1、1水库运行调度水库运行调度 讲课教师：李英海讲课教师：李英海 2水库运行调度水库运行调度l学时：学时：32学时l学分：学分：2l时间：时间：9-16周，每周两次课l要求：要求：平时成绩30%+考试成绩70% 1、平时成绩根据作业完成情况、出勤情况和课堂表现确定，占总评成绩的30%。 2、期末笔试为闭卷考试，占总评成绩的70%。3第一章第一章 水电站运行与水库调度概论水电站运行与水库调度概论o基本内容基本内容1 概述2 水电站水库综合利用要求3 水库群的类型和特点4 水电站、水库运行调度的任务、原则及其分类5 水库的径流特性6 水库优化调度的基本概念及模型7 水库优化调度方法简介8 兴建水库的弊
2、端41 1 概述概述o 1.1 水库水库l在山谷的狭口处，筑一道拦水坝，堵住山溪或河流的水流，把上游集水面积内的来水拦蓄起来，为农田灌溉、生活用水、防洪保障、水力发电等服务，这样的工程，就叫做水库。l明 徐光启 农政全书卷二十：“水库者，水池也。曰库者，固之其下，使无受渫也。幂之其上，使无受损也。”51 1 概述概述p 1.2 水库的作用水库的作用 l水库是水资源系统的重要组成部分，是调节径流、实施水资源调度的主要工具和技术设施，在水资源系统运行调度中占有重要地位。l存入水库的水，经过调节进入取水建筑物、引水、输水和配水渠道，供给各用水部门；或经过调节进入水电站、船闸等过水建筑物，被利用后，通
3、过泄水建筑物和溢洪道，泄至下游河道。61 1 概述概述o 1.3 兴建水库的原因兴建水库的原因 为附近的地区提供自来水及灌溉用水 利用水坝上的水力发电机来产生电力 运河系统的一部份 水库的防洪效益 对库区和下游进行径流调节 其他的用处包括渔业、旅游等 71 1 概述概述o 1.4 水库的类型和等级水库的类型和等级 我国10万m3以上的水库共有98002座；按水库库容（蓄水容量）的大小，把水库分成大、中、小3种类型：大型水库大型水库总库容在1亿m3以上。大(1)型：大于10亿m3 ；大(2)型 ：110亿m3 。 中型水库中型水库总库容在1000万m3以上，1亿m3以下。81 1 概述概述小型水
4、库小型水库总库容在10万m3以上，1000万m3以下： 小(1)型水库，总库容在100万m3以上，1000万m3以下；小(2)型水库，总库容在10万m3以上，100万m3以下。塘坝塘坝总库容在10万m3以下。 世界上最大的水库是埃及纳赛尔水库，总库容1640亿m3；我国最大的水库是三峡水库，总库容393亿m3；浙江省最大的水库是新安江水库，总库容216亿m3；湖北省第二大水库丹江口水库，总库容209.7亿m3。9101 1 概述概述o1.5 水电站运行与水库调度的特点水电站运行与水库调度的特点运行经济性：运行经济性：水电站年发电量主要取决于年径流的大小和水电站水库调度管理方法，其运行费用基本上
5、与发电量无关；调度灵活性：调度灵活性：水电站及水库各种取、用、泄水建筑物具有启闭迅速，工作灵活的特点，能适应电力负荷及供水多变的要求；效益综合性：效益综合性：水电站、水库运行调度方式直接影响其上、下游，左、右岸各部门、各方面的安全和利益。111 1 概述概述信息随机性：信息随机性：水电站水库系统的输入为河川径流，输出为电力负荷及其他用水，具有很大的随机性；决策风险性：决策风险性：由于系统输入与输出信息具有随机性，从而导致系统决策具有风险性；系统复杂性：系统复杂性：水电站及水库是水利系统和电力系统的重要组成单元，与系统内其他单元有密切的水力、电力联系，其调度方式与天然径流、国民经济各部门和社会各
6、方面用水需求、防洪需求密切相关。122 2 水电站水库综合利用要求水电站水库综合利用要求l水库按照开发利用要求，分为灌溉水库，城镇、乡村供水水库，防洪水库，发电水库等。开发目标是多项的，称为综合利用水库，往往是以一个目标为主，结合其他目标的利用。例如，以灌溉为主，结合防洪、发电；或以发电为主，结合灌溉、城镇供水等。132 2 水电站水库综合利用要求水电站水库综合利用要求 一、水库的防洪要求一、水库的防洪要求 水库是防御洪水、减免洪水灾害的主要工程措施之一。在防洪区上游河道适当位置兴建能调蓄洪水的水库，利用水库库容拦蓄洪水，削减进入下游河道的洪峰流量，达到减免洪水灾害的目的。水库对洪水的调节作用
7、有两种不同方式，一种起滞洪作用，另一种起蓄洪作用。u1. 滞洪作用滞洪作用 滞洪就是使洪水在水库中暂时停留。当水库的溢洪道上无闸门控制，水库蓄水位与溢洪道堰顶高程平齐时，则水库只能起到暂时滞留洪水的作用。142 2 水电站水库综合利用要求水电站水库综合利用要求u2. 蓄洪作用蓄洪作用l在溢洪道未设闸门情况下，在水库管理运用阶段，如果能在汛期前用水，将水库水位降到水库限制水位，且水库限制水位低于溢洪道堰顶高程，则限制水位至溢洪道堰顶高程之间的库容，就能起到蓄洪作用。蓄在水库的一部分洪水可在枯水期有计划地用于兴利需要。l当溢洪道设有闸门时，水库就能在更大程度上起到蓄洪作用，水库可以通过改变闸门开启
8、度来调节下泄流量的大小。由于有闸门控制，所以这类水库防洪限制水位可以高出溢洪道堰顶，并在泄洪过程中随时调节闸门开启度来控制下泄流量，具有滞洪和蓄洪双重作用。152 2 水电站水库综合利用要求水电站水库综合利用要求 二、发电要求二、发电要求 水电站作为电网的重要组成部分，承担着电能供给任务，因此必须满足电力系统的可靠性与经济性要求。 可靠性：保证率和保证出力 经济性：发电量或发电效益最大162 2 水电站水库综合利用要求水电站水库综合利用要求保证出力:是指水电站在多年运行期间所能提供的具有一定保证率的电力，或者说，是相对于设计保证率的供水期的平均出力。 保证率：水电站正常工作不遭受破坏的相对历时
9、。172 2 水电站水库综合利用要求水电站水库综合利用要求 三、其他综合利用要求三、其他综合利用要求由于河川径流具有多变性和不重复性，在年与年、季与季以及地区之间来水都不同，且变化很大。大多数用水部门（例如灌溉、发电、供水、航运等）都要求比较固定的用水数量和时间，它们的要求经常不能与天然来水情况完全相适应。对综合利用水库，应根据各部门的需水图绘制综合需水图，作为其运行调度的依据。18193 3 水库群的类型和特点水库群的类型和特点p 3.1 水库群水库群l在河流的开发治理过程中，为了从全流域的角度研究防灾和兴利，需要在河流干支流上布置一系列的水库，形成一定程度上能互相协作、共同调节径流，满足流
10、域整体中各部门的多种需要。这样一群共同工作的水库整体即称为水库群。20长江中上游水利枢纽21长江中上游水利枢纽223 3 水库群的类型和特点水库群的类型和特点l水库群与单一水库不同的两个基本特征： 1.共同性，即共同调节径流，并共同为一些开发目标（发电、防洪、灌溉等）服务。 2.联系性，组成库群的各水库间，常常存在一定的水文、水力、电力上的相互联系。233 3 水库群的类型和特点水库群的类型和特点p 3.2 水库群的类型水库群的类型 按照各水库的相互位置和水力联系的有无，可分为：串联水库群、并联水库群和混联水库群三种。l串联水库群是指布置于同一条河流、形如阶梯的水库群，也称为梯级水库群。梯级水
11、库群各库的径流之间有着直接的上下联系，有时落差和水头也相互影响。按照各库间回水的衔接与否，又可分为衔接梯级、重叠梯级和间断梯级三种。243 3 水库群的类型和特点水库群的类型和特点l并联水库群是指位于相邻的几条干支流或不同河流上的一排水库。并联水库有各自的集水面积，之间并无水力上的联系。l混联水库群是串联和并联混合的库群形式。253 3 水库群的类型和特点水库群的类型和特点 按水库的开发目的和服务对象，水库群的类型可分为发电、防洪、灌溉等为目的的水库群。由于目前大多数河流均具有综合利用要求，因此多数情况下属于综合利用的水库群。263 3 水库群的类型和特点水库群的类型和特点p 3.3 水库群的
12、工作特点水库群的工作特点 水库群的工作特点主要体现在以下四个方面：l1.库容大小和调节程度上的不同。库容大、调节程度高的水库常可帮助调节性能相对较差的水库，发挥“库容补偿”调节的作用，提高总的开发效果和补偿水量。l2.水文情况的差别。由于各库所处河段在径流年内和年季变化的特性上存在差异，在相互联合运行时，可提高总的保证供水量或保证出力，起到“水文补偿”的作用。273 3 水库群的类型和特点水库群的类型和特点l3.径流和水力上的联系。梯级水库群径流和水力上的联系将影响下库的入库流量、上库的落差等，因而需要统筹考虑。l4.水利和经济上的联系。一个地区的水利、经济上的任务，例如下游的防洪、大面积的灌
13、溉、电网供电等往往需要同一地区各水库共同协调解决。283 3 水库群的类型和特点水库群的类型和特点p 3.4 梯级水电站群的运行特点梯级水电站群的运行特点（1）发电水量的联系。）发电水量的联系。下游电站的入库流量即为上游电站的下泄流量或主要取决于上游电站下泄流量。（2）发电水头的联系。）发电水头的联系。下游电站若库水位过高，则会抬高上游电站尾水位，降低上游电站发电水头，减少发电量；下游电站若库水位过低，又会减少自身发电量。（3）调峰、调频的联系。）调峰、调频的联系。梯级水电站往往向同一电网供电，且承担系统调峰、调频任务，梯级水电站通过联合运行，合理分配旋转备用容量，可增大系统调峰容量，提高电网
14、运行稳定性（50Hz0.2Hz ）。294 水电站、水库运行调度的任务、原则水电站、水库运行调度的任务、原则及其分类及其分类p 一、运行调度的总任务、基本原则和主要内容一、运行调度的总任务、基本原则和主要内容 水库调度的总任务是合理利用其工程和技术设施，在对入库径流进行经济合理调度，尽可能大地减免水害、增加发电和综合利用效益，以实现水资源的充分利用。30三峡水库水位变化曲线三峡水库水位变化曲线314 水电站、水库运行调度的任务、原则水电站、水库运行调度的任务、原则及其分类及其分类水库调度的基本原则就是确保工程安全的前提下，分清发电与防洪及其他综合利用任务之间的主次关系，统一调度，使水库综合效益
15、尽可能最优；当工程安全与满足供电、上下游防洪及其他用水要求发生矛盾时，应当首先考虑工程安全；当供电可靠性与经济性发生矛盾时，应当首先满足可靠性要求。324 水电站、水库运行调度的任务、原则水电站、水库运行调度的任务、原则及其分类及其分类 运行调度的主要工作内容包括： 编制最优、合理的运行调度方案； 按所编制的方案根据面临的实际情况和信息进行实时调度和操作控制，尽可能实现最优； 进行调度资料的记录、整理和分析总结； 开展其他有关各项工作，如收集和复核工程、设备及上下游特性等，组织有关建筑物和设备的运行特性试验； 开展水文气象预报，建立健全各项运行调度规程和规章制度，开展有关科学试验研究和技术革新
16、等。334 水电站、水库运行调度的任务、原则水电站、水库运行调度的任务、原则及其分类及其分类p 二、二、 水库调度的分类水库调度的分类 1. 从内容上分从内容上分l防洪l发电l灌溉l航运l给水（工业生产、城乡生活用水）344 水电站、水库运行调度的任务、原则水电站、水库运行调度的任务、原则及其分类及其分类 2.从方法上分从方法上分u常规调度l按常规调度图u经验调度l控制水位、发电量、用水量等u优化调度l确定型l随机型354 水电站、水库运行调度的任务、原则水电站、水库运行调度的任务、原则及其分类及其分类 3.从空间上分从空间上分l电网之间的联合调度l电网内部的水、火电联合调度l跨流域的水库群联
17、合调度l流域内水库群联合调度l梯级水库群联合调度l单一水库调度364 水电站、水库运行调度的任务、原则水电站、水库运行调度的任务、原则及其分类及其分类 4.从时间上分从时间上分u长期调度l长系列：30年以上的径流资料，以月或旬为时段长，研究水库系统长期运行规律；l年：年径流资料，以月或旬为时段长，研究水库系统在长期运行规律控制下，一年内的运行规律。374 水电站、水库运行调度的任务、原则水电站、水库运行调度的任务、原则及其分类及其分类u中期调度l月（或旬）：月（或旬）径流资料，以一日或者一周为时段长，研究水库系统在年内运行规律控制下，月（或旬）内的运行规律。u短期调度l日：日径流资料，以时或分
18、为时段长，研究水库系统在月内运行规律控制下，日内的运行规律。u实时经济运行、实时洪水调度l根据实时信息进行调整3839o5.1 径流特点径流特点河川径流的多变性和不重复性相邻年份的年径流具有很大的独立性河川径流具有明显的区域性规律40o 5.2 水文现象的规律性水文现象的规律性l成因规律：表示水文现象形成的内在因果关系，确定的成因和条件将对应于确定的结果。l统计规律：样本容量很大时，随机变量趋向于一个稳定的分布，或相关变量表现为稳定的相关关系。41p 一、优化课题一、优化课题l水库调度系统是一个多目标、多层次、动态、不断发展，由大量相互联系、相互作用的单元及因素构成的开放性复杂非线性大系统。4
19、2l水电站及其水库优化课题可概括为：在已知水电站及其水库系统结构类型、系统其他组成单元的功能、任务、参数、特性等原始依据和各种信息及约束条件下，为满足国民经济各部门要求，按运行调度的基本原则，利用一定优化理论方法及技术，制定对水能、水资源的最优利用和控制方式。43o 二、优化准则二、优化准则 衡量调度方案好坏的标准，一般有：国民经济效益最大运行总费用最小水电站发电量最大水库用水量最小汛期下泄洪峰最小、最高库水位最低44o三、优化模型三、优化模型l优化模型是指运行调度优化课题的完整数学描述，由反映优化准则的目标函数和约束条件共同组成。l目标函数是指反映优化准则的指标与系统状态变量、决策变量、其他
20、变量及参数之间的数学关系。l约束条件是指调度方案必须满足的各种限制（约束）条件。45 调度方案必须满足的各种约束条件包括：水量平衡电力电量平衡上下游水位、水头限制出力限制流量限制46o 四、模型分类四、模型分类 静态、动态 线性、非线性 单目标、多目标 确定性、随机性47o 一、传统优化方法一、传统优化方法 以马氏理论以及经典运筹学为基础，主要采用主要采用线性规划、非线形规划、等微增率、动态规划、逐次优化算法、大系统分解协调等方法：p 线性规划线性规划：需要对目标函数和约束条件进行线性化处理, 这会导致与原问题产生偏差；p 非线性规划非线性规划：较符合实际问题, 但一般计算量大，求解速度慢；p
21、 等微增率法等微增率法：属于古典求极值的方法，但难以处理不等式约束条件；48p 动态规划动态规划：要求目标函数具有阶段可分性，并且随着水库数目的增多会引起“维数灾”问题；p 逐步优化算法逐步优化算法：不必对状态变量进行离散处理，然而计算结果依赖于初始解的选择，而且当水库数目较多时收敛速度又会大大降低；p 大系统分解协调方法大系统分解协调方法：需增加协调因子，计算比较复杂，收敛速度慢。49o二、二、 现代智能方法现代智能方法 进入20世纪90年代，随着计算机以及人工智能技术的发展，遗传算法（Genetic Algorithm-GA）、神经网络法（Artificial Neural Network
22、s -ANN）、蚁群算法（Ant Colony Optimization-ACO）、粒子群算法（Particle Swarm Optimization-PSO）等开始逐步应用于水电站经济运行及水库优化调度领域。由于其对优化模型没有过多限制，具有可处理不可微、不连续、多维、高度非线性问题的优点以及并行计算的能力，成为该领域的研究热点和发展倾势。然而，智能优化技术同时也存在物理意义不够明确，受算法随机性影响计算结果不够稳定，针对不同物理对象算法参数不易确定等缺陷，还有待进一步进行研究。508 兴建水库的弊端兴建水库的弊端 l1.增加库区地质灾害发生的频率：兴建水库可能会诱发地震，增加库区及附近地区
23、地震发生的频率。山区的水库由于两岸山体下部未来长期处于浸泡之中，发生山体滑坡、塌方和泥石流的频率会有所增加l2.造成库区泥沙淤积：由于受水坝的拦截，受水势变缓和库尾地区回水影响，泥沙必然会在水库内尤其是大坝和库尾（回水的影响）淤积。l3.下游土地的土壤盐碱化：灌溉使地下水位上升，把深层土壤内的盐分带到地表，再加上灌溉水中的盐分和各种化学残留物的高含量，导致了土壤盐碱化。518 兴建水库的弊端兴建水库的弊端l4.库区及下游的水质恶化：库区水面面积大,大量的水被蒸发,土壤盐碱化使土壤中的盐分及化学残留物增加,从而使地下水受到污染,提高了下游河水的含盐量。l5.河水的水质的改变：由于水质的恶化及水流
24、流速的减慢，使水生植物及藻类到处蔓延，不仅蒸发掉大量河水，还堵塞河道灌渠等等。这些水生植物不仅遍布灌溉渠道，还侵入了主河道。它们阻碍着灌渠的有效运行，需要经常性地采用机械或化学方法清理。这样，又增加了灌溉系统的维护开支。528 兴建水库的弊端兴建水库的弊端l6.对下游河道的影响：由于水势和含沙量的变化，还可能改变下游河段的河水流向和冲积程度，造成河床被严重冲刷侵蚀,入河（海）口向陆地方向后退。l7.由于水流静态化导致下游血吸虫病等流行病的发病率增加。l8.移民问题和对库区风景、文物的影响：由于水位上升使库区被淹没，需要进行移民。并且由于兴建水库导致库区的风景名胜和文物古迹被淹没，需要进行搬迁、
25、复原等。538 兴建水库的弊端兴建水库的弊端l9.对气候的影响：库区蓄水后，水域面积扩大，水的蒸发量上升，因此会造成附近地区日夜温差缩小，改变库区的气候环境。l10.外交上的影响：在国际河流上兴建的水库，等于重新分配了水资源，间接的影响了水库所在国家与下游国家的关系。l11. 价值的损失：淹没文物古迹或造成原有自然景观观赏价值的损失。54漫湾、大朝山、景洪、小湾水电站等漫湾、大朝山、景洪、小湾水电站等 55水库运行调度概述水电站水库中长期发电调度 水库优化调度算法 水电站水库群联合长期发电调度水电站水库短期优化调度 水库防洪调度 水库综合利用调度 流域梯级调度自动化系统 56o 陈森林水电站水库运行与调度o 马光文流域梯级水电站群联合优化运行o 陈宁珍水库运行调度o 张勇传水电能源优化管理o 张勇传水电系统最优控制o 邹进水资源系统运行与优化调度o 武鹏林水利计算与水库调度o 运筹学、数学规划
