下游不稳定流的计算方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201110211573.5

申请日:

2011.07.27

公开号:

CN102354331A

公开日:

2012.02.15

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

专利权的转移IPC(主分类):G06F 19/00变更事项:专利权人变更前权利人:东北电力科学研究院有限公司变更后权利人:东北电力科学研究院有限公司变更事项:地址变更前权利人:110006 辽宁省沈阳市和平区四平街39号变更后权利人:110006 辽宁省沈阳市和平区四平街39号变更事项:专利权人变更前权利人:辽宁省电力有限公司电力科学研究院 国家电网公司变更后权利人:国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院 国家电网公司 黑龙江省电力科学研究院登记生效日:20141114|||授权|||专利申请权的转移IPC(主分类):G06F 19/00变更事项:申请人变更前权利人:东北电力科学研究院有限公司变更后权利人:东北电力科学研究院有限公司变更事项:地址变更前权利人:110006 辽宁省沈阳市和平区四平街39号变更后权利人:110006 辽宁省沈阳市和平区四平街39号变更事项:申请人变更后权利人:辽宁省电力有限公司电力科学研究院 国家电网公司登记生效日:20121025|||实质审查的生效IPC(主分类):G06F 19/00申请日:20110727|||公开

IPC分类号:

G06F19/00

主分类号:

G06F19/00

申请人:

东北电力科学研究院有限公司

发明人:

冯雁敏; 陈守峰; 张雪源; 梁年生; 梁斌

地址:

110006 辽宁省沈阳市和平区四平街39号

优先权:

专利代理机构:

沈阳智龙专利事务所(普通合伙) 21115

代理人:

宋铁军;周智博

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内容摘要

本发明提供一种下游不稳定流的计算方法,本发明方法比较简单,有理论根据,结果与电站实际观测结果相当吻合的、基于水位指数规律变化假设的下游不稳定流计算方法。考虑不稳定水流的所有影响制定水电站最优运行方式是十分复杂的,本发明至针对其对发电的影响,其它综合用水部门的要求则作为限制条件处理,在限制条件处理方法上采用校核的方式,即对按发电最有利制定出来的运行方式进行检查,看是否满足综合用水部门的基本要求。

权利要求书

1: 下游不稳定流的计算方法, 其特征在于 : 确定水位呈指数规律变化的微分关系 : (1) 式中, , ,…, , , ,…, 为常数 ; 为不稳定流时实测下游水位 ; 为稳 定流情况下的下游水位 ; 在 时刻, 流量由 于流量为 突变至 , 下游水位首先产生突变, 然后按指数规律变化, 直至等 ; 下游水位变化由二部分组成 : 时的稳定下游水位 1) 下游水位突变部分 : 式中, 是流量为 和 所对应的稳定下游水位之差, ; 为下游 水位突变系数, 与河床特性有关 ; 2) 下游水位渐变部分 : 假设 : 故: 式中,为流量突变时刻 后的某一时刻 ; 为时间常数 ; 为自然对数 ; 因此, 在 时刻下游水位的变化为 : 时刻下游水位为 : 在稳定状况时, 下游水位 的具体情确定 和 和流量 间有确定的函数关系 , 故根据水电站下游 的数值后, 即可计算出不稳定流时下游水位的整个变化情况 ; 变至 , 相应的稳定下游水位变化为 , 则在时刻 ( , 在 时刻, 流量由 若在 时刻, 流量由 变至 , 相应的稳定下游水位变化为 ) 由于流量两次突变引起的 水位变化为 : 时刻的下游水位为 : 2 式中, 为 时刻稳定下游水位 ; 若在时刻 之前流量有多个变化, 利用叠加原理, 将 时刻 的下游水位变化看作是各个突变流量作用之和的结果, 得: 时刻的下游水位为 : 如果流量是连续变化的, 可将其看成是无限多次小突变, 每次突变量为 水位突变值为 : , 相应稳定 时刻的下游水位变化值为 : 时刻的下游水位为 : 一般情况下, 在一定时期内各日的运行方式相同, 即下洩流量、 稳定下游水位均呈周期 性变动, 每 24 小时为一周期, 上式变为 : 式中, ; 为了便于计算, 将一天分成 24 个时段, 变为有限和的形式 : (2) 式中, 为 时刻不稳定流状况时的水位 ; 和 的计算方法 为 时刻稳定流状况下的水位 ; 确定下游不稳定流计算系数 值确定方法 实测水电站停机或较长时间以某固定负荷运行时的下游水位变化过程, 实测水电站停 机过程, 测得 : , 和 , , ,…, , 值, 甩负荷后每隔 1 小时测一次, 为停机前后的稳定水位 ; 时刻的下 假设在 时刻流量发生突变, 而 时刻后流量保持不变, 则 时刻后 和 游水位为 : 3 式中, ; ; 取 时刻为计算时间的起点, 即 , 故 由于在 时刻后流量保持不变, 可得 : 系数 的计算公式为 : (3) 将各相邻时刻实测的不稳定流水位减去稳定后水位之差值, 代入 (3) 式计算, 可得 值, 然后取平均 ; 值确定方法 为当流量突变时水位的突变系数, 确定 值需要流量突变时水位突变的实测资料 ; 第一种方法 : 令流量在 时刻有显著的突增或突减变化, 实测水位变化过程线 : , ,…, 时刻后 和 , ; 时刻的下游水位为 : , , 式中, ; ; 取 时刻为计算时间的起点, 即 ; 故 由于在 时刻后流量保持不变, 两式相减得 : 故有 : (4) 对多个 值进行计算后取平均可得 值 ; 第二种方法 : 确定 值的试算法 ; 在水电站日下洩流量过程已定的情况下, 实测一日的下游水位变 化过程线 ; 假定几个不同的 值进行不稳定流计算, 可得到一日内相应于不同 值的水电 站下游水位变化过程线, 将计算结果和实测结果进行比较, 根据与实测结果最接近的计算 水位变化过程线选取系数 的数值。

说明书


下游不稳定流的计算方法

    技术领域 本发明属于水电站运行领域, 尤其涉及一种下游不稳定流计算及其对水电站最优 运行方式影响的计算方法。
     背景技术 能源是国民经济的动力, 是现代文明生活的支柱。我国能源开发利用的方针是实 行开发与节约并重, 并把节能放在优先地位, 要大力开展以节能为中心的技术改造和结构 改革, 节能问题对于水电生产单位是十分重要的。由于水电能源的特点, 同样多的水在不 同的生产方式下运行, 所能发出的电能是不同的, 如何使单位体积的水发出尽可能多的电 能?是水电生产系统能源开发和节约的中心问题, 是挖掘设备生产潜力, 提高电站运行水 平的关键。
     当水电站担负调峰、 调频任务时, 在一天内水电站的出力和下泄流量可能发生剧 烈变化, 以致在水电站尾水及下游河道形成水位、 流速急剧变动的不稳定水流。下游水位 不仅与此时刻的下洩流量有关, 还与此前时间的流量、 水位等变化状态有关, 且水位的变化 总滞后于流量的变化, 使下游水位与下洩流量的关系曲线形成复杂的环套形。下游不稳定 流的产生原因除电站负荷发生剧烈变化外, 还可能与以下因素有关 : 梯级水电站中下游电 站对上游电站的回水影响 ; 水电站洪水期的洩洪方式变化 ; 水电站下游河流支流来水不稳 定; 水电站下游综合用水部门的取水方式 ; 潮汐作用的影响等。
     下游不稳定流造成的影响是多方面的。 1) 因日调节产生的下游不稳定水流使沿途 的水位和流量发生剧烈变化, 可能严重影响水利综合利用部门的正常工作, 不稳定流给港 口码头、 航运、 养殖、 灌溉、 河岸保护、 卫生环保及城市给水等部门的工作带来很大困难, 过 大的水位波动和流速变化可能使这些部门的正常运行条件遭到破坏 ; 2) 对于低水头河床式 水电站, 因下游水流不稳定造成的水位波动将引起电站水头的明显变化, 直接影响电站运 行的经济性, 有时还可能使水轮发电机组产生严重的汽蚀、 振动, 影响电站安全可靠运行。
     下游不稳定流计算十分复杂, 计算方法很多, 有些方法理论严密, 根据充分, 但计 算复杂, 计算工作量大, 在时间上赶不上电站运行方式计算的需要 ; 有些方法计算简明, 易 于操作, 但却过于粗糙, 计算结果与实际情况相差甚远。
     发明内容
     发明目的 : 本发明提供一种下游不稳定流及其对水电站最优运行方式影响的计算 方法, 其目的是解决以往的计算方法不理想的问题。
     技术方案 : 本发明是通过以下技术方案来实现的 : 下游不稳定流的计算方法, 其特征在于 : 确定水位呈指数规律变化的微分关系 : (1)式中, , ,…, , , ,…, 为常数 ; 为不稳定流时实测下游水位 ; 为稳 定流情况下的下游水位 ; 在 时刻, 流量由 于流量为 突变至 , 下游水位首先产生突变, 然后按指数规律变化, 直至等 ; 下游水位变化由二部分组成 :时的稳定下游水位1) 下游水位突变部分 :式中,是流量为和所对应的稳定下游水位之差,; 为下游水位突变系数, 与河床特性有关 ; 2) 下游水位渐变部分 :假设 : 故: 式中,为流量突变时刻 后的某一时刻 ; 为时间常数 ; 为自然对数 ; 因此, 在 时刻下游水位的变化为 :时刻下游水位为 :在稳定状况时, 下游水位 的具体情确定 和和流量间有确定的函数关系, 故根据水电站下游的数值后, 即可计算出不稳定流时下游水位的整个变化情况 ; 变至 , 相应的稳定下游水位变化为 , 则在时刻 ( , 在 时刻, 流量由若在 时刻, 流量由 变至, 相应的稳定下游水位变化为) 由于流量两次突变引起的水位变化为 :时刻的下游水位为 :式中,为 时刻稳定下游水位 ; 若在时刻 之前流量有多个变化, 利用叠加原理, 将时刻 的下游水位变化看作是各个突变流量作用之和的结果, 得:时刻的下游水位为 :如果流量是连续变化的, 可将其看成是无限多次小突变, 每次突变量为 水位突变值为 :, 相应稳定时刻的下游水位变化值为 :时刻的下游水位为 :一般情况下, 在一定时期内各日的运行方式相同, 即下洩流量、 稳定下游水位均呈周期 性变动, 每 24 小时为一周期, 上式变为 :式中,;为了便于计算, 将一天分成 24 个时段, 变为有限和的形式 : (2) 式中,
     为 时刻不稳定流状况时的水位 ; 和 的计算方法为 时刻稳定流状况下的水位。确定下游不稳定流计算系数 值确定方法实测水电站停机或较长时间以某固定负荷运行时的下游水位变化过程, 实测水电站停 机过程, 测得 : , 和 , , ,…, , 值, 甩负荷后每隔 1 小时测一次,为停机前后的稳定水位 ; 时刻的下假设在 时刻流量发生突变, 而 时刻后流量保持不变, 则 时刻后 和 游水位为 :式中,; ; 取 时刻为计算时间的起点, 即7故 由于在 时刻后流量保持不变,,102354331 A CN 102354340说明书4/16 页可得 :系数的计算公式为 : (3)将各相邻时刻实测的不稳定流水位减去稳定后水位之差值, 代入 (3) 式计算, 可得 值, 然后取平均 ; 值确定方法 为当流量突变时水位的突变系数, 确定 值需要流量突变时水位突变的实测资料 ; 第一种方法 : 令流量在 时刻有显著的突增或突减变化, 实测水位变化过程线 : , ,…, 时刻后 和 , ; 时刻的下游水位为 : , ,式中,; ; 取 时刻为计算时间的起点, 即 ;故 由于在 时刻后流量保持不变, 两式相减得 :故有 : (4) 对多个 值进行计算后取平均可得 值 ; 第二种方法 : 确定 值的试算法 ; 在水电站日下洩流量过程已定的情况下, 实测一日的下游水位变 化过程线 ; 假定几个不同的 值进行不稳定流计算, 可得到一日内相应于不同 值的水电 站下游水位变化过程线, 将计算结果和实测结果进行比较, 根据与实测结果最接近的计算 水位变化过程线选取系数 的数值。 优点及效果 : 本发明基于水位指数规律变化, 提出计算水电站下游不稳定流的一 种新方法, 并分析了下游不稳定流对水电站最优运行方式的影响。分析了下游不稳定流的 产生原因及其影响, 为满足水电站优化运行计算在求解时间和求解精度上的要求, 提出了 基于水位指数规律变化的下游不稳定流计算方法及其计算系数的确定方法, 该计算比较简 单, 有理论根据。推导了水、 火电站联合优化运行时的等微增率原则, 分析了附增当量的物 理意义及影响因素, 最后提出了考虑下游不稳定流影响时水电站运行方式的最优化原则和
     计算方法。研究下游不稳定流的产生原因、 影响及其计算方法对于更加科学地掌握水电站 的运行规律, 从而提高水电站运行水平和水电能源利用率具有重大社会经济价值和理论意 义。
     本发明方法比较简单, 有理论根据, 结果与电站实际观测结果相当吻合的、 基于水 位指数规律变化假设的下游不稳定流计算方法。 考虑不稳定水流的所有影响制定水电站最 优运行方式是十分复杂的, 本发明至针对其对发电的影响, 其它综合用水部门的要求则作 为限制条件处理, 在限制条件处理方法上采用校核的方式, 即对按发电最有利制定出来的 运行方式进行检查, 看是否满足综合用水部门的基本要求, 如不满足, 则对所得运行方式进 行修正。
     附图说明 : 图 1 为流量突增引起水位变化图。
     具体实施方式 : 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明, 但不因具体的实施例限制本发明 ; 基于水位指数规律变化假设的下游不稳定流的计算方法 : 对于水电站运行方式来说, 最重要的是水电站出口断面处的水位波动情况, 根据许多 实测资料的分析计算结果表明, 水位变化可以用若干阶的常系数线性微分方程表示 :式中, , ,…, , , ,…, 为常数 ; 为不稳定流时实测下游水位 ; 为稳 定流情况下的下游水位。
     根据工程计算的精度要求, 高阶导数可略去不计, 上式可简化为 : (1)式 (1) 为水位呈指数规律变化的微分方程。从物理意义上看, 下游不稳定流是由流量 的突增或突减引起, 图 1 为流量突增情况。
     在 时刻, 流量由突变至, 下游水位首先产生突变, 然后按一定规律假定为 。下游水位变化由二部分组成 :指数规律的变化, 直至等于流量为 1) 下游水位突变部分 :时的稳定下游水位式中,
     是流量为和所对应的稳定下游水位之差,; 为下游水位突变系数, 与河床特性有关。 2) 下游水位渐变部分 :假设 : 故: 式中,为流量突变时刻 后的某一时刻 ; 为时间常数 ; 为自然对数。因此, 在 时刻下游水位的变化为 :时刻下游水位为 :在稳定状况时, 下游水位 的具体情确定 和
     和流量间有确定的函数关系, 故根据水电站下游的数值后, 即可计算出不稳定流时下游水位的整个变化情况。 变至 , 相应的稳定下游水位变化为 , 则在时刻 ( , 在 时刻, 流量若在 时刻, 流量由由变至, 相应的稳定下游水位变化为) 由于流量两次突变引起的水位变化为 :时刻的下游水位为 :式中,为 时刻的稳定下游水位。若在时刻 之前, 流量有多个变化, 利用叠加原理,将时刻 的下游水位变化看作是各个突变流量作用之和的结果, 得:时刻的下游水位为 :如果流量是连续变化的, 可将其看成是无限多次小突变, 每次突变量为 水位突变值为 :, 相应稳定时刻的下游水位变化值为 :时刻的下游水位为 :一般情况下, 在一定时期内各日的运行方式相同, 即下洩流量、 稳定下游水位均呈周期性变动, 每 24 小时为一周期, 上式变为 :式中,。为了便于计算, 将一天分成 24 个时段, 变为有限和的形式 : (2) 式中,
     为 时刻不稳定流状况时的水位 ;为 时刻稳定流状况下的水位。 和 的数值与下游河床的坡下游不稳定流计算系数的确定方法 : 和 的数值是不同的, 系数对于不同的水电站, 系数降, 断面形状, 粗糙度等一系列因素有关, 很难用数学公式表示其间的关系。 通常, 根据某些 实测资料分析计算得出。
     值确定方法 , , ,…, , 值 (甩负荷为了计算简单, 实测水电站停机或较长时间以某固定负荷运行时的下游水位变化过 程。如实测水电站停机过程, 测得 : , 后每隔 1 小时测一次) ,
     和为停机前后的稳定水位。 时刻假设在 时刻流量发生突变, 而 时刻后流量保持不变。则 时刻后 和的下游水位为 :式中,
     。 。取 时刻为计算时间的起点, 即由于在 时刻后流量保持不变, 故, 可得 :系数的计算公式为 : (3)将各相邻时刻实测的不稳定流水位减去稳定后水位之差值, 代入 (3) 式计算, 可得 值, 然后取平均。
     值确定方法 为当流量突变时水位的突变系数, 确定 值需要流量突变时水位突变的实测资料。 第一种方法 : , ,
     令流量在 时刻有显著的突增或突减变化, 实测水位变化过程线 : ,11102354331 A CN 102354340说, 。明书8/16 页,…,
     时刻后 和时刻的下游水位为 :式中,
     。 。取 时刻为计算时间的起点, 即由于在 时刻后流量保持不变, 故。两式相减得 :故有 : (4) 对多个 值进行计算后取平均可得 值。
     第二种方法 :确定 值的试算法。在水电站日下洩流量过程已定的情况下, 实测一日的下游水位变 化过程线。假定几个不同的 值进行不稳定流计算, 可得到一日内相应于不同 值的水电 站下游水位变化过程线, 将计算结果和实测结果进行比较, 根据与实测结果最接近的计算 水位变化过程线选取系数 的数值。 下游不稳定流对水电站最优运行方式的影响 下游不稳定流对水电站运行的影响是多方面的, 这里只考虑不稳定流对水电站最优运 行方式的影响, 不稳定流引起下游水位变动, 使水头发生改变, 进而影响电站出力。
     水、 火电站联合优化运行的等微增率原则 水、 火电站联合优化运行的目标函数可采用使电力系统总的费用支出最小, 以各水电 站日耗水量等于给定水量作为约束条件。根据此目标函数编制水电站日最优运行方式, 需 同时解决空间最优和时间最优问题, 考虑的因素多、 涉及面广, 是一个多维多阶的十分复杂 的最优化问题。 为了求解日最优运行数学模型, 根据目标函数和约束条件, 推导出便于操作 的最优化原则。
     设电力系统中只有一个水电站和一个等效火电站。系统日负荷曲线 用水量 运行方式 已知。 、和水电站日分别为火电站和水电站在 时段的出力, 要求找出水电站最优 , 使电力系统一日的总燃料费 支出最小, 即及火电站最优运行方式约束条件如下 :12102354331 A CN 102354340说明书后9/16 页假定水电站最优运行方式 增加水电站出力 , 在时刻 后已经找到, 现将其作微小改变, 在时刻 时段内减少水电站出力 后时段内。水电站运行方式作此改 , 在时刻变后, 火电站出力应作相应改变, 即在时刻 后 后 时段内火电站出力增加时段内火电站出力减少。火电站出力改变, 将引起电力系统费用改变。在时刻时段内电力系统费用减少为 :在时刻后时段内电力系统费用增加为 :在一日中电力系统费用节省值为 :若, 则说明改变后的运行方式比原来的好, 可以节省经费支出, 与假设矛盾。若 , 则说明水电站在时刻 后 时段内减少出力 , 在时刻 后 时段内增加出 。即 :力, 可以节省经费支出, 存在更好的运行方式, 与假设矛盾。故 (5) 在时刻 后 时段内, 由于水电站增加出力 , 需多用水量为 :在时刻后时段内, 由于水电站减少出力, 可少用水量为 :根据水量平衡要求, 有:即: 故: 代入式 (5) 得令: 有: 由于 和,是一日内任意选取的二个时刻, 故最优运行方式应满足任何时刻两电站耗量微增率之比值相等的原则, 即等微增率原则。即 或 假若电力系统中有 个跨流域水电站, 经类似推导可得 : (7)13(6)102354331 A CN 102354340说明书10/16 页式中, 为电力系统燃料费用微增率, 它是火电站出力的函数, 号水电站的耗水流量微增率, 率” , 在一日内为常数。
     ; 为第; 为第 号水电站的 “附增当量” 或 “动力效的物理意义及影响因素 的物理含义 :由式 (6) 得: (8) 的物理含义为 : 增加水电站单位流量所能取得的电力系统费用的节省值。故 称为“比节约值” 、 “附增当量” 或 “动力效率” 。式 (8) 称为等比节约原则。若以电力系统火电站 耗煤量最小为优化准则, 则有 :式中, 为耗煤率, 即火电站每小时的耗煤量, 是火电站出力的函数。此时, 的含义为 : 水电站增加用单位水流量相当于火电站 1 小时用 吨煤, 它们的发电出力相同。 故 也称为水煤当量。
     由式 (7) 得: (9) 即: 此时, 的含义为 1 号水电站增加单位流量的发电出力等于 2 号水电站增加 流量的发电出力。
     个单位值的影响因素 : 与以下因素有关 : 1) 火电站和水电站的动力特性曲线 ; 2) 电力系统的负荷曲线 ; 3)水电站的日用水量大小 ; 4) 动力特性曲线畸形时的处理规则等。
     水电站通过两条途径使火电站燃烧费用减少 : 1) 承担变动负荷 (调峰、 调频) , 改善 火电厂工况条件, 降低单位煤耗, 减少燃料费用 ; 2) 提供发电量, 以减少火电厂发电量, 降低 燃料费用。而这两个途径相互矛盾, 即水电站承担变动负荷越大, 其调节损失越大, 发电量 则越小, 相反, 则越大。水电站日最优运行问题的实质就是, 如何最好地协调解决好相互矛 盾的各种作用, 以使电力系统总的费用支出最小。 就是用以调节这对矛盾的数学因子。 当 水、 火电站的动力特性曲线和电力系统的负荷曲线均已知的情况下, 每取一个 值, 就可制定出一个最优的日运行方式, 并计算出水电站相应的日用水量。 假定多个 值, 经计算后可 得到 与日用水量 的最优运行方式。
     的关系曲线。 由给定的日用水量即可求得对应的值和相应若为常数, 则火电站的费用与其出力成正比, 当出力变化时不会带来附加的调节损失, 从经济上看, 由火电站担负变动负荷是有利的, 水电站按固定负荷运行, 以减少调 节损失, 充分发挥其电量效益, 为常数时的等微增率原则就是水电站发电量最大运行方 式应满足的最优化原则。 此时, 改变 值的大小, 可以改变相应的水电站日用水量, 据此, 可 满足水电站给定日用水量的要求。若
     为常数时, 按等微增率原则制定的最优运行方式必然是 : 电力系统的变动负荷均由水电站担负, 火电站在基荷工作。 下游水位突变对水电站运行方式的影响 : , 在时刻 水电站下位水位突变引起的水 如果在某时刻 , 水电站流量的突变值为 头突变值为 : 由于水头变化 引起水电站出力变化为 :则由于流量变化而引起水电站出力的总变化为 :式中,
     为不考虑下游不稳定流影响的水电站流量微增率。因此, 计及水电站下游不稳定流影响的水电站流量微增率为 :令: 则有 : 式中, 为考虑下游不稳定流影响的水电站流量微增率修正系数 ; 为下游不稳定 为稳定下游水位流量关系曲线的斜率。流水位突变系数 ;
     一般情况下, 水电站下游发生不稳定流时, 只需考虑流量突变引起的水位突变部 分对运行方式的影响即可。水电站最优日运行方式应满足下述原则 : (10) 式中
     为考虑下游不稳定流影响时的水电站流量微增率。考虑下游不稳定流影响时水电站运行方式的最优化原则 : 在一般情况下, 考虑下游不稳定流影响时, 可根据式 (10) 制定水电站的最优日运行方 式, 但对有些水电站, 当下游发生不稳定流时, 水位的渐变部分亦将对电站的运行方式产生 显著影响。此时下游不稳定流不但影响水电站微增耗水率的数值, 还将影响水电站最优日 运行方式必须遵守的原则, 尤其对于水头较低的电站, 更要精确地计及下游不稳定流对其 运行方式的影响。
     假设水电站最优日运行方式已经找到, 其下洩流量和下游水位 时段内多用水变化曲 , 在 时线已知。 将水电站最优日运行方式作微小改变, 设在 时刻后刻后
     时段内少用水 1) 时刻后 时刻后, 分析由此改变引起的费用变化。 时段多用水 引起的电力系统费用变化情况时段多用水, 水电站出力增加 :式中,
     为时刻水电站的考虑下游不稳定流影响的微增耗水率。由此, 时段内系统费用减少为 :即: 2) 时刻后 统费用增加 下游水位升高, 不仅影响本时段, 还将使 时刻后, 整个时期水头減少。 流量 突减 , 可看作由两个流量突变的情况形成 : 在 。这样, 在时刻 ( > + 时刻流量突增 , 在 + 时段内增加 时刻流量 引 时段多用水 , 引起下游水位升高, 电站水头和出力减少, 从而引起系) 的下游水位升高便可看作是 : 时刻流量突增 引起的水位降低值之差。即起的水位增加值和 +时刻流量突减式中, 在 时刻后
     为在时刻后时段流量增加使时刻 的下游水位升高值 ;为时段流量增加引起的稳定下游水位升高值。 时刻后整个时期水电站出力减少为 :下游水位升高而引起火电站出力将增加, 时刻后整个时期电力系统费用的增加为 :因以日为周期,,,,…的 和值相同, 上式可写为 :3) 由于在时刻后时段流量增加, 而引起的系统费用减少为 :式中,相应于时刻的流量之稳定下游水位变率。
     由于很微小, 略去高次项, 有:故: 4) 时刻后 时段少用水 引起的电力系统费用变化情况采用与上述完全相同的方法可得出此时系统费用的增加为 :5) 水电站日运行方式有微小变动时, 电力系统费用的增加为 :由于假设原运行方式是最优的, 必有, 得, 即由于时刻, 是任意选取的, 所以对最优的水电站日运行方式而言, 一日内的任意时刻 都应满足下式 :令:17, 则有 :102354331 A CN 102354340说明书14/16 页(11) 在实际计算时, 一般将一日分为 24 个时段, 小时, 则有 :式中, 为计及不稳定流影响的当量, 是时间的函数 ; 为计及不稳定流影响的水电 站微增耗水率。 为 时刻稳定流状态下水位随流量的变化率 ; ∑为从 时段到时段求和。式 (11) 即为考虑下游不稳定流影响时, 最优日运行方式应遵守的原则。
     6) 考虑下游不稳定流影响的水电站群日运行方式最优化原则 对于水电站群, 将每个电站进行类似推导可得考虑下游不稳定流影响的水电站群日运 行方式最优化原则为 : (12)(13) 根据式 (12) 和 (13) 进行日最优运行方式计算时, 计算工作量主要在和式计算上, 因 , 所以计算一日的运行方式须计算 24 次和式。下面介绍一种和式的递推计算 法。
     如果已经求出第小时的和式值, 即 (14)则小时的和式为 : (15)比较此二式, 均由 24 项组成, 式 (14) 比式 (15) 少了多了 : 且各项多乘了一个 值。故有 :式 (13) 可写为 : (16) 已知
     值, 采用递推公式 (16) 可计算出其后各时段的值。计及不稳定流影响的水电站日最优运行方式计算方法 : 在已知电力系统日负荷图及给定水电站日用水量条件下, 制定水电站日最优运行方式。由于水电站的运行方式和下游不稳定流间的关系很复杂, 采用逐次接近法求解。计算 步骤为 : 1) 假定水电站某一流量过程 (电站运行方式) , 其日用水量等于规定值。
     2) 由稳定流状况的下游水位流量关系曲线求得相应的水位过程线 3) 按式 (2) 计算出下游实际水位 (不稳定流水位) 4) 计算水头变化过程线 5) 由水电站出力特性 6) 由水电站微增率特性 7) 计算出 过程线。 。 。 。 , 求出力过程线 。 为上游库水位。 。 。。, 求出微增率过程线8) 按式 (49) 计算考虑不稳定流时的微增率 9) 由 10) 计算出 11) 按式 (13) 或 (16) 计算出 , 得 。 。。查出费用微增率12) 检查是否满足最优化原则 (12) , 即 。
     13) 若和之差不为常数, 则需对运行方式进行调整, 并重新进行第 1) 至 相等时停算。 , 若 减小。若 , 应减少水11) 步计算。直至各时段的
     日运行方式调整方法如下 : 计算差值平均值 降低, 减小, 使 增加, 使 增加。, 应增加水电站的流量。这样, 电站的流量。这样, 增加,变化很大时, 有时可能无法调整, 或无法调到符合要求的情况, 例如在停机时,往往很小, 但此时已无负荷可减。 此情 即况下处理的原则是 : 实在不能调整时, 可不进行调整。经若干次 (1 ~ 3 次) 调整后, 保持为常数, 且一般为正值。 有时,调整后的值为负, 这说明增加水电站的流量, 使系统 相等的要求费用增加了, 即由于下游水位升高造成的费用增加值比因流量增加而节省的费用值大些。 此时应减少水电站的用水量, 如不可能, 则此时已达到最优。 当满足各时段 后, 还应检查调整后的运行方式之日用水量是否等于规定值, 若不等, 则应进一步调整, 直 至满足要求为止。 综上所述 : 1) 分析了下游不稳定流的产生原因及其影响, 提出基于水位指数规律变化的下游不稳 定流的计算方法及其计算系数的确定方法, 该方法比较简单, 有理论根据。
     2) 推导了水、 火电站联合优化运行时的等微增率原则, 分析了附增当量的物理意 义及影响因素, 提出了考虑下游不稳定流影响时水电站运行方式的最优化原则和计算方
     法。
     3) 研究下游不稳定流的产生原因、 影响及其计算方法对于更加科学地掌握水电站 的运行规律, 从而提高水电站运行水平和水能利用率具有重大社会经济价值和理论意义。

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1、10申请公布号CN102354331A43申请公布日20120215CN102354331ACN102354331A21申请号201110211573522申请日20110727G06F19/0020060171申请人东北电力科学研究院有限公司地址110006辽宁省沈阳市和平区四平街39号72发明人冯雁敏陈守峰张雪源梁年生梁斌74专利代理机构沈阳智龙专利事务所普通合伙21115代理人宋铁军周智博54发明名称下游不稳定流的计算方法57摘要本发明提供一种下游不稳定流的计算方法,本发明方法比较简单,有理论根据,结果与电站实际观测结果相当吻合的、基于水位指数规律变化假设的下游不稳定流计算方法。考虑不稳。

2、定水流的所有影响制定水电站最优运行方式是十分复杂的,本发明至针对其对发电的影响,其它综合用水部门的要求则作为限制条件处理,在限制条件处理方法上采用校核的方式,即对按发电最有利制定出来的运行方式进行检查,看是否满足综合用水部门的基本要求。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书3页说明书16页附图1页CN102354340A1/3页21下游不稳定流的计算方法,其特征在于确定水位呈指数规律变化的微分关系(1)式中,为常数;为不稳定流时实测下游水位;为稳定流情况下的下游水位;在时刻,流量由突变至,下游水位首先产生突变,然后按指数规律变化,直至等于流量为时的稳定下游水位。

3、;下游水位变化由二部分组成1)下游水位突变部分式中,是流量为和所对应的稳定下游水位之差,;为下游水位突变系数,与河床特性有关;2)下游水位渐变部分假设故式中,为流量突变时刻后的某一时刻;为时间常数;为自然对数;因此,在时刻下游水位的变化为时刻下游水位为在稳定状况时,下游水位和流量间有确定的函数关系,故根据水电站下游的具体情确定和的数值后,即可计算出不稳定流时下游水位的整个变化情况;若在时刻,流量由变至,相应的稳定下游水位变化为,在时刻,流量由变至,相应的稳定下游水位变化为,则在时刻()由于流量两次突变引起的水位变化为时刻的下游水位为权利要求书CN102354331ACN102354340A2/。

4、3页3式中,为时刻稳定下游水位;若在时刻之前流量有多个变化,利用叠加原理,将时刻的下游水位变化看作是各个突变流量作用之和的结果,得时刻的下游水位为如果流量是连续变化的,可将其看成是无限多次小突变,每次突变量为,相应稳定水位突变值为时刻的下游水位变化值为时刻的下游水位为一般情况下,在一定时期内各日的运行方式相同,即下洩流量、稳定下游水位均呈周期性变动,每24小时为一周期,上式变为式中,;为了便于计算,将一天分成24个时段,变为有限和的形式(2)式中,为时刻不稳定流状况时的水位;为时刻稳定流状况下的水位;确定下游不稳定流计算系数和的计算方法值确定方法实测水电站停机或较长时间以某固定负荷运行时的下游。

5、水位变化过程,实测水电站停机过程,测得,值,甩负荷后每隔1小时测一次,和为停机前后的稳定水位;假设在时刻流量发生突变,而时刻后流量保持不变,则时刻后和时刻的下游水位为权利要求书CN102354331ACN102354340A3/3页4式中,;由于在时刻后流量保持不变,故;取时刻为计算时间的起点,即,可得系数的计算公式为(3)将各相邻时刻实测的不稳定流水位减去稳定后水位之差值,代入(3)式计算,可得值,然后取平均;值确定方法为当流量突变时水位的突变系数,确定值需要流量突变时水位突变的实测资料;第一种方法令流量在时刻有显著的突增或突减变化,实测水位变化过程线,;时刻后和时刻的下游水位为式中,;由于。

6、在时刻后流量保持不变,故;取时刻为计算时间的起点,即;两式相减得故有(4)对多个值进行计算后取平均可得值;第二种方法确定值的试算法;在水电站日下洩流量过程已定的情况下,实测一日的下游水位变化过程线;假定几个不同的值进行不稳定流计算,可得到一日内相应于不同值的水电站下游水位变化过程线,将计算结果和实测结果进行比较,根据与实测结果最接近的计算水位变化过程线选取系数的数值。权利要求书CN102354331ACN102354340A1/16页5下游不稳定流的计算方法技术领域0001本发明属于水电站运行领域,尤其涉及一种下游不稳定流计算及其对水电站最优运行方式影响的计算方法。背景技术0002能源是国民经。

7、济的动力,是现代文明生活的支柱。我国能源开发利用的方针是实行开发与节约并重,并把节能放在优先地位,要大力开展以节能为中心的技术改造和结构改革,节能问题对于水电生产单位是十分重要的。由于水电能源的特点,同样多的水在不同的生产方式下运行,所能发出的电能是不同的,如何使单位体积的水发出尽可能多的电能是水电生产系统能源开发和节约的中心问题,是挖掘设备生产潜力,提高电站运行水平的关键。0003当水电站担负调峰、调频任务时,在一天内水电站的出力和下泄流量可能发生剧烈变化,以致在水电站尾水及下游河道形成水位、流速急剧变动的不稳定水流。下游水位不仅与此时刻的下洩流量有关,还与此前时间的流量、水位等变化状态有关。

8、,且水位的变化总滞后于流量的变化,使下游水位与下洩流量的关系曲线形成复杂的环套形。下游不稳定流的产生原因除电站负荷发生剧烈变化外,还可能与以下因素有关梯级水电站中下游电站对上游电站的回水影响;水电站洪水期的洩洪方式变化;水电站下游河流支流来水不稳定;水电站下游综合用水部门的取水方式;潮汐作用的影响等。0004下游不稳定流造成的影响是多方面的。1)因日调节产生的下游不稳定水流使沿途的水位和流量发生剧烈变化,可能严重影响水利综合利用部门的正常工作,不稳定流给港口码头、航运、养殖、灌溉、河岸保护、卫生环保及城市给水等部门的工作带来很大困难,过大的水位波动和流速变化可能使这些部门的正常运行条件遭到破坏。

9、;2)对于低水头河床式水电站,因下游水流不稳定造成的水位波动将引起电站水头的明显变化,直接影响电站运行的经济性,有时还可能使水轮发电机组产生严重的汽蚀、振动,影响电站安全可靠运行。0005下游不稳定流计算十分复杂,计算方法很多,有些方法理论严密,根据充分,但计算复杂,计算工作量大,在时间上赶不上电站运行方式计算的需要;有些方法计算简明,易于操作,但却过于粗糙,计算结果与实际情况相差甚远。发明内容0006发明目的本发明提供一种下游不稳定流及其对水电站最优运行方式影响的计算方法,其目的是解决以往的计算方法不理想的问题。0007技术方案本发明是通过以下技术方案来实现的下游不稳定流的计算方法,其特征在。

10、于确定水位呈指数规律变化的微分关系(1)说明书CN102354331ACN102354340A2/16页6式中,为常数;为不稳定流时实测下游水位;为稳定流情况下的下游水位;在时刻,流量由突变至,下游水位首先产生突变,然后按指数规律变化,直至等于流量为时的稳定下游水位;下游水位变化由二部分组成1)下游水位突变部分式中,是流量为和所对应的稳定下游水位之差,;为下游水位突变系数,与河床特性有关;2)下游水位渐变部分假设故式中,为流量突变时刻后的某一时刻;为时间常数;为自然对数;因此,在时刻下游水位的变化为时刻下游水位为在稳定状况时,下游水位和流量间有确定的函数关系,故根据水电站下游的具体情确定和的数。

11、值后,即可计算出不稳定流时下游水位的整个变化情况;若在时刻,流量由变至,相应的稳定下游水位变化为,在时刻,流量由变至,相应的稳定下游水位变化为,则在时刻()由于流量两次突变引起的水位变化为时刻的下游水位为式中,为时刻稳定下游水位;若在时刻之前流量有多个变化,利用叠加原理,将说明书CN102354331ACN102354340A3/16页7时刻的下游水位变化看作是各个突变流量作用之和的结果,得时刻的下游水位为如果流量是连续变化的,可将其看成是无限多次小突变,每次突变量为,相应稳定水位突变值为时刻的下游水位变化值为时刻的下游水位为一般情况下,在一定时期内各日的运行方式相同,即下洩流量、稳定下游水位。

12、均呈周期性变动,每24小时为一周期,上式变为式中,;为了便于计算,将一天分成24个时段,变为有限和的形式(2)式中,为时刻不稳定流状况时的水位;为时刻稳定流状况下的水位。0008确定下游不稳定流计算系数和的计算方法值确定方法实测水电站停机或较长时间以某固定负荷运行时的下游水位变化过程,实测水电站停机过程,测得,值,甩负荷后每隔1小时测一次,和为停机前后的稳定水位;假设在时刻流量发生突变,而时刻后流量保持不变,则时刻后和时刻的下游水位为式中,;由于在时刻后流量保持不变,故;取时刻为计算时间的起点,即,说明书CN102354331ACN102354340A4/16页8可得系数的计算公式为(3)将各。

13、相邻时刻实测的不稳定流水位减去稳定后水位之差值,代入(3)式计算,可得值,然后取平均;值确定方法为当流量突变时水位的突变系数,确定值需要流量突变时水位突变的实测资料;第一种方法令流量在时刻有显著的突增或突减变化,实测水位变化过程线,;时刻后和时刻的下游水位为式中,;由于在时刻后流量保持不变,故;取时刻为计算时间的起点,即;两式相减得故有(4)对多个值进行计算后取平均可得值;第二种方法确定值的试算法;在水电站日下洩流量过程已定的情况下,实测一日的下游水位变化过程线;假定几个不同的值进行不稳定流计算,可得到一日内相应于不同值的水电站下游水位变化过程线,将计算结果和实测结果进行比较,根据与实测结果最。

14、接近的计算水位变化过程线选取系数的数值。0009优点及效果本发明基于水位指数规律变化,提出计算水电站下游不稳定流的一种新方法,并分析了下游不稳定流对水电站最优运行方式的影响。分析了下游不稳定流的产生原因及其影响,为满足水电站优化运行计算在求解时间和求解精度上的要求,提出了基于水位指数规律变化的下游不稳定流计算方法及其计算系数的确定方法,该计算比较简单,有理论根据。推导了水、火电站联合优化运行时的等微增率原则,分析了附增当量的物理意义及影响因素,最后提出了考虑下游不稳定流影响时水电站运行方式的最优化原则和说明书CN102354331ACN102354340A5/16页9计算方法。研究下游不稳定流。

15、的产生原因、影响及其计算方法对于更加科学地掌握水电站的运行规律,从而提高水电站运行水平和水电能源利用率具有重大社会经济价值和理论意义。0010本发明方法比较简单,有理论根据,结果与电站实际观测结果相当吻合的、基于水位指数规律变化假设的下游不稳定流计算方法。考虑不稳定水流的所有影响制定水电站最优运行方式是十分复杂的,本发明至针对其对发电的影响,其它综合用水部门的要求则作为限制条件处理,在限制条件处理方法上采用校核的方式,即对按发电最有利制定出来的运行方式进行检查,看是否满足综合用水部门的基本要求,如不满足,则对所得运行方式进行修正。0011附图说明图1为流量突增引起水位变化图。0012具体实施方。

16、式下面结合附图对本发明作进一步的详细说明,但不因具体的实施例限制本发明;基于水位指数规律变化假设的下游不稳定流的计算方法对于水电站运行方式来说,最重要的是水电站出口断面处的水位波动情况,根据许多实测资料的分析计算结果表明,水位变化可以用若干阶的常系数线性微分方程表示式中,为常数;为不稳定流时实测下游水位;为稳定流情况下的下游水位。0013根据工程计算的精度要求,高阶导数可略去不计,上式可简化为(1)式(1)为水位呈指数规律变化的微分方程。从物理意义上看,下游不稳定流是由流量的突增或突减引起,图1为流量突增情况。0014在时刻,流量由突变至,下游水位首先产生突变,然后按一定规律假定为指数规律的变。

17、化,直至等于流量为时的稳定下游水位。下游水位变化由二部分组成1)下游水位突变部分式中,是流量为和所对应的稳定下游水位之差,;为下游水位突变系数,与河床特性有关。00152)下游水位渐变部分假设故式中,为流量突变时刻后的某一时刻;为时间常数;为自然对数。说明书CN102354331ACN102354340A6/16页10因此,在时刻下游水位的变化为时刻下游水位为在稳定状况时,下游水位和流量间有确定的函数关系,故根据水电站下游的具体情确定和的数值后,即可计算出不稳定流时下游水位的整个变化情况。0016若在时刻,流量由变至,相应的稳定下游水位变化为,在时刻,流量由变至,相应的稳定下游水位变化为,则在。

18、时刻()由于流量两次突变引起的水位变化为时刻的下游水位为式中,为时刻的稳定下游水位。若在时刻之前,流量有多个变化,利用叠加原理,将时刻的下游水位变化看作是各个突变流量作用之和的结果,得时刻的下游水位为如果流量是连续变化的,可将其看成是无限多次小突变,每次突变量为,相应稳定水位突变值为时刻的下游水位变化值为时刻的下游水位为一般情况下,在一定时期内各日的运行方式相同,即下洩流量、稳定下游水位均呈周期说明书CN102354331ACN102354340A7/16页11性变动,每24小时为一周期,上式变为式中,。为了便于计算,将一天分成24个时段,变为有限和的形式(2)式中,为时刻不稳定流状况时的水位。

19、;为时刻稳定流状况下的水位。0017下游不稳定流计算系数的确定方法对于不同的水电站,系数和的数值是不同的,系数和的数值与下游河床的坡降,断面形状,粗糙度等一系列因素有关,很难用数学公式表示其间的关系。通常,根据某些实测资料分析计算得出。0018值确定方法为了计算简单,实测水电站停机或较长时间以某固定负荷运行时的下游水位变化过程。如实测水电站停机过程,测得,值(甩负荷后每隔1小时测一次),和为停机前后的稳定水位。0019假设在时刻流量发生突变,而时刻后流量保持不变。则时刻后和时刻的下游水位为式中,。0020由于在时刻后流量保持不变,故。取时刻为计算时间的起点,即,可得系数的计算公式为(3)将各相。

20、邻时刻实测的不稳定流水位减去稳定后水位之差值,代入(3)式计算,可得值,然后取平均。0021值确定方法为当流量突变时水位的突变系数,确定值需要流量突变时水位突变的实测资料。0022第一种方法令流量在时刻有显著的突增或突减变化,实测水位变化过程线,说明书CN102354331ACN102354340A8/16页12,。0023时刻后和时刻的下游水位为式中,。0024由于在时刻后流量保持不变,故。取时刻为计算时间的起点,即。两式相减得故有(4)对多个值进行计算后取平均可得值。0025第二种方法确定值的试算法。在水电站日下洩流量过程已定的情况下,实测一日的下游水位变化过程线。假定几个不同的值进行不稳。

21、定流计算,可得到一日内相应于不同值的水电站下游水位变化过程线,将计算结果和实测结果进行比较,根据与实测结果最接近的计算水位变化过程线选取系数的数值。0026下游不稳定流对水电站最优运行方式的影响下游不稳定流对水电站运行的影响是多方面的,这里只考虑不稳定流对水电站最优运行方式的影响,不稳定流引起下游水位变动,使水头发生改变,进而影响电站出力。0027水、火电站联合优化运行的等微增率原则水、火电站联合优化运行的目标函数可采用使电力系统总的费用支出最小,以各水电站日耗水量等于给定水量作为约束条件。根据此目标函数编制水电站日最优运行方式,需同时解决空间最优和时间最优问题,考虑的因素多、涉及面广,是一个。

22、多维多阶的十分复杂的最优化问题。为了求解日最优运行数学模型,根据目标函数和约束条件,推导出便于操作的最优化原则。设电力系统中只有一个水电站和一个等效火电站。系统日负荷曲线和水电站日用水量已知。、分别为火电站和水电站在时段的出力,要求找出水电站最优运行方式及火电站最优运行方式,使电力系统一日的总燃料费支出最小,即约束条件如下说明书CN102354331ACN102354340A9/16页13假定水电站最优运行方式已经找到,现将其作微小改变,在时刻后时段内增加水电站出力,在时刻后时段内减少水电站出力。水电站运行方式作此改变后,火电站出力应作相应改变,即在时刻后时段内火电站出力减少,在时刻后时段内火。

23、电站出力增加。火电站出力改变,将引起电力系统费用改变。在时刻后时段内电力系统费用减少为在时刻后时段内电力系统费用增加为在一日中电力系统费用节省值为若,则说明改变后的运行方式比原来的好,可以节省经费支出,与假设矛盾。若,则说明水电站在时刻后时段内减少出力,在时刻后时段内增加出力,可以节省经费支出,存在更好的运行方式,与假设矛盾。故。即(5)在时刻后时段内,由于水电站增加出力,需多用水量为在时刻后时段内,由于水电站减少出力,可少用水量为根据水量平衡要求,有即故代入式(5)得令,有由于和是一日内任意选取的二个时刻,故最优运行方式应满足任何时刻两电站耗量微增率之比值相等的原则,即等微增率原则。即或(6。

24、)假若电力系统中有个跨流域水电站,经类似推导可得(7)说明书CN102354331ACN102354340A10/16页14式中,为电力系统燃料费用微增率,它是火电站出力的函数,;为第号水电站的耗水流量微增率,;为第号水电站的“附增当量”或“动力效率”,在一日内为常数。0028的物理意义及影响因素的物理含义由式(6)得(8)的物理含义为增加水电站单位流量所能取得的电力系统费用的节省值。故称为“比节约值”、“附增当量”或“动力效率”。式(8)称为等比节约原则。若以电力系统火电站耗煤量最小为优化准则,则有式中,为耗煤率,即火电站每小时的耗煤量,是火电站出力的函数。此时,的含义为水电站增加用单位水流。

25、量相当于火电站1小时用吨煤,它们的发电出力相同。故也称为水煤当量。0029由式(7)得(9)即此时,的含义为1号水电站增加单位流量的发电出力等于2号水电站增加个单位流量的发电出力。0030值的影响因素与以下因素有关1)火电站和水电站的动力特性曲线;2)电力系统的负荷曲线;3)水电站的日用水量大小;4)动力特性曲线畸形时的处理规则等。0031水电站通过两条途径使火电站燃烧费用减少1)承担变动负荷(调峰、调频),改善火电厂工况条件,降低单位煤耗,减少燃料费用;2)提供发电量,以减少火电厂发电量,降低燃料费用。而这两个途径相互矛盾,即水电站承担变动负荷越大,其调节损失越大,发电量则越小,相反,则越大。

26、。水电站日最优运行问题的实质就是,如何最好地协调解决好相互矛盾的各种作用,以使电力系统总的费用支出最小。就是用以调节这对矛盾的数学因子。当水、火电站的动力特性曲线和电力系统的负荷曲线均已知的情况下,每取一个值,就可制定出一个最优的日运行方式,并计算出水电站相应的日用水量。假定多个值,经计算后可得到与日用水量的关系曲线。由给定的日用水量即可求得对应的值和相应的最优运行方式。0032若为常数,则火电站的费用与其出力成正比,当出力变化时不会带来附加的调说明书CN102354331ACN102354340A11/16页15节损失,从经济上看,由火电站担负变动负荷是有利的,水电站按固定负荷运行,以减少调。

27、节损失,充分发挥其电量效益,为常数时的等微增率原则就是水电站发电量最大运行方式应满足的最优化原则。此时,改变值的大小,可以改变相应的水电站日用水量,据此,可满足水电站给定日用水量的要求。若为常数时,按等微增率原则制定的最优运行方式必然是电力系统的变动负荷均由水电站担负,火电站在基荷工作。0033下游水位突变对水电站运行方式的影响如果在某时刻,水电站流量的突变值为,在时刻水电站下位水位突变引起的水头突变值为由于水头变化引起水电站出力变化为则由于流量变化而引起水电站出力的总变化为式中,为不考虑下游不稳定流影响的水电站流量微增率。0034因此,计及水电站下游不稳定流影响的水电站流量微增率为令则有式中。

28、,为考虑下游不稳定流影响的水电站流量微增率修正系数;为下游不稳定流水位突变系数;为稳定下游水位流量关系曲线的斜率。0035一般情况下,水电站下游发生不稳定流时,只需考虑流量突变引起的水位突变部分对运行方式的影响即可。水电站最优日运行方式应满足下述原则(10)式中为考虑下游不稳定流影响时的水电站流量微增率。0036考虑下游不稳定流影响时水电站运行方式的最优化原则在一般情况下,考虑下游不稳定流影响时,可根据式(10)制定水电站的最优日运行方式,但对有些水电站,当下游发生不稳定流时,水位的渐变部分亦将对电站的运行方式产生显著影响。此时下游不稳定流不但影响水电站微增耗水率的数值,还将影响水电站最优日运。

29、行方式必须遵守的原则,尤其对于水头较低的电站,更要精确地计及下游不稳定流对其运行方式的影响。0037假设水电站最优日运行方式已经找到,其下洩流量和下游水位变化曲线已知。将水电站最优日运行方式作微小改变,设在时刻后时段内多用水,在时说明书CN102354331ACN102354340A12/16页16刻后时段内少用水,分析由此改变引起的费用变化。00381)时刻后时段多用水引起的电力系统费用变化情况时刻后时段多用水,水电站出力增加式中,为时刻水电站的考虑下游不稳定流影响的微增耗水率。0039由此,时段内系统费用减少为即2)时刻后时段多用水,引起下游水位升高,电站水头和出力减少,从而引起系统费用增。

30、加下游水位升高,不仅影响本时段,还将使时刻后,整个时期水头減少。时段内增加流量,可看作由两个流量突变的情况形成在时刻流量突增,在时刻流量突减。这样,在时刻()的下游水位升高便可看作是时刻流量突增引起的水位增加值和时刻流量突减引起的水位降低值之差。即式中,为在时刻后时段流量增加使时刻的下游水位升高值;为在时刻后时段流量增加引起的稳定下游水位升高值。0040下游水位升高而引起时刻后整个时期水电站出力减少为火电站出力将增加,时刻后整个时期电力系统费用的增加为因以日为周期,的和值相同,上式可写为说明书CN102354331ACN102354340A13/16页173)由于在时刻后时段流量增加,而引起的。

31、系统费用减少为式中,相应于时刻的流量之稳定下游水位变率。0041由于很微小,略去高次项,有故4)时刻后时段少用水引起的电力系统费用变化情况采用与上述完全相同的方法可得出此时系统费用的增加为5)水电站日运行方式有微小变动时,电力系统费用的增加为由于假设原运行方式是最优的,必有,得,即由于时刻,是任意选取的,所以对最优的水电站日运行方式而言,一日内的任意时刻都应满足下式令,则有说明书CN102354331ACN102354340A14/16页18(11)在实际计算时,一般将一日分为24个时段,小时,则有式中,为计及不稳定流影响的当量,是时间的函数;为计及不稳定流影响的水电站微增耗水率。为时刻稳定流。

32、状态下水位随流量的变化率;为从时段到时段求和。式(11)即为考虑下游不稳定流影响时,最优日运行方式应遵守的原则。00426)考虑下游不稳定流影响的水电站群日运行方式最优化原则对于水电站群,将每个电站进行类似推导可得考虑下游不稳定流影响的水电站群日运行方式最优化原则为(12)(13)根据式(12)和(13)进行日最优运行方式计算时,计算工作量主要在和式计算上,因,所以计算一日的运行方式须计算24次和式。下面介绍一种和式的递推计算法。0043如果已经求出第小时的和式值,即(14)则小时的和式为(15)比较此二式,均由24项组成,式(14)比式(15)少了多了且各项多乘了一个值。故有式(13)可写为。

33、(16)已知值,采用递推公式(16)可计算出其后各时段的值。0044计及不稳定流影响的水电站日最优运行方式计算方法在已知电力系统日负荷图及给定水电站日用水量条件下,制定水电站日最优运行方说明书CN102354331ACN102354340A15/16页19式。由于水电站的运行方式和下游不稳定流间的关系很复杂,采用逐次接近法求解。计算步骤为1)假定水电站某一流量过程(电站运行方式),其日用水量等于规定值。00452)由稳定流状况的下游水位流量关系曲线求得相应的水位过程线。00463)按式(2)计算出下游实际水位(不稳定流水位)。00474)计算水头变化过程线。为上游库水位。00485)由水电站出。

34、力特性,求出力过程线。00496)由水电站微增率特性,求出微增率过程线。00507)计算出过程线。00518)按式(49)计算考虑不稳定流时的微增率。00529)由,得。查出费用微增率。005310)计算出。005411)按式(13)或(16)计算出。005512)检查是否满足最优化原则(12),即。005613)若和之差不为常数,则需对运行方式进行调整,并重新进行第1)至11)步计算。直至各时段的相等时停算。0057日运行方式调整方法如下计算差值平均值,若,应增加水电站的流量。这样,降低,增加,使减小。若,应减少水电站的流量。这样,增加,减小,使增加。变化很大时,有时可能无法调整,或无法调到。

35、符合要求的情况,例如在停机时,往往很小,但此时已无负荷可减。此情况下处理的原则是实在不能调整时,可不进行调整。经若干次(13次)调整后,即保持为常数,且一般为正值。有时,调整后的值为负,这说明增加水电站的流量,使系统费用增加了,即由于下游水位升高造成的费用增加值比因流量增加而节省的费用值大些。此时应减少水电站的用水量,如不可能,则此时已达到最优。当满足各时段相等的要求后,还应检查调整后的运行方式之日用水量是否等于规定值,若不等,则应进一步调整,直至满足要求为止。0058综上所述1)分析了下游不稳定流的产生原因及其影响,提出基于水位指数规律变化的下游不稳定流的计算方法及其计算系数的确定方法,该方法比较简单,有理论根据。00592)推导了水、火电站联合优化运行时的等微增率原则,分析了附增当量的物理意义及影响因素,提出了考虑下游不稳定流影响时水电站运行方式的最优化原则和计算方说明书CN102354331ACN102354340A16/16页20法。00603)研究下游不稳定流的产生原因、影响及其计算方法对于更加科学地掌握水电站的运行规律,从而提高水电站运行水平和水能利用率具有重大社会经济价值和理论意义。说明书CN102354331ACN102354340A1/1页21图1说明书附图CN102354331A。

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