水庫水電站非汛期優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用研究

李 凱

(河南省水利移民事務(wù)中心，河南 鄭州 450000）

0 引言

水庫水電站是重要的水電站布置形式，通過修建水庫，對天然徑流進(jìn)行時(shí)間的再分配，從而提高水電站對天然徑流的利用效率［1-2］。水庫水電站除承擔(dān)發(fā)電功能外，往往還承擔(dān)防洪、灌溉、供水、生態(tài)等多種動能，根據(jù)不同的功能要求，其調(diào)度模式和規(guī)則也有所不同［3-5］。本研究基于水庫水電站的優(yōu)化調(diào)度理論和調(diào)度模型，建立水庫水電站優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)［6］，對水庫水電站的各種工況進(jìn)行仿真優(yōu)化調(diào)度，為確定各種工況下的水庫水電站運(yùn)行提供科學(xué)合理的調(diào)度規(guī)則和調(diào)度模式。

1 水庫水電站優(yōu)化調(diào)度模型

1.1 調(diào)度模型

調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)見式（1）。

式中：E為調(diào)度期內(nèi)總發(fā)電量；k為電站的綜合出力系數(shù)；Qt為水電站在第t時(shí)段的發(fā)電流量；Ht為第t時(shí)段的電站平均發(fā)電凈水頭；Δt為調(diào)度劃分時(shí)段長；T為調(diào)度期內(nèi)調(diào)度劃分時(shí)段數(shù)。

1.2 約束條件

對于上述目標(biāo)函數(shù)的求解，需要構(gòu)建各約束條件如下。

①水量平衡約束見式（2）。

②水庫下泄流量約束見式（3）。

③非汛期、汛期庫水位約束見式（4）。

④水電站出力約束見式（5）。

⑤各部門用水量約束見式（6）。

⑥非負(fù)約束：上述所有變量均為非負(fù)變量。

以上式中：Vt-1為第t個(gè)時(shí)段初水庫庫容；Vt為第t個(gè)時(shí)段末水庫庫容；Qt為第t個(gè)時(shí)段的平均入庫流量；St為第t時(shí)段水庫的平均出庫流量；Qt,min為第t個(gè)時(shí)段應(yīng)保證的最小下泄流量；Qt,max為第t個(gè)時(shí)段的最大允許下泄流量；Zt為水庫第t個(gè)時(shí)段的平均水位；Z限為水庫死水位；Z限為水庫防洪限制水位；Z興為水庫正常蓄水位；Nmin為水電站的最小出力限制；Nmax為水電站的最大出力限制；Wt,g為水庫對各用水部門第t個(gè)時(shí)段內(nèi)的供水量；Wt,y為各用水部門第t個(gè)時(shí)段的實(shí)際用水量。

2 實(shí)例選擇

2.1 工程概況

選擇河南省陸渾水庫水電站作為實(shí)例驗(yàn)證電站的優(yōu)化調(diào)度，陸渾水庫位于河南省嵩縣境內(nèi)，是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電和供水等綜合功能的大（1）型水利樞紐工程。水庫興利水位319.50 m（正常高水位），汛限水位317.00 m，死水位298.00 m，興利庫容5.80 億m3，防洪庫容6.76 億m3，死庫容1.55 億m3。水庫設(shè)有輸水洞水電站和灌溉洞水電站，其中輸水洞電站裝機(jī)容量為4 200 kW（3×1 400 kW），灌溉洞水電站裝機(jī)容量為8 000 kW（800 kW+2×3 600 kW）。

2.2 調(diào)度規(guī)則

根據(jù)陸渾水庫水電站的運(yùn)行規(guī)則，一般可以分為汛期調(diào)度系統(tǒng)和非汛期調(diào)度系統(tǒng)，其中汛期調(diào)度系統(tǒng)主要以防洪調(diào)度為主，非汛期調(diào)度系統(tǒng)以水庫興利為主［7］。本項(xiàng)目主要研究陸渾水庫水電站的非汛期調(diào)度，其調(diào)度規(guī)則為：水庫運(yùn)行水位為死水位至興利水位；洛陽供水、生態(tài)用水的下泄經(jīng)過輸水洞水電站，且經(jīng)過輸水洞電站的水量不得小于洛陽市供水、生態(tài)用水之和；汝陽縣、鞏義市用水、工業(yè)用水及灌溉用水的下泄經(jīng)過灌溉洞水電站，且經(jīng)過灌溉洞電站的水量不得小于汝陽縣、鞏義市用水、工業(yè)用水及灌溉用水之和；灌溉洞無用水要求時(shí)，水庫用水優(yōu)先經(jīng)過輸水洞發(fā)電，滿足輸水洞用水要求的基礎(chǔ)上，滿發(fā)后的多余水量經(jīng)灌溉洞發(fā)電；灌溉洞有用水要求時(shí)，滿足灌溉洞用水的基礎(chǔ)上，水庫的多余泄水優(yōu)先經(jīng)過輸水洞發(fā)電，滿足輸水洞用水要求的基礎(chǔ)上，滿發(fā)后的多余水量經(jīng)灌溉洞發(fā)電。

3 優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)

根據(jù)陸渾水庫水電站的工程特性和調(diào)度規(guī)則，依據(jù)本文構(gòu)建的優(yōu)化調(diào)度模型和約束條件，開發(fā)完成陸渾水庫水電站優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)模塊及功能

陸渾水庫水電站優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)主要包括以下6個(gè)模塊：一是登錄模塊，輸入用戶名和密碼，正確則進(jìn)入主頁面，錯(cuò)誤則給出登錄失敗提示；二是電站信息模塊，用戶可對陸渾水庫基本信息、輸水洞水電站信息、灌溉洞水電站信息進(jìn)行查看；三是水庫調(diào)度模塊，對陸渾水庫下的輸水洞水電站和灌溉洞水電站進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度；四是數(shù)據(jù)庫管理模塊，用戶可對水庫參數(shù)進(jìn)行查看，對計(jì)算過程中用到的旬徑流和用水要求等參數(shù)進(jìn)行查看和修改，對水位庫容關(guān)系表進(jìn)行增刪查改，還可查看每旬的徑流曲線圖、水位庫容關(guān)系曲線圖、每旬的用水要求柱狀圖；五是日志管理模塊，用戶可對水庫日志和系統(tǒng)日志進(jìn)行查看，還可以導(dǎo)出日志，對日志進(jìn)行備份；六是系統(tǒng)設(shè)置模塊，此頁面可對一些系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改，如出力精度，時(shí)間精度等，用戶可重置密碼、查看軟件介紹等。

3.2 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

陸渾水庫水電站優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)主界面如圖1所示，包括電站信息、水庫調(diào)度、數(shù)據(jù)管理、日志管理、系統(tǒng)設(shè)置、退出系統(tǒng)等6 個(gè)功能模塊，點(diǎn)擊不同的按鈕可以進(jìn)入相應(yīng)的界面。

圖1 陸渾水庫水電站優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)主界面

4 水庫水電站仿真調(diào)度應(yīng)用

4.1 調(diào)度參數(shù)

依據(jù)開發(fā)形成的陸渾水庫水電站優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，進(jìn)行非汛期各運(yùn)行調(diào)度工況的仿真分析，選擇調(diào)度參數(shù)包括：陸渾水庫非汛期來流量、各旬的灌溉需求水量、水庫城鎮(zhèn)用水（包括洛陽供水、汝陽縣及鞏義市供水等）、生態(tài)用水、工業(yè)用水、灌溉用水的用水量等。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)工況調(diào)度

采用陸渾水庫水電站調(diào)度系統(tǒng)，以起調(diào)水位（11 月上旬）316 m、期末水位（汛期前，6 月下旬）313 m 為標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行調(diào)度，可以得到調(diào)度期內(nèi)的水庫調(diào)度線、各電站引用流量、各電站的出力及發(fā)電量等數(shù)據(jù)，具體如圖2、圖3 所示。用戶可根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果有效指導(dǎo)水庫水電站的運(yùn)行。

圖2 調(diào)度求解結(jié)果圖

圖3 調(diào)度求解數(shù)據(jù)表

4.3 期初和期末水位變化工況調(diào)度

由于水庫調(diào)度期初和期末水位都可能發(fā)生變化，針對不同的水位變化，只需要更改數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)數(shù)據(jù)即可。調(diào)度期末水位（313 m）不變，期初水位由312～318.5 m 變化的調(diào)度各工況；期初水位（316 m）不變，期末水位由310～314 m 變化的調(diào)度各工況。根據(jù)不同的調(diào)取期初和期末水位，優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)均能給出其最優(yōu)調(diào)度過程線以及各電站的出力和發(fā)電計(jì)劃。部分調(diào)度結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 不同期初水位下的水庫調(diào)度過程線

圖5 不同期末水位下的水庫調(diào)度云圖

由各工況的調(diào)度結(jié)果可知，期初水位越高，說明水庫儲存的水量越大，則水庫水電站的總發(fā)電量越大；相反，期末水位越高，說明水庫可用的水量越少，則水庫水電站的總發(fā)電量越小，調(diào)度結(jié)果與電站實(shí)際運(yùn)行工況吻合。

4.4 來水及用水變化工況調(diào)度

針對不同的來水及用水情況，本文提供的水庫水電站優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)均可以進(jìn)行自動優(yōu)化計(jì)算。計(jì)算來流在1 月上旬發(fā)生變化，模擬仿真1 月上旬4.11 m3/s、8.11 m3/s、12.11 m3/s、16.11 m3/s 四種工況；計(jì)算供水要求發(fā)生變化時(shí)，假定2 月上旬供水為0、2 m3/s、4 m3/s、6 m3/s 四種工況，水庫調(diào)度過程如圖6、圖7所示。

圖6 不同來水的水庫調(diào)度線

圖7 不同供水的水庫調(diào)度線

調(diào)度結(jié)果表明，來水增加，說明水庫水電站可用水量增加，電站的整體發(fā)電量上升；而供水增加，則在水庫整體用水量不變的情況下，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先滿足此時(shí)的供水要求，其調(diào)度會偏離原最優(yōu)調(diào)度過程線，電站的整體發(fā)電量下降，上述調(diào)度與電站的實(shí)際運(yùn)行調(diào)度結(jié)果吻合。

通過上述各工況的仿真調(diào)度可知，該水庫水電站優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)可以對各工況進(jìn)行合理調(diào)度，并形成相應(yīng)的調(diào)度規(guī)則，可以用于類似水電站的調(diào)度運(yùn)行。

5 結(jié)語

本研究通過建立水庫水電站優(yōu)化調(diào)度模型，并根據(jù)陸渾水庫水電站的水庫及電站特性，依據(jù)其調(diào)度規(guī)則，建立其優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，并對優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的各模塊功能及應(yīng)用進(jìn)行介紹。在此基礎(chǔ)上，對陸渾水庫水電站的各調(diào)度工況進(jìn)行仿真調(diào)度，研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以對水庫水電站的各運(yùn)行工況進(jìn)行合理的優(yōu)化調(diào)度，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。