第二节 水库发电调度

修建水库的意义在于调节天然径流，它可以将大量的水积蓄在库内，然后根据需要下泄库存水量。水库在积蓄了大量水体的同时也积蓄了大量的能量，为充分利用库内的水能资源，将水库的水通过水轮机组进行发电，不但可以控制下泄流量，还能将水能资源转变为电力资源，提高综合效益。水库发电调度也是水利水电工程调度的一项重要内容。

一、水库发电调度一般原则

（1）在设计水文条件下，应抓紧时间使水库蓄满，从而抬高水库水位增加水能储量，以保证水电站在整个调节期都能按保证运行方式工作，同时综合考虑其他部门的用水要求。

（2）在比设计条件更有利的水文条件下，应当在确保水库大坝及上下游防洪安全、保证水电站及其他综合利用部门正常工作不被破坏的前提下，充分利用河川径流和水库调节能力，合理加大出力，减少弃水，使水电站工作更经济。

（3）在比设计条件更不利的水文条件下，水电站及其他综合利用部门正常工作的破坏是不可避免的，为减小由此破坏所带来的损失，在保证必需用水的条件下，水电站应适当降低出力工作［12］。

一般在水库来水不能准确预知的情况下，为了适应各种来水条件，提高经济效益，常编制水库发电调度图，根据水库发电调度图进行调度。在水库的规划设计和运行调度中，广泛使用时历法和数理统计法来绘制水库发电调度图。

图2-2 径流日调节

1—用水流量；2—天然日平均流量；

3—库水位变化过程线

二、发电调度类型

发电调度的类型一般可根据调节周期的长短来划分。调节周期是指水库发电库容从库空到蓄满，再放空，这样一个完整的蓄放过程所需的时间。一般可分为日调节、周调节、年调节和多年调节等多种类型。

1.日调节

除洪水季节外，河川径流在一昼夜内的变化基本是均匀的，而用水部门的需水要求往往是不均匀的。水电站发电用水随负荷的变化而改变，当用水小于河流来水时，就将多余水量蓄存在水库内，供来水不足时使用。这种在一昼夜内将天然径流按发电需要进行重新分配的调节，叫日调节，其调节周期为24h（图2-2）。在洪水期，天然来水丰富，水电站总是以全部装机容量投入运行，整日处于满负荷运行，不必进行日调节。

2.周调节

在枯水季节，河川径流在一周之内变化不大，但用水部门每天的用水需求不尽相同。

例如休假日负荷较小，发电用水也少，这时可把多余水量存入水库，用于负荷较大之日。这种将天然径流在一周内按需要进行分配的调节称为周调节，其调节周期为一周（图2-3）。进行周调节的水库一般可同时进行日调节。

3.年调节

一年之内河川径流变化很大，丰水期和枯水期水量相差悬殊。根据防洪和发电要求对天然径流在一年内进行各月重新分配的调节，称为年调节，其调节周期为一年。它的任务是按照用水部门的年内需水过程，将一年中丰水期多余水量储存在水库中，以提高枯水期的供水量。当水库已经蓄满而来水量仍大于用水量时，将发生弃水，根据调节程度可分为不完全年调节（季调节）和完全年调节。通常把仅能储存丰水期部分多余水量的径流调节，称为不完全年调节；而能将年内全部来水量完全按用水要求重新分配而不发生弃水的径流调节，称为完全年调节（图2-4）。显然，完全年调节和不完全年调节的概念是相对的，它取决于库容的大小和来水量的多少。例如对同一水库而言，可能在一般年份能进行完全年调节，但遇丰水年就很可能发生弃水，只能进行不完全年调节。年调节水库一般可同时进行周调节和日调节。

图2-3 径流周调节

1—用水流量；2—天然日平均流量；

3—库水位变化过程线

图2-4 径流年调节

1—用水流量；2—天然来水流量；

3—库水位变化过程线

4.多年调节

径流多年调节的任务是利用水库兴利库容将丰水年的多余水量储存在水库中，用以提高枯水年的供水量。这种把天然径流在年际间进行重新分配的调节，称为多年调节。这时，水库的兴利库容往往需经过若干丰水年才能蓄满，然后将储存水量分配在若干个枯水年份里用掉，即调节周期为多年。一般多年调节水库须储存一个丰水年系列的多余水量，其库容很大，调节能力很强，所以多年调节水库也可同时进行年调节、周调节和日调节。

由于日调节、周调节型水库容量小，调节周期短，不需考虑长期运行调度，可只按来水条件与发电需求控制水库运行方式，蓄泄来水，故不需制定水库调度图。年调节和多年调节水库容量大，调节周期长，对社会经济影响大，有明显的蓄水期、供水期之分，水库控制运用方式对社会、经济及环境等方面有重要的影响，故需制定科学合理的水库调度图，来指导水库的运行调度，以充分利用水资源，促进社会经济的快速安全发展。故下面以年调节为例，说明发电调度图绘制的一般过程。

三、年调节水库发电调度图的绘制

（一）基本调度线的绘制

1.核定保证出力与保证出力图

保证出力与保证出力图是绘制水库基本调度线的重要依据，在编制水库调度方案时，必须进行核定。年调节水电站的保证出力N保，是指在相应于设计保证率的水文条件下，水电站在供水期所能提供的平均出力，是反映水电站在设计枯水年下的动力指标［13］。因为对年调节水电站水库来说，供水期（一般在冬季）的天然来水最少，水电站所能提供的出力也最小，而一年内电力系统的最大用电负荷一般也在供水期，因此，水电站如果能在供水期满足电力系统用电要求，即能够使水电站正常工作不受破坏的话，那么在一年内的其他时期，水电站也可以满足电力系统的用电要求。

通常，可采用设计枯水年法计算保证出力，先以实测径流系列为依据选出设计枯水年，再对设计枯水年供水期按等流量进行径流调节及水能计算，取该供水期的平均出力作为年调节水电站的保证出力，进而得到保证电量，具体步骤如下。

（1）收集某水库T年的径流资料，绘制其水文年平均流量频率曲线并计算其多年平均流量：

式中：为多年年平均流量，m3/s；Qi为第i年的年平均流量，m3/s；T为径流资料年数。

（2）收集数据，绘制该水库水位（Z）与容积（V）特性曲线（Z-V曲线），绘制下游水位（Z下）与流量（Q）关系曲线（Z下-Q曲线）。

（3）根据已知的水电站设计保证率P设选择设计枯水年，可近似按来水保证率选择；根据设计保证率P设在年平均流量频率曲线上，查得相应的年平均流量Qp；选择年平均流量接近Qp，且年内分配具有代表性的年份为设计枯水典型年。为了使典型年平均流量Q枯符合设计保证率要求，需要对所选典型年的流量进行修正，为此，应将该年各月流量都乘以修正系数，便得到设计枯水年符合设计保证率的逐月流量。

（4）求供水期调节流量Q调。以兴利库容V兴对所选出的设计枯水年进行等流量调节计算（即假设供水期每个月的发电流量相同），求得该年供水期调节流量Q调，即为水电站在保证出力时的引用流量。Q调可按式（2-2）试算求得

式中：Qi为供水期第i个月的来水平均流量，m3/s；为供水期水库来水总量，（m3/s）·月；V兴为水库兴利库容，（m3/s）·月；n供为供水期月数。

（5）求保证出力和保证电量。从供水期的第一个月开始，对设计枯水年供水期逐月进行水能计算，求得供水期的保证出力和保证电量：

式中：N保为水电站保证出力，kW；A为水电站出力系数，大中型水电站A=8.0～8.5，中小型水电站A=6.5～8.0；H供为供水期发电的平均水头，m；Q调同上。

于是，保证电量E保（一个月近似按730h计）为

式中：E保为保证电量，kW·h；n供为供水期月数。

2.绘制水电站保证出力图

保证出力图是指满足设计保证率要求的水电站在一年内逐月的平均出力图，它反映着水电站的保证运行方式，其获得一般有三种方式。

（1）通常根据N保（或E保）进行电力系统全年电力电量平衡确定。

（2）若缺乏资料而无法进行电力电量平衡时，可以在水电站以往正常运行的资料中，选用一个偏枯年份的水电站负荷逐月分配作为典型负荷图，然后，根据前面核定的保证出力进行修正，即以保证出力与该典型年负荷图相应时期（即年调节水电站的供水期）平均负荷的比值，乘以典型年逐月平均负荷，则得保证出力图。

（3）如果难以选出正常运行的负荷分配典型年时，也可使非汛期各月出力等于保证出力，汛期各月出力等于2～3倍保证出力，作为简化的保证出力图。

3.绘制基本调度线

首先选择符合水电站设计保证率的不同年内分配的几个典型年，并对之进行必要的修正，使它满足两个条件：一是典型年供水期的平均出力等于或接近保证出力；二是供水期的终止时刻与设计保证率范围内多数年份一致［14］。然后均按保证出力图自供水期末死水位开始，逆时序进行水能计算至供水期初，又接着算至蓄水期初回到死水位，得到各典型年水电站按保证出力图工作所需的水库蓄水指示线。最后取各典型年水库蓄水指示线的上、下包络线，并经过适当修正，即可得到上、下两条基本调度线。

由于供水期末下基本调度线的末端点往往与上基本调度线的末端点不重合，所以当下一年汛期到来较迟时，可能引起正常工作的集中破坏，如图2-5（a）中虚线所示。因此，需进行修正（图2-5），即将下基本调度线水平移动至其末端点与上基本调度线末端点重合的位置［如图2-5（a）中实线2所示］，或将下基本调度线的上端点与上基本调度线的下端点连接起来，如图2-5（b）中实线2所示。

图2-5 供水期基本调度线的修正

1—上基本调度线；2—修正后的下基本调度线

图2-6 蓄水期基本调度线的修正

1—上基本调度线；2—修正后的下基本调度线

另外，在蓄水期初，下基本调度线始端点与上基本调度线始端点很接近，导致在蓄水期刚开始就要求水电站降低出力，这显然不合理。此时，常将下调度线的起点h′向后移至洪水开始最迟的时刻h点，并做gh光滑曲线（图2-6）。

水电站正常工作时的水库水位应在上、下基本调度线之间。

（二）加大出力线的绘制

当年调节水库在运行中遇到天然来水较丰富的情况时，在ti时刻水库实际水位可能高于水库上基本调度线，则水电站应加大出力以充分利用多蓄的水量。利用水库多余水量来加大出力的方式一般有三种：①立即加大出力（图2-7中①线），使多余水量很快用掉，尽快使水库水位回落到上基本调度线上；该方式出力不均匀，由于短时间内出力突增，对系统中火电站的运行不利；②后期集中加大出力（图2-7中②线）将多余水量保留到调节期末集中加大出力，这样可使水电站在较长时期保持较高的发电水头，增加发电量。但如果汛期提前到来，则有可能产生不应有的弃水；③均匀加大出力（图2-7中③线）在以后的调节期内均匀加大出力，可使增加出力均匀，时间较长，对电力系统较有利，也能充分利用多余水量，是经常采用的一种增加出力方式。

图2-7 加大出力和降低出力的调度方式

1—上基本调度线；2—下基本调度线

当确定了加大出力的方式后，即可以上基本调度线为出发点，利用分级列表法计算绘出加大出力线。具体步骤如下。

（1）根据上基本调度线和保证出力图用列表计算法推求出相应各时段的发电用水量，由水量平衡公式推求水库的来水过程，作为推求各加大出力线的计算典型年径流过程。

（2）对以上推求的计算典型年径流过程分别按不同等级的加大出力值，即取大于保证出力N保，但不超过机组所能发出的最大出力的若干个出力值，如1.2N保，1.5N保，1.8N保，…，Nmax，从供水期末上基本调度线相应的指示水位起，对整个调节年逆时序逐时段试算，直至蓄水期初水库水位落至相应水位为止，求得相应各加大出力的各时段初的蓄水指示水位。

（3）将计算得到的各加大出力值对应各时段初的蓄水指示水位点绘于调度图中，除去正常蓄水位及防洪限制水位以上的部分，即得到一组加大出力线，其中按最大出力工作的水库指示线称为最大出力线，也称防弃水线。

（三）降低出力线的绘制

在水利工程的正常运行过程中，当遇到特枯年份时，天然来水量很小，而水电站仍按保证出力图工作，经过一段时间后，水库水位会落到下基本调度线以下，水量明显不足，水电站正常工作将遭受破坏。与加大出力调度方式类似，此时为减小正常工作的破坏程度，水电站也有3种可以选择的调度方式：①立即减少出力（图2-7中④线），使水库水位很快回蓄到下基本调度线，水电站破坏时间比较短；②继续按保证出力图工作，直至死水位，以后就按天然流量工作（图2-7中⑤线）如果天然来水很少，将引起水电站正常工作的集中破坏；③均匀减少出力直至供水期结束（图2-7中⑥线），这种方式使正常工作均匀破坏，破坏程度较小，时间较长，系统补充容量较容易，是比较常用的运行方式。确定了降低出力方式后，同样也可以采用与计算加大出力线类似的分级列表法计算、绘制降低出力调度线，此时应以下基本调度线为出发点绘制。

将上述的水库调度基本调度线、加大出力线、降低出力线绘于同一张图上，即得到以发电为目的的水库调度图，根据该图可以比较有效地指导水电站的发电调度运行。

【例2-1】 某年调节水电站水库，其正常蓄水位为144m，相应库容68.26（m3/s）·月，死水位为130m，相应库容33.90（m3/s）·月，设计洪水位147.38m，校核洪水位149.36m，水电站设计保证率为85%，最大水头为48m，装置4台2000kW水轮发电机机组。现要求绘制水电站水库的基本调度线。

（1）水库基本资料。

1）坝址径流资料28年（1954—1981年）（略）。

2）坝址下游水位流量关系曲线资料，已拟合方程为

Q=4.94Z2-978.151Z+48421.607

式中：Q为流量，m3/s；Z为下游水位，m。

3）水位库容曲线资料，已拟合方程为

V=0.07578Z2-18.3095Z+1133.454 (130≤Z≤144)

式中：Z为水库水位，m；V为库容，（m3/s）·月。

（2）绘制基本调度线。

1）推求各年供水期的平均出力，根据28年径流资料，按等流量调节计算法，计算各年供水期的平均出力，见表2-1（以1971年为例）。

2）选择设计代表年，将各年供水期的平均出力由大到小排列计算各年供水期的保证率，见表2-2，并选取与设计保证率85%相近似的1971年为保证出力的设计代表年，其保证出力N保=2553kW，其调节流量Q调=7.92m3/s。

3）选择典型年并修正其入库径流，选择与设计保证率P=85%供水期调节流量相近，而供水期起讫日期不同，年内径流分配不同的1963年、1968年、1959年、1964年、1978年共5年为典型年，并以设计代表年1971年供水期的调节流量为准进行修正，得出典型年各月入库流量。修正系数计算如下：

式中：为设计代表年1971年供水期的调节流量；Q典为典型年供水期的调节流量，其中1978年供水期修正后的入库径流见表2-3。

4）按月出力等于保证出力要求，分别对各典型年供水期求修正后的入库流量，自死水位130m开始，做逆时序等出力调节计算，得出水库水位过程线，其中1978年的过程见表2-4。

5）以类似方法计算各年蓄水期水位过程线，由于蓄水期的出力一般较供水期大，为了简便，本例用各年蓄水期的天然来水量作保证率计算，见表2-5。选择设计保证率P=85%的1972年为蓄水期的设计代表年，并且选择1964年、1980年、1965年、1959年、1963年共五年为蓄水期的典型年，经入库流量修正后，按各月出力等于保证出力的要求，自正常蓄水位144.0m开始，做逆时序等出力调节计算，求得各典型年供水期的水库水位过程线，其中1972年过程见表2-6。

6）绘制基本调度线。将以上计算所得各典型年供、蓄水期各时刻的水位，点绘于坐标图上，做出上、下包线如图2-8所示，加以修正，取消重复和局部不合理部分，得出水电站水库基本调度线如图2-9所示。

本例中供水期的下包线的修正方法采用图2-5（b）所示方法，将供水期和蓄水期合起来绘在一张图上时，4月与6、7月重复，根据资料分析，大多数年份供水期在4月结束，考虑到本电站为不完全年调节，将蓄水期向后平推一个月，即5月开始，便形成了以12个月为循环的年调节调度图，如图2-9所示。

四、多年调节水库的发电调度图

对于多年调节水电站，其水库调度图绘制的原则与年调节水库类似，但是考虑到多年调节水电站的调节周期长，人们所能获取的水文资料有限，在实际工作中，一般采用简化方法，只研究枯水年组的第一年和最后一年的情况。

图2-8 供水期、蓄水期上、下包线图

多年调节水库的发电库容较大，可看作由两部分组成：对径流进行年际调节的部分称为多年库容V多年；进行径流年内调节的部分称为年库容V年。多年库容是为了蓄存丰水年的余水量以补充枯水年组的不足水量，使枯水年组的各年都能得到正常供水。当水库的多年库容未蓄满时，不应加大供水，也即只有在多年库容蓄满后才可能加大供水，这与枯水年组的第一年的工作情况有关，假设该年年末多年库容保证蓄满，而且该年来水正好满足该年供水的需要，则对这一年份求出的水库蓄水过程点绘出的蓄水指示线即为上基本调度线。同样，当多年库容未放空之前不应限制供水，也即只有在多年库容放空后才能限制供水，这与枯水年组的最后一年的工作情况有关，假定该年年初多年库容已经放空，且该年来水正好满足该年供水的需要，则由此绘出的该年水库蓄水指示线即为下基本调度线。

图2-9 基本调度线图

多年调节水库加大、降低出力线的绘制与年调节水库类似，在此不再赘述。