1、水库实时入库流量的推算研究钟华昌（大唐岩滩水力发电厂，广西 岩滩 530811）摘 要：实时入库流量是水库调度重要参数，以往由于条件的限制，计算结果偏差较大，通过改进实时入库流量计算公式的使用方法，并运用线实时校正技术，使实时入库流量计算精度基本达到 95%左右，解决了实时入库流量计算结果不能直接利用这一难题。关键词： 入库流量 实时 计算 校正1 前 言实时入库流量计算是水库调度频繁而重要的工作，其准确与否将影响到水库的安全经济运行。由于受发电、泄流和库水位波动等因素的影响，实时入库流量的计算结果偏差较大，过程线也大多呈“锯齿”状剧烈波动，甚至出现负值，计算结果严重失真，需要进行人工校正后才
2、能加以利用。近年来随着水情自动测报系统普及，许多水电厂实现了电脑化水务管理，但是，实时入库流量的推求还是原来手工作业的“ 翻版” ，这种“硬拷贝”式的处理使计算精度并未得到实质性的提高，这种计算结果同样不能直接利用，制约了水库实时优化调度等水库调度功能的实现，以及其他实用功能的开发。2 实时入库流量在水库调度中的作用实时入库流量是指导水库运行最直接、最有效的指标之一。水库实时优化调度、实时洪水调度以及实时洪水预报等都需要准确的实时入库流量作为支持，特别是在水库调度自动化程度日益提高的今天，实时入库流量计算精度偏低，不但限制了一些水调自动化功能的实用性，也影响电网端对电厂实时水情的采集和使用。可
3、以说，实时入库流量的准确推求，不但能够促进水库的安全经济运行，还能够促进电网的优化调度，有利于实现水资源的优化配置，促进国民经济可持续发展。3 入库流量的特性实时入库流量是河川径流的一种特殊状态，它的发生、发展有其特定的规律，并表现出其相应的独特个性，主要有： （1） 时变性：受自然或人为因素的影响，实时入库流量随时间而不断改变。（2） 连续性：其变化总是连续不断的，并遵循质量守恒定律。（3） 非线性和非恒定性：与自然河道水流一样，入库流量的变化不是均匀的、线性的。（4） 不重复性：虽然河川径流有其本身的周期性，但不会重复同样的变化轨迹。（5） 非模型化：实时入库流量的推求不能象对待水文预报那
4、样，可建立起计算模型来进行模拟。（6） 不可测量性： 与河道断面流量的可测量性不同，入库流量只能在发生过后，利用公式进行反推才能得出“实际”值。4 入库流量常用的推算方法4.1 水量平衡法即利用坝前的水位库容关系曲线及出库流量等资料，由实测出库水量（水量）和水库蓄水变化量，按水量平衡的方法反推入库流量。4.2 马斯京根法根据上断面的入流过程，通过逐时段求解河段的水量平衡方程和蓄泄方程，计算出下断面的出流过程。4.3 退水曲线法根据流域退水规律，绘制退水曲线或推导退水计算公式，然后通过曲线查取或公式计算某时刻的入库流量。4.4 相关分析法利用上游干支流测站和本站的实测流量资料，经过相关分析后总结
5、成公式或绘制成曲线，就可根据上游测站某一时刻的流量，查取或计算经过传播时间后的入库流量。由于水量平衡法的物理意义较为明显，易于理解和计算，求解时既不需要事先绘制图表，也不需要掌握高深的理论或经过严密数学的推导，而且计算所需资料简单、易于收集，计算结果经人工校正后基本能够满足生产实践的要求，因此在水库调度的实践中被广泛使用。5 实时入库流量计算误差分析影响实时入库流量误差的因素较多，虽然水量平衡法根据质量守恒定律推导而来，也抓住了流量连续性等主要规律，因而能获得一定的精度。但由于计算工具的落后，在实际操作中被做了极大的简化，同时、计算公式本身也没有充分考虑到各相关参数的时变特性，以致产生较大误差
6、。5.1 流量变动及公式简化使用的影响由于影响流域产汇流的因素众多，而这些因素的时变性较强，入库流量不可能成为恒定流或呈线性变化，加上一些人为因素的影响，使水库出入库流量时刻处在变动之中，然而，对这种随机变化的现象，往往被过于简单地处理为：(Q1Q 2) t2(q 1q 2) t2 = V2V 1式中只抓住了参数变量在时段初、末两个瞬间的状态，并以此来简单地推求其平均值，代替整个时段的变化过程，这是误差产生原因之一。5.2 水位波动的影响因发电负荷调整、泄洪闸门启闭和其他人为活动（如航运等）的干扰，水位的变化不可能是平稳的，在计算时刻所采集到的水位大多不能够代表此刻的真实值，而计算时未对这些水
7、位值加以任何处理，就直接代入公式，这是误差来源之二。5.3 负荷及闸门泄流变化的影响电力系统负荷时刻都要维持一种动态平衡，因而水电厂的负荷也要不断调整，负荷的变动必然会引起发电流量的变动，而且这种变动是随机的。同时闸门启闭引起的泄流量变化也与此相同，因而时段初、末瞬时出库流量的算术平均值，就不能代表整个时段平均出库流量，这是误差来源之三。5.4 库容曲线的影响由于引用资料、测量手段和精度等因素的影响，库容曲线本身就存在一定的误差，加上水库蓄水后的淤积，如不及时修正，这些误差将会积累和传递。5.5 时段长短的影响时段t 的长短对各变量的影响是不同的，负荷变化较为频繁，计算时段宜短些，水位有跳变或
8、波动现象，计算时段则应长些，如取统一的时段长度，容易顾此失彼，产生误差。5.6 动库容的影响在洪水发生时在水库尾部会形成一个契形动库容，水量平衡计算是根据坝前水位计算库容变化的，所以无法考虑动库容的影响，这也是误差产生的原因。6 对水量平衡法使用的改进在以往的生产实践中，水量平衡法的计算结果虽未取得令人满意的程度，但这并不表明是计算方法和公式原理方面的不合理，而是使用方法不够正确以及原始资料的采样误差等因素造成的。因此建议在使用水量平衡法进行实时入库流量计算时，根据以上的误差分析，还应作以下几点改进：6.1 发电流量计算鉴于发电出力总是在不断调整之中，在计算发电流量时，可根据负荷的实际变动情况
9、，把计算时段t 缩短到接近线性变化的状态，然后再加权计算到正点时刻，作为时段的平均值。6.2 闸门泄流量计算闸门启闭后会发生出库流量突变的现象，因此只需在闸门启闭后的一段时间内（比如1h） ，缩短计算时段t 并连续加权算到正点时刻作为时段平均值，其他时间可按需要随时进行计算。6.3 库容变化量计算要弱化库水位变动对库容变化量计算的影响，可做以下两点处理：计算时段t 长不应与发电或泄流一致，该时段长的设定既要弱化水位波动影响，又要体现入库流量的实时性；其次要均化处理计算时刻的瞬时库水位，使其更能够代表此刻的真实水位值。6.4 连续演算的时段长度计算发电流量、闸门流量时，计算时段要缩短，计算库容变
10、化量时，又要求计算时段要延长，但最终都要统一到相同长度的时段t 来进行计算，才能符合水量平衡公式的要求，并为下一步实时校正提供实时参数，这一时段长以时钟正点分界为宜。6.5 不忽略其他影响因素动库容、水库淤积等影响，可视当时水库调节的具体情况，计算时适当增减于出入库流量中，这样可以弱化这些因素的影响。7 入库流量的实时校正利用上述改进方法进行计算的结果，可以较大幅度地提高计算精度，但一定范围的波动还会存在，需要进行实时校正。7.1 实时在线校正应具备的条件实时入库流量计算所需要的资料，包括实时出库水量(流量) 和实时库容。因而要进行实时入库流量的在线校正，应配备水位和机组出力的采集装置，实时地
11、采集水位和机组出力等数据，然后传送给数据处理中心计算机进行存储、计算和校正。7.2 实时校正模型或方法可以进行实时校正的方法不少，经实践证明，对实时入库流量的校正，利用最小二乘法可以得到较为满意的效果。由于最小二乘法原用于实时洪水预报，因此在用于实时入库流量校正时，还应作了如下处理或调整。7.2.1 利用递推算法实现连续校正每次取得新的水量平衡计算结果后，利用新的计算结果参与修正，从而递推地估算新的修正值，随着新的计算结果逐次加入，一步一步地进行修正，从而实现参数的连续校正。7.2.2 通过衰减记忆递推法体现适应模拟对象的时变性实时入库流量具有时变特性，最新的数据较之老的数据更能反映对象的现时
12、动态特性，因此在递推算中，应通过人为地给数据加权，将过时的数据逐渐“遗忘“掉，而突出当前数据的作用。7.2.3 试错法预设初值利用衰减记忆递推最小二乘法进行实时校正时，首先必须确定遗忘因子和矩阵初值，由于进行矩阵运算较为复杂，正确推求计算结果实属不易，因此可以假定预设初值，选取拟合程度最好的一组。同时也建议人为地设定几个时段的入库流量初值，这样可迅速获得满意的校正结果。7.2.4 选定合理矩阵维数入库流量的时变性很强，随着数据的“老化”它对现时状态的影响力迅速降低，因此参数的维数越大，对提高精度不但没有帮助，反而可能降低，但对计算机资源的消耗则是成倍增长，建议选择 34 维即可。7.2.5 假
13、定模拟对象为线性时变系统大多情况下水库入库流量的变化是连续的、单向的，因而在短时（几个小时）内的变化，可认为（或假设）是线性的。7.2.6 时段转换预报作业是计算变量的未来状态，水量平衡计算是估计变量的当前状况，因此要进行实时入库流量的校正，还要进行校正模型的时段的转换，使预见期无限缩短，如以 3 元自回归方程为例，即把Q(t+1)= 1Q(t)+ 2Q(t-1)+ 3Q(t-2) （1）转变为：Q(t)= 1Q(t)+ 2Q(t-1)+ 3Q(t-2) （2）式中： t为时刻 Q(t)为 t 时刻计算值（加减 1 为前一或后一时段参数）=（ 1 、 2、 3）为模型参数式（1）是预报的校正模
14、型，式（2）则转换后的实时入库流量的校正模型，通过这样的转换，就可在入库流量实时校正中加以应用。8 改进实时入库流量计算的实践岩滩水电厂水情自动测报系统于 1996 年建成运行，该系统可以进行出入库流量推算，当时也是利用水量平衡公式计算实时入库流量，受软硬件条件的限制，公式的使用方法未作任何改进，计算精度自然未得到实质性的提高。2000 年后随着该系统的升级改造和自动化水平的逐步提高，我们开探索改进水量平衡计算公式的使用：8.1 自动计算首先进行了水量平衡“自动计算”的尝试，并取得了满意的效果。即在不需人为干预的情况下，使计算机根据设定的时间自行完成入库流量的计算。8.2 连续计算自动计算的实
15、现，减轻了水务计算的劳动强度，为了更好地掌握实时入库流量的情况，我们以 1 小时为时段长度，进行连续计算。8.3 计算方法的改进针对以上分析引起误差的主要因素，把发电用水量、闸门弃水量的计算误差和水位波动的影响逐项减小和弱化，达到了预期的目的。8.4 引入校正为了进一步消除计算入库流量的“锯齿状” ，先后尝试了多种在水文预报上常用的校正方法，最后利用实时入库流量具有一定的时变性和短期内线性变化的特点，建立了自回归校正模型，利用最小二乘法进行在线的实时校正，经校正后“ 锯齿状”的入库流量过程线现象基本消除（见图一 至 图四） ，日平均入库流量的计算精度绝大部分达到 90%以上（见表 1） 。常规
16、方法与改进方法计算入库流量过程线的对照图常 规 方 法 计 算 入 库 流 量 过 程 线150016001700180019002000210022002300240025000 10 202003年 6月 5日改 进 方 法 计 算 入 库 流 量 过 程 线1500170019002100230025000 5 10 15 202003年 6月 5日图 1 图 29 存在问题9.1 出库流量突变影响还不能完全消除因电网调度的需要，有时要进行较大幅度地控制闸门出流，闸门启闭前后，出库流量突变量级达到 1000m3/s 以上的还为数不少，出库流量的剧烈变动，必然会在一定程度上影响到反推的入库
17、流量。9.2 入库洪峰出现时刻略有偏后及涨退水段误差偏大因采用自回归的校正模型，因此必然会在一定程度上受到前些时段计算结果的影响，使洪峰出现时刻略显偏迟，同时每场洪水的涨退率都不可能一致，从而造成校正结果在涨、退水段容易出现一些偏差。9.3 线性变化的假设不尽合理不同时期入库流量涨退率也不同，其线性变化的斜率就会有所差别，再者，有涨水段转为平水段或由平水段转为退水段时，两个“拐点”前后也难以用线性来加以描述。10 结 语从在改进后的实际应用情况看，水量平衡方法仍然是实时入库流量计算的一种有效方法，只要对使用方法进行改进，计算精度就可以提高，只要对计算结果进行适当的校正，入库流量过程的“锯齿状”就可以大大削弱，计算可以是连续的自动的，计算精度完全达到开展水库实时优化调度的要求，并可以作为“真实”值，实时传输到电网端水调中心，从而提高电网实时优化调度的实效。该方法曾用于对大化水库的入库流量进行验算，效果同样明显，希望能够在其他水库得以验证和应用。参考文献：1雒文生，宋星原 洪水预报和调度 M 武汉：湖北科技出版社 200052河海大学水文学原理 M 南京：河海大学出版社 199863陈宁珍水库运行调度 M 北京：水利电力出版社 199310
