王立剛 王藝菲 姜志群

陳村紀(jì)村梯級(jí)電站實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度研究

王立剛 王藝菲 姜志群

一、概述

陳村水庫位于長江支流青弋江上，壩址在涇縣桃花潭鎮(zhèn)以上3km。青弋江發(fā)源于黟縣北部和黃山，下游在西河鎮(zhèn)以下流入圩區(qū)，與水陽江、漳河水系溝通入長江。青弋江流域面積5760km2，陳村水庫壩址以上流域面積2780km2。壩址以上主要支流麻川河，源出黃山，經(jīng)石門里、譚家橋、太平在小河口匯入干流。陳村水庫壩址以上流域多年平均降雨量1700mm，多年平均徑流量 2.77×109m3，設(shè)計(jì)洪水流量 10600m3/s，校核流量 14400m3/s。水庫正常蓄水位119.0m，設(shè)計(jì)洪水位122.2m，總庫容2.476×109m3。電站安裝3臺(tái)50000kW機(jī)組，總?cè)萘?50000kW。多年平均發(fā)電量0.316×109kW·h；設(shè)計(jì)灌溉面積97.7×103hm2，使 44×103hm2耕地的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到20年一遇。陳村水庫是一座以防洪、發(fā)電、灌溉為主、兼有航運(yùn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的水庫。

紀(jì)村電站是陳村水電廠的二級(jí)站，位于青弋江灌區(qū)總干渠樞紐末端，屬于徑流式電站，裝機(jī)2臺(tái)，總裝機(jī)容量為34000kW。通過青弋江灌區(qū)總干渠與陳村水庫下游溪口水庫相連接，攔截徽水河區(qū)間來水，在紀(jì)村筑壩壅水發(fā)電，尾水進(jìn)入青弋江老河道。是一個(gè)投資省、收效快、淹沒少，十分經(jīng)濟(jì)合理的水電工程。

溪口水庫是青弋江灌區(qū)總干渠樞紐渠首工程，位于涇縣溪口下游約lkm處，截引青弋江干流水。溪口樞紐設(shè)計(jì)最低水位，即起調(diào)水位57.15m，相應(yīng)庫容3000萬m3；壩上最高興利水位57.50m，相應(yīng)庫容為3221萬m3；壩上最高水位58.0m?？刂茀^(qū)間集水面積500km2，總庫容3750萬m3。調(diào)節(jié)容量221萬m3，具有日調(diào)節(jié)能力，無裝機(jī)容量，當(dāng)引水渠來水超過其過流能力時(shí)，多余的流量可直接從河道排向下游。

青弋江灌區(qū)總干渠總長40km，設(shè)計(jì)最大過水流量160m3/s，實(shí)際過流量140m3/s，黃村閘上游徽水河集水面積1100km2。

陳村和紀(jì)村電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度在宏觀層面上已經(jīng)有過研究，但缺乏實(shí)際操作性，系統(tǒng)示意圖見圖1。在實(shí)際應(yīng)用中，更需要實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)來支持梯級(jí)電站的優(yōu)化調(diào)度，即需要研究開發(fā)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)，以便充分利用陳村尾水、徽水河及其區(qū)間來水，使得發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)，提高電站的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

二、基本算法

陳村和紀(jì)村實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型必須考慮在一年不同時(shí)期水庫的運(yùn)行方式。在汛期，陳村水庫以防汛為主，控制汛限水位運(yùn)行。在非汛期，應(yīng)考慮發(fā)電經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。所以，實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型必須綜合考慮這些因素。調(diào)度策略可簡單描述為：

（1）汛期，當(dāng)陳村水庫庫水位超過汛限水位時(shí)，陳村電站滿發(fā)，紀(jì)村電站利用陳村尾水即可實(shí)現(xiàn)滿發(fā)。

（2）汛期，當(dāng)庫水位達(dá)到汛限水位時(shí)，且上游無洪水入庫，陳村電站按計(jì)劃發(fā)電，紀(jì)村電站利用陳村尾水并通過徽水河和區(qū)間來水實(shí)現(xiàn)發(fā)電量最大。

（3）非汛期，最大限度地利用徽水河和區(qū)間來水，實(shí)現(xiàn)紀(jì)村電站發(fā)電量最大化。

由此，陳村和紀(jì)村實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型采用補(bǔ)償調(diào)度模型。

目標(biāo)函數(shù)：陳村和紀(jì)村實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)可以描述為在規(guī)定的時(shí)段紀(jì)村電站發(fā)電量最大。即：

圖1 系統(tǒng)示意圖

式中：E—時(shí)段發(fā)電量；N—時(shí)段數(shù)。

約束條件：

（1）庫容約束：水庫的蓄水量控制在一定的上下限內(nèi)。

式中：Vi—某時(shí)刻庫容—庫容下限—庫容上限。

（2）水庫泄量約束：某時(shí)刻水庫所有泄流建筑物的泄流量不能大于其最大泄流量，也不能大于下游的安全泄量。

式中：Qi—某時(shí)刻泄流量；Qmax—最大泄流量；q—下游安全泄量。

（3）渠道行洪流量約束：渠道流量不能大于其行洪能力。

（4）出力約束：發(fā)電機(jī)出力應(yīng)位于裝機(jī)容量和保證出力間。

式中：Ni—某時(shí)刻發(fā)電機(jī)出力；—出力下限，相當(dāng)于保證出力—出力上限，當(dāng)出力不受阻時(shí)，即為裝機(jī)容量。

（5）節(jié)點(diǎn)水量平衡約束：系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)水量必須平衡，包括陳村水庫、紀(jì)村水庫、溪口和黃村。

三、計(jì)算邏輯

系統(tǒng)一期研究非汛期系統(tǒng)運(yùn)行情況?；居?jì)算邏輯為：

（1）如果平垣來水充分，不需要上游補(bǔ)償。

（2）如果平垣來水不充分，則考慮上游補(bǔ)償。

如果溪口水量充分，則通過溪口水庫調(diào)節(jié)計(jì)算，補(bǔ)償下游水量需求；如果溪口水量不足，則考慮上游補(bǔ)償。

黃村至溪口段渠道水流計(jì)算用馬斯京根河道演算方法和圣維南方程擴(kuò)散波解析解方法。如果是逆向調(diào)節(jié)計(jì)算，則采用反向試錯(cuò)調(diào)節(jié)計(jì)算。

溪口水庫調(diào)節(jié)計(jì)算采用聯(lián)解溪口水庫的水量平衡方程和泄流方程，采用數(shù)值解法。

溪口至陳村壩下水流計(jì)算方法同黃村至溪口段渠道水流計(jì)算。

系統(tǒng)每隔15min自動(dòng)遞推計(jì)算一次，要求水位計(jì)算誤差小于2cm。計(jì)算要求極高，要求采用快速收斂并保持高精度的計(jì)算模型，同時(shí)需要優(yōu)化軟件的計(jì)算時(shí)間。

四、軟件概述

陳紀(jì)優(yōu)化調(diào)度決策系統(tǒng)應(yīng)以數(shù)據(jù)庫為核心，實(shí)現(xiàn)區(qū)間水雨情、機(jī)組實(shí)時(shí)信息的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，通過河道與區(qū)間來水的不斷的自動(dòng)演算，提供調(diào)度方案，并制定與模擬管理、檢索時(shí)段數(shù)據(jù)發(fā)布和查詢管理，并方便地進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理和調(diào)度方案、調(diào)度成果管理。

該系統(tǒng)分為兩個(gè)子系統(tǒng)：客戶端系統(tǒng)和服務(wù)器端系統(tǒng)。服務(wù)器系統(tǒng)為自動(dòng)調(diào)節(jié)計(jì)算，而客戶端系統(tǒng)為發(fā)布與查詢實(shí)時(shí)信息和調(diào)節(jié)計(jì)算結(jié)果。

1.客戶端系統(tǒng)功能

實(shí)時(shí)顯示沿渠道主要節(jié)點(diǎn)的水位與流量信息，包括：壩下、溪口、黃村、紀(jì)村。

顯示在紀(jì)村電站最大化發(fā)電量的情況下，沿渠道各主要節(jié)點(diǎn)的水位與流量信息。

顯示如果運(yùn)用溪口水庫調(diào)節(jié)的情況下，溪口水庫的閘門開啟情況，包括開啟孔數(shù)和開啟高度。

顯示在運(yùn)用陳村水庫調(diào)節(jié)的情況下，請(qǐng)求陳村水庫的調(diào)節(jié)流量。

2.服務(wù)器系統(tǒng)功能

服務(wù)器系統(tǒng)主要包括水量優(yōu)化調(diào)節(jié)計(jì)算模型，該模型每隔15min自動(dòng)進(jìn)行一次調(diào)節(jié)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果存入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。

五、結(jié)論與建議

通過一年多的試運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行十分穩(wěn)定，計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為梯級(jí)電站優(yōu)化運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)支持。建議在二期工程中，考慮運(yùn)用徑流預(yù)報(bào)模型，增加系統(tǒng)的預(yù)見期，可以更加充分地利用區(qū)域的水資源，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益■

（作者單位：遼寧省大洼縣水利局124200 佳木斯大學(xué) 154007 南京江山同和水利水電技術(shù)有限公司 210000）