旁多 直孔水库群联合优化调度方案研究

王 强，张继军

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021；2.水利部松辽水利委员会，吉林长春130021）

0 引言

近年来，随着经济社会的快速发展，各方面对电力的需求量日益增加[1]。为充分发挥现有水利工程的发电效益，提高流域或区域整体的综合调度水平，多个流域已经或正在形成水库群的整体开发利用格局。与传统的单库相比，水库群的联合运行要更为复杂，不仅仅是水库数量上的增加、范围的扩大，而且难点在于如何有效利用库群间的水文差异和库容差异，提高整体的发电效益[2]。因此，研究制定与优化调度规则相适应的水库群联合调度方案已经成为各大流域的研究重点，对实现水能资源利用最大化具有重要的意义[3-7]。本文以西藏拉萨河流域内的旁多、直孔水库群作为研究对象，建立了水库群联合调度模型，并采用模拟-优化相结合的方法对联合调度模型进行求解，通过对比分析，制定了切合实际可操作的联合调度方案，有效地提高了流域内水库群的整体效益。

1 研究对象

旁多、直孔水库均位于拉萨河干流上，形成拉萨河干流中游河段水电梯级结构。旁多水库为拉萨河中游段水电梯级开发的龙头水库，总库容12.30×108m3，电站装机容量160 MW。旁多水库工程任务是以灌溉、发电为主，兼顾防洪和供水，水库具有年调节性能。直孔水库位于旁多水库下游，总库容2.24×108m3，电站装机容量100 MW，直孔水库工程任务是以发电为主，兼顾灌溉和防洪，水库具有年调节能力。

2 联合调度模型的构建与求解

将拉萨河流域内的旁多、直孔水库群作为研究对象，根据流域内水库群多年长系列径流数据，综合考虑流域内的用水需求，以旬为计算时段，建立水库群电力调度数学模型，以充分发挥水库群的联合电力调节作用。

2.1 模型的构建

2.1.1 目标函数

模型的目标函数描述：已知系统初始库水位（库容）和入库径流过程，在满足坝址上游综合用水、发电保证率等各种约束条件下，使水库群系统在调度运行期内总发电量最大。模型目标函数，见式（1）。

式中：E为旁多、直孔水库群系统调度运行期内的总发电量，kW·h；N1，N2分别表示旁多、直孔电站的发电出力，MW；T为时段总数；A′，A″分别表示旁多、直孔电站出力系数，其中旁多出力系数为8.5，直孔出力系数为8.3；分别表示旁多、直孔电站在时段的发电流量，m3/s；分别表示旁多、直孔电站在时段的净水头，m，为上下游水位之差减去水头损失。

2.1.2 约束条件

2）水库蓄水量约束

蓄水下限，对应各水库的死库容，m3；t

分别表示旁多、直孔水库时段蓄水上限，在汛期为水库汛限水位对应的库容，m3，在非汛期为水库正常蓄水位对应的库容，m3。

3）水轮机过水流量约束

4）水电站出力约束

5）上下游水库关联方程：

由于旁多水库和直孔水库为串联结构形式，故需要考虑2座水库之间的水力联系，如式（13）所示：

式中：QJt表示时段旁多水库与直孔水库之间的区间流量，m3/s。

6）水库水位约束

2.2 模型求解

构建水库群联合电力调度模型，应用模拟和优化相结合的方法对模型进行求解，在求解过程中，以各水库电力调度图中调度线上的关键控制点作为决策变量，求解水库发电调度问题的基本流程如图1所示。首先，给定模型的输入信息，模拟模型根据水库的水量平衡方程以及初始决策变量对水库进行兴利调节计算；然后，优化模型采用遗传算法，通过遗传进化操作（选择、交叉和变异）产生一组新的决策变量，并将这些变量输入到模拟模型中，以便获得水库最优的性能指标（适应度值）；最后，模拟模型得到的水库性能指标反馈到优化模型中，当水库性能指标发生变化时，优化模型重新调整决策变量。这种模拟-优化迭代循环直到系统性能满足模型收敛条件为止，并得到最优的或者满意的调度，见图1。

3 水库群联合调度方案

旁多水库正常蓄水位4 095 m，死水位4 066 m，汛限水位4 093.5 m；直孔水库正常蓄水位3 888 m，死水位3 878 m，汛限水位3 885 m。此次研究在考虑了上、下游补偿调节作用后，分别编制出了旁多水库、直孔水库各自运行的电力调度图，以满足实际运行中调度可操作性需要。

图1 模型求解基本流程图

为满足电站在运行中能按相应设计的方式运行，故电站在该区内的平均出力应按保证出力即旁多32 MW、直孔21.35 MW运行。当水库水位位于保证出力区调度线以上时，即转入加大出力运行范围；在枯水时段，为了保证电站在死水位以上运行，水库转入降低出力运行范围。

为实现上述要求，在编制旁多、直孔水库群联合电力调度图时采用同倍比加大或降低的方法，并利用1956—2002年共47年旬径流系列对水库群联合调度模型进行优化求解，编制几种不同加大、降低出力运行范围的水库群联合电力调度方案。对应每个旁多调度方案、直孔水库各方案设置的基本情况见表1。

表1 两座水库运行调度图方案表

将旁多水库与直孔水库的3个调度方案进行组合，形成9个水库群联合调度方案，并对联合调度方案中2座水库的调度图进行优化，形成最终的联合调度图。

4 联合调度结果及分析

采用拉萨河流域旁多和直孔2座水库1956—2002年共47年的实测径流资料作为模型的输入数据，以旬为计算时段，对水库群联合优化调度模型进行长系列优化调节计算，得到指导水库群实施调度运行的联合调度方案。对比分析不同联合方案下的水库群优化调度结果，选择较为合理可行的联合调度方案，最大程度地发挥水库群联合调度效益。为验证联合调度方案的合理性及有效性，表2给出了不同调度方案下水库群联合调度结果，以及现行的水库单库调度结果。

表2 不同调度方案多年平均发电量计算成果对比 108kW·h

从表2中可以看到，与原设计方案（水库群联调前）结果相比，各联合调度方案旁多和直孔两座水库年均发电量都有显著提高。主要原因在于原设计方案中，旁多、直孔2座水库均按各自的调度原则进行单库调度，并且直孔水库并未编制调度图，采用联合调度方案后，旁多水库调度图在原方案的基础上进行了优化，同时制定了直孔水库优化调度图。对比各联合调度方案，当旁多采用方案二中的规则形式（联合调度方案4、方案5和方案6）时，旁多年均发电量最大，为5.99×108kW·h，结果也说明了增加旁多水库加大出力倍比系数，可以有效提高旁多水库年均发电量。

综上所述，当旁多水库采用方案二中的规则形式，直孔水库采用方案一中的规则形式（联合调度方案4）时，2库合计发电量最大，为10.01×108kW·h，增加了4.49%，联调结果优于其他方案。联合调度方案4中两库合计年均发电量较原设计方案增加约0.43×108kW·h。因此，联合调度方案4水能利用率最高，调度方案最为合理。