关于红水河梯级水电站自动水量平衡计算的设计和研究

张琳

摘要：水量平衡计算是梯级水电站水库调度、洪水预报的基础，在自动化水调系统的建设应用中，设计水量平衡计算的算法，分析水量平衡计算中影响计算结果的因素，并探讨解决方法，利用算法编辑工具以及计算调度软件，实现快速、准确、智能的自动化水量平衡计算。

关键词：水量平衡梯级水电站故障跳变误差

0.引言

广西水能资源丰富，其中近71%集中在红水河段，上游称为南盘江，下游与柳江汇合后称为黔江。从南盘江的天生桥到黔江的大藤峡，全长1050公里，总落差756.6米，可开发利用水能约13030MW，规划建设10座梯级水电站。广西桂冠电力股份有限公司集控中心开发管理了红水河段的平班、龙滩、岩滩、大化、百龙滩、乐滩等6级水电站，此文对这些水电站自动水量平衡计算，进行了设计和研究。

1.红水河梯级分布

平班、龙滩、岩滩、大化、百龙滩、乐滩是红水河流域上的第3至第8级水电站，如下图图1：

图1：红水河梯级水电站分布图

平班水电站是红水河的第3个梯级电站，正常蓄水位440m，控制流域面积51600平方公里，总库容2.78亿立方，总装机405MW，是日调节水电站。龙滩水电站是红水河的第4个梯级电站，正常蓄水位375m，控制流域面积98500平方公里，规划总装机6300MW，目前一期投产工程总库容182亿立方，装机4900MW，是年(目前)/多年(后期)调节水电站。岩滩水电站是红水河的第5个梯级电站，正常蓄水位223m，控制流域面积106580平方公里，总库容34.3亿立方，总装机1810MW，是季调节水电站。大化水电站是红水河的第6个梯级电站，正常蓄水位155m，控制流域面积112200平方公里，总库容8.74亿立方，总装机566MW，是径流式水电站。百龙滩水电站是红水河的第7个梯级电站，正常蓄水位126m，控制流域面积112500平方公里，总库容3.4亿立方，总装机193MW，是径流式水电站。乐滩水电站是红水河的第8个梯级电站，正常蓄水位112m，控制流域面积118000平方公里，总库容9.5亿立方，总装机600MW，是径流式水电站。

2.水量平衡自动计算遇到的问题

2.1遥测站故障

水电站水量平衡计算的关键，是基础数据的到位情况，而遥测站的故障，水位数据的缺失，直接导致计算无法进行。

2.2水位跳变

水电站上游往往是大流域面积的水库，传感器采集得到的水位在风浪的影响下，数值有误差。库容差流量?Q=(V末-V初)/?t，水位的误差导致库容曲线插值计算后，库容差流量的误差，继而影响入库流量的正确性。

2.3出力跳变

水调系统的出力数据来自EMS系统，而EMS系统的采集机制，决定EMS两个基本指标：实时性和准确性的相互矛盾性。所以出力跳变在所难免，只能降低，不能杜绝。那么就对水调系统的流量计算带来问题。

2.4空载流量

空载流量是指水轮机在额定转速下空载运行时的流量。要计算空载流量，首先需要判断机组状态和机组有功，那么就得依赖系统采集EMS数据的完整性、及时性和准确性。

2.5水头损失

上游引水进口断面和下游尾水出口断面高程差称毛水头。从毛水头中扣除引水系统各项水头损失后，称净水头。水头损失是指上游水流由取水口(前池或调压井处)经高压管道至蜗壳进口断面这一过程中的沿程损失和局部损失之和。常规的水量平衡计算中，利用水轮机特性曲线计算发电流量，采用的是毛水头，存在着一定计算误差。

2.6曲线误差

自动水量平衡计算需要用到两类曲线：库容曲线和水轮机特性曲线(NHQ曲线)。而曲线往往是建库阶段制定的，这个曲线值在水电站运行过程中，因为多方面的原因，会有所改变。

库容曲线误差原因：泥沙堆积；库区鱼池和水上建筑等人为改变地形地貌。

NHQ曲线误差原因：水头损失(沿程)；拦污栅前后水位落差导致部分水头损失(局部)。

3.水量平衡自动计算问题的解决和算法设计

1）遥测站故障：在桂冠水调系统建设的时候，考虑到这个问题，系统采用了上下游水位双传感器的采集方式，并提供自动合成和人为干预两种方案。自动合成，由数据处理程序，自动判断主站点数据是否中断，中断时可自动由备站点传感器的水位数据顶上。人工干预，由值班人员根据实际运行情况，选择用哪一个水位测点进行统计计算。设置完毕后，下一个时段自动水量平衡计算时，重新调用参数表，引用新的水位站点数据参与计算(见表1)。

表1：各水电站计算参数录入表

2）水位跳变：对于跳变问题，系统设计算法时，采用了多个采样点平均值的方法，来尽可能的拉平风浪的影响。方法1：时段初水位，取最靠近时段初Tb前后两个时间点的水位平均值：Zb=(Zb0+Zb1)/2，时段末水位Ze以此类推；方法2：时段初水位，取截止到时段初Tb，往前n分钟内所有水位的平均值，例如5分钟1个数据点，n=15，则Zb=(Zb0+Zb1+Zb2)/3，Zb0、Zb1、Zb2分别对应Tb、Tb-5、Tb-10三个时间点水位，时段末水位Ze以此类推。

3）出力的跳变：出力跳变或出力采集中断导致流量计算不正确，在设计算法时，采取出力和电量双路计算法，比较计算结果，由值班员根据结果的合理性，决定采用哪个结果存库。

用出力计算：由采集到的机组状态、机组出力，采用面积包围法，统计开机状态下，各时间片内的水量，进而求得流量，如下图1，Q发=(Q1t1+Q2t2)/(Te-Tb)，其中Q1t1表示t1时段内的发电水量，Q2t2表示t2时段内的发电水量。Q1和Q2是由各自时段内的平均出力、工作水头，插值水轮机特性曲线得到。如果把时间片t1、t2……tn划分的越短，那么计算精度就越高，但是计算机和数据库的负荷也就越重，每个水电站可以根据自己的需求，来设定时间片的长度。

图1：某个时段内出力过程线

用电量计算：采用时段电量值，除以时段发电时间，得到发电时间内平均出力=E/(t1+t2)，由平均出力、工作水头插值水轮机特性曲线，求得发电时间段内发电流量Q发1，时段平均发电流量Q发=Q发1*(t1+t2)/(Te-Tb)。

4）空载流量：由于空载流量是个估算值，每个水电站运行人员根据实际的水轮机特性曲线，估算一个定值，同时从EMS系统采集机组出力、机组开机、停机、空载、空转状态，统计出空载、空转时间，时段空载流量Q空=Q空1*t空/(Te-Tb)，其中Q空1为估算定值。

5）水头损失：从水轮机特性曲线可以看出，毛水头参与计算，水头偏大，那么计算得到的流量Q发其实是偏小的。

水头损失与管段流量Q发、管道内径d，管道长度L、管内粗糙系数n有关，混凝土管、钢筋混凝土管的单位管长水头损失Hi=10.294n2Q2/d5.333，输水管和配水管网的局部水头损失，可按其沿程水头损失的5%~10%计算。在水量平衡计算里，公式简化为Hi=kQ2，k是由运行人员根据n，d，L，推算出的一个固定系数。

得到净水头后，再重复上述步奏，重新推算发电流量。

6）修正曲线

建库时制订的库容曲线随着电站的运行会发生明显的变化，如不修正，势必影响水库蓄水量和水量平衡计算的准确性。目前修正水库库容曲线的方法，一般采用近期测量的地形图或断面资料重新求得不同水位(或高程)的库容。

NHQ曲线的计算误差，通过水头损失的统计，和发电流量的二次计算，得到了基本的解决。

7）计算结果

综合上述设计和因素，编辑算法公式，自动水量平衡计算软件演算了2017年5月某一日红水河梯级水电站的水量数据，结果如下，见表2：

表2：红水河梯级某日水量平衡计算结果

4.结束语

本文通过，在建设桂冠集控中心水调自动化系统过程中，对该公司管理的红水河6个梯级水电站的水量平衡计算算法进行设计和研究，讨论了水量平衡计算中，影响计算结果的因素，探讨了修正方法，最后在此基础上编辑计算算法，并对梯级水电站的入出库水量进行一日的演算。计算结果显示，各水电站入出库水量平衡、上下游水电站水量平衡，达到了业主的要求。

参考文献：

[1]黄存宇.红水河梯级水电站发电水量平衡探讨[J].红水河,2016(4).

[2]齐鄂荣.罗昌.梯级水电站水量的研究[J].中国农村水利水电,2003(10).