水庫(kù)實(shí)時(shí)入庫(kù)流量推算研究

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(kāi)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(mén)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(mén)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(mén)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(mén)泄流量計(jì)算閘門(mén)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(mén)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(mén)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(kāi)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(mén)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(mén)出流，閘門(mén)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