水庫實時入庫流量推算研究

1、水庫實時入庫流量的推算研究鐘華昌（大唐巖灘水力發(fā)電廠，廣西 巖灘 530811）摘 要：實時入庫流量是水庫調(diào)度重要參數(shù)，以往由于條件的限制，計算結(jié)果偏差較大，通過改進實時入庫流量計算公式的使用方法，并運用線實時校正技術(shù)，使實時入庫流量計算精度基本達到95%左右，解決了實時入庫流量計算結(jié)果不能直接利用這一難題。關(guān)鍵詞： 入庫流量 實時 計算 校正1 前 言實時入庫流量計算是水庫調(diào)度頻繁而重要的工作，其準(zhǔn)確與否將影響到水庫的安全經(jīng)濟運行。由于受發(fā)電、泄流和庫水位波動等因素的影響，實時入庫流量的計算結(jié)果偏差較大，過程線也大多呈“鋸齒”狀劇烈波動，甚至出現(xiàn)負(fù)值，計算結(jié)果嚴(yán)重失真，需要進行人工校正后才能

2、加以利用。近年來隨著水情自動測報系統(tǒng)普及，許多水電廠實現(xiàn)了電腦化水務(wù)管理，但是，實時入庫流量的推求還是原來手工作業(yè)的“翻版”，這種“硬拷貝”式的處理使計算精度并未得到實質(zhì)性的提高，這種計算結(jié)果同樣不能直接利用，制約了水庫實時優(yōu)化調(diào)度等水庫調(diào)度功能的實現(xiàn)，以及其他實用功能的開發(fā)。2 實時入庫流量在水庫調(diào)度中的作用實時入庫流量是指導(dǎo)水庫運行最直接、最有效的指標(biāo)之一。水庫實時優(yōu)化調(diào)度、實時洪水調(diào)度以及實時洪水預(yù)報等都需要準(zhǔn)確的實時入庫流量作為支持，特別是在水庫調(diào)度自動化程度日益提高的今天，實時入庫流量計算精度偏低，不但限制了一些水調(diào)自動化功能的實用性，也影響電網(wǎng)端對電廠實時水情的采集和使用。可以說，

3、實時入庫流量的準(zhǔn)確推求，不但能夠促進水庫的安全經(jīng)濟運行，還能夠促進電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度，有利于實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置，促進國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。3 入庫流量的特性實時入庫流量是河川徑流的一種特殊狀態(tài)，它的發(fā)生、發(fā)展有其特定的規(guī)律，并表現(xiàn)出其相應(yīng)的獨特個性，主要有： （1） 時變性：受自然或人為因素的影響，實時入庫流量隨時間而不斷改變。（2） 連續(xù)性：其變化總是連續(xù)不斷的，并遵循質(zhì)量守恒定律。（3） 非線性和非恒定性：與自然河道水流一樣，入庫流量的變化不是均勻的、線性的。（4） 不重復(fù)性：雖然河川徑流有其本身的周期性，但不會重復(fù)同樣的變化軌跡。（5） 非模型化：實時入庫流量的推求不能象對待水文預(yù)報那樣，可

4、建立起計算模型來進行模擬。（6） 不可測量性： 與河道斷面流量的可測量性不同，入庫流量只能在發(fā)生過后，利用公式進行反推才能得出“實際”值。4 入庫流量常用的推算方法4.1 水量平衡法即利用壩前的水位庫容關(guān)系曲線及出庫流量等資料，由實測出庫水量（水量）和水庫蓄水變化量，按水量平衡的方法反推入庫流量。4.2 馬斯京根法根據(jù)上斷面的入流過程，通過逐時段求解河段的水量平衡方程和蓄泄方程，計算出下斷面的出流過程。4.3 退水曲線法根據(jù)流域退水規(guī)律，繪制退水曲線或推導(dǎo)退水計算公式，然后通過曲線查取或公式計算某時刻的入庫流量。4.4 相關(guān)分析法利用上游干支流測站和本站的實測流量資料，經(jīng)過相關(guān)分析后總結(jié)成公式

5、或繪制成曲線，就可根據(jù)上游測站某一時刻的流量，查取或計算經(jīng)過傳播時間后的入庫流量。由于水量平衡法的物理意義較為明顯，易于理解和計算，求解時既不需要事先繪制圖表，也不需要掌握高深的理論或經(jīng)過嚴(yán)密數(shù)學(xué)的推導(dǎo)，而且計算所需資料簡單、易于收集，計算結(jié)果經(jīng)人工校正后基本能夠滿足生產(chǎn)實踐的要求，因此在水庫調(diào)度的實踐中被廣泛使用。5 實時入庫流量計算誤差分析影響實時入庫流量誤差的因素較多，雖然水量平衡法根據(jù)質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)而來，也抓住了流量連續(xù)性等主要規(guī)律，因而能獲得一定的精度。但由于計算工具的落后，在實際操作中被做了極大的簡化，同時、計算公式本身也沒有充分考慮到各相關(guān)參數(shù)的時變特性，以致產(chǎn)生較大誤差。5.

6、1 流量變動及公式簡化使用的影響由于影響流域產(chǎn)匯流的因素眾多，而這些因素的時變性較強，入庫流量不可能成為恒定流或呈線性變化，加上一些人為因素的影響，使水庫出入庫流量時刻處在變動之中，然而，對這種隨機變化的現(xiàn)象，往往被過于簡單地處理為：(q1q2) t2(q1q2) t2 = v2v1式中只抓住了參數(shù)變量在時段初、末兩個瞬間的狀態(tài)，并以此來簡單地推求其平均值，代替整個時段的變化過程，這是誤差產(chǎn)生原因之一。5.2 水位波動的影響因發(fā)電負(fù)荷調(diào)整、泄洪閘門啟閉和其他人為活動（如航運等）的干擾，水位的變化不可能是平穩(wěn)的，在計算時刻所采集到的水位大多不能夠代表此刻的真實值，而計算時未對這些水位值加以任何處

7、理，就直接代入公式，這是誤差來源之二。5.3 負(fù)荷及閘門泄流變化的影響電力系統(tǒng)負(fù)荷時刻都要維持一種動態(tài)平衡，因而水電廠的負(fù)荷也要不斷調(diào)整，負(fù)荷的變動必然會引起發(fā)電流量的變動，而且這種變動是隨機的。同時閘門啟閉引起的泄流量變化也與此相同，因而時段初、末瞬時出庫流量的算術(shù)平均值，就不能代表整個時段平均出庫流量，這是誤差來源之三。5.4 庫容曲線的影響由于引用資料、測量手段和精度等因素的影響，庫容曲線本身就存在一定的誤差，加上水庫蓄水后的淤積，如不及時修正，這些誤差將會積累和傳遞。5.5 時段長短的影響時段t的長短對各變量的影響是不同的，負(fù)荷變化較為頻繁，計算時段宜短些，水位有跳變或波動現(xiàn)象，計算時

8、段則應(yīng)長些，如取統(tǒng)一的時段長度，容易顧此失彼，產(chǎn)生誤差。5.6 動庫容的影響在洪水發(fā)生時在水庫尾部會形成一個契形動庫容，水量平衡計算是根據(jù)壩前水位計算庫容變化的，所以無法考慮動庫容的影響，這也是誤差產(chǎn)生的原因。6 對水量平衡法使用的改進在以往的生產(chǎn)實踐中，水量平衡法的計算結(jié)果雖未取得令人滿意的程度，但這并不表明是計算方法和公式原理方面的不合理，而是使用方法不夠正確以及原始資料的采樣誤差等因素造成的。因此建議在使用水量平衡法進行實時入庫流量計算時，根據(jù)以上的誤差分析，還應(yīng)作以下幾點改進：6.1 發(fā)電流量計算鑒于發(fā)電出力總是在不斷調(diào)整之中，在計算發(fā)電流量時，可根據(jù)負(fù)荷的實際變動情況，把計算時段t

9、縮短到接近線性變化的狀態(tài)，然后再加權(quán)計算到正點時刻，作為時段的平均值。6.2 閘門泄流量計算閘門啟閉后會發(fā)生出庫流量突變的現(xiàn)象，因此只需在閘門啟閉后的一段時間內(nèi)（比如1h），縮短計算時段t 并連續(xù)加權(quán)算到正點時刻作為時段平均值，其他時間可按需要隨時進行計算。6.3 庫容變化量計算要弱化庫水位變動對庫容變化量計算的影響，可做以下兩點處理：計算時段t 長不應(yīng)與發(fā)電或泄流一致，該時段長的設(shè)定既要弱化水位波動影響，又要體現(xiàn)入庫流量的實時性；其次要均化處理計算時刻的瞬時庫水位，使其更能夠代表此刻的真實水位值。6.4 連續(xù)演算的時段長度計算發(fā)電流量、閘門流量時，計算時段要縮短，計算庫容變化量時，又要求計算

10、時段要延長，但最終都要統(tǒng)一到相同長度的時段t來進行計算，才能符合水量平衡公式的要求，并為下一步實時校正提供實時參數(shù)，這一時段長以時鐘正點分界為宜。6.5 不忽略其他影響因素動庫容、水庫淤積等影響，可視當(dāng)時水庫調(diào)節(jié)的具體情況，計算時適當(dāng)增減于出入庫流量中，這樣可以弱化這些因素的影響。7 入庫流量的實時校正利用上述改進方法進行計算的結(jié)果，可以較大幅度地提高計算精度，但一定范圍的波動還會存在，需要進行實時校正。7.1 實時在線校正應(yīng)具備的條件實時入庫流量計算所需要的資料，包括實時出庫水量(流量)和實時庫容。因而要進行實時入庫流量的在線校正，應(yīng)配備水位和機組出力的采集裝置，實時地采集水位和機組出力等數(shù)

11、據(jù)，然后傳送給數(shù)據(jù)處理中心計算機進行存儲、計算和校正。7.2 實時校正模型或方法可以進行實時校正的方法不少，經(jīng)實踐證明，對實時入庫流量的校正，利用最小二乘法可以得到較為滿意的效果。由于最小二乘法原用于實時洪水預(yù)報，因此在用于實時入庫流量校正時，還應(yīng)作了如下處理或調(diào)整。7.2.1 利用遞推算法實現(xiàn)連續(xù)校正每次取得新的水量平衡計算結(jié)果后，利用新的計算結(jié)果參與修正，從而遞推地估算新的修正值，隨著新的計算結(jié)果逐次加入，一步一步地進行修正，從而實現(xiàn)參數(shù)的連續(xù)校正。7.2.2 通過衰減記憶遞推法體現(xiàn)適應(yīng)模擬對象的時變性實時入庫流量具有時變特性，最新的數(shù)據(jù)較之老的數(shù)據(jù)更能反映對象的現(xiàn)時動態(tài)特性，因此在遞推算

12、中，應(yīng)通過人為地給數(shù)據(jù)加權(quán)，將過時的數(shù)據(jù)逐漸“遺忘“掉，而突出當(dāng)前數(shù)據(jù)的作用。7.2.3 試錯法預(yù)設(shè)初值利用衰減記憶遞推最小二乘法進行實時校正時，首先必須確定遺忘因子和矩陣初值，由于進行矩陣運算較為復(fù)雜，正確推求計算結(jié)果實屬不易，因此可以假定預(yù)設(shè)初值，選取擬合程度最好的一組。同時也建議人為地設(shè)定幾個時段的入庫流量初值，這樣可迅速獲得滿意的校正結(jié)果。7.2.4 選定合理矩陣維數(shù)入庫流量的時變性很強，隨著數(shù)據(jù)的“老化”它對現(xiàn)時狀態(tài)的影響力迅速降低，因此參數(shù)的維數(shù)越大，對提高精度不但沒有幫助，反而可能降低，但對計算機資源的消耗則是成倍增長，建議選擇34維即可。7.2.5 假定模擬對象為線性時變系統(tǒng)大

13、多情況下水庫入庫流量的變化是連續(xù)的、單向的，因而在短時（幾個小時）內(nèi)的變化，可認(rèn)為（或假設(shè)）是線性的。7.2.6 時段轉(zhuǎn)換預(yù)報作業(yè)是計算變量的未來狀態(tài)，水量平衡計算是估計變量的當(dāng)前狀況，因此要進行實時入庫流量的校正，還要進行校正模型的時段的轉(zhuǎn)換，使預(yù)見期無限縮短，如以3元自回歸方程為例，即把q(t+1)=1q(t)+2q(t-1)+3q(t-2) （1）轉(zhuǎn)變?yōu)椋簈(t)=1q(t)+2q(t-1)+3q(t-2) （2）式中： t為時刻 q(t)為t時刻計算值（加減1為前一或后一時段參數(shù)）=（1 、2、3）為模型參數(shù)式（1）是預(yù)報的校正模型，式（2）則轉(zhuǎn)換后的實時入庫流量的校正模型，通過這樣的

14、轉(zhuǎn)換，就可在入庫流量實時校正中加以應(yīng)用。8 改進實時入庫流量計算的實踐巖灘水電廠水情自動測報系統(tǒng)于1996年建成運行，該系統(tǒng)可以進行出入庫流量推算，當(dāng)時也是利用水量平衡公式計算實時入庫流量，受軟硬件條件的限制，公式的使用方法未作任何改進，計算精度自然未得到實質(zhì)性的提高。2000年后隨著該系統(tǒng)的升級改造和自動化水平的逐步提高，我們開探索改進水量平衡計算公式的使用：8.1 自動計算首先進行了水量平衡“自動計算”的嘗試，并取得了滿意的效果。即在不需人為干預(yù)的情況下，使計算機根據(jù)設(shè)定的時間自行完成入庫流量的計算。8.2 連續(xù)計算自動計算的實現(xiàn)，減輕了水務(wù)計算的勞動強度，為了更好地掌握實時入庫流量的情況

15、，我們以1小時為時段長度，進行連續(xù)計算。8.3 計算方法的改進針對以上分析引起誤差的主要因素，把發(fā)電用水量、閘門棄水量的計算誤差和水位波動的影響逐項減小和弱化，達到了預(yù)期的目的。8.4 引入校正為了進一步消除計算入庫流量的“鋸齒狀”，先后嘗試了多種在水文預(yù)報上常用的校正方法，最后利用實時入庫流量具有一定的時變性和短期內(nèi)線性變化的特點，建立了自回歸校正模型，利用最小二乘法進行在線的實時校正，經(jīng)校正后“鋸齒狀”的入庫流量過程線現(xiàn)象基本消除（見圖一 至 圖四），日平均入庫流量的計算精度絕大部分達到90%以上（見表1）。常規(guī)方法與改進方法計算入庫流量過程線的對照圖 圖1 圖29 存在問題9.1 出庫流

16、量突變影響還不能完全消除因電網(wǎng)調(diào)度的需要，有時要進行較大幅度地控制閘門出流，閘門啟閉前后，出庫流量突變量級達到1000m3/s以上的還為數(shù)不少，出庫流量的劇烈變動，必然會在一定程度上影響到反推的入庫流量。9.2 入庫洪峰出現(xiàn)時刻略有偏后及漲退水段誤差偏大因采用自回歸的校正模型，因此必然會在一定程度上受到前些時段計算結(jié)果的影響，使洪峰出現(xiàn)時刻略顯偏遲，同時每場洪水的漲退率都不可能一致，從而造成校正結(jié)果在漲、退水段容易出現(xiàn)一些偏差。9.3 線性變化的假設(shè)不盡合理不同時期入庫流量漲退率也不同，其線性變化的斜率就會有所差別，再者，有漲水段轉(zhuǎn)為平水段或由平水段轉(zhuǎn)為退水段時，兩個“拐點”前后也難以用線性來加以描述。10 結(jié) 語從在改進后的實際應(yīng)用情況看，水量平衡方法仍然是實時入庫流量計算的一種有效方法，只要對使用方法進行改進，計算