徐　剛，昝雄風(fēng)

拉洛水利樞紐聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型研究

徐剛1，2，昝雄風(fēng)1

（1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002；
2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢430072）

針對(duì)一水庫(kù)兩電站優(yōu)化調(diào)度模型問(wèn)題，以西藏拉洛水利樞紐為例，視拉洛水庫(kù)的拉洛、德羅水電站為1個(gè)虛擬電站的2個(gè)機(jī)組，將復(fù)雜的調(diào)度約束規(guī)則簡(jiǎn)化為單一水庫(kù)調(diào)度的流量約束，以發(fā)電量最大化為目標(biāo)函數(shù)，在生態(tài)流量、灌溉需水量等約束條件下，建立優(yōu)化調(diào)度模型，選取拉洛壩址多年旬平均流量過(guò)程作為來(lái)水，采用蟻群算法求解。結(jié)果表明，計(jì)算所得的調(diào)度成果合理，滿(mǎn)足約束條件，實(shí)現(xiàn)了拉洛水利樞紐發(fā)電收益最大化的目標(biāo)。該優(yōu)化模型在保證求解質(zhì)量和精度的前提下大大簡(jiǎn)化了計(jì)算量。

水庫(kù)調(diào)度；模型；優(yōu)化；虛擬電站；拉洛水利樞紐

0　引言

國(guó)外關(guān)于水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度的研究大約在60年代末起步，我國(guó)則開(kāi)始于80年代初［1］。近20年，我國(guó)水電發(fā)展迅猛，未來(lái)10年也將以同樣的速度發(fā)展［2］。隨著河流大規(guī)模梯級(jí)開(kāi)發(fā)和水電站群逐漸投入運(yùn)行，大型水庫(kù)水電站群運(yùn)行調(diào)度管理日趨復(fù)雜，流域水電站之間聯(lián)系越來(lái)越多樣，約束條件也越來(lái)越繁復(fù)［3］，構(gòu)建全面普適的優(yōu)化調(diào)度模型比較困難。而針對(duì)某些具體對(duì)象或某種具有一定代表性的水電站群進(jìn)行較深入的研究更具現(xiàn)實(shí)意義［4］。從發(fā)揮水庫(kù)經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，探討如何實(shí)現(xiàn)水庫(kù)綜合利用效益最佳，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究工作并應(yīng)用于實(shí)踐。研究對(duì)象主要包括單庫(kù)、具有水力聯(lián)系的梯級(jí)和流域型水庫(kù)群、具有電力聯(lián)系的電力系統(tǒng)水庫(kù)群。大多數(shù)模型方法是針對(duì)并聯(lián)、串聯(lián)或混聯(lián)水庫(kù)（水電站）群的優(yōu)化調(diào)度研究。1982年，黃守信、方淑秀等［5］提出了以單庫(kù)優(yōu)化為基礎(chǔ)的兩庫(kù)輪流尋優(yōu)法，用于并聯(lián)水庫(kù)群的優(yōu)化調(diào)度計(jì)算。劉寧［6］于2008年對(duì)以三峽梯級(jí)和清江梯級(jí)實(shí)際組成的混聯(lián)式水電站群進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度研究，尋求最佳組合調(diào)度方式，分別建立了2個(gè)梯級(jí)單獨(dú)優(yōu)化和聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型。2014年，Arnel Gloti［7］提出了一種固定和動(dòng)態(tài)種群大小調(diào)整差分計(jì)算法，并應(yīng)用于斯洛文尼亞一條河流中的8座串聯(lián)梯級(jí)電站，解決了其復(fù)雜的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題。而在復(fù)雜約束條件下，如何為非串并聯(lián)的梯級(jí)水電站建立精簡(jiǎn)的優(yōu)化調(diào)度模型，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化，仍缺少相關(guān)研究。

本文提出虛擬電站概念，將西藏拉洛水利樞紐的拉洛、德羅水電站視為同一電站的2個(gè)機(jī)組。在滿(mǎn)足灌溉、生態(tài)用水等約束下，建立水利樞紐優(yōu)化運(yùn)行模型，研究提高水庫(kù)調(diào)節(jié)性能的運(yùn)行調(diào)度措施，實(shí)現(xiàn)水利樞紐經(jīng)濟(jì)效益最大化。

1　工程概況

拉洛水利樞紐及配套灌區(qū)工程位于西藏自治區(qū)日喀則地區(qū)莎伽縣境內(nèi)，雅魯藏布江右岸一級(jí)支流夏布曲干流上，包括拉洛水電站和德羅水電站。拉洛水庫(kù)正常蓄水位為4 298 m，汛期限制水位為4 296 m，相應(yīng)防洪高水位4 298 m。拉洛水電站為壩后引水式電站，利用生態(tài)流量發(fā)電，裝機(jī)容量為2.0 MW，額定發(fā)電水頭為36.5 m。德羅水電站進(jìn)水口位于拉洛大壩上游，為引水式電站，直接從拉洛壩址上游引水到廠房，利用灌溉流量發(fā)電，其額定水頭為225.5 m，裝機(jī)容量為40.0 MW。德羅水電站在引水過(guò)程中需滿(mǎn)足拉洛水庫(kù)下游河道生態(tài)用水以及灌區(qū)的灌溉需求。拉洛水電站壩址枯期生態(tài)流量為2.84 m3/s，汛期生態(tài)流量為8.5 m3/s。拉洛水利樞紐布置見(jiàn)圖1。

圖1　拉洛水利樞紐布置

2　水利樞紐聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型

2.1虛擬電站的構(gòu)建

拉洛水利樞紐原有的調(diào)度規(guī)則為

式中，Qinflow為流域入庫(kù)徑流量；Qeco為電站下游河道生態(tài)流量；Qpower，1為拉洛水電站發(fā)電流量；Qpower，2為德羅水電站發(fā)電流量；Qmaxirri為灌區(qū)最大引水流量。

從水利聯(lián)系角度看，拉洛與德羅水電站既非串聯(lián)式梯級(jí)電站形式也非并聯(lián)式關(guān)系，德羅水電站為引水式電站且直接從拉洛水庫(kù)引水，故可將2個(gè)電站合并為1個(gè)虛擬電站PL，視2個(gè)電站分別為該虛擬電站的2個(gè)機(jī)組PL1、PL2，則原有調(diào)度規(guī)則轉(zhuǎn)換為流量約束，公式如下

式中，Qt為電站總發(fā)電流量；Q1、Q2分別為機(jī)組PL1和PL2發(fā)電流量；Qmtin、Qmtax分別為拉洛水電站最小、最大下泄流量。

由于德羅水電站發(fā)電額定水頭遠(yuǎn)大于拉洛水電站額定水頭，在發(fā)電量最大化的優(yōu)化目標(biāo)下，不同機(jī)組PL1、PL2間流量分配原則為滿(mǎn)足約束條件基礎(chǔ)上盡量利用PL2發(fā)電，故機(jī)組間流量分配可表示為

式中，Qr，1為機(jī)組PL1額定流量。

原模型轉(zhuǎn)換為單一水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型，公式如下

式中，E為虛擬電站年發(fā)電量；A為出力系數(shù)；Qt為虛擬電站t時(shí)段的發(fā)電流量；Ht為虛擬電站t時(shí)段的平均發(fā)電凈水頭；Mt為虛擬電站t時(shí)段的時(shí)段長(zhǎng)度；T為年內(nèi)計(jì)算總時(shí)段數(shù)。

原梯級(jí)水利聯(lián)系復(fù)雜，調(diào)度規(guī)則繁瑣。通過(guò)上述模型的改進(jìn)，將2個(gè)電站的優(yōu)化調(diào)度計(jì)算簡(jiǎn)化為1個(gè)電站處理，并將優(yōu)化模型的約束條件轉(zhuǎn)化為單一水庫(kù)調(diào)度的流量約束。

2.2優(yōu)化調(diào)度模型

為了在滿(mǎn)足生態(tài)、灌溉等約束條件下，實(shí)現(xiàn)拉洛水利樞紐的發(fā)電量最大化，本文建立水利樞紐聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行模型。目標(biāo)函數(shù)為水利樞紐年發(fā)電量最大化，公式為

表1　拉洛水電站壩址多年平均旬流量m3/s

表2　拉洛水利樞紐優(yōu)化調(diào)度計(jì)算結(jié)果

式中，A1、A2分別為2個(gè)機(jī)組的出力系數(shù)；Q1，t、Q2，t分別為機(jī)組PL1和PL2在第t時(shí)段發(fā)電流量；H1，t、H2，t分別為PL1和PL2在第t時(shí)段平均發(fā)電凈水頭；Mt為第t時(shí)段的時(shí)段長(zhǎng)度。

各約束條件如下

式中，Vt+1為第t時(shí)段末PL1水庫(kù)蓄水量；Vt為第t時(shí)段初PL1水庫(kù)蓄水量；Qr，t為第t時(shí)段入庫(kù)流量；Qirri，t為機(jī)組PL2第t時(shí)段灌溉取水流量；S1，t為PL1第t時(shí)段棄水流量；Vmtin、Vmtax分別為第t時(shí)段應(yīng)保證的水庫(kù)最小、最大蓄水量；Qmn，int、Qmn，atx分別為機(jī)組第t時(shí)段應(yīng)保證的最小、最大生態(tài)下泄流量；Hn，min、Hn，max分別為機(jī)組最小、最大水頭；Nn，min、Nn，max分別為機(jī)組允許的最小、最大出力；n=1，2，分別代表虛擬電站2個(gè)機(jī)組PL1和PL2；Qirri，t，min、Qirri，t，max為機(jī)組PL2第t時(shí)段應(yīng)保證的最小、最大下泄灌溉流量。上述所有變量均為非負(fù)變量（≥0）。

3　計(jì)算結(jié)果及分析

以拉洛水電站壩址多年旬平均流量過(guò)程作為來(lái)水條件，并采用蟻群算法［8］求解優(yōu)化調(diào)度模型。拉洛水電站壩址多年平均旬流量過(guò)程見(jiàn)表1。優(yōu)化調(diào)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

在多年平均來(lái)水情況下，拉洛水利樞紐年總發(fā)電量為1.581億kW·h。其中，枯期發(fā)電量為0.863 億kW·h，豐水期發(fā)電量為0.718億kW·h，發(fā)電豐枯比為0.83。水庫(kù)上游來(lái)水總量為40 380萬(wàn)m3，汛期滿(mǎn)發(fā)泄洪水量為918萬(wàn) m3，水量利用率為97.8%。

為滿(mǎn)足灌溉需求，3月中旬灌區(qū)開(kāi)始從水庫(kù)引水，水庫(kù)水位汛前均勻消落，于6月下旬降至4 290 m，預(yù)留庫(kù)容應(yīng)對(duì)汛期來(lái)水，汛期水位維持在4 290.5～4 298 m。4月中旬～5月中旬，因水庫(kù)入流量小于生態(tài)基流2.84 m3/s，下泄流量等于入庫(kù)流量。11月水庫(kù)來(lái)水較少，水庫(kù)引入部分水至灌區(qū)，以滿(mǎn)足灌溉需求，并于12月中旬蓄至正常水位。拉洛水利樞紐調(diào)度過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2　拉洛水利樞紐調(diào)度過(guò)程

4　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)拉洛水利樞紐優(yōu)化調(diào)度模型約束條件復(fù)雜、模型求解困難的問(wèn)題，本文提出將拉洛、德羅水電站視為1個(gè)虛擬電站的2個(gè)機(jī)組，把復(fù)雜的調(diào)度約束規(guī)則簡(jiǎn)化為單一水庫(kù)調(diào)度的流量約束條件，計(jì)算得到了極大簡(jiǎn)化。為實(shí)現(xiàn)拉洛水利樞紐在生態(tài)、灌溉等約束下的發(fā)電收益最大化，建立了拉洛水利樞紐聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行模型，采用蟻群算法進(jìn)行求解。結(jié)果表明，拉洛水利樞紐基于該簡(jiǎn)化模型的優(yōu)化調(diào)度水位過(guò)程合理，在滿(mǎn)足生態(tài)及灌溉流量約束的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電收益的最大化。本文提出的簡(jiǎn)化調(diào)度模型可在一庫(kù)兩電站水利樞紐中借鑒和使用。

［1］潘理中，芮孝芳.水電站水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度研究的若干進(jìn)展［J］.水文，1999（6）：37-40.

［2］CHENG Chuntian，SHEN Jianjian，WU Xinyu.Operation challenges for fast-growing China's hydropower systems and respondence to energy saving and emission reduction［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2012，16（5）：2387-2392.

［3］梅亞?wèn)|.水庫(kù)調(diào)度研究的若干進(jìn)展［J］.湖北水利發(fā)電，2008 （1）：47-50.

［4］張勇傳，李福生，熊斯毅，等.水電站水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度方法的研究［J］.水力發(fā)電，1981（11）：48-52.

［5］黃守信，方淑秀，等.兩個(gè)無(wú)水力聯(lián)系水庫(kù)的優(yōu)化調(diào)度［M］.長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

［6］劉寧.三峽-清江梯級(jí)電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2008，38（3）：264-271.

［8］徐剛，馬光文，等.蟻群算法在水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2005，16（3）：397-400.

（責(zé)任編輯楊健）

Research on Optimization Dispatching Model for Laluo Hydro-junction Joint Project

XU Gang1，2，ZAN Xiongfeng1
（1.College of Hydraulic&Environmental Engineering，China Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei，China；2.Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for Water Resources Security，Wuhan 430072，Hubei，China）

Laluo Hydro-junction Joint Project located in Tibet is taken as an example to study the optimization dispatching model of a reservoir with two hydropower stations.By regarding Laluo and Deluo power stations under Laluo Reservoir as two assembling units of a virtual power station，the complex dispatching constraint rule can be simplified as the flow constraint condition of single reservoir，and then the optimization dispatching model is established on the basis of ecology and irrigation flow constraint conditions and taking maximum power generation as objective function.The model is solved by using the method of ant colony algorithm on the basis of selecting average annual runoff as design representative year.The calculation results show that the dispatching program is reasonable and meet the constraints.The optimization dispatching model greatly simplifies the calculation under the premise of quality and accuracy.

reservoir dispatching；model；optimization；virtual power station；Laluo Hydro-junction Joint Project

TV697.14（275）

A

0559-9342（2016）02-0090-04

2015-10-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51409152）

徐剛（1974—），男，四川成都人，副教授，博士，研究方向?yàn)樗娊?jīng)濟(jì)管理及梯級(jí)水電優(yōu)化運(yùn)行.