王曉旭，徐俊鋒，高清洋，劉俊濤

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，長(zhǎng)沙410114；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

水利樞紐及通航條件

漢江襄陽(yáng)以下梯級(jí)樞紐聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究

王曉旭1，徐俊鋒2，高清洋1，劉俊濤2

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，長(zhǎng)沙410114；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

在梯級(jí)航運(yùn)樞紐運(yùn)行中，需要通過樞紐聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)協(xié)調(diào)好各項(xiàng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化。針對(duì)漢江崔家營(yíng)樞紐和雅口樞紐的運(yùn)行目標(biāo)，通過分析發(fā)電效益和通航基流保障率之間的制約關(guān)系，基于FPGA對(duì)其開展聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究。文中建立了以周為計(jì)算時(shí)段的調(diào)度模型，提出了以綜合考慮航運(yùn)與發(fā)電兩種情況為目標(biāo)的樞紐聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案及優(yōu)化調(diào)度準(zhǔn)則，并對(duì)提高漢江襄陽(yáng)以下梯級(jí)樞紐通航基流保障率做了初步的探討。

樞紐；調(diào)度；多目標(biāo)；優(yōu)化

伴隨著我國(guó)交通、能源建設(shè)的大規(guī)模開展，以低碳、環(huán)境和生態(tài)文明為核心的內(nèi)河航運(yùn)樞紐建設(shè)迅速發(fā)展，內(nèi)河航運(yùn)樞紐的建設(shè)理念也正不斷更新。早期國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)樞紐優(yōu)化調(diào)度理論和方法的研究主要針對(duì)單個(gè)水庫(kù)或單個(gè)目標(biāo)開展工作［1］，其成果為后續(xù)的樞紐調(diào)度設(shè)計(jì)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。近年來，受社會(huì)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和人文等多重因素的影響，樞紐調(diào)度方案往往需要統(tǒng)籌考慮周邊多個(gè)水庫(kù)，更為合理的多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案在當(dāng)前復(fù)雜的水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度問題研究中日趨受到重視。如陳炯宏等［2］建立了以梯級(jí)發(fā)電量最大為目標(biāo)的三峽梯級(jí)和清江梯級(jí)水電站群聯(lián)合調(diào)度模型；盧有麟［3］建立了以發(fā)電量最大和生態(tài)缺水率最小為目標(biāo)的梯級(jí)電站多目標(biāo)生態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型；李獻(xiàn)新等［4］以梯級(jí)水庫(kù)發(fā)電量最大和棄水量最小、梯級(jí)水庫(kù)發(fā)電量最大和出力保證率最大為目標(biāo)建立了兩個(gè)優(yōu)化調(diào)度方案。但隨著我國(guó)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略的拓展延伸，如何保障和提升內(nèi)河航道的通航率的問題也日益突出。傳統(tǒng)的梯級(jí)樞紐優(yōu)化調(diào)度模式多追求發(fā)電效益的最大化，對(duì)樞紐運(yùn)行時(shí)破壞通航率的問題不夠重視，因此亟需開展以發(fā)電量和通航基流保障率為目標(biāo)的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行研究。

一般情況下，梯級(jí)樞紐發(fā)電效益、航運(yùn)目標(biāo)之間存在著相互制約關(guān)系，難以同時(shí)優(yōu)化。以漢江流域?yàn)槔摿饔驅(qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，多年平均降水量700～1 800 mm，多年平均年徑流量474億m3，水量較豐沛，但年內(nèi)分配不均，年際變化較大，是長(zhǎng)江各大支流中變化最大的河流。漢江干流梯級(jí)樞紐位置關(guān)系見圖1。漢江襄陽(yáng)以下崔家營(yíng)、雅口、碾盤山和興隆四級(jí)航運(yùn)樞紐的庫(kù)容較小，調(diào)節(jié)性能不高，日均水位因不同調(diào)度方式變化較大，通航、防洪、發(fā)電存在一定的矛盾。作為連續(xù)的梯級(jí)電站，上游水庫(kù)發(fā)電及航運(yùn)用水將注入下游水庫(kù)，下游水庫(kù)需要合理調(diào)度安排發(fā)電和航運(yùn)，若下游水庫(kù)用水少，由于水庫(kù)庫(kù)容不足導(dǎo)致大量棄水；反之將使下游水庫(kù)處于低水位運(yùn)行，不但影響航運(yùn)，而且發(fā)電耗水率大增，運(yùn)行很不經(jīng)濟(jì)。因此，有必要針對(duì)梯級(jí)樞紐調(diào)度所面臨的工程需求和問題，加快開展梯級(jí)航電樞紐聯(lián)合調(diào)度技術(shù)研究，盡快實(shí)現(xiàn)漢江中下游各級(jí)樞紐間的聯(lián)合調(diào)度。

圖1 漢江干流梯級(jí)樞紐位置示意圖Fig.1 The position of Hanjiang River cascade junction

本文針對(duì)漢江崔家營(yíng)樞紐和雅口樞紐的運(yùn)行目標(biāo)，建立了周為計(jì)算時(shí)段的調(diào)度模型，提出了以綜合考慮發(fā)電量與通航基流保障率兩種情況為目標(biāo)的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案，同時(shí)對(duì)提高漢江襄陽(yáng)以下梯級(jí)樞紐通航基流保障率做了初步的探討。

2 漢江襄陽(yáng)以下梯級(jí)樞紐多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型及方案研究

樞紐下游通航基流保障率和發(fā)電量最大是本次漢江襄陽(yáng)以下梯級(jí)樞紐多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的兩個(gè)主要功能指標(biāo)。樞紐群的聯(lián)合運(yùn)行不僅要考慮航運(yùn)要求，而且要考慮徑流過程變化，同時(shí)也要考慮水庫(kù)蓄放水次序，以使它們?cè)诼?lián)合運(yùn)行中的發(fā)電量最大。

2.1 模型的建立

研究采用“化多為少法”［5］，將發(fā)電量最大作為目標(biāo)函數(shù)，保障通航基流為約束條件，采用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行模型求解。

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

本方案目標(biāo)函數(shù)為

式中：E為調(diào)度期內(nèi)梯級(jí)總發(fā)電量；J、T分別為水電站水庫(kù)的個(gè)數(shù)、調(diào)度期內(nèi)計(jì)算時(shí)段數(shù)；N(j ,t)表示第 j電站第t時(shí)刻的出力；Δt為調(diào)度期內(nèi)的天數(shù)。

2.1.2 約束條件

（1）水量平衡約束 Q(j +1,t)=QC(j ,t-τ)+QJ(j ,j+1,t) （2）

（2）航運(yùn)用水約束 Qmt′(k,t)≥Qmt(k ,t) （3）

（3）水位約束 Z1≤Z(t,i)≤Z2（4）

（4）電站引流量約束 0≤QP(t,i)≤QPmax（5）

（5）水輪機(jī)水頭約束 Hmin≤H≤Hmax（6）

（6）水輪機(jī)出力約束 N(t,i)≤NY（7）

式中：Q( j+1,t)表示第 j+1水庫(kù)第t時(shí)刻的入庫(kù)流量，QJ(i ,j+1,t)表示第 j水庫(kù)與第 j+1水庫(kù)之間第t時(shí)刻的區(qū)間流量，QC( j,t-τ)表示第 j水庫(kù)第t-τ時(shí)刻的出庫(kù)流量，τ為水流時(shí)滯，在計(jì)算中τ通常取以平均值；Qmt′(k ,t)和Qmt(k ,t)分別為m梯級(jí)電站第k月第t時(shí)段的出庫(kù)流量和通航要求流量；Z1和Z2分別為樞紐死水位和正常蓄水位；QPmax為電站最大過流能力；Hmax和Hmin分別為樞紐最大水頭和最小運(yùn)行水頭；NY為電站裝機(jī)容量。其中水庫(kù)水位限制嚴(yán)格按照水庫(kù)汛期（包括前汛期和后汛期）和非汛期要求執(zhí)行［6-8］。

2.2 輸入輸出

輸入條件為樞紐的天然入庫(kù)徑流，研究中把水庫(kù)天然來水當(dāng)作獨(dú)立隨機(jī)序列來描述。模型的輸出為樞紐各時(shí)段出力和發(fā)電量。

2.3 改進(jìn)遺傳算法介紹和模型求解

梯級(jí)水電站群聯(lián)合調(diào)度問題十分復(fù)雜，含有多種線性與非線性約束，用常規(guī)優(yōu)化算法求解，通常存在計(jì)算量大、解的精度差等缺點(diǎn)。本文采用一種較先進(jìn)的算法，即改進(jìn)遺傳算法（或稱保留最優(yōu)個(gè)體的浮點(diǎn)數(shù)編碼遺傳算法，簡(jiǎn)稱FPGA）［9-10］，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。該算法可以有效地克服上述缺點(diǎn)。已有的實(shí)例計(jì)算表明，與動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法相比，F(xiàn)PGA具有狀態(tài)和控制變量不必離散化、設(shè)計(jì)編程簡(jiǎn)單、計(jì)算工作量小、收斂速度快的優(yōu)點(diǎn)，是求解梯級(jí)水電站群聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行比較有效的算法［11-12］。

應(yīng)用FPGA求解梯水電站群樞紐優(yōu)化調(diào)度問題的關(guān)鍵線路是：初始群體的產(chǎn)生（即初始調(diào)度方案的形成）→個(gè)體的適應(yīng)值計(jì)算→遺傳算子的實(shí)現(xiàn)。以上述優(yōu)化模型1為例，F(xiàn)PGA算法求解的設(shè)計(jì)過程如下：

步驟一：初始群體的產(chǎn)生。

利用遺傳算法來求解漢江梯級(jí)水電站群優(yōu)化調(diào)度需先進(jìn)行編碼工作。FPGA直接用決策變量的實(shí)值作為編碼，編碼的長(zhǎng)度等于決策變量的個(gè)數(shù)。在水電站優(yōu)化調(diào)度中，水庫(kù)的運(yùn)行策略一般用發(fā)電引用流量序列(Q1,Q2,···,QT)來表示，其中T表示調(diào)度周期所劃分的時(shí)段數(shù)。對(duì)于調(diào)度期內(nèi)入庫(kù)徑流已知，調(diào)度期末水位確定，各水電站可投入運(yùn)行機(jī)組及水庫(kù)初始庫(kù)水位已知的條件下，例如以發(fā)電量最大為目標(biāo)的優(yōu)化調(diào)度模型1，將梯級(jí)所有水庫(kù)的可行發(fā)電引用流量過程依次排列，可形成M×T個(gè)浮點(diǎn)數(shù)組成的初始個(gè)體。

在執(zhí)行遺傳算法之前，先給出由P個(gè)個(gè)體組成的集合，即初始群體。由于梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度中各水庫(kù)的發(fā)電引用流量過程均有一定的約束，所以并不是所有的個(gè)體均可行。對(duì)應(yīng)模型1，不僅要求各水庫(kù)各時(shí)段發(fā)電引用流量滿足電站的機(jī)組過流能力約束，同時(shí)要求各水庫(kù)各時(shí)段發(fā)電引用流量與時(shí)段長(zhǎng)的乘積之和等于對(duì)應(yīng)水庫(kù)的庫(kù)容變化量與調(diào)度期內(nèi)入庫(kù)水量之和，即模型1中的總用水量約束。程序中每產(chǎn)生一個(gè)個(gè)體，都必須對(duì)其進(jìn)行可行性驗(yàn)證。若某一個(gè)體不可行，則立即淘汰該個(gè)體，圖2所示為可行個(gè)體的示意圖。

步驟二：適應(yīng)度計(jì)算。

采用浮點(diǎn)數(shù)編碼的遺傳算法省略了采用二進(jìn)制編碼遺傳算法的解碼過程，對(duì)于梯級(jí)最大發(fā)電量的求解，其目標(biāo)函數(shù)值總?cè)≌?，因此，可以直接設(shè)定個(gè)體的適應(yīng)度就等于相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，取目標(biāo)函數(shù)值最大的解為最優(yōu)解。

圖2 可行個(gè)體示意圖Fig.2 Sketch of feasible individual

步驟三：遺傳算子的設(shè)計(jì)。

選定初始群體、確定適應(yīng)度的計(jì)算方法后，采用確定式采樣選擇方法及浮點(diǎn)遺傳算法所適用的算術(shù)交叉和均勻性變異手段，產(chǎn)生發(fā)電量更大的新一代群體。為保證全局收斂，在變異操作后采用最優(yōu)個(gè)體保留策略，即在第G代中變異后保留該代群體中的最優(yōu)個(gè)體及其適應(yīng)值。如此循環(huán)，直到滿足優(yōu)化準(zhǔn)則。模型求解程序框見圖3。

圖3 梯級(jí)水電站群聯(lián)合調(diào)度主模塊程序框圖Fig.3 The main program diagram for the cascade hydropower stations combined optimal operation

2.4 結(jié)果分析

本方案以漢江襄陽(yáng)以下崔家營(yíng)、雅口兩級(jí)水庫(kù)為研究對(duì)象，選擇漢江枯水典型年2007年壩址附近襄陽(yáng)和皇莊水文站徑流資料作為模型來流條件，利用改進(jìn)遺傳算法對(duì)漢江襄陽(yáng)以下梯級(jí)樞紐多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行了求解。

需要說明的是，梯級(jí)上游的崔家營(yíng)樞紐調(diào)節(jié)庫(kù)容只有0.4億m3，如以天為調(diào)度周期的話，調(diào)節(jié)庫(kù)容最大可以以462.96 m3/s的流量補(bǔ)充下游；如以月為周期的話，調(diào)節(jié)庫(kù)容最大可以以15.23 m3/s的流量補(bǔ)充下游，而以周為周期的話，調(diào)節(jié)庫(kù)容最大可以以66.14 m3/s的流量補(bǔ)充下游。分析2007年的徑流過程可以看出，以周為調(diào)度周期能有效調(diào)節(jié)航運(yùn)基流。

正常蓄水位運(yùn)行時(shí)，崔家營(yíng)樞紐在第6、7、8、10、17周不滿足航運(yùn)基流。經(jīng)過調(diào)度，崔家營(yíng)樞紐第10周水庫(kù)出流量由463.29 m3/s變?yōu)?75.68 m3/s，可滿足航運(yùn)基流；同理第17周，水庫(kù)出流量由460.86 m3/s變?yōu)?82.20 m3/s，可滿足航運(yùn)基流。其中，為保障下游航運(yùn)基流需運(yùn)用水庫(kù)可調(diào)節(jié)庫(kù)容加大下泄流量，在此調(diào)度過程中需損失一定的發(fā)電效益。由調(diào)度結(jié)果可見（表1），優(yōu)化后崔家營(yíng)樞紐該年通航基流保障率由原來的90.38%提高到了94.23%；累計(jì)發(fā)電量約為3.913 5億kW·h，與常規(guī)運(yùn)行時(shí)的4.042 1億kW·h相比減少約3.18%。調(diào)度后雅口樞紐該年通航基流保障率保持100%；累計(jì)發(fā)電量約為4.302 5億kW·h，與常規(guī)運(yùn)行時(shí)的3.745 6億kW·h相比增加約14.87%。優(yōu)化后總發(fā)電量比常規(guī)運(yùn)行時(shí)總發(fā)電量提高約5.5%，而且通航基流保障率有大幅提高。可見雖然通過多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度會(huì)導(dǎo)致部分在梯級(jí)優(yōu)化時(shí)產(chǎn)生電量損失，但可顯著提高樞紐下游的航運(yùn)保證率和總發(fā)電量，以達(dá)到航電的整體優(yōu)化。

表1 漢江梯級(jí)樞紐多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度成果匯總Tab.1 Summary of Hanjiang River cascade junction multi?objective combined optimization scheduling solution results

3 提高漢江襄陽(yáng)以下梯級(jí)樞紐通航基流保障率研究

現(xiàn)以崔家營(yíng)、雅口兩個(gè)樞紐為例，探討航電樞紐通航基流保障率的提高問題。漢江襄陽(yáng)以下航電樞紐為中低水頭，調(diào)節(jié)庫(kù)容小，汛期的防洪效益不明顯，故僅對(duì)枯水季節(jié)和特別枯水季節(jié)的梯級(jí)樞紐通航調(diào)度問題進(jìn)行研究。

3.1 枯水季節(jié)梯級(jí)樞紐通航調(diào)度研究

枯水季節(jié)通航調(diào)度的基本原則是建立在水量平衡基礎(chǔ)之上的。若入庫(kù)流量Q天大于下游通航保證最小流量Q航·保，原則上水庫(kù)不需補(bǔ)水；反之，水庫(kù)必須補(bǔ)水。以崔家營(yíng)、雅口樞紐為例。

若兩庫(kù)均在正常高水位，ΔV航未動(dòng)（最大狀態(tài)）的條件是

此時(shí)，優(yōu)化調(diào)度采用發(fā)電量最大模型或發(fā)電效益最大模型。

若Q上入+Q上下區(qū)間＜Q下航

此時(shí)采用保障通航調(diào)度模式：上庫(kù)先補(bǔ)水ΔQ上庫(kù)，即

現(xiàn)就上述不同天然來水條件，結(jié)合雅口、崔家營(yíng)兩個(gè)樞紐目前現(xiàn)狀，分析動(dòng)用航運(yùn)調(diào)節(jié)庫(kù)容的條件。

3.1.1 崔家營(yíng)航運(yùn)調(diào)節(jié)庫(kù)容調(diào)度

當(dāng)Q崔入+Q崔、雅區(qū)間＞Q雅下航時(shí)，雅口具備蓄水抬高水位的條件，可進(jìn)入發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模式，即雅口水位抬高，蓄水增加，可追求發(fā)電效益最大化，有

或以天然入庫(kù)流量發(fā)電，維持兩庫(kù)水位不變，即

當(dāng)Q崔入+Q崔、雅區(qū)間＜Q雅下航時(shí)，動(dòng)用崔家營(yíng)調(diào)節(jié)庫(kù)容

動(dòng)用崔家營(yíng)航運(yùn)調(diào)節(jié)庫(kù)容時(shí)，崔家營(yíng)庫(kù)水位下降，發(fā)電調(diào)度便開始轉(zhuǎn)入保證通航調(diào)度。

3.1.2 雅口航運(yùn)調(diào)節(jié)庫(kù)容調(diào)度

隨著崔家營(yíng)航運(yùn)調(diào)節(jié)庫(kù)容的減少，保證通航調(diào)度也分為先后兩個(gè)階段進(jìn)行。

第一階段：當(dāng)繼續(xù)采用前面

調(diào)度方式時(shí)，崔家營(yíng)庫(kù)水位逐漸下降，若水位已降至新集、崔家營(yíng)區(qū)間航道最低通航水深要求時(shí)，崔家營(yíng)停止庫(kù)容補(bǔ)償ΔQ崔庫(kù)，以ΔQ雅庫(kù)代替ΔQ崔庫(kù)補(bǔ)充Q雅下航，雅口樞紐水庫(kù)開始動(dòng)用調(diào)節(jié)庫(kù)容。即

可見，此時(shí)保證了新集、崔家營(yíng)段航道通航，雅口樞紐已經(jīng)開始動(dòng)用調(diào)節(jié)庫(kù)容調(diào)節(jié)其下游航運(yùn)流量。

第二階段：雅口樞紐繼續(xù)動(dòng)用調(diào)節(jié)庫(kù)容，若其庫(kù)水位繼續(xù)下降，降至崔、雅區(qū)間最低通航水位以下，將影響崔、雅區(qū)間正常航運(yùn)。

綜上所述，若崔家營(yíng)入庫(kù)和崔、雅區(qū)間來水之和大于雅口下游航運(yùn)流量需要時(shí)，雅口樞紐先蓄水，并采用發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模式；若兩庫(kù)天然來水小于雅口下游航運(yùn)要求時(shí)，應(yīng)崔家營(yíng)水庫(kù)先為下游通航補(bǔ)水，不足時(shí)再使用雅口水庫(kù)補(bǔ)水。

3.2 特別枯水季節(jié)破壞梯級(jí)樞紐通航調(diào)度研究

在遭遇超過設(shè)計(jì)保證率的特別枯水年，必須要研究如何協(xié)調(diào)梯級(jí)通航的問題。當(dāng)雅口樞紐為了保證下游通航，通過動(dòng)用崔家營(yíng)調(diào)節(jié)庫(kù)容，若崔家營(yíng)庫(kù)區(qū)水位已降至新集、崔家營(yíng)航段最低通航水位時(shí)，顯然不能再繼續(xù)向下游補(bǔ)水，而改由雅口加大補(bǔ)水。當(dāng)雅口動(dòng)用調(diào)節(jié)庫(kù)容，增加向下游補(bǔ)水，其水位逐漸降低至崔家營(yíng)、雅口段最低通航水位時(shí)，這時(shí)就面臨破壞通航調(diào)度決策。

3.2.1 破壞一級(jí)保證下游通航的調(diào)度模式

繼續(xù)動(dòng)用崔家營(yíng)調(diào)節(jié)庫(kù)容向下游補(bǔ)水，以保證崔家營(yíng)以下航道正常通航，新集至崔家營(yíng)通航標(biāo)準(zhǔn)降低，崔家營(yíng)入庫(kù)流量很小時(shí)，其按Q崔航保證（470 m3/s）向下游補(bǔ)水至本庫(kù)死水位，最長(zhǎng)歷時(shí)為

雅口航運(yùn)調(diào)節(jié)庫(kù)容若按Q雅航保證（450 m3/s）向下游補(bǔ)水至本庫(kù)死水位，最長(zhǎng)歷時(shí)為

即兩庫(kù)先后補(bǔ)水，最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間為234.57 h。

3.2.2 各梯級(jí)均降低通航標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)度模式

新集-崔家營(yíng)-雅口航道統(tǒng)一降低通航標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)水從最上級(jí)開始，逐級(jí)向下，以取得最大發(fā)電效益。以雅口下游目前三級(jí)航道最低通航流量450 m3/s為通航要求，進(jìn)行水量平衡計(jì)算。

ΔQ補(bǔ)為崔家營(yíng)、雅口兩庫(kù)從最低通航水位開始，需要繼續(xù)向下游補(bǔ)充的航運(yùn)調(diào)節(jié)流量，根據(jù)中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)，設(shè)定補(bǔ)水期T（設(shè)T以天計(jì)算），即可獲得補(bǔ)水期內(nèi)所需總水量ΔV補(bǔ)

擬定一比例系數(shù)（例如調(diào)節(jié)庫(kù)容或入流系數(shù)）計(jì)算出ΔV崔補(bǔ)和ΔV雅補(bǔ)，且保證

由此求出補(bǔ)水期結(jié)束時(shí)，兩庫(kù)最低水位所對(duì)應(yīng)的兩段航道最低通航水深相同，且和雅口以下航段最低通航水深一致，則降低通航基流保障率調(diào)節(jié)計(jì)算完成；否則需進(jìn)行新一輪調(diào)節(jié)計(jì)算，即改變Q雅下航或上述調(diào)節(jié)庫(kù)容比例系數(shù)，直至3個(gè)航段最低通航水深一致。

3.2.3 通航補(bǔ)水次序

在實(shí)施通航補(bǔ)水時(shí)，應(yīng)從最上一級(jí)庫(kù)開始，逐級(jí)向下補(bǔ)水，即最上一級(jí)庫(kù)動(dòng)用調(diào)節(jié)庫(kù)容向下級(jí)補(bǔ)水，直至水位降至最低水位，不再補(bǔ)水，并維持在該水位發(fā)電。

4 結(jié)論

本文通過分析漢江襄陽(yáng)以下梯級(jí)樞紐發(fā)電效益與通航基流保障率之間的制約關(guān)系，針對(duì)漢江崔家營(yíng)樞紐和雅口樞紐的運(yùn)行目標(biāo)，建立了以周為計(jì)算時(shí)段的調(diào)度模型，提出了以綜合考慮航運(yùn)與發(fā)電兩種情況為目標(biāo)的多目標(biāo)樞紐聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案。通過優(yōu)化計(jì)算和理論分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）采用改進(jìn)遺傳算法對(duì)漢江襄陽(yáng)以下梯級(jí)樞紐多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型求解，結(jié)果表明：優(yōu)化調(diào)度后崔家營(yíng)樞紐2007年通航基流保障率由原來的90.38%提高到了94.23%，累計(jì)發(fā)電量約為3.913 5億kW·h減少約3.18%；優(yōu)化前后雅口樞紐通航基流保障率均為100%，累計(jì)發(fā)電量約為4.302 5億kW·h增加約14.87%。優(yōu)化后總發(fā)電量比常規(guī)運(yùn)行時(shí)總發(fā)電量提高約5.5%，而且通航基流保障率有大幅提高。雖然會(huì)導(dǎo)致部分在梯級(jí)優(yōu)化時(shí)產(chǎn)生損失，但是在梯級(jí)樞紐中，僅以犧牲若干電站的小部分發(fā)電利益，便可顯著提高樞紐下游的航運(yùn)保證率和總發(fā)電量，以達(dá)到航電的整體優(yōu)化。

（2）若經(jīng)中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)研究河段在該年為枯水年，當(dāng)短期預(yù)報(bào)上一梯級(jí)入庫(kù)流量和上下兩梯級(jí)區(qū)間來水之和大于下一梯級(jí)下游航運(yùn)基流要求時(shí)，上一梯級(jí)可采用發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模式增加發(fā)電量，下一梯級(jí)樞紐則以其下游航運(yùn)基流大小通過水輪機(jī)發(fā)電下泄，多余水量由下一梯級(jí)水庫(kù)先蓄；若短期預(yù)報(bào)上下兩梯級(jí)的天然來水小于下一梯級(jí)下游航運(yùn)要求時(shí)，可先動(dòng)用上一梯級(jí)水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容對(duì)下一梯級(jí)下游進(jìn)行航運(yùn)補(bǔ)水，直到上一梯級(jí)補(bǔ)水不能滿足時(shí)，下一梯級(jí)再開始補(bǔ)水；而經(jīng)中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)研究河段將遭遇超過設(shè)計(jì)保證率的特別枯水年時(shí)，可嘗試采用破壞上一梯級(jí)下游航運(yùn)要求來優(yōu)先保證下一梯級(jí)下游通航的調(diào)度模式或兩梯級(jí)均降低通航標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)度模式。

（3）實(shí)行梯級(jí)樞紐多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化有利于充分發(fā)揮樞紐發(fā)電、防洪、航運(yùn)的綜合效益，進(jìn)一步優(yōu)化電站的調(diào)節(jié)性能，實(shí)現(xiàn)通航基流保障率和發(fā)電量平衡優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。此外，聯(lián)合調(diào)度在提高枯水期發(fā)電量、減少棄水量、提高系統(tǒng)調(diào)峰能力、提高執(zhí)行調(diào)度計(jì)劃完成率以及改善系統(tǒng)防洪條件等方面同樣效益顯著。今后研究可在已有成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化以防洪、興利、生態(tài)為目標(biāo)的梯級(jí)樞紐調(diào)度方案，協(xié)調(diào)好局部利益與整體利益，分配好各梯級(jí)電站的有效職能，使多重制約關(guān)系達(dá)到平衡。

參考文獻(xiàn)：

［1］姚躍庭，張慧，孟慶社.基于發(fā)電量最大的三峽梯級(jí)樞紐優(yōu)化調(diào)度［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2010，33（3）：87-89．YAO Y T，ZHANG H，MENG Q H.Optimized operation of Three Gorges and Gezhouba cascade stations based on maximum gener?ating watt［J］.Mechanical&Electrical Technique of Hydropower Station，2010，33（3）：87-89．

［2］陳炯宏，郭生練，劉攀，等.三峽梯級(jí)和清江梯級(jí)水電站群聯(lián)合調(diào)度研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2010，29（6）：78-84．CHEN J H，GUO S L，LIU P，et al.Joint operation of the Three Gorges cascade reservoirs and the Qingjiang cascade reservoirs［J］. Journal of Hydroelectric Engineering，2010，29（6）：78-84．

［3］盧有麟，周建中，王浩，等.三峽梯級(jí)樞紐多目標(biāo)生態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型及其求解方法［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2011，22（6）：780-788．LU Y L，ZHOU J Z，WANG H，et al.Multi?objective optimization model for ecological operation in Three Gorges cascade hydropow?er stations and its algorithms［J］.Advances in Water Science，2011，22（6）：780-788．

［4］李獻(xiàn)新，安波，于茜，等.湖北漢江梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究［J］.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2013，11（1）：64-69．LI X X，AN B，YU Q，et al.Research on joint optimal operation of cascade reservoirs in Han River of Hubei Province［J］.Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2013，11（1）：64-69．

［5］電力工業(yè)部成都勘測(cè)設(shè)計(jì)院.水能設(shè)計(jì)［M］.北京：電力工業(yè)出版社，1981．

［6］KOLEBER M L.Planning and operation of hydropower development on a navigation system-a case study［J］.Proceedings of the In?ternational Conference on Hydropower，1989：1 554-1 503．

［7］榮學(xué)文，王連勤，王平義.嘉陵江梯級(jí)渠化以電養(yǎng)航問題研究［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，20（4）：101-104．RONG X W，WANG L Q，WANG P Y.Analysis of navigation development based on power generation of Jialing River［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2001，20（4）：101-104．

［8］陳寧珍.水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度［M］.北京：水利電力出版社，1990．

［9］Gilbert Syswerda.Schedule optimization using genetic algorithms［J］.Van Nostrand Reinhold，1991：342-349．

［10］許義海，李曉東.一種快速尋優(yōu)的新型改進(jìn)遺傳算法［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006（2）：36-40．XU Y H，LI X D.A new improved genetic algorithm to obtain solutions quickly［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sun?yatseni，2006（2）：36-40．

［11］李曉英，陳守倫，徐麗娜.基于改進(jìn)浮點(diǎn)遺傳算法的潮汐電站優(yōu)化運(yùn)行研究［J］.電力系統(tǒng)與自動(dòng)化，2010，34（14）：27-30．LI X Y，CHEN S L，XU L N.Optimum operation for tidal power station based on improved floating point genetic algorithm［J］.Au?tomation of Electric Power System，2010，34（14）：27-30．

［12］武學(xué)毅，陳守倫，郭倩.基于FP遺傳算法的梯級(jí)水庫(kù)短期優(yōu)化調(diào)度［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2010，29（1）：72-75．WU X Y，CHEN S L，GUO Q.Short?term optimal operation of cascade reservoirs based on FP genetical gorithm［J］.Journal of Hy?droelectric Engineering，2010，29（1）：72-75．

Study on combined optimal operation of cascade junction in the lower reaches of Xiangyang section,Hanjiang River

WANG Xiao?xu1,XU Jun?feng2,GAO Qing?yang1,LIU Jun?tao2
（1.Changsha University of Science&Technology,Changsha 410114,China；2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

To achieve the maximum comprehensive benefit,it is necessary to coordinate various tasks through the combined scheduling system of integrated junctions.In this paper,the optimal operation target of Cuijiaying junction and Yakou junction in the Hanjiang River was researched through analyzing the restrictive relation be?tween generation benefit and navigation base flow rate based on the FPGA.A scheduling mode calculated in the pe?riod of weeks was established.The optimal scheduling scheme and the criterion of cascade junction with comprehen?sive consideration of shipping and electric power generation were proposed.The methods of improving the basic flow protection rate of the following cascade junctions in the lower reaches of Xiangyang section in the Hanjiang Riv?er were preliminarily discussed.

integrated junction;scheduling;multi?objective;optimization

U 612.1+6

A

1005-8443（2017）02-0156-06

2016-09-01；

2017-02-16

CSSN-服務(wù)-38-09；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（TKS150102）

王曉旭（1992-），女，天津市人，碩士研究生，主要從事航道工程研究。

Biography：WANG Xiao?xu（1992-），female，master student.