關(guān)鍵水位控制技術(shù)在瀾滄江中下游梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用

郭有安，王昱倩

(華能瀾滄江水電股份有限公司集控中心，云南昆明650214)

1 工程概況

瀾滄江流域中下游河段的規(guī)劃開(kāi)發(fā)提出了以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉、航運(yùn)等綜合利用的開(kāi)發(fā)方針和以小灣、糯扎渡兩個(gè)巨型水電站為核心的“兩庫(kù)八級(jí)”開(kāi)發(fā)方案。8個(gè)梯級(jí)電站中自上而下功果橋、小灣、漫灣、糯扎渡、景洪5個(gè)水電站已全部投產(chǎn)。小灣電站是瀾滄江下游“兩庫(kù)八級(jí)”中的第二級(jí)，水庫(kù)具有不完全多年調(diào)節(jié)性能，裝機(jī)420萬(wàn)kW，于2010年建成投產(chǎn)。糯扎渡電站位于瀾滄江下游“兩庫(kù)八級(jí)”的第五級(jí)，水庫(kù)具有多年調(diào)節(jié)性能，裝機(jī)585萬(wàn)kW，于2013年完全建成投產(chǎn)。

小灣、糯扎渡是瀾滄江流域的龍頭水庫(kù)，是“西電東送”工程的主要電源點(diǎn)。兩庫(kù)的運(yùn)行方式對(duì)瀾滄江中下游梯級(jí)有著決定性的影響，對(duì)整個(gè)云南電網(wǎng)的運(yùn)行均有舉足輕重的影響。

2 問(wèn)題的提出

長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)瀾滄江梯級(jí)的運(yùn)行方式進(jìn)行了諸多的研究，根據(jù)水庫(kù)調(diào)節(jié)性能的不同，瀾滄江中下游梯級(jí)可簡(jiǎn)化為小灣-糯扎渡兩庫(kù)模式。傳統(tǒng)方法對(duì)于兩庫(kù)調(diào)度規(guī)則的制定通常是以月為時(shí)段，將水庫(kù)水位或庫(kù)容作為狀態(tài)變量，通過(guò)對(duì)各狀態(tài)變量的優(yōu)化計(jì)算，得出相對(duì)精細(xì)化的調(diào)度規(guī)則，用于指導(dǎo)電站發(fā)電運(yùn)行。然而傳統(tǒng)方法具有一定的局限性，過(guò)度精細(xì)化的計(jì)算使得結(jié)果往往容易受到來(lái)水、電力電量需求不確定性不確性的影響，同時(shí)實(shí)際情況需要考慮的因素和約束條件較多，而傳統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算中又難免會(huì)做各種簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化條件下的精細(xì)化最優(yōu)結(jié)果容易降低對(duì)其它約束和因素的滿足程度，導(dǎo)致實(shí)用性也有降低[1- 2]。

關(guān)鍵水位控制技術(shù)是指在一個(gè)調(diào)度期內(nèi)選擇幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)作為狀態(tài)變量，除關(guān)鍵狀態(tài)變量以外的其他狀態(tài)點(diǎn)根據(jù)確定性的調(diào)度原則進(jìn)行自動(dòng)填充，形成完整的狀態(tài)序列。對(duì)年調(diào)節(jié)以上水庫(kù)來(lái)說(shuō)，選擇年初、汛前、汛末、年末水位作為關(guān)鍵水位，對(duì)上述4個(gè)關(guān)鍵水位狀態(tài)變量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，結(jié)合目標(biāo)函數(shù)，選擇優(yōu)化的關(guān)鍵水位控制過(guò)程。

3 關(guān)鍵水位控制技術(shù)原理

3.1 汛前消落水位確定

根據(jù)以往的研究成果，小灣、糯扎渡汛前水位消落經(jīng)驗(yàn)公式[3- 4]分別為

Hi+1=-0.006 9Qi-4+0.003 3Qi-3+0.004 8

Qi-2+0.04Qi-1-0.023Qi+0.067Hi+1 070

(1)

Hi+1=-0.01Qi-4-0.001 3Qi-3+0.005 9

Qi-2+0.003 9Qi-1-0.006 2Qi+0.001 2Hi+778

(2)

式中，Hi+1為汛前消落水位；Qi-1、Qi-2、Qi-3、Qi-4分別為前4年來(lái)水流量；Hi為供水期初水位，即前一年10月末水位；Qi為當(dāng)年來(lái)水。

3.2 關(guān)鍵水位控制優(yōu)化計(jì)算

分別針對(duì)瀾滄江流域豐、平、枯不同來(lái)水，適當(dāng)考慮梯級(jí)發(fā)電量最大和梯級(jí)汛枯比最小作為目標(biāo)函數(shù)，采用關(guān)鍵水位控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。除功果橋汛期控制在排沙限制水位附近運(yùn)行外，其余均全年維持在正常蓄水位運(yùn)行。

3.2.1 目標(biāo)函數(shù)

(3)

(4)

S*=min(s)

(5)

式(3)表示在一個(gè)計(jì)算周期內(nèi)梯級(jí)發(fā)電量最大，式中，E*為梯級(jí)電量；式(4)表示在一個(gè)計(jì)算周期內(nèi)梯級(jí)棄水量最小，Vq為梯級(jí)棄水量；式(5)表示在一個(gè)計(jì)算周期內(nèi)梯級(jí)汛枯比最小，S*為梯級(jí)汛枯比。

3.2.2 約束條件

水位約束

(6)

式中，電站m在任意t時(shí)段水位Zm,t不越其上下限。

出力約束

(7)

式中，電站m在任意t時(shí)段水位pm,t不越其上下限。

流量約束

(8)

Qqm,t=qm,t+Vqm,t

(9)

式中，電站m在任意t時(shí)段發(fā)電流量qm,t不越其上下限;Qqm,t為總出庫(kù)流量；Vqm,t為棄水流量。

水量平衡約束

Vm,t+1=Vm,t+(Qm,t-qm,t-Vdm,t)Δt

(10)

式中，Vm,t和Vm,t+1分別為t時(shí)段的初末水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)容；Qm,t為電站的入庫(kù)流量[6- 8]。

3.2.3 求解

本文所述水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題涉及多個(gè)目標(biāo)函數(shù)及約束條件，各個(gè)目標(biāo)函數(shù)具有不同的量綱和意義，甚至具有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的本質(zhì)是希望找到一組滿足約束條件的決策向量，使目標(biāo)函數(shù)在某一區(qū)域內(nèi)極大或極小，而使目標(biāo)函數(shù)同時(shí)達(dá)到極大或極小的可能并不存在。由于極大極小可以互相轉(zhuǎn)化，以極小化多目標(biāo)問(wèn)題為例，設(shè)fm(X)為目標(biāo)函數(shù),xi、xj為任意兩個(gè)決策向量，對(duì)于m∈{1,2,…M}有fm(xi)≤fm(xj),且至少存在一個(gè)l∈{1,2,…P}使得fl(xi)≤fl(xj),則xi支配xj；當(dāng)且僅當(dāng)l∈{1,2,…P}，使fl(xi)>fl(xj),同時(shí)p∈{1,2,…P}，使fp(xi)>fp(xj), 則xi、xj互不支配；如果在X∈{x1,x2,…xn}區(qū)域內(nèi)不存在任何x支配xi；稱(chēng)xi為Pareto最優(yōu)解，即非劣最優(yōu)解。對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題來(lái)說(shuō)，存在多個(gè)Pareto最優(yōu)解，在實(shí)際問(wèn)題中結(jié)合實(shí)際需要及經(jīng)驗(yàn)，從多目標(biāo)問(wèn)題的Pareto解集中選擇合適的解作為問(wèn)題最優(yōu)解。通過(guò)NSGA-2方法得出瀾滄江梯級(jí)調(diào)度規(guī)則的Pareto解集，NSGA-2是NSGA算法的改進(jìn)版本，降低計(jì)算復(fù)雜度；擴(kuò)大采樣空間，將父代種群與其產(chǎn)生的子代種群結(jié)合，保持優(yōu)良種群個(gè)體在進(jìn)化過(guò)程中不被丟棄；采用擁擠度和擁擠度比較算子，并將其作為種群中個(gè)體間的比較標(biāo)準(zhǔn)，保證種群多樣性。

為得出合理的梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度規(guī)則，本文分別選取小灣、糯扎渡水電站年初、汛前、汛末、年末作為關(guān)鍵狀態(tài)變量，供水期考慮保證出力耦合約束，確保電站出力滿足設(shè)計(jì)保證率；蓄水期考慮電網(wǎng)調(diào)度原則，按平均負(fù)荷率進(jìn)行控制計(jì)算，確保水庫(kù)蓄水過(guò)程貼近發(fā)電運(yùn)行實(shí)際，從而制定年度運(yùn)行規(guī)則的滿意解集。結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選取滿意解集的第三位作為優(yōu)化解，即得出小灣、糯扎渡兩庫(kù)長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度策略，進(jìn)一步完善得出梯級(jí)長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度規(guī)則。

4 關(guān)鍵水位控制技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)小灣、糯扎渡前四年來(lái)水及當(dāng)年供水期初水位，按照流域來(lái)水分別為豐、平、枯3種情況，分別計(jì)算，約束條件設(shè)置如下。

(1)豐水年。小灣年平均入庫(kù)流量為1 410 m3/s，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，小灣汛前水位為1 166.00 m附近，糯扎渡汛前水位為765.28 m附近。

(2)平水年。小灣年平均入庫(kù)流量為1 210 m3/s，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，小灣汛前消落為1 169.41 m附近，糯扎渡汛前消落水位為766.80 m附近。

(3)枯水年。小灣年平均入庫(kù)流量為1 010 m3/s，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，小灣汛前消落為1 174.00 m附近，糯扎渡汛前消落水位為768.00 m附近。

5 結(jié)論及建議

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，為確保流域梯級(jí)發(fā)電量最大、棄水量最小及汛枯電量比適中目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，則需按不同來(lái)水條件選擇關(guān)鍵水位控制。

(1)若預(yù)測(cè)瀾滄江流域來(lái)水為豐水年，則小灣、糯扎渡汛前分別消落至1 166～1 170 m、765～770 m，汛末分別蓄至正常蓄水位1 240、812 m；

(2)若預(yù)測(cè)瀾滄江流域來(lái)水為平水年，則小灣、糯扎渡汛前分別消落至1 170～1 175 m、770～775 m，汛末分別蓄至1 240、812 m附近；

(3)若預(yù)測(cè)瀾滄江流域來(lái)水為枯水年，則小灣、糯扎渡汛前分別消落至1 175～1 180 m、775～780 m，汛末分別蓄至1 236、808 m附近。

(4)按照上述關(guān)鍵水位控制結(jié)果，可以較好地兼顧梯級(jí)發(fā)電量較大和梯級(jí)汛枯比較小的目標(biāo)。瀾滄江梯級(jí)其他調(diào)節(jié)性能較小的水庫(kù)，除功果橋汛期控制在排沙限制水位附近運(yùn)行外，其余均可全年維持在正常高水位附近運(yùn)行。

關(guān)鍵水位控制技術(shù)應(yīng)用于瀾滄江中下游梯級(jí)調(diào)度規(guī)則的制定，雖然能夠快速得出小灣、糯扎渡兩庫(kù)年初、汛前、汛末、年末的水位控制條件，但取得的結(jié)果可結(jié)合月、周、日來(lái)水過(guò)程和電站典型日負(fù)荷曲線對(duì)其進(jìn)行二次優(yōu)化，形成具體詳細(xì)的月、周、日調(diào)度曲線用于生產(chǎn)運(yùn)行。同時(shí)，關(guān)鍵水位計(jì)算過(guò)程中步長(zhǎng)的選取對(duì)于計(jì)算速度有一定的影響，選取不同精度的步長(zhǎng)可能會(huì)影響局部最優(yōu)結(jié)果。