旁多 直孔水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案研究

王 強，張繼軍

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021；2.水利部松遼水利委員會，吉林長春130021）

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，各方面對電力的需求量日益增加[1]。為充分發(fā)揮現(xiàn)有水利工程的發(fā)電效益，提高流域或區(qū)域整體的綜合調(diào)度水平，多個流域已經(jīng)或正在形成水庫群的整體開發(fā)利用格局。與傳統(tǒng)的單庫相比，水庫群的聯(lián)合運行要更為復(fù)雜，不僅僅是水庫數(shù)量上的增加、范圍的擴大，而且難點在于如何有效利用庫群間的水文差異和庫容差異，提高整體的發(fā)電效益[2]。因此，研究制定與優(yōu)化調(diào)度規(guī)則相適應(yīng)的水庫群聯(lián)合調(diào)度方案已經(jīng)成為各大流域的研究重點，對實現(xiàn)水能資源利用最大化具有重要的意義[3-7]。本文以西藏拉薩河流域內(nèi)的旁多、直孔水庫群作為研究對象，建立了水庫群聯(lián)合調(diào)度模型，并采用模擬-優(yōu)化相結(jié)合的方法對聯(lián)合調(diào)度模型進行求解，通過對比分析，制定了切合實際可操作的聯(lián)合調(diào)度方案，有效地提高了流域內(nèi)水庫群的整體效益。

1 研究對象

旁多、直孔水庫均位于拉薩河干流上，形成拉薩河干流中游河段水電梯級結(jié)構(gòu)。旁多水庫為拉薩河中游段水電梯級開發(fā)的龍頭水庫，總庫容12.30×108m3，電站裝機容量160 MW。旁多水庫工程任務(wù)是以灌溉、發(fā)電為主，兼顧防洪和供水，水庫具有年調(diào)節(jié)性能。直孔水庫位于旁多水庫下游，總庫容2.24×108m3，電站裝機容量100 MW，直孔水庫工程任務(wù)是以發(fā)電為主，兼顧灌溉和防洪，水庫具有年調(diào)節(jié)能力。

2 聯(lián)合調(diào)度模型的構(gòu)建與求解

將拉薩河流域內(nèi)的旁多、直孔水庫群作為研究對象，根據(jù)流域內(nèi)水庫群多年長系列徑流數(shù)據(jù)，綜合考慮流域內(nèi)的用水需求，以旬為計算時段，建立水庫群電力調(diào)度數(shù)學(xué)模型，以充分發(fā)揮水庫群的聯(lián)合電力調(diào)節(jié)作用。

2.1 模型的構(gòu)建

2.1.1 目標函數(shù)

模型的目標函數(shù)描述：已知系統(tǒng)初始庫水位（庫容）和入庫徑流過程，在滿足壩址上游綜合用水、發(fā)電保證率等各種約束條件下，使水庫群系統(tǒng)在調(diào)度運行期內(nèi)總發(fā)電量最大。模型目標函數(shù)，見式（1）。

式中：E為旁多、直孔水庫群系統(tǒng)調(diào)度運行期內(nèi)的總發(fā)電量，kW·h；N1，N2分別表示旁多、直孔電站的發(fā)電出力，MW；T為時段總數(shù)；A′，A″分別表示旁多、直孔電站出力系數(shù)，其中旁多出力系數(shù)為8.5，直孔出力系數(shù)為8.3；分別表示旁多、直孔電站在時段的發(fā)電流量，m3/s；分別表示旁多、直孔電站在時段的凈水頭，m，為上下游水位之差減去水頭損失。

2.1.2 約束條件

2）水庫蓄水量約束

蓄水下限，對應(yīng)各水庫的死庫容，m3；t

分別表示旁多、直孔水庫時段蓄水上限，在汛期為水庫汛限水位對應(yīng)的庫容，m3，在非汛期為水庫正常蓄水位對應(yīng)的庫容，m3。

3）水輪機過水流量約束

4）水電站出力約束

5）上下游水庫關(guān)聯(lián)方程：

由于旁多水庫和直孔水庫為串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，故需要考慮2座水庫之間的水力聯(lián)系，如式（13）所示：

式中：QJt表示時段旁多水庫與直孔水庫之間的區(qū)間流量，m3/s。

6）水庫水位約束

2.2 模型求解

構(gòu)建水庫群聯(lián)合電力調(diào)度模型，應(yīng)用模擬和優(yōu)化相結(jié)合的方法對模型進行求解，在求解過程中，以各水庫電力調(diào)度圖中調(diào)度線上的關(guān)鍵控制點作為決策變量，求解水庫發(fā)電調(diào)度問題的基本流程如圖1所示。首先，給定模型的輸入信息，模擬模型根據(jù)水庫的水量平衡方程以及初始決策變量對水庫進行興利調(diào)節(jié)計算；然后，優(yōu)化模型采用遺傳算法，通過遺傳進化操作（選擇、交叉和變異）產(chǎn)生一組新的決策變量，并將這些變量輸入到模擬模型中，以便獲得水庫最優(yōu)的性能指標（適應(yīng)度值）；最后，模擬模型得到的水庫性能指標反饋到優(yōu)化模型中，當(dāng)水庫性能指標發(fā)生變化時，優(yōu)化模型重新調(diào)整決策變量。這種模擬-優(yōu)化迭代循環(huán)直到系統(tǒng)性能滿足模型收斂條件為止，并得到最優(yōu)的或者滿意的調(diào)度，見圖1。

3 水庫群聯(lián)合調(diào)度方案

旁多水庫正常蓄水位4 095 m，死水位4 066 m，汛限水位4 093.5 m；直孔水庫正常蓄水位3 888 m，死水位3 878 m，汛限水位3 885 m。此次研究在考慮了上、下游補償調(diào)節(jié)作用后，分別編制出了旁多水庫、直孔水庫各自運行的電力調(diào)度圖，以滿足實際運行中調(diào)度可操作性需要。

圖1 模型求解基本流程圖

為滿足電站在運行中能按相應(yīng)設(shè)計的方式運行，故電站在該區(qū)內(nèi)的平均出力應(yīng)按保證出力即旁多32 MW、直孔21.35 MW運行。當(dāng)水庫水位位于保證出力區(qū)調(diào)度線以上時，即轉(zhuǎn)入加大出力運行范圍；在枯水時段，為了保證電站在死水位以上運行，水庫轉(zhuǎn)入降低出力運行范圍。

為實現(xiàn)上述要求，在編制旁多、直孔水庫群聯(lián)合電力調(diào)度圖時采用同倍比加大或降低的方法，并利用1956—2002年共47年旬徑流系列對水庫群聯(lián)合調(diào)度模型進行優(yōu)化求解，編制幾種不同加大、降低出力運行范圍的水庫群聯(lián)合電力調(diào)度方案。對應(yīng)每個旁多調(diào)度方案、直孔水庫各方案設(shè)置的基本情況見表1。

表1 兩座水庫運行調(diào)度圖方案表

將旁多水庫與直孔水庫的3個調(diào)度方案進行組合，形成9個水庫群聯(lián)合調(diào)度方案，并對聯(lián)合調(diào)度方案中2座水庫的調(diào)度圖進行優(yōu)化，形成最終的聯(lián)合調(diào)度圖。

4 聯(lián)合調(diào)度結(jié)果及分析

采用拉薩河流域旁多和直孔2座水庫1956—2002年共47年的實測徑流資料作為模型的輸入數(shù)據(jù)，以旬為計算時段，對水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型進行長系列優(yōu)化調(diào)節(jié)計算，得到指導(dǎo)水庫群實施調(diào)度運行的聯(lián)合調(diào)度方案。對比分析不同聯(lián)合方案下的水庫群優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，選擇較為合理可行的聯(lián)合調(diào)度方案，最大程度地發(fā)揮水庫群聯(lián)合調(diào)度效益。為驗證聯(lián)合調(diào)度方案的合理性及有效性，表2給出了不同調(diào)度方案下水庫群聯(lián)合調(diào)度結(jié)果，以及現(xiàn)行的水庫單庫調(diào)度結(jié)果。

表2 不同調(diào)度方案多年平均發(fā)電量計算成果對比 108kW·h

從表2中可以看到，與原設(shè)計方案（水庫群聯(lián)調(diào)前）結(jié)果相比，各聯(lián)合調(diào)度方案旁多和直孔兩座水庫年均發(fā)電量都有顯著提高。主要原因在于原設(shè)計方案中，旁多、直孔2座水庫均按各自的調(diào)度原則進行單庫調(diào)度，并且直孔水庫并未編制調(diào)度圖，采用聯(lián)合調(diào)度方案后，旁多水庫調(diào)度圖在原方案的基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化，同時制定了直孔水庫優(yōu)化調(diào)度圖。對比各聯(lián)合調(diào)度方案，當(dāng)旁多采用方案二中的規(guī)則形式（聯(lián)合調(diào)度方案4、方案5和方案6）時，旁多年均發(fā)電量最大，為5.99×108kW·h，結(jié)果也說明了增加旁多水庫加大出力倍比系數(shù)，可以有效提高旁多水庫年均發(fā)電量。

綜上所述，當(dāng)旁多水庫采用方案二中的規(guī)則形式，直孔水庫采用方案一中的規(guī)則形式（聯(lián)合調(diào)度方案4）時，2庫合計發(fā)電量最大，為10.01×108kW·h，增加了4.49%，聯(lián)調(diào)結(jié)果優(yōu)于其他方案。聯(lián)合調(diào)度方案4中兩庫合計年均發(fā)電量較原設(shè)計方案增加約0.43×108kW·h。因此，聯(lián)合調(diào)度方案4水能利用率最高，調(diào)度方案最為合理。