水庫(kù)實(shí)時(shí)入庫(kù)流量推算研究_第1頁(yè)
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1、水庫(kù)實(shí)時(shí)入庫(kù)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(shí)時(shí)入庫(kù)流量是水庫(kù)調(diào)度重要參數(shù),以往由于條件的限制,計(jì)算結(jié)果偏差較大,通過(guò)改進(jìn)實(shí)時(shí)入庫(kù)流量計(jì)算公式的使用方法,并運(yùn)用線實(shí)時(shí)校正技術(shù),使實(shí)時(shí)入庫(kù)流量計(jì)算精度基本達(dá)到95%左右,解決了實(shí)時(shí)入庫(kù)流量計(jì)算結(jié)果不能直接利用這一難題。關(guān)鍵詞: 入庫(kù)流量 實(shí)時(shí) 計(jì)算 校正1 前 言實(shí)時(shí)入庫(kù)流量計(jì)算是水庫(kù)調(diào)度頻繁而重要的工作,其準(zhǔn)確與否將影響到水庫(kù)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。由于受發(fā)電、泄流和庫(kù)水位波動(dòng)等因素的影響,實(shí)時(shí)入庫(kù)流量的計(jì)算結(jié)果偏差較大,過(guò)程線也大多呈“鋸齒”狀劇烈波動(dòng),甚至出現(xiàn)負(fù)值,計(jì)算結(jié)果嚴(yán)重失真,需要進(jìn)行人工校正后才能

2、加以利用。近年來(lái)隨著水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)普及,許多水電廠實(shí)現(xiàn)了電腦化水務(wù)管理,但是,實(shí)時(shí)入庫(kù)流量的推求還是原來(lái)手工作業(yè)的“翻版”,這種“硬拷貝”式的處理使計(jì)算精度并未得到實(shí)質(zhì)性的提高,這種計(jì)算結(jié)果同樣不能直接利用,制約了水庫(kù)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度等水庫(kù)調(diào)度功能的實(shí)現(xiàn),以及其他實(shí)用功能的開發(fā)。2 實(shí)時(shí)入庫(kù)流量在水庫(kù)調(diào)度中的作用實(shí)時(shí)入庫(kù)流量是指導(dǎo)水庫(kù)運(yùn)行最直接、最有效的指標(biāo)之一。水庫(kù)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度、實(shí)時(shí)洪水調(diào)度以及實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)等都需要準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)入庫(kù)流量作為支持,特別是在水庫(kù)調(diào)度自動(dòng)化程度日益提高的今天,實(shí)時(shí)入庫(kù)流量計(jì)算精度偏低,不但限制了一些水調(diào)自動(dòng)化功能的實(shí)用性,也影響電網(wǎng)端對(duì)電廠實(shí)時(shí)水情的采集和使用??梢哉f(shuō),

3、實(shí)時(shí)入庫(kù)流量的準(zhǔn)確推求,不但能夠促進(jìn)水庫(kù)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,還能夠促進(jìn)電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度,有利于實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置,促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。3 入庫(kù)流量的特性實(shí)時(shí)入庫(kù)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(dú)特個(gè)性,主要有: (1) 時(shí)變性:受自然或人為因素的影響,實(shí)時(shí)入庫(kù)流量隨時(shí)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(kù)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(huì)重復(fù)同樣的變化軌跡。(5) 非模型化:實(shí)時(shí)入庫(kù)流量的推求不能象對(duì)待水文預(yù)報(bào)那樣,可

4、建立起計(jì)算模型來(lái)進(jìn)行模擬。(6) 不可測(cè)量性: 與河道斷面流量的可測(cè)量性不同,入庫(kù)流量只能在發(fā)生過(guò)后,利用公式進(jìn)行反推才能得出“實(shí)際”值。4 入庫(kù)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(kù)容關(guān)系曲線及出庫(kù)流量等資料,由實(shí)測(cè)出庫(kù)水量(水量)和水庫(kù)蓄水變化量,按水量平衡的方法反推入庫(kù)流量。4.2 馬斯京根法根據(jù)上斷面的入流過(guò)程,通過(guò)逐時(shí)段求解河段的水量平衡方程和蓄泄方程,計(jì)算出下斷面的出流過(guò)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(jì)算公式,然后通過(guò)曲線查取或公式計(jì)算某時(shí)刻的入庫(kù)流量。4.4 相關(guān)分析法利用上游干支流測(cè)站和本站的實(shí)測(cè)流量資料,經(jīng)過(guò)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(cè)站某一時(shí)刻的流量,查取或計(jì)算經(jīng)過(guò)傳播時(shí)間后的入庫(kù)流量。由于水量平衡法的物理意義較為明顯,易于理解和計(jì)算,求解時(shí)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(guò)嚴(yán)密數(shù)學(xué)的推導(dǎo),而且計(jì)算所需資料簡(jiǎn)單、易于收集,計(jì)算結(jié)果經(jīng)人工校正后基本能夠滿足生產(chǎn)實(shí)踐的要求,因此在水庫(kù)調(diào)度的實(shí)踐中被廣泛使用。5 實(shí)時(shí)入庫(kù)流量計(jì)算誤差分析影響實(shí)時(shí)入庫(kù)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(lái),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(jì)算工具的落后,在實(shí)際操作中被做了極大的簡(jiǎn)化,同時(shí)、計(jì)算公式本身也沒(méi)有充分考慮到各相關(guān)參數(shù)的時(shí)變特性,以致產(chǎn)生較大誤差。5.

6、1 流量變動(dòng)及公式簡(jiǎn)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(shí)變性較強(qiáng),入庫(kù)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(kù)出入庫(kù)流量時(shí)刻處在變動(dòng)之中,然而,對(duì)這種隨機(jī)變化的現(xiàn)象,往往被過(guò)于簡(jiǎn)單地處理為:(q1q2) t2(q1q2) t2 = v2v1式中只抓住了參數(shù)變量在時(shí)段初、末兩個(gè)瞬間的狀態(tài),并以此來(lái)簡(jiǎn)單地推求其平均值,代替整個(gè)時(shí)段的變化過(guò)程,這是誤差產(chǎn)生原因之一。5.2 水位波動(dòng)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(dòng)(如航運(yùn)等)的干擾,水位的變化不可能是平穩(wěn)的,在計(jì)算時(shí)刻所采集到的水位大多不能夠代表此刻的真實(shí)值,而計(jì)算時(shí)未對(duì)這些水位值加以任何處

7、理,就直接代入公式,這是誤差來(lái)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(shí)刻都要維持一種動(dòng)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(dòng)必然會(huì)引起發(fā)電流量的變動(dòng),而且這種變動(dòng)是隨機(jī)的。同時(shí)閘門啟閉引起的泄流量變化也與此相同,因而時(shí)段初、末瞬時(shí)出庫(kù)流量的算術(shù)平均值,就不能代表整個(gè)時(shí)段平均出庫(kù)流量,這是誤差來(lái)源之三。5.4 庫(kù)容曲線的影響由于引用資料、測(cè)量手段和精度等因素的影響,庫(kù)容曲線本身就存在一定的誤差,加上水庫(kù)蓄水后的淤積,如不及時(shí)修正,這些誤差將會(huì)積累和傳遞。5.5 時(shí)段長(zhǎng)短的影響時(shí)段t的長(zhǎng)短對(duì)各變量的影響是不同的,負(fù)荷變化較為頻繁,計(jì)算時(shí)段宜短些,水位有跳變或波動(dòng)現(xiàn)象,計(jì)算時(shí)

8、段則應(yīng)長(zhǎng)些,如取統(tǒng)一的時(shí)段長(zhǎng)度,容易顧此失彼,產(chǎn)生誤差。5.6 動(dòng)庫(kù)容的影響在洪水發(fā)生時(shí)在水庫(kù)尾部會(huì)形成一個(gè)契形動(dòng)庫(kù)容,水量平衡計(jì)算是根據(jù)壩前水位計(jì)算庫(kù)容變化的,所以無(wú)法考慮動(dòng)庫(kù)容的影響,這也是誤差產(chǎn)生的原因。6 對(duì)水量平衡法使用的改進(jìn)在以往的生產(chǎn)實(shí)踐中,水量平衡法的計(jì)算結(jié)果雖未取得令人滿意的程度,但這并不表明是計(jì)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(jìn)行實(shí)時(shí)入庫(kù)流量計(jì)算時(shí),根據(jù)以上的誤差分析,還應(yīng)作以下幾點(diǎn)改進(jìn):6.1 發(fā)電流量計(jì)算鑒于發(fā)電出力總是在不斷調(diào)整之中,在計(jì)算發(fā)電流量時(shí),可根據(jù)負(fù)荷的實(shí)際變動(dòng)情況,把計(jì)算時(shí)段t

9、縮短到接近線性變化的狀態(tài),然后再加權(quán)計(jì)算到正點(diǎn)時(shí)刻,作為時(shí)段的平均值。6.2 閘門泄流量計(jì)算閘門啟閉后會(huì)發(fā)生出庫(kù)流量突變的現(xiàn)象,因此只需在閘門啟閉后的一段時(shí)間內(nèi)(比如1h),縮短計(jì)算時(shí)段t 并連續(xù)加權(quán)算到正點(diǎn)時(shí)刻作為時(shí)段平均值,其他時(shí)間可按需要隨時(shí)進(jìn)行計(jì)算。6.3 庫(kù)容變化量計(jì)算要弱化庫(kù)水位變動(dòng)對(duì)庫(kù)容變化量計(jì)算的影響,可做以下兩點(diǎn)處理:計(jì)算時(shí)段t 長(zhǎng)不應(yīng)與發(fā)電或泄流一致,該時(shí)段長(zhǎng)的設(shè)定既要弱化水位波動(dòng)影響,又要體現(xiàn)入庫(kù)流量的實(shí)時(shí)性;其次要均化處理計(jì)算時(shí)刻的瞬時(shí)庫(kù)水位,使其更能夠代表此刻的真實(shí)水位值。6.4 連續(xù)演算的時(shí)段長(zhǎng)度計(jì)算發(fā)電流量、閘門流量時(shí),計(jì)算時(shí)段要縮短,計(jì)算庫(kù)容變化量時(shí),又要求計(jì)算

10、時(shí)段要延長(zhǎng),但最終都要統(tǒng)一到相同長(zhǎng)度的時(shí)段t來(lái)進(jìn)行計(jì)算,才能符合水量平衡公式的要求,并為下一步實(shí)時(shí)校正提供實(shí)時(shí)參數(shù),這一時(shí)段長(zhǎng)以時(shí)鐘正點(diǎn)分界為宜。6.5 不忽略其他影響因素動(dòng)庫(kù)容、水庫(kù)淤積等影響,可視當(dāng)時(shí)水庫(kù)調(diào)節(jié)的具體情況,計(jì)算時(shí)適當(dāng)增減于出入庫(kù)流量中,這樣可以弱化這些因素的影響。7 入庫(kù)流量的實(shí)時(shí)校正利用上述改進(jìn)方法進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果,可以較大幅度地提高計(jì)算精度,但一定范圍的波動(dòng)還會(huì)存在,需要進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。7.1 實(shí)時(shí)在線校正應(yīng)具備的條件實(shí)時(shí)入庫(kù)流量計(jì)算所需要的資料,包括實(shí)時(shí)出庫(kù)水量(流量)和實(shí)時(shí)庫(kù)容。因而要進(jìn)行實(shí)時(shí)入庫(kù)流量的在線校正,應(yīng)配備水位和機(jī)組出力的采集裝置,實(shí)時(shí)地采集水位和機(jī)組出力等數(shù)

11、據(jù),然后傳送給數(shù)據(jù)處理中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算和校正。7.2 實(shí)時(shí)校正模型或方法可以進(jìn)行實(shí)時(shí)校正的方法不少,經(jīng)實(shí)踐證明,對(duì)實(shí)時(shí)入庫(kù)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(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào),因此在用于實(shí)時(shí)入庫(kù)流量校正時(shí),還應(yīng)作了如下處理或調(diào)整。7.2.1 利用遞推算法實(shí)現(xiàn)連續(xù)校正每次取得新的水量平衡計(jì)算結(jié)果后,利用新的計(jì)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(jì)算結(jié)果逐次加入,一步一步地進(jìn)行修正,從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)的連續(xù)校正。7.2.2 通過(guò)衰減記憶遞推法體現(xiàn)適應(yīng)模擬對(duì)象的時(shí)變性實(shí)時(shí)入庫(kù)流量具有時(shí)變特性,最新的數(shù)據(jù)較之老的數(shù)據(jù)更能反映對(duì)象的現(xiàn)時(shí)動(dòng)態(tài)特性,因此在遞推算

12、中,應(yīng)通過(guò)人為地給數(shù)據(jù)加權(quán),將過(guò)時(shí)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(cuò)法預(yù)設(shè)初值利用衰減記憶遞推最小二乘法進(jìn)行實(shí)時(shí)校正時(shí),首先必須確定遺忘因子和矩陣初值,由于進(jìn)行矩陣運(yùn)算較為復(fù)雜,正確推求計(jì)算結(jié)果實(shí)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(shí)也建議人為地設(shè)定幾個(gè)時(shí)段的入庫(kù)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(kù)流量的時(shí)變性很強(qiáng),隨著數(shù)據(jù)的“老化”它對(duì)現(xiàn)時(shí)狀態(tài)的影響力迅速降低,因此參數(shù)的維數(shù)越大,對(duì)提高精度不但沒(méi)有幫助,反而可能降低,但對(duì)計(jì)算機(jī)資源的消耗則是成倍增長(zhǎng),建議選擇34維即可。7.2.5 假定模擬對(duì)象為線性時(shí)變系統(tǒng)大

13、多情況下水庫(kù)入庫(kù)流量的變化是連續(xù)的、單向的,因而在短時(shí)(幾個(gè)小時(shí))內(nèi)的變化,可認(rèn)為(或假設(shè))是線性的。7.2.6 時(shí)段轉(zhuǎn)換預(yù)報(bào)作業(yè)是計(jì)算變量的未來(lái)狀態(tài),水量平衡計(jì)算是估計(jì)變量的當(dāng)前狀況,因此要進(jìn)行實(shí)時(shí)入庫(kù)流量的校正,還要進(jìn)行校正模型的時(shí)段的轉(zhuǎn)換,使預(yù)見(jiàn)期無(wú)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(shí)刻 q(t)為t時(shí)刻計(jì)算值(加減1為前一或后一時(shí)段參數(shù))=(1 、2、3)為模型參數(shù)式(1)是預(yù)報(bào)的校正模型,式(2)則轉(zhuǎn)換后的實(shí)時(shí)入庫(kù)流量的校正模型,通過(guò)這樣的

14、轉(zhuǎn)換,就可在入庫(kù)流量實(shí)時(shí)校正中加以應(yīng)用。8 改進(jìn)實(shí)時(shí)入庫(kù)流量計(jì)算的實(shí)踐巖灘水電廠水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)于1996年建成運(yùn)行,該系統(tǒng)可以進(jìn)行出入庫(kù)流量推算,當(dāng)時(shí)也是利用水量平衡公式計(jì)算實(shí)時(shí)入庫(kù)流量,受軟硬件條件的限制,公式的使用方法未作任何改進(jìn),計(jì)算精度自然未得到實(shí)質(zhì)性的提高。2000年后隨著該系統(tǒng)的升級(jí)改造和自動(dòng)化水平的逐步提高,我們開探索改進(jìn)水量平衡計(jì)算公式的使用:8.1 自動(dòng)計(jì)算首先進(jìn)行了水量平衡“自動(dòng)計(jì)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(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間自行完成入庫(kù)流量的計(jì)算。8.2 連續(xù)計(jì)算自動(dòng)計(jì)算的實(shí)現(xiàn),減輕了水務(wù)計(jì)算的勞動(dòng)強(qiáng)度,為了更好地掌握實(shí)時(shí)入庫(kù)流量的情況

15、,我們以1小時(shí)為時(shí)段長(zhǎng)度,進(jìn)行連續(xù)計(jì)算。8.3 計(jì)算方法的改進(jìn)針對(duì)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(jì)算誤差和水位波動(dòng)的影響逐項(xiàng)減小和弱化,達(dá)到了預(yù)期的目的。8.4 引入校正為了進(jìn)一步消除計(jì)算入庫(kù)流量的“鋸齒狀”,先后嘗試了多種在水文預(yù)報(bào)上常用的校正方法,最后利用實(shí)時(shí)入庫(kù)流量具有一定的時(shí)變性和短期內(nèi)線性變化的特點(diǎn),建立了自回歸校正模型,利用最小二乘法進(jìn)行在線的實(shí)時(shí)校正,經(jīng)校正后“鋸齒狀”的入庫(kù)流量過(guò)程線現(xiàn)象基本消除(見(jiàn)圖一 至 圖四),日平均入庫(kù)流量的計(jì)算精度絕大部分達(dá)到90%以上(見(jiàn)表1)。常規(guī)方法與改進(jìn)方法計(jì)算入庫(kù)流量過(guò)程線的對(duì)照?qǐng)D 圖1 圖29 存在問(wèn)題9.1 出庫(kù)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(shí)要進(jìn)行較大幅度地控制閘門出流,閘門啟閉前后,出庫(kù)流量突變量級(jí)達(dá)到1000m3/s以上的還為數(shù)不少,出庫(kù)流量的劇烈變動(dòng),必然會(huì)在一定程度上影響到反推的入庫(kù)流量。9.2 入庫(kù)洪峰出現(xiàn)時(shí)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(huì)在一定程度上受到前些時(shí)段計(jì)算結(jié)果的影響,使洪峰出現(xiàn)時(shí)刻略顯偏遲,同時(shí)每場(chǎng)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(shí)期入庫(kù)流量漲退率也不同,其線性變化的斜率就會(huì)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(shí),兩個(gè)“拐點(diǎn)”前后也難以用線性來(lái)加以描述。10 結(jié) 語(yǔ)從在改進(jìn)后的實(shí)際應(yīng)用情況看,水量平衡方法仍然是實(shí)時(shí)入庫(kù)流量計(jì)算的一種有效方法,只要對(duì)使用方法進(jìn)行改進(jìn),計(jì)算

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