抽水蓄能电站水能参数的快速确定方法与流程

本发明涉及抽水蓄能电站工程领域，尤其是一种基于抽发比、库容和挖填三个平衡条件下的抽水蓄能电站水能参数的快速确定方法。

背景技术：

1、随着抽水蓄能电站项目迎来大发展，是对效率、质量和数字化应用的挑战，传统的生产力与生产关系难以适应当前局面。当前，我国水电工程建设已基本形成机械化、信息化、数字化为主体的建设格局，随着云计算、大数据、物联网、人工智能等现代信息技术、数据技术与传感技术的快速发展，正朝着智能化方向迈进。我国抽水蓄能电站工程建设中，智能化设计技术正得到越来越广泛的应用。

2、目前，抽水蓄能电站相比较于传统水电站主要有以下特点：

3、（1）抽水蓄能电站的功能决定了必须同时具备上、下两个水库，且上、下水库通过一系列水能参数动态关联，同时与输水发电建筑物、机电设备的设计也密切相关；

4、（2）抽水蓄能电站的上、下库一般为中小型水库，库容需求不大；且上库多为在山顶洼地、河沟修建，天然库容较小，一般都需要开挖扩库，在增加库容的同时，开挖料还可用做坝体填筑料，可最大程度降低工程投资。

5、上述特点决定了上下库的设计工作相对于常规水电站，要复杂、困难得多。主要体现在：

6、（1）抽水蓄能电站的主要水能设计参数数量较多，且动态关联，一般情况下，需要同时满足抽发比限制条件、调节库容和挖填平衡等三个基本条件，才是最为经济合理的。但三个基本条件涉及电力规划、水文泥沙、地质、水工、施工等多个主要专业，专业配合协调难度极大；

7、（2）找到一组能够同时满足抽发比限制、调节库容需求、挖填基本平衡的水能参数，一般采用试算方法，试算工作量较大，且很难找到准确结果；

8、（3）抽水蓄能电站库坝址、坝线选择范围较大，一般情况下可选择库坝址、坝线、库形开挖方案的数量均较多，且主要的水能参数均需要经济技术比选后确定，每一次比较的组合方案的数量都是上、下库和库形的乘积，设计和计算工程量巨大，方案筛选十分困难。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题就是抽水蓄能电站设计的上述困难，提供一种基于抽发比、库容和挖填三个平衡条件下的抽水蓄能电站水能参数的快速确定方法。

2、本发明的抽水蓄能电站水能参数的快速确定方法，基于抽发比、库容和挖填量三个平衡条件，其特征在于该确定方法，包括以下步骤：

3、s1，根据选定的上库和下库的库址以及坝轴线的地形地质情况，依据设计工程师经验和抽水蓄能电站运行要求，确定坝体断面体型和库形开挖体型参数；

4、s2，设上库天然库容为 𝑢𝑅(𝑍 𝑢 )，下库的天然库容为 d𝑅(𝑍 d )，上库正常蓄水位记为 z u1，上库死水位记为 z u2，下库正常蓄水位记为 z d1，下库死水位记为 z d2，则 𝑢𝑅(𝑍 𝑢1 )为上库正常蓄水位对应的天然库容， 𝑢𝑅(𝑍 𝑢2 )为上库死水位对应的天然库容， d𝑅(𝑍 d1 )为下库正常蓄水位对应的天然库容， d𝑅(𝑍 d2 )为下库死水位对应的天然库容；

5、s3，设上库大坝填筑工程量为 𝑢𝐵𝑉(𝑍 𝑢1 +δ𝐻) ，下库大坝填筑工程量为 d𝐵𝑉 (𝑍 d1 +δ𝐻)，上库大坝侵占库容量为 𝑢𝑀𝑅(𝑍 𝑢2 ,𝑍 𝑢1 +δ𝐻），下库大坝侵占库容量为 d𝑀 𝑅(𝑍 d2 ,𝑍 d1 +δ𝐻）；

6、s4，设上库开挖工程量为 𝑢𝐸𝑉(𝑍 𝑢2 )，下库开挖工程量为 d𝐸𝑉(𝑍 d2 )，上库开挖扩库量为 𝑢𝐴𝑅(𝑍 𝑢1 ,𝑍 𝑢2 )，下库开挖扩库量为 d𝐴𝑅(𝑍 d1 ,𝑍 d2 )；

7、s5，上库和下库所需的的调节库容量相等，设调节库容量为 reqr(z u1 ，z u2 ，z d1 ，z d2 )；

8、s6，通过抽水蓄能电站抽发比限制条件、库容和挖填平衡条件，分别建立以下方程式：

9、方程1：抽发比限制条件：抽发比=允许值

10、；

11、式中， ℎ 𝑐为电站抽水时的水头损失， ℎ 𝑓为电站发电时的水头损失， μ为抽发比的允许值；

12、方程2：上库调节库容：上库兴利库容+上库开挖扩库量-上库大坝侵占库容量=调节库容

13、𝑢𝑅(𝑍𝑢1)−𝑢𝑅(𝑍𝑢2)+𝑢𝐴𝑅(𝑍𝑢1,𝑍𝑢2)−𝑢𝑀𝑅(𝑍𝑢2,𝑍𝑢1+δ𝐻）=𝑟𝑒𝑞𝑅(𝑍𝑢1,𝑍𝑢2,𝑍d1,𝑍d2)；

14、上库兴利库容为上库正常蓄水位与上库死水位之间的库容差值；

15、方程3：下库调节库容：下库兴利库容+下库开挖扩库量-下库大坝侵占库容量=调节库容

16、d𝑅(𝑍d1)−d𝑅(𝑍d2)+d𝐴𝑅(𝑍d1,𝑍d2)−d𝑀𝑅(𝑍d2,𝑍d1+δ𝐻）=𝑟𝑒𝑞𝑅(𝑍𝑢1,𝑍𝑢2,𝑍d1,𝑍d2)；

17、下库兴利库容为下库正常蓄水位与下库死水位之间的库容差值；

18、方程4：上库大坝填筑方量=上库有用料开挖量+上库洞挖填筑方量

19、𝑢𝐵𝑉(𝑍𝑢1+δ𝐻)×ξ𝑢=𝑢𝐸𝑉(𝑍𝑢2)×η𝑢+𝑢𝑇𝑉；

20、式中， 𝑢𝑇𝑉为上库洞挖填筑方量，ξ𝑢为上库坝体填筑压实系数，上库大坝填筑工程量与上库坝体填筑压实系数的乘积为上库大坝填筑方量， η 𝑢为上库有用料开挖量系数，上库开挖工程量与上库有用料开挖量系数的乘积为上库有用料开挖量，上库大坝填筑方量为自然方；

21、方程5：下库大坝填筑方量=下库有用料开挖量+下库洞挖填筑方量

22、d𝐵𝑉(𝑍d1+δ𝐻)×ξd=d𝐸𝑉(𝑍d2)×ηd+d𝑇𝑉；

23、式中， dtv为下库洞挖填筑方量，ζd为下库大坝填筑压实系数，下库大坝填筑工程量与下库坝体填筑压实系数的乘积为下库大坝填筑方量， η d为下库有用料开挖量系数，下库开挖工程量与下库有用料开挖量系数的乘积为下库有用料开挖量，下库大坝填筑方量为自然方；

24、s7，上述方程组，求解过程如下：

25、s7-1：根据大坝建设要求，设定上库正常蓄水位的初始值，根据坝顶高程、坝体形状以及地形参数，建立大坝填筑三维模型，得到上库大坝填筑方量；

26、s7-2：通过方程4和上库大坝填筑方量，求出上库死水位；

27、s7-3：根据设定得上库正常蓄水位初始值和上库死水位，通过方程2，得到上库的调节库容；

28、s7-4：根据设定的上库正常蓄水位初始值，s7-2得到的上库死水位，通过方程1得到下库正常蓄水位与下库死水位的关系式；

29、s7-5：根据s7-4得到的下库正常蓄水位和死水位关系式，结合方程5，求得下库正常蓄水位和死水位；

30、s7-6：带入s7-2至s7-5求得的上库死水位、下库正常蓄水位和下库死水位以及设定的上库正常蓄水位初始值，当数值满足方程3和方程4，则上库和下库特征水位即为所求；当不满足方程3和方程4，进入下一过程；

31、s7-7：当s7-6中不满足方程3和方程4，采用二分法，设定上库的正常蓄水位的第二个初始值，之后重复s7-1至s7-6，若依然不满足，则设定第三个上库正常蓄水位初始值，进行迭代计算，直至求得满足方程3和方程4的解；

32、s8，当方程组迭代不收敛，无解时，则可蓄能量超出，调整大坝体型参数和坝轴线，再按s7-1至s7-7步骤重新计算；

33、s9，根据求得的特征水位参数，进一步复核库坝设计、库容、抽发比以及满足方程4和方程5，既能同时确定抽水蓄能电站的动能参数、坝形参数、工程量参数以及方案可比投资的设计参数。

34、本发明的抽水蓄能电站水能参数的快速确定方法，通过设定合理的上库大坝蓄水初始值，即可通过方程组求得上下库主要的水能参数，随后即可分别进行上下库的库坝设计，后继的工作与常规设计方法完全相同；通过联立五元二次方程方程快速求解和验证参数的合理性，直接锁定最优解的思路和方法，通过建立多个参数之间的关联性，利用方程组迭代求解的方式，求得多个参数最优匹配方案，得到一组能够同时满足抽发比限制、调节库容需求、挖填基本平衡的水能参数，大大减轻了设计人员的设计计算工作量，解决了传统设计方法试算工作量巨大且无法追踪到最优解只能得到相对优解的痛难点。