王 強，張繼軍

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021；2.水利部松遼水利委員會，吉林長春130021）

0 引言

近年來，隨著經濟社會的快速發(fā)展，各方面對電力的需求量日益增加[1]。為充分發(fā)揮現(xiàn)有水利工程的發(fā)電效益，提高流域或區(qū)域整體的綜合調度水平，多個流域已經或正在形成水庫群的整體開發(fā)利用格局。與傳統(tǒng)的單庫相比，水庫群的聯(lián)合運行要更為復雜，不僅僅是水庫數(shù)量上的增加、范圍的擴大，而且難點在于如何有效利用庫群間的水文差異和庫容差異，提高整體的發(fā)電效益[2]。因此，研究制定與優(yōu)化調度規(guī)則相適應的水庫群聯(lián)合調度方案已經成為各大流域的研究重點，對實現(xiàn)水能資源利用最大化具有重要的意義[3-7]。本文以西藏拉薩河流域內的旁多、直孔水庫群作為研究對象，建立了水庫群聯(lián)合調度模型，并采用模擬-優(yōu)化相結合的方法對聯(lián)合調度模型進行求解，通過對比分析，制定了切合實際可操作的聯(lián)合調度方案，有效地提高了流域內水庫群的整體效益。

1 研究對象

旁多、直孔水庫均位于拉薩河干流上，形成拉薩河干流中游河段水電梯級結構。旁多水庫為拉薩河中游段水電梯級開發(fā)的龍頭水庫，總庫容12.30×108m3，電站裝機容量160 MW。旁多水庫工程任務是以灌溉、發(fā)電為主，兼顧防洪和供水，水庫具有年調節(jié)性能。直孔水庫位于旁多水庫下游，總庫容2.24×108m3，電站裝機容量100 MW，直孔水庫工程任務是以發(fā)電為主，兼顧灌溉和防洪，水庫具有年調節(jié)能力。

2 聯(lián)合調度模型的構建與求解

將拉薩河流域內的旁多、直孔水庫群作為研究對象，根據(jù)流域內水庫群多年長系列徑流數(shù)據(jù)，綜合考慮流域內的用水需求，以旬為計算時段，建立水庫群電力調度數(shù)學模型，以充分發(fā)揮水庫群的聯(lián)合電力調節(jié)作用。

2.1 模型的構建

2.1.1 目標函數(shù)

模型的目標函數(shù)描述：已知系統(tǒng)初始庫水位（庫容）和入庫徑流過程，在滿足壩址上游綜合用水、發(fā)電保證率等各種約束條件下，使水庫群系統(tǒng)在調度運行期內總發(fā)電量最大。模型目標函數(shù)，見式（1）。

式中：E為旁多、直孔水庫群系統(tǒng)調度運行期內的總發(fā)電量，kW·h；N1，N2分別表示旁多、直孔電站的發(fā)電出力，MW；T為時段總數(shù)；A′，A″分別表示旁多、直孔電站出力系數(shù)，其中旁多出力系數(shù)為8.5，直孔出力系數(shù)為8.3；分別表示旁多、直孔電站在時段的發(fā)電流量，m3/s；分別表示旁多、直孔電站在時段的凈水頭，m，為上下游水位之差減去水頭損失。

2.1.2 約束條件

2）水庫蓄水量約束

蓄水下限，對應各水庫的死庫容，m3；t

分別表示旁多、直孔水庫時段蓄水上限，在汛期為水庫汛限水位對應的庫容，m3，在非汛期為水庫正常蓄水位對應的庫容，m3。

3）水輪機過水流量約束

4）水電站出力約束

5）上下游水庫關聯(lián)方程：

由于旁多水庫和直孔水庫為串聯(lián)結構形式，故需要考慮2座水庫之間的水力聯(lián)系，如式（13）所示：

式中：QJt表示時段旁多水庫與直孔水庫之間的區(qū)間流量，m3/s。

6）水庫水位約束

2.2 模型求解

構建水庫群聯(lián)合電力調度模型，應用模擬和優(yōu)化相結合的方法對模型進行求解，在求解過程中，以各水庫電力調度圖中調度線上的關鍵控制點作為決策變量，求解水庫發(fā)電調度問題的基本流程如圖1所示。首先，給定模型的輸入信息，模擬模型根據(jù)水庫的水量平衡方程以及初始決策變量對水庫進行興利調節(jié)計算；然后，優(yōu)化模型采用遺傳算法，通過遺傳進化操作（選擇、交叉和變異）產生一組新的決策變量，并將這些變量輸入到模擬模型中，以便獲得水庫最優(yōu)的性能指標（適應度值）；最后，模擬模型得到的水庫性能指標反饋到優(yōu)化模型中，當水庫性能指標發(fā)生變化時，優(yōu)化模型重新調整決策變量。這種模擬-優(yōu)化迭代循環(huán)直到系統(tǒng)性能滿足模型收斂條件為止，并得到最優(yōu)的或者滿意的調度，見圖1。

3 水庫群聯(lián)合調度方案

旁多水庫正常蓄水位4 095 m，死水位4 066 m，汛限水位4 093.5 m；直孔水庫正常蓄水位3 888 m，死水位3 878 m，汛限水位3 885 m。此次研究在考慮了上、下游補償調節(jié)作用后，分別編制出了旁多水庫、直孔水庫各自運行的電力調度圖，以滿足實際運行中調度可操作性需要。

圖1 模型求解基本流程圖

為滿足電站在運行中能按相應設計的方式運行，故電站在該區(qū)內的平均出力應按保證出力即旁多32 MW、直孔21.35 MW運行。當水庫水位位于保證出力區(qū)調度線以上時，即轉入加大出力運行范圍；在枯水時段，為了保證電站在死水位以上運行，水庫轉入降低出力運行范圍。

為實現(xiàn)上述要求，在編制旁多、直孔水庫群聯(lián)合電力調度圖時采用同倍比加大或降低的方法，并利用1956—2002年共47年旬徑流系列對水庫群聯(lián)合調度模型進行優(yōu)化求解，編制幾種不同加大、降低出力運行范圍的水庫群聯(lián)合電力調度方案。對應每個旁多調度方案、直孔水庫各方案設置的基本情況見表1。

表1 兩座水庫運行調度圖方案表

將旁多水庫與直孔水庫的3個調度方案進行組合，形成9個水庫群聯(lián)合調度方案，并對聯(lián)合調度方案中2座水庫的調度圖進行優(yōu)化，形成最終的聯(lián)合調度圖。

4 聯(lián)合調度結果及分析

采用拉薩河流域旁多和直孔2座水庫1956—2002年共47年的實測徑流資料作為模型的輸入數(shù)據(jù)，以旬為計算時段，對水庫群聯(lián)合優(yōu)化調度模型進行長系列優(yōu)化調節(jié)計算，得到指導水庫群實施調度運行的聯(lián)合調度方案。對比分析不同聯(lián)合方案下的水庫群優(yōu)化調度結果，選擇較為合理可行的聯(lián)合調度方案，最大程度地發(fā)揮水庫群聯(lián)合調度效益。為驗證聯(lián)合調度方案的合理性及有效性，表2給出了不同調度方案下水庫群聯(lián)合調度結果，以及現(xiàn)行的水庫單庫調度結果。

表2 不同調度方案多年平均發(fā)電量計算成果對比 108kW·h

從表2中可以看到，與原設計方案（水庫群聯(lián)調前）結果相比，各聯(lián)合調度方案旁多和直孔兩座水庫年均發(fā)電量都有顯著提高。主要原因在于原設計方案中，旁多、直孔2座水庫均按各自的調度原則進行單庫調度，并且直孔水庫并未編制調度圖，采用聯(lián)合調度方案后，旁多水庫調度圖在原方案的基礎上進行了優(yōu)化，同時制定了直孔水庫優(yōu)化調度圖。對比各聯(lián)合調度方案，當旁多采用方案二中的規(guī)則形式（聯(lián)合調度方案4、方案5和方案6）時，旁多年均發(fā)電量最大，為5.99×108kW·h，結果也說明了增加旁多水庫加大出力倍比系數(shù)，可以有效提高旁多水庫年均發(fā)電量。

綜上所述，當旁多水庫采用方案二中的規(guī)則形式，直孔水庫采用方案一中的規(guī)則形式（聯(lián)合調度方案4）時，2庫合計發(fā)電量最大，為10.01×108kW·h，增加了4.49%，聯(lián)調結果優(yōu)于其他方案。聯(lián)合調度方案4中兩庫合計年均發(fā)電量較原設計方案增加約0.43×108kW·h。因此，聯(lián)合調度方案4水能利用率最高，調度方案最為合理。