水过程，并根据水量平衡原则和洪水过程的连续性，对洪水过程线进行人工修订，以保持线形的连续；步骤b，获得上、下水库的水位库容关系函数分别为f
uzv
、f
dzv
，水位流量关系函数分别为f
uzq
、f
dzq
；步骤c，采用水位分层计算方法获得发电变化过程qs以及对应的起调水位hs；步骤d，构建洪水组合方案集qs＝{q
″1，q
″2，q
″3，...，q
″
n
}，其中n为方案总数；步骤e，对洪水组合方案集qs采用试算法进行下水库调洪计算，获取各方案下的最大下泄流量q
′
m
和最高水位h
′
m
；步骤f，构建各方案集的最大下泄流量qms＝{q
′
m1
，q
′
m2
，q
′
m3
，...，q
′
mi
}和最高水位hms＝{h
′
m1
，h
′
m2
，h
′
m3
，...，h
′
mi
}，筛选最不利洪水组合方案的最大下泄流量q
″
m
＝max(qms)和最高水位h
″
m
＝max(hms)。2.根据权利要求1所述的动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法，其特征在于，步骤a中，不同设计频率洪水过程按照同倍比放大法计算，计算过程如下：将不同设计频率洪水过程值记为n为洪水第n时刻；计算公式为：式中，为设计频率为p洪水过程的洪峰，q
m
为典型洪水过程的洪峰，q
i
为洪水过程第i时段的流量。3.根据权利要求1所述的动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法，其特征在于，步骤a中，不同设计频率洪水过程按照同频率放大法计算，计算过程如下：骤a中，不同设计频率洪水过程按照同频率放大法计算，计算过程如下：骤a中，不同设计频率洪水过程按照同频率放大法计算，计算过程如下：骤a中，不同设计频率洪水过程按照同频率放大法计算，计算过程如下：
…
式中：分别为将洪水过程划分为1d,3d,7d,
…
,n对应设计频率p洪水过程第i时刻的流量；w
1，p
、w
3，p
、w
7，p
…
w
n
′
，p
、w
n，p
分别为划分时段为1d,3d,7d,
…
,n
′
,n对应设计频率p洪水过程的洪量；w
1，t
、w
3，t
、w
7，t
…
w
n
′
，t
、w
n，t
分别为划分时段为1d,3d,7d,
…
,n
′
,n对应典型洪水过程的洪量，f
1，i
、f
3，i
、f
7，i
…
f
n，i
分别为划分时段为1d,3d,7d,
…
,n对应典型洪水过程第i时刻的流量。4.根据权利要求1所述的动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法，其特征在于，步
骤c具体如下：将上水库的工作深度划分为m层等间隔的水位区间，逐层将水量从上水库放至下水库，根据上库水位变化和f
uzv
、f
dzv
、f
uzq
、f
dzq
计算获得每层的发电流量集为qs＝{q1，q2，q3，...q
j
，...，q
m
}和对应的下水库起调水位直至上水库达到死水位为止。5.根据权利要求1所述的动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法，其特征在于，步骤c中，水位分层计算公式为：δv
j
＝f
uzv
(h
un-j
×
δh
u
)-f
uzv
(h
un-(j+1)
×
ah
u
))式中，q
j
为第j层的发电流量，n为抽水蓄能电站的装机容量，k为出力系数，δh
j
为第j层上、下库的净水头差，q
m
为机组发电第m层的发电流量；δv
j
为第j层上库的库容变化量，h
un
为上水库正常蓄水位，δh
u
为每层上库水位区间，取为(h
un-h
ud
)/m，h
ud
为对应库容为上水库死水位；v
dd
为下水库死水位对应的库容，为第j层的水头损失，为第j层的下水库水位，作为对应此发电时刻的起调水位。6.根据权利要求1所述的动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法，其特征在于，步骤d的构建过程如下：初始的发电过程时段为采用阶梯插值方法按洪水过程的δt内插，内插的发电时段集记为m'为时段插值的个数，则调整后的整个发电时刻集为发电流量过程为假设初始的洪水时段为g为洪水时段数，对应的洪水量为若每时刻的时间间隔不等，可采用线性插值按间隔δt进行内插，内插的洪水时段集为k为时段插值的个数，t
″
q
为t
′
q
的子集，与机组遭遇洪水时已发电时间有关，t
″
q-min(t
″
q
)表示初始化机组已发电时间的下一时刻为0，当机组未发电时遭遇洪水，min(t
″
q
)为0，t
fi
表示滑动叠加的对应洪水时刻，则调整后的整个洪水时刻集为t
′
f
＝t
f
∪t
fc
，对应的整个抽水蓄能电站洪水过程为根据洪水时段t
′
f
和发电时段t
′
q
，获得机组未发电时遭遇洪水情景下共有g+k-(m+m
′
)+1种洪水组合方案，获得机组已发电时遭遇洪水情景下共有m+m
′‑
1种洪水组合方案；则，洪水组合方案集合qs＝{q
″1，q
″2，q
″3，...，q
″
n
}，n＝g+k。7.根据权利要求6所述的动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法，其特征在于，洪水组合方案集合qs的计算如下：(1)机组未发电时遭遇洪水情景
q
″
i
＝q
′
i
+{0
l
，qs
′
，0
g+k-m-m
′‑
l
}(l＝0，1，2...g+k-m-m
′
)式中，q
″
i
为洪水组成方案，i为方案编号，此情景下取1～g+k-(m+m
′
)+1，共g+k-(m+m
′
)+1种洪水方案，0l、0
g+k-m-m
′‑
l
分别代表机组在第l时刻前和第l+1+m+m
′
后均不发电，发电流量取为0，在l+1～l+1+m+m
′
时刻才发电；(2)机组已发电时遭遇洪水情景qs
′
r
＝qs(o，...，m+m
′
)(o＝1，2...m+m
′‑
1)q
″
r
＝q
′
r
+{qs
′
r，0
g+k-m-m
′
+o
}(l＝0，1，2...g+k-m-m
′
)式中，qs
′
r
表示第r方案下的发电过程，qs(o，...，m+m
′
)代表洪水发生时机组已发电o后的发电过程，o与r同步变化，q
″
r
为洪水组成方案，r为方案编号，此情景下取g+k-(m+m
′
)+1+1～g+k，共m+m
′‑
1种洪水方案，0
g+k-m-m
′
+o
代表机组在第m+m
′‑
o时刻后不发电，发电流量取为0；则，机组未发电时遭遇洪水情景集为{q
″1，q
″2，q
″3，...，q
″
g+k-(m+m
′
)+1
}，机组已发电时遭遇洪水情景集为{q
″
g+k-(m+m
′
)+2
，...，q
″
g+k
}；则，洪水组合方案集合qs表示为：qs＝{q
″1，q
″2，q
″3，...，q
″
n
}＝{q
″1，q
″2，q
″3，...，q
″
g+k-(m+m
′
)+1
}∪{q
″
g+k-(m+m
′
)+2
，...，q
″
g+k
}。8.根据权利要求1所述的动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法，其特征在于，步骤e的计算过程如下：每个洪水组合方案集下，已知第1时段初的下泄流量为q
′1，水库蓄水量假定第2时段末的下泄流量q
′2，计算出对应时段的水库蓄水量并根据下水库水位库容f
dzv
和水位流量关系f
dzq
，通过根据关系曲线水位库容f
dzv
和水位流量关系f
dzq
查得对应的q
″2，若|q
″
2-q
′2|＜ε，ε为预设的允许误差，则将q
′2作为该时段的下泄流量，否则重新假设q
′2继续试算；以此类推，后续时段下泄流量均通过试算法确定；计算公式为：(1)水量平衡方程式中，分别为i-1～i时段的平均入库和下泄流量，q
i-1
、q
i
分别为第i-1、i时刻的入库流量，q
′
i-1
、q
′
i
分别为第i-1、i时刻的下泄流量，v
i-1
、v
i
分别为i-1、i时刻的库容，δv为δt时段的库容变化量；(2)预留控制库容(2)预留控制库容式中，为δt时段的上库库容变化量，q
i
为第i-1～i时刻的发电流量，为第i-1～i时刻下水库预留控制库容，v
dd
为下库死库容；(3)约束条件q
′
i
≤max(q1，q2，...，q
i-1
)式中，第i时刻的下水库库容v
i
需满足不低于下库死库容v
dd
，且不高于下水库需预留库
容q
′
i
不高于i-1时刻前的入库流量；则：最大下泄流量q
′
m
＝max{q
′1，q
′2，q
′3，...，q
′
i
}和对应的最高水位h
′
m
＝f
dzq
(q
′
m
)。

技术总结
本发明公开了一种动态考虑预留库容的抽水蓄能调洪计算方法。获得抽水蓄能电站下水库的典型天然洪水过程，计算不同设计频率洪水过程，并根据水量平衡原则和洪水过程的连续性，对洪水过程线进行人工修订，以保持线形的连续；获得上、下水库的水位库容关系函数和水位流量关系函数；采用水位分层计算方法获得发电变化过程qs以及对应的起调水位Hs；构建洪水组合方案集QS；对洪水组合方案集QS采用试算法进行下水库调洪计算，获取各方案下的最大下泄流量q


技术研发人员：朱天生 李大成 吴迪 马黎 高朝荣 项华伟 龚兰强 杨建赞 李悦
受保护的技术使用者：中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/10/8