第二節 水庫發電調度

修建水庫的意義在于調節天然徑流，它可以將大量的水積蓄在庫內，然后根據需要下泄庫存水量。水庫在積蓄了大量水體的同時也積蓄了大量的能量，為充分利用庫內的水能資源，將水庫的水通過水輪機組進行發電，不但可以控制下泄流量，還能將水能資源轉變為電力資源，提高綜合效益。水庫發電調度也是水利水電工程調度的一項重要內容。

一、水庫發電調度一般原則

（1）在設計水文條件下，應抓緊時間使水庫蓄滿，從而抬高水庫水位增加水能儲量，以保證水電站在整個調節期都能按保證運行方式工作，同時綜合考慮其他部門的用水要求。

（2）在比設計條件更有利的水文條件下，應當在確保水庫大壩及上下游防洪安全、保證水電站及其他綜合利用部門正常工作不被破壞的前提下，充分利用河川徑流和水庫調節能力，合理加大出力，減少棄水，使水電站工作更經濟。

（3）在比設計條件更不利的水文條件下，水電站及其他綜合利用部門正常工作的破壞是不可避免的，為減小由此破壞所帶來的損失，在保證必需用水的條件下，水電站應適當降低出力工作［12］。

一般在水庫來水不能準確預知的情況下，為了適應各種來水條件，提高經濟效益，常編制水庫發電調度圖，根據水庫發電調度圖進行調度。在水庫的規劃設計和運行調度中，廣泛使用時歷法和數理統計法來繪制水庫發電調度圖。

圖2-2 徑流日調節

1—用水流量；2—天然日平均流量；

3—庫水位變化過程線

二、發電調度類型

發電調度的類型一般可根據調節周期的長短來劃分。調節周期是指水庫發電庫容從庫空到蓄滿，再放空，這樣一個完整的蓄放過程所需的時間。一般可分為日調節、周調節、年調節和多年調節等多種類型。

1.日調節

除洪水季節外，河川徑流在一晝夜內的變化基本是均勻的，而用水部門的需水要求往往是不均勻的。水電站發電用水隨負荷的變化而改變，當用水小于河流來水時，就將多余水量蓄存在水庫內，供來水不足時使用。這種在一晝夜內將天然徑流按發電需要進行重新分配的調節，叫日調節，其調節周期為24h（圖2-2）。在洪水期，天然來水豐富，水電站總是以全部裝機容量投入運行，整日處于滿負荷運行，不必進行日調節。

2.周調節

在枯水季節，河川徑流在一周之內變化不大，但用水部門每天的用水需求不盡相同。

例如休假日負荷較小，發電用水也少，這時可把多余水量存入水庫，用于負荷較大之日。這種將天然徑流在一周內按需要進行分配的調節稱為周調節，其調節周期為一周（圖2-3）。進行周調節的水庫一般可同時進行日調節。

3.年調節

一年之內河川徑流變化很大，豐水期和枯水期水量相差懸殊。根據防洪和發電要求對天然徑流在一年內進行各月重新分配的調節，稱為年調節，其調節周期為一年。它的任務是按照用水部門的年內需水過程，將一年中豐水期多余水量儲存在水庫中，以提高枯水期的供水量。當水庫已經蓄滿而來水量仍大于用水量時，將發生棄水，根據調節程度可分為不完全年調節（季調節）和完全年調節。通常把僅能儲存豐水期部分多余水量的徑流調節，稱為不完全年調節；而能將年內全部來水量完全按用水要求重新分配而不發生棄水的徑流調節，稱為完全年調節（圖2-4）。顯然，完全年調節和不完全年調節的概念是相對的，它取決于庫容的大小和來水量的多少。例如對同一水庫而言，可能在一般年份能進行完全年調節，但遇豐水年就很可能發生棄水，只能進行不完全年調節。年調節水庫一般可同時進行周調節和日調節。

圖2-3 徑流周調節

1—用水流量；2—天然日平均流量；

3—庫水位變化過程線

圖2-4 徑流年調節

1—用水流量；2—天然來水流量；

3—庫水位變化過程線

4.多年調節

徑流多年調節的任務是利用水庫興利庫容將豐水年的多余水量儲存在水庫中，用以提高枯水年的供水量。這種把天然徑流在年際間進行重新分配的調節，稱為多年調節。這時，水庫的興利庫容往往需經過若干豐水年才能蓄滿，然后將儲存水量分配在若干個枯水年份里用掉，即調節周期為多年。一般多年調節水庫須儲存一個豐水年系列的多余水量，其庫容很大，調節能力很強，所以多年調節水庫也可同時進行年調節、周調節和日調節。

由于日調節、周調節型水庫容量小，調節周期短，不需考慮長期運行調度，可只按來水條件與發電需求控制水庫運行方式，蓄泄來水，故不需制定水庫調度圖。年調節和多年調節水庫容量大，調節周期長，對社會經濟影響大，有明顯的蓄水期、供水期之分，水庫控制運用方式對社會、經濟及環境等方面有重要的影響，故需制定科學合理的水庫調度圖，來指導水庫的運行調度，以充分利用水資源，促進社會經濟的快速安全發展。故下面以年調節為例，說明發電調度圖繪制的一般過程。

三、年調節水庫發電調度圖的繪制

（一）基本調度線的繪制

1.核定保證出力與保證出力圖

保證出力與保證出力圖是繪制水庫基本調度線的重要依據，在編制水庫調度方案時，必須進行核定。年調節水電站的保證出力N保，是指在相應于設計保證率的水文條件下，水電站在供水期所能提供的平均出力，是反映水電站在設計枯水年下的動力指標［13］。因為對年調節水電站水庫來說，供水期（一般在冬季）的天然來水最少，水電站所能提供的出力也最小，而一年內電力系統的最大用電負荷一般也在供水期，因此，水電站如果能在供水期滿足電力系統用電要求，即能夠使水電站正常工作不受破壞的話，那么在一年內的其他時期，水電站也可以滿足電力系統的用電要求。

通常，可采用設計枯水年法計算保證出力，先以實測徑流系列為依據選出設計枯水年，再對設計枯水年供水期按等流量進行徑流調節及水能計算，取該供水期的平均出力作為年調節水電站的保證出力，進而得到保證電量，具體步驟如下。

（1）收集某水庫T年的徑流資料，繪制其水文年平均流量頻率曲線并計算其多年平均流量：

式中：為多年年平均流量，m3/s；Qi為第i年的年平均流量，m3/s；T為徑流資料年數。

（2）收集數據，繪制該水庫水位（Z）與容積（V）特性曲線（Z-V曲線），繪制下游水位（Z下）與流量（Q）關系曲線（Z下-Q曲線）。

（3）根據已知的水電站設計保證率P設選擇設計枯水年，可近似按來水保證率選擇；根據設計保證率P設在年平均流量頻率曲線上，查得相應的年平均流量Qp；選擇年平均流量接近Qp，且年內分配具有代表性的年份為設計枯水典型年。為了使典型年平均流量Q枯符合設計保證率要求，需要對所選典型年的流量進行修正，為此，應將該年各月流量都乘以修正系數，便得到設計枯水年符合設計保證率的逐月流量。

（4）求供水期調節流量Q調。以興利庫容V興對所選出的設計枯水年進行等流量調節計算（即假設供水期每個月的發電流量相同），求得該年供水期調節流量Q調，即為水電站在保證出力時的引用流量。Q調可按式（2-2）試算求得

式中：Qi為供水期第i個月的來水平均流量，m3/s；為供水期水庫來水總量，（m3/s）·月；V興為水庫興利庫容，（m3/s）·月；n供為供水期月數。

（5）求保證出力和保證電量。從供水期的第一個月開始，對設計枯水年供水期逐月進行水能計算，求得供水期的保證出力和保證電量：

式中：N保為水電站保證出力，kW；A為水電站出力系數，大中型水電站A=8.0～8.5，中小型水電站A=6.5～8.0；H供為供水期發電的平均水頭，m；Q調同上。

于是，保證電量E保（一個月近似按730h計）為

式中：E保為保證電量，kW·h；n供為供水期月數。

2.繪制水電站保證出力圖

保證出力圖是指滿足設計保證率要求的水電站在一年內逐月的平均出力圖，它反映著水電站的保證運行方式，其獲得一般有三種方式。

（1）通常根據N保（或E保）進行電力系統全年電力電量平衡確定。

（2）若缺乏資料而無法進行電力電量平衡時，可以在水電站以往正常運行的資料中，選用一個偏枯年份的水電站負荷逐月分配作為典型負荷圖，然后，根據前面核定的保證出力進行修正，即以保證出力與該典型年負荷圖相應時期（即年調節水電站的供水期）平均負荷的比值，乘以典型年逐月平均負荷，則得保證出力圖。

（3）如果難以選出正常運行的負荷分配典型年時，也可使非汛期各月出力等于保證出力，汛期各月出力等于2～3倍保證出力，作為簡化的保證出力圖。

3.繪制基本調度線

首先選擇符合水電站設計保證率的不同年內分配的幾個典型年，并對之進行必要的修正，使它滿足兩個條件：一是典型年供水期的平均出力等于或接近保證出力；二是供水期的終止時刻與設計保證率范圍內多數年份一致［14］。然后均按保證出力圖自供水期末死水位開始，逆時序進行水能計算至供水期初，又接著算至蓄水期初回到死水位，得到各典型年水電站按保證出力圖工作所需的水庫蓄水指示線。最后取各典型年水庫蓄水指示線的上、下包絡線，并經過適當修正，即可得到上、下兩條基本調度線。

由于供水期末下基本調度線的末端點往往與上基本調度線的末端點不重合，所以當下一年汛期到來較遲時，可能引起正常工作的集中破壞，如圖2-5（a）中虛線所示。因此，需進行修正（圖2-5），即將下基本調度線水平移動至其末端點與上基本調度線末端點重合的位置［如圖2-5（a）中實線2所示］，或將下基本調度線的上端點與上基本調度線的下端點連接起來，如圖2-5（b）中實線2所示。

圖2-5 供水期基本調度線的修正

1—上基本調度線；2—修正后的下基本調度線

圖2-6 蓄水期基本調度線的修正

1—上基本調度線；2—修正后的下基本調度線

另外，在蓄水期初，下基本調度線始端點與上基本調度線始端點很接近，導致在蓄水期剛開始就要求水電站降低出力，這顯然不合理。此時，常將下調度線的起點h′向后移至洪水開始最遲的時刻h點，并做gh光滑曲線（圖2-6）。

水電站正常工作時的水庫水位應在上、下基本調度線之間。

（二）加大出力線的繪制

當年調節水庫在運行中遇到天然來水較豐富的情況時，在ti時刻水庫實際水位可能高于水庫上基本調度線，則水電站應加大出力以充分利用多蓄的水量。利用水庫多余水量來加大出力的方式一般有三種：①立即加大出力（圖2-7中①線），使多余水量很快用掉，盡快使水庫水位回落到上基本調度線上；該方式出力不均勻，由于短時間內出力突增，對系統中火電站的運行不利；②后期集中加大出力（圖2-7中②線）將多余水量保留到調節期末集中加大出力，這樣可使水電站在較長時期保持較高的發電水頭，增加發電量。但如果汛期提前到來，則有可能產生不應有的棄水；③均勻加大出力（圖2-7中③線）在以后的調節期內均勻加大出力，可使增加出力均勻，時間較長，對電力系統較有利，也能充分利用多余水量，是經常采用的一種增加出力方式。

圖2-7 加大出力和降低出力的調度方式

1—上基本調度線；2—下基本調度線

當確定了加大出力的方式后，即可以上基本調度線為出發點，利用分級列表法計算繪出加大出力線。具體步驟如下。

（1）根據上基本調度線和保證出力圖用列表計算法推求出相應各時段的發電用水量，由水量平衡公式推求水庫的來水過程，作為推求各加大出力線的計算典型年徑流過程。

（2）對以上推求的計算典型年徑流過程分別按不同等級的加大出力值，即取大于保證出力N保，但不超過機組所能發出的最大出力的若干個出力值，如1.2N保，1.5N保，1.8N保，…，Nmax，從供水期末上基本調度線相應的指示水位起，對整個調節年逆時序逐時段試算，直至蓄水期初水庫水位落至相應水位為止，求得相應各加大出力的各時段初的蓄水指示水位。

（3）將計算得到的各加大出力值對應各時段初的蓄水指示水位點繪于調度圖中，除去正常蓄水位及防洪限制水位以上的部分，即得到一組加大出力線，其中按最大出力工作的水庫指示線稱為最大出力線，也稱防棄水線。

（三）降低出力線的繪制

在水利工程的正常運行過程中，當遇到特枯年份時，天然來水量很小，而水電站仍按保證出力圖工作，經過一段時間后，水庫水位會落到下基本調度線以下，水量明顯不足，水電站正常工作將遭受破壞。與加大出力調度方式類似，此時為減小正常工作的破壞程度，水電站也有3種可以選擇的調度方式：①立即減少出力（圖2-7中④線），使水庫水位很快回蓄到下基本調度線，水電站破壞時間比較短；②繼續按保證出力圖工作，直至死水位，以后就按天然流量工作（圖2-7中⑤線）如果天然來水很少，將引起水電站正常工作的集中破壞；③均勻減少出力直至供水期結束（圖2-7中⑥線），這種方式使正常工作均勻破壞，破壞程度較小，時間較長，系統補充容量較容易，是比較常用的運行方式。確定了降低出力方式后，同樣也可以采用與計算加大出力線類似的分級列表法計算、繪制降低出力調度線，此時應以下基本調度線為出發點繪制。

將上述的水庫調度基本調度線、加大出力線、降低出力線繪于同一張圖上，即得到以發電為目的的水庫調度圖，根據該圖可以比較有效地指導水電站的發電調度運行。

【例2-1】 某年調節水電站水庫，其正常蓄水位為144m，相應庫容68.26（m3/s）·月，死水位為130m，相應庫容33.90（m3/s）·月，設計洪水位147.38m，校核洪水位149.36m，水電站設計保證率為85%，最大水頭為48m，裝置4臺2000kW水輪發電機機組。現要求繪制水電站水庫的基本調度線。

（1）水庫基本資料。

1）壩址徑流資料28年（1954—1981年）（略）。

2）壩址下游水位流量關系曲線資料，已擬合方程為

Q=4.94Z2-978.151Z+48421.607

式中：Q為流量，m3/s；Z為下游水位，m。

3）水位庫容曲線資料，已擬合方程為

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

式中：Z為水庫水位，m；V為庫容，（m3/s）·月。

（2）繪制基本調度線。

1）推求各年供水期的平均出力，根據28年徑流資料，按等流量調節計算法，計算各年供水期的平均出力，見表2-1（以1971年為例）。

2）選擇設計代表年，將各年供水期的平均出力由大到小排列計算各年供水期的保證率，見表2-2，并選取與設計保證率85%相近似的1971年為保證出力的設計代表年，其保證出力N保=2553kW，其調節流量Q調=7.92m3/s。

3）選擇典型年并修正其入庫徑流，選擇與設計保證率P=85%供水期調節流量相近，而供水期起訖日期不同，年內徑流分配不同的1963年、1968年、1959年、1964年、1978年共5年為典型年，并以設計代表年1971年供水期的調節流量為準進行修正，得出典型年各月入庫流量。修正系數計算如下：

式中：為設計代表年1971年供水期的調節流量；Q典為典型年供水期的調節流量，其中1978年供水期修正后的入庫徑流見表2-3。

4）按月出力等于保證出力要求，分別對各典型年供水期求修正后的入庫流量，自死水位130m開始，做逆時序等出力調節計算，得出水庫水位過程線，其中1978年的過程見表2-4。

5）以類似方法計算各年蓄水期水位過程線，由于蓄水期的出力一般較供水期大，為了簡便，本例用各年蓄水期的天然來水量作保證率計算，見表2-5。選擇設計保證率P=85%的1972年為蓄水期的設計代表年，并且選擇1964年、1980年、1965年、1959年、1963年共五年為蓄水期的典型年，經入庫流量修正后，按各月出力等于保證出力的要求，自正常蓄水位144.0m開始，做逆時序等出力調節計算，求得各典型年供水期的水庫水位過程線，其中1972年過程見表2-6。

6）繪制基本調度線。將以上計算所得各典型年供、蓄水期各時刻的水位，點繪于坐標圖上，做出上、下包線如圖2-8所示，加以修正，取消重復和局部不合理部分，得出水電站水庫基本調度線如圖2-9所示。

本例中供水期的下包線的修正方法采用圖2-5（b）所示方法，將供水期和蓄水期合起來繪在一張圖上時，4月與6、7月重復，根據資料分析，大多數年份供水期在4月結束，考慮到本電站為不完全年調節，將蓄水期向后平推一個月，即5月開始，便形成了以12個月為循環的年調節調度圖，如圖2-9所示。

四、多年調節水庫的發電調度圖

對于多年調節水電站，其水庫調度圖繪制的原則與年調節水庫類似，但是考慮到多年調節水電站的調節周期長，人們所能獲取的水文資料有限，在實際工作中，一般采用簡化方法，只研究枯水年組的第一年和最后一年的情況。

圖2-8 供水期、蓄水期上、下包線圖

多年調節水庫的發電庫容較大，可看作由兩部分組成：對徑流進行年際調節的部分稱為多年庫容V多年；進行徑流年內調節的部分稱為年庫容V年。多年庫容是為了蓄存豐水年的余水量以補充枯水年組的不足水量，使枯水年組的各年都能得到正常供水。當水庫的多年庫容未蓄滿時，不應加大供水，也即只有在多年庫容蓄滿后才可能加大供水，這與枯水年組的第一年的工作情況有關，假設該年年末多年庫容保證蓄滿，而且該年來水正好滿足該年供水的需要，則對這一年份求出的水庫蓄水過程點繪出的蓄水指示線即為上基本調度線。同樣，當多年庫容未放空之前不應限制供水，也即只有在多年庫容放空后才能限制供水，這與枯水年組的最后一年的工作情況有關，假定該年年初多年庫容已經放空，且該年來水正好滿足該年供水的需要，則由此繪出的該年水庫蓄水指示線即為下基本調度線。

圖2-9 基本調度線圖

多年調節水庫加大、降低出力線的繪制與年調節水庫類似，在此不再贅述。