1.水庫運行調度概述教程課件

1、水庫運行調度 講課教師：李英海 1水庫運行調度學時：32學時學分：2時間：9-16周，每周兩次課要求：平時成績30%+考試成績70% 1、平時成績根據(jù)作業(yè)完成情況、出勤情況和課堂表現(xiàn)確定，占總評成績的30%。 2、期末筆試為閉卷考試，占總評成績的70%。2第一章 水電站運行與水庫調度概論基本內容1 概述2 水電站水庫綜合利用要求3 水庫群的類型和特點4 水電站、水庫運行調度的任務、原則及其分類5 水庫的徑流特性6 水庫優(yōu)化調度的基本概念及模型7 水庫優(yōu)化調度方法簡介8 興建水庫的弊端31 概述1.1 水庫在山谷的狹口處，筑一道攔水壩，堵住山溪或河流的水流，把上游集水面積內的來水攔蓄起來，為農田

2、灌溉、生活用水、防洪保障、水力發(fā)電等服務，這樣的工程，就叫做水庫。明 徐光啟 農政全書卷二十：“水庫者，水池也。曰庫者，固之其下，使無受渫也。冪之其上，使無受損也?！?1 概述1.2 水庫的作用 水庫是水資源系統(tǒng)的重要組成部分，是調節(jié)徑流、實施水資源調度的主要工具和技術設施，在水資源系統(tǒng)運行調度中占有重要地位。存入水庫的水，經過調節(jié)進入取水建筑物、引水、輸水和配水渠道，供給各用水部門；或經過調節(jié)進入水電站、船閘等過水建筑物，被利用后，通過泄水建筑物和溢洪道，泄至下游河道。51 概述1.3 興建水庫的原因為附近的地區(qū)提供自來水及灌溉用水利用水壩上的水力發(fā)電機來產生電力運河系統(tǒng)的一部份水庫的防洪效

3、益對庫區(qū)和下游進行徑流調節(jié)其他的用處包括漁業(yè)、旅游等 61 概述1.4 水庫的類型和等級 我國10萬m3以上的水庫共有98002座；按水庫庫容（蓄水容量）的大小，把水庫分成大、中、小3種類型：大型水庫總庫容在1億m3以上。大(1)型：大于10億m3 ；大(2)型 ：110億m3 。 中型水庫總庫容在1000萬m3以上，1億m3以下。71 概述小型水庫總庫容在10萬m3以上，1000萬m3以下： 小(1)型水庫，總庫容在100萬m3以上，1000萬m3以下；小(2)型水庫，總庫容在10萬m3以上，100萬m3以下。塘壩總庫容在10萬m3以下。 世界上最大的水庫是埃及納賽爾水庫，總庫容1640億m

4、3；我國最大的水庫是三峽水庫，總庫容393億m3；浙江省最大的水庫是新安江水庫，總庫容216億m3；湖北省第二大水庫丹江口水庫，總庫容209.7億m3。891 概述1.5 水電站運行與水庫調度的特點運行經濟性：水電站年發(fā)電量主要取決于年徑流的大小和水電站水庫調度管理方法，其運行費用基本上與發(fā)電量無關；調度靈活性：水電站及水庫各種取、用、泄水建筑物具有啟閉迅速，工作靈活的特點，能適應電力負荷及供水多變的要求；效益綜合性：水電站、水庫運行調度方式直接影響其上、下游，左、右岸各部門、各方面的安全和利益。101 概述信息隨機性：水電站水庫系統(tǒng)的輸入為河川徑流，輸出為電力負荷及其他用水，具有很大的隨機性

5、；決策風險性：由于系統(tǒng)輸入與輸出信息具有隨機性，從而導致系統(tǒng)決策具有風險性；系統(tǒng)復雜性：水電站及水庫是水利系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的重要組成單元，與系統(tǒng)內其他單元有密切的水力、電力聯(lián)系，其調度方式與天然徑流、國民經濟各部門和社會各方面用水需求、防洪需求密切相關。112 水電站水庫綜合利用要求水庫按照開發(fā)利用要求，分為灌溉水庫，城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村供水水庫，防洪水庫，發(fā)電水庫等。開發(fā)目標是多項的，稱為綜合利用水庫，往往是以一個目標為主，結合其他目標的利用。例如，以灌溉為主，結合防洪、發(fā)電；或以發(fā)電為主，結合灌溉、城鎮(zhèn)供水等。122 水電站水庫綜合利用要求一、水庫的防洪要求 水庫是防御洪水、減免洪水災害的主要工程措施

6、之一。在防洪區(qū)上游河道適當位置興建能調蓄洪水的水庫，利用水庫庫容攔蓄洪水，削減進入下游河道的洪峰流量，達到減免洪水災害的目的。水庫對洪水的調節(jié)作用有兩種不同方式，一種起滯洪作用，另一種起蓄洪作用。1. 滯洪作用 滯洪就是使洪水在水庫中暫時停留。當水庫的溢洪道上無閘門控制，水庫蓄水位與溢洪道堰頂高程平齊時，則水庫只能起到暫時滯留洪水的作用。132 水電站水庫綜合利用要求2. 蓄洪作用在溢洪道未設閘門情況下，在水庫管理運用階段，如果能在汛期前用水，將水庫水位降到水庫限制水位，且水庫限制水位低于溢洪道堰頂高程，則限制水位至溢洪道堰頂高程之間的庫容，就能起到蓄洪作用。蓄在水庫的一部分洪水可在枯水期有計

7、劃地用于興利需要。當溢洪道設有閘門時，水庫就能在更大程度上起到蓄洪作用，水庫可以通過改變閘門開啟度來調節(jié)下泄流量的大小。由于有閘門控制，所以這類水庫防洪限制水位可以高出溢洪道堰頂，并在泄洪過程中隨時調節(jié)閘門開啟度來控制下泄流量，具有滯洪和蓄洪雙重作用。142 水電站水庫綜合利用要求二、發(fā)電要求 水電站作為電網的重要組成部分，承擔著電能供給任務，因此必須滿足電力系統(tǒng)的可靠性與經濟性要求?？煽啃裕罕ＷC率和保證出力經濟性：發(fā)電量或發(fā)電效益最大152 水電站水庫綜合利用要求保證出力:是指水電站在多年運行期間所能提供的具有一定保證率的電力，或者說，是相對于設計保證率的供水期的平均出力。 保證率：水電站正

8、常工作不遭受破壞的相對歷時。162 水電站水庫綜合利用要求三、其他綜合利用要求由于河川徑流具有多變性和不重復性，在年與年、季與季以及地區(qū)之間來水都不同，且變化很大。大多數(shù)用水部門（例如灌溉、發(fā)電、供水、航運等）都要求比較固定的用水數(shù)量和時間，它們的要求經常不能與天然來水情況完全相適應。對綜合利用水庫，應根據(jù)各部門的需水圖繪制綜合需水圖，作為其運行調度的依據(jù)。17183 水庫群的類型和特點3.1 水庫群在河流的開發(fā)治理過程中，為了從全流域的角度研究防災和興利，需要在河流干支流上布置一系列的水庫，形成一定程度上能互相協(xié)作、共同調節(jié)徑流，滿足流域整體中各部門的多種需要。這樣一群共同工作的水庫整體即稱

9、為水庫群。19長江中上游水利樞紐20長江中上游水利樞紐213 水庫群的類型和特點水庫群與單一水庫不同的兩個基本特征：1.共同性，即共同調節(jié)徑流，并共同為一些開發(fā)目標（發(fā)電、防洪、灌溉等）服務。2.聯(lián)系性，組成庫群的各水庫間，常常存在一定的水文、水力、電力上的相互聯(lián)系。223 水庫群的類型和特點3.2 水庫群的類型按照各水庫的相互位置和水力聯(lián)系的有無，可分為：串聯(lián)水庫群、并聯(lián)水庫群和混聯(lián)水庫群三種。串聯(lián)水庫群是指布置于同一條河流、形如階梯的水庫群，也稱為梯級水庫群。梯級水庫群各庫的徑流之間有著直接的上下聯(lián)系，有時落差和水頭也相互影響。按照各庫間回水的銜接與否，又可分為銜接梯級、重疊梯級和間斷梯級

10、三種。233 水庫群的類型和特點并聯(lián)水庫群是指位于相鄰的幾條干支流或不同河流上的一排水庫。并聯(lián)水庫有各自的集水面積，之間并無水力上的聯(lián)系?；炻?lián)水庫群是串聯(lián)和并聯(lián)混合的庫群形式。243 水庫群的類型和特點按水庫的開發(fā)目的和服務對象，水庫群的類型可分為發(fā)電、防洪、灌溉等為目的的水庫群。由于目前大多數(shù)河流均具有綜合利用要求，因此多數(shù)情況下屬于綜合利用的水庫群。253 水庫群的類型和特點3.3 水庫群的工作特點 水庫群的工作特點主要體現(xiàn)在以下四個方面：1.庫容大小和調節(jié)程度上的不同。庫容大、調節(jié)程度高的水庫?？蓭椭{節(jié)性能相對較差的水庫，發(fā)揮“庫容補償”調節(jié)的作用，提高總的開發(fā)效果和補償水量。2.水文

11、情況的差別。由于各庫所處河段在徑流年內和年季變化的特性上存在差異，在相互聯(lián)合運行時，可提高總的保證供水量或保證出力，起到“水文補償”的作用。263 水庫群的類型和特點3.徑流和水力上的聯(lián)系。梯級水庫群徑流和水力上的聯(lián)系將影響下庫的入庫流量、上庫的落差等，因而需要統(tǒng)籌考慮。4.水利和經濟上的聯(lián)系。一個地區(qū)的水利、經濟上的任務，例如下游的防洪、大面積的灌溉、電網供電等往往需要同一地區(qū)各水庫共同協(xié)調解決。273 水庫群的類型和特點3.4 梯級水電站群的運行特點（1）發(fā)電水量的聯(lián)系。下游電站的入庫流量即為上游電站的下泄流量或主要取決于上游電站下泄流量。（2）發(fā)電水頭的聯(lián)系。下游電站若庫水位過高，則會抬

12、高上游電站尾水位，降低上游電站發(fā)電水頭，減少發(fā)電量；下游電站若庫水位過低，又會減少自身發(fā)電量。（3）調峰、調頻的聯(lián)系。梯級水電站往往向同一電網供電，且承擔系統(tǒng)調峰、調頻任務，梯級水電站通過聯(lián)合運行，合理分配旋轉備用容量，可增大系統(tǒng)調峰容量，提高電網運行穩(wěn)定性（50Hz0.2Hz ）。284 水電站、水庫運行調度的任務、原則及其分類一、運行調度的總任務、基本原則和主要內容水庫調度的總任務是合理利用其工程和技術設施，在對入庫徑流進行經濟合理調度，盡可能大地減免水害、增加發(fā)電和綜合利用效益，以實現(xiàn)水資源的充分利用。29三峽水庫水位變化曲線304 水電站、水庫運行調度的任務、原則及其分類水庫調度的基本

13、原則就是確保工程安全的前提下，分清發(fā)電與防洪及其他綜合利用任務之間的主次關系，統(tǒng)一調度，使水庫綜合效益盡可能最優(yōu)；當工程安全與滿足供電、上下游防洪及其他用水要求發(fā)生矛盾時，應當首先考慮工程安全；當供電可靠性與經濟性發(fā)生矛盾時，應當首先滿足可靠性要求。314 水電站、水庫運行調度的任務、原則及其分類運行調度的主要工作內容包括：編制最優(yōu)、合理的運行調度方案；按所編制的方案根據(jù)面臨的實際情況和信息進行實時調度和操作控制，盡可能實現(xiàn)最優(yōu)；進行調度資料的記錄、整理和分析總結；開展其他有關各項工作，如收集和復核工程、設備及上下游特性等，組織有關建筑物和設備的運行特性試驗；開展水文氣象預報，建立健全各項運行

14、調度規(guī)程和規(guī)章制度，開展有關科學試驗研究和技術革新等。324 水電站、水庫運行調度的任務、原則及其分類二、 水庫調度的分類1. 從內容上分防洪發(fā)電灌溉航運給水（工業(yè)生產、城鄉(xiāng)生活用水）334 水電站、水庫運行調度的任務、原則及其分類2.從方法上分常規(guī)調度按常規(guī)調度圖經驗調度控制水位、發(fā)電量、用水量等優(yōu)化調度確定型隨機型344 水電站、水庫運行調度的任務、原則及其分類3.從空間上分電網之間的聯(lián)合調度電網內部的水、火電聯(lián)合調度跨流域的水庫群聯(lián)合調度流域內水庫群聯(lián)合調度梯級水庫群聯(lián)合調度單一水庫調度354 水電站、水庫運行調度的任務、原則及其分類4.從時間上分長期調度長系列：30年以上的徑流資料，以

15、月或旬為時段長，研究水庫系統(tǒng)長期運行規(guī)律；年：年徑流資料，以月或旬為時段長，研究水庫系統(tǒng)在長期運行規(guī)律控制下，一年內的運行規(guī)律。364 水電站、水庫運行調度的任務、原則及其分類中期調度月（或旬）：月（或旬）徑流資料，以一日或者一周為時段長，研究水庫系統(tǒng)在年內運行規(guī)律控制下，月（或旬）內的運行規(guī)律。短期調度日：日徑流資料，以時或分為時段長，研究水庫系統(tǒng)在月內運行規(guī)律控制下，日內的運行規(guī)律。實時經濟運行、實時洪水調度根據(jù)實時信息進行調整37385 水庫的徑流特性5.1 徑流特點河川徑流的多變性和不重復性相鄰年份的年徑流具有很大的獨立性河川徑流具有明顯的區(qū)域性規(guī)律395 水庫的徑流特性5.2 水文現(xiàn)

16、象的規(guī)律性成因規(guī)律：表示水文現(xiàn)象形成的內在因果關系，確定的成因和條件將對應于確定的結果。統(tǒng)計規(guī)律：樣本容量很大時，隨機變量趨向于一個穩(wěn)定的分布，或相關變量表現(xiàn)為穩(wěn)定的相關關系。406 水庫優(yōu)化調度的基本概念及模型一、優(yōu)化課題水庫調度系統(tǒng)是一個多目標、多層次、動態(tài)、不斷發(fā)展，由大量相互聯(lián)系、相互作用的單元及因素構成的開放性復雜非線性大系統(tǒng)。416 水庫優(yōu)化調度的基本概念及模型水電站及其水庫優(yōu)化課題可概括為：在已知水電站及其水庫系統(tǒng)結構類型、系統(tǒng)其他組成單元的功能、任務、參數(shù)、特性等原始依據(jù)和各種信息及約束條件下，為滿足國民經濟各部門要求，按運行調度的基本原則，利用一定優(yōu)化理論方法及技術，制定對水

17、能、水資源的最優(yōu)利用和控制方式。426 水庫優(yōu)化調度的基本概念及模型二、優(yōu)化準則 衡量調度方案好壞的標準，一般有：國民經濟效益最大運行總費用最小水電站發(fā)電量最大水庫用水量最小汛期下泄洪峰最小、最高庫水位最低436 水庫優(yōu)化調度的基本概念及模型三、優(yōu)化模型優(yōu)化模型是指運行調度優(yōu)化課題的完整數(shù)學描述，由反映優(yōu)化準則的目標函數(shù)和約束條件共同組成。目標函數(shù)是指反映優(yōu)化準則的指標與系統(tǒng)狀態(tài)變量、決策變量、其他變量及參數(shù)之間的數(shù)學關系。約束條件是指調度方案必須滿足的各種限制（約束）條件。446 水庫優(yōu)化調度的基本概念及模型 調度方案必須滿足的各種約束條件包括：水量平衡電力電量平衡上下游水位、水頭限制出力限

18、制流量限制456 水庫優(yōu)化調度的基本概念及模型四、模型分類靜態(tài)、動態(tài)線性、非線性單目標、多目標確定性、隨機性467 水庫優(yōu)化調度方法簡介一、傳統(tǒng)優(yōu)化方法 以馬氏理論以及經典運籌學為基礎，主要采用主要采用線性規(guī)劃、非線形規(guī)劃、等微增率、動態(tài)規(guī)劃、逐次優(yōu)化算法、大系統(tǒng)分解協(xié)調等方法：線性規(guī)劃：需要對目標函數(shù)和約束條件進行線性化處理, 這會導致與原問題產生偏差；非線性規(guī)劃：較符合實際問題, 但一般計算量大，求解速度慢；等微增率法：屬于古典求極值的方法，但難以處理不等式約束條件；477 水庫優(yōu)化調度方法簡介動態(tài)規(guī)劃：要求目標函數(shù)具有階段可分性，并且隨著水庫數(shù)目的增多會引起“維數(shù)災”問題；逐步優(yōu)化算法：

19、不必對狀態(tài)變量進行離散處理，然而計算結果依賴于初始解的選擇，而且當水庫數(shù)目較多時收斂速度又會大大降低；大系統(tǒng)分解協(xié)調方法：需增加協(xié)調因子，計算比較復雜，收斂速度慢。487 水庫優(yōu)化調度方法簡介二、 現(xiàn)代智能方法 進入20世紀90年代，隨著計算機以及人工智能技術的發(fā)展，遺傳算法（Genetic Algorithm-GA）、神經網絡法（Artificial Neural Networks -ANN）、蟻群算法（Ant Colony Optimization-ACO）、粒子群算法（Particle Swarm Optimization-PSO）等開始逐步應用于水電站經濟運行及水庫優(yōu)化調度領域。由于其

20、對優(yōu)化模型沒有過多限制，具有可處理不可微、不連續(xù)、多維、高度非線性問題的優(yōu)點以及并行計算的能力，成為該領域的研究熱點和發(fā)展傾勢。然而，智能優(yōu)化技術同時也存在物理意義不夠明確，受算法隨機性影響計算結果不夠穩(wěn)定，針對不同物理對象算法參數(shù)不易確定等缺陷，還有待進一步進行研究。498 興建水庫的弊端 1.增加庫區(qū)地質災害發(fā)生的頻率：興建水庫可能會誘發(fā)地震，增加庫區(qū)及附近地區(qū)地震發(fā)生的頻率。山區(qū)的水庫由于兩岸山體下部未來長期處于浸泡之中，發(fā)生山體滑坡、塌方和泥石流的頻率會有所增加2.造成庫區(qū)泥沙淤積：由于受水壩的攔截，受水勢變緩和庫尾地區(qū)回水影響，泥沙必然會在水庫內尤其是大壩和庫尾（回水的影響）淤積。3.下游土地的土壤鹽堿化：灌溉使地下水位上升，把深層土壤內的鹽分帶到地表，再加上灌溉水中的鹽分和各種化學殘留物的高含量，導致了土壤鹽堿化。508 興建水庫的弊端4.庫區(qū)及下游的水質惡化：庫區(qū)水面面積大,大量的水被蒸發(fā),土壤鹽堿化使土壤中的鹽分及化學殘留物增加,從而使地下水受到污染,提高了下游河水的含鹽量。