楊春輝，劉 宇，劉 濤（嫩江尼爾基水利水電有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

動態(tài)規(guī)劃在尼爾基水庫調(diào)度中應(yīng)用

楊春輝，劉 宇，劉 濤
（嫩江尼爾基水利水電有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

文中基于尼爾基水庫天然來流特點和水庫調(diào)度原則，將動態(tài)規(guī)劃應(yīng)用于尼爾基水庫優(yōu)化調(diào)度中，提出了針對當年10月至次年5月的水庫優(yōu)化調(diào)度方案，將2008年至2016年的8個非汛期的實際調(diào)度結(jié)果，與文中提出的尼爾基水庫優(yōu)化調(diào)度計算對比，結(jié)果表明:優(yōu)化調(diào)度方案，能更好的發(fā)揮水庫的經(jīng)濟和社會效益。

尼爾基水庫；動態(tài)規(guī)劃；優(yōu)化調(diào)度；耗水率

1 水庫的動態(tài)優(yōu)化調(diào)度

動態(tài)規(guī)劃具有很長的發(fā)展歷史,是一種經(jīng)典、成熟的優(yōu)化方法,在國內(nèi)的很多水庫調(diào)度工作中得到了廣泛的應(yīng)用。動態(tài)規(guī)劃能夠借助于計算機的強大計算性能，通過多階段決策，求解最優(yōu)函數(shù)（經(jīng)濟效益最大化的水庫調(diào)度過程）。

1.1 優(yōu)化調(diào)度的主要措施

水庫優(yōu)化調(diào)度是根據(jù)水庫設(shè)計運用原則，依據(jù)可靠的來水預報，在保證大壩安全的前提下，對水庫的入庫水量進行優(yōu)化分配的過程，以滿足防洪、發(fā)電等各部門的需要，使綜合利用效益最佳。

以上水庫優(yōu)化調(diào)度的措施中有工程措施（如下游尾水開挖等），也有非工程措施（如洪前預泄等），利用動態(tài)規(guī)劃的水庫優(yōu)化調(diào)度從廣義上講屬于借助于中長期水文預報，利用數(shù)學計算尋找最優(yōu)的調(diào)度過程，因此屬于非工程措施。

1.2 動態(tài)規(guī)劃

動態(tài)規(guī)劃是運籌學的一個分支，該方法是把多階段過程轉(zhuǎn)化為一系列單階段問題，利用各階段之間的關(guān)系，逐個求解，達到?jīng)Q策過程最優(yōu)化的目的。動態(tài)規(guī)劃在經(jīng)濟管理、生產(chǎn)調(diào)度、工程技術(shù)和最優(yōu)控制等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

適用動態(tài)規(guī)劃的問題必須滿足最優(yōu)化原理和無后效性。最優(yōu)化原理就是最優(yōu)化策略的子策略總是最優(yōu)的。無后效性就是每個狀態(tài)都是過去歷史的一個完整總結(jié)。如圖1所示：

圖1 多階段決策問題示意圖

將動態(tài)規(guī)劃方法應(yīng)用于尼爾基水庫優(yōu)化調(diào)度問題中，就是在給定了調(diào)度時段內(nèi)的起調(diào)水位、目標水位和預報的入庫流量后，將整個調(diào)度過程以旬為單位分成若干個相互聯(lián)系的階段；每個階段給出不同的水庫水位，并利用試錯法優(yōu)選出該水位狀態(tài)下實現(xiàn)發(fā)電量最大的最優(yōu)放流方式；當各個階段不同水位狀態(tài)下發(fā)電量最大的最優(yōu)放流方式確定后，就組成一個調(diào)度決策序列，因而也就確定了目標函數(shù)（發(fā)電量E）的最優(yōu)值，尋找到了達到發(fā)電量最大的放流方式，完成了一次優(yōu)化調(diào)度過程。

目標函數(shù)：

一旦確定了免疫程序，必須嚴格遵照執(zhí)行。具體實踐中一定要嚴格執(zhí)行操作規(guī)程。按時，按要求，按說明書的劑量認真搞好免疫。并做好隔期加強免疫，防止因劑量不足帶來抗體水平太低，達不到防疫效果。

約束條件：

水量平衡約束：

式中：Vt為水庫的蓄水量，qt為入庫水量，Qt為出庫水量。

水庫蓄水量約束：

發(fā)電流量約束：

式中：Qmin為流量的下邊界條件，Qmax為機組的過流能力。

1.3 優(yōu)化調(diào)度分析方法

在進行水庫優(yōu)化調(diào)度時，需要控制水庫的出庫流量以達到降低耗水率、提高發(fā)電效益的目的。

發(fā)電量計算公式：

式中：η為機組的綜合出力系數(shù)，目前取8.0；Q為發(fā)電流量，由公式（2）計算得到；H為發(fā)電水頭，由公式（6）計算得到。

由公式（6）計算發(fā)電量時，需要確定水庫的壩下水位（Z壩下）。壩下水位要根據(jù)水庫的發(fā)電流量，在水位～流量關(guān)系中查得。2008年至今公司多次對機組的尾水位～流量關(guān)系曲線進行率定，率定后各關(guān)系曲線間的推流結(jié)果,均存在較大差異，因此利用尾水位～流量關(guān)系曲線進行優(yōu)化調(diào)度計算存在較大誤差。為了能更好的還原水庫下游河道的過流能力和機組的運行狀態(tài)，讓優(yōu)化調(diào)度的結(jié)果和實際調(diào)度結(jié)果具有可比性，更好的體現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度的優(yōu)越性，這次計算采用水庫水位～耗水率關(guān)系曲線（該曲線由水庫實際運行資料率定）進行優(yōu)化調(diào)度的發(fā)電量計算。發(fā)電量計算公式見公式（7）。

式中：Qt為t時段的發(fā)電水量，由公式（1）計算得到；kt為t時段的發(fā)電耗水率，在水庫水位～耗水率關(guān)系曲線上查得。

按照電網(wǎng)的要求，尼爾基水庫的調(diào)度計劃是以旬為單位進行編制的，因此在進行優(yōu)化調(diào)度計算時設(shè)置每旬為1個階段，每個調(diào)度周期共分為24個階段。

為了讓優(yōu)化調(diào)度結(jié)果與實際調(diào)度結(jié)果具有可比性，在此設(shè)置2008年至今每年10月初和次年5月末水庫運行實際水位為優(yōu)化調(diào)度計算的初始階段起調(diào)水位和結(jié)束階段目標水位。

2 尼爾基水庫增效調(diào)度方案

利用動態(tài)規(guī)劃進行水庫優(yōu)化調(diào)度計算時，要設(shè)置水庫水位、出庫流量等邊界條件。

2.1 研究時段選取

根據(jù)水庫的設(shè)計運用標準在進行興利調(diào)度時水庫水位不能超過216.00 m，因此設(shè)置水庫水位的上邊界為216.00 m；考慮到水庫預留5億m3防洪庫容的情況，在此設(shè)置水庫水位的下邊界條件為200.00 m。根據(jù)2016年尼爾基水庫水量調(diào)度計劃，設(shè)置非汛期水庫出庫流量的下邊界條件；根據(jù)機組的過流能力設(shè)置非冰封期出庫流量的上邊界條件。

結(jié)合以上邊界條件，對水庫運行以來的調(diào)度資料進行篩選，以便選取分析研究的歷史時段。

分析發(fā)現(xiàn)2008年10月開始至今，水庫所有的運行資料均滿足以上邊界條件的要求。受來水偏少影響，2007年出庫流量存在長時間低于下邊界條件的情況，不滿足優(yōu)化調(diào)度的條件，該時段的資料不作為這次優(yōu)化調(diào)度分析的備選資料。綜合以上情況，選取2008年以后逐年非汛期水庫運行資料作為這次優(yōu)化調(diào)度分析時段。

2.2 調(diào)度計算程序編制

在確定了調(diào)度時段、預報水量以及其他邊界條件之后，要進行優(yōu)化調(diào)度計算，這次優(yōu)化調(diào)度的計算是借助于計算機程序語言VB來實現(xiàn)的。編寫優(yōu)化調(diào)度程序是完成這次探究工作的關(guān)鍵一步，也是最難的一步。優(yōu)化調(diào)度的計算程序要通過試錯法，完成動態(tài)規(guī)劃的整個計算過程，實現(xiàn)最優(yōu)調(diào)度發(fā)電量的計算和最優(yōu)調(diào)度過程階段水位的尋找兩個功能。為了防止計算機運行程序時出現(xiàn)“維數(shù)災(zāi)”，在此設(shè)置0.1 m為調(diào)度過程的水庫水位變化幅度。通過近一年的反復調(diào)試、驗證，于2016年年初完成了優(yōu)化調(diào)度程序的主要功能編寫工作。程序編寫完成后，進行了2008年至2016年的8個非汛期的優(yōu)化調(diào)度計算。

2.3 調(diào)度計算結(jié)果分析

各年優(yōu)化調(diào)度與實際調(diào)度流量、水庫水位對比過程，以2009年10月至2010年5月為例，將優(yōu)化調(diào)度與實際調(diào)度結(jié)果進行對比分析。可以看出：從10月上旬開始，優(yōu)化調(diào)度的出庫流量為345 m3/s，實際調(diào)度的出庫流量422 m3/s，優(yōu)化調(diào)度水庫水位開始高于實際調(diào)度的水庫水位；至11月中旬，優(yōu)化調(diào)度的出庫流量為140 m3/s，實際調(diào)度的出庫流量500 m3/s，優(yōu)化調(diào)度的出庫流量明顯小于實際調(diào)度的出庫流量，優(yōu)化調(diào)度的水庫水位也明顯高于實際調(diào)度的水庫水位近1 m；11月下旬至次年3月下旬，優(yōu)化調(diào)度的出庫流量基本維持在出庫流量的下邊界，水庫水位逐漸抬升；至4月上旬，優(yōu)化調(diào)度的出庫流量開始高于實際調(diào)度的出庫流量，此時優(yōu)化調(diào)度水庫水位高于實際調(diào)度水庫水位超過2 m；4月中旬開始，優(yōu)化調(diào)度的出庫流量明顯高于實際調(diào)度的出庫流量，直至5月下旬旬末，水庫水位消落至目標水位。2009年10月至2010年5月的優(yōu)化調(diào)度，既保證了10月份的供水安全和生態(tài)用水，又能在冰封期維持穩(wěn)定出流，還能更大程度上保證4，5月份的春灌用水。以上調(diào)度過程使2009年10月至2010年5月的發(fā)電量提高了5.8%。

根據(jù)計算結(jié)果，2008年至2016年的8個非汛期，優(yōu)化調(diào)度的發(fā)電量高于實際調(diào)度發(fā)電量1.40億kW·h，按照當前電價0.387元/（kw·h）計算，利用優(yōu)化調(diào)度的方法可以給公司增加直接經(jīng)濟收入5 435.8萬元，平均每年增加經(jīng)濟收入679.5萬元。

3 結(jié)論

1）基于動態(tài)規(guī)劃的水庫優(yōu)化調(diào)度方法，在條件允許的情況下，10月至次年3月盡量減小放流、抬高發(fā)電水頭是優(yōu)化調(diào)度的關(guān)鍵；在次年的4，5月份集中放流，既能最大程度滿足春灌用水，又能在汛前將水庫水位降至目標水位，以保證防洪的需要，能有效提高尼爾基水庫發(fā)電效益。

2）以2009年10月至2010年5月為例，研究提出的優(yōu)化調(diào)度措施發(fā)電量提高了5.8%。2008年至2016年的8個非汛期，優(yōu)化調(diào)度的發(fā)電量高于實際調(diào)度發(fā)電量1.40億kW·h，按照當前電價0.387元/（kW·h）計算，利用優(yōu)化調(diào)度的方法可以增加直接經(jīng)濟收入5 435.8萬元，平均每年增加經(jīng)濟收入679.5萬元。

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