水库水电站非汛期优化调度系统应用研究

李 凯

(河南省水利移民事务中心，河南 郑州 450000）

0 引言

水库水电站是重要的水电站布置形式，通过修建水库，对天然径流进行时间的再分配，从而提高水电站对天然径流的利用效率［1-2］。水库水电站除承担发电功能外，往往还承担防洪、灌溉、供水、生态等多种动能，根据不同的功能要求，其调度模式和规则也有所不同［3-5］。本研究基于水库水电站的优化调度理论和调度模型，建立水库水电站优化调度系统［6］，对水库水电站的各种工况进行仿真优化调度，为确定各种工况下的水库水电站运行提供科学合理的调度规则和调度模式。

1 水库水电站优化调度模型

1.1 调度模型

调度模型的目标函数见式（1）。

式中：E为调度期内总发电量；k为电站的综合出力系数；Qt为水电站在第t时段的发电流量；Ht为第t时段的电站平均发电净水头；Δt为调度划分时段长；T为调度期内调度划分时段数。

1.2 约束条件

对于上述目标函数的求解，需要构建各约束条件如下。

①水量平衡约束见式（2）。

②水库下泄流量约束见式（3）。

③非汛期、汛期库水位约束见式（4）。

④水电站出力约束见式（5）。

⑤各部门用水量约束见式（6）。

⑥非负约束：上述所有变量均为非负变量。

以上式中：Vt-1为第t个时段初水库库容；Vt为第t个时段末水库库容；Qt为第t个时段的平均入库流量；St为第t时段水库的平均出库流量；Qt,min为第t个时段应保证的最小下泄流量；Qt,max为第t个时段的最大允许下泄流量；Zt为水库第t个时段的平均水位；Z限为水库死水位；Z限为水库防洪限制水位；Z兴为水库正常蓄水位；Nmin为水电站的最小出力限制；Nmax为水电站的最大出力限制；Wt,g为水库对各用水部门第t个时段内的供水量；Wt,y为各用水部门第t个时段的实际用水量。

2 实例选择

2.1 工程概况

选择河南省陆浑水库水电站作为实例验证电站的优化调度，陆浑水库位于河南省嵩县境内，是一座以防洪为主，结合灌溉、发电和供水等综合功能的大（1）型水利枢纽工程。水库兴利水位319.50 m（正常高水位），汛限水位317.00 m，死水位298.00 m，兴利库容5.80 亿m3，防洪库容6.76 亿m3，死库容1.55 亿m3。水库设有输水洞水电站和灌溉洞水电站，其中输水洞电站装机容量为4 200 kW（3×1 400 kW），灌溉洞水电站装机容量为8 000 kW（800 kW+2×3 600 kW）。

2.2 调度规则

根据陆浑水库水电站的运行规则，一般可以分为汛期调度系统和非汛期调度系统，其中汛期调度系统主要以防洪调度为主，非汛期调度系统以水库兴利为主［7］。本项目主要研究陆浑水库水电站的非汛期调度，其调度规则为：水库运行水位为死水位至兴利水位；洛阳供水、生态用水的下泄经过输水洞水电站，且经过输水洞电站的水量不得小于洛阳市供水、生态用水之和；汝阳县、巩义市用水、工业用水及灌溉用水的下泄经过灌溉洞水电站，且经过灌溉洞电站的水量不得小于汝阳县、巩义市用水、工业用水及灌溉用水之和；灌溉洞无用水要求时，水库用水优先经过输水洞发电，满足输水洞用水要求的基础上，满发后的多余水量经灌溉洞发电；灌溉洞有用水要求时，满足灌溉洞用水的基础上，水库的多余泄水优先经过输水洞发电，满足输水洞用水要求的基础上，满发后的多余水量经灌溉洞发电。

3 优化调度系统建设

根据陆浑水库水电站的工程特性和调度规则，依据本文构建的优化调度模型和约束条件，开发完成陆浑水库水电站优化调度系统。

3.1 系统模块及功能

陆浑水库水电站优化调度系统主要包括以下6个模块：一是登录模块，输入用户名和密码，正确则进入主页面，错误则给出登录失败提示；二是电站信息模块，用户可对陆浑水库基本信息、输水洞水电站信息、灌溉洞水电站信息进行查看；三是水库调度模块，对陆浑水库下的输水洞水电站和灌溉洞水电站进行联合优化调度；四是数据库管理模块，用户可对水库参数进行查看，对计算过程中用到的旬径流和用水要求等参数进行查看和修改，对水位库容关系表进行增删查改，还可查看每旬的径流曲线图、水位库容关系曲线图、每旬的用水要求柱状图；五是日志管理模块，用户可对水库日志和系统日志进行查看，还可以导出日志，对日志进行备份；六是系统设置模块，此页面可对一些系统参数进行修改，如出力精度，时间精度等，用户可重置密码、查看软件介绍等。

3.2 系统界面设计

陆浑水库水电站优化调度系统主界面如图1所示，包括电站信息、水库调度、数据管理、日志管理、系统设置、退出系统等6 个功能模块，点击不同的按钮可以进入相应的界面。

图1 陆浑水库水电站优化调度系统主界面

4 水库水电站仿真调度应用

4.1 调度参数

依据开发形成的陆浑水库水电站优化调度系统，进行非汛期各运行调度工况的仿真分析，选择调度参数包括：陆浑水库非汛期来流量、各旬的灌溉需求水量、水库城镇用水（包括洛阳供水、汝阳县及巩义市供水等）、生态用水、工业用水、灌溉用水的用水量等。

4.2 标准工况调度

采用陆浑水库水电站调度系统，以起调水位（11 月上旬）316 m、期末水位（汛期前，6 月下旬）313 m 为标准工况进行调度，可以得到调度期内的水库调度线、各电站引用流量、各电站的出力及发电量等数据，具体如图2、图3 所示。用户可根据数据结果有效指导水库水电站的运行。

图2 调度求解结果图

图3 调度求解数据表

4.3 期初和期末水位变化工况调度

由于水库调度期初和期末水位都可能发生变化，针对不同的水位变化，只需要更改数据库中相应数据即可。调度期末水位（313 m）不变，期初水位由312～318.5 m 变化的调度各工况；期初水位（316 m）不变，期末水位由310～314 m 变化的调度各工况。根据不同的调取期初和期末水位，优化调度系统均能给出其最优调度过程线以及各电站的出力和发电计划。部分调度结果如图4、图5所示。

图4 不同期初水位下的水库调度过程线

图5 不同期末水位下的水库调度云图

由各工况的调度结果可知，期初水位越高，说明水库储存的水量越大，则水库水电站的总发电量越大；相反，期末水位越高，说明水库可用的水量越少，则水库水电站的总发电量越小，调度结果与电站实际运行工况吻合。

4.4 来水及用水变化工况调度

针对不同的来水及用水情况，本文提供的水库水电站优化调度系统均可以进行自动优化计算。计算来流在1 月上旬发生变化，模拟仿真1 月上旬4.11 m³/s、8.11 m³/s、12.11 m³/s、16.11 m³/s 四种工况；计算供水要求发生变化时，假定2 月上旬供水为0、2 m³/s、4 m³/s、6 m³/s 四种工况，水库调度过程如图6、图7所示。

图6 不同来水的水库调度线

图7 不同供水的水库调度线

调度结果表明，来水增加，说明水库水电站可用水量增加，电站的整体发电量上升；而供水增加，则在水库整体用水量不变的情况下，应当优先满足此时的供水要求，其调度会偏离原最优调度过程线，电站的整体发电量下降，上述调度与电站的实际运行调度结果吻合。

通过上述各工况的仿真调度可知，该水库水电站优化调度系统可以对各工况进行合理调度，并形成相应的调度规则，可以用于类似水电站的调度运行。

5 结语

本研究通过建立水库水电站优化调度模型，并根据陆浑水库水电站的水库及电站特性，依据其调度规则，建立其优化调度系统，并对优化调度系统的各模块功能及应用进行介绍。在此基础上，对陆浑水库水电站的各调度工况进行仿真调度，研究结果表明，该系统可以对水库水电站的各运行工况进行合理的优化调度，具有一定的实际应用价值。